风速风向测量误差补偿算法的研究_王国峰

， 无论是气象观测、 民航、 公路、 桥梁、 新能源、 农业、
［2 ］
航运等行业都具有非常广泛的应用
12 收稿日期： 2012-
。
Received Date： 201212
* 基金项目： 国家 863 计划（ 2012AA112702 ） 资助项目
第4 期
王国峰 等： 风速风向测量误差补偿算法的研究
图2
风速风向的测量实验 speed and direction
Fig． 2 Measurement experiment of wind 图1 风速风向的矢量空间模型
Fig． 1 Vector spatial model of wind speed and direction
实验中， 超声波风速风向测量装置一般采取相互垂
大连 116026 ； 2． 大连海事大学 船舶自动化与仿真器研究所
大连 116026 ）
要： 为了提高风帆助力船舶中风速风向的测量精度， 提出一种基于空间模型的风速风向测量误差补偿算法 。 首先建立了
船舶运动状态下风速风向矢量的空间模型 。在应用超声波风速风向测量技术的基础上， 通过空间测量的方法确定测量误差与 空间倾角的对应关系， 并对测量误差进行单向拟合补偿计算和空间拟合补偿计算 。最后， 经过大量的实验和测量数据的对比， 验证了基于空间模型误差补偿算法的有效性和可行性 。从而解决了一类风帆助力船舶辅助推进控制系统的风速风向空间测量 的误差补偿问题， 使得风速风向测量精度满足风帆辅助推进控制系统的要求 。 关键词： 风帆助力船舶； 风速风向测量； 空间模型； 误差补偿 中图分类号： U665 文献标识码： A 国家标准学科分类代码： 510． 40
表1 θ = 0° 时风速风向的测量值 and direction at θ = 0°
θ = 0° （ 正北方向） 第1 组 第2 组 第3 组 第4 组 第5 组 第6 组 第7 组 第8 组 风速（ m / s） 风向（ ° ） 风速（ m / s） 风向（ ° ） 风速（ m / s） 风向（ ° ） 风速（ m / s） 风向（ ° ） 风速（ m / s） 风向（ ° ） 风速（ m / s） 风向（ ° ） 风速（ m / s） 风向（ ° ） 风速（ m / s） 风向（ ° ） 0° 3． 87 24． 7 3． 9 24． 3 4 25 4． 4 24． 1 4． 2 24． 6 4． 0 24 3． 8 23． 8 4． 14 24． 16 传感器单方向倾斜角 5° 10° 15° 3． 49 22． 3 3． 52 22． 5 3． 61 24． 5 3． 9 23 3． 63 23． 7 3． 7 23． 3 3． 5 22． 5 3． 6 23． 32 2． 84 21． 6 2． 8 22． 4 3． 0 23 3． 65 22 3． 4 22． 5 3． 45 22． 3 3． 0 22 3． 15 23． 3 2． 71 21． 2 2． 6 21 2． 55 20． 5 3． 3 21 3． 0 21 3． 1 21． 5 2． 58 21． 4 2． 88 21 20° 2． 6 21 2． 4 20 2． 3 18． 6 2． 8 19． 3 2． 5 20． 2 2． 6 20． 4 2． 4 20． 8 2． 51 20
Research on error compensation algorithm for wind speed and direction measurement
2 Wang Guofeng1 ，Zhao Yongsheng1 ，Fan Yunsheng1，
（ 1． College of Information Science and Technology， Dalian Maritime University， Dalian 116026 ， China； 2． Institute of Marine Automation and Simulator， Dalian Maritime University， Dalian 116026 ， China）
第 34 卷 第 4 期 2013 年 4 月
仪
器
仪
表
学
报
Chinese Journal of Scientific Instrument
Vol. 34 No. 4 Apr． 2013
风速风向测量误差补偿算法的研究
1 1 1， 2 王国峰 ，赵永生 ，范云生
*
（ 1． 大连海事大学信息科学技术学院 摘
Abstract： In order to improve the measurement accuracy of wind speed and direction for sailassisted ship， an error compensation algorithm for wind speed and direction measurement based on spatial model is proposed． Firstly， the spatial model of wind speed and direction vector is established under ship moving condition． Based on the application of ultrasonic wind speed and direction measurement technology， the relationship between spatial inclination angles and measurement error is determined with the method of spatial measurement； and the measurement error is calculated using unidirectional fitting compensation and spatial fitting compensation． Finally， large amount of experiments and measurement data comparison verify the effectiveness and feasibility of the error compensation algorithm based on spatial model． Thus， the error compensation problem of wind speed and direction spatial measurement for a kind of sailassisted ship propulsion control system is solved； and the wind speed and direction measurement accuracy meets the requirements of sailassisted propulsion control system． Keywords： sailassisted ship； wind speed and direction measurement； spatial model； error compensation
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第34 卷
直放置的两对收发一体式的超声波探头， 探头距离不变， 以固定频率发射超声波并测量两对顺、 逆传播时间， 通过 相关计算得到风速和风向的数值。此类超声测风探头所 测得的风为平均的水平风， 在极坐标上表示出风速和风 向， 当风速风向传感器的探头倾斜一个角度时， 流过传感 器探头的风场发生变化， 它与原来的风场产生了一个空 间的角度。为了便于分析， 假设传感器的倾角没有发生 变化， 而是风场以角 η 流过传感器探头， 超声波传感器所 而不再是对原风场进行矢量 测量的是原风场矢量大小， 分解和运算。 3． 2 空间数据的测量 在进行实验数据测量时， 可以人为调整传感器的角 10° 、 15° 、 20° ， 度， 使传感器的倾角分别为 5° 、 并且记录倾 角在正南、 正北、 正东、 正西四个方向上变化时的风速风 向值。 定义 θ = 0° 时为正北方向， 即传感器向前倾； θ = 90° 时为正东方向， 即传感器向右倾； θ = 180° 时为正南方向， 即传感器向后倾； θ = 270° 时为正西方向， 即传感器向左 当 θ = 0° 时， 传感器前倾各 倾。角度按顺时针方向增大， 种角度测量数据如表 1 所示。
风速风向仪， 假设传感器装置本身的测量精度满足要求， 研究的是传感器探头倾角的变化给测量带来的误差 。 风 速风向的测量实验如图 2 所示。
2
风速风向矢量的空间模型
船舶在航行的运动过程中既有横摇又有纵摇， 因此
风速风向传感器相对于风场的倾角是一个空间变化量， 风速风向测量的空间模型建立如图 1 所示。
［4 ］
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。观测及理论研究都表明， 在地面境界层中 风随高度变化并不明显。在海洋上的风压流、 潮汐流、 惯 性流和黑潮流等海流， 以及船速、 航线、 载重引起的吃水变 动、 船舶姿态、 航向等诸多因素， 均会对风速风向的测量精 度产生影响。船用风速风向测量传感器检测的是相对的 风速风向， 需要经过计算得到真风的风速风向。 一般在海洋水面舰船中， 对于风速风向的测量， 大多 ［5 ］ 风向则通过 采用传统的风车式或风杯式传感器装置 ， 基本上可以满足普通船舶航行的 尾翼的偏转角度测量， 要求。但是这种传感器采用旋转式的机构实现参数测 量， 存在测量精度低、 可靠性差等缺点。某些特殊要求的 ［6 ］ 如风帆辅助推进装置和风帆助力控制 风帆助力船舶 ， 系统而言
2 2 2 2 cos2 γ = （ x2 0 + y0 ） / （ x0 + y0 + z0 ）
（ 1） （ 2） （ 3） （ 4） （ 5） （ 6）
， 非常注重风能的最大利用率。 但由于船舶
运动时的横摇和纵摇， 使得通常的风速风向测量装置直 接测量的数据难以满足测量精度的要求。 随着传感器技术的发展， 国内外研究机构提出了多 种风速风向测量方法和技术。近年来出现的固态风速风
［910 ］ ， 采用微机电系统（ micro electro mechanical 向传感器 system， MEMS ） 技术制成的风速风向测量装置， 如利用超
因此可得： tan θ = tan β / tan α ctan2 β + ctan2 α cos2 γ = 1 + ctan2 β + ctan2 α
3
3． 1
风速风向的空间测量
空间测量方法 风场中， 风速风向空间数据的测量采用固态超声波
电容、 红外线或硅芯等。由于可以克服传统风速风 声波、 向测量仪的缺点， 这是一种具有广泛发展前景的风速风 向测量技术， 而且已经有固态风速风向仪在实船上应用。 综上所述， 当风速风向传感器的空间位置发生变化 时， 所测得的风速风向值的变化是很大的， 研究传感器的 设计一种基于 空间倾角变化对风速风向测量值的影响， 空间模型的误差补偿算法， 并分析测量值与实际值的误 差， 提高风速风向仪的测量精度将是风帆助力船舶推进 控制系统成功应用的关键。
［78 ］
和自由空气
将船舶的相关影响一般化为传感器基座的随机起 ［1112 ］ ， 伏， 建立空间直角坐标系 将空间上一点的风速变化 y0 ， z0 ） 表示， OM 是从原点出发到 值 ΔV 用向量 OM（ x0 ， 空间上任意一点的向量， 起点为坐标原点 o， 终点为 M， 设 γ 为向量 OM 与 xoy 面的夹角， θ 为向量 OM 在 xoy 面上的 投影 OA 与 x 轴的夹角， 向量 OM 在 xoz 面的投影 OB 与 x 轴的夹角为 β ， 向量 OM 在 yoz 面上的投影 OE 与 y 轴的夹 那么对空间向量 OM 在 xoz 面上和面 yoz 进行矢 角为 α。 量分解可以得到： tan α = z0 / y0 tan β = z0 / x0 tan θ = y0 / x0
在自然界中， 风的产生是随时随地的， 其方向、 速度和
1
引
言
大小具有随机性并随高度的变化而变化
［ 3 ］
。虽然风的产
但可以根据风随时间的变化总结出一定的规 生是随机的， 风向风速的测量一直是国内外气象仪器研究的热 点
［1 ］
律， 风随时间变化的变化包括每日的变化和季节的变化。 风随高度的变化而变化。从空气运动的角度通常将不同 高度的大气层分为三个区域， 即地面境界层、 上部摩擦层