一种基于超声波的可移动式风速测量系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于超声波的可移动式风速测量系统，包括万向轮、底座、L型支撑架、圆环、第一~第六超声波传感器、电路控制模块，万向轮固定于底座的下表面，L型支撑架的一端固定于底座的上表面，另一端固定有圆环，第一~第四超声波传感器分别设置于圆环上，且相邻两个超声波传感器与圆环圆心形成的夹角均为90度，第五、第六超声波传感器分别设置于圆环的轴线上，且第五、第六超声波传感器到圆环圆心的距离均等于圆环的半径，第一~第六超声波传感器分别与电路控制模块连接，电路控制模块设置于底座中。本实用新型可以适应不同的室外环境，且体积不大，低功耗，高精度，能够测量范围较大的风速。
【专利说明】
一种基于超声波的可移动式风速测量系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种基于超声波的可移动式风速测量系统，属于电子测量与气象 计量技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前，国内测风仍多采用传统机械式测风仪，这种测风仪成本低，但其测量精度普 遍不高，一般为〇. 3m/s。传统机械式测风仪在长久使用之后，其机械磨损会比较严重，会对 测量的准确性有较大的影响。由于这些传统机械式测风仪固有的缺点，它们将不再满足未 来测量风速的要求，因此研究一套可以解决这些传统机械式测风仪固有缺点的系统势在必 行。
[0003] 超声波测风是超声波检测技术在气体介质中的一种新的应用，和传统机械式测风 仪相比，其自身无活动部件，属无惯性测量，具有反应速度快，测量精度高等优点。但是，现 有的超声波测风系统都是固定好的定点式测量系统，无法移动，方向也是固定的，所以这种 超声波测风系统在移动平台上无法使用，且移动相对麻烦。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型所要解决的技术问题是:提供一种基于超声波的可移动式风速测量系 统，该系统能够对低空定点或多点的风速和风向进行较高精度的测量，易于运输，适用于野 外现场风速测量。
[0005] 本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006] 一种基于超声波的可移动式风速测量系统，包括万向轮、底座、L型支撑架、圆环、 第一~第六超声波传感器、电路控制模块，所述万向轮固定于底座的下表面，L型支撑架的 一端固定于底座的上表面，另一端固定有圆环，且圆环置于水平方向上，第一~第四超声波 传感器分别设置于圆环上，且相邻两个超声波传感器与圆环圆心形成的夹角均为90度，L型 支撑架固定有圆环的一端的延长线经过圆环的一条直径，且第一~第四超声波传感器与圆 环圆心的连线和该延长线之间的夹角均为45度，第五、第六超声波传感器分别设置于圆环 的轴线上，第五、第六超声波传感器分别位于圆环的上、下方，且第五、第六超声波传感器到 圆环圆心的距离均等于圆环的半径，第一~第六超声波传感器分别与电路控制模块连接， 电路控制模块设置于底座中。
[0007] 作为本实用新型的进一步方案，该系统还包括显示模块，所述显示模块设置于L型 支撑架上，且与电路控制模块连接。
[0008] 作为本实用新型的进一步方案，该系统还包括无线传输模块、远程控制端，所述无 线传输模块设置于底座中，且与电路控制模块连接，电路控制模块通过无线传输模块与远 程控制端无线通信。
[0009] 作为本实用新型的优选方案，所述电路控制模块为EP4CE15F17C8N型号的FPGA芯 片。
[0010] 作为本实用新型的优选方案，所述无线传输模块为S頂900型号芯片。
[0011] 作为本实用新型的优选方案，所述显示模块为IXD液晶显示屏。
[0012] 本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0013] 1、本实用新型改变了传统测风装置的定点测量模式，因为短距离水平上地势高低 亦可导致风速的改变，所以该系统可在短距离水平方位内进行多点测量，减小误差，该结构 也可灵活微小的校对基准方向。
[0014] 2、本实用新型在结构上采用三角臂与圆环臂的方式，该结构稳定，且可保持超声 波传感器安装的一致性，减少测量误差。
[0015] 3、本实用新型采用三对超声波传感器，能全方位的测量三维下的风的状态，测量 原理简单。
[0016] 4、本实用新型可以适应不同的室外环境，且体积不大，低功耗，高精度，能够测量 范围较大的风速。
[0017] 5、本实用新型通过无线传输手段将测量数据实时传输至远程控制端，实现了远程 遥测。
【附图说明】
[0018] 图1是本实用新型基于超声波的可移动式风速测量系统的整体架构图。
[0019] 图2是本实用新型基于超声波的可移动式风速测量系统中超声波传感器所在部位 的俯视图。
[0020] 图3是本实用新型基于超声波的可移动式风速测量系统的硬件原理图。
[0021]其中，1-6均为超声波传感器，7为指南针，8为显示模块，9为无线传输模块，10为电 路控制模块，11为万向轮。
【具体实施方式】
[0022] 下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中 自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通 过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用 新型的限制。
[0023] 如图1、图2所示，给出了本实用新型风速测量系统的结构示意图，整个风速测量系 统包括三对收发一体式的超声波传感器1-6,标号1和标号3为一对、标号2和标号4为一对、 标号5和标号6为一对。超声波传感器1-4分布在圆环臂所在的水平面上，标号1和标号3的连 接线与标号2和标号4的连接线相互垂直相交于圆环的圆心。标号5和标号6的连接线与圆环 所在的水平面垂直且通过圆环的圆心。标号1和标号3、标号2和标号4、标号5和标号6的间距 都为40cm。
[0024] 该系统还包括底座、万向轮11、L型支撑架、电路控制模块10、显示模块8、无线传输 模块9、远程控制端，底座与L型支撑架相连，电路控制模块放置在底座内，无线传输模块放 置在底座的右侧面，显示模块放置在L型支撑架上，六个超声波传感器分别安装在L型支撑 架一端的三角臂与圆环臂上，在电路控制模块的控制下进行数据的测量，远程控制端通过 GPRS无线传输技术与电路控制模块交换数据。
[0025] 六个超声波传感器，其中四个超声波传感器置于水平方向上的圆环臂上，呈"X"型 正交放置，圆环臂上相邻超声波传感器水平夹角成90°，圆环臂直径为40cm。其余两个超声 波传感器分别置于三角形支架的上下臂，两个超声波传感器垂直相对，两个超声波传感器 之间的连线通过圆环臂的圆心，相距为40cm，这两个超声波传感器在圆环臂水平方向的投 影与圆环臂上相邻超声波传感器水平夹角成45°。
[0026] 本实用新型利用超声波的传播特性来测量风速风向，从三维的情况来考虑:设超 声波传感器的固定距离为D，超声波的速度为C，风在以圆环圆心为直角坐标系圆心的3个坐 标轴方向上的分量为V x、Vy、Vz。先求沿X轴方向的风速，设超声波沿X轴顺风传播的时间为 Tab，逆风时传播的时间为TBA，那么就有如下的关系：
[0027] (C+Vx) · Tab = D (1)
[0028] (C-Vx) · Tba=D (2)
[0029] 由式（1)、（2)可得：
[0030]
⑶
[0031] 通过式(3)可以知道，不需要知道超声波的传播速度，只要分别测出该方向上超声 波顺风和逆风的到达时间，就可以计算出该方向上的风速，同理可以计算出V y和Vz，最后通 过矢量合成就可以得到总的风速。本实用新型风速测量系统配有指南针7,在系统初次安装 时可人工校对安放的方向（以北方为基准），故在测量出三个方向上的风速之后，可通过风 向角公式计算出在直角坐标系上的方向。例如以XY轴为例，XY平面上风向角的公式为
最后结合之前指南针7校对好的基准方向便可最终得出实际三维空间里的风的 方向。
[0032]如图3所示，给出了本实用新型的整个硬件原理图，超声波传感器1-6、显示模块8、 无线传输模块9均与电路控制模块10连接，电路控制模块10还与串口、复位、时钟等基本电 路，以及电源模块连接，且电路控制模块10采用时序能力和数据处理能力极强的FPGA芯片 作为核心控制芯片，对整个系统进行超声波传感器的收发控制、数据处理、信息传输等。同 时结合器件资源条件，综合时延估计信号处理算法，实现高精度的超声波风速测量，通过无 线传输模块9操控电路控制模块10实现远程遥测。
[0033]以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范 围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实 用新型保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于超声波的可移动式风速测量系统，其特征在于，包括万向轮、底座、L型支撑 架、圆环、第一~第六超声波传感器、电路控制模块，所述万向轮固定于底座的下表面，L型支 撑架的一端固定于底座的上表面，另一端固定有圆环，且圆环置于水平方向上，第一~第四 超声波传感器分别设置于圆环上，且相邻两个超声波传感器与圆环圆心形成的夹角均为90 度，L型支撑架固定有圆环的一端的延长线经过圆环的一条直径，且第一~第四超声波传感 器与圆环圆心的连线和该延长线之间的夹角均为45度，第五、第六超声波传感器分别设置 于圆环的轴线上，第五、第六超声波传感器分别位于圆环的上、下方，且第五、第六超声波传 感器到圆环圆心的距离均等于圆环的半径，第一~第六超声波传感器分别与电路控制模块 连接，电路控制模块设置于底座中。2. 根据权利要求1所述基于超声波的可移动式风速测量系统，其特征在于，该系统还包 括显示模块，所述显示模块设置于L型支撑架上，且与电路控制模块连接。3. 根据权利要求2所述基于超声波的可移动式风速测量系统，其特征在于，该系统还包 括无线传输模块、远程控制端，所述无线传输模块设置于底座中，且与电路控制模块连接， 电路控制模块通过无线传输模块与远程控制端无线通信。4. 根据权利要求3所述基于超声波的可移动式风速测量系统，其特征在于，所述电路控 制模块为EP4CE15F17C8N型号的FPGA芯片。5. 根据权利要求3所述基于超声波的可移动式风速测量系统，其特征在于，所述无线传 输模块为S頂900型号芯片。6. 根据权利要求3所述基于超声波的可移动式风速测量系统，其特征在于，所述显示模 块为IXD液晶显示屏。
【文档编号】G01P5/24GK205539048SQ201620285746
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】行鸿彦, 张冬冬
【申请人】南京信息工程大学