CN102662078B - 一种直升机多轴式全向空速传感器 - Google Patents

Abstract

一种直升机多轴式全向空速传感器，它含有外壳、轴0正方向气压管、轴0正方向气压计、轴1正方向气压管、轴1正方向气压计、轴2正方向气压管、轴2正方向气压计、轴3正方向气压管、轴3正方向气压计、轴0负方向气压管、轴0负方向气压计、轴1负方向气压管、轴1负方向气压计、轴2负方向气压管、轴2负方向气压计、轴3负方向气压管、轴3负方向气压计和微处理器，它沿机身纵轴安装在直升机下方，轴0，1，2…(n-1)以顺时针方向均布在外壳圆周上，并都通过外壳中心点；微处理器位于外壳的中央；每个轴沿径向反向布置两个气压计，根据该轴两端气压计所测量的气压差计算沿该轴的空速分量；本发明可以全方向、高精度地测量直升机的空速。

Description

一种直升机多轴式全向空速传感器

技术领域

本发明涉及一种直升机多轴式全向空速传感器，它是用于测量直升机空速的传感器，能够准确、可靠地测量直升机空速的大小和方向。主要应用在航空航天、直升机和无人机等技术领域。

背景技术

准确地测量前飞或后飞的空速对于直升机的安全飞行相当重要。然而由于目前直升机通常采用空速管测量空速，其只能测量前飞速度，而不能测量后飞速度，在实际飞行中造成不便及隐患。此外，传统的空速需要空速管和侧滑传感器分别测量，其结构复杂，重量大。此外，直升机流场复杂，飞行速度低，使得空速的测量十分困难。

专利201110149574.1中提出了直升机双轴式空速检测系统，部分解决了上述问题，但是精度、可靠性都不高，在某个气压计或气压管有故障后，该双轴式检测系统无法继续使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直升机多轴式全向空速传感器。它利用在水平圆周内径向多轴均布的多个气压计，可以全方向、高精度地检测直升机飞行过程中空速引起的气压差，避免单某个气压计或气压管故障带来的数据异常。

见图1、图2，本发明一种直升机多轴式全向空速传感器的特征在于它含有：外壳、轴0正方向气压管、轴0正方向气压计、轴1正方向气压管、轴1正方向气压计、轴2正方向气压管、轴2正方向气压计、轴3正方向气压管、轴3正方向气压计、轴0负方向气压管、轴0负方向气压计、轴1负方向气压管、轴1负方向气压计、轴2负方向气压管、轴2负方向气压计、轴3负方向气压管、轴3负方向气压计和微处理器19，其位置连接关系是：

一种直升机多轴式全向空速传感器沿机身纵轴安装在直升机下方，轴0，1，2…(n-1)（n为偶数）以顺时针方向均匀分布在外壳圆周上，并都通过外壳中心点；轴0与外壳的纵轴

重合，以向前为正；轴2与外壳的横轴

重合，以向右为正；其余轴以外壳1、4象限内为正方向；微处理器位于外壳的中央；每个轴沿径向反向布置两个气压计，根据该轴两端气压计所测量的气压差计算沿该轴的空速分量；

该外壳部分为飞碟型，其功能是将微处理器、气压管和气压计整合安装在一起，方便安装在机身底部；该气压管和气压计配合使用共8组，用于测量四个不同方向的气压差并将所得数据传给微处理器；该微处理器为PIC单片机，通过内置的函数表对从气压计传来的数据进行处理最终获得空速值。

当直升机与空气出现相对运动时，多轴式全向空速传感器的空速差将引起气压变化，并为每个轴（正、负方向）的气压计所检测，微处理器通过对比轴i正方向气压计和负方向气压计的测量值，可以利用空速函数f_V计算出沿轴i的空速分量（标量），由于每个轴的安装方向固定且已知，可得到出沿轴i的空速分量（矢量），因此：

根据传感器的排列可知，轴i与轴i+n/2(i＝0,1…(n/2-1))正交，根据正交条件，可由两两正交的轴i和轴(i+n/2)(i＝0,1…(n/2-1))计算出在轴i测量得到的空速矢量，两两合成正交轴的空速分量（矢量），可得到i+1个空速矢量(i＝0,1…(n/2-1))。将此i+1个空速矢量进行对比，删除错误项，处理拟合后即可得到直升机空速矢量。

本发明的优点在于：通过在水平圆周内多轴均布的多个气压计，可以全方向、高精度地测量直升机的空速大小及方向，即同时测量得到前飞速度、侧滑速度和侧滑角；由于该空速传感器体积小、重量轻，可方便地安装在直升机下方，不影响正常飞行；此外，本发明还有可靠性高，价格低廉的优点，适用于直升机尤其是无人直升机。

附图说明

一种直升机多轴式全向空速传感器共有2n个气压计，沿n个轴（轴编号为0，1，2…(n-1)）在圆周内均匀排列。为便于说明问题，在此以4轴为特例，并绘图如图1，2，3所示。

图1是一种直升机多轴式全向空速传感器在直升机上的安装示意图。

图2是一种直升机多轴式全向空速传感器的结构示意图。

图3是一种直升机多轴式全向空速传感器的测量原理图。

图中，1.直升机，2.外壳，3.轴0正方向气压管，4.轴0正方向气压计，5.轴1正方向气压管，6.轴1正方向气压计，7.轴2正方向气压管，8.轴2正方向气压计，9.轴3正方向气压管，10.轴3正方向气压计，11.轴0负方向气压管，12.轴0负方向气压计，13.轴1负方向气压管，14.轴1负方向气压计，15.轴2负方向气压管，16.轴2负方向气压计，17.轴3负方向气压管，18.轴3负方向气压计，19.微处理器。图3中数字符号与图2对应，V_空速是空速的幅值，β是侧滑角，V_ix(i=0,1,2,3)是空速的沿各轴向分量，V_iy(i=0,1,2,3)是空速沿各轴切向分量。

具体实施方式

见图1、图2、图3，在4轴的情况下，本发明一种直升机多轴式全向空速传感器由外壳2、轴0正方向气压管3、轴0正方向气压计4、轴1正方向气压管5、轴1正方向气压计6、轴2正方向气压管7、轴2正方向气压计8、轴3正方向气压管9、轴3正方向气压计10、轴0负方向气压管11、轴0负方向气压计12、轴1负方向气压管13、轴1负方向气压计14、轴2负方向气压管15、轴2负方向气压计16、轴3负方向气压管17、轴3负方向气压计18和微处理器19组成。

一种直升机多轴式全向空速传感器沿机身纵轴安装在直升机1下方。轴0，1，2…(n-1)（n为偶数）以顺时针方向均匀分布在外壳2的圆周上，并都通过外壳2的中心点。其中轴0与外壳2的纵轴重合，以向前为正；轴2与外壳2的横轴重合，以向右为正；其余轴以外壳1、4象限内为正方向；微处理器19位于外壳2的中央。

每个轴沿径向向外，布置两个反向的气压计和气压管。根据该轴两端气压计所测量的气压差计算沿该轴的空速分量。

当直升机1与空气出现相对运动时，多轴式全向空速传感器的周围将产生空速差。根据伯努利原理可知，空速变化会引起气压变化，并为每个轴正、负方向的气压计所检测。以4轴的情况为例，当出现空速V_空速∠β时

(i＝0,1,2…(n-1))

其中，V_空速是空速的幅值，侧滑角β是空速来流方向，且以右前侧为正方向；p_i正和V_i正为轴i正方向气压管3，5，7，9中的气压和空速，p_i后和V_i后为为轴i负方向气压管11，13，15，17中的气压和空速；ρ为空气密度，C为常数。

在多轴式全向空速传感器轴i的迎风一侧，由于气流在气压管前形成驻点而停止，气压升高；在轴i的背风一侧空速增加，气压降低。

微处理器19通过对比轴i正方向气压计4，6，8，10和负方向气压计12，14，16，18的测量值，可以利用伯努利原理得到空速函数f_V，用以计算沿轴i的空速分量（标量）。

V_ix=f_V(p_i正-p_i负),(i=0,1,2…(n-1))

由于每个轴的安装方向固定且已知，可以计算出沿轴i的空速分量（矢量）：

(i=0,1,2…(n-1))

通过合成各个轴的空速分量（矢量），处理拟合后即可得到直升机1的空速矢量。

根据气压计4，6，8，10，12，14，16，18的排列可知，轴i与轴i+n/2正交。以4轴为例，轴0和轴2正交，轴1与轴3正交。根据正交条件，可知：

V_iy=V_(i+n/2)x

由此可由两两正交的轴i和轴(i+n/2)计算出在轴i测量得到的空速矢量：

(i＝0,1…(n/2-1))

对各轴空速

进行比较，删除错误项，其它项求平均值以提高检测精度。无故障情况下，空速值如下所示：

$=\frac{2}{n}\underset{i=0}{\overset{n/2-1}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{V_{\mathrm{ix}}^2+V_{(i+n/2)x}^2}\∠\frac{2}{n}\underset{i=0}{\overset{n/2-1}{\mathrm{\Σ}}}(\arctan (V_{(i+n/2)x}/V_{\mathrm{ix}})-\frac{\mathrm{\π}}{n}i),$ (i=0,1…(n/2-1))

其中，直升机1的空速大小为：

直升机1的空速方向即侧滑角为：

$\mathrm{\β}=\frac{2}{n}\underset{i=0}{\overset{n/2-1}{\mathrm{\Σ}}}(\arctan (V_{(i+n/2)x}/V_{\mathrm{ix}})-\frac{\mathrm{\π}}{n}i)$

直升机1的前飞速度（相对空气）为空速V_空速在纵轴

上的分量：

需要注意的是，轴的个数越多，则空速测量的精度越高，但系统会越复杂。由于不同直升机1以及不同安装位置的流场存在差异，所以在应用本发明前需进行实验。根据实际情况，分别对各轴的空速分量计算函数f_V进行修正，以提高直升机1空速的测量精度。

Claims (1)

1.一种直升机多轴式全向空速传感器，其特征在于：它含有外壳、轴0正方向气压管、轴0正方向气压计、轴1正方向气压管、轴1正方向气压计、轴2正方向气压管、轴2正方向气压计、轴3正方向气压管、轴3正方向气压计、轴0负方向气压管、轴0负方向气压计、轴1负方向气压管、轴1负方向气压计、轴2负方向气压管、轴2负方向气压计、轴3负方向气压管、轴3负方向气压计和微处理器；

全向空速传感器沿机身纵轴安装在直升机下方，轴0，1，2…(n-1)，n为偶数，以顺时针方向均匀分布在外壳圆周上，并都通过外壳中心点；轴0与外壳的纵轴

重合，以向前为正；轴2与外壳的横轴

重合，以向右为正；其余轴以外壳1、4象限内为正方向；微处理器位于外壳的中央；每个轴沿径向反向布置两个气压计，根据该轴两端气压计所测量的气压差计算沿该轴的空速分量；

该外壳为飞碟型，其功能是将微处理器、气压管和气压计整合安装在一起，方便安装在机身底部；该气压管和气压计配合使用共8组，用于测量四个不同方向的气压差并将所得数据传给微处理器；该微处理器为PIC单片机，通过内置的函数表对从气压计传来的数据进行处理最终获得空速值；

当直升机与空气出现相对运动时，多轴式全向空速传感器的周围将产生空速差；根据伯努利原理可知，空速变化会引起气压变化，并为每个轴正、负方向的气压计所检测；当出现空速V_空速∠β时

其中，V_空速是空速的幅值，侧滑角β是空速来流方向，且以右前侧为正方向；p_i正和V_i正为轴i正方向气压管中的气压和空速，p_i负和V_i负为轴i负方向气压管中的气压和空速；ρ为空气密度，C为常数；

在多轴式全向空速传感器轴i的迎风一侧，由于气流在气压管前形成驻点而停止，气压升高；在轴i的背风一侧空速增加，气压降低；

微处理器通过对比轴i正方向气压计和负方向气压计的测量值，利用伯努利原理得到空速函数f_V，用以计算沿轴i的空速分量；

V_ix=f_V(p_i正-p_i负),i=0,1,2…(n-1)

由于每个轴的安装方向固定且已知，计算出沿轴i的空速分量：

$V_{\mathrm{ix}}\∠\frac{\mathrm{\π}}{n}i,i=\mathrm{0,1,2}\·\·\·(n-1)$

通过合成各个轴的空速分量，处理拟合后即可得到直升机的空速矢量；

根据气压计的排列可知，轴i与轴i+n/2正交；轴0和轴2正交，轴1与轴3正交；根据正交条件，可知：V_iy=V_(i+n/2)x

由此由两两正交的轴i和轴(i+n/2)计算出在轴i测量得到的空速矢量：

对各轴空速

进行比较，删除错误项，其它项求平均值以提高检测精度；无故障情况下，空速值如下所示：

其中，直升机的空速大小为：

直升机的空速方向即侧滑角为：

$\mathrm{\β}=\frac{2}{n}\underset{i=0}{\overset{n/2-1}{\mathrm{\Σ}}}(\arctan (V_{(i+n/2)x}/V_{\mathrm{ix}})-\frac{\mathrm{\π}}{n}i)$

直升机的前飞速度为空速V_空速在纵轴

上的分量：

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