[发明专利]一种用于超声波风速风向仪的陀螺仪平衡装置及其角度自适应平衡调节方法

权利要求书

1.一种超声波风速风向仪，其特征在于，包括：

电源模块，用于给超声波风速风向仪提供电源；

主控制模块，用于产生周期性脉冲信号、计算分析各模块信息并控制各模块工作；

超声波测风模块，用于发射和接受超声波信号；

数据通信模块，用于将主控制模块计算得出的风速、风向数据传输给观测台；

陀螺仪平衡装置，用于监测和调节超声波风速风向仪工作角度。

2.根据权利要求1所述的一种超声波风速风向仪，其特征在于，所述的主控制模块包括主控制芯片、定时器和步进电机，主控制芯片结合定时器输出频率为200kHz、占空比为50%的脉冲信号作用于超声波测风模块，步进电机连接万向节，用于控制万向节转动。

3.根据权利要求1所述的一种超声波风速风向仪，其特征在于，所述的超声波测风模块包括模拟开关电路、发射驱动电路、超声波探头、滤波电路、放大电路和电压比较电路，主控制模块输出的脉冲信号通过模拟开关电路传输到发射驱动电路，发射驱动电路驱动超声波探头发射超声波信号，超声波探头接受反射回来的超声波信号，信号先后经过滤波电路滤波、放大电路放大，然后经过电压比较电路传输回主控制模块。

4.根据权利要求1所述的一种超声波风速风向仪，其特征在于，所述的陀螺仪平衡装置包括陀螺仪传感器和万向节，陀螺仪传感器用于测量超声波风速风向仪工作角度，万向节用于调节超声波风速风向仪工作角度。

5.根据权利要求3所述的一种超声波风速风向仪，其特征在于，所述的超声波探头是超声波换能器。

6.根据权利要求3所述的一种超声波风速风向仪，其特征在于，所述的滤波电路采用截止频率为180kHz的高通滤波器和截止频率为220kHz的低通滤波器组合成中心频率为200kHz、带宽为40kHz的带通滤波器。

7.根据权利要求4所述的一种超声波风速风向仪，其特征在于，所述的超声波换能器有四个，分别分布在圆周的四个方向，且相邻的两个超声波换能器相互垂直。

8.根据权利要求1所述的一种超声波风速风向仪，其特征在于，所述的超声波风速风向仪还包括数据存储模块、温度补偿模块，数据存储模块用于将主控制模块计算得出的风速、风向数据进行实时存储，温度补偿模块用于维持超声波风速风向仪的工作温度在设定值。

9.一种用于超声波风速风向仪的陀螺仪平衡装置，其特征在于，包括陀螺仪传感器和万向节，陀螺仪传感器焊接在超声波风速风向仪的顶部挡板上，万向节安装于超声波风速风向仪支架与超声波风速风向仪的连接处；陀螺仪传感器用于测量超声波风速风向仪工作角度，万向节用于调节超声波风速风向仪工作角度。

10.一种超声波风速风向仪的角度自适应平衡调节方法，其特征在于，包括步骤：

（1）安装陀螺仪传感器和万向节，陀螺仪传感器焊接在超声波风速风向仪的顶部挡板上，万向节安装于超声波风速风向仪支架与超声波风速风向仪的连接处；

（2）调整超声波风速风向仪初始角度，设置初始角度为0°；

（3）陀螺仪传感器实时监测超声波风速风向仪的工作角度，所述的超声波风速风向仪工作角度采用俯仰角、横滚角、航向角三个姿态角表示，陀螺仪传感器测量的载体角速度与超声波风速风向仪姿态角满足以下微分方程：

=

其中Θ为俯仰角，Φ为横滚角，ψ为航向角，w_x、w_y、w_z分别是x、y、z轴上的载体角速度；

（4）通过对上述微分方程的求解得到超声波风速风向仪姿态角Θ、Φ、ψ，采用PID控制算法解析风向仪姿态角，PID增量式算法满足公式：

△U_k=Ae_k-Be_k-1+Ce_k-2

其中A=，B=，C=，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数，e_k为采样对象，在此处为陀螺仪传感器在k时刻测量得到的姿态角的值；

（5）超声波风速风向仪处于平衡状态需满足条件△U_k=0，且，当不满足以上条件时，在主控制模块中将采集到的e_k值转换为步进电机转矩值，步进电机控制万向节转动，使超声波风速风向仪快速恢复到初始工作角度。