Comment la vitesse et la direction réelles du vent sont-elles déterminées à partir d'un anémomètre à ultrasons ?

Article technique | Capteurs pour drones · Stations météorologiques mobiles · Observation météorologique

Lorsqu'un anémomètre ultrasonique est monté sur une plateforme mobile, comme un drone ou un véhicule, le vecteur vent mesuré est influencé par le mouvement propre de la plateforme. Pour obtenir la vitesse et la direction réelles du vent, le système d'anémomètre ultrasonique doit intégrer un compas électronique, un gyroscope/capteur d'attitude et un module de positionnement GPS ou BeiDou. Les données mesurées doivent ensuite être corrigées par une série de transformations de coordonnées et de calculs vectoriels : tout d'abord, la vitesse de la plateforme est transformée du système de coordonnées géographiques au système de coordonnées de la plateforme ; ensuite, le vecteur vent réel est calculé dans le repère de la plateforme ; le résultat est reconverti dans le repère géographique ; enfin, la vitesse et la direction du vent horizontal sont calculées.

Figure 1. Image de référence pour la configuration de l'anémomètre ultrasonique mobile. Source :

Les sections suivantes décrivent la théorie et l'algorithme permettant de déduire la vitesse et la direction réelles du vent à partir d'un anémomètre ultrasonique installé sur une plateforme mobile, y compris les définitions des coordonnées, les données d'entrée, les étapes de correction et les formules de calcul.

1. Définitions des systèmes de coordonnées

1.1 Système de coordonnées géographiques (NED)

L'origine est située au centre de gravité de la plateforme. L'axe X est orienté vers le nord (N), l'axe Y vers l'est (E) et l'axe Z vers le bas (D), le bas étant considéré comme positif. Ce système de coordonnées permet de décrire la direction absolue du vecteur vent et la vitesse de la plateforme.

1.2 Système de coordonnées corporelles (FRD)

L'origine se situe au niveau du point de fixation de l'anémomètre. L'axe X est orienté vers l'avant (F, direction du nez de la plateforme), l'axe Y vers la droite (R) et l'axe Z vers le bas (D). Ce repère correspond au système de coordonnées de mesure de l'anémomètre ultrasonique.

1.3 Angles d'attitude

L'attitude de la plateforme est représentée à l'aide d'angles d'Euler, la séquence de rotation étant définie comme lacet (ψ), tangage (θ) et roulis (φ).

• Angle de lacet ψ : l'angle dans le sens horaire entre le nord géographique et la projection horizontale de l'axe longitudinal de la plateforme (direction du nez), allant de 0° à 360°.

• Angle de tangage θ : l'angle entre l'axe longitudinal de la plateforme et le plan horizontal ; le nez vers le haut est positif.

• Angle de roulis φ : la rotation de la plateforme autour de son axe longitudinal ; le roulis à droite est positif.

2. Données d'entrée

2.1 Vitesse de l'anémomètre ultrasonique dans le cadre du corps (FRD)

Vmeas = (umeas, vmeas, wmeas)

2.2 Vitesse de la plateforme à partir du GPS/BeiDou dans le repère géographique (NED)

VGPS = (vN, vE, vD), où vD est positif vers le bas.

2.3 Attitude de la plateforme

Lacet ψ, tangage θ et roulis φ, fournis par le capteur d'attitude en radians.

3. Algorithme de calcul de la vitesse et de la direction réelles du vent

Étape 1 : Exprimer la vitesse de la plateforme dans le système de coordonnées du corps

Construisez la matrice de rotation RN2B qui transforme un vecteur du système de coordonnées géographiques (NED) au système de coordonnées du corps (FRD) :

RN2B = Rx(φ) Ry(θ) Rz(ψ)

Image de référence de la matrice de rotation :

Étape 2 : Calculer le vecteur vent réel dans le système de coordonnées du corps

Image de référence pour le calcul du vecteur vent réel :

Étape 3 : Transformer le vecteur de vent réel en système de coordonnées géographiques (NED)

Image de référence pour la transformation des coordonnées géographiques :

Étape 4 : Calculer la vitesse et la direction du vent horizontal

Image de référence pour le calcul de la vitesse et de la direction du vent horizontal :

4. Considérations clés et conclusion

• Compensation d'attitude : L'approche par matrice de rotation intègre les effets du tangage et du roulis de la plateforme sur la vitesse et la direction du vent, de sorte qu'aucune étape de correction d'attitude séparée n'est requise.

• Cohérence du système de coordonnées : Si le GPS produit la vitesse dans le repère Est-Nord-Haut (ENU) comme (vE, vN, vU), convertissez-la en NED comme suit : vN reste inchangé, vE reste inchangé et vD = −vU.

• Synchronisation temporelle : les mesures de l’anémomètre ultrasonique, du récepteur GPS/BeiDou et du capteur d’attitude doivent être synchronisées temporellement afin de minimiser les erreurs liées au mouvement.

• Compas électronique : L'angle de lacet ψ doit être obtenu à partir d'un compas électronique et corrigé de la déclinaison magnétique afin que le cap soit référencé au Nord vrai.

En appliquant des opérations vectorielles et des transformations de coordonnées, le système peut déduire directement le vecteur et la direction du vent réels, mesurés par un anémomètre ultrasonique embarqué sur une plateforme mobile. Cette méthode, théoriquement rigoureuse, est applicable à la mesure du vent et à la compensation des mouvements sur les drones, les véhicules et autres plateformes mobiles.

5. Perspectives d'application pour la télédétection météorologique mobile HONGYUV

Pour l'observation météorologique mobile, il est essentiel de dissocier le mouvement de la plateforme du champ de vent ambiant. Un anémomètre ultrasonique, intégré à un système de positionnement GPS/BeiDou et à un dispositif de détection d'attitude, peut constituer un sous-système compact de mesure du vent pour l'observation atmosphérique par drone, les stations météorologiques mobiles embarquées sur véhicules et d'autres plateformes dynamiques de surveillance environnementale.

La gamme de produits de HONGYUV Technology comprend des capteurs météorologiques, des stations météorologiques mobiles, des capteurs pour drones, des capteurs de trafic et d'environnement, des instruments industriels et des accessoires. Le principe de compensation de mouvement décrit dans cet article est particulièrement pertinent pour les capteurs embarqués sur drones et les stations météorologiques mobiles, dont la plateforme de mesure est en mouvement constant et dont l'orientation varie.

Lors de l'intégration pratique d'un système, les performances finales de mesure du vent dépendent non seulement de l'élément de détection ultrasonique, mais aussi de l'alignement du capteur, des conventions de coordonnées, de la précision du GPS/BeiDou, de l'estimation de l'attitude, de la synchronisation temporelle, de la géométrie d'installation et de l'algorithme de compensation de mouvement. Ces facteurs doivent être pris en compte conjointement lors du développement d'équipements de détection météorologique pour les fabricants d'équipement d'origine (OEM) et les fabricants de conception et de fabrication à façon (ODM).

6. Mots-clés techniques

Anémomètre ultrasonique ; vitesse réelle du vent ; direction réelle du vent ; compensation de mouvement ; correction du vecteur vent ; système de coordonnées NED ; repère FRD ; angles d’Euler ; lacet ; tangage ; roulis ; GPS ; BeiDou ; mesure du vent par drone ; station météorologique mobile ; capteurs météorologiques.