[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

说明书

本发明公开了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，所述的超声波风速风向仪包括电源模块、主控制模块、超声波测风模块、数据通信模块、数据存储模块、温度补偿模块和陀螺仪平衡装置。所述的陀螺仪平衡装置包括陀螺仪传感器和万向节，陀螺仪传感器对超声波风速风向仪的工作角度进行实时监测，通过PID算法对风向仪的工作角度进行姿态解算，根据风向仪工作角度的变化来转动万向节进行角度调节，最终使超声波风速风向仪风向仪在短时间内实现自平衡。

技术领域

本发明涉及一种平衡装置，尤其是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。

背景技术

近些年，随着电子硬件技术的发展，以及CPU运算速度的提高，超声波测风技术也得到了飞速发展，相较于传统机械式风杯、风向标等测风装置，超声波测风技术在测量精度、实时性、稳定性等方面都有着显著优势。

在国家大力推进海洋开发战略的背景下，随着我国加强对海洋气象的监测力度，对海洋的气象监测要求也在提高。海上气象观测主要以海岛、海上浮标、气象观测船等方式为主。相对于陆地气象观测，海洋气象观测的观测环境更加不稳定，变化较大，尤其是海上观测船和海上浮标，受海上风浪影响较大。当外力较大时，仪器工作角度易受海浪打击造成较大的偏转，超声波风速风向仪在工作测量时需要保持水平且参考方向不变的状态，因此外力极易导致测量数据不准确，亟需一种能克服外力打击使仪器有效防抖的解决方案。

目前市场上大多数同类产品多采用磁力计传感器进行风速风向的校准，但是考虑到磁力计在应用时尤其海上航行时受地球磁场影响较大，由此产生的测量误差也会较大，影响测量效果。陀螺仪传感器是基于自由空间移动和手势定位的系统，最开始运用在航空领域，由于陀螺仪传感器灵敏度高，工作可靠，目前陀螺仪传感器在航空、航天、航海和日常生活中都有应用。

发明内容

由于超声波风速风向仪在进行海上观测过程中容易受外界环境影响，风向仪的工作角度容易出现偏移，影响风向仪测量精准度。本发明提出了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。

针对上述问题，本发明采用了以下技术方案：

一种超声波风速风向仪，包括电源模块、主控制模块、超声波测风模块、数据通信模块、数据存储模块、温度补偿模块和陀螺仪平衡装置。所述的主控制模块包括主控制芯片、定时器和步进电机；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，其中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。

电源模块给超声波风速风向仪提供电源，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，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，最后经过电压比较电路传输回主控制芯片，主控制芯片将超声波测风模块测量得到的风速和风向数据通过数据通信模块传输给观测台，同时将该数据在数据存储模块进行实时存储。

温度补偿模块分别连接主控制模块和超声波测风模块，用于控制超声波风速风向仪的工作温度。

在进一步的优选方案中，所述的超声波探头是超声波换能器。

在进一步的优选方案中，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。

一种用于超声波风速风向仪的陀螺仪平衡装置，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。