基于風壓力檢測的機場跑道風速風向測量系統(tǒng)設計

張同杰　顧俊林　肖洋　鄒艷

摘要：飛機起飛和降落的過程中，風會影響飛機的姿態(tài)角、飛行速度和滑行距離。若不能掌握實時風速和風向，則會導致飛機沖出跑道等意外情況而造成事故。本文設計了一種基于風壓力檢測的風速風向測量系統(tǒng)，通過對來自不同方向的風壓力信號進行處理得到實際風速及風向，再通過ZigBee無線網(wǎng)絡傳輸至服務器，及時的向飛行管理部分提供風速、風向數(shù)據(jù)，從而為其決策和相應提供幫助。

關鍵詞：機場跑道;風壓力;風速風向;ZigBee

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）02-0134-02

0 引言

保障機場地面飛機運行的安全性是民航業(yè)的重中之重。對于飛機飛行安全來說，最危險的時段就是飛機的起飛和著陸階段。其中，該階段最大的影響因素是機場的地面風[1]。飛機在機場起飛或者降落時，地面的風速和風向不僅影響到飛機運行的平穩(wěn)性，還影響到飛機在跑道上滑跑距離的長短，從而直接關系到整個飛行活動的安全性。

目前，機場常用風向袋來估計風速，這種方法的測量精度較差、自動化程度低，實際使用不便。針對該問題，本文設計了一種基于風壓力檢測的風速風向測量系統(tǒng)。采用全橋式壓力傳感器采集風力數(shù)據(jù)轉換成實時風速風向，并通過無線傳輸至監(jiān)測臺服務器。相比于肉眼觀察風速袋的方式更加方便且高效。

1 風速風向測量原理

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

通過安裝在四個不同方向上的擋風板將風速轉換為風壓力，再通過與之連接的壓力傳感器的形變量將風壓力轉換成電壓信號。在此基礎上，對風速的測量可通過標定風速和電壓的關系，并經(jīng)由單片機結合相應算法處理來實現(xiàn)。對于風向值的確定，可以根據(jù)力的合成原理，將四個擋風板中受力最大的兩個方向的風壓力進行合成，得到實際風向角度。

2 系統(tǒng)方案設計

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、無線傳輸電路和上位機組成，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轉換電路組成。其中，壓力傳感器結構如圖3所示。

將4個阻值為1kΩ的應變片粘貼在鋁材料塊上。風壓作用下鋁材發(fā)生形變，應變片也隨之發(fā)生形變，導致其阻值發(fā)生變化。4個應變片組成了惠斯通電橋，根據(jù)電橋特點，即使應變片形變很微弱，也能通過阻值的變化反映出來，因此可以保證較高的靈敏度[2]。另外，對于惠斯通電橋本身的溫度漂移問題，由于4個應變片的阻值變化大致相似，在溫度變化影響阻值時，其影響便可以相互抵消[3]。當擋風板受到風壓力時，應變片會隨鋁材發(fā)生形變，導致R1、R2、R3、R4的阻值發(fā)生變化，進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轉換芯片HX711轉變?yōu)閿?shù)字信號發(fā)送給Arduino Mega2560控制板，再采用相應算法即可得到風速風向等信息。

2.2 無線傳輸電路

本文采用ZigBee來搭建系統(tǒng)的無線傳輸網(wǎng)絡，如圖4所示。以在網(wǎng)絡中的不同功能將ZigBee模塊分為三類：終端節(jié)點、中繼器和網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點與Arduino Mega2560連接，通過串口接收風速風向信息后發(fā)送給中繼器。中繼器將數(shù)據(jù)發(fā)送給更上一級中繼器，通過這種逐級上傳的方式將數(shù)據(jù)最終傳遞至網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，并在上位機上進行顯示。

2.3 上位機

通過串口通信將ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)信息傳輸給上位機，并進行顯示。本系統(tǒng)上位機顯示界面通過VB語言設計，如圖5所示。

3 系統(tǒng)搭建及實驗驗證

搭建的系統(tǒng)實物如圖6所示。

通過實驗，將本系統(tǒng)實際測量數(shù)據(jù)與PM6252型風速計測量數(shù)據(jù)進行對比，結果如表1所示。由實驗結果可知，本系統(tǒng)風速測量精度可達±0.3m/s，可以準確判斷當前的風級，基本可以滿足機場跑道的風速測量需求。

4 結語

本文設計了一種基于風壓力檢測的機場跑道風速風向測量系統(tǒng)，可以通過測量來自不同方向的風壓力來得到實際風速及風向。實驗結果表明系統(tǒng)測量精度基本滿足機場跑道的風速測量需求。另外，由于采用ZigBee構成了無線傳輸網(wǎng)絡，測量節(jié)點可采用多點分布式安裝實現(xiàn)大范圍空間內(nèi)多點風速風向的快速精確測量，使用靈活便捷，應用前景廣泛。

參考文獻

[1] 張朝光.地面風對飛機起落的影響[J].氣象，1976，2（6）：14-14.

[2] 周振.基于MEMS懸臂梁壓阻橋式傳感器的檢測儀的研制[D].中北大學，2012.

[3] 程軍.基于惠斯通電橋傳感器的溫度補償方法[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2010（4）：10-13.

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