風力助航船的風速監測技術

郭亞娜，孫曉鋒,2

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

0 引言

船舶生產制造、海上航運等細分工業領域具有高污染、高能耗的特點，針對船舶工業領域的新能源開發也成為一項行業內的研究熱點[1]。

海上蘊藏豐富的風能、太陽能等可再生能源，而這些可再生能源的利用卻非常低，具有非常廣闊的應用潛力。目前，基于光能和風能的新能源技術不斷發展，風力助航船是一種利用風能進行船舶動力助航的船舶種類，相對于傳統柴油動力船舶，風力助航船利用海上豐富的風能資源，可以提高船舶動力系統的能源利用率，降低船舶成本。

本文針對風力助航船的風速監測技術進行深入研究，建立一種基于超聲波風速傳感器的風速監測平臺，詳細闡述了風速監測平臺的構成和工作原理。

1 風速監測技術的研究與發展現狀

風向、風速監測技術經歷了較長時間的發展，在各個領域都有重要的應用，尤其是氣象監測、風電領域、船舶領域，常用的風速風向測試技術包括風杯測試法、超聲波測試法等，本文在設計風力助航船的風速監測平臺時，主要采用的是超聲波風速測試傳感器，超聲波測試法又可以細分為時差法、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]進行風速風向測量的一種方法，當氣體中含有懸浮顆粒時，超聲波信號的多普勒頻移可以表示為：

式中：fr為超聲波發射器的發射信號頻率；fs為超聲波接收器的接收信號頻率；V為風速； 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）可得風速為：

1）單向測速

圖1為基于多普勒法的單向風速測量原理。

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

假設2個超聲波裝置之間的距離為d，超聲波傳播的速度為Vs，此時風速為Vw，順風時測的傳播時間為t12， 逆風時傳播時間為t21，可得：

進而得到風速Vw為 ：

這種風速測量精度非常高，但只能測量單一風向的數據，且在實際應用場景中，風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速測量原理Fig.2 Principle of multidirectional wind velocity measurement based on Doppler method

如圖2，假設多個方向上有4組超聲波裝置，距離為d，超聲波傳播的速度為Vs，風速在南北方向上為Vwx，風速在東西方向上為Vwy，2組超聲波裝置測量得到的傳播時間分別為：順風時測的傳播時間為t12，逆風時測的傳播時間為t21；順風時測的傳播時間為t34，逆風時測的傳播時間為t43。可得：

可求得此時的風速為：

此時的風向為：

2 基于單片機的風力助航船風速監測技術開發

2.1 風速監測系統的整體開發

風力助航船的風速監測平臺具備以下功能：

1）數據的采集

監測平臺基于超聲波風速監測儀器和RS485通信電路，進行風速、風向的采集。同時，監測平臺還會同步采集船的航行速度、姿態角等參數[3]。

2）數據傳輸

平臺采集的風資源數據發送至單片機中和上位機中，并在上位機中進行存儲，單片機通過RS232通信接口將指令傳送至平臺的其他單元。

3）數據的處理和顯示

系統采用MSP430單片機進行數據的處理，并通過液晶顯示器將風資源數據展示給用戶，圖3為風力助航船的風速監測平臺原理圖。

圖3 風力助航船的風速監測平臺原理圖Fig.3 Schematic diagram of wind speed monitoring platform for a wind-aided vessel

1）主控制系統

主控制系統是風力助航船的風速監測平臺核心，本文選用16位MSP430型單片機[4]，該單元集成了60 Kflash 空間和2 k ram 存儲空間，具有2個串行通信接口，既能與上位機進行串口數據傳輸，也能同步或異步接收風速儀的數據。

2）姿態儀

針對船舶多自由度運動過程的姿態參數采集需求，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加速度計和可擴展處理器DMP。同時，姿態儀還具有其他數據接口，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

風力助航船監測平臺采用LCD液晶顯示器作為人機交互接口，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序圖4。

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

2.2 風力助航船的風速數據后處理研究

為了提高風速監測平臺的數據采集精度，針對不同風向下的數據采集結果，本文提出一種風向矢量合成的數據后處理算法。該算法將風的空間矢量分解到X軸和Y軸兩個分量，矢量合成的原理圖5所示。

圖5 風向矢量合成原理圖Fig.5 Schematic diagram of vector synthesis

得到第一組測試數據的風向矢量分解為：

β1為第1組數據的風向，假設一次數據采集過程產生的數據量為n組，則可以得到：

得到風向的平均值和風向值為：

2.3 風力助航船風速監測系統平臺工作流程

監測平臺選用的風速風向儀為A45固體傳感器，基于IEC6122通信協議[6]，監測平臺的工作流程圖如圖6所示。

3 結語

風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力資源，提高自身動力系統的性能，風力助航船的關鍵控制輸入是風資源數據，本文針對風資源數據的采集原理、平臺建設、數據后處理等進行詳細研究，有一定的實際應用價值。