基于風(fēng)壓力檢測(cè)的機(jī)場(chǎng)跑道風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張同杰　顧俊林　肖洋　鄒艷

摘要：飛機(jī)起飛和降落的過(guò)程中，風(fēng)會(huì)影響飛機(jī)的姿態(tài)角、飛行速度和滑行距離。若不能掌握實(shí)時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向，則會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)沖出跑道等意外情況而造成事故。本文設(shè)計(jì)了一種基于風(fēng)壓力檢測(cè)的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)來(lái)自不同方向的風(fēng)壓力信號(hào)進(jìn)行處理得到實(shí)際風(fēng)速及風(fēng)向，再通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，及時(shí)的向飛行管理部分提供風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，從而為其決策和相應(yīng)提供幫助。

關(guān)鍵詞：機(jī)場(chǎng)跑道;風(fēng)壓力;風(fēng)速風(fēng)向;ZigBee

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）02-0134-02

0 引言

保障機(jī)場(chǎng)地面飛機(jī)運(yùn)行的安全性是民航業(yè)的重中之重。對(duì)于飛機(jī)飛行安全來(lái)說(shuō)，最危險(xiǎn)的時(shí)段就是飛機(jī)的起飛和著陸階段。其中，該階段最大的影響因素是機(jī)場(chǎng)的地面風(fēng)[1]。飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)起飛或者降落時(shí)，地面的風(fēng)速和風(fēng)向不僅影響到飛機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，還影響到飛機(jī)在跑道上滑跑距離的長(zhǎng)短，從而直接關(guān)系到整個(gè)飛行活動(dòng)的安全性。

目前，機(jī)場(chǎng)常用風(fēng)向袋來(lái)估計(jì)風(fēng)速，這種方法的測(cè)量精度較差、自動(dòng)化程度低，實(shí)際使用不便。針對(duì)該問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于風(fēng)壓力檢測(cè)的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)。采用全橋式壓力傳感器采集風(fēng)力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)風(fēng)速風(fēng)向，并通過(guò)無(wú)線傳輸至監(jiān)測(cè)臺(tái)服務(wù)器。相比于肉眼觀察風(fēng)速袋的方式更加方便且高效。

1 風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量原理

本文提出了一種基于壓力傳感器的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法，測(cè)量系統(tǒng)的原理如圖1所示。

通過(guò)安裝在四個(gè)不同方向上的擋風(fēng)板將風(fēng)速轉(zhuǎn)換為風(fēng)壓力，再通過(guò)與之連接的壓力傳感器的形變量將風(fēng)壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)速的測(cè)量可通過(guò)標(biāo)定風(fēng)速和電壓的關(guān)系，并經(jīng)由單片機(jī)結(jié)合相應(yīng)算法處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于風(fēng)向值的確定，可以根據(jù)力的合成原理，將四個(gè)擋風(fēng)板中受力最大的兩個(gè)方向的風(fēng)壓力進(jìn)行合成，得到實(shí)際風(fēng)向角度。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以Arduino mega2560為控制核心，其具有54路的數(shù)字輸入輸出。其余部分主要由壓力采集電路、無(wú)線傳輸電路和上位機(jī)組成，具體如圖2所示。

2.1 壓力采集電路

壓力采集電路由壓力傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路組成。其中，壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

將4個(gè)阻值為1kΩ的應(yīng)變片粘貼在鋁材料塊上。風(fēng)壓作用下鋁材發(fā)生形變，應(yīng)變片也隨之發(fā)生形變，導(dǎo)致其阻值發(fā)生變化。4個(gè)應(yīng)變片組成了惠斯通電橋，根據(jù)電橋特點(diǎn)，即使應(yīng)變片形變很微弱，也能通過(guò)阻值的變化反映出來(lái)，因此可以保證較高的靈敏度[2]。另外，對(duì)于惠斯通電橋本身的溫度漂移問(wèn)題，由于4個(gè)應(yīng)變片的阻值變化大致相似，在溫度變化影響阻值時(shí)，其影響便可以相互抵消[3]。當(dāng)擋風(fēng)板受到風(fēng)壓力時(shí)，應(yīng)變片會(huì)隨鋁材發(fā)生形變，導(dǎo)致R1、R2、R3、R4的阻值發(fā)生變化，進(jìn)而使壓力傳感器輸出的電壓產(chǎn)生變化。電壓的變化經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)發(fā)送給Arduino Mega2560控制板，再采用相應(yīng)算法即可得到風(fēng)速風(fēng)向等信息。

2.2 無(wú)線傳輸電路

本文采用ZigBee來(lái)搭建系統(tǒng)的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。以在網(wǎng)絡(luò)中的不同功能將ZigBee模塊分為三類：終端節(jié)點(diǎn)、中繼器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)與Arduino Mega2560連接，通過(guò)串口接收風(fēng)速風(fēng)向信息后發(fā)送給中繼器。中繼器將數(shù)據(jù)發(fā)送給更上一級(jí)中繼器，通過(guò)這種逐級(jí)上傳的方式將數(shù)據(jù)最終傳遞至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并在上位機(jī)上進(jìn)行顯示。

2.3 上位機(jī)

通過(guò)串口通信將ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)信息傳輸給上位機(jī)，并進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)上位機(jī)顯示界面通過(guò)VB語(yǔ)言設(shè)計(jì)，如圖5所示。

3 系統(tǒng)搭建及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建的系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，將本系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與PM6252型風(fēng)速計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本系統(tǒng)風(fēng)速測(cè)量精度可達(dá)±0.3m/s，可以準(zhǔn)確判斷當(dāng)前的風(fēng)級(jí)，基本可以滿足機(jī)場(chǎng)跑道的風(fēng)速測(cè)量需求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于風(fēng)壓力檢測(cè)的機(jī)場(chǎng)跑道風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)，可以通過(guò)測(cè)量來(lái)自不同方向的風(fēng)壓力來(lái)得到實(shí)際風(fēng)速及風(fēng)向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)測(cè)量精度基本滿足機(jī)場(chǎng)跑道的風(fēng)速測(cè)量需求。另外，由于采用ZigBee構(gòu)成了無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，測(cè)量節(jié)點(diǎn)可采用多點(diǎn)分布式安裝實(shí)現(xiàn)大范圍空間內(nèi)多點(diǎn)風(fēng)速風(fēng)向的快速精確測(cè)量，使用靈活便捷，應(yīng)用前景廣泛。

參考文獻(xiàn)

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Design of Runway Wind Speed and Direction Measurement

System Based on wind Pressure Detection

ZHANG Tong-jie，GU Jun-lin，XIAO Yang，ZOU Yan

（Civil aviation university of China School of electronic information and automation，Tianjin? 300300）

Abstract：during the takeoff and landing of an aircraft， wind will affect the attitude Angle， flight speed and taxi distance of the aircraft. Failure to control the real-time wind speed and direction will result in an accident such as an aircraft running off the runway. This paper designed a kind of wind speed and direction measurement system based on the wind pressure detection， based on the wind pressure signal processing from different directions to get the actual wind speed and direction， again by ZigBee wireless network transmission to the server， timely provide wind speed， wind direction to the flight management part of the data， which provide help for the decision-making and the corresponding.

Key words：airport runway; the wind pressure; wind speed and direction; ZigBee