BR102019017039A2 - Sistema de sensor acústico de velocidade aerodinâmica, e, método implementado por computador - Google Patents

Sistema de sensor acústico de velocidade aerodinâmica, e, método implementado por computador Download PDF

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Abstract

sistema de sensor acústico de velocidade aerodinâmica, e, método implementado por computador um sistema de sensores acústicos de velocidade aerodinâmica pode incluir pelo menos um transmissor acústico configurado para proporcionar um pulso acústico, uma pluralidade de receptores acústicos incluindo pelo menos um primeiro receptor acústico posicionado a uma primeira distância radial do pelo menos um transmissor acústico e um segundo receptor acústico posicionado a uma segunda distância radial do pelo menos um transmissor acústico. o primeiro receptor acústico é configurado para receber o pulso acústico pela primeira vez e emitir um primeiro sinal de receptor. o segundo receptor acústico está configurado para receber o pulso acústico pela segunda vez e emitir um segundo sinal de receptor. o sistema de sensores pode incluir um módulo de dados aéreos conectado operativamente ao primeiro receptor acústico e ao segundo receptor acústico. o módulo de dados aéreos é configurado para determinar a velocidade aerodinâmica real (tas) com base em um primeiro atraso de sinal, em um segundo atraso de sinal e em um ângulo de vento.

Description

[001] A presente divulgação refere-se a sensores de dados aéreos, mais especificamente a sensores acústicos de velocidade aerodinâmica.
2. Descrição da Técnica Relacionada [002] As sondas estáticas de Pitot funcionam medindo indiretamente a pressão de estagnação conforme o ar em movimento é colocado em repouso (estagnado) quando não há saída para permitir que o fluxo de ar continue. Uma pá de ângulo de ataque (ou pá de glissada lateral) funciona alinhando-se com o fluxo de ar local, como uma flecha. Esses sistemas podem estar sujeitos a falhas devido a falhas de congelamento e aquecimento usadas para remover o gelo do sistema. Além disso, a sonda está voltada diretamente para o fluxo de ar, tornando-a uma configuração ruim para evitar a formação de gelo, que tende a se acumular onde o fluxo de ar se estagna.
[003] Anemômetros ultrassônicos usam ondas sonoras ultrassônicas para medir a velocidade do ar. Eles medem a velocidade do ar com base no tempo de voo de pulsos sônicos entre pares de transdutores. Medições de pares de transdutores podem ser combinadas para produzir uma medida de velocidade no fluxo em 2 dimensões. Sua principal desvantagem é a distorção do próprio fluxo pela estrutura de suporte do transdutor, que requer uma correção baseada nas medições do túnel de vento para minimizar o efeito. Ao montar os transdutores nivelados com a superfície da aeronave, a distorção do fluxo pode ser reduzida e nenhum ponto de estagnação é criado. Os sistemas montados anteriormente embutidos necessitavam de sensores a montante e a jusante de um transmissor de som, mas isso não é realista para velocidade do ar de Mach 0,2 devido à energia necessária para obter um sinal para
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[004] Esses métodos e sistemas convencionais foram em geral considerados satisfatórios para a sua finalidade pretendida. No entanto, existe ainda uma necessidade na técnica de sistemas de velocidade aerodinâmica melhorados. A presente invenção fornece uma solução para esta necessidade.
SUMÁRIO [005] Um sistema de sensores acústicos de velocidade aerodinâmica pode incluir pelo menos um transmissor acústico configurado para proporcionar um pulso acústico, uma pluralidade de receptores acústicos incluindo pelo menos um primeiro receptor acústico posicionado a uma primeira distância radial do pelo menos um transmissor acústico e um segundo receptor acústico posicionado a uma segunda distância radial do pelo menos um transmissor acústico. O primeiro receptor acústico é configurado para receber o pulso acústico pela primeira vez e emitir um primeiro sinal de receptor. O segundo receptor acústico está configurado para receber o pulso acústico pela segunda vez e emitir um segundo sinal de receptor. O sistema de sensores pode incluir um módulo de dados aéreos conectado operativamente ao primeiro receptor acústico e ao segundo receptor acústico. O módulo de dados aéreos é configurado para receber o primeiro sinal de receptor e o segundo sinal de receptor, determinar um primeiro atraso de sinal entre o recebimento do primeiro sinal de receptor e a transmissão do pulso acústico pelo transmissor acústico, determinar um segundo atraso entre o recebimento do segundo sinal de receptor e transmissão do pulso acústico pelo transmissor acústico, receber ou determinar um ângulo de vento, determinar a velocidade aerodinâmica real (true air speed, TAS) com base no primeiro sinal de atraso, no segundo sinal de atraso e no ângulo do vento e emitir um sinal de TAS indicativo da TAS.
[006] O módulo de dados aéreos pode incluir um ou mais módulos de medição de atraso operativamente conectados a um módulo de controle de
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 8/39 / 33 pulsos e ao primeiro e/ou segundo receptor acústico. O módulo de controle de pulso pode ser operativamente conectado ao transmissor e configurado para fazer com que o transmissor envie o pulso acústico em um momento de envio. Os um ou mais módulos de medição de atraso podem ser configurados para comparar o tempo de envio e a primeira vez para determinar o primeiro atraso de sinal e emitir os primeiros dados de atraso indicativos do mesmo. O um ou mais módulos de medição de atraso podem ser configurados para comparar o tempo de envio com o segundo tempo para determinar o segundo atraso de sinal e emitir os dados de segundo atraso.
[007] O módulo de dados aéreos pode incluir um módulo de ângulo de vento operacionalmente conectado a um ou mais módulos de medição de atraso para receber os primeiros dados de atraso e os segundos dados de atraso. O módulo de ângulo de vento pode ser configurado para determinar o ângulo de vento baseado nele e para emitir dados de ângulo de vento. O módulo de dados aéreos pode incluir um módulo de ajuste de curva configurado para ajustar a curva dos primeiros dados de atraso e dos segundos dados de atraso e para ajustar os dados de ajuste de curva ao módulo de ângulo de vento.
[008] O módulo de dados aéreos pode incluir um módulo de velocidade aerodinâmica conectado operativamente ao módulo de ângulo de vento para receber dados de ângulo de vento a partir dele. O módulo de velocidade aerodinâmica pode ser operativamente conectado a um ou mais módulos de medição de atraso para receber os primeiros dados de atraso e os segundos dados de atraso. O módulo de velocidade aerodinâmica pode ser configurado para determinar a TAS com base no ângulo de vento, os primeiros dados de atraso e os segundos dados de atraso e para emitir o sinal de TAS.
[009] O módulo de dados aéreos pode incluir um módulo de velocidade de som (speed of sound, SOS) operativamente conectado ao
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 9/39 / 33 módulo de velocidade aerodinâmica para receber o sinal de TAS. O módulo de SOS pode ser operativamente conectado a um ou mais módulos de medição de atraso para receber os primeiros dados de atraso e os segundos dados de atraso. O módulo de SOS pode ser operativamente conectado a um ou mais módulos de medição de atraso para receber os primeiros dados de atraso e os segundos dados de atraso. O módulo de SOS pode ser operativamente conectado ao módulo de ângulo de vento para receber dados de ângulo de vento. O módulo de SOS pode ser configurado para determinar um SOS com base no sinal de TAS, o primeiro e segundo dados de atraso e para enviar dados de SOS.
[0010] O módulo de SOS pode ser configurado para determinar o número Mach a partir do SOS e para emitir um sinal de número de Mach. O módulo de dados aéreos pode incluir um módulo de temperatura do ar estático operativamente conectado ao módulo de SOS para receber os dados de SOS para determinar uma temperatura do ar estático (static air temperature, SAT) baseada no SOS e para emitir um sinal de SAT.
[0011] Em certas modalidades, o módulo de dados aéreos pode incluir um multiplexador (MUX) entre um ou mais módulos de medição de atraso e pelo menos um outro módulo do módulo de dados aéreos. O MUX pode ser configurado para receber os primeiros dados de atraso e os segundos dados de atraso de um ou mais módulos de medição de atraso e para multiplexar os dados (por exemplo, para emissão dos módulos de consumo, por exemplo, o módulo de ângulo de vento, o módulo de velocidade aerodinâmica e o módulo de SOS).
[0012] Em certas modalidades, a primeira distância radial e a segunda distância radial são as mesmas. Por exemplo, o primeiro receptor, o segundo receptor e/ou quaisquer outros receptores adicionais podem ser dispostos em um padrão de círculo ao redor do transmissor. O primeiro e o segundo receptores acústicos compreendem microfones de sistemas
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[0013] Um método implementado por computador pode incluir a emissão de um pulso acústico utilizando pelo menos um transmissor acústico que receba, pela primeira vez, o pulso acústico utilizando um primeiro receptor acústico posicionado a uma distância radial de pelo menos um transmissor acústico; fornecimento de um primeiro sinal de receptor a partir do primeiro receptor acústico em resposta ao recebimento do pulso acústico, recebimento, em um segundo tempo, do pulso acústico utilizando um segundo receptor acústico posicionado na distância radial a partir do pelo menos um transmissor acústico. O método pode incluir a determinação de um primeiro atraso de sinal entre o primeiro receptor acústico e o transmissor acústico, a determinação de um segundo atraso de sinal entre o segundo receptor acústico e o transmissor acústico, determinação de uma velocidade aerodinâmica real (TAS) baseada no primeiro atraso do sinal, no segundo atraso de sinal e em um ângulo de vento e emissão de um sinal de TAS para um sistema de aeronave.
[0014] O método pode incluir a determinação do ângulo do vento com base no primeiro atraso do sinal e no segundo atraso do sinal. O método pode incluir a determinação de uma velocidade de som (SOS) com base no ângulo da asa, na TAS, no primeiro atraso do sinal e no segundo atraso do sinal.
[0015] O método pode incluir a determinação de um número de Mach baseado na SOS e emissão do número de Mach para um sistema de aeronave. O método pode incluir a determinação de uma temperatura de ar estático (SAT) com base na SOS e a emissão da temperatura do ar estático para um sistema de aeronave.
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 11/39 / 33 [0016] Essas e outras características dos sistemas e métodos da divulgação do objeto se tornarão mais facilmente evidentes para aqueles versados na técnica a partir da seguinte descrição detalhada tomada em conjunto com as figuras.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [0017] De forma que aqueles versados na técnica a que pertence a divulgação em questão entendam prontamente como fabricar e utilizar os dispositivos e métodos da divulgação em questão sem experimentação indevida, modalidades da mesma, portanto, serão descritas em detalhes abaixo, neste documento, com referência a determinadas figuras, em que:
A Fig. 1 é uma vista de cima para baixo de um sensor de dados aéreos mostrando uma modalidade da disposição do transmissor e receptor. [0018] A Fig. 2 é uma representação gráfica polar mostrando o tempo de voo entre um transmissor acústico e um receptor acústico em várias velocidades do ar (V = 0, 60, 120, 180 e 240, como mostrado).
[0019] A Fig. 3 é um gráfico representando a diferença do tempo de voo entre receptores acústicos opostos.
[0020] A Fig. 4 é um diagrama de blocos de sistema e de software para um primeiro exemplo de um sensor de dados aéreos acústico.
[0021] A Fig. 5 é um diagrama de temporização de pulso de um sensor acústico de dados aéreos.
[0022] A Fig. 6 mostra subsistemas equivalentes de um sensor acústico de dados aéreos.
[0023] A Fig. 7 é uma vista de cima para baixo de um sensor acústico de dados aéreos com fluxo de ar irrestrito.
[0024] A Fig. 8 é um diagrama de blocos de sistema e software para um segundo exemplo de um sensor acústico de dados aéreos.
[0025] A Fig. 9 é um fluxograma de um processo acústico de ângulo de ataque.
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 12/39 / 33 [0026] A Fig. 10 é um diagrama esquemático de uma modalidade de um sensor ou sistema de sensor de acordo com esta divulgação.
[0027] A Fig. 11 é uma representação gráfica polar mostrando o tempo de voo entre um transmissor acústico e um receptor acústico em várias velocidades do ar (V = 0, 60, 120, 180 e 240, como mostrado), mostrando o efeito de sombreamento devido à velocidade.
[0028] A Fig. 12 é um diagrama esquemático de uma modalidade da colocação de um ou mais sensores em uma aeronave.
DESCRIÇÃO DETALHADA [0029] Agora será feita referência às figuras nas quais os numerais de referência identificam atributos estruturais semelhantes ou aspectos da divulgação em questão. Para efeitos de explicação e ilustração e não de limitação, uma vista ilustrativa de uma modalidade de um sensor de acordo com a divulgação é mostrada na Fig. 1. Outras modalidades e/ou aspectos da presente divulgação são mostrados nas Figs. 2-12. Os sistemas e métodos descritos neste documento podem ser usados para detectar e determinar certos dados aéreos (por exemplo, ângulo do vento, velocidade aerodinâmica).
[0030] Aparelhos, sistemas e métodos associados referem-se a sensores acústicos de dados aéreos. A utilização do aparelho, sistemas e métodos associados neste documento permite detectar o ângulo de vento (por exemplo, ângulo de ataque, ângulo de glissada, velocidade do ar) sem partes móveis mecânicas ou obstrução do fluxo de ar. Além disso, isso permite alta largura de banda e medição da taxa de atualização, por exemplo, do ângulo do vento e velocidade aerodinâmica.
[0031] A Fig. 1 é uma vista de cima para baixo do sensor acústico de dados aéreos 10 incluindo o transmissor acústico 12, receptores acústicos 14A a 14L, raio 16, fluxo de ar 18 e ângulo de vento 20 (por exemplo, ângulo de ataque). Embora certas modalidades possam referir-se ao ângulo de ataque, aquele versado na técnica aprecia que o ângulo de vento é o que é detectado,
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8/33 podendo ser o ângulo de ataque (angle of attack, AOA), o ângulo de glissada (angle of slip, AOS) ou qualquer ângulo intermediário, dependendo das condições de fluxo local (por exemplo, devido à colocação de um sensor e estado operacional da aeronave).
[0032] No que diz respeito à determinação do ângulo do vento (por exemplo, AOA), os receptores acústicos 14A a 14L podem ser colocados em um raio fixo (r) em torno do transmissor acústico 12 em certas modalidades. O transmissor acústico 12 pode ser um alto-falante piezoeléctrico, alto-falante cônico, alto-falante de sistemas microeletromecânicos (MEMS) ou outro transdutor elétrico/acústico. Os receptores acústicos podem ser microfones, incluindo microfones MEMS, microfones condensadores, lasers ou outro transdutor acústico-elétrico.
[0033] Os receptores acústicos 14A a 14L podem ser colocados a 0o, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180°, 210°, 240°, 270°, 300° e 330° respectivamente, como mostrado. Qualquer outra numeração ou posicionamento adequado dos receptores é contemplada neste documento. O tempo de voo (τ) de um pulso acústico emitido pelo transmissor acústico 12 pode ser medido para cada um dos receptores acústicos 14A-14L. O tempo de voo do pulso acústico do transmissor acústico (T) 12 para cada um dos receptores acústicos (Re) 14A-14L colocados no ângulo Θ é dado por:
_ r Τθ ~ Co+|V|cos(0-a) (Equação 1) onde Co é a velocidade do som, α é o ângulo de ataque 20 e V é a velocidade do ar 18.
[0034] Como mostrado na Equação 1, o tempo de voo é impactado pela velocidade aerodinâmica e pelo ângulo de vento 20. O raio r é constante onde os receptores acústicos 14A-14L estão posicionados no raio fixo 16 e formam um ângulo a partir do transmissor acústico 12. A velocidade do som no ar não é afetada pelo ângulo do vento ou pela velocidade aerodinâmica.
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Portanto, para uma velocidade conhecida, a única variável que afeta o tempo de voo do pulso acústico para os receptores acústicos 14A-14L é o ângulo de vento 20.
[0035] A Figura 2 mostra a representação gráfica polar 22 incluindo o eixo radial 24, o eixo angular 26, a legenda 28 e as elipses 30A a 30E. Para fins de clareza e facilidade de discussão, a Fig. 2 é descrita abaixo dentro do contexto do sensor acústico de dados aéreos 10 da Fig. 1.
[0036] O eixo radial 24 indica o tempo em microssegundos. O eixo angular 26 indica o ângulo em graus. A legenda 28 combina cada uma das elipses 30A a 30E a uma velocidade aerodinâmica. As elipses 30A-30E representam o tempo que leva (tempo de voo) para um pulso viajar do transmissor acústico 12 para o raio 16 com base no ângulo de ataque 20 e em uma determinada velocidade aerodinâmica. As elipses 30A-30E representam o tempo de voo a velocidades de 0 metros por segundo (m/s), 60 m/s, 120 m/s, 180 m/s e 240 m/s, respectivamente. As reticências 30A-30E podem ser derivadas usando a Equação 1 com um ângulo de ataque de 20°, um raio de 0,05 metros e uma velocidade de som de 331,45 m/s.
[0037] Como mostrado na Fig. 2, a velocidade do ar afeta o tempo de voo do pulso acústico em todos os ângulos, exceto aqueles ângulos de 90° a partir do ângulo do vento 20. As elipses 30A a 30E têm o mesmo tempo de voo a 110° e 290°. A 90° do ângulo de ataque 20, o termo de velocidade da Equação 1 é zero. Isso significa que a velocidade do som em um ângulo de 90° em relação ao ângulo do vento 20 pode ser determinada a partir de:
θ° . (Equação 2) [0038] A Figura 3 é um gráfico 32 que representa a inclusão do eixo x 34, do eixo y 36, da legenda 38 e das curvas 40A a 40F. O gráfico 32 mostra a diferença no tempo de voo (Δ) entre os receptores acústicos opostos R6 e R6 + 180° determinados pela:
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10/33 ^τθ — τθ ~ Τ0+18Ο° ~ (Equaçao 3) com um ângulo de ataque de 20° e um raio de 0,05 metros. O eixo X 34 representa a diferença no tempo de voo em microssegundos. O eixo Y 36 representa o ângulo em graus. A legenda 38 combina cada uma das curvas 40A a 40F a uma determinada velocidade aerodinâmica. As curvas 40A-40F representam a diferença no tempo de voo dos receptores acústicos opostos a velocidades de 0 m/s, 60 m/s, 120 m/s, 180 m/s, 240 m/s e 300 m/s respectivamente. O cruzamento zero de cada uma das curvas 40A-40F ocorre a 90° do ângulo de ataque. As curvas 40A a 40F podem ser representadas por polinômios. Os polinômios serão iguais a zero a 90° do ângulo de ataque. [0039] A Fig. 4 mostra o diagrama de sistema 42 para uma modalidade de um sensor acústico de ângulo de vento 10 (por exemplo, sensor de AO A) da Fig. 1 incluindo o transmissor acústico 12, receptores acústicos 14A a 14E, circuitos de atraso 44A a 44E, circuitos diferenciais 46A a 46F, circuitos de ajuste polinomial 48, circuitos de cruzamento zero 50 e circuitos de subtração 52.
[0040] O transmissor acústico 12 pode fornecer um sinal elétrico para retardar os circuitos 44A a 44E representando a forma de onda de um pulso acústico transmitido. Os receptores acústicos 14A a 14E podem fornecer sinais para retardar os circuitos 44A a 44E representando a forma de onda do pulso acústico recebido do transmissor acústico 12. Os circuitos de atraso 44A a 44E podem extrair o atraso entre as formas de onda transmitidas e recebidas e fornecer os atrasos extraídos para os circuitos de diferença 46A a 46F. Cada um dos circuitos de diferença 46A-46F pode receber os atrasos extraídos de um par de receptores acústicos opostos (a 180°). Os circuitos de diferença 46A-46F podem determinar a diferença no tempo de voo (ΔΘ) entre cada par de receptores acústicos opostos e fornecer as diferenças aos circuitos de ajuste polinomial 48. Para maior clareza, a Fig. 4 mostra a temporização relativa dos sinais transmitidos e recebidos com os atrasos (Θ) e diferenças de atraso (ΔΘ)
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[0041] O circuito de ajuste polinomial 48 pode receber as diferenças de tempo de voo dos circuitos de diferença 46A-46F. Cada diferença de tempo de voo representa dois pontos, um em cada lado do zero, porque a diferença está associada a dois receptores acústicos afastados a 180°. Em certas modalidades, o circuito de ajuste polinomial 48 determina o melhor ajuste polinomial de mínimos quadrados em torno dos dois pontos. Em outro exemplo, o circuito de ajuste polinomial 48 determina o polinômio com base nas curvas conhecidas. Os receptores acústicos 14A a 14L podem ser posicionados em ângulos conhecidos (R0) e raio conhecido 16. Uma vez que as variáveis (exceto o ângulo de vento e a velocidade dinâmica) para determinar os atrasos (e, portanto, para que as diferenças de atraso) são conhecidas, as curvas de diferença de atraso são bem estabelecidas. Isto pode ser representado usando as curvas 40A-40F da Fig. 3, uma vez que elas representam a diferença no tempo de voo (Δ) entre os receptores acústicos opostos R6 e R6 + 180° dados pela Equação 3. Os circuitos de ajuste polinomial 48 fornecem o polinômio ^Διθ). O circuito de cruzamento zero 50 recebe o polinômio dos circuitos de ajuste polinomial 48. O circuito de cruzamento zero 50 determina o ângulo onde o polinômio atravessa zero. O circuito de cruzamento zero 50 fornece o ângulo onde o polinômio atravessa de zero para o circuito de subtração 52. O circuito de subtração 52 recebe o ângulo dos circuitos de cruzamento zero 50. Os circuitos de subtração 52 determinam o ângulo do vento (α) subtraindo 90° do ângulo proporcionado pelos circuitos de cruzamento zero 50. Os circuitos de atraso 44A a 44L, os circuitos de diferença 46A a 46F, o circuito de ajuste polinomial 48, o circuito de cruzamento zero 50 e o circuito de subtração 52 tal como descritos neste documento, podem ser implementados em hardware e/ou software.
[0042] A Figura 5 é um diagrama de temporização de pulso 54 que inclui a forma de onda de transmissor acústico 56, a forma de onda do
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 17/39 / 33 receptor acústico 58 e a forma de onda do receptor acústico oposto 60. A forma de onda acústica 62 pode incluir o pulso do transmissor acústico 62. A forma de onda acústica 58 pode incluir o pulso do receptor acústico 64. A forma de onda acústica oposta 60 pode incluir o pulso do receptor acústico oposto 66.
[0043] O pulso do transmissor acústico 62 representa o pulso acústico emitido pelo transmissor acústico de um sensor de ângulo de ataque acústico. O pulso do receptor acústico 64 representa o pulso acústico detectado por um primeiro receptor acústico. O pulso do receptor acústico oposto 66 representa o pulso acústico detectado por um segundo receptor acústico, a 180° do primeiro receptor acústico ou em oposição ao primeiro receptor acústico. O diagrama de temporização mostra o tempo entre a transmissão de um pulso acústico do transmissor acústico e o tempo que o pulso acústico é detectado por cada um dos primeiro e segundo receptores acústicos. A zona de interesse representa um período de tempo em que o pulso do receptor acústico 64 e o pulso do receptor acústico oposto 66 são recebidos.
[0044] A Fig. 6 representa subsistemas de duas modalidades diferentes de um sensor de dados aéreos acústico, incluindo o subsistema de atraso 68 e o subsistema de correlação cruzada 70. O subsistema de atraso 68 inclui o transmissor acústico 72, os receptores acústicos 74A e 74B, os circuitos de atraso 76A e 76B e os circuitos de diferença 78. O subsistema de correlação cruzada 70 inclui os receptores acústicos 74A e 74B, o circuito de correlação cruzada 80 e o circuito de atraso máximo 82.
[0045] O subsistema de atraso 68 e o subsistema de correlação cruzada 70 podem ser utilizados de maneira intercambiável em um sensor de ângulo de vento acústico. O subsistema de atraso 68 representa um subsistema do sistema de sensor de ângulo de ataque acústico do diagrama do sistema 42 da Fig. 4. O transmissor acústico 72 é representativo do transmissor acústico 12, os receptores acústicos 74A e 74B são representativos dos receptores
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 18/39 / 33 acústicos 14A e 14G, os circuitos de atraso 76A e 76B são representativos dos circuitos de atraso 16A e 16B e os circuitos de diferença 78 são representativos dos circuitos de diferença 18A. O subsistema de atraso 68 utiliza circuitos de atraso 76A e 76B para determinar os atrasos individuais entre a emissão de um pulso acústico pelo transmissor acústico 72 e a recepção do pulso acústico pelos receptores acústicos 74A e 74B. O circuito de diferença 78 determina a diferença de atraso (τθ) entre os receptores acústicos 74A e 74B com base nos atrasos individuais.
[0046] Em contraste, o subsistema de correlação cruzada 70 utiliza circuitos de correlação cruzada 80 para produzir um sinal de correlação (ρ) usando sinais fornecidos pelos receptores acústicos 74A e 74B. O sinal de correlação representa uma função de correlação cruzada dos sinais fornecidos pelos receptores acústicos. As funções de correlação cruzada indicam como dois sinais são baseados na mudança de um dos sinais de uma determinada quantidade no tempo. Como mostrado no circuito de atraso máximo 82, este pode determinar uma correlação de pico do sinal de correlação que corresponde à diferença de atraso (τθ). Isto pode ser visto na Fig. 5, onde o deslocamento da forma de onda do receptor oposto 60 à esquerda no eixo de tempo por um tempo igual à diferença de atraso faria com que o pulso do receptor acústico 64 e o pulso do receptor acústico 66 se alinhassem causando a maior correlação entre os dois sinais. O circuito de correlação 80 e o circuito de atraso máxmo 82 podem ser utilizados em vez dos circuitos de atraso 76A e 76B e dos circuitos de diferença 78, por exemplo.
[0047] A Fig. 7 é uma vista de cima para baixo de um exemplo de sensor acústico de dados aéreos 84 que pode ser usado quando o ângulo de vento para um determinado uso tem um alcance limitado conhecido. Neste exemplo, o limite do ângulo do vento 96 é de ± 30°. O sensor acústico de ângulo de ataque 84 inclui o transmissor acústico 86, os receptores acústicos 88A a 88J, o raio 90, o fluxo de ar 92, o ângulo de ataque 94, o limite de
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 19/39 / 33 ângulo de ataque 96 e a placa de montagem 98.
[0048] Os receptores acústicos 88A-88J estão posicionados ao longo do raio 90 ortogonal ao limite do ângulo do vento 96. Tais modalidades permitem a utilização de menos receptores acústicos e/ou receptores acústicos mais densamente povoados sem aumentar a quantidade de receptores acústicos. Como mostrado, o transmissor acústico 86 e os receptores acústicos 88A- 88J podem ser dispostos na placa de montagem 98. Isto pode permitir a instalação e substituição simples do sensor acústico de ângulo de ataque 84, uma vez que todo o sensor pode ser removido e substituído de uma só vez, em vez de ser incorporado, por exemplo, em uma fuselagem de aeronave. Em certas modalidades, o transmissor acústico 86 é um transmissor ultrassônico. Um transmissor ultrassônico não seria ouvido pelos passageiros. Em certas modalidades, os receptores acústicos 88A a 88J podem incluir um filtro passaaltas para filtrar o ruído audível. Como mostrado, o fluxo de ar 92 pode ser desobstruído através do sensor acústico de dados aéreos 84, reduzindo assim a perturbação do fluxo de ar e o arrasto.
[0049] A Fig. 8 é o diagrama de sistema 100, incluindo o transmissor acústico 86, os receptores acústicos 88A-88J, os conversores analógico para digital 102A-102E, os circuitos de correlação cruzada 104A-104E, os circuitos de atraso máximo 106A-106E, o circuito de controle de temporização 108, o circuito de ajuste polinomial 110, o circuito de cruzamento zero 112 e o dispositivo de computação 113. Para fins de clareza e facilidade de discussão, o diagrama de sistema 100 é discutido dentro do contexto do sensor acústico de dados aéreos 84 da Fig. 7.
[0050] O circuito de controle de temporização 108 é configurado para fornecer um comando de pulso ao transmissor acústico 86. O transmissor acústico 86 pode ser configurado para emitir um pulso acústico em resposta ao recebimento do comando de pulso. Os receptores acústicos 88A-88E podem receber o pulso acústico após um atraso de tempo que é impactado
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 20/39 / 33 pela velocidade do ar 92, como indicado pela Equação 1. Os receptores acústicos 88A a 88E fornecem sinais de receptor para conversores analógico para digital 102A-102E. Os conversores analógico para digital 102A a 102E podem converter os sinais de receptor em formas de onda digitais. Os conversores analógico para digital 102A-102E podem fornecer as formas de onda digitais aos circuitos de correlação cruzada 104A-104E. O circuito de correlação cruzada 104A-104E recebe as formas de onda digitais. Os circuitos de correlação cruzada 104A-104E determinam os sinais de correlação (ρ) usando as formas de onda digitais. O sinal de correlação representa uma função de correlação cruzada dos sinais fornecidos pelos receptores acústicos. As funções de correlação cruzada indicam como dois sinais são baseados na mudança de um dos sinais de uma determinada quantidade no tempo. Os circuitos de correlação cruzada 104A-104E fornece os sinais de correlação para os circuitos de atraso máximo 106A-106D. Os circuitos de atraso máximo 106A-106D recebem os sinais de correlação cruzada. Os circuitos de atraso máximo 106A-106D determinam as correlações de pico dos sinais de correlação. As correlações de pico correspondem às diferenças de atraso (τθ) dos receptores acústicos 88A-88J. Os circuitos de atraso máximo 106A-106D fornecem as diferenças de atraso para os circuitos de ajuste polinomial 110. [0051] O circuito de ajuste polinomial 110 recebe as diferenças de tempo de voo dos circuitos de atraso máximo 106A-106D. Cada diferença de tempo de voo representa dois pontos, um em cada lado do zero, porque a diferença está associada a dois receptores acústicos afastados a 180°. Em um exemplo, o circuito de ajuste polinomial 110 determina o melhor ajuste polinomial de mínimos quadrados em torno dos dois pontos. Em outro exemplo, o circuito de ajuste polinomial 48 determina o polinômio com base nas curvas conhecidas. Os receptores acústicos 88A a 88E estão posicionados em ângulos conhecidos (R^ e raio conhecido 90. Uma vez que as variáveis (exceto o ângulo de ataque e a velocidade dinâmica) para determinar os
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 21/39 / 33 atrasos (e, portanto, para que as diferenças de atraso) são conhecidas, as curvas de diferença de atraso são bem estabelecidas. Os circuitos de ajuste polinomial 110 fornecem o polinômio (PAxG). O circuito de cruzamento zero 112 recebe o polinômio dos circuitos de ajuste polinomial 110. O circuito de cruzamento zero 112 determina o ângulo (α) onde o polinômio atravessa zero. O circuito de cruzamento zero 112 fornece o ângulo onde o polinômio atravessa zero para o dispositivo de computação 113. O dispositivo de computação pode ser um controlador de aeronave, um controlador de mecanismo ou outro dispositivo de computação. Os conversores analógico para digital 102A-102E, os circuitos de correlação cruzada 104A-104E, os circuitos de atraso máximo 106A-106E, o circuito de controle de temporização 108, o circuito de ajuste polinomial 110, o circuito de cruzamento zero 112 e o dispositivo de computação 113, como descritos neste documento, podem ser implementados em hardware e/ou software, como um processador executando instruções de memória legível por computador.
[0052] A Fig. 9 é um fluxograma de uma modalidade de um processo acústico de detecção do ângulo do vento 114. Para fins de clareza e facilidade de discussão, o processo de detecção do ângulo do vento 114 é discutido no contexto do diagrama de sistema 100 da Fig. 8. Na etapa 116, um pulso acústico pode ser emitido pelo transmissor acústico 86. Em um exemplo, o pulso acústico é emitido pelo transmissor acústico 86 em resposta ao recebimento de um comando de pulso do circuito de controle de tempo 108. Na etapa 118, o pulso acústico pode ser recebido pelo receptor acústico 88A. Na etapa 120, o receptor acústico 88A pode fornecer um sinal de receptor em resposta ao recebimento do pulso acústico. Na etapa 122, o receptor acústico 88F pode receber o pulso acústico. Na etapa 124, o receptor acústico 88F pode fornecer o sinal de receptor em resposta ao recebimento do pulso acústico. Na etapa 126, pode ser determinada uma diferença de atraso entre o primeiro e o segundo sinais do receptor. Em alguns exemplos, a diferença de
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 22/39 / 33 atraso pode ser determinada usando circuitos de atraso 44A e circuitos de diferença 46A da Fig. 4. Em outros exemplos, a diferença de atraso pode ser determinada usando o circuito de correlação cruzada 104E e o circuito de atraso máximo 106E. Na etapa 128, um ângulo de vento (por exemplo, AOA) é determinado com base na diferença de atraso. Em alguns exemplos, a diferença de atraso pode ser usada para determinar um polinômio usando circuitos de ajuste polinomial 110. O circuito de cruzamento zero 112 pode determinar o ângulo em que o polinômio é igual a zero para determinar o ângulo do vento. Na etapa 130, o ângulo do vento pode ser fornecido ao dispositivo de computação 113. Em certas modalidades, o dispositivo de computação 113 pode ser um computador de aeronave ou qualquer outro dispositivo adequado.
[0053] Por conseguinte, implementando certas técnicas desta divulgação, os sensores acústicos de dados aéreos podem ser utilizados para determinar com precisão o ângulo do vento sem obstruir o fluxo de ar ou utilizar peças mecânicas móveis. A utilização de sensores acústicos de dados aéreos, conforme descrito neste documento, fornece uma medição de alta largura de banda e taxa de atualização do ângulo de ataque sem colocar os componentes do sensor diretamente no fluxo de ar. Isso reduz os riscos de congelamento do sensor de ângulo de ataque e reduz a perturbação do fluxo de ar e o arrasto.
[0054] De acordo com pelo menos um aspecto desta divulgação, é contemplado que uma ou mais modalidades de um sensor de dados aéreos podem ser utilizadas para determinar a velocidade aerodinâmica e/ou outros parâmetros de dados aéreos.
[0055] Por exemplo, com referência à Fig. 10, um sistema de sensor acústico de velocidade aerodinâmica 500 pode incluir pelo menos um transmissor acústico 12 (T) configurado para fornecer um pulso acústico e uma pluralidade de receptores acústicos, por exemplo, 14A-14K como
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 23/39 / 33 mostrado na Fig. 1. Um ou mais receptores podem incluir pelo menos um primeiro receptor acústico (por exemplo, 14A) posicionado a uma primeira distância radial (por exemplo, a jusante em operação) do pelo menos um transmissor acústico 12 e um segundo receptor acústico (por exemplo, 14B) posicionado a uma segunda distância radial (por exemplo, a jusante em operação) do pelo menos um transmissor acústico 12.
[0056] O primeiro receptor acústico pode ser configurado para receber o pulso acústico 501 pela primeira vez e emitir um primeiro sinal de receptor 503. O segundo receptor acústico está configurado para receber o pulso acústico 501 pela segunda vez e emitir um segundo sinal de receptor 505. O sistema de sensores 500 pode incluir um módulo de dados aéreos 507 conectado operativamente ao primeiro receptor acústico e ao segundo receptor acústico. O módulo de dados aéreos 507 é configurado para receber o primeiro sinal de receptor 503 e o segundo sinal de receptor 505, determinar um primeiro atraso de sinal entre receber o primeiro sinal de receptor e a transmissão do pulso acústico 501 pelo transmissor acústico 12 e determinar um segundo atraso de sinal entre a recepção do segundo sinal receptor e a transmissão do pulso acústico 501 pelo transmissor acústico 12.
[0057] O módulo de dados aéreos 507 pode ser configurado para receber ou determinar um ângulo de vento. Por exemplo, o módulo de dados aéreos 507 pode incluir qualquer circuito adequado como descrito acima para determinar o ângulo do vento (por exemplo, AOA). O módulo de dados aéreos 507 pode ser configurado para determinar a velocidade aerodinâmica real (TAS) com base no primeiro atraso de sinal, no segundo atraso de sinal e no ângulo de vento e emite um sinal de TAS indicativo da TAS.
[0058] Em certas modalidades, o módulo de dados aéreos 507 pode incluir um ou mais módulos de medição de atraso 509 (por exemplo, que podem ser similares aos circuitos de atraso como descrito acima) operativamente conectados a um módulo de controle de pulsos 511 e ao
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 24/39 / 33 primeiro e/ou segundo receptor acústico. Como mostrado, cada receptor pode incluir um módulo de medição de atraso dedicado 509. Qualquer outro número adequado de módulos de medição de atraso 509 é contemplado neste documento. O módulo de controle de pulso 511 pode ser operativamente conectado ao transmissor 12 e configurado para fazer com que o transmissor 12 envie o pulso acústico 501 em um momento de envio. Os um ou mais módulos de medição de atraso 509 podem ser configurados para comparar o tempo de envio e a primeira vez para determinar o primeiro atraso de sinal e emitir os primeiros dados de atraso 513 indicativos do mesmo. Os um ou mais módulos de medição de atraso 509 podem ser configurados para comparar o tempo de envio com o segundo tempo para determinar o segundo atraso de sinal e emitir os dados de segundo atraso 515.
[0059] O módulo de dados aéreos 507 pode incluir um módulo de ângulo de vento 517 operacionalmente conectado a um ou mais módulos de medição de atraso 509 para receber os primeiros dados de atraso 513 e os segundos dados de atraso 515. O módulo de ângulo de vento 517 pode ser configurado para determinar o ângulo de vento com base nos primeiros dados de atraso 513 e nos segundos dados de atraso 515 e para emitir os dados do ângulo de vento 519 (por exemplo, para um computador de aeronave e/ou outro módulo). O módulo de dados aéreos pode incluir um módulo de ajuste de curva 521 configurado para ajustar a curva dos primeiros dados de atraso 513 e dos segundos dados de atraso 515 e para emitir os dados de ajuste de curva 523 ao módulo de ângulo de vento 517.
[0060] O módulo de dados aéreos 507 pode incluir um módulo de velocidade aerodinâmica 525 conectado operativamente ao módulo de ângulo de vento 517 para receber dados de ângulo de vento 519 a partir dele. O módulo de velocidade aerodinâmica 525 pode ser operativamente conectado a um ou mais módulos de medição de atraso 509 para receber os primeiros dados de atraso 513 e os segundos dados de atraso 515. O módulo de
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 25/39 / 33 velocidade aerodinâmica 525 pode ser configurado para determinar a TAS com base nos dados de ângulo de vento 519, nos primeiros dados de atraso 513 e nos segundos dados de atraso 515 e para emitir o sinal de TAS 527 (por exemplo, para um computador de aeronave e/ou outro módulo).
[0061] O módulo de dados aéreos 507 pode incluir um módulo de velocidade de som (SOS) 529 operativamente conectado ao módulo de velocidade aerodinâmica 525 para receber o sinal de TAS 527. O módulo de SOS 529 pode ser operativamente conectado a um ou mais módulos de medição de atraso 509 para receber os primeiros dados de atraso 513 e os segundos dados de atraso 515. O módulo de SOS 529 pode ser operativamente conectado a um ou mais módulos de medição de atraso 509 para receber os primeiros dados de atraso 513 e os segundos dados de atraso 515. O módulo de SOS 529 pode ser operativamente conectado ao módulo de ângulo de vento 517 para receber dados de ângulo de vento 519. O módulo de SOS 517 pode ser configurado para determinar um SOS com base no sinal de TAS 527, no primeiro e no segundo dados de atraso 513, 515 e na emissão de dados de SOS 531 (por exemplo, para um computador de aeronave e/ou outro módulo).
[0062] O módulo de SOS 529 pode ser configurado para determinar o número de Mach a partir da SOS e emitir um sinal de número de Mach 533 (por exemplo, para um computador de aeronave e/ou outro módulo). O módulo de dados aéreos 507 pode incluir um módulo de temperatura de ar estático 535 operacionalmente conectado ao módulo de SOS para receber os dados de SOS 531 para determinar uma temperatura de ar estático (SAT) com base nos dados de SOS 531 e para emitir um sinal de SAT 537 (por exemplo, para um computador de aeronave e/ou outro módulo).
[0063] Em certas modalidades, o módulo de dados aéreos 507 pode incluir um multiplexador (MUX) 539 entre um ou mais módulos de medição de atraso 509 e pelo menos um outro módulo do módulo de dados aéreos 507.
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O MUX 539 pode ser configurado para receber os primeiros dados de atraso 513 e os segundos dados de atraso 515 de um ou mais módulos de medição de atraso e para multiplexar os dados (por exemplo, para emissão para os módulos de consumo, por exemplo, o módulo de ângulo de vento, o módulo de velocidade aerodinâmica e o módulo de SOS).
[0064] Como descrito acima, em certas modalidades, a primeira distância radial e a segunda distância radial dos receptores 14A-14K podem ser as mesmas. No entanto, é contemplado que a distância radial variável pode ser usada para determinar certos parâmetros de dados aéreos (por exemplo, velocidade aerodinâmica). Por exemplo, o primeiro receptor (por exemplo, 14A), o segundo receptor (por exemplo, 14B) e/ou quaisquer outros receptores adicionais (por exemplo, 14C-14K) podem ser dispostos em um padrão de círculo ao redor do transmissor 12.
[0065] Em certas modalidades, o padrão não precisa ser circular. Por exemplo, a distância radial do transmissor para todos os receptores não precisa ser uma distância fixa. Cada receptor pode ser colocado em uma distância radial conhecida e diferente. Então, todos os atrasos de transporte medidos podem ser normalizados para uma distância de referência fixa arbitrária. Como um exemplo não limitativo, se um primeiro receptor estiver a 1 cm e um segundo receptor estiver a 4 cm, ambos podem ser normalizados para uma distância de referência fixa de, por exemplo, 2 cm. Neste exemplo, o atraso medido do primeiro receptor seria dobrado (atraso = 2cm/1cm) e o atraso medido do segundo receptor seria reduzido pela metade (atraso = 2cm/4cm). Esses novos números de atraso são efetivamente o que teria sido medido se os receptores estivessem todos posicionados a 2 cm. Esta é uma maneira de permitir padrões não circulares para os receptores. O receptor ainda se estende por vários ângulos. Qualquer outra modalidade adequada para permitir receptores não circulares é contemplada neste documento.
[0066] Em certas modalidades, um ou mais dos receptores (por
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 27/39 / 33 exemplo, 14A-14K) podem incluir microfones de sistemas microeletromecânicos (MEMS). Qualquer outro tipo adequado de receptor acústico é contemplado neste documento.
[0067] Com referência adicional à Fig. 11, certos receptores podem ser sombreados em certas condições de operação (por exemplo, como uma função dos ângulos de vento e velocidade aerodinâmica). As regiões de linha pontilhada mostram, em relação ao gráfico polar acima descrito, onde os receptores de certas posições serão sombreados como resultado do ângulo do vente e da velocidade aerodinâmica. Ao selecionar o número de receptores e suas posições, é contemplado que modalidades em que apenas receptores que não são sombreados em todas as condições de operação podem ser utilizadas em um sensor, em vez de um círculo completo de receptores (por exemplo, como mostrado na modalidade da Fig. 7).
[0068] Em certas modalidades, o módulo de dados aéreos 507 pode ser configurado para determinar se um receptor acústico é sombreado, por exemplo, pela definição de um tempo máximo de resposta. O módulo de dados aéreos 507 pode ignorar quaisquer sinais dos receptores acústicos sombreados de modo que dados falsos ou ruído não sejam considerados na determinação dos parâmetros de dados aéreos (por exemplo, ângulo de vento e velocidade dinâmica).
[0069] Com referência adicional à Fig. 12, é mostrada uma modalidade da colocação de um ou mais sensores. Como mostrado, em certas modalidades, um ou mais sensores podem ser colocados em um lado de uma aeronave (por exemplo, onde os tubos estáticos são montados de modo que o fluxo de ar permaneça preso à fuselagem e/ou onde o fluxo não seja bloqueado). Como mostrado, vários locais do sensor podem ser utilizados para determinar o AOA e o AOS.
[0070] Em modalidades dos sistemas de velocidade aerodinâmica descritos neste documento, o transmissor está a montante de todos os
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 28/39 / 33 receptores utilizados para determinar, por exemplo, a velocidade aerodinâmica. Este não é o caso de sensores tradicionalmente acústicos e permite a operação em velocidades acima de Mach 0,2.
[0071] Um método implementado por computador pode incluir a emissão de um pulso acústico utilizando pelo menos um transmissor acústico que receba, pela primeira vez, o pulso acústico utilizando um primeiro receptor acústico posicionado a uma distância radial de pelo menos um transmissor acústico; fornecimento de um primeiro sinal de receptor a partir do primeiro receptor acústico em resposta ao recebimento do pulso acústico, recebimento, em um segundo tempo, do pulso acústico utilizando um segundo receptor acústico posicionado na distância radial a partir do pelo menos um transmissor acústico. O método pode incluir a determinação de um primeiro atraso de sinal entre o primeiro receptor acústico e o transmissor acústico, a determinação de um segundo atraso de sinal entre o segundo receptor acústico e o transmissor acústico, determinação de uma velocidade aerodinâmica real (TAS) baseada no primeiro atraso do sinal, no segundo atraso de sinal e em um ângulo de vento e emissão de um sinal de TAS para um sistema de aeronave.
[0072] O método pode incluir a determinação do ângulo do vento com base no primeiro atraso do sinal e no segundo atraso do sinal. O método pode incluir a determinação de uma velocidade de som (SOS) com base no ângulo da asa, na TAS, no primeiro atraso do sinal e no segundo atraso do sinal.
[0073] O método pode incluir a determinação de um número de Mach baseado na SOS e a emissão do número de Mach para um sistema de aeronave. O método pode incluir a determinação de uma temperatura de ar estático (SAT) com base na SOS e a emissão da temperatura do ar estático para um sistema de aeronave.
[0074] É divulgado um sistema acústico ultrassônico que mede diretamente a velocidade aérea e o ângulo relativo do vento (por exemplo,
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24/33 ângulo de ataque ou de glissada). Este projeto não possui uma sonda de Pitot ou partes mecânicas móveis, como é típico dos sistemas de dados aéreos tradicionais baseados em pressão e dos projetos de sensores de pás de vento. Ao medir o tempo de voo acústico e a intensidade do sinal de um pulso acústico em uma faixa de ângulos e distâncias em uma superfície nivelada, essa informação pode ser usada para construir a velocidade relativa da aeronave e o ângulo do vento.
[0075] Colocando um anel de receptores ultrassônicos (microfones) em um raio fixo r ao redor de um transmissor, como mostrado na Figura 1, o tempo de voo de um pulso acústico pode ser medido para cada receptor.
[0076] O tempo de voo τ de um pulso acústico do transmissor T para um receptor Re colocado no ângulo 0 é dado por:
Co + V cos(cr - Θ) ’
V > 0 θ í Co > 0 onde Co é a velocidade do som, V é a velocidade do ar, α é o ângulo relativo do vento e r é o raio de separação. Essa é uma equação de atraso que define a relação básica entre esses parâmetros de dados aéreos e os atrasos de tempo de chegada do pulso acústico real entre um transmissor e vários receptores. Em certas modalidades, como mostrado na Fig. 1, a geometria dos receptores Rq pode ser um padrão circular em ângulos fixos Θ em um raio de r de um transmissor T. As modalidades para se encontrar um ou mais parâmetros de dados aéreos podem incluir uma abordagem incrementai, primeiro recebendo ou determinando o ângulo do vento (por exemplo, AOA) e depois usando o ângulo de vento para determinar a velocidade real (TAS), então opcionalmente usando o ângulo de vento e a TAS para determinar a velocidade do som (SOS) e então opcionalmente usando a SOS para determinar a temperatura do ar estático (SAT).
[0077] Uma modalidade para determinar o ângulo do vento é divulgada acima. Uma modalidade adicional de um processo para determinar o ângulo do vento é descrita abaixo.
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25/33 [0078] Mesmo se o verdadeiro AOA ou outro ângulo de vento não se alinhar com qualquer receptor, podemos interpolar para estimar este ângulo. Como a equação de atraso é mínima no ângulo de ataque, ou seja, a = argminKJ θ
e é simétrica sobre a, ou seja:
^α+Δ0 ^α-Δ6* isso sugere ajuste dos atrasos do receptor colocando o mínimo entre parênteses com uma parábola. Como cada medição de atraso do receptor será corrompida pelo ruído de medição e o mínimo pode ocorrer entre dois receptores, é melhor ajustar uma função para atrasos do receptor e extrair o mínimo da função ajustada.
[0079] Coloque isso na equação de segunda ordem:
τίθ) = αθ2 + b6 + c que tem um mínimo em:
= —È_
2a.
[0080] Denote o atraso mínimo medido e seu ângulo receptor como o ponto ^ο’τ°), então denote os pontos no lado angular deste como e (^+’ r+’. Isso gera uma fórmula de estimativa de AOA:
[0081] Uma modalidade de um processo para determinar a velocidade aerodinâmica real TAS é descrita abaixo. Para quaisquer dois atrasos de
Tg) Tg receptor distintos n e msua diferença recíproca é:
— - — = — { cos (α - θη) — cos (a - 0m)}, τθ r n m e resolvendo para uma estimativa da velocidade aerodinâmica real:
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26/33
J__X
To Tg y _ r_________n m_______ costa - θη) - cos (cr - 3m)' [0082] Uma modalidade de um processo para determinar uma velocidade de som SOS é descrita abaixo. Para quaisquer dois atrasos de ΐγ; Tg receptor distintos n e msua soma recíproca é:
— + _L = 2 — + — { cos (a - + cos (a - 0m)}, τθ τθ r r n m e resolvendo a estimativa da velocidade de som
C0 = gí— + —) -^{cos(u-6»„) +cos(a-0„,)}· τθ τθ 1 [0083] Por razões numéricas, o ideal seria escolher um par de receptores em lados opostos do círculo do receptor, ambos em ângulo reto com o AOA. Como nem todos os receptores produzem medições de atraso devido a efeitos de sombreamento, o melhor é escolher um par o mais próximo possível de 180 graus e tão próximo de 90 graus de α quanto possível. O número de Mach pode ser determinado utilizando a TAS e velocidade do som, tal como apreciado por aqueles versados na técnica.
[0084] Uma modalidade de um processo para determinar temperatura do ar estático (SAT) usando a velocidade do som em nós, temperatura do ar estático em Celsius é então estimada como:
(z-í \ 2 j nnç — 1 -273.15 K = 38.96695 JSlLAi K / , onde , ou equivalente a velocidade do som em metros/s para graus
Celsius:
?S=R2 -273.15 * = 20.04637
VK / , onde v^°
A perda de sinal entre o transmissor e qualquer receptor é [0085] causada por espalhamento geométrico, absorção molecular e espalhamento turbulento. Os dois primeiros efeitos são omnidirecionais, afetando todos os receptores igualmente. O espalhamento geométrico é causado pela energia
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 32/39 / 33 sonora se espalhando à medida que se propaga de sua fonte. A absorção molecular é causada pela energia sonora sendo convertida em calor à medida que a onda sonora se propaga pelo ar.
[0086] O espalhamento turbulento, causado por gradientes locais na velocidade e temperatura do vento que induz flutuações na fase e na amplitude das ondas sonoras quando elas se propagam pelo ar é direcional. Como o transmissor e os receptores são montados de forma nivelada, o efeito da camada limite de velocidade irá dobrar as ondas sonoras viajando a montante para a superfície de montagem e as ondas sonoras viajando a jusante para a superfície de montagem. Esta dobra provoca um aumento na força do sinal em receptores a jusante e uma perda ou sombreamento da força do sinal em receptores a montante. O som que se propaga perpendicularmente nos ângulos à direita ao fluxo de ar não é dobrado. Somente em baixas velocidades todos os receptores terão força de sinal suficiente para separar os pulsos acústicos do ruído de fundo. Em velocidades aerodinâmicas mais altas, os receptores a montante serão “sombreados” devido à perda de sinal pelo ar. Este efeito de sombreamento torna-se mais significativo em velocidades aerodinâmicas mais altas, como mostrado na Fig. 11. Quanto mais rápida a velocidade, menos receptores longe do vetor de velocidade receberão um sinal e, portanto, serão efetivamente sombreados. A parte sombreada do arco pode ser chamada de “ângulo de cunha”, e pode não haver necessidade de sensores sempre sombreados (por exemplo, fora de cerca de 90 graus de ângulo de cunha para operações normais em aeronaves comerciais).
[0087] Da mesma forma, o efeito do gradiente de temperatura irá sombrear os receptores se a montagem for mais quente que o ar circundante e reforçar os sinais se a montagem for mais fria que o ar circundante. O sombreamento com gradiente térmico é um efeito transitório, pois a temperatura de montagem irá esfriar devido ao grande volume de fluxo de ar. Como consequência deste efeito de sombreamento, toda informação de
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 33/39 / 33 velocidade precisa ser extraída dos dados de atraso coletados dos receptores não sombreados.
[0088] Isto está em contradição direta com a forma como as medições típicas do vento acústico são feitas, usando pares de receptores 180 separados um do outro. Como descrito acima, a lógica de medição de atraso pode incluir um tempo limite no qual é assumido que o receptor nunca vai receber um sinal, então determine que o receptor está “sombreado” e insira entrada nula.
[0089] Como descrito neste documento, um comando de pulsos da lógica de temporização de controle de pulsos do módulo de controle de pulsos 511 pode ser convertido em um pulso acústico pelo transmissor 12. O módulo de controle de pulsos 511 pode criar uma forma de onda modelada concebida para ser robusta ao ruído ambiente, de modo que os módulos de medição de atraso 509 possam extrair informação de temporização de pulsos na presença de corrupção de ruído. O módulo de controle de pulsos 509 também pode marcar o tempo do tempo de transmissão de pulsos de modo que os tempos de chegada de pulsos possam ser determinados pelos módulos 509. Os módulos de medição de atraso 509 podem extrair o atraso entre o comando de pulso do transmissor e as formas de onda recebidas e emite o atraso de tempo entre eles como τ. Para maior clareza, a Fig. 5 mostra a temporização relativa dos sinais transmitidos e recebidos. Para fins ilustrativos, a forma de pulso representada é um trem de onda sinusoidal, mas poderia ser um pulso Gaussiano simples ou um padrão mais complicado, dependendo da dificuldade de extrair o pulso recebido do ruído de fundo.
[0090] Como descrito acima, cada módulo de medição de atraso pode incluir uma amostragem de conversor analógico-digital a uma taxa suficiente para determinar o tempo de atraso com resolução suficiente para medições precisas de velocidade aerodinâmica (por exemplo, em frações de microssegundo). Um MUX 539 pode reunir tempos/dados de atraso medidos em uma lista indexável. Os atrasos do receptor sombreado podem ser
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 34/39 / 33 incluídos na lista como entradas nulas, para que os blocos subsequentes possam se adaptar dinamicamente ao comprimento e à distribuição variados de entradas não sombreadas.
[0091] O módulo de ajuste de curva 521 pode aceitar o conjunto de diferenças de atraso como mostrado, que são pontos ao longo de uma das curvas. O módulo de ajuste de curva 521 pode determinar o melhor ajuste de mínimos quadrados para as entradas não nulas de lista e os parâmetros de emissão resultantes podem definir uma equação de curva denotada como τθ.
[0092] O módulo de ângulo de vento 517 pode usar a função de ajuste de curva τθ e resolver o ângulo α onde a função é minimizada como descrito acima. Este ângulo de minimização pode ser gerado como o ângulo de vento α. O módulo de velocidade 525 utiliza a estimativa do ângulo do vento a partir do módulo angular do vento 517 e a lista de atrasos medidos Tn para calcular a verdadeira velocidade aerodinâmica V como descrito acima.
[0093] O módulo de SOS 529 pode usar o ângulo de vento estimado e a velocidade real para calcular a velocidade estimada do som C0, conforme descrito acima. A velocidade verdadeira estimada é dividida por C0 para calcular o número de Mach M. O módulo de temperatura do ar estático 535 pode calcular a temperatura estática (Ts) como descrito acima.
[0094] A utilização de um sensor ultrassônico de ângulo de ataque, que captura o tempo de voo de pulso acústico em vários ângulos com relação ao fluxo de ar das aeronaves, oferece os seguintes benefícios: uma única unidade é capaz de medir a velocidade real e o ângulo de vento (por exemplo, ângulo de ataque ou ângulo de glissada); medição direta da velocidade do som para calcular a corrente, o número de Mach e a temperatura do ar estático; fluxo de ar desobstruído através do sensor; eliminação de distúrbios de fluxo de ar e de arrasto; nenhuma parte mecânica móvel, resultando em maior largura de banda e taxa de atualização para ângulo de vento; menos requisitos de descongelamento (já que nenhum componente sensor está de frente para o
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 35/39 / 33 ar diretamente) e detecção de falha positiva quando os receptores não conseguem extrair sinais de pulso (devido a vários motivos, incluindo congelamento) em contraste com o congelamento das portas de Pitot estáticas em pressões fixas razoáveis, mas erradas.
[0095] Como será apreciado por aqueles versados na técnica, os aspectos da presente divulgação podem ser incorporados como um sistema, método ou produto de programa de computador. Consequentemente, os aspectos desta divulgação podem tomar a forma de uma modalidade inteiramente de hardware, uma modalidade inteiramente de software (incluindo firmware, software residente, microcódigo, etc.) ou uma modalidade combinando aspectos de software e hardware, todas as possibilidades referidas neste documento como um circuito, módulo ou sistema. Um circuito, módulo ou sistema pode incluir uma ou mais porções de um ou mais componentes de hardware e/ou software separados que podem, juntos, executar a função descrita do circuito, módulo ou sistema” ou um “circuito”, “módulo” ou “sistema” pode ser uma única unidade independente (por exemplo, de hardware e/ou software). Além disso, os aspectos desta divulgação podem tomar a forma de um produto de programa de computador incorporado em um ou mais meios legíveis por computador, tendo um código de programa legível por computador incorporado no mesmo.
[0096] Qualquer combinação de um ou mais meios legíveis por computador pode ser utilizada. O meio legível por computador pode ser um meio de sinal legível por computador ou um meio de armazenamento legível por computador. Um meio de armazenamento legível por computador pode incluir, mas não estar limitado a, um sistema semicondutor eletrônico, magnético, óptico, eletromagnético ou infravermelho ou qualquer combinação adequada do citado anteriormente. Exemplos mais específicos do meio de armazenamento legível por computador incluirão o seguinte: uma conexão
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 36/39 / 33 elétrica com um ou mais fios, um disquete de computador portátil, um disco rígido, uma memória de acesso aleatório (RAM), uma memória apenas de leitura (ROM), uma memória de leitura programável apagável (EPROM ou memória flash), uma fibra óptica, uma memória de leitura de disco compacto portátil (CD-ROM), um dispositivo de armazenamento óptico, um dispositivo de armazenamento magnético ou qualquer combinação adequada do citado anteriormente. No contexto deste documento, um meio de armazenamento legível por computador pode ser qualquer meio tangível que possa conter ou armazenar um programa para uso por ou em conexão com um sistema, aparelho ou dispositivo de execução de instruções.
[0097] Um meio de sinal legível por computador pode incluir um sinal de dados propagado com código de programa legível por computador incorporado neste, por exemplo, na banda de base ou como parte de uma onda portadora. Tal sinal propagado pode assumir qualquer uma dentre uma variedade de formas, incluindo, mas não se limitando a, eletromagnética, óptica ou qualquer combinação adequada destas. Um meio de sinal legível por computador pode ser qualquer meio legível por computador que não seja um meio de armazenamento legível por computador e que possa comunicar, propagar ou transportar um programa para uso por ou em conexão com um sistema, aparelho ou dispositivo de execução de instruções.
[0098] O código de programa incorporado em um meio legível por computador pode ser transmitido utilizando qualquer meio apropriado, incluindo mas não limitado a tecnologia wireless, cabo wireline, fibra óptica, RF, etc., ou qualquer combinação adequada do citado anteriormente.
[0099] O código de programa de computador para realizar operações para aspectos desta divulgação pode ser escrito em qualquer combinação de uma ou mais linguagens de programação, incluindo uma linguagem de orientação orientada a objetos tal como Java, Smalltalk, C ++ ou semelhantes e linguagens de programação processuais convencionais, tais como linguagem
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 37/39 / 33 de programação C ou linguagens de programação semelhantes. O código de programa pode ser executado inteiramente no computador do usuário, parcialmente no computador do usuário, como um pacote de software autônomo, parcialmente no computador do usuário e parcialmente em um computador remoto ou inteiramente no computador remoto ou servidor. No último cenário, o computador remoto pode estar conectado ao computador do usuário através de qualquer tipo de rede, incluindo uma rede de área local (LAN) ou uma rede de longa distância (WAN), ou a conexão pode ser feita para um computador externo (por exemplo, através da Internet usando um Provedor de Serviços da Internet).
[00100] Aspectos da presente divulgação podem ser descritos acima com referência a ilustrações de fluxograma e/ou diagramas de blocos de métodos, aparelhos (sistemas) e produtos de programa de computador de acordo com modalidades desta divulgação. Será compreendido que cada bloco de qualquer das ilustrações de fluxograma e/ou diagramas em bloco e combinações de blocos nas ilustrações de qualquer fluxograma e/ou diagramas em blocos podem ser implementados por instruções de programa de computador. Estas instruções de programa de computador podem ser fornecidas a um processador de um computador de finalidade geral, computador de finalidade especial, ou outro aparelho de processamento de dados programável para produzir uma máquina, de modo que as instruções, que são executadas através do processador do computador ou de outro aparelho de processamento de dados programável, criem meios para implementar as funções/atos especificados no fluxograma e/ou no bloco ou nos blocos de diagrama em bloco.
[00101] Tais instruções de programas de computador podem também ser armazenadas em um meio legível por computador que pode orientar um computador, outro aparelho de processamento de dados programável ou outros dispositivos para funcionar de uma determinada maneira, de modo que
Petição 870190111657, de 01/11/2019, pág. 38/39 / 33 as instruções armazenadas no meio legível por computador produzam um artigo fabricado incluindo instruções que implementam a função/ato especificado no fluxograma e/ou blocos do diagrama.
[00102] As instruções do programa de computador também podem ser carregadas em um computador, outro aparato programável de processamento de dados ou outros dispositivos para fazer com que uma série de etapas operacionais sejam executadas no computador, em outros aparelhos programáveis ou outros dispositivos para produzir um processo implementado por computador. As instruções que são executadas no computador ou outro aparelho programável fornecem processos para implementar as funções/atos especificados neste documento.
[00103] Qualquer combinação adequada de qualquer modalidade divulgada e/ou qualquer porção destas é contemplada neste documento como apreciada por aqueles ordinariamente versados na técnica.
[00104] Aqueles versados na técnica entendem que quaisquer valores numéricos divulgados neste documento podem ser valores exatos ou podem ser valores dentro de uma faixa. Além disso, quaisquer termos de aproximação (por exemplo, “sobre”, “aproximadamente”, “em torno”) usados nesta divulgação podem significar o valor declarado dentro de uma faixa. Por exemplo, em certas modalidades, a faixa pode estar dentro de (mais ou menos) 20% ou dentro de 10% ou dentro de 5% ou dentro de 2% ou dentro de qualquer outra percentagem ou número adequado conforme apreciado por aqueles versados ordinariamente na técnica (por exemplo, para limites de tolerância conhecidos ou faixas de erro).
[00105] As modalidades da presente divulgação, como descritas acima e mostradas nas figuras, fornecem uma melhoria na técnica a qual elas pertencem. Embora o assunto da divulgação inclua referência a certas modalidades, aqueles versados na técnica reconhecerão facilmente que alterações e/ou modificações podem ser feitas, sem se desviar do espírito e do escopo da divulgação do objeto.

Claims (17)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Sistema de sensor acústico de velocidade aerodinâmica, caracterizado pelo fato de que compreende:
    pelo menos um transmissor acústico configurado para fornecer um pulso acústico;
    uma pluralidade de receptores acústicos, incluindo pelo menos:
    um primeiro receptor acústico posicionado a uma primeira distância radial do pelo menos um transmissor acústico, o primeiro receptor acústico configurado para:
    receber o pulso acústico em uma primeira vez; e emitir um primeiro sinal de receptor;
    um segundo receptor acústico posicionado a uma segunda distância radial do pelo menos um transmissor acústico, o segundo receptor acústico configurado para:
    receber o pulso acústico em uma segunda vez; e emitir um segundo sinal de receptor; e um módulo de dados aéreo conectado de forma operacional ao primeiro receptor acústico e ao segundo receptor acústico, o módulo de dados aéreos configurado para:
    receber o primeiro sinal receptor e o segundo sinal receptor;
    determinar um primeiro atraso de sinal entre o recebimento do primeiro sinal receptor e a transmissão do pulso acústico pelo transmissor acústico;
    determinar um segundo atraso de sinal entre o recebimento do segundo sinal receptor e a transmissão do pulso acústico pelo transmissor acústico;
    receber ou determinar um ângulo de vento;
    determinar a velocidade aerodinâmica real (true air speed,
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  2. 2 / 5
    TAS) com base no primeiro atraso do sinal, no segundo atraso do sinal e no ângulo do vento; e emitir um sinal de TAS indicativo da TAS.
    2. Sistema de sensor de velocidade aerodinâmica de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o módulo de dados aéreos inclui um ou mais módulos de medição de atraso ligados operativamente a um módulo de controle de pulsos e ao primeiro e/ou segundo receptor acústico, em que o módulo de controle de pulsos está operativamente conectado ao transmissor e configurado para fazer com que o transmissor envie o pulso acústico a uma hora de envio, em que um ou mais módulos de medição de atraso são configurados para comparar o tempo de envio e a primeira vez para determinar o primeiro atraso de sinal e os primeiros dados de atraso indicativos destes, o um ou mais módulos de medição de atraso sendo configurados para comparar o tempo de envio com o segundo tempo para determinar o segundo atraso de sinal e emitir os dados de segundo atraso.
  3. 3. Sistema de sensor de velocidade aerodinâmica de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o módulo de dados aéreos inclui um módulo de ângulo de vento conectado operativamente a um ou mais módulos de medição de atraso para receber os primeiros dados de atraso e os segundos dados de atraso e é configurado para determinar o ângulo de vento e para emitir dados do ângulo do vento.
  4. 4. Sistema de sensor de velocidade aerodinâmica de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o módulo de dados aéreos inclui um módulo de ajuste de curva configurado para ajustar a curva dos primeiros dados de atraso e dos segundos dados de atraso e para emitir os dados de ajuste da curva ao módulo de ângulo de vento.
  5. 5. Sistema de sensor de velocidade aerodinâmica de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o módulo de dados
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    3 / 5 aéreo inclui um módulo de velocidade aerodinâmica conectado ao módulo de ângulo de vento para receber dados de ângulo de vento a partir dos quais o módulo de velocidade está operativamente conectado a um ou mais módulos de medição de atraso para receber os primeiros dados de atraso e os segundos dados de atraso, em que o módulo de velocidade aerodinâmica é configurado para determinar a TAS com base no ângulo de vento, nos primeiros dados de atraso e nos segundos dados de atraso e para emitir os sinal de TAS.
  6. 6. Sistema de sensor de velocidade aerodinâmica de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o módulo de dados aéreos inclui um módulo de velocidade do som (speed of sound, SOS) conectado operacionalmente ao módulo de velocidade aerodinâmica para receber o sinal de TAS, em que o módulo de SOS é conectado operacionalmente aos um ou mais módulos de medição para receber os primeiros dados de atraso e os segundos dados de atraso, em que o módulo de SOS é operacionalmente conectado ao módulo de ângulo de vento, em que o módulo de SOS está operacionalmente conectado ao módulo de ângulo de vento para receber dados de ângulo de vento, em que o módulo de SOS é configurado para determinar uma SOS com base no sinal de TAS, o primeiro e segundo dados de atraso e para emitir dados de SOS.
  7. 7. Sistema de sensor de velocidade aerodinâmica de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o módulo de SOS é configurado para determinar o número de Mach a partir da SOS e para emitir um sinal de número de Mach.
  8. 8. Sistema de sensor de velocidade aerodinâmica de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o módulo de dados aéreos inclui um módulo de temperatura de ar estático conectado operativamente ao módulo de SOS para receber os dados de SOS para determinar uma temperatura de ar estático (static air temperature, SAT) baseada na SOS e para emitir um sinal de SAT.
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    4 / 5
  9. 9. Sistema de sensor de velocidade aerodinâmica de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o módulo de dados aéreos inclui um multiplexador (MUX) entre um ou mais módulos de medição de atraso e pelo menos um outro módulo do módulo de dados aéreos, o MUX sendo configurado para receber os primeiros dados de atraso e os segundos dados de atraso de um ou mais módulos de medição de atraso e para multiplexar os dados.
  10. 10. Sistema de sensor de velocidade aerodinâmica de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira distância radial e a segunda distância radial são as mesmas.
  11. 11. Sistema de sensor de velocidade aerodinâmica de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os primeiro e segundo receptores acústicos compreendem microfones de sistemas microeletromecânicos (MEMS).
  12. 12. Sistema de sensor de velocidade aerodinâmica de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o módulo de dados aéreos é configurado para determinar se um receptor acústico é sombreado, definindo um tempo máximo de resposta e para ignorar quaisquer sinais dos receptores acústicos sombreados.
  13. 13. Método implementado por computador, caracterizado pelo fato de que compreende:
    emitir um pulso acústico usando pelo menos um transmissor acústico;
    receber, pela primeira vez, o pulso acústico utilizando um primeiro receptor acústico posicionado a uma distância radial do pelo menos um transmissor acústico; fornecimento de um primeiro sinal de receptor do primeiro receptor acústico em resposta ao recebimento do pulso acústico;
    receber, pela segunda vez, o pulso acústico utilizando um segundo receptor acústico posicionado a uma distância radial do pelo menos
    Petição 870190079381, de 15/08/2019, pág. 45/59
    5 / 5 um transmissor acústico e alinhado com um eixo que se estende através de cada um dos pelo menos um transmissor acústico e primeiro receptor acústico;
    determinar um primeiro atraso de sinal entre o primeiro receptor acústico e o transmissor acústico;
    determinar um segundo atraso de sinal entre o segundo receptor acústico e o transmissor acústico;
    determinar uma velocidade aerodinâmica real (TAS) baseada no primeiro atraso do sinal, no segundo atraso do sinal e no ângulo de vento; e emitir um sinal de TAS para um sistema de aeronave.
  14. 14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a determinação do ângulo de vento com base no primeiro atraso do sinal e no segundo atraso do sinal.
  15. 15. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que ainda a determinação de uma velocidade de som (SOS) com base no ângulo de vento, na TAS, no primeiro atraso do sinal e no segundo atraso do sinal.
  16. 16. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a determinação de um número de Mach baseado na SOS e emitindo o número de Mach para um sistema de aeronave.
  17. 17. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que compreende ainda a determinação de uma temperatura de ar estático (SAT) com base na SOS e a emissão da temperatura do ar estático para um sistema de aeronave.
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