一种风场的测量装置、系统及测量方法

摘要

本发明公开了一种风场测量装置、系统及测量方法，该测量装置包括牵引模块和量测模块，牵引模块包括无人机和维杆，目标测点属于低风速区时采用方案A；属于高风速区时采用方案B；方案A中量测模块为风速仪，维杆横式摆放并穿插于无人机机身下部，维杆上设有风速仪和配重块，风速仪位于来流侧，配重块位于风速仪的对称侧，风速仪的实测风速为目标测点的实际风速；方案B中量测模块包括风速仪和加速度传感器，维杆竖式摆放，维杆的一端固定无人机，另一端固定风速仪和加速度传感器，测量装置用于采集数据以便计算出目标测点的实际风速。上述测量装置利用无人机可以快速切换测量位置，且针对低高风速模式分别采用横式、竖式维杆，降低了测量误差。

说明书

技术领域

本发明属于风场测量技术领域，具体涉及一种风场的测量装置、系统及测量方法，尤其是可以用于测量城市冠层的风场。

背景技术

近年来，随着国民经济的高速发展，各式各样的高楼与新区应运而生，这些新建楼宇给社会带来巨大经济效益的同时，也大大增加了城区地表粗糙度，从而使得城市近地面风环境发生了显著变化，导致城市局部强风、雾霾、污染物积聚等问题频发，严重影响到了居民身心健康。因此，城市风环境与污染物扩散问题渐渐成为了社会发展的重要矛盾，也对我们传统的城市规划思维模式提出了新的挑战，如何更加合理的控制城市布局，避免无序城市扩张引起的风环境与污染物扩散问题渐渐成为学者们所关注的热点。

城市风环境一般指城市冠层内的近地面空气流动，在城市冠层内，建筑物呈现出“高密度”与“高高度”的复杂地貌特征。当自然风经过这些“高”、“密”建筑时，如果高楼布局不合理时会出现街道峡谷，大面积空气在街道内汇合就形成局部强风。相反，当风受到建筑阻挡后风速会减小，使得污染物得不到扩散，直接影响城市环境和居民身体健康。因此，对城市风环境及污染物扩散进行研究显得至关重要，如何准确预报小区污染物浓度，评估小区风环境，提高小区通风能力和自净化能力是解决环境问题的基础，也是实现城市可持续发展和绿色社区建设的重要途径。

目前用于测量城市风场的主要手段有激光雷达，测风塔和热气球等，其中，激光雷达运行成本高且分辨率达不到要求，测风塔固定不能移动且受到高度限制，常规低成本的采用气球测风速，会受到风的影响，大幅度摆动，不能及时停留在测点上。因此，亟需提供一种用于测量风场的设备，尤其是可以应用于城市冠层的风场测量，以解决上述现有技术所存在的上述缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种风场的测量装置、系统及方法，其可以快速测量不同高度测点的时程风速，并且能够方便地切换测量位置，从而准确高效的对空气层中不同高度的风场进行监测。

一种风场的测量装置，包括牵引模块和量测模块，所述牵引模块包括无人机和维杆，当目标测点的风速属于低风速区时，采用方案A；属于高风速区时，采用方案B；

方案A：所述量测模块为风速仪，所述维杆横式摆放并穿插于无人机机身下部，所述维杆上设有风速仪和配重块，所述风速仪位于来流侧，所述配重块位于所述风速仪的对称侧，在目标测点上所述风速仪的实测风速为目标测点的实际风速；

方案B：所述量测模块包括风速仪和加速度传感器，所述维杆竖式摆放，所述维杆的一端固定无人机，另一端固定风速仪和加速度传感器，所述测量装置用于采集数据以便计算出目标测点的实际风速，如下：

式中，

进一步优选，目标测点的初测风速低于预设风速阈值时，目标测点处于低风速区；高于或等于预设风速阈值时，目标测点处于高风速区。

具体实现过程中，初测风速是指粗略测得的风速，譬如，每次测量之前利用杆件和风速仪等元件初步测定一下目标测点或其周围的风速，将得到的风速作为初测风速。

进一步优选，所述预设风速阈值的取值范围为：[4，6]m/s。

进一步优选，使用风速仪测出的最终速度v

式中，

其中，当知道θ后，可通过风洞试验获取

进一步优选，维杆端的摇晃速度

式中，

进一步优选，无人机悬停时机翼旋转对空气向下产生的速度

式中，P为无人机的输出功率，M为无人机和维杆的总质量，g为重力加速度，方向为竖直向下。

进一步优选，所述维杆为碳纤维杆。

进一步优选，所述维杆的长度的取值范围为：[80,120]cm。

进一步优选，还包括与量测模块连接的采集模块，所述采集模块中设有无线发射器和地面接收端，通过无线发射器将量测模块采集的数据发送至地面接收端。

进一步优选，所述测量装置为城市冠层风场的测量装置。实际上，该测量装置在近地面、200米高度都适用的。

进一步优选，所述无人机飞行至0m-80m的高度进行测量。

另一方面，本发明提供一种上述测量装置的系统，包括所述测量装置和计算机，所述计算机与所述测量装置连接，采用方案B时，所述计算机利用所述测量装置采集的数据进行数据计算得到目标测点的风速。

此外，本发明还提供一种风场的测量方法，包括如下步骤：

首先，鉴别目标测点的风速是属于低风速区还是高风速区，若属于低风速区，采用方案A；若属于高风速区，采用方案B；

然后，控制无人机飞行直至测量装置达到目标测点，以及根据方案A或方案B获取目标测点的实际风速。

譬如，执行方案B时，其首先，控制无人机飞行直至测量装置达到目标测点，并获取使用风速仪得到的最终风速

然后，利用获取的各个速度计算出当前目标测点上的实际风速

其中，维杆的一端固定无人机，另一端固定风速仪和加速度传感器。

有益效果

1.本发明提供的一种风场的测量装置及测量方法，其利用无人机可以快速切换测量位置，从而快速的对测量区域进行全面监测，尤其是本发明所述测量装置可以应用于城市冠层的风场测量。

2.本发明设置了低风速测量和高风速测量，低风速测量采用横式维杆，如此设置可以降低无人机螺旋桨对风场的影响，从而提升低风速测量精度。高速区测量采用竖式维杆，这是基于无人机自身安全的原因考虑，如何此设置可以提升无人机的抗倾覆能力，且螺旋桨在高风速作用下对风场的影响较小，通过修正后可满足其精度要求。

附图说明

图1为本发明实施例对应方案A时用于测量城市冠层风场的系统示意图。

图2为本发明实施例对应方案B时用于测量城市冠层风场的系统示意图。

图3为本发明实施例用于测量城市冠层风场的测量装置的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1为大气边界层，2为无人机遥控器，3为无人机操纵人员，4为地面，5为无人机，6为碳纤维杆，7为SA210风速仪，8为加速度传感器，9为地面接收端，10为计算机，11为配重块。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。本实施例中以测量城市冠层为例进行说明。本发明针对低风速区以及高风速区分别设置方案A以及方案B来实现风场测量。其中，低风速区是指风速低于预设风速阈值的区域，高风速区是指风速高于或等于预设风速阈值的区域。本实施例中，预设风速阈值设定为5m/s，其他可行的实施例中，其可以是4-6m/s的范围内任意取值，本发明对此不进行具体的限定。而鉴别目标测点是属于哪个风速区可以采用现有技术手段来粗略估计风速，然后再将其作为初测风速来与预设风速阈值进行比较。

如图1所示，对应为方案A：本实施例提供的一种风场的测量装置包括牵引模块、量测模块以及采集模块。其中，牵引模块包括载重无人机5和碳纤维杆6(具有一定柔度，长度为l，其取值范围为：80cm-120cm，直径约1cm)，量测模块为SA210风速仪7。碳纤维杆6横式摆放并穿插于载重无人机5机身下部，碳纤维杆6上设有SA210风速仪7和配重块11，SA210风速仪7位于来流侧，配重块11位于SA210风速仪7的对称侧，达到平衡效果。实际应用时，利用载重无人机5将测量装置带至目标测点，然后SA210风速仪7采集的实测风速为目标测点的实际风速。采集模块包括无线发射器和地面接收端9，通过无线发射器将量测模块采集的数据至地面接收端9，其中，地面接收端9通过数据线与计算机10连接，进而通过地面接收端9将数据传送至计算机，计算机用于存储等功能。其他可行的实施例中，测量装置上可以装备具有数据处理和存储功能的芯片，芯片可以直接与量测模块连接，进而获取目标测点的风速。其他可行的实施例中，可以选择其他型号的风速仪，本发明对此不进行具体的限定。

如图2所示，对应为方案B：本实施例提供的一种风场的测量装置包括牵引模块、量测模块以及采集模块。其中，牵引模块包括载重无人机5和碳纤维杆6(具有一定柔度，长度为l，其取值范围为：80cm-120cm，直径约1cm)，量测模块包括SA210风速仪7和加速度传感器8。来风时碳纤维杆6与竖向产生夹角θ，碳纤维杆6的两端分别带有挂钩组建，上端用于连接载重无人机5，下端用于固定SA210风速仪7和加速度传感器8。采集模块包括无线发射器和地面接收端9，通过无线发射器将量测模块采集的数据至地面接收端9，其中，地面接收端9通过数据线与计算机10连接，进而通过地面接收端9将数据传送至计算机，计算机用于计算出风速。其他可行的实施例中，测量装置上可以装备具有数据处理功能的芯片，芯片可以直接与量测模块连接，进而可以利用采集的数据实时计算出目标测点的风速。其他可行的实施例中，可以选择其他型号的风速仪，本发明对此不进行具体的限定。具体的计算过程参照下文阐述。

基于上述测量装置，风速的测量过程如下：

首先，鉴别目标测点的风速是属于低风速区还是高风速区，若属于低风速区，采用方案A；若属于高风速区，采用方案B；

然后，控制载重无人机5飞行直至测量装置达到目标测点，以及根据方案A或方案B获取目标测点的实际风速。

应当理解，目标测点是根据测量需求而定的，其可以是某个位置，也可以是某个高度。

针对于方案B中利用获取的各个速度计算出当前目标测点上的实际风速

对于载重无人机5在指定位置悬停时机翼旋转对空气向下产生的速度

式中：p为载重无人机5的输出功率，M为载重无人机5和碳纤维杆6的总质量，g为重力加速度，方向为竖直向下。

至于碳纤维杆6端的摇晃速度

当在风速作用下，维杆会产生一定的偏角，如图3所示，此时，由于风速仪与维杆末端刚结，使得风速仪测量端与风场产生了θ偏角，因此，需对风速仪实测风速

其中，

以风速仪为研究对象，根据受力平衡，其方程可表示为：

式中：T为碳纤维杆6产生的拉力，θ为来风时碳纤维杆6与竖向产生角度，c

因此，杆端加速度与θ角的关系可表示为：

最终可根据θ推算

本发明实施例利用上述测量装置可以全方面的测量出城市冠层各个高度的风速，可以高效同步测量一个地方的各个方向风剖面，并且能够方便快捷地对城市冠层进行监测。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。