下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀及探測(cè)方法
【專利摘要】一種下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀及探測(cè)方法，包括傘翼系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)懸掛在傘翼系統(tǒng)的負(fù)載控制箱里。通過(guò)空中下投的方式對(duì)隨海拔高度變化的工作空域風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，可實(shí)時(shí)跟蹤變化風(fēng)場(chǎng)的橫向和縱向分布。其中，傘翼系統(tǒng)包括傘翼、操縱繩、傘繩、吊帶和負(fù)載控制箱。負(fù)載控制箱放置控制系統(tǒng)和減振底座腔?？刂葡到y(tǒng)計(jì)算得出實(shí)時(shí)風(fēng)場(chǎng)信息，并在地面站上實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)實(shí)際探測(cè)實(shí)驗(yàn)可驗(yàn)證下投式的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀可對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)，在較短時(shí)間內(nèi)跟蹤風(fēng)場(chǎng)的變化趨勢(shì)，探測(cè)的風(fēng)向平均絕對(duì)誤差為3.2°，風(fēng)速平均絕對(duì)誤差為0.27m/s，具有較高的精度。
【專利說(shuō)明】
下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀及探測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)人機(jī)飛行器控制領(lǐng)域，設(shè)計(jì)一種新型的下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，既可用于小范圍探測(cè)偵察、運(yùn)送緊急物資等軍事用 途，也可用于航拍、噴灑農(nóng)藥、港口消霧等民用用途。由于其速度較低，易受到大氣環(huán)境條件 的影響，事實(shí)上，即使在飛行器設(shè)計(jì)相當(dāng)完善的今天，風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)仍是造成任務(wù)執(zhí)行失敗的重 要原因之一，因此在無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)之前，需對(duì)工作空域內(nèi)的變化風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，規(guī)劃合理 的飛行軌跡W及設(shè)計(jì)相應(yīng)的抗風(fēng)擾控制策略，保證無(wú)人機(jī)順利執(zhí)行任務(wù)?，F(xiàn)有的獲取風(fēng)場(chǎng) 信息的方法主要為模型預(yù)測(cè)和設(shè)備測(cè)量?jī)煞N。模型預(yù)測(cè)主要著重于對(duì)平均風(fēng)速風(fēng)向的研 究，例如對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的歷史氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和分析，可W預(yù)測(cè)一段時(shí)間內(nèi)的總體風(fēng)向 和風(fēng)力情況，為預(yù)測(cè)天氣狀況和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的部署和朝向提供指導(dǎo)，但通過(guò)模型預(yù)測(cè)方法 得到的平均風(fēng)速風(fēng)向不能滿足無(wú)人機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)風(fēng)場(chǎng)信息的要求。
[0003] 目前普遍是利用設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，如定點(diǎn)安裝風(fēng)速儀，由于只能對(duì)單點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn) 確測(cè)量，無(wú)法對(duì)不同高度的分層風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，限制了應(yīng)用范圍，但若在無(wú)人機(jī)上安裝風(fēng)速 傳感器，由于風(fēng)速傳感器的數(shù)據(jù)精度容易受無(wú)人機(jī)系統(tǒng)姿態(tài)波動(dòng)的影響，不易得到系統(tǒng)周 圍的風(fēng)場(chǎng)信息。美國(guó)喬治亞理工學(xué)院宇航學(xué)院曾利用基于地面的激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)作 業(yè)區(qū)域附近的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行離散采樣（見(jiàn)會(huì)議AIAA Aerodynamic decelerator systems(ADS) conference,Utilizing Ground-Based LIDAR for Autonomous Airdrop . http : dx. doi . O巧/10.2514/6.2013-1387)，獲得風(fēng)廓數(shù)據(jù)，并將風(fēng)廓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給無(wú)人機(jī)系統(tǒng) 來(lái)調(diào)整其飛行狀態(tài)，運(yùn)種方法能夠準(zhǔn)確測(cè)量出著陸點(diǎn)及其周圍的風(fēng)場(chǎng)信息，但該測(cè)量風(fēng)場(chǎng) 方法成本較高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較麻煩，且不適宜用在地面激光雷達(dá)設(shè)置受限的地方，降低了系統(tǒng) 的實(shí)用性?；虿捎霉鈱W(xué)遙感儀器對(duì)高層大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，靈敏度較高，美國(guó)航空航天局 (NASA)采用風(fēng)成像干設(shè)儀(WINDII)探測(cè)衛(wèi)星覆蓋范圍的大氣風(fēng)場(chǎng)，所探測(cè)光源譜線波長(zhǎng)分 別為557.化m和630.0 nm的綠光與紅光極光譜線，獲得了大量精確的高層大氣風(fēng)場(chǎng)信息，但 無(wú)法提供精確的局部區(qū)域詳細(xì)的風(fēng)場(chǎng)信息，對(duì)于無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)而言，當(dāng)從高海拔區(qū)域飛 至低海拔區(qū)域時(shí)，需要的是整個(gè)工作空域風(fēng)場(chǎng)的分層信息，因此為了能實(shí)時(shí)跟蹤出無(wú)人機(jī) 飛行過(guò)程中從高海拔區(qū)域到低海拔區(qū)域的整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的變化趨勢(shì)與風(fēng)場(chǎng)分布，獲得更加精確 的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，期望有一種裝置簡(jiǎn)單、成本較低、探測(cè)方法易實(shí)現(xiàn)、并且精度較高的一種風(fēng)場(chǎng) 探測(cè)設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0004] 本發(fā)明的目的在于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題加 W解決，提供一種下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀 及探測(cè)方法，通過(guò)空中下投的方法簡(jiǎn)單方便的實(shí)現(xiàn)從高海拔區(qū)域到低海拔區(qū)域的變化風(fēng)場(chǎng) 的探測(cè)，可實(shí)時(shí)跟蹤變化風(fēng)場(chǎng)的橫向和縱向分布，并且精度較高，造價(jià)低廉。
[0005] 本發(fā)明提供的下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀，包括傘翼系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；
[0006] 傘翼系統(tǒng)包括:傘翼I，和用于操縱傘翼后緣的左右兩根操縱繩2,傘翼通過(guò)傘繩3 和吊帶4與負(fù)載控制箱5相連，負(fù)載控制箱內(nèi)設(shè)置有一個(gè)T型隔板11，控制系統(tǒng)固定在傘翼系 統(tǒng)的負(fù)載控制箱里的T型隔板11上，從高空進(jìn)行投放時(shí)，傘翼在載重物重力的牽引下，在空 中會(huì)沿著前緣方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
[0007] 控制系統(tǒng)包括分別固定在T型隔板11上左右兩側(cè)的左右兩個(gè)艙機(jī)13和23,兩個(gè)艙 機(jī)軸上分別通過(guò)連軸器15或25各安裝一個(gè)用于拉動(dòng)傘翼系統(tǒng)操縱繩的載線盤14或24,一個(gè) 艙機(jī)驅(qū)動(dòng)器16或17與九軸巧螺儀20固定在T型隔板一側(cè)的艙機(jī)的下方，另一個(gè)艙機(jī)驅(qū)動(dòng)器 17或16與氣壓高度計(jì)21固定在T型隔板另一側(cè)的艙機(jī)的下方，兩個(gè)艙機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出分別 對(duì)應(yīng)連接兩個(gè)艙機(jī)中的一個(gè)?？刂葡到y(tǒng)中的主控制模塊12、電源模塊18與數(shù)傳模塊19固定 于T型隔板的橫隔板外面，主控制模塊12分別與艙機(jī)驅(qū)動(dòng)器16和17電連接，用于將艙機(jī)控制 PWM信號(hào)傳遞給艙機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制艙機(jī)帶動(dòng)載線盤運(yùn)動(dòng)。GPS定位采集模塊22固定在T型隔板 的橫隔板里面與氣壓高度計(jì)21和九軸巧螺儀20分別電連接主控制模塊的輸入端，主控制模 塊的輸出端雙向連接數(shù)傳模塊19。電源模塊為艙機(jī)驅(qū)動(dòng)器，主控制模塊、數(shù)傳模塊、GPS定位 采集模塊、氣壓高度計(jì)和九軸巧螺儀提供電源。風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。
[0008] 所述的負(fù)載控制箱為圓柱體形狀，如圖1所示，圓柱體形狀的負(fù)載控制箱可使探測(cè) 風(fēng)場(chǎng)時(shí)接觸的風(fēng)場(chǎng)面積更加均勻，有利于風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的精度和實(shí)時(shí)性，負(fù)載控制箱包括箱體、 帶有穿線孔7的上帽6和減振底座腔8,傘翼操縱繩通過(guò)穿線孔7分別固定在載線盤14或24 上。
[0009] 所述的減振底座腔為密封結(jié)構(gòu)，如圖2所示，底座腔側(cè)壁設(shè)有充氣嘴9,通過(guò)充氣嘴 9對(duì)底座腔充氣，使減振底座腔內(nèi)充滿空氣，減振底座腔的上表面是由減振材料制成的薄膜 10，當(dāng)系統(tǒng)降落在地面時(shí)，減振底座腔的減振作用可使負(fù)載控制箱不受損害，方便重復(fù)使 用。
[0010] 所述的控制系統(tǒng)中的主控制模塊包括信息預(yù)處理模塊和風(fēng)場(chǎng)測(cè)試模塊，其中根據(jù) 連續(xù)k次采集到的GPS定位數(shù)據(jù)W及采集頻率可求出風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀相對(duì)地面的水平飛行速作 為風(fēng)場(chǎng)測(cè)試模塊的輸入信號(hào)。而在風(fēng)場(chǎng)測(cè)試模塊中，主控制模塊發(fā)送PWM信號(hào)輸出給艙機(jī)驅(qū) 動(dòng)器，控制艙機(jī)帶動(dòng)載線盤使操縱繩下拉一定幅度，系統(tǒng)在風(fēng)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)處于轉(zhuǎn)彎飛行 狀態(tài)，即為順風(fēng)狀態(tài)時(shí)，速度最大，逆風(fēng)狀態(tài)時(shí)速度最小，即系統(tǒng)相對(duì)地面的速度為風(fēng)場(chǎng)探 測(cè)儀相對(duì)大氣的速度與風(fēng)速之間的矢量和，在k時(shí)刻的速度關(guān)系為：
[0011] (2)
[0012] (3)
[0013]
[0014] (4)
[001引其中，Vh代表風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀相對(duì)大氣的速度，Vx,謝Vy,功k時(shí)刻風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀相對(duì)地面 的速度在X軸方向和y軸方向上的分量，Vwx,k和Vwy,k為k時(shí)刻的風(fēng)速分量?？跒轱L(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀的 偏航角，可由九軸巧螺儀采集得到。
[0016]假定空速在k時(shí)刻保持不變，則可由式(4)推導(dǎo)得出：
[0017] (5)
[001 引
[0019]
[0020] 則風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)過(guò)程可轉(zhuǎn)化為求解如下線性回歸問(wèn)題，當(dāng)從信息預(yù)處理模塊中處理 得到的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀相對(duì)地面的速度，代入如下公式(7)和(8)即可滾動(dòng)計(jì)算出風(fēng)場(chǎng)在經(jīng)向和 締向上的實(shí)時(shí)速度分量W及風(fēng)向角，通過(guò)上述過(guò)程，就可W得到周圍風(fēng)場(chǎng)的完整數(shù)據(jù)。
[00別] 巧
[0022] 州',i =<1/府-,i j 護(hù)/
[0023] 為更好的實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀的探測(cè)方法，其 中包括W下步驟：
[0024] 步驟1，通過(guò)主控制模塊輸出艙機(jī)控制信號(hào)將傘翼系統(tǒng)的單側(cè)操縱繩帶動(dòng)下拉 50%的位置并固定，將傘翼疊好后放置在傘包中，控制系統(tǒng)則固定在傘翼系統(tǒng)的負(fù)載控制 箱里。
[0025] 將單側(cè)操作繩下拉50%，則風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀在風(fēng)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)沿著風(fēng)向螺旋前進(jìn)。 [00%]步驟2，對(duì)GPS定位采集模塊完成鎖星定位工作。
[0027] 步驟3,風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀通過(guò)投放飛行器(如飛機(jī)，直升機(jī)等)升空至投放高度，操作人 員割斷傘包的繩子，對(duì)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀進(jìn)行釋放，傘翼系統(tǒng)會(huì)在負(fù)載控制箱的重力牽引下完全 打開(kāi)。
[0028] 步驟4,風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀隨風(fēng)向螺旋運(yùn)動(dòng)并實(shí)時(shí)探測(cè)出隨海拔高度變化的風(fēng)向和風(fēng)速 數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)傳模塊傳輸?shù)降孛嬲旧线M(jìn)行直觀顯示，顯示的結(jié)果為從投放高度到地面范 圍內(nèi)隨海拔高度變化的風(fēng)向W及風(fēng)速在經(jīng)向和締向的速度分量。
[0029] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：
[0030] 1.設(shè)計(jì)的下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀裝置簡(jiǎn)單易操作，造價(jià)低廉，探測(cè)方法易實(shí)現(xiàn)，具有較 好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。
[0031] 2.設(shè)計(jì)的下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)隨著海拔高度不同而變化的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí) 跟蹤，從實(shí)際探測(cè)實(shí)驗(yàn)可驗(yàn)證該風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀能實(shí)時(shí)探測(cè)出從高海拔區(qū)域飛至低海拔區(qū)域時(shí) 的整個(gè)工作空域風(fēng)場(chǎng)的變化趨勢(shì)，精度較高。
[0032] 3.該風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)場(chǎng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)在線獲取，由地面站實(shí)時(shí)顯示風(fēng)場(chǎng)信 息和系統(tǒng)3維位置信息。
【附圖說(shuō)明】
[0033] 圖1是下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034] 圖2是風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀負(fù)載控制箱底座腔的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035] 圖3是風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀負(fù)載控制箱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036] 圖4是圖3的后側(cè)結(jié)構(gòu)投影示意圖。
[0037] 圖中，1-傘翼，2-操縱繩，3-傘繩，4-吊帶，5-負(fù)載控制箱，6-上帽，7-穿線孔，8-減 振底座腔，9-充氣嘴，10-薄膜，11-T型隔板，12-主控制模塊，13-左艙機(jī)，14-左艙機(jī)載線盤， 15-左側(cè)連軸器，16-左艙機(jī)驅(qū)動(dòng)器，17-右艙機(jī)驅(qū)動(dòng)器，18-電池模塊，19-數(shù)傳模塊，20-九軸 巧螺儀，21-氣壓高度計(jì)，22-GPS定位采集模塊，23-右側(cè)艙機(jī)，24-右艙機(jī)載線盤，25-右側(cè)連 軸器。
[0038] 圖5是實(shí)際探測(cè)實(shí)驗(yàn)中風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀的水平軌跡。
[0039] 圖6是實(shí)際探測(cè)實(shí)驗(yàn)中風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀的水平速度。
[0040] 圖7是實(shí)際探測(cè)實(shí)驗(yàn)中風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀對(duì)風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)結(jié)果，其中（a)是對(duì)工作空域風(fēng)場(chǎng) 的風(fēng)向探測(cè)結(jié)果，（b)是對(duì)風(fēng)速的探測(cè)結(jié)果。
[0041] 圖8是實(shí)際探測(cè)實(shí)驗(yàn)中風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀對(duì)風(fēng)速分量的探測(cè)結(jié)果，其中（a)是風(fēng)速沿著X 軸方向的分量，（b)是風(fēng)速沿著Y軸方向的分量。
[0042] 圖9是控制系統(tǒng)參考原理框圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0043] 實(shí)施例1:下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀
[0044] 如圖1-4所示，下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀包括傘翼系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
[0045] 傘翼系統(tǒng)包括:傘翼1，和用于操縱傘翼后緣的左右兩側(cè)操縱繩2,傘翼通過(guò)傘繩3 和吊帶4與負(fù)載控制箱5相連，負(fù)載控制箱內(nèi)設(shè)置有一個(gè)T型隔板12,控制系統(tǒng)固定在傘翼系 統(tǒng)的負(fù)載控制箱里的T型隔板上。
[0046] 在本發(fā)明中，傘翼由涂層金絲銅制成，傘翼面積為5m2,操縱繩長(zhǎng)度為2.8m，由4- 420芳絕繩制成，傘翼、傘繩和操縱繩的質(zhì)量為1.化g，負(fù)載控制箱底座腔的直徑為300mm，總 重量為20kg，穿線孔直徑為22mm，艙機(jī)采用型號(hào)為Maxon EC-MAX 283858直徑為22mm，軸徑 為6mm，W及ESCON 36/3EC艙機(jī)驅(qū)動(dòng)器，艙機(jī)供電電壓為24V，功率為120W，載線盤直徑79mm， 槽深22mm，槽寬1.5mm，連軸器孔徑6mm。
[0047] 控制系統(tǒng)包括分別固定在T型隔板11上左右兩側(cè)的左右兩個(gè)艙機(jī)13和23(從圖3的 角度觀看），兩個(gè)艙機(jī)軸上分別通過(guò)連軸器15或25各安裝一個(gè)用于拉動(dòng)傘翼系統(tǒng)操縱繩的 載線盤14或24,左艙機(jī)驅(qū)動(dòng)器16與九軸巧螺儀20固定在T型隔板11 一側(cè)的左艙機(jī)的下方，右 艙機(jī)驅(qū)動(dòng)器17與氣壓高度計(jì)21固定在T型隔板11另一側(cè)的右艙機(jī)的下方，兩個(gè)艙機(jī)驅(qū)動(dòng)器 的輸出分別對(duì)應(yīng)連接兩個(gè)艙機(jī)中的一個(gè);控制系統(tǒng)中的主控制模塊12、電源模塊18與數(shù)傳 模塊19固定于T型隔板的橫隔板外面，主控制模塊12分別與兩個(gè)艙機(jī)驅(qū)動(dòng)器16和17電連接， 用于將艙機(jī)控制信號(hào)傳遞給艙機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制艙機(jī)帶動(dòng)載線盤運(yùn)動(dòng);GPS定位采集模塊22固 定在T型隔板的橫隔板里面并與氣壓高度計(jì)21和九軸巧螺儀20分別電連接主控制模塊的輸 入端，主控制模塊的輸出端雙向連接數(shù)傳模塊19;電源模塊為艙機(jī)驅(qū)動(dòng)器、主控制模塊、數(shù) 傳模塊、GPS定位采集模塊、氣壓高度計(jì)和九軸巧螺儀提供電源，參見(jiàn)圖9。
[0048] 控制系統(tǒng)中的電源模塊，供電電源采用24V裡蓄電池，供電電源直接輸出給艙機(jī)供 電，并經(jīng)過(guò)電源轉(zhuǎn)化電路將輸入的電壓分別轉(zhuǎn)換為5V，3.3V，用來(lái)給主控制模塊和GPS定位 采集模塊、氣壓高度計(jì)、九軸巧螺儀供電使用?？紤]到系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，運(yùn)里的5V電路采 用的是化1509忍片，3.3V電路采用的是AMS1117忍片。
[0049] 控制系統(tǒng)中的主控制模塊，其主處理器采用ARM Cortex M4系列STM32F407忍片。 主控制模塊包含信息預(yù)處理模塊和風(fēng)場(chǎng)測(cè)試模塊，并與電源模塊、GPS模塊、氣壓高度計(jì)、九 軸巧螺儀和數(shù)傳模塊連接。GPS定位采集模塊、氣壓高度計(jì)和九軸巧螺儀分別連接主控制模 塊的輸入端，主控制模塊的輸出端雙向連接數(shù)傳模塊。
[(K)加]控制系統(tǒng)中的GPS定位采集模塊，主要有S部分組成:GPS/GL0NASS航空型天線、 GPS接收板卡和RSSSS-Tl^轉(zhuǎn)換器。GPS接收板卡采用0EM615板卡。系統(tǒng)在空中飛行時(shí)， 0EM615板卡將其經(jīng)締度，高度信息發(fā)送給主控制模塊MCU。因?yàn)?EM615板卡是LV-TTL形式的 串口，電平為0-3.3V，直接進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)信息容易不穩(wěn)定。因此，在GPS定位采集模塊和MCU 通信時(shí)，增加一個(gè)RS232電平和TTL電平轉(zhuǎn)換的器件。
[0051] 控制系統(tǒng)中的氣壓高度計(jì)和九軸巧螺儀，均與主控制模塊相連，氣壓高度計(jì)采用 BMP085氣壓高度傳感器，可精確測(cè)量出風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀此時(shí)飛行的海拔高度，并與數(shù)傳模塊進(jìn) 行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，再通過(guò)數(shù)傳模塊傳送至地面站;采用MPU9250九軸巧螺儀，通過(guò)I2C總線通 訊向主控制模塊提供航向姿態(tài)輸出，包括滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏航角信息。
[0052] 控制系統(tǒng)中的數(shù)傳模塊，采用3DR無(wú)線電遙測(cè)915MHZ的數(shù)傳電臺(tái)，分為兩個(gè)模塊包 括Air模塊和Ground模塊，Air模塊通過(guò)串口通訊方式連接到主控制器的串口端，Ground模 塊通過(guò)USB接口連接到地面控制端。當(dāng)數(shù)傳電臺(tái)在傳送風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀的信息時(shí)，Air模塊作為 發(fā)射設(shè)備，把來(lái)自控制系統(tǒng)的信息進(jìn)行調(diào)制并W無(wú)線方式發(fā)送給地面端，Ground模塊作為 接收設(shè)備，地面端進(jìn)行解調(diào)由此可在地面站上可顯示風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀的3維位置和實(shí)時(shí)風(fēng)向，風(fēng) 速信息。地面端也可將控制信號(hào)傳輸給風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀的控制系統(tǒng)。
[0053] 實(shí)施例2:針對(duì)工作空域風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)
[0054] 為驗(yàn)證所發(fā)明的下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀的可行性，課題組進(jìn)行了對(duì)工作空域風(fēng)場(chǎng)的探 測(cè)實(shí)驗(yàn)。本次探測(cè)實(shí)驗(yàn)選擇傘翼為5m2的系統(tǒng)懸掛控制箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
[0055] 投放場(chǎng)地地面的海拔高度為90m，其投放位置的海拔高度為321m，開(kāi)傘高度損失為 40m，即系統(tǒng)從海拔高度281m位置開(kāi)始隨風(fēng)滑翔和降落。除去距離地面20m時(shí)的操縱高度，風(fēng) 場(chǎng)探測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集區(qū)間的高度為171m，飛行時(shí)間為68s。
[0056] 風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀的水平運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示，圖中號(hào)表示風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀的動(dòng)作起始 點(diǎn)。
[0057] 當(dāng)系統(tǒng)在風(fēng)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其隨風(fēng)偏移的速度與風(fēng)速相同。從圖5中可W看出，工作 空域風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速隨著高度的不同而有所變化。從風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀的運(yùn)動(dòng)軌跡的方向可W判斷出 風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)向，風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀在靠近起始位置時(shí)沿風(fēng)向的運(yùn)動(dòng)速度較大，在遠(yuǎn)離初始點(diǎn)位置時(shí) 沿風(fēng)向的運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較小，表明高海拔區(qū)域風(fēng)速大，低海拔區(qū)域風(fēng)速小。表1中所列舉的 是幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)所處的海拔高度W及風(fēng)速和風(fēng)向信息。
[005引表1空投風(fēng)場(chǎng)信息
[0化9]
[0060] 根據(jù)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀運(yùn)動(dòng)中采集的GPS定位數(shù)據(jù)，可W看出風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀在風(fēng)場(chǎng)中的運(yùn) 動(dòng)情況。由于系統(tǒng)的空速是恒定的，則其地速變化越大說(shuō)明所處風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速越大。通過(guò)信息 預(yù)處理模塊后，計(jì)算得到的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀相對(duì)地面的水平速度由圖6表示。從圖6可W看出，速 度的變化趨勢(shì)與表1有著相同的結(jié)論，即風(fēng)速隨著海拔高度的降低而降低。對(duì)在線采集的工 作空域風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到的風(fēng)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果在圖7中給出。
[0061] 圖7中的虛線為風(fēng)向和風(fēng)速的真實(shí)值，由于無(wú)法對(duì)不同海拔高度的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行 連續(xù)的測(cè)量，所W真實(shí)值的參考曲線采用直連表1中數(shù)據(jù)點(diǎn)的方法，數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的參考值是 線性變化的。
[0062] 從圖7(a)中的風(fēng)向探測(cè)結(jié)果可W看出，風(fēng)場(chǎng)探測(cè)方法準(zhǔn)確反映了風(fēng)向的變化趨 勢(shì)。相對(duì)于參考風(fēng)向，探測(cè)得到的風(fēng)向在5s后進(jìn)入穩(wěn)定探測(cè)狀態(tài)，最大誤差為3.5°，平均絕 對(duì)誤差為3.2°。
[0063] 圖7(b)中風(fēng)速的探測(cè)結(jié)果與實(shí)際風(fēng)速的對(duì)比結(jié)果表明，風(fēng)場(chǎng)探測(cè)方法可W對(duì)風(fēng)速 進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)，并能夠跟蹤風(fēng)速的變化趨勢(shì)，驗(yàn)證了下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀對(duì)變化風(fēng)場(chǎng)的跟蹤 適應(yīng)能力。風(fēng)速的探測(cè)結(jié)果從5s后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后最大探測(cè)誤差為0.57m/s，平均絕 對(duì)誤差為〇.27m/s。
[0064] 圖8為工作空域風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速在X軸和Y軸上的速度分量的探測(cè)結(jié)果。從圖中可W看 出，風(fēng)場(chǎng)在X軸的速度分量基本保持不變，在-2.6m/s附近波動(dòng)，而風(fēng)場(chǎng)在Y軸的速度分量則 出現(xiàn)了較大變化，隨著海拔高度的降低明顯減小，由此可知圖8中風(fēng)向角的增大和風(fēng)速值的 減小主要是由風(fēng)場(chǎng)在Y軸的速度分量的變化引起的。
[0065] 風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀得到穩(wěn)定探測(cè)結(jié)果所需的時(shí)間為5s，具有較高的探測(cè)精度，驗(yàn)證了該 下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀的實(shí)用性和有效性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀，包括傘翼系統(tǒng)和控制系統(tǒng);其特征在于:通過(guò)空中下投的方 式對(duì)隨海拔高度變化的工作空域風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，可實(shí)時(shí)跟蹤變化風(fēng)場(chǎng)的橫向和縱向分布； 所述的傘翼系統(tǒng)包括:傘翼（1)，和用于操縱傘翼后緣的左右兩側(cè)操縱繩(2)，傘翼通過(guò) 傘繩(3)和吊帶(4)與負(fù)載控制箱(5)相連，負(fù)載控制箱內(nèi)設(shè)置有一個(gè)T型隔板（11)，控制系 統(tǒng)固定在傘翼系統(tǒng)的負(fù)載控制箱里的T型隔板(11)上； 所述控制系統(tǒng)包括分別固定在T型隔板（11)上左右兩側(cè)的左右兩個(gè)舵機(jī)（13和23)，兩 個(gè)舵機(jī)軸上分別通過(guò)連軸器(15或25)各安裝一個(gè)用于拉動(dòng)傘翼系統(tǒng)操縱繩的載線盤(14或 24)，一個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器（16或17)與九軸陀螺儀(20)固定在T型隔板（11) 一側(cè)的舵機(jī)的下方， 另一個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器（17或16)與氣壓高度計(jì)(21)固定在T型隔板（11)另一側(cè)的舵機(jī)的下方， 兩個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出分別對(duì)應(yīng)連接兩個(gè)舵機(jī)中的一個(gè);控制系統(tǒng)中的主控制模塊（12)、 電源模塊（18)與數(shù)傳模塊（19)固定于T型隔板的橫隔板外面，主控制模塊（12)分別與兩個(gè) 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器(16和17)電連接，用于將舵機(jī)控制PWM信號(hào)傳遞給舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制舵機(jī)帶動(dòng)載 線盤運(yùn)動(dòng);GPS定位采集模塊(22)固定在T型隔板的橫隔板里面與氣壓高度計(jì)(21)和九軸陀 螺儀(20)分別電連接主控制模塊的輸入端，主控制模塊的輸出端雙向連接數(shù)傳模塊（19); 電源模塊為舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器、主控制模塊、數(shù)傳模塊、GPS定位采集模塊、氣壓高度計(jì)和九軸陀螺 儀提供電源。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀，其特征在于，所述的負(fù)載控制箱為圓柱體 形狀，包括箱體、帶有穿線孔(7)的上帽(6)和減振底座腔(8)，傘翼操縱繩通過(guò)穿線孔(7)分 別固定在載線盤(14或24)上。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀，其特征在于，所述的減振底座腔為密封結(jié) 構(gòu)，底座腔側(cè)壁設(shè)有充氣嘴(9)，通過(guò)充氣嘴(9)對(duì)底座腔充氣，使減振底座腔內(nèi)充滿空氣， 減振底座腔的上表面是由減振材料制成的薄膜(10)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀，其特征在于，主控制模塊包括信息預(yù)處理 模塊、風(fēng)場(chǎng)測(cè)試模塊;其中信息預(yù)處理模塊根據(jù)GPS定位采集模塊采集到的位置數(shù)據(jù)以及采 集頻率計(jì)算出風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀相對(duì)地面的速度，并將風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀相對(duì)地面的速度傳送到風(fēng)場(chǎng)測(cè) 試模塊中；在風(fēng)場(chǎng)測(cè)試模塊中，由信息預(yù)處理模塊中獲得的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀相對(duì)地面的速度是 其相對(duì)大氣的速度與風(fēng)速的矢量和，再根據(jù)風(fēng)場(chǎng)計(jì)算公式滾動(dòng)計(jì)算出風(fēng)速在經(jīng)向和煒向上 的速度分量，并通過(guò)數(shù)傳模塊傳送至地面站，在地面站上實(shí)時(shí)顯示。5. -種權(quán)利要求1所述的下投式風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)方法，包括以下步驟： 步驟1:通過(guò)主控制模塊輸出舵機(jī)控制信號(hào)將傘翼系統(tǒng)的單側(cè)操縱繩帶動(dòng)下拉50%的 位置并固定，將傘翼疊好后放置在傘包中，控制系統(tǒng)固定在傘翼系統(tǒng)的負(fù)載控制箱里； 步驟2:對(duì)GPS定位采集模塊完成鎖星定位工作； 步驟3，風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀通過(guò)投放飛行器升空至投放高度，操作人員割斷傘包繩子，對(duì)風(fēng)場(chǎng) 探測(cè)儀下投，傘翼系統(tǒng)會(huì)在負(fù)載控制箱的重力牽引下完全打開(kāi)； 步驟4:風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀隨風(fēng)向螺旋運(yùn)動(dòng)并實(shí)時(shí)探測(cè)出隨海拔高度變化的風(fēng)向和風(fēng)速數(shù)據(jù)， 并通過(guò)數(shù)傳模塊傳輸?shù)降孛嬲旧线M(jìn)行直觀顯示，探測(cè)的結(jié)果為從投放高度到地面范圍內(nèi)隨 海拔高度變化的風(fēng)向以及風(fēng)速在經(jīng)向和煒向的速度分量;同時(shí)地面站能夠監(jiān)測(cè)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀 的3維位置信息和實(shí)時(shí)風(fēng)場(chǎng)信息。
【文檔編號(hào)】G01W1/08GK105954820SQ201610369426
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】孫青林, 羅淑貞, 檀盼龍, 陶金, 蔣玉新, 陳賽, 鄔婉楠, 孫昊
【申請(qǐng)人】南開(kāi)大學(xué)