Как определяется истинная скорость и направление ветра с помощью ультразвукового анемометра?

Техническая статья | Датчики для БПЛА · Мобильные метеостанции · Метеорологические наблюдения

Когда ультразвуковой анемометр установлен на движущейся платформе, такой как БПЛА, дрон или транспортное средство, измеренный вектор ветра включает в себя влияние собственного движения платформы. Для получения истинной скорости и направления ветра система ультразвукового анемометра должна включать электронный компас, гироскоп/датчик положения и модуль позиционирования GPS или BeiDou. Затем измеренные данные необходимо скорректировать с помощью последовательности преобразований координат и векторных вычислений: сначала скорость платформы преобразуется из географической системы координат в систему координат тела; затем вычисляется истинный вектор ветра в системе координат тела; результат преобразуется обратно в географическую систему координат; наконец, вычисляются горизонтальная скорость и направление ветра.

Рисунок 1. Эталонное изображение конфигурации мобильного ультразвукового анемометра. Источник:

В следующих разделах описываются теория и алгоритм определения истинной скорости и истинного направления ветра с помощью ультразвукового анемометра, установленного на подвижной платформе, включая определения координат, входные данные, этапы коррекции и формулы расчета.

1. Определения систем координат

1.1 Географическая система координат (NED)

Начало координат расположено в центре масс платформы. Ось X направлена ​​на север (N), ось Y — на восток (E), а ось Z — вниз (D), причём направление вниз считается положительным. Эта система координат используется для описания абсолютного направления вектора ветра и скорости платформы.

1.2 Система координат тела (FRD)

Начало координат расположено в точке крепления анемометра. Ось X направлена ​​вперед (F, направление передней части платформы), ось Y — вправо (R), а ось Z — вниз (D). Эта система координат соответствует системе координат измерения ультразвукового анемометра.

1.3 Углы ориентации

Положение платформы представляется с помощью углов Эйлера, при этом последовательность вращений определяется как рыскание (ψ), тангаж (θ) и крен (φ).

• Угол рыскания ψ: угол по часовой стрелке от географического севера до горизонтальной проекции продольной оси платформы (направление носа), варьирующийся от 0° до 360°.

• Угол тангажа θ: угол между продольной осью платформы и горизонтальной плоскостью; поднятие носа вверх считается положительным.

• Угол крена φ: вращение платформы вокруг ее продольной оси; правый крен считается положительным.

2. Входные данные

2.1 Скорость ультразвукового анемометра в корпусе (FRD)

Vmeas = (umeas, vmeas, wmeas)

2.2 Скорость платформы по данным GPS/BeiDou в географической системе координат (NED)

VGPS = (vN, vE, vD), где vD положительно и направлено вниз.

2.3 Отношение к платформе

Значения углов рыскания ψ, тангажа θ и крена φ, предоставляемые датчиком ориентации и выраженные в радианах.

3. Алгоритм расчета истинной скорости и направления ветра.

Шаг 1: Выразите скорость платформы в системе координат тела.

Постройте матрицу вращения RN2B, которая преобразует вектор из географической системы координат (NED) в систему координат тела (FRD):

RN2B = Rx(φ) Ry(θ) Rz(ψ)

Эталонное изображение матрицы вращения:

Шаг 2: Вычислите вектор истинного ветра в системе координат тела.

Эталонное изображение для расчета вектора истинного ветра:

Шаг 3: Преобразуйте вектор истинного ветра в географическую систему координат (NED).

Эталонное изображение для преобразования географических координат:

Шаг 4: Рассчитайте горизонтальную скорость и направление ветра.

Эталонное изображение для расчета горизонтальной скорости и направления ветра:

4. Ключевые моменты и заключение

• Компенсация положения: подход с использованием матрицы вращения учитывает влияние тангажа и крена платформы на скорость и направление ветра, поэтому отдельный этап коррекции положения не требуется.

• Согласованность системы координат: если GPS выдает скорость в системе координат Восток-Север-Вверх (ENU) в виде (vE, vN, vU), преобразуйте ее в систему координат Север-Север следующим образом: vN остается неизменным, vE остается неизменным, и vD = −vU.

• Синхронизация по времени: Измерения, полученные с помощью ультразвукового анемометра, GPS/BeiDou-приемника и датчика ориентации, должны быть синхронизированы по времени, чтобы минимизировать ошибки, связанные с движением.

• Электронный компас: угол рыскания ψ следует определять с помощью электронного компаса и корректировать с учетом магнитного склонения, чтобы курс определялся относительно истинного севера.

Применяя векторные операции и преобразования координат, система может напрямую определять истинный вектор ветра и истинное направление ветра, измеренные ультразвуковым анемометром на движущейся платформе. Метод является теоретически обоснованным и применим для измерения ветра и компенсации движения на БПЛА, дронах, транспортных средствах и других мобильных платформах.

5. Перспективы применения мобильного метеорологического зондирования HONGYUV

Для мобильных метеорологических наблюдений крайне важно отделить движение платформы от окружающего поля ветра. Ультразвуковой анемометр, интегрированный с системами позиционирования GPS/BeiDou и определения ориентации, может представлять собой компактную подсистему измерения ветра для атмосферных наблюдений с использованием БПЛА, мобильных метеостанций, установленных на транспортных средствах, и других динамических платформ мониторинга окружающей среды.

В ассортимент продукции компании HONGYUV Technology входят метеорологические датчики, мобильные метеостанции, датчики для БПЛА, датчики для мониторинга дорожной обстановки, промышленные приборы и аксессуары. Принцип компенсации движения, описанный в данной статье, особенно актуален для датчиков БПЛА и мобильных метеостанций, где измерительная платформа постоянно движется и меняет свое положение.

В практической системной интеграции конечные характеристики измерения ветра зависят не только от ультразвукового чувствительного элемента, но и от выравнивания датчика, системы координат, точности GPS/BeiDou, оценки ориентации, синхронизации времени, геометрии установки и алгоритма компенсации движения. Эти факторы следует учитывать совместно при разработке метеорологического измерительного оборудования для OEM/ODM-производителей.

6. Технические ключевые слова

Ультразвуковой анемометр; истинная скорость ветра; истинное направление ветра; компенсация движения; коррекция вектора ветра; система координат NED; система координат корпуса FRD; углы Эйлера; рыскание; тангаж; крен; GPS; BeiDou; измерение ветра с помощью БПЛА; мобильная метеостанция; метеорологические датчики.