風(fēng)力助航船的風(fēng)速監(jiān)測技術(shù)

郭亞娜，孫曉鋒,2

(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院水上智能交通與海事服務(wù)研究所，江蘇南京 211170；2.長江南京航道工程局，江蘇南京 210011)

0 引言

船舶生產(chǎn)制造、海上航運(yùn)等細(xì)分工業(yè)領(lǐng)域具有高污染、高能耗的特點(diǎn)，針對船舶工業(yè)領(lǐng)域的新能源開發(fā)也成為一項(xiàng)行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)[1]。

海上蘊(yùn)藏豐富的風(fēng)能、太陽能等可再生能源，而這些可再生能源的利用卻非常低，具有非常廣闊的應(yīng)用潛力。目前，基于光能和風(fēng)能的新能源技術(shù)不斷發(fā)展，風(fēng)力助航船是一種利用風(fēng)能進(jìn)行船舶動(dòng)力助航的船舶種類，相對于傳統(tǒng)柴油動(dòng)力船舶，風(fēng)力助航船利用海上豐富的風(fēng)能資源，可以提高船舶動(dòng)力系統(tǒng)的能源利用率，降低船舶成本。

本文針對風(fēng)力助航船的風(fēng)速監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行深入研究，建立一種基于超聲波風(fēng)速傳感器的風(fēng)速監(jiān)測平臺(tái)，詳細(xì)闡述了風(fēng)速監(jiān)測平臺(tái)的構(gòu)成和工作原理。

1 風(fēng)速監(jiān)測技術(shù)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

風(fēng)向、風(fēng)速監(jiān)測技術(shù)經(jīng)歷了較長時(shí)間的發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用，尤其是氣象監(jiān)測、風(fēng)電領(lǐng)域、船舶領(lǐng)域，常用的風(fēng)速風(fēng)向測試技術(shù)包括風(fēng)杯測試法、超聲波測試法等，本文在設(shè)計(jì)風(fēng)力助航船的風(fēng)速監(jiān)測平臺(tái)時(shí)，主要采用的是超聲波風(fēng)速測試傳感器，超聲波測試法又可以細(xì)分為時(shí)差法、多普勒法等，本文主要介紹多普勒法。

多普勒法是利用多普勒效率[2]進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向測量的一種方法，當(dāng)氣體中含有懸浮顆粒時(shí)，超聲波信號(hào)的多普勒頻移可以表示為：

式中：fr為超聲波發(fā)射器的發(fā)射信號(hào)頻率；fs為超聲波接收器的接收信號(hào)頻率；V為風(fēng)速； θ為超聲波的入射角度；c為超聲波在流體中傳播的速度。

由式（1）可得風(fēng)速為：

1）單向測速

圖1為基于多普勒法的單向風(fēng)速測量原理。

圖1 基于多普勒法的單向風(fēng)速測量原理Fig.1 Principle of one-way wind speed measurement based on Doppler method

假設(shè)2個(gè)超聲波裝置之間的距離為d，超聲波傳播的速度為Vs，此時(shí)風(fēng)速為Vw，順風(fēng)時(shí)測的傳播時(shí)間為t12， 逆風(fēng)時(shí)傳播時(shí)間為t21，可得：

進(jìn)而得到風(fēng)速Vw為 ：

這種風(fēng)速測量精度非常高，但只能測量單一風(fēng)向的數(shù)據(jù)，且在實(shí)際應(yīng)用場景中，風(fēng)向往往是多向且不斷變化的。

2）多向測速

多向測速的原理圖如圖2所示。

圖2 基于多普勒法的多向風(fēng)速測量原理Fig.2 Principle of multidirectional wind velocity measurement based on Doppler method

如圖2，假設(shè)多個(gè)方向上有4組超聲波裝置，距離為d，超聲波傳播的速度為Vs，風(fēng)速在南北方向上為Vwx，風(fēng)速在東西方向上為Vwy，2組超聲波裝置測量得到的傳播時(shí)間分別為：順風(fēng)時(shí)測的傳播時(shí)間為t12，逆風(fēng)時(shí)測的傳播時(shí)間為t21；順風(fēng)時(shí)測的傳播時(shí)間為t34，逆風(fēng)時(shí)測的傳播時(shí)間為t43?？傻茫?/p>

可求得此時(shí)的風(fēng)速為：

此時(shí)的風(fēng)向?yàn)椋?/p>

2 基于單片機(jī)的風(fēng)力助航船風(fēng)速監(jiān)測技術(shù)開發(fā)

2.1 風(fēng)速監(jiān)測系統(tǒng)的整體開發(fā)

風(fēng)力助航船的風(fēng)速監(jiān)測平臺(tái)具備以下功能：

1）數(shù)據(jù)的采集

監(jiān)測平臺(tái)基于超聲波風(fēng)速監(jiān)測儀器和RS485通信電路，進(jìn)行風(fēng)速、風(fēng)向的采集。同時(shí)，監(jiān)測平臺(tái)還會(huì)同步采集船的航行速度、姿態(tài)角等參數(shù)[3]。

2）數(shù)據(jù)傳輸

平臺(tái)采集的風(fēng)資源數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)中和上位機(jī)中，并在上位機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)，單片機(jī)通過RS232通信接口將指令傳送至平臺(tái)的其他單元。

3）數(shù)據(jù)的處理和顯示

系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，并通過液晶顯示器將風(fēng)資源數(shù)據(jù)展示給用戶，圖3為風(fēng)力助航船的風(fēng)速監(jiān)測平臺(tái)原理圖。

圖3 風(fēng)力助航船的風(fēng)速監(jiān)測平臺(tái)原理圖Fig.3 Schematic diagram of wind speed monitoring platform for a wind-aided vessel

1）主控制系統(tǒng)

主控制系統(tǒng)是風(fēng)力助航船的風(fēng)速監(jiān)測平臺(tái)核心，本文選用16位MSP430型單片機(jī)[4]，該單元集成了60 Kflash 空間和2 k ram 存儲(chǔ)空間，具有2個(gè)串行通信接口，既能與上位機(jī)進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸，也能同步或異步接收風(fēng)速儀的數(shù)據(jù)。

2）姿態(tài)儀

針對船舶多自由度運(yùn)動(dòng)過程的姿態(tài)參數(shù)采集需求，本文采用三軸加速度傳感器MPU-600，該傳感器的性能出眾，具有三軸MEMS加速度計(jì)和可擴(kuò)展處理器DMP。同時(shí)，姿態(tài)儀還具有其他數(shù)據(jù)接口，可以外接非慣性傳感器，如溫度傳感器和壓力傳感器等。

3）液晶顯示器

風(fēng)力助航船監(jiān)測平臺(tái)采用LCD液晶顯示器作為人機(jī)交互接口，LCD顯示器通過PSB引腳[5]的高低電平確定串口顯示，LCD液晶顯示器的引腳時(shí)序圖4。

圖4 LCD液晶顯示器的引腳時(shí)序圖Fig.4 Pin sequencediagram of LCD liquid crystal display

2.2 風(fēng)力助航船的風(fēng)速數(shù)據(jù)后處理研究

為了提高風(fēng)速監(jiān)測平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集精度，針對不同風(fēng)向下的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，本文提出一種風(fēng)向矢量合成的數(shù)據(jù)后處理算法。該算法將風(fēng)的空間矢量分解到X軸和Y軸兩個(gè)分量，矢量合成的原理圖5所示。

圖5 風(fēng)向矢量合成原理圖Fig.5 Schematic diagram of vector synthesis

得到第一組測試數(shù)據(jù)的風(fēng)向矢量分解為：

β1為第1組數(shù)據(jù)的風(fēng)向，假設(shè)一次數(shù)據(jù)采集過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為n組，則可以得到：

得到風(fēng)向的平均值和風(fēng)向值為：

2.3 風(fēng)力助航船風(fēng)速監(jiān)測系統(tǒng)平臺(tái)工作流程

監(jiān)測平臺(tái)選用的風(fēng)速風(fēng)向儀為A45固體傳感器，基于IEC6122通信協(xié)議[6]，監(jiān)測平臺(tái)的工作流程圖如圖6所示。

3 結(jié)語

風(fēng)力助航船是一種新興的新能源船舶，這種船舶能夠利用海上豐富的風(fēng)力資源，提高自身動(dòng)力系統(tǒng)的性能，風(fēng)力助航船的關(guān)鍵控制輸入是風(fēng)資源數(shù)據(jù)，本文針對風(fēng)資源數(shù)據(jù)的采集原理、平臺(tái)建設(shè)、數(shù)據(jù)后處理等進(jìn)行詳細(xì)研究，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。