申请/专利权人：清华大学

申请日：2018-09-30

公开（公告）日：2020-09-15

公开（公告）号：CN109115275B

主分类号：G01D21/02(20060101)

分类号：G01D21/02(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.09.15#授权;2019.01.25#实质审查的生效;2019.01.01#公开

摘要：本发明提供一种风速风向计，包括采集部和处理部；采集部包括：流场矢量传感器，用于采集风场信息；磁场传感器，用于测量地磁场分量；加速度传感器，用于测量重力场分量；处理部包括：处理器，用于接收风场信息、地磁场分量和重力场分量，对地磁场分量和重力场分量进行组合计算，获得风速风向计的姿态角和方向角，根据姿态角和方向角将风场信息转换至地理坐标系，获得地理绝对风场信息。本发明的风速风向计相比传统的气象风速监测方式，结构更加紧凑，可以大规模阵列式定点布置，也可以布置于气球、飞行器、汽车等移动平台，由于体积小重量轻便携，还可随身携带，方便随时随地使用，从而提高了气象监测的灵活性。

主权项：1.一种风速风向计，其特征在于，包括采集部和处理部；所述采集部包括：流场矢量传感器，用于采集风场信息，所述风场信息包括风场在三维的载体坐标系下的风速和相对风向；磁场传感器，用于测量地磁场分量；加速度传感器，用于测量重力场分量；所述处理部包括：处理器，用于接收所述风场信息、地磁场分量和重力场分量，对所述地磁场分量和重力场分量进行组合计算，获得风速风向计的姿态角和方向角，根据所述姿态角和方向角将所述风场信息转换至地理坐标系，获得地理绝对风场信息；其中，所述地理绝对风场信息的计算公式为： 其中，wx,wy,wz为风场在载体坐标系x、y、z轴的分量，wN,wE,wD为风场在地理坐标系北、东、地方向的分量，v为风速，为地理绝对风向角；γ、θ、为载体的滚转角、俯仰角和方向角；所述载体为风速风向计；其中，所述处理器具体包括：姿态角计算模块，用于根据所述重力场分量解算出风速风向计的姿态角，所述姿态角包括俯仰角和滚转角；方向角计算模块，用于根据所述地磁场分量解算出风速风向计的方向角；转换模块，用于根据风速风向计的方向角和姿态角获得载体坐标系相对地理坐标系的方向余弦矩阵，根据所述方向余弦矩阵将载体坐标系下的风场信息转换至地理坐标系，获得地理绝对风场信息。

全文数据：风速风向计技术领域本发明涉及电子检测技术领域，更具体地，涉及风速风向计。背景技术风速和风向的实时监测在工业、气象、农业、户外运动等领域具有巨大的应用需求。特别是在现场实时监测风速和风向方面，便携式、小型化的风场矢量测量装置可以方便人们随身携带，随时监测风速和风向信息。另外由于体积小便于安装和放置，小型化的风速风向计可以应用于空间受限或者大规模分布式风场监测即风场的矢量监测。现有技术为了测量风速风向，常规方式是采用风杯式、叶轮式转子风速计来测量风速大小，采用风标进行风向测量。这种测量方式装置体积大、笨重，机械故障率高，不适合大规模布置和分布式测量，更不便于随身携带和随时随地使用，使得气象监测手段的应用受到限制，影响局部气象监测的准确性和灵活性。热式风速计，包括热线、热膜流量传感器，由于具有体积小、灵敏度高和响应速度快等优点，很适合应用到便携设备当中。但是已有热式风速计功能还不完善，信息不够全面，如只能感知当地相对流场信息，而无法得到地理绝对流场信息，且体积仍然较大、不利于便携，应用受限。发明内容本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的风速风向计。本发明提供一种风速风向计，包括采集部和处理部；所述采集部包括：流场矢量传感器，用于采集风场信息，所述风场信息包括风速和相对风向；磁场传感器，用于测量地磁场分量；加速度传感器，用于测量重力场分量；所述处理部包括：处理器，用于接收所述风场信息、地磁场分量和重力场分量，对所述地磁场分量和重力场分量进行组合计算，获得风速风向计的姿态角和方向角，根据所述姿态角和方向角将所述风场信息转换至地理坐标系，获得地理绝对风场信息。可选的，所述采集部，还包括：测控电路，用于对所述流场矢量传感器、磁场传感器和加速度传感器进行信号采集和处理，并调节所述流场矢量传感器、磁场传感器和加速度传感器的工作参数。可选的，所述采集部，还包括：传输模块，用于接收所述测控电路处理后的信号，通过有线或无线方式将所述处理后的信号传输至所述处理器，以使得所述处理器根据所述处理后的信号获得风速风向计的姿态角、方向角和地理绝对风场信息。可选的，所述流场矢量传感器、磁场传感器和加速度传感器为微机电传感器。可选的，所述处理部，还包括：通信模块，用于将所述处理器获得的风速风向计的姿态角、方向角、风速、相对风向、地理绝对风场信息发送至服务器。可选的，所述处理器包括姿态角计算模块、方向角计算模块、转换模块；所述姿态角计算模块，用于根据所述重力场分量解算出风速风向计的姿态角，所述姿态角包括俯仰角和滚转角；所述方向角计算模块，用于根据所述地磁场分量解算出风速风向计的方向角；所述转换模块，用于根据风速风向计的方向角和姿态角获得载体坐标系相对地理坐标系的方向余弦矩阵，根据所述方向余弦矩阵将载体坐标系下的风场信息转换至地理坐标系，获得地理绝对风场信息。本发明提供的风速风向计，使用流场矢量传感器与磁场传感器和加速度传感器组合，实现风速、相对风向、地理姿态角和方向角、地理绝对风向的测量，相比传统的气象风场监测方式，本发明提供的风速风向计结构紧凑，可以在气象站、路灯、信号塔等处大规模阵列式定点布置，也可以布置于气球、飞行器、汽车等移动平台，由于体积小、重量轻、便携，还可随身携带，方便随时随地使用，从而提高了气象监测的灵活性。附图说明为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例提供的风速风向计的结构示意图；图2为本发明实施例提供的采集部的结构示意图；图3为本发明实施例提供的风速风向计的使用过程示意图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。为了便于对本发明实施例理解，在介绍本发明实施例之前，首先介绍下文可能出现的名称、概念。地理坐标系是与大地固连的右手直角坐标系，比如北东地North-East-Down，N-E-D坐标系。载体坐标系则是与载体在本发明实施例中载体即为风速风向计固连在一起的右手直角坐标系，比如前右下Forward-Right-Down，FRD，定义为x-y-z坐标系，原点通常选为载体的质心。姿态角和方向角：姿态角包括俯仰角和滚转角，方向角是指航向角。这三个角代表着从地理坐标系到载体坐标系的旋转关系。方向余弦矩阵：载体坐标系相对于地理坐标系的关系，可以用姿态角和方向角表达，可以看到由地理坐标系到载体坐标系是经过了一系列的定点转动，那么该定点转动也可以用两坐标系之间的坐标变换矩阵即，方向余弦矩阵来表达。姿态角和方向角与方向余弦矩阵两者之间可以互相转换。为了克服现有技术的上述问题，本发明实施例提供了一种风速风向的测量方法，其发明构思为：将磁场传感器和加速度传感器进行组合，获得载体坐标系相对地理坐标系的姿态角和方向角，以对流场矢量传感器测得的风速和相对风向进行坐标系转换，获得地理绝对风场信息。图1示出了本发明实施例提供的风速风向计的结构示意图，如图1所示，风速风向计包括：采集部和处理部，其中采集部用于采集数据，而处理部用于对采集的数据进行处理，获得姿态角、方向角和地理坐标系下的绝对风场信息。在本发明实施例中，采集部和处理部可以在物理上连接，也可以采用分离的方式，即采集部和处理部通过无线形式连接，在需要检测风速风向的地点只需放置采集部，而无需放置处理部，甚至采用多个采集部对应一个处理部，以进一步减小风速风向计的体积，方便大规模布置，提高气象检测的灵活性。采集部100包括：流场矢量传感器110，用于采集风场信息，风场信息包括风速和相对风向；磁场传感器120，用于测量地磁场分量；加速度传感器130，用于测量重力场分量。在本发明实施例中，载体坐标系与风速风向计的采集部固连，坐标系原点为采集部的质心。流场矢量传感器采集的是载体坐标系下的风场信息，即风速矢量包括风速和风向在载体坐标系下的分量。磁场传感器采集的是地磁场在风速风向计的载体坐标系下的分量，即地磁场分量。加速度传感器采集的是重力在风速风向计的载体坐标系下的分量，即重力场分量。处理部200包括：处理器210，用于接收采集部采集的风场信息、地磁场分量和重力场分量，对地磁场分量和重力场分量进行组合计算，获得风速风向计的姿态角和方向角，这样就可得到载体坐标系相对地理坐标系的方向余弦矩阵，进一步通过方向余弦矩阵将载体坐标系下的风场信息转换至地理坐标系，获得地理绝对风场信息。在上述实施例的基础上，作为一种可选实施例，本发明实施例的风速风向计的采集部还包括：测控电路，用于对流场矢量传感器、磁场传感器和加速度传感器进行信号采集和处理，并调节流场矢量传感器、磁场传感器和加速度传感器的工作参数。需要注意的是，本发明实施例的流场矢量传感器、磁场传感器和加速度传感器简称3个传感器的输出端与测控电路的输入端连接，以使得测控电路接收传感器采集的信号，进行信号处理，例如滤波、放大等等；另一方面，测控电路的电源和控制输出端还与3个传感器的输入端连接，以使得测控电路对3个传感器进行电源管理以及调控工作参数，比如调节各传感器的测量范围、带宽，高灵敏和低功耗模式切换等。在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，本发明实施例的采集部还包括：传输模块，用于接收测控电路处理后的信号，通过有线或无线方式将处理后的信号传输至处理器，以使得处理器根据处理后的信号获得风速风向计的姿态角、方向角和地理绝对风场信息。需要说明的是，当本发明实施例的风速风向计的采集部和处理部采用一体化设置时，传输模块以有线方式将测控电路处理后的信号传输至处理器，例如使用串口、USB、LAN等有线方式；当采集部和处理部采用分离设计时，传输模块以无线方式将测控电路处理后的信号传输至处理器，例如蓝牙、GPRS、3G、4G等无线方式，在有些情况下也可以采用有线方式传输。比如采集部集成在运动手环中，而处理部集成在智能手机中，此时采用无线传输方案，而如果采集部集成在探头中，而处理部集成在计算机中，此时既可以采用无线方式也可以有线方式。在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，流场矢量传感器、磁场传感器和加速度传感器为微机电Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS传感器，微机电传感器是指用微加工工艺制作的传感器，传感器的结构尺寸为微米量级，在本发明实施例中可采用MEMS流场传感器、磁强计和加速度计。本发明实施例通过使用微机电传感器，实现风速风向计的小型化，进一步提高便携性和集成度。在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，处理部还包括：通信模块，用于将处理器获得的风速风向计的姿态角、方向角、风速、相对风向、地理绝对风场信息发送至服务器。需要说明的是，本发明实施例的处理部通过设置通信模块，将处理器获得的风速风向计的姿态角、方向角、风速、相对风向、地理绝对风场信息发送至服务器，方便后续存储以及进一步的分析处理。在上述各实施例的基础上，作为一个可选实施例，处理器具体包括：姿态角计算模块、方向角计算模块、转换模块；姿态角计算模块，用于根据所述重力场分量解算出风速风向计的姿态角，所述姿态角包括俯仰角和滚转角。需要说明的是，在本实施例中，根据载体坐标系下的重力场分量计算载体的俯仰角和滚转角，一种计算过程如下：其中，gx，gy，gz分别为重力场在载体坐标系x、y、z轴的分量，γ和θ为滚转角和俯仰角。方向角计算模块，用于根据所述地磁场分量解算出风速风向计的方向角。需要说明的是，在本实施例中，根据载体坐标系下的地磁场分量计算航向角在本发明实施例即方向角，一种计算过程如下：其中，mx，my，mz为地磁场在载体坐标系x、y、z轴的分量，为方向角。转换模块，用于根据风速风向计的方向角和姿态角获得载体坐标系相对地理坐标系的方向余弦矩阵，根据所述方向余弦矩阵将载体坐标系下的风场信息转换至地理坐标系，获得地理绝对风场信息。需要说明的是，由前述内容可知姿态角和方向角与方向余弦矩阵可以互相转换，而如何由姿态角和方向角建立方向余弦矩阵以及使用方向余弦矩阵对矢量进行坐标转换，在本实施例中，一种计算过程如下：其中，wx，wy，wz为风场在载体坐标系x、y、z轴的分量，wN，wE，wD为风场在地理坐标系N、E、D方向的分量，v为风速，为地理绝对风向角。图2为本发明实施例提供的采集部的结构示意图，如图2所示，采集部包括流场矢量传感器201、磁场传感器202、加速度传感器203、测控电路204、传输模块205、充电电池206、外壳207。流场矢量传感器201安置在外壳207的外表面，磁场传感器202、加速度传感器203、测控电路204、传输模块205和充电电池206封装在外壳207内。流场矢量传感器201用于采集风场信息；磁场传感器202用于测量地磁场分量；加速度传感器203用于测量重力场分量；测控电路，用于对流场矢量传感器201、磁场传感器202和加速度传感器203进行信号采集和处理，并调节流场矢量传感器201、磁场传感器202和加速度传感器203的工作参数，传输模块205用于接收测控电路204处理后的信号，通过有线或无线方式将处理后的信号传输至处理器图中未示出。在一个可选实施例中，流场矢量传感器可以使用专利号201310533985.X公布的二维流速矢量传感器。该传感器采用至少三个热敏电阻丝组成圆形的加热区域，检测风场对各热敏电阻丝加热元件的冷却作用，采用恒温差检测模式，获得各热敏电阻丝的输出信号，通过信号处理可以解算出风速、风向以及环境温度，并对风场测量实现温度补偿，即风速和风向的测量不受环境温度的影响。流场矢量传感器的信号处理方法可以使用专利号201310533985.X公布的神经网络解算方法，也可以采用代数解算方法。流场矢量传感器的信号处理可以在本发明所述的处理器中实施，作为风场计算模块，用于根据所述热敏电阻丝的输出信号解算出风速和相对风向。以上所描述的风速风向装置除可以用于风场测量，还可以用于其它流场测量，如水中流场的测量。图3为本发明实施例提供的风速风向计使用过程示意图。所述风速风向计1被穿戴于使用者手腕上，用于实时测量风速、相对风向、地理姿态角包括俯仰角和滚转角和方向角、地理绝对风向，并将监测、处理后的数据通过无线方式如蓝牙、ZigBee发送至便携设备2上；便携设备2，如手机，由使用者随身携带，用于对接收到的监测数据进行采集、处理、计算、显示和存储，还可将监测数据进一步通过GPRS或3G、4G网络传输到远程监测终端3，如气象局，为气象局提供更多更细致的气象数据。本实施例提供的便携式风速风向计体积小、重量轻、便携，可随身携带，方便随时随地使用，可提高气象监测的准确性和灵活性。以上所描述的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求保护的范围。

权利要求：1.一种风速风向计，其特征在于，包括采集部和处理部；所述采集部包括：流场矢量传感器，用于采集风场信息，所述风场信息包括风速和相对风向；磁场传感器，用于测量地磁场分量；加速度传感器，用于测量重力场分量；所述处理部包括：处理器，用于接收所述风场信息、地磁场分量和重力场分量，对所述地磁场分量和重力场分量进行组合计算，获得风速风向计的姿态角和方向角，根据所述姿态角和方向角将所述风场信息转换至地理坐标系，获得地理绝对风场信息。2.根据权利要求1所述的风速风向计，其特征在于，所述采集部还包括：测控电路，用于对所述流场矢量传感器、磁场传感器和加速度传感器进行信号采集和处理，并调节所述流场矢量传感器、磁场传感器和加速度传感器的工作参数。3.根据权利要求2所述的风速风向计，其特征在于，所述采集部还包括：传输模块，用于接收所述测控电路处理后的信号，通过有线或无线方式将所述处理后的信号传输至所述处理器，以使得所述处理器根据所述处理后的信号获得风速风向计的姿态角、方向角和地理绝对风场信息。4.根据权利要求1所述的风速风向计，其特征在于，所述流场矢量传感器、磁场传感器和加速度传感器为微机电传感器。5.根据权利要求1所述的风速风向计，其特征在于，所述处理部还包括：通信模块，用于将所述处理器获得的风速风向计的姿态角、方向角、风速、相对风向、地理绝对风场信息发送至服务器。6.根据权利要求1所述的风速风向计，其特征在于，所述处理器具体包括：姿态角计算模块，用于根据所述重力场分量解算出风速风向计的姿态角，所述姿态角包括俯仰角和滚转角；方向角计算模块，用于根据所述地磁场分量解算出风速风向计的方向角；转换模块，用于根据风速风向计的方向角和姿态角获得载体坐标系相对地理坐标系的方向余弦矩阵，根据所述方向余弦矩阵将载体坐标系下的风场信息转换至地理坐标系，获得地理绝对风场信息。

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