Come si ricavano la velocità e la direzione reali del vento da un anemometro a ultrasuoni?

Articolo tecnico | Sensori per droni · Stazioni meteorologiche mobili · Osservazione meteorologica

Quando un anemometro a ultrasuoni viene montato su una piattaforma mobile come un UAV, un drone o un veicolo, il vettore del vento misurato risente dell'influenza del movimento della piattaforma stessa. Per ottenere la velocità e la direzione del vento reali, il sistema anemometrico a ultrasuoni deve integrare una bussola elettronica, un giroscopio/sensore di assetto e un modulo di posizionamento GPS o BeiDou. I dati misurati devono quindi essere corretti attraverso una sequenza di trasformazioni di coordinate e calcoli vettoriali: in primo luogo, la velocità della piattaforma viene trasformata dal sistema di coordinate geografiche al sistema di coordinate del corpo; successivamente, viene calcolato il vettore del vento reale nel sistema di riferimento del corpo; il risultato viene ritrasformato nel sistema di riferimento geografico; infine, vengono calcolate la velocità e la direzione del vento orizzontale.

Figura 1. Immagine di riferimento per la configurazione dell'anemometro ultrasonico mobile. Fonte:

Le sezioni seguenti descrivono la teoria e l'algoritmo per ricavare la velocità e la direzione reali del vento da un anemometro a ultrasuoni installato su una piattaforma mobile, incluse le definizioni delle coordinate, i dati di input, le fasi di correzione e le formule di calcolo.

1. Definizioni del sistema di coordinate

1.1 Sistema di coordinate geografiche (NED)

L'origine del sistema di coordinate si trova nel centro di massa della piattaforma. L'asse X punta a Nord (N), l'asse Y a Est (E) e l'asse Z a Basso (D), con la direzione verso il basso definita come positiva. Questo sistema di coordinate viene utilizzato per descrivere la direzione assoluta del vettore vento e la velocità della piattaforma.

1.2 Sistema di coordinate del corpo (FRD)

L'origine del sistema di coordinate si trova nel punto di montaggio dell'anemometro. L'asse X punta in avanti (F, direzione della punta della piattaforma), l'asse Y punta a destra (R) e l'asse Z punta verso il basso (D). Questo sistema di coordinate è coerente con il sistema di misurazione dell'anemometro a ultrasuoni.

1.3 Angoli di assetto

L'assetto della piattaforma è rappresentato utilizzando gli angoli di Eulero, con la sequenza di rotazione definita come imbardata (ψ), beccheggio (θ) e rollio (φ).

• Angolo di imbardata ψ: l'angolo in senso orario rispetto al Nord geografico rispetto alla proiezione orizzontale dell'asse longitudinale della piattaforma (direzione della prua), con valori compresi tra 0° e 360°.

• Angolo di beccheggio θ: l'angolo tra l'asse longitudinale della piattaforma e il piano orizzontale; il beccheggio verso l'alto è positivo.

• Angolo di rollio φ: la rotazione della piattaforma attorno al suo asse longitudinale; il rollio a destra è positivo.

2. Dati di input

2.1 Velocità dell'anemometro a ultrasuoni nel telaio del corpo (FRD)

Vmeas = (umeas, vmeas, wmeas)

2.2 Velocità della piattaforma rilevata tramite GPS/BeiDou nel sistema di riferimento geografico (NED)

VGPS = (vN, vE, vD), dove vD è positivo verso il basso.

2.3 Atteggiamento della piattaforma

Imbardata ψ, beccheggio θ e rollio φ, forniti dal sensore di assetto in radianti.

3. Algoritmo per il calcolo della velocità e della direzione del vento reale

Passaggio 1: Esprimere la velocità della piattaforma nel sistema di coordinate del corpo

Costruisci la matrice di rotazione RN2B che trasforma un vettore dal sistema di coordinate geografiche (NED) al sistema di coordinate del corpo (FRD):

RN2B = Rx(φ) Ry(θ) Rz(ψ)

Immagine di riferimento della matrice di rotazione:

Passaggio 2: Calcolare il vettore del vento reale nel sistema di coordinate del corpo

Immagine di riferimento per il calcolo del vettore del vento reale:

Passaggio 3: Trasformare il vettore del vento reale nel sistema di coordinate geografiche (NED)

Immagine di riferimento per la trasformazione delle coordinate geografiche:

Passaggio 4: Calcolare la velocità e la direzione del vento orizzontale.

Immagine di riferimento per il calcolo della velocità e della direzione del vento orizzontale:

4. Considerazioni principali e conclusione

• Compensazione dell'assetto: l'approccio della matrice di rotazione incorpora gli effetti del beccheggio e del rollio della piattaforma sulla velocità e sulla direzione del vento, quindi non è necessario alcun passaggio separato di correzione dell'assetto.

• Coerenza del sistema di coordinate: se il GPS fornisce la velocità nel sistema di riferimento Est-Nord-Alto (ENU) come (vE, vN, vU), convertirla in NED come segue: vN rimane invariata, vE rimane invariata e vD = −vU.

• Sincronizzazione temporale: le misurazioni dell'anemometro a ultrasuoni, del ricevitore GPS/BeiDou e del sensore di assetto devono essere sincronizzate temporalmente per ridurre al minimo gli errori dovuti al movimento.

• Bussola elettronica: l'angolo di imbardata ψ deve essere ricavato da una bussola elettronica e corretto per la declinazione magnetica in modo che la rotta sia riferita al vero Nord.

Applicando operazioni vettoriali e trasformazioni di coordinate, il sistema è in grado di ricavare direttamente il vettore e la direzione reali del vento misurati da un anemometro a ultrasuoni installato su una piattaforma mobile. Il metodo è teoricamente rigoroso ed è applicabile alla misurazione del vento e alla compensazione del movimento su UAV, droni, veicoli e altre piattaforme mobili.

5. Prospettive applicative per il sistema di rilevamento meteorologico mobile HONGYUV

Per le osservazioni meteorologiche mobili, è essenziale separare il movimento della piattaforma dal campo del vento ambientale. Un anemometro a ultrasuoni integrato con posizionamento GPS/BeiDou e rilevamento dell'assetto può costituire un sottosistema compatto per la misurazione del vento, utilizzabile per l'osservazione atmosferica tramite droni, stazioni meteorologiche mobili montate su veicoli e altre piattaforme dinamiche di monitoraggio ambientale.

Il portafoglio prodotti di HONGYUV Technology comprende sensori meteorologici, stazioni meteorologiche mobili, sensori per droni, sensori per il monitoraggio del traffico, strumenti industriali e accessori. Il principio di compensazione del movimento descritto in questo articolo è particolarmente rilevante per i sensori per droni e le stazioni meteorologiche mobili, dove la piattaforma di misurazione è in continuo movimento e cambia assetto.

Nell'integrazione pratica dei sistemi, le prestazioni finali della misurazione del vento dipendono non solo dall'elemento di rilevamento a ultrasuoni, ma anche dall'allineamento del sensore, dalle convenzioni di coordinate, dalla precisione del GPS/BeiDou, dalla stima dell'assetto, dalla sincronizzazione temporale, dalla geometria di installazione e dall'algoritmo di compensazione del movimento. Questi fattori devono essere considerati congiuntamente durante lo sviluppo di apparecchiature di rilevamento meteorologico OEM/ODM.

6. Parole chiave tecniche

Anemometro a ultrasuoni; velocità del vento reale; direzione del vento reale; compensazione del movimento; correzione del vettore del vento; sistema di coordinate NED; sistema di riferimento FRD; angoli di Eulero; imbardata; beccheggio; rollio; GPS; BeiDou; misurazione del vento con UAV; stazione meteorologica mobile; sensori meteorologici.