一种适用于无人机的立体风场测量系统及其使用方法与流程

本发明涉及无人机气象监测装备领域，具体涉及一种适用于无人机的立体风场测量系统及其使用方法。

背景技术：

无人机结构简单、造价低廉，如今广泛应用于农药喷洒、赶花授粉等农业用途。虽然无人机灵活机动，较传统农业机械具有不可比拟的优点，但由于农用无人机作业的高度一般在距离作物冠层3-10米处，旋翼风场将不可避免的直接作用在田间作物冠层上，风场的覆盖宽度、风场内各方向风速的大小以及风场的分布规律将会直接影响到农用无人机田间作业效果，空气动力学的研究对试验指导具有非常重大的意义。

对于无人机风场研究，传统的风场测试方法多仅限于对二维线风场、面风场的测试研究，尚缺乏对于无人机旋翼立体风场的研究与手段。授权公告号为CN103076462B的发明专利公开的“一种多方向风速测量装置”虽然能够对风场范围内特定点的多个方向风速进行测量，但是不能实现对特定区域的立体空间风场测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于无人机的立体风场测量系统，该立体风场测量系统能实现对无人机周围特定区域的立体空间风场测量。

本发明的另一个目的在于提供一种上述适用于无人机的立体风场测量系统的使用方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种适用于无人机的立体风场测量系统，包括数据采集装置和控制系统；

所述数据采集装置包括若干个风速测量装置以及风速采集支架，其中，所述风速测量装置包括风速传感器以及风速传感器固定机构；所述风速采集支架包括底座主体、立柱和顶盖，其中，所述底座主体包括上层底座以及下层底座，所述上层底座顶面上设置有若干个沿着圆周方向排列的立柱，该立柱上设有风速测量装置；所述下层底座上设置有带动上层底座旋转的旋转驱动装置；所述上层底座顶面和顶盖的底面处均设有风速测量装置。

本发明的一个优选方案，其中，所述控制系统包括通信模块和地面控制装置，其中，所述通信模块包括无人机通信模块和风速传感器通信模块，所述无人机通信模块用于地面控制装置和无人机上安装的北斗定位系统之间进行实时通信，指引无人机按规划的路线精确飞行，所述风速传感器通信模块用于将风速传感器采集到的风场数据实时回传地面控制装置；所述地面控制装置包括具有数据存储运算功能的处理器、北斗定位系统地面差分设备和无线传输设备，其中，所述处理器负责存储、分析数据，绘制无人机空间风场主流场和边际流场分布图；所述北斗定位系统地面差分设备负责精确引导无人飞行路线；所述无线传输设备负责地面控制装置的指令发布，接收数据并传送给处理器；

通过上述控制系统，一方面，可以控制无人机按指定的轨迹飞行，另一方面，能够远程控制所述数据采集装置工作，将风速传感器采集到的风速数据进行处理，自动绘制无人机空间风场主流场和边际流场分布图，获得直观的立体风场测量结果。

本发明的一个优选方案，其中，所述数据采集装置还包括用于吊装顶盖的悬吊装置，该悬吊装置由单臂悬吊机械手构成；所述顶盖与悬吊装置之间通过可让顶盖随上层底座和立柱一起转动的转动机构连接，例如采用轴承连接，使得顶盖和悬吊装置之间既可以保持连接，又可以让顶盖随上层底座和立柱一起转动；此外，所述控制模块还包括用于控制悬吊装置工作实现顶盖的升降的采集支架调控模块。通过该优选方案，实现顶盖的自动吊装和远程控制，使得风场测量更加快速、高效。

本发明的一个优选方案，其中，在所述风速测量装置中，所述风速传感器与风速传感器固定机构之间通过万向节连接。这样，操作人员可以调节各个风速传感器的方向，既可用于测单向风，又可用于测多向复合风。

本发明的一个优选方案，所述风速传感器固定机构包括正三棱锥体，该正三棱锥体的三个侧面上分别通过万向节连接有一个风速传感器，该正三棱锥体的底面连接在风速采集支架上。通过该优选方案，每个风速测量装置中，具有三个在立体空间中均匀分布的风速传感器，从而能够准确地对该位置点中的三个方向的风速进行测量，更有利于获得全面的风速数据。

进一步地，每个立柱上从下往上等距设置有多个风速测量装置，这些风速测量装置在圆周方向上均匀分布。这样能够在竖直方向上以及圆周方向上多方位测定立柱周围空间的风速，从而更准确、全面地体现立柱所在空间周围的风场分布。

进一步地，所述立柱表面开有滑动槽，所述正三棱锥体的底面通过螺钉固定在该滑动槽上。由于滑动槽具有调节功能，因此操作人员可以根据实际需求调节滑动槽上的风速传感器的位置，从而适应测量不同形状尺寸的无人机所产生立体风场。

本发明的一个优选方案，其中，所述风速传感器是叶轮式或热线膜式或机械式或皮托管式或超声波式风速传感器。

本发明的一个优选方案，其中，所述上层底座顶面上分布有多个安装孔，所述立柱连接在安装孔上。采用该优选方案的目的在于，所述立柱的数量以及设置位置可以根据具体需要测量的空间特点而定，当确定了立柱的设置位置后，只需将立柱固定连接在相应的安装孔上即可，使得立柱的布置形态灵活多样，满足不同的风场测量要求。

一种上述无人机立体风场测量系统的使用方法，包括步骤：

(1)根据待测试无人机的形状尺寸进行风速采集支架布置；

(2)按照实际的测试任务类型安装风速传感器，调平校正数据采集装置；

(3)调试各测试设备及无人机，无人机上安装北斗定位系统移动端，确认一切正常工作，通信畅通；

(4)进行无人机悬停风场测量和无人机飞行实时风场测量，其中：

(4.1)无人机悬停风场测量：

(4.11)无人机起飞，从风速采集支架顶端飞入数据采集装置内部，通过北斗定位系统精准调节无人机至预定测试位置悬停；

(4.12)加风速采集支架的顶盖，数据采集装置整体开始旋转，开始采集风场数据；

(4.13)数据实时回传控制系统，由控制系统对数据进行处理存储并分析；

(4.14)数据采集完毕后，数据采集装置停止旋转，收起风速采集支架的顶盖，无人机飞出测试装置降落；

(4.2)无人机飞行实时风场测量：

(4.21)预先安装调节好风速采集支架及众风速传感器位置，保证无人机可从相邻两立柱间穿过；

(4.22)控制系统规划好飞行路线，无人机起飞，从数据采集装置一侧飞入，从对侧飞出，期间风速传感器采集风场数据，并实时回传控制系统，由控制系统对数据进行处理存储并分析；

(4.23)无人机降落，所有测试完毕，拆卸数据采集装置。

本发明的适用于无人机的立体风场测量系统的工作原理是：

测量前，操作人员根据待测试无人机的形状尺寸进行风速采集支架布置；按照实际的测试任务类型安装风速测量装置，调平校正数据采集装置；调试各测试设备及无人机，无人机上安装北斗定位系统移动端，确认一切正常工作，通信畅通。测量时，所述的立体风场测量系统可以进行无人机悬停风场测量以及无人机飞行实时风场测量：

在进行无人机悬停风场测量时，首先，将顶盖提起开，随后，无人机起飞，从风速采集支架顶端飞入数据采集装置内部，并飞至预定测试位置悬停，接着，顶盖放回原位并且控制所述数据采集装置旋转，同时开始风场数据采集，所述风场数据通过由控制系统进行分析和处理；数据采集完毕后，数据采集装置停止旋转，操作人员收起风速采集支架的顶盖，无人机飞出测试装置降落。

在进行无人机飞行实时风场测量时，操作人员预先安装调节好风速采集支架及众风速测量装置的位置，保证无人机可从相邻两立柱间穿过；无人机起飞，从测量装置一侧飞入，从对侧飞出，期间风速测量装置采集风场数据，由控制系统进行分析和处理；当数据采集完之后，无人机降落，所有测试完毕，拆卸数据采集装置。

在风场数据采集的过程中，所述风速采集支架为立体结构且该风速采集支架的底座主体、立柱以及顶盖均设有风速测量装置，使得该系统能够立体多方位测量无人机所产生的风场，其次，在进行无人机悬停风场测量时，所述数据采集装置旋转，使得该数据采集装置中的风速测量装置旋转，这样相当于无人机四周布满风速测量装置，这些风速测量装置在旋转的过程中将风场数据传输给控制系统进行存储、分析以及绘制无人机空间风场主流场和边际流场分布图。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、突破以往无人机二维线风场、面风场的测量模式，有两种测量方式，无人机可悬停、可动态横穿，能够直接有效测得由地面至无人机机体上方立体空间的风场气流分布情况，数据更加丰富翔实，构建的风场模型更加直观准确。由于数据采集装置可以转动，且数据采集装置的四周和上下方都设有风速测量装置，从而在测量无人机悬停时四周立体空间的风场分布时，在圆周方向上可以测量任意位置的风场分布，使得风场测量结构更加完整、精确。

2、数据采集装置结构简单，操作便捷，易于布置，适用性强，采集立柱数量和风速传感器安装位置可根据不同测试无人机的实际尺寸和测试需求进行调节。风速传感器采用模块化安装，依据需求目的不同，可测单方向风速也可测多方向复合风速。

3、数据采集装置整体可旋转，可在无人机悬停的情况下测得无人机各方向的实时立体风场。

4、全场所有数据同步采集，实时无线传输，后续数据分析时间性很强、数据准确性、可操作性高。

5、掌握无人机的立体风场后，可以为无人机农业生产作业提供可靠依据，有助于无人机作出决策，选择合理的作业参数。例如，施药时可以提升无人机田间施药效果，同时降低漂移，减少农药危害的发生；赶花授粉时可以提升授粉效果，大大提高实际作业效率。

附图说明

图1为本发明的一种适用于无人机的立体风场测量系统的一个具体实施方式的结构示意图。

图2为图1中数据采集装置的立体结构示意图。

图3为图1中风速测量装置的立体结构示意图。

图4为图1中控制系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1～图4，本发明的适用于无人机的立体风场测量系统包括数据采集装置A和控制系统B。

所述数据采集装置A包括若干个风速测量装置5以及风速采集支架，其中，所述风速测量装置5包括风速传感器5-1以及风速传感器固定机构5-3；所述风速采集支架包括底座主体1、立柱2和顶盖3，其中，所述底座主体1包括上层底座1-4以及下层底座1-2，所述上层底座1-4顶面上设置有若干个沿着圆周方向排列的立柱2，该立柱2上设有风速测量装置5；所述下层底座1-2上设置有带动上层底座1-4旋转的旋转驱动装置1-3；所述上层底座1-4顶面和顶盖3的底面处均设有风速测量装置5。

参见图4，所述控制系统B包括通信模块D和地面控制装置C，其中，所述通信模块D包括无人机通信模块D-1和风速传感器通信模块D-2，所述无人机通信模块D-1用于地面控制装置C和无人机上安装的北斗定位系统之间进行实时通信，指引无人机按规划的路线精确飞行，所述风速传感器通信模块D＝2用于将风速传感器5-1采集到的风场数据实时回传地面控制装置C；

所述地面控制装置C包括具有数据存储运算功能的处理器C-1、北斗定位系统地面差分设备C-2和无线传输设备C-3，其中，所述处理器C-1负责存储、分析数据，绘制无人机空间风场主流场和边际流场分布图；所述北斗定位系统地面差分设备C-2负责精确引导无人飞行路线；所述无线传输设备C-3负责地面控制装置C的指令发布，接收数据并传送给处理器C-1；所述处理器C-1中具有控制模块E，该控制模块E包括用于通过无线传输的方式控制风速传感器开闭的风速传感器开闭控制模块E-1以及用于控制所述旋转驱动装置工作的底座转动控制模块E-2。

通过上述控制系统B，一方面，可以控制无人机按指定的轨迹飞行，另一方面，能够远程控制所述数据采集装置A工作，将风速传感器5-1采集到的风速数据进行处理，自动绘制无人机空间风场主流场和边际流场分布图，获得直观的立体风场测量结果。

参见图1和图2，所述数据采集装置A还包括用于吊装顶盖3的悬吊装置4，该悬吊装置4由单臂悬吊机械手构成；所述顶盖3与悬吊装置4之间通过可让顶盖3随上层底座1-4和立柱2一起转动的转动机构连接，例如采用轴承连接，使得顶盖3和悬吊装置4之间既可以保持连接，又可以让顶盖3随上层底座1-4和立柱2一起转动；所述控制模块E还包括用于控制悬吊装置4工作实现顶盖3的升降的采集支架调控模块E-3。通过该优选方案，实现顶盖3的自动吊装和远程控制，使得风场测量更加快速、高效。

参见图3，在所述风速测量装置5中，所述风速传感器5-1与风速传感器固定机构5-3之间通过万向节5-2连接。这样，操作人员可以调节各个风速传感器5-1的方向，既可用于测单向风，又可用于测多向复合风。

参见图3，所述风速传感器固定机构5-3包括正三棱锥体，该正三棱锥体的三个侧面上分别通过万向节5-2连接有一个风速传感器5-1，该正三棱锥体的底面连接在风速采集支架。通过该结构，每个风速测量装置5中，具有三个在立体空间中均匀分布的风速传感器5-1，从而能够准确地对该位置点中的三个方向的风速进行测量，更有利于获得全面的风速数据。

参见图1和图2，每个立柱2上从下往上等距设置有多个风速测量装置5，这些述风速测量装置5在圆周方向上均匀分布。这样能够在竖直方向上以及圆周方向上多方位测定立柱2周围空间的风速，从而更准确、全面地体现立柱2所在空间周围的风场分布。

参见图1和图2，所述立柱2表面开有滑动槽，所述正三棱锥体的底面通过螺钉固定在该滑动槽上。由于滑动槽具有调节功能，因此操作人员可以根据实际需求调节滑动槽上的风速传感器5-1的位置，从而适应测量不同形状尺寸的无人机所产生立体风场。

参见图3，所述风速传感器5-1是叶轮式或热线膜式或机械式或皮托管式或超声波式风速传感器5-1。

参见图1和图2，所述上层底座1-4顶面上分布有多个安装孔，所述立柱2连接在安装孔上。采用该结构的目的在于，所述立柱2的数量以及设置位置可以根据具体需要测量的空间特点而定，当确定了立柱2的设置位置后，只需将立柱2固定连接在相应的安装孔上即可，使得立柱2的布置形态灵活多样，满足不同的风场测量要求。

参见图1和图2，所述上层底座1-4的顶面上设置有植物模型6。设置上述植物模型6的目的在于，一方面，无人机向下作用的风接触到上层底座1-4时会反弹，通过设置所述植物模型6可以消除这些反弹风对待测空间风场分布的影响；另一方面，也可以检测在无人机作业时其下方的农作物受到风场影响作用的情况。

参见图1和图2，所述底座主体1上安装有水平仪。这样，操作人员可以通过所述水平仪判断所述数据采集装置A的布置的水平度是否符合要求，便于将数据采集装置A的姿态调节到最佳状态，从而减小测量误差，提高测量精度。

参见图1和图2，所述上层底座1-4的顶面位于立柱2径向以内的区域设有向上延伸的立柱2，所述顶盖3的底面上设有向下延伸的立柱2，所述立柱2上设有风速测量装置5。通过上述结构，实现风速测量装置5在上层底座1-4顶面上部空间和顶盖3下部空间中除了立柱2以外的其他区域中风速测量装置5的设置。

参见图1和图2，所述顶盖3下端面的边沿处设有多个定位槽，所述立柱2的顶部匹配于定位槽中，从而实现顶盖3与立柱2的连接，且让顶盖3可随立柱2一起转动。

参见图1和图2，所述旋转驱动装置1-3由伺服电机构成；所述下层底座1-2的底部设有行走轮1-1，以便于整个数据采集装置A的移动。

参见图1-图4，本实施例的使用上述无人机立体风场测量系统方法，包括以下步骤：

(1)根据待测试无人机的形状尺寸进行风速采集支架布置；

(2)按照实际的测试任务类型安装风速传感器5-1，调平校正数据采集装置A；

(3)在底座上布置植物模型6；

(4)调试各测试设备及无人机，无人机上安装北斗定位系统移动端，确认一切正常工作，通信畅通；

(5)进行无人机悬停风场测量和无人机飞行实时风场测量，其中：

(5.1)无人机悬停风场测量：

(5.11)无人机起飞，从风速采集支架顶端飞入数据采集装置A内部，通过北斗定位系统精准调节无人机至预定测试位置悬停；

(5.12)加风速采集支架的顶盖3，数据采集装置A整体开始旋转，开始采集风场数据；

(5.13)数据实时回传地面控制装置C，由处理器C-1对数据进行处理存储并分析；

(5.14)数据采集完毕后，数据采集装置A停止旋转，收起风速采集支架的顶盖3，无人机飞出数据采集装置A降落；

(5.2)无人机飞行实时风场测量：

(5.21)预先安装调节好风速采集支架及众风速传感器5-1位置，保证无人机可从相邻两立柱2间穿过；

(5.2)北斗定位系统规划好飞行路线，无人机起飞，从数据采集装置A一侧飞入，从对侧飞出，期间风速传感器5-1采集风场数据，并实时回传地面控制装置C，由处理器C-1对数据进行处理存储并分析；

(5.23)无人机降落，所有测试完毕，拆卸数据采集装置A。

本发明的适用于无人机的立体风场测量系统的工作原理是：

测量前，操作人员根据待测试无人机的形状尺寸进行风速采集支架布置；按照实际的测试任务类型安装风速测量装置5，调平校正数据采集装置A；调试各测试设备及无人机，无人机上安装北斗定位系统移动端，确认一切正常工作，通信畅通。测量时，所述的立体风场测量系统可以进行无人机悬停风场测量以及无人机飞行实时风场测量：

在进行无人机悬停风场测量时，首先，通过控制模块E控制悬吊装置4将顶盖3提起开，随后，无人机起飞，从风速采集支架顶端飞入数据采集装置A内部，并飞至预定测试位置悬停，接着，通过控制模块E控制悬吊装置4将顶盖3放回原位并且控制所述数据采集装置A旋转，同时开始风场数据采集，所述风场数据通过由通信模块D回传给地面控制装置C中的处理器C-1进行分析和处理；数据采集完毕后，数据采集装置A停止旋转，操作人员收起风速采集支架，无人机飞出数据采集装置A降落。

在进行无人机飞行实时风场测量时，操作人员预先安装调节好风速采集支架及众风速测量装置5的位置，保证无人机可从相邻两立柱2间穿过；无人机起飞，从数据采集装置A一侧飞入，从对侧飞出，期间风速测量装置5采集风场数据，所述风场数据通过由通信模块D回传给地面控制装置C中的处理器C-1进行分析和处理；当数据采集完之后，无人机降落，所有测试完毕，拆卸数据采集装置A。

在风场数据采集的过程中，所述风速采集支架为立体结构且该风速采集支架的底座主体1、立柱2以及顶盖3均设有风速测量装置5，使得该系统能够立体多方位测量无人机所产生的风场，其次，在进行无人机悬停风场测量时，所述数据采集装置A旋转，使得该数据采集装置A中的风速测量装置5旋转，这样相当于无人机四周布满风速测量装置5，这些风速测量装置5在旋转的过程中将风场数据传输给风场数据通过由通信模块D回传给地面控制装置C进行存储、分析以及绘制无人机空间风场主流场和边际流场分布图。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。