초음파 풍속계는 어떻게 실제 풍속과 풍향을 측정하는가?

기술 자료 | 무인 항공기 센서 · 이동식 기상 관측소 · 기상 관측

무인 항공기(UAV), 드론 또는 차량과 같은 이동 플랫폼에 초음파 풍속계를 장착하면 측정된 풍향 벡터에 플랫폼 자체의 움직임 영향이 포함됩니다. 실제 풍속과 풍향을 얻으려면 초음파 풍속계 시스템에 전자 나침반, 자이로스코프/자세 센서, GPS 또는 BeiDou 위치 확인 모듈이 통합되어야 합니다. 측정된 데이터는 일련의 좌표 변환 및 벡터 계산을 통해 보정해야 합니다. 먼저 플랫폼의 속도를 지리 좌표계에서 플랫폼 자체의 좌표계로 변환합니다. 다음으로 플랫폼 자체 좌표계에서 실제 풍향 벡터를 계산합니다. 그 결과를 다시 지리 좌표계로 변환한 후, 최종적으로 수평 풍속과 풍향을 계산합니다.

그림 1. 이동식 초음파 풍속계 구성에 대한 참고 이미지. 출처:

다음 절에서는 이동 플랫폼에 설치된 초음파 풍속계를 이용하여 실제 풍속과 실제 풍향을 도출하는 이론 및 알고리즘을 설명합니다. 여기에는 좌표 정의, 입력 데이터, 보정 단계 및 계산 공식이 포함됩니다.

1. 좌표계 정의

1.1 지리적 좌표계(NED)

원점은 플랫폼의 질량 중심에 위치합니다. X축은 북쪽(N), Y축은 동쪽(E), Z축은 아래쪽(D)을 가리키며, 아래쪽을 양의 방향으로 정의합니다. 이 좌표계는 풍향 벡터와 플랫폼 속도의 절대 방향을 나타내는 데 사용됩니다.

1.2 신체 좌표계(FRD)

원점은 풍속계 장착 지점에 위치합니다. X축은 전방(F, 플랫폼 앞쪽 방향), Y축은 우측(R), Z축은 하방(D)을 가리킵니다. 이 좌표계는 초음파 풍속계의 측정 좌표계와 일치합니다.

1.3 자세 각도

플랫폼의 자세는 오일러 각도를 사용하여 표현되며, 회전 순서는 요(ψ), 피치(θ), 롤(φ)로 정의됩니다.

• 요각 ψ: 지리적 북쪽에서 플랫폼 세로축(앞쪽 방향)의 수평 투영선까지의 시계 방향 각도로, 0°에서 360°까지의 범위를 갖습니다.

• 피치 각도 θ: 플랫폼의 세로축과 수평면 사이의 각도; 기수가 들릴수록 양의 각도를 갖습니다.

• 롤 각도 φ: 플랫폼이 세로축을 중심으로 회전하는 각도; 오른쪽으로 회전하는 경우를 양수로 간주합니다.

2. 입력 데이터

2.1 초음파 풍속계의 본체 좌표계(FRD)에서의 속도

Vmeas = (umeas, vmeas, wmeas)

2.2 지리적 좌표계(NED) 내 GPS/BeiDou를 이용한 플랫폼 속도

VGPS = (vN, vE, vD), 여기서 vD는 아래쪽으로 갈수록 양수입니다.

2.3 플랫폼 태도

자세 센서에서 제공하는 요(ψ), 피치(θ), 롤(φ) 값은 라디안 단위입니다.

3. 실제 풍속 및 풍향 계산 알고리즘

1단계: 플랫폼 속도를 물체 좌표계로 표현합니다.

지리 좌표계(NED)의 벡터를 신체 좌표계(FRD)로 변환하는 회전 행렬 RN2B를 구성하십시오.

RN2B = Rx(φ) Ry(θ) Rz(ψ)

회전 행렬 참조 이미지:

2단계: 물체 좌표계에서 실제 풍향 벡터를 계산합니다.

실제 풍향 벡터 계산 참조 이미지:

3단계: 실제 풍향 벡터를 지리 좌표계(NED)로 변환합니다.

지리적 좌표 변환 참조 이미지:

4단계: 수평 풍속 및 풍향 계산

수평 풍속 및 풍향 계산 참고 이미지:

4. 주요 고려 사항 및 결론

• 자세 보정: 회전 행렬 방식은 플랫폼의 피치 및 롤이 풍속과 풍향에 미치는 영향을 고려하므로 별도의 자세 보정 단계가 필요하지 않습니다.

• 좌표계 일관성: GPS가 동북상(ENU) 좌표계에서 속도를 (vE, vN, vU)로 출력하는 경우, 다음과 같이 북동-북-상(NED) 좌표계로 변환합니다. vN은 변경되지 않고, vE도 변경되지 않으며, vD = −vU입니다.

• 시간 동기화: 초음파 풍속계, GPS/BeiDou 수신기 및 자세 센서의 측정값은 움직임으로 인한 오차를 최소화하기 위해 시간적으로 동기화되어야 합니다.

• 전자 나침반: 전자 나침반을 사용하여 요각(ψ)을 구하고, 진북을 기준으로 방향을 설정하기 위해 자기편차를 보정해야 합니다.

벡터 연산과 좌표 변환을 적용함으로써, 이 시스템은 이동 플랫폼에 설치된 초음파 풍속계로 측정한 실제 풍향 벡터와 실제 풍향을 직접 도출할 수 있다. 이 방법은 이론적으로 타당하며, 무인 항공기, 드론, 차량 및 기타 이동 플랫폼의 풍속 측정 및 모션 보정에 적용 가능하다.

5. HONGYUV 모바일 기상 센싱의 응용 전망

이동형 기상 관측에서 플랫폼의 움직임과 주변 풍향을 ​​분리하는 것은 필수적입니다. GPS/BeiDou 위치 및 자세 감지 기능이 통합된 초음파 풍속계는 UAV 기반 대기 관측, 차량 탑재형 이동식 기상 관측소 및 기타 동적 환경 모니터링 플랫폼을 위한 소형 풍속 측정 서브시스템을 구성할 수 있습니다.

홍유브 테크놀로지의 제품 포트폴리오는 기상 센서, 이동식 기상 관측소, UAV 센서, 교통 환경 센서, 산업용 계측기 및 액세서리를 포함합니다. 본 문서에서 설명하는 모션 보정 원리는 측정 플랫폼이 지속적으로 움직이고 자세가 변하는 UAV 센서 및 이동식 기상 관측소에 특히 중요합니다.

실제 시스템 통합에서 최종 풍속 측정 성능은 초음파 센싱 소자뿐만 아니라 센서 정렬, 좌표계 규칙, GPS/BeiDou 정확도, 자세 추정, 시간 동기화, 설치 형상 및 모션 보정 알고리즘에도 영향을 받습니다. 이러한 요소들은 OEM/ODM 기상 센싱 장비 개발 시 종합적으로 고려해야 합니다.

6. 기술 키워드

초음파 풍속계; 실제 풍속; 실제 풍향; 모션 보정; 풍향 벡터 보정; NED 좌표계; FRD 기체 좌표계; 오일러 각; 요(yaw); 피치(pitch); 롤(roll); GPS; BeiDou; UAV 풍속 측정; 이동식 기상 관측소; 기상 센서.