一种基于动力反演的浮空平台测风方法与流程

本发明涉及测风领域，具体地，涉及一种基于动力反演的浮空平台测风方法。

背景技术：

风是一种常见的自然现象，在气象、航空、军事、航海等领域，对风速和风向的测量需求量很高。目前市场上使用的大多是时差法的超声波测风仪、机械式测风仪、热敏式测风仪等。超声波测风仪价格昂贵，机械式测风仪精度较差，热敏式测风仪则只能测量风速而不便于测量风向。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明鉴于上述问题，提出了一种基于动力反演的浮空平台测风方法，通过动力装置运行参数的公式反演得到风速与风向信息，其优点是结构简单、成本低廉，使用方便。

(二)技术方案

一种基于动力反演的浮空平台测风方法，所述浮空平台配置：gps传感器：用于位置与方位的确定；螺旋桨：用于提供水平方向作用力；螺旋桨方向控制器：用于控制螺旋桨作用力方向；总体控制模块：用于控制螺旋桨方向控制器，螺旋桨动力大小。

进一步地，所述一种基于动力反演的浮空平台测风方法，包括如下步骤：s1：gps定位确定平台位置和方向变化；s2：浮空平台按一定的轨迹运行；s3：传感器收集数据；s4：数据反演。

进一步地，所述的步骤s1的过程包括：

通过gps定位提供的位置信息，得到浮空平台受到风力以及自身动力作用后的偏移量。

进一步地，所述的步骤s2的过程包括：

浮空平台可按一定的预设轨迹移动，也可处于准静止状态，动力装置根据浮空平台位置的微变化进行实时调整，最终达到稳定运行的效果。

进一步地，所述的步骤s3的过程包括：

浮空平台利用传感器采集螺旋桨作用力方向、螺旋桨转速、螺旋桨功率等参数。

进一步地，所述的步骤s4的过程包括：

利用步骤s3收集到的传感器数据，配合预先测量好的数据，通过螺旋桨推力公式和螺旋桨功率公式进行反演得到风向和风速数据。

进一步地，预先测量好的数据，其内容包括螺旋桨作用力的通道面积、空气密度、螺旋桨直径和螺距。

(三)有益效果

本发明提供的基于动力反演的浮空平台测风方法，具有以下有益效果：

(1)通过公式反演简化了风速风向测量的方法，反演所需数据均可通过预测与外加简易传感器获得，使用方便。

(2)装置结构简单，成本低廉。

附图说明

图1为本发明方法适用浮空平台所需结构示意图；

图2为本发明方法步骤流程图；

图3为本发明方法所需收集数据示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明方法作进一步说明。

基于动力反演的浮空平台测风方法，其适用浮空平台特征如图1所示，需包括以下装置。gps传感器：用于方向与位置的确定；螺旋桨：用于提供水平方向作用力；螺旋桨方向控制器：用于控制螺旋桨作用力方向。总体控制模块：用于控制螺旋桨方向控制器，螺旋桨动力大小。

基于动力反演的浮空平台测风方法，其过程如图2所示，包括：gps定位确定浮空平台位置变化；浮空平台可按一定的轨迹运行；传感器收集数据；数据反演。

步骤gps定位确定浮空平台位置变化，是指通过gps定位提供的位置信息，得到浮空平台受到风力以及自身动力作用后的偏移量。

步骤浮空平台可按一定的轨迹运行，是指浮空平台可按一定的预设轨迹移动，也可处于准静止状态，动力装置根据浮空平台位置的微变化进行实时调整，最终达到稳定运行的效果。

步骤传感器收集数据，是指利用传感器采集螺旋桨作用力方向φ、螺旋桨转速n、螺旋桨功率p等数据。

步骤数据反演，利用如图3所示的各项数据，包括上一步骤下测量的螺旋桨转速n，螺旋桨功率p，以及预测数据螺旋桨作用力的通道面积s，空气密度a，螺旋桨直径d，螺距m等。

数据反演时将会利用到风速公式，螺旋桨推力公式，以及有效功率公式。这里引入风速v，螺旋桨消耗电力功率pe，功率系数u，螺旋桨推力f。需要用到的公式如下所示：

风速公式：

螺旋桨推力公式：

有效功率公式：p＝u×pe

这里通过螺旋桨推力公式，求出推力，通过有效功率公式求解出螺旋桨有效功率，然后用风速公式与螺旋桨推力公式求解出相对静止情况下的风速v，推导式为静止时风向即为螺旋桨作用方向反方向，其值为φ+π。若浮空平台进行水平方向匀速移动，将该匀速速度记为向量va，在提供该匀速速度动力前，该位置风速为向量v，在提供动力结束后探空仪位置风速vs＝向量v+向量va，通过向量叠加法则求出该位置风向与风速值。浮空平台一直处于动态调整中，装置会产生偏移，其中会有t秒的反应时间，以该装置原运动方向为x轴正方向，y轴垂直于x轴，方向可自定，计算得出t秒后的坐标系位置(i2,j2)以及原预测t秒后的位置(i1,j1)，设气流风向为θ，则根据该外力方向范围，螺旋桨进行微量调整达到平衡状态(匀速运动状态)，调整螺旋桨作用方向与动力大小，使得装置以相对匀速vd移动回预定位置，vd方向为θ，此时风速vs＝向量v+向量va-向量vd。

反演中的功率系数u可以根据螺旋桨有效功率公式：p＝cn×s×a×v1³与电力消耗功率pe进行调整，其中cn为经验系数，在经过多次调试后可以得到一个较为准确的值。

最后应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：

1.一种基于动力反演的浮空平台测风方法，其特征在于，所述浮空平台配置：

gps传感器：用于位置与方位的确定；

螺旋桨：用于提供水平方向作用力；

螺旋桨方向控制器：用于控制螺旋桨作用力方向；

总体控制模块：用于控制螺旋桨方向控制器，螺旋桨动力大小。

2.根据权利要求1所述的一种基于动力反演的浮空平台测风方法，其特征在于，包括如下步骤：

s1：gps定位确定平台位置和方向变化；

s2：浮空平台按一定的轨迹运行；

s3：传感器收集数据；

s4：数据反演。

3.根据权利要求2所述的一种基于动力反演的浮空平台测风方法，其特征在于，所述的步骤s1的过程包括：

通过gps定位提供的位置信息，得到浮空平台受到风力以及自身动力作用后的偏移量。

4.根据权利要求2所述的一种基于动力反演的浮空平台测风方法，其特征在于，所述的步骤s2的过程包括：

浮空平台可按一定的预设轨迹移动，也可处于准静止状态，动力装置根据浮空平台位置的微变化进行实时调整，最终达到稳定运行的效果。

5.根据权利要求2所述的一种基于动力反演的浮空平台测风方法，其特征在于，所述的步骤s3的过程包括：

浮空平台利用传感器采集螺旋桨作用力方向、螺旋桨转速、螺旋桨功率等参数。

6.根据权利要求2所述的一种基于动力反演的浮空平台测风方法，其特征在于，所述的步骤s4的过程包括：

利用步骤s3收集到的传感器数据，配合预先测量好的数据，通过螺旋桨推力公式和螺旋桨功率公式进行反演得到风向和风速数据。

7.根据权利要求6所述的一种基于动力反演的浮空平台测风方法，其特征在于，预先测量好的数据，其内容包括螺旋桨作用力的通道面积、空气密度、螺旋桨直径和螺距。

技术总结
本发明公开了一种基于动力反演的浮空平台测风方法，首先根据浮空平台的GPS定位模块确定平台的位置变化，其次利用螺旋桨控制浮空平台稳定于某一运动状态，然后获取螺旋桨作用力方向、螺旋桨转速、电机运转功率等参数，最后配合空气密度、螺旋桨作用通道面积等参数通过公式推导反演出该位置的风向和风速。本发明是通过公式反演的方法得到风向和风速信息，其计算参数容易获取，为高空测风装置的简化提供了新的方法。

技术研发人员：秦华旺;戴跃伟
受保护的技术使用者：南京信息工程大学
技术研发日：2020.09.22
技术公布日：2021.01.12