基于非線性擬合的自動氣象站風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制研究

張 敏，張 劍，張朝明，馮 亞，金拴根

(1.山西省大氣探測技術(shù)保障中心，太原 030002；2.忻州市氣象局，山西 忻州 034000)

0 引言

自動氣象站是在一個特定的區(qū)域內(nèi)，按需建立的一種可以將氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)定期傳送給中央站，用于氣象監(jiān)測和預(yù)報的一種氣象監(jiān)測設(shè)備。自動氣象站中包含氣象傳感器、全天候防護(hù)箱、通信模塊等設(shè)備元件，可用于監(jiān)測多種氣象參數(shù)[1]。自動氣象站利用專用的數(shù)據(jù)采集通信線路與計算機(jī)相連，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至氣象數(shù)據(jù)庫，以此對于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析和處理。風(fēng)向傳感器是自動氣象站的重要組成設(shè)備，是一種利用風(fēng)向的箭頭轉(zhuǎn)動來探測、感知外界的風(fēng)向，并輸出與風(fēng)向有關(guān)的數(shù)據(jù)，具有監(jiān)測風(fēng)向參數(shù)的功能。它通常由風(fēng)向傳感器探頭和傳感器儀表兩部分組成，探頭通常由探頭尺寸較小的方位基座和轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)構(gòu)成，以便于在各種不同環(huán)境下進(jìn)行準(zhǔn)確測量。根據(jù)傳感器原理不同，常見的風(fēng)向傳感器包括機(jī)械式風(fēng)向傳感器、光電式風(fēng)向傳感器、電子式風(fēng)向傳感器，現(xiàn)階段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于氣象監(jiān)測、環(huán)境檢測、航空、航海、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。

受到風(fēng)向工作環(huán)境、內(nèi)部元件磨損等因素的影響，自動氣象站中的風(fēng)向傳感器會出現(xiàn)顯著的監(jiān)測誤差，為了保證自動氣象站的數(shù)據(jù)采集精度，提高數(shù)據(jù)監(jiān)測質(zhì)量與效率，需要對風(fēng)向傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)處理。校準(zhǔn)的目的是提高儀器、設(shè)備的監(jiān)測精度，一般情況下，校準(zhǔn)的質(zhì)量決定測量工具或測量體系所顯示的數(shù)值精度?，F(xiàn)有的風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)方法有很多，例如文獻(xiàn)[2]提出了一種基于牛頓迭代和橢球擬合的傳感器校準(zhǔn)方法，該方法分析了傳感器的誤差模型，然后提出牛頓迭代法校準(zhǔn)加速度計和陀螺儀、橢球擬合法校準(zhǔn)磁力計的方法設(shè)計校準(zhǔn)設(shè)備，將該設(shè)置應(yīng)用至傳感器校準(zhǔn)過程中，以此保證校準(zhǔn)精準(zhǔn)度。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于PMAC的傳感器校準(zhǔn)方法。該方法分析了傾角傳感器動態(tài)校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)組成、工作原理，結(jié)合正弦運動原理和PMAC(可編程多軸運動控制器，programmable multi-axis controller)搭建了相關(guān)的校準(zhǔn)裝置，并對該裝置的硬件與軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，從而實現(xiàn)傳感器校準(zhǔn)。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器校準(zhǔn)方法，該方法基于小波函數(shù)建立反向傳播(back propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，采用Levenberg-Marquardt算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)更新，實現(xiàn)了氣壓傳感器的非線性校準(zhǔn)。但是將以上方法應(yīng)用至風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制過程中并不能處理運行數(shù)據(jù)存在的噪聲與缺失問題，導(dǎo)致傳感器測量誤差增加，實際應(yīng)用效果并不好。

為了解決現(xiàn)有傳感器校準(zhǔn)方法存在的問題，以自動氣象站為研究背景，將風(fēng)向傳感器為研究對象，利用非線性擬合技術(shù)設(shè)計一種新的校準(zhǔn)控制方法。非線性擬合指的是利用變量代換，將代數(shù)問題轉(zhuǎn)為線性問題再求解的過程。通過非線性擬合技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)對自動氣象站風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制，以期能夠提升傳感器的測量精度。

1 自動氣象站風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制方法

此次將EL15-2C型號的風(fēng)向傳感器作為研究對象，該型號傳感器是杯式風(fēng)速傳感器的一種，主要是以風(fēng)杯元件為傳感元件，其感應(yīng)器會隨風(fēng)轉(zhuǎn)動，以此驅(qū)動風(fēng)速計進(jìn)行光電掃描，并將掃描結(jié)果輸出為電脈沖訊號，已經(jīng)在氣象、環(huán)保、交通、國防等方面實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。EL15-2C型風(fēng)向傳感器的結(jié)構(gòu)形式為迷宮式，可有效抵抗風(fēng)沙等惡劣環(huán)境對于測量精度的影響。

較為通用的自動氣象站方向傳感器校準(zhǔn)控制的一般性方法步驟如下。

1)找到一座標(biāo)準(zhǔn)的測風(fēng)塔：尋找一座被廣泛接受的、被稱為標(biāo)準(zhǔn)的測風(fēng)塔，作為校準(zhǔn)的參照。

2)安裝傳感器：將需要校準(zhǔn)的EL15-2C型風(fēng)向傳感器安裝在測風(fēng)塔上。

3)移動傳感器：根據(jù)測風(fēng)塔的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，移動傳感器，找到其測量風(fēng)向與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相等的位置。

4)標(biāo)定傳感器：將EL15-2C型風(fēng)向傳感器輸出的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和校準(zhǔn)，標(biāo)定出傳感器實際測量偏差，并將其存儲到傳感器內(nèi)部或外部控制系統(tǒng)中。

5)測試傳感器：在校準(zhǔn)過程之后，需要測試傳感器在實際使用中是否正常，以確保它們能夠準(zhǔn)確地采集并輸出風(fēng)向數(shù)據(jù)。

EL15-2C型風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)過程中由于其運行數(shù)據(jù)存在的噪聲與缺失問題導(dǎo)致測量誤差增加，所以本文通過分析EL15-2C型號風(fēng)向傳感器的工作原理，通過檢查、糾正、調(diào)整等步驟，以消除傳感器設(shè)備的測量偏差。

1.1 構(gòu)建自動氣象站風(fēng)向傳感器等效模型

EL15-2C風(fēng)向傳感器是一種格雷碼盤狀風(fēng)向傳感器，從組成結(jié)構(gòu)上看其包括低慣量風(fēng)向標(biāo)部件、內(nèi)置風(fēng)向碼信號發(fā)生器外殼以及信號輸出端口等。在風(fēng)標(biāo)旋轉(zhuǎn)時，驅(qū)動格雷碼盤的光電耦合器，然后由采集器將7比特的格雷編碼信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的角度值。自動氣象站風(fēng)向傳感器的結(jié)構(gòu)組成情況如圖1所示。

圖1 自動氣象站風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)圖

在風(fēng)向測量時，將一個慣性較小的風(fēng)向標(biāo)元件作為傳感元件，風(fēng)向標(biāo)元件會隨著風(fēng)而動，使7比特的格雷編碼片在光電元件的間隙中旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生與之相適應(yīng)的格雷編碼信號。該采集裝置的5 V電壓由線纜傳輸?shù)礁袘?yīng)器的上電路板，經(jīng)過簡單的電容濾波將其送入電源模塊。上板的電阻主要功能是限制電流，各電阻器與兩根紅外線發(fā)射管串聯(lián)。自動氣象站風(fēng)向傳感器的上板電路工作原理如圖2所示。

圖2 風(fēng)向傳感器上板電路工作原理圖

自動氣象站風(fēng)向傳感器等效模型為：

(1)

式中，υx和υy分別表示風(fēng)速在水平和豎直方向上的分量，上述變量的計算公式如下：

(2)

式中，κsensitive為風(fēng)速敏感系數(shù)，ΔV為風(fēng)速梯度，φ表示的是偏向角[5]。按照上述方式完成自動氣象站風(fēng)向傳感器等效模型的構(gòu)建。

1.2 采集風(fēng)向傳感器實時數(shù)據(jù)

以構(gòu)建的自動氣象站風(fēng)向傳感器等效模型為基礎(chǔ)，采用循環(huán)采樣的方式進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，具體的采集流程如圖3所示。

圖3 風(fēng)向傳感器實時數(shù)據(jù)循環(huán)采集流程圖

在程序初始化后，啟動采樣裝置。先進(jìn)行A/D周期取樣，將取樣通道的取樣值累積起來。當(dāng)滿足循環(huán)次數(shù)的情況下，消除中斷標(biāo)志以及復(fù)位清零，并將采樣結(jié)果輸出。在16次 A/D取樣時，為了提高取樣精度和采樣過程的抗干擾性，對各取樣點進(jìn)行了數(shù)字濾波處理。為了保證風(fēng)向傳感器實時運行數(shù)據(jù)的采集精度，需要對初始采集的傳感器運行數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[6]。風(fēng)向傳感器實時數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括濾波、缺失補(bǔ)償、歸一化、冗余過濾、聚類等步驟，其中數(shù)字濾波的目的是降低風(fēng)向傳感器數(shù)據(jù)采集結(jié)果中的噪聲部分，數(shù)字濾波的處理過程可以量化表示為：

(3)

式中，σ和μ分別表示采樣值的標(biāo)準(zhǔn)差和均值，上述參數(shù)的計算公式如下：

(4)

式中，xi表示采集到的第i個風(fēng)向傳感器運行數(shù)據(jù)，nsensor表示數(shù)據(jù)采集數(shù)量。將公式(4)的計算結(jié)果代入到公式(3)中，即可完成風(fēng)向傳感器實時運行數(shù)據(jù)的濾波降噪處理。另外采集數(shù)據(jù)樣本缺失補(bǔ)償與歸一化的處理過程可以表示為：

(5)

式中，x(t)和xdefect(t)分別表示缺失數(shù)據(jù)及其補(bǔ)償處理結(jié)果，x(t-1)和x(t+1)表示缺失數(shù)據(jù)的前后相鄰數(shù)據(jù)，fmax(·)和fmin(·)分別為X中最大值和最小值的求解函數(shù)[7]。對X中的任意兩個數(shù)據(jù)相似度進(jìn)行度量，度量結(jié)果用來評判數(shù)據(jù)之間的冗余度，以此為數(shù)據(jù)聚類提供參考。數(shù)據(jù)間相似度的度量過程如下：

(6)

式中，xj表示風(fēng)向傳感器采樣結(jié)果中的第j個數(shù)據(jù)樣本。若公式(6)計算得出λ(xi，xj)取值為1，則證明xi和xj為重復(fù)數(shù)據(jù)，選擇其中一個數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，完成冗余數(shù)據(jù)的過濾。若計算得出λ(xi，xj)的值不為1，則說明xi和xj互不為冗余數(shù)據(jù)，無須執(zhí)行過濾任務(wù)，按照上述方式對采集樣本中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行相似度度量，完成所有數(shù)據(jù)的冗余過濾處理[8]。在完成冗余過濾處理后，隨機(jī)選擇一個傳感數(shù)據(jù)作為聚類中心，利用公式(6)執(zhí)行數(shù)據(jù)相似度度量工作，若度量數(shù)據(jù)與聚類中心之間的相似度高于閾值λ0，則對其進(jìn)行聚類處理[9]。經(jīng)過上述多個步驟，完成風(fēng)向傳感器實時數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理工作，其處理結(jié)果用X′表示。

1.3 利用非線性擬合技術(shù)的風(fēng)向傳感器誤差計算

通過對風(fēng)向傳感器等效模型的分析，確定傳感器的基本工作原理，以風(fēng)向傳感器實時數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理結(jié)果X′為基礎(chǔ)，分析風(fēng)向傳感器的輸出電壓信號與風(fēng)向方位角之間的理想關(guān)系，關(guān)系表達(dá)式如下：

(7)

式中，γ為風(fēng)力強(qiáng)度，θ0為實際風(fēng)向角度，由于風(fēng)向傳感器中存在3條電路，因此傳感器會輸出3路電壓信號[10]。以采集并處理完成的風(fēng)向傳感器運行數(shù)據(jù)為分析對象，利用非線性擬合技術(shù)求解傳感器的測量誤差。圖4為非線性擬合技術(shù)運行原理。

圖4 非線性擬合技術(shù)原理圖

擬合是根據(jù)一個函數(shù)的幾個離散函數(shù)值對幾個未定的因子進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使其與已知的點集之間的差異達(dá)到最小[11]。若此函數(shù)為線性，則稱為線性擬合，反之則稱為非線性擬合。在幾何學(xué)上，擬合是指在給定的空間內(nèi)找出一個連續(xù)的曲面，使其最接近于一個已知的形狀，但是參數(shù)未知[12]。采用S參數(shù)反演方法對風(fēng)向傳感器實時運行數(shù)據(jù)進(jìn)行了非線性擬合，設(shè)定了超材料的初始參數(shù)，然后用 Lsqcurvefit函數(shù)來擬合風(fēng)向傳感器的實時運行數(shù)據(jù)。lsqcurvefit函數(shù)表達(dá)式如下：

(8)

式中，xmax表示風(fēng)向傳感器的最大運行數(shù)據(jù)，δ表示運行規(guī)律系數(shù)。在非線性擬合技術(shù)的支持下，考慮輸入輸出噪聲干擾和風(fēng)向傳感器內(nèi)部干擾，將風(fēng)向傳感器的實際輸出結(jié)果表示為：

xout(t)=ylsqcurvefit+gtransmit(t)[x(t)+βin]+

βout+gβ(t)βsensor(t)

(9)

式中，gtransmit(t)和gβ(t)分別表示風(fēng)向傳感器的正常信號和干擾信號的傳遞函數(shù)，βin、βout和βsensor(t)分別對應(yīng)的是輸入端、輸出端和傳感器內(nèi)部的信號干擾值，x(t)為傳感器的實際輸入數(shù)據(jù)[13]。由于風(fēng)向傳感器處于實時運行的狀態(tài)，由此可以將動態(tài)測量誤差看成由輸入/輸出動態(tài)誤差和內(nèi)部干擾誤差兩部分組成，其中輸入/輸出動態(tài)誤差的頻域變化規(guī)律可以表示為：

τ(t)=xout(t)Ae-jf

(10)

式中，A表示傳感器信號頻域響應(yīng)幅值，f表示傳感器的工作頻率。根據(jù)風(fēng)向傳感器的實時數(shù)據(jù)采集與分析結(jié)果，利用公式(11)可以計算得出傳感器的誤差值為：

εactual=xout-xset

(11)

式中，xset為設(shè)定的實際風(fēng)向值[14]。假設(shè)風(fēng)向傳感器的內(nèi)部干擾誤差始終為定值，那么風(fēng)向傳感器誤差可以表示為：

ε=|εactual|-|βsensor(t)|

(12)

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入到公式(3)中，即可得出風(fēng)向傳感器誤差的計算結(jié)果。

1.4 裝設(shè)風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制器

采用恒定功率控制模式，設(shè)計風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制器，控制器內(nèi)部工作電路如圖5所示。

圖5 風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制器工作電路圖

風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制器的工作原理和實現(xiàn)步驟具體如下。

步驟1：連接風(fēng)向傳感器和校準(zhǔn)控制器，并啟動控制器。在此過程中需要確認(rèn)風(fēng)向傳感器和校準(zhǔn)控制器的接口類型和數(shù)量。比如常用的風(fēng)向傳感器接口類型包括模擬信號接口和數(shù)字信號接口，需要根據(jù)風(fēng)向傳感器接口的類型和數(shù)量來選擇合適的控制器。通過數(shù)據(jù)線將風(fēng)向傳感器的接口與校準(zhǔn)控制器的接口相連接，在檢查數(shù)據(jù)線是插入正常后啟動控制器。

步驟2：設(shè)定校準(zhǔn)參數(shù)，包括測量方式、采樣頻率、校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)值等參數(shù)。其中測量方式包括機(jī)械式、電子式、激光式、雷達(dá)式等，采樣頻率取值一般在1～10 Hz之間，校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。

步驟3：確定風(fēng)向傳感器運行約束條件

恒功率空中模式是指外界系統(tǒng)對傳感器芯片本身的工作功率保持恒定不變的工作模式，校準(zhǔn)控制器的應(yīng)用下風(fēng)向傳感器的運行滿足如下關(guān)系式：

(13)

式中，Uin和Uout分別為風(fēng)向傳感器的輸入電壓和輸出電壓，Rc和Rh分別為固態(tài)電阻值和控制電阻值。其中固態(tài)電阻用來保護(hù)控制器的運行安全，控制電阻為校準(zhǔn)控制對象的參數(shù)變化[15]。當(dāng)控制電阻變大時，帶隙電壓源的輸出經(jīng)過反向放大，利用電阻Rh對傳感器總電阻進(jìn)行補(bǔ)償，使其工作更加趨于恒定[16]。

步驟4：控制器激活與優(yōu)化

自動氣象站風(fēng)向傳感器在靜態(tài)校準(zhǔn)時，必須要有一個具有高精度的標(biāo)準(zhǔn)器，才能完成測量。而在動態(tài)校準(zhǔn)中，校準(zhǔn)控制器必須具有足夠的動態(tài)激勵信號，才能使被校準(zhǔn)控制器的被完全激活[17]。因此需要在裝設(shè)的校準(zhǔn)控制器中加設(shè)一個激波管元件，用來生成脈沖激勵信號，生成的矩形激勵脈沖信號的表達(dá)式為：

(14)

式中，Apulse和w分別為矩形激勵脈沖幅值和寬度。將脈沖激勵元件嵌入到校準(zhǔn)控制器中，完成校準(zhǔn)控制器的優(yōu)化。將非線性擬合技術(shù)計算得出的誤差值輸入到裝設(shè)的校準(zhǔn)控制器中，根據(jù)傳感器的實際運行誤差生成脈沖激勵信號，從而啟動控制器[18-20]。

步驟5：校準(zhǔn)控制實現(xiàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向和風(fēng)向傳感器輸出的脈沖激勵信號計算誤差角度，并將其轉(zhuǎn)化為控制信號。將計算出的控制信號送至校準(zhǔn)控制器，控制其轉(zhuǎn)動風(fēng)向傳感器指向標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向。根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果對風(fēng)向傳感器進(jìn)行調(diào)整，使其指向標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向。根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果判斷校準(zhǔn)是否完成，檢查是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。如果校準(zhǔn)結(jié)果不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，需根據(jù)實際情況調(diào)整校準(zhǔn)參數(shù)，重新進(jìn)行校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)過程中需要記錄傳感器輸出信號和控制信號值等數(shù)據(jù)，以備后續(xù)分析和評估。值得注意的是在控制器的校準(zhǔn)控制中，需要根據(jù)傳感器的運行狀態(tài)對控制任務(wù)進(jìn)行動態(tài)更新，以此保證控制結(jié)果能夠滿足實際應(yīng)用需求。

2 校準(zhǔn)控制效果測試實驗分析

設(shè)計基于非線性擬合的自動氣象站風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制方法的目的是降低風(fēng)向傳感器的測量誤差，為了測試該方法是否達(dá)到預(yù)期效果，設(shè)計校準(zhǔn)控制效果測試實驗。此次實驗的基本原理是所設(shè)計的校準(zhǔn)控制方法對風(fēng)向傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，并將校準(zhǔn)結(jié)果放置在多個環(huán)境中，通過控制環(huán)境的真實風(fēng)向，獲取風(fēng)向的真實值。利用校準(zhǔn)控制后的風(fēng)向傳感器對環(huán)境中的風(fēng)向參數(shù)進(jìn)行測量，并與獲取的真實值進(jìn)行比對。根據(jù)兩者之間的偏差，以此檢驗自動氣象站風(fēng)向傳感器的校準(zhǔn)控制效果。

2.1 配置風(fēng)向傳感器運行環(huán)境

為了實現(xiàn)對測試環(huán)境的精準(zhǔn)控制，此次風(fēng)向傳感器測試在風(fēng)洞中進(jìn)行，風(fēng)洞指的是人工產(chǎn)生和控制氣流的工具，能夠最大程度地模擬環(huán)境氣體的流動，并可亮度氣流對物體作用的管道狀實驗設(shè)備。實驗使用的風(fēng)洞直徑為0.32 m，風(fēng)洞中的氣體以直流方式進(jìn)行流動，該風(fēng)洞可以通過旋轉(zhuǎn)用于固定傳感器的底座來調(diào)整風(fēng)洞內(nèi)的風(fēng)向。

2.2 選擇風(fēng)向傳感器研究對象

實驗選擇EL15-2C型號的風(fēng)向傳感器作為研究對象，該設(shè)備的幾何尺寸為319 mm*225 mm，抗風(fēng)強(qiáng)度為75 m/s，測量范圍區(qū)間為在[0°，360°]，其中0°、90°、180°和270°分別對應(yīng)的是北向、東向、南向和西向。為保證該類型風(fēng)向傳感器的正常運行，要求實驗環(huán)境溫度控制在區(qū)間[-40 ℃，60 ℃]，并將風(fēng)洞中的風(fēng)速控制在75 m/s以下，將研究對象安裝在風(fēng)洞內(nèi)部，并與5 V直流電源相連。

2.3 生成風(fēng)向傳感任務(wù)

為避免實驗中的偶然事件給實驗結(jié)果產(chǎn)生的影響，通過控制風(fēng)洞運行參數(shù)生成多個風(fēng)向傳感任務(wù)，實驗分別從15 m/s、30 m/s和45 m/s三種風(fēng)速環(huán)境下進(jìn)行測試，其中15 m/s風(fēng)速環(huán)境下的部分傳感任務(wù)的設(shè)置情況如表1所示。

表1 風(fēng)向傳感任務(wù)表

為保證實驗結(jié)果的可信度設(shè)置50個傳感任務(wù)，以此綜合檢驗該方法的應(yīng)用效果。

2.4 調(diào)試校準(zhǔn)控制器

優(yōu)化設(shè)計的校準(zhǔn)控制方法使用控制器作為執(zhí)行設(shè)備，因此需要將控制器裝設(shè)到實驗環(huán)境中，并對其進(jìn)行調(diào)試。圖6表示的是校準(zhǔn)控制器在風(fēng)向傳感器中的布設(shè)情況。

圖6 風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制器布設(shè)示意圖

在校準(zhǔn)控制設(shè)備中輸入一個隨機(jī)控制任務(wù)，觀察控制器輸出信號以及風(fēng)向傳感器運行信號的變化情況，并將輸出結(jié)果與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比對，完成校準(zhǔn)控制設(shè)備的調(diào)試。

2.5 實驗過程

利用Jetbrains PhpStorm 工具將自動氣象站風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制方法轉(zhuǎn)換為程序代碼，并將其導(dǎo)入到調(diào)試成功的控制器中。采用人工調(diào)整的方式使風(fēng)向傳感器產(chǎn)生量測誤差，具體操作為：使用螺絲刀分解風(fēng)向傳感器，將風(fēng)向傳感器的初始值設(shè)置為0.3，同時引入動態(tài)干擾，調(diào)整風(fēng)洞運行參數(shù)實現(xiàn)對實驗傳感器的控制。利用無線通信網(wǎng)絡(luò)連接風(fēng)向傳感器和主測計算機(jī)，保證傳感器輸出的實時傳感結(jié)果能夠直接輸出給計算機(jī)，在360°的風(fēng)向角度范圍內(nèi)每隔45°測量一次，獲取風(fēng)向傳感器的初始值。同時啟動控制器和校準(zhǔn)控制程序，完成風(fēng)向傳感器的校準(zhǔn)控制，并得出控制結(jié)果，如圖7所示。

圖7 自動氣象站風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制輸出結(jié)果

采用多組實驗取平均值的方式對風(fēng)向傳感器的校準(zhǔn)控制效果進(jìn)行測試，將校準(zhǔn)后的風(fēng)向傳感器放置到風(fēng)洞中，得出校準(zhǔn)后輸出的風(fēng)向傳感輸出結(jié)果。為驗證所設(shè)計方法在校準(zhǔn)和控制效果方面的優(yōu)勢，分別設(shè)置基于牛頓迭代和橢球擬合的傳感器校準(zhǔn)方法、基于PMAC的傳感器校準(zhǔn)方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器校準(zhǔn)方法作為實驗對比方法，并按照上述流程完成對比方法的開發(fā)與運行，得出對應(yīng)的實驗結(jié)果。

2.6 設(shè)置傳感器校準(zhǔn)控制效果量化測試指標(biāo)

此次實驗分別從校準(zhǔn)效果和控制效果兩個方面進(jìn)行測試，其中校準(zhǔn)效果就是不同方法能否降低風(fēng)向傳感器的測量誤差，提高傳感器設(shè)備精度。而校準(zhǔn)控制效果的測試內(nèi)容是傳感器高精度測量的維持效果。設(shè)置校準(zhǔn)效果的量化測試指標(biāo)為風(fēng)向角校準(zhǔn)誤差，計算公式如下：

F=|θreal-θSensing|

(15)

式中，θreal和θSensing分別表示的是環(huán)境風(fēng)向角的真實值和風(fēng)向傳感器的輸出值。另外風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制效果的測試指標(biāo)設(shè)置為誤差變化率，該指標(biāo)的計算公式為：

(16)

式中，ε(t1)和ε(t2)分別表示的是校準(zhǔn)控制任務(wù)完成后風(fēng)向傳感器在t1和t2時刻的測量誤差值。最終計算得出風(fēng)向角校準(zhǔn)誤差越小，說明該方法的校準(zhǔn)效果越優(yōu)，誤差變化率越小，證明對應(yīng)方法的校準(zhǔn)控制效果越好。

2.7 實驗結(jié)果與分析

選擇MATLAB作為實驗測試結(jié)果數(shù)據(jù)的處理軟件，該工具將各個數(shù)學(xué)分支的運算法則歸類為函數(shù)，在使用時可以直接調(diào)用它們，并給出具體的參數(shù)，保證實驗結(jié)果的精確性。通過 MATLAB軟件，可以有效地提高試驗數(shù)據(jù)的處理效率。

2.7.1 風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)效果測試結(jié)果

在MATLAB工具的支持下，通過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，得出風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)效果的測試結(jié)果，如表2所示。

表2 傳感器校準(zhǔn)效果測試數(shù)據(jù)表

將表2中的數(shù)據(jù)代入到公式(15)中，計算得出15 m/s風(fēng)速環(huán)境下，基于牛頓迭代和橢球擬合的傳感器校準(zhǔn)方法、基于PMAC的傳感器校準(zhǔn)方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器校準(zhǔn)方法的平均測量誤差分別為1.08°、0.9°和0.68°，在30 m/s風(fēng)速環(huán)境下基于牛頓迭代和橢球擬合的傳感器校準(zhǔn)方法、基于PMAC的傳感器校準(zhǔn)方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器校準(zhǔn)方法的平均測量誤差分別為1.33°、0.9°和0.7°，而在45 m/s風(fēng)速環(huán)境下基于牛頓迭代和橢球擬合的傳感器校準(zhǔn)方法、基于PMAC的傳感器校準(zhǔn)方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器校準(zhǔn)方法的平均測量誤差分別為1.5°、0.98°和0.65°。在多個風(fēng)速環(huán)境下，基于非線性擬合的自動氣象站風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制方法的風(fēng)向傳感器平均測量誤差分別為0.25°、0.15°和0.23°。

經(jīng)過對比可知，在15 m/s風(fēng)速下，基于非線性擬合的自動氣象站風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制方法的平均測量誤差分別比基于牛頓迭代和橢球擬合的傳感器校準(zhǔn)方法、基于PMAC的傳感器校準(zhǔn)方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器校準(zhǔn)方法這三種方法低0.83°、0.65°、0.43°；在30 m/s風(fēng)速下，基于非線性擬合的自動氣象站風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制方法的平均測量誤差分別比基于牛頓迭代和橢球擬合的傳感器校準(zhǔn)方法、基于PMAC的傳感器校準(zhǔn)方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器校準(zhǔn)方法這三種方法低1.18°、0.75°、0.55°；在45m/s風(fēng)速下，基于非線性擬合的自動氣象站風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制方法的平均測量誤差分別比基于牛頓迭代和橢球擬合的傳感器校準(zhǔn)方法、基于PMAC的傳感器校準(zhǔn)方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器校準(zhǔn)方法這三種方法低1.27°、0.75°、0.42°，由此可見優(yōu)化設(shè)計方法的風(fēng)向角校準(zhǔn)誤差更小，說明該方法的風(fēng)向傳感器控制效果好。

2.7.2 風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制效果測試結(jié)果

收集校準(zhǔn)控制方法處理后的風(fēng)向傳感器運行數(shù)據(jù)，通過公式(16)的計算得出校準(zhǔn)控制效果的測試結(jié)果，如圖8所示。

圖8 風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制效果的測試結(jié)果

從圖8中可以看出，基于牛頓迭代和橢球擬合的傳感器校準(zhǔn)方法的測量誤差變化率在1.7%～6.8%之間變化，基于PMAC的傳感器校準(zhǔn)方法的測量誤差變化率在1.7%～6.3%之間變化，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器校準(zhǔn)方法的測量誤差變化率在2.0%～5.2%之間變化，基于非線性擬合的自動氣象站風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)控制方法的測量誤差變化率在0.3%～1.2%之間變化。經(jīng)過測試對比可知，與實驗對比方法相比，所提方法的誤差變化率更小，由此證明該方法在控制效果方面具有明顯優(yōu)勢。

3 結(jié)束語

現(xiàn)代社會中各行業(yè)對自動化水平的要求越來越高，但是長期以來，氣象測量部門對儀器的校準(zhǔn)還處于手工校準(zhǔn)的狀態(tài)，這種校準(zhǔn)方式過程復(fù)雜且耗時長，極易受到人為因素的影響，從而影響校準(zhǔn)效果。利用非線性擬合技術(shù)，對自動氣象站的校準(zhǔn)控制方法進(jìn)行了設(shè)計，并獲得良好的校準(zhǔn)、控制效果，在風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。然而此次研究的校準(zhǔn)控制方法主要針對的是EL15-2C型號風(fēng)向傳感器，將其應(yīng)用到其他類型的風(fēng)向傳感器中可能存在不適配的問題，為此需要今后的研究工作中需要對于該方法進(jìn)行進(jìn)一步的補(bǔ)充和優(yōu)化。