一种翼伞空降情境下自适应风速风向检测系统和方法

摘要

本发明公开了一种翼伞空降情境下自适应风速风向检测系统和方法，所述系统包括伞兵头盔、超声波风速仪、可旋转式穿戴平台、GPS天线和信息处理模块。所述方法的步骤：利用超声波风速仪和可旋转式穿戴平台进行零点在线校准；对超声波风速仪进行主风向校准；将风速瞬变现象看作是湍流风的作用，根据GPS天线采集的GPS信息解算出湍流风场信息。本发明提高了风速风向检测的精度。

权利要求

1.一种翼伞空降情境下自适应风速风向检测方法，该方法基于一种自适应风速风向检测系统，该系统包括伞兵头盔、超声波风速仪、可旋转式穿戴平台、GPS天线和信息处理模块，所述超声波风速仪、可旋转式穿戴平台、GPS天线分别通过串口与信息处理模块连接，所述超声波风速仪通过可旋转式穿戴平台安装在伞兵头盔上，所述超声波风速仪包括第一组换能器探头和第二组换能器探头，所述第一组换能器探头包括组成第一维测量通道的第一发射换能器和第一接收换能器，所述第二组换能器探头包括组成第二维测量通道的第二发射换能器和第二接收换能器，所述第一维测量通道与第二维测量通道相互垂直；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)利用超声波风速仪和可旋转式穿戴平台进行零点在线校准；

(2)对超声波风速仪进行主风向校准：首先估计测量区域的主风方向，然后通过可旋转式穿戴平台调整超声波风速仪的方向，将超声波风速仪量程的中间值调整至主风方向，从而减少风向角的瞬变；

(3)将风速瞬变现象看作是湍流风的作用，根据GPS天线采集的GPS信息解算出湍流风场信息；该步骤的具体过程如下：

(3a)将惯性坐标系的原点与风坐标系的原点位置重合于超声波风速仪标定原点处，惯性坐标系三轴指向与大地坐标系三轴指向平行；

(3b)将由超声波风速仪测量的风坐标系下的平均风x、y轴分量Vf,X、Vf,Y转换为惯性坐标系下的平均风x、y轴分量Vc,x、Vc,y；

(3c)通过GPS天线采集GPS信息，得到空速V0以及第i时间段翼伞系统的x、y轴分量的速度 根据下式计算出湍流风的x、y轴分量Vt,x、Vt,y：上式中，ψi表示第i时间段翼伞系统的偏航角。

2.根据权利要求1所述翼伞空降情境下自适应风速风向检测方法，其特征在于，步骤(1)的具体过程如下：

(1a)分别测量得到第一维测量通道和第二维测量通道内的风速值V01与V02，并将V01与V02通过矢量相加的方式计算得到当前周围环境的风速值V00；

(1b)通过转动可旋转式穿戴平台调整第一维测量通道和第二维测量通道中的某一维测量通道的矢量方向，将其调整至与当前风向的矢量方向相平行，从而第一次分别测量并储存与当前风向矢量方向相垂直的测量通道的风速值V11、与当前风向矢量方向相平行的测量通道内的风速值V12；

(1c)第二次转动可旋转式穿戴平台，将与当前风向矢量方向相垂直的测量通道调整至矢量方向与当前风向的矢量方向平行，从而第二次测量并储存与当前风向矢量方向相垂直的测量通道的风速值V21、与当前风向矢量方向相平行的测量通道的风速值V22；第三次转动可旋转式穿戴平台，使得第一维测量通道和第二维测量通道回复到最初的矢量方向；

(1d)信息处理模块将风速值V12、风速值V22分别与风速值V00比较，如果风速值V12、风速值V22分别与风速值V00的差异率均不大于设置值A时，则说明前述第一次测量和第二次测量时，周围环境的当前风速和风向均未发生明显变化，此时垂直于当前风向的矢量方向内风速被认为是零，将风速值V11和风速值V21分别作为其对应测量通道的零点值，更新并存储在信息处理模块内；如果风速值V12和/或风速值V22与风速值V00的差异率超过了A，则说明前述第一次测量或第二次测量时，周围环境的当前风速和风向已经发生了明显的变化，此时垂直于当前风向的矢量方向内风速不可以被认为是零，需要重复步骤(1a)至(1c)，直至风速值V12、风速值V22分别与风速值V00的差异率均不大于A为止，从而确定零点值。

3.根据权利要求2所述翼伞空降情境下自适应风速风向检测方法，其特征在于：设定值A取3％。

4.根据权利要求1所述翼伞空降情境下自适应风速风向检测方法，其特征在于，估计测量区域主风方向的方法为，在测量区域的地面通过风速仪检测主风风向。

5.根据权利要求1所述翼伞空降情境下自适应风速风向检测方法，其特征在于：所述伞兵头盔的额部设有安装所述GPS天线的凹槽，所述GPS天线为方形天线，方形天线的四角通过螺丝固定在凹槽内。

6.根据权利要求1所述翼伞空降情境下自适应风速风向检测方法，其特征在于：所述信息处理模块安装在伞兵头盔的尾部，信息处理模块内置微型电池，信息处理模块的外壳上设有操控按钮，用于实现系统的启闭，信息处理模块配有SD卡槽，SD卡槽内设有SD卡，通过SD卡存储信息处理模块的数据。

说明书

一种翼伞空降情境下自适应风速风向检测系统和方法

技术领域

[0001] 本发明属于翼伞空降领域，特别涉及了一种风速风向检测系统和方法。

背景技术

[0002] 在翼伞空降情境下，风速和风向对其飞行状态影响较大，因此准确获知翼伞空投着陆区域风速、风向就显得尤为重要。使用超声波风速仪对风速风向进行测量时，风速仪容
易受到零点漂移、水雾冰、主风向和量程有效范围以及湍流风的影响，难以采集精准的风场
数据。

发明内容

[0003] 为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明提出了一种翼伞空降情境下自适应风速风向检测系统和方法。

[0004] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

[0005] 一种翼伞空降情境下自适应风速风向检测系统，包括伞兵头盔、超声波风速仪、可旋转式穿戴平台、GPS天线和信息处理模块，所述超声波风速仪、可旋转式穿戴平台、GPS天
线分别通过串口与信息处理模块连接，所述超声波风速仪通过可旋转式穿戴平台安装在伞
兵头盔上，所述超声波风速仪包括第一组换能器探头和第二组换能器探头，所述第一组换
能器探头包括组成第一维测量通道的第一发射换能器和第一接收换能器，所述第二组换能
器探头包括组成第二维测量通道的第二发射换能器和第二接收换能器，所述第一维测量通
道与第二维测量通道相互垂直。

[0006] 进一步地，所述伞兵头盔的额部设有安装所述GPS天线的凹槽，所述GPS天线为方形天线，方形天线的四角通过螺丝固定在凹槽内。

[0007] 进一步地，所述信息处理模块安装在伞兵头盔的尾部，信息处理模块内置微型电池，信息处理模块的外壳上设有操控按钮，用于实现系统的启闭，信息处理模块配有SD卡
槽，SD卡槽内设有SD卡，通过SD卡存储信息处理模块的数据。

[0008] 一种翼伞空降情境下自适应风速风向检测方法，包括以下步骤：

[0009] (1)利用超声波风速仪和可旋转式穿戴平台进行零点在线校准；

[0010] (2)对超声波风速仪进行主风向校准；

[0011] (3)将风速瞬变现象看作是湍流风的作用，根据GPS天线采集的GPS信息解算出湍流风场信息。

[0012] 进一步地，步骤(1)的具体过程如下：

[0013] (1a)分别测量得到第一维测量通道和第二维测量通道内的风速值V01与V02，并将V01与V02通过矢量相加的方式计算得到当前周围环境的风速值V00；

[0014] (1b)通过转动可旋转式穿戴平台调整第一维测量通道和第二维测量通道中的某一维测量通道的矢量方向，将其调整至与当前风向的矢量方向相平行，从而第一次分别测
量并储存与当前风向矢量方向相垂直的测量通道的风速值V11、与当前风向矢量方向相平行
的测量通道内的风速值V12；

[0015] (1c)第二次转动可旋转式穿戴平台，将与当前风向矢量方向相垂直的测量通道调整至矢量方向与当前风向的矢量方向平行，从而第二次测量并储存与当前风向矢量方向相
垂直的测量通道的风速值V21、与当前风向矢量方向相平行的测量通道的风速值V22；第三次
转动可旋转式穿戴平台，使得第一维测量通道和第二维测量通道回复到最初的矢量方向；

[0016] (1d)信息处理模块将风速值V12、风速值V22分别与风速值V00比较，如果风速值V12、风速值V22分别与风速值V00的差异率均不大于设置值A时，则说明前述第一次测量和第二次
测量时，周围环境的当前风速和风向均未发生明显变化，此时垂直于当前风向的矢量方向
内风速被认为是零，将风速值V11和风速值V21分别作为其对应测量通道的零点值，更新并存
储在信息处理模块内；如果风速值V12和/或风速值V22与风速值V00的差异率超过了A，则说明
前述第一次测量或第二次测量时，周围环境的当前风速和风向已经发生了明显的变化，此
时垂直于当前风向的矢量方向内风速不可以被认为是零，需要重复步骤(1a)至(1c)，直至
风速值V12、风速值V22分别与风速值V00的差异率均不大于A为止，从而确定零点值。

[0017] 进一步地，设定值A取3％。

[0018] 进一步地，步骤(2)的具体过程如下：

[0019] 首先估计测量区域的主风方向，然后通过可旋转式穿戴平台调整超声波风速仪的方向，将超声波风速仪量程的中间值调整至主风方向，从而减少风向角的瞬变。

[0020] 进一步地，估计测量区域主风方向的方法为，在测量区域的地面通过风速仪检测主风风向。

[0021] 进一步地，步骤(3)的具体过程如下：

[0022] (3a)将惯性坐标系的原点与风坐标系的原点位置重合于超声波风速仪标定原点处，惯性坐标系三轴指向与大地坐标系三轴指向平行；

[0023] (3b)将由超声波风速仪测量的风坐标系下的平均风x、y轴分量Vf,X、Vf,Y转换为惯性坐标系下的平均风x、y轴分量Vc,x、Vc,y；

[0024] (3c)通过GPS天线采集GPS信息，得到空速V0以及第i时间段翼伞系统的x、y轴分量的速度 根据下式计算出湍流风的x、y轴分量Vt,x、Vt,y：

[0025]

[0026]

[0027] 上式中，ψi表示第i时间段翼伞系统的偏航角。

[0028] 采用上述技术方案带来的有益效果：

[0029] 本发明解决了超声波风速仪对风速风向进行测量时，容易受到零点漂移、水雾冰、主风向和量程有效范围以及湍流风的影响的问题，同时也提供了能够精确采集风场数据的
方法。本发明为翼伞空投归航过程中的控制及最后着陆阶段的迎风对准、雀降等动作的完
成提供了重要参考。

附图说明

[0030] 图1是本发明的系统结构示意图；标号说明：1、超声波风速仪；2、可旋转式穿戴平台；3、GPS天线；4、信息处理模块；

[0031] 图2是本发明中零点校准步骤一的示意图；

[0032] 图3是本发明中零点校准步骤二的示意图；

[0033] 图4是本发明中零点校准步骤三的示意图；

[0034] 图5是空降实验风向图；

[0035] 图6是翼伞坐标系图；

[0036] 图7是层流示意图；

[0037] 图8是湍流示意图；

[0038] 图9是空降实验风速图；

[0039] 图10是本发明中速度矢量分解图。

具体实施方式

[0040] 以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

[0041] 本发明设计了一种翼伞空降情境下自适应风速风向检测系统，如图1所示，包括伞兵头盔、超声波风速仪、可旋转式穿戴平台、GPS天线和信息处理模块，所述超声波风速仪、
可旋转式穿戴平台、GPS天线分别通过串口与信息处理模块连接，所述超声波风速仪通过可
旋转式穿戴平台安装在伞兵头盔上，所述超声波风速仪包括第一组换能器探头和第二组换
能器探头，所述第一组换能器探头包括组成第一维测量通道的第一发射换能器和第一接收
换能器，所述第二组换能器探头包括组成第二维测量通道的第二发射换能器和第二接收换
能器，所述第一维测量通道与第二维测量通道相互垂直。超声波风速仪上装有航姿传感器。

[0042] 在本实施例中，优选地，所述伞兵头盔的额部设有安装所述GPS天线的凹槽，所述GPS天线为方形天线，方形天线的四角通过螺丝固定在凹槽内。所述信息处理模块安装在伞
兵头盔的尾部，信息处理模块内置微型电池，信息处理模块的外壳上设有操控按钮，用于实
现系统的启闭，信息处理模块配有SD卡槽，SD卡槽内设有SD卡，通过SD卡存储信息处理模块
的数据。

[0043] 本发明还提出了一种翼伞空降情境下自适应风速风向检测方法。

[0044] 一、零点在线自校准

[0045] 风场的平面风速分量VW,X和VW,Y，是由平均风加湍流风或突风来建立。

[0046]

[0047] 其中Vc,x是平均风的x轴分量，Vc,y是平均风的y轴分量；Vt,x是湍流风的x轴分量，Vt,y是湍流风的y轴分量。平均风的x，y轴分量Vc,x与Vc,y可以由超声波风速仪测出，但在实际
测量时，湍流风的x，y轴分量Vt,x与Vt,y难以测量，并且湍流风会使风速仪的检测带来误差，
产生风速瞬变现象。

[0048] 首先，在进行空降测量前，启动设备，先基于可旋转穿戴平台进行零点在线自校准。

[0049] 步骤一：如图2所示，分别测量并得到第一维测量通道和第二维测量通道内的风速值V01与V02，并将V01与V02通过矢量相加的方式计算得到当前周围环境的风速值V00。

[0050] 步骤二：如图3所示，根据对当前矢量风向的测量结果，通过步进电机第一次转动可旋转式穿戴平台，调整第一维测量通道和第二维测量通道中的某一维测量通道的矢量方
向，调整至与当前风向的矢量方向相平行，从而第一次分别测量并储存与当前风向矢量方
向相垂直的测量通道的风速值V11、与当前风向矢量方向相平行的测量通道内的风速值V12。

[0051] 步骤三：如图4所示，通过第二次转动,将与当前风向矢量方向相垂直的测量通道，调整至矢量方向与当前风向的矢量方向平行，从而第二次测量并储存与当前风向矢量方向
相垂直的测量通道的风速值V21、与当前风向矢量方向相平行的测量通道内的风速值V22。通
过第三次转动，使得超声波风速仪的第一维测量通道和第二维测量通道回复到最初的矢量
方向。

[0052] 步骤四：信息处理模块将风速值V12、风速值V22分别与当前风速值V00做比较，如果风速值V12、风速值V22分别与当前风速值V00的差异率均不大于3％，则说明上述第一次测量
和第二次测量时，周围环境的当前风速和风向均未发生明显变化，此时，垂直于当前风向的
矢量方向内风速可以被认为是零。因此，可以将风速值V11和风速值V21分别作为其对应测量
通道的零点值,更新并存储在控制器内。如果风速V12与当前风速V00的差异率,以及风速V22
与当前风速V00的差异率之中,有一个或两个差异率的值超过了3％，则说明第一次测量或第
二次测量时,周围环境的当前风速和风向已经发生了明显的变化。此时垂直于当前风向的
矢量方向内风速不可以被认为是零。此时需要重复步骤一至步骤三，直至风速值V12、风速值
V22分别与当前风速值V00的差异率均不大于3％为止，从而确定零点值。

[0053] 二、主风向校准

[0054] 已知二维超声波风速仪的风向角量程为[0°,360°]，在测量风向信号时，当风向角增加到360°以后，再往上，由于量程的限制，传感器输出只能跳至0°方向取值。例如，某一时
刻风向角为350°，相邻的下一时刻应该为370°，在极坐标系下角度变化量仅为20°，但370度
已超出了超声波风速仪量程，超声波风速仪得到的下一时刻角度为10°，导致角度变化量不
再是20°，而是‑340°。所以如果风向角总是在极值附近，那么风向角大幅波动将持续存在。
图5为空投实验的风向测量数据图。在图5中，风向角在极值360°与0°附近处跳动，风向角瞬
变现象较多。

[0055] 先估计测量区域的主风方向。估计的方式有两种，第一种是在测量区域释放装有GPS装置的气球，根据气球的轨迹来估计测量区域的主风方向；第二种是在测量区域的地面
直接通过风速仪检测主风风向。第一种方式精度更高，第二种方式更简便，测量速度更快，
风短时间不会产生过多变化。在本实施例中，通过第二种方式来估计测量区域的主风方向，
然后通过可旋转穿戴式平台调整风速仪的方向,将风速仪量程中间值(即180°)调整至主风
方向,从而避免风向角的瞬变。

[0056] 三、风速分量中湍流风的检测

[0057] 如图6所示，惯性坐标系odxdydzd原点od与风坐标系ofxfyfzf原点of，位置重合于风速仪标定原点处，惯性坐标系其余三轴指向与大地坐标系三轴指向平行。

[0058] 惯性坐标系与风坐标系之间的转化需要通过物伞系统姿态的三轴欧拉角决定，欧拉角包含了偏航角ψ、俯仰角θ、滚转角φ，可由航姿传感器测得。

[0059] Vd＝VfBf‑d                           (2)

[0060] 其中Vd为惯性坐标系的XYZ轴速度矩阵：

[0061]

[0062] 其中Vf为风坐标系的XYZ轴速度矩阵，

[0063]

[0064] 风坐标系转化为惯性坐标系的转换矩阵Bf‑d为：

[0065]

[0066] 坐标系转换后，更便于解算风速风向信息。

[0067] 通过超声波风速仪测量区域的风应尽量保持层流，如图7所示。遇到湍流时，如图8所示，测量数值将产生误差。为了减少在空降时湍流风带来的误差，引入GPS系统进行校准。

[0068] 风场的平面风速分量VW,X和VW,Y，是由平均风加湍流风或突风来建立，如式(1)。其中风坐标系下的平均风x,y轴分量Vf,XVf,Y由超声波风速仪测得，经由式(5)的转换矩阵，转
换为惯性坐标系下的平均风x,y轴分量Vc,x，Vc,y，而后代入如下惯性坐标系的公式进行计
算。湍流风的x，y轴分量Vt,x与Vt,y难以测量，并且湍流风会使风速仪的检测带来误差，产生
风速瞬变现象，如图9所示。将风速瞬变现象看作是湍流风的作用，通过引入翼伞系统的GPS
信息，可解析出湍流风场信息。

[0069] 将翼伞系统的飞行过程中的速度特征画成速度矢量分解图，如图10所示。

[0070] 在图10中，ψ代表欧拉偏航角，β代表侧滑角，V0代表翼伞系统相对于空气的速度，即空速，假设其恒定不变，VW代表风速，V代表翼伞系统相对于大地的速度，即地速，从矢量
图中不难看出，地速矢量等于风速矢量风场与空速矢量的矢量和，将其称为速度矢量三角
形，下面介绍仅通过翼伞系统位置信息辨识风场信息的方法。设翼伞伞绳单侧下拉且下拉
幅度保持恒定，翼伞系统处于转弯飞行状态，在此情况下假设空速和风速不变，则根据矢量
关系推出式(2)和式(3)成立。

[0071]

[0072]

[0073] 其中，x和y分别代表南北及东西方向轴； 和 分别代表第i时间段翼伞系统的x,y两个方向的速度分量，可由卫星定位系统位置采样信息计算得出；ψi代表第i时间段翼伞
系统的偏航角；VW,X和VW,Y代表平面风速分量。

[0074] 将式(1)代入式(6)，可得式(8)：

[0075]

[0076] 通过航姿传感器测量出偏航角ψi，通过风速仪测量得出Vc,x与Vc,y。联立式(7)、(8)可解算出湍流风的x，y轴分量Vt,x与Vt,y。

[0077] 实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。