CN108139425B - 空速测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可在水平方向测量低速飞行器的空速的技术。空速测量系统是低速飞行器用的空速测量系统，具备可对低速飞行器的飞行状态中的水平方向的至少两个轴测量空速的流量传感器。

Description

空速测量系统

技术领域

本发明涉及空速测量系统。

背景技术

目前，提案有基于空速和地速求出局地风速场的技术(例如，专利文献1)。此外，专利文献1的技术记载的是应用于直升机、航空器的技术。另外，该文献记载了不使用空速传感器(airspeed sensor)时的处理。另外，也提案有如下技术，即，基于无人机(UAV：Unmanned Aerial Vehicle)的所推定出的地速，将UAV的加速度模型化，并且通过与由传感器测量出的实际加速度之差的积分，来推定风速(例如，专利文献2)。该文献中也记载有通过所推定出的风速和地速的合计来推定空速的内容。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第9031719号说明书

专利文献2：特开2011－246105号公报

发明所要解决的课题

比较小型且低速的飞行器即多用途直升机、多转子UAV、其他小型无人机通常都是由电池驱动的，不能说是能够连续飞行的时间长。目前，在可飞行时间的推定上，例如使用加速度，但因为可飞行时间受飞行速度、风速影响，所以难以实现可飞行时间的精确推定。此外，例如，皮托管那样的航空器用的现有的空速计是测量单向空速的空速计，难以应用于可全方位地移动的飞行器。

发明内容

本发明是鉴于上述那种问题而完成的，其目的在于，提供一种可在水平方向全方位地测量低速飞行器的空速(airspeed)的技术。

用于解决课题的技术方案

本发明的空速测量系统是低速飞行器用的空速测量系统，具备可对低速飞行器的飞行状态的水平方向的至少两个轴测量空速的流量传感器。

根据这种空速测量系统，可在水平方向测量低速飞行器的空速。

流量传感器也可以是可对低速飞行器的飞行状态的水平方向的相互正交的两个轴测量空速的双轴流量传感器。具体地说，通过这种结构，能够有效地测量水平方向的空速。

另外，双轴流量传感器也可以是以使规定轴向正交的状态将至少一个热源和配置于热源的规定轴向两侧的温度传感器配置有两组的热式双轴流量传感器。特别是因为热式流量传感器的低速域的灵敏度良好，所以成为适合测量低速飞行器的空速的结构。

另外，空速测量系统还可以具备可对低速飞行器的飞行状态的垂直方向的轴测量空速的单轴流量传感器。据此，能够基于测量出的垂直方向的空速，检测急剧的垂直下降、上升气流。如果能够检测这种信息，则用于低速飞行器的平衡控制等。

另外，单轴流量传感器也可以是包含热源和配置于该热源的低速飞行器的飞行状态的垂直方向两侧的温度传感器而构成的热式单轴流量传感器。具体地说，可利用这种结构的热式流量传感器。

另外，也可以还具备测量低速飞行器的周围温度的温度传感器、测量低速飞行器的周围气压的气压传感器、测量低速飞行器的周围地磁的地磁传感器中的至少一个。通过进一步使用这些传感器的测量数据，例如既能够提高空速测量系统测量的空速的精度，又能够求出绝对风向的方位角。

另外，低速飞行器也可以是具备多个旋翼的多用途直升机，所述多个旋翼在飞行状态下具有垂直方向的旋转轴。空速测量系统可优选应用于这种多用途直升机。

另外，低速飞行器也可以具备飞行器主体和在从飞行状态的上下方向观察时配置于该飞行器主体的周围的多个旋翼，流量传感器也可以设置于飞行器主体。在飞行器主体的周围具备多个旋翼的多用途直升机的情况下，通过在飞行器主体上设置流量传感器(例如，双轴流量传感器)，能够抑制测量值受到旋翼产生的气流的影响。

另外，低速飞行器也可以具备飞行器主体和在从飞行状态的上下方向观察时配置于该飞行器主体的周围的多个旋翼，单轴流量传感器也可以相对于飞行器主体而配置于旋翼的外侧。这样的话，成为抑制测量值受到旋翼产生的气流的影响的同时，能适合测量垂直方向的空速的结构。

此外，用于解决课题的方案所记载的内容能够在不脱离本发明的课题、技术思想的范围内尽可能地组合。

发明效果

能够提供一种可在水平方向的全方位测量低速飞行器的空速的技术。

附图说明

图1是表示具备空速测量系统的多用途直升机之一例的装置构成图；

图2是表示水平流量传感器之一例的立体图；

图3是表示水平流量传感器之一例的平面图；

图4是表示水平流量传感器之一例的正面图；

图5是表示传感元件之一例的立体图；

图6是用于对传感元件的组成结构进行说明的剖面图；

图7是表示垂直流量传感器之一例的纵剖面图；

图8是表示垂直流量传感器之一例的横剖面图；

图9是表示垂直流量传感器的变形例的横剖面图；

图10是表示传感器的搭载位置的多用途直升机的示意平面图；

图11是表示传感器的搭载位置的多用途直升机的示意正面图；

图12是表示传感器的搭载位置的变形例的多用途直升机的示意正面图；

图13是表示传感器的搭载位置的变形例的多用途直升机的示意平面图；

图14是表示传感器的搭载位置的变形例的多用途直升机的示意平面图；

图15是表示规定方向的风量和传感器的输出值之间的关系的曲线图；

图16是表示具备空速测量系统的多用途直升机的变形例的装置构成图；

图17是用于对使机身倾斜飞行时的空速修正进行说明的图；

图18是表示传感元件的变形例的图。

具体实施方式

下面，利用附图对本发明实施方式的空速测量系统进行说明。此外，以下所示的实施方式是空速测量系统的一个例子，本发明的空速测量系统不局限于下面的构成。

(装置构成)

图1是具备本实施方式的空速测量系统的多用途直升机之一例的装置构成图。多用途直升机1是比较小型且低速的飞行器，在图1的例子中，是具有四个转子(旋翼)的旋翼机。多用途直升机1具备：处理器11、传感器组12、RF(Radio Frequency)通信部13、四组电子调速控制器ESC(Electronic Speed Controller)14及转子15。另外，控制器2基于用户的操作，将用于使多用途直升机1移动的无线信号发送到RF通信部13。

处理器11例如是通用的集成电路，基于传感器组12测量出的传感数据、RF通信部13接收到的来自控制器2的无线信号，控制电子调速控制器ESC14。即，处理器11与该处理器11执行的程序合作而作为姿势控制部111、移动控制部112等发挥功能。此外，处理器11也可以为规模小的微型控制器等。

传感器组12包含：水平流量传感器121、垂直流量传感器122、温度传感器123、气压传感器124、地磁传感器125。此外，在图1中，虽然省略了图示，但处理器11和各传感器相互连接。水平流量传感器121是流速传感器，能够对相互正交的两个轴测量气体的流速。具体地说，例如，在加热器等即热源的规定轴向两侧具备温度传感器，利用热运动，输出与气体的质量流量相对应的流速。水平流量传感器121包含X轴传感器1211及Y轴传感器1212。X轴传感器1211及Y轴传感器1212分别是单轴流量传感器。另外，也将包含X轴传感器1211及Y轴传感器1212、在平面上的所有方向上测量流速的传感器称为双轴流量传感器。

图2是表示水平流量传感器121之一例的立体图。图3是表示水平流量传感器121之一例的平面图。图4是表示水平流量传感器121之一例的正面图。水平流量传感器121具备X轴传感器1211和Y轴传感器1212。X轴传感器1211及Y轴传感器1212是具备包含加热器、热电元件(thermopile)等的传感元件的热式流量传感器。X轴传感器1211及Y轴传感器1212以相互正交的朝向搭载于基座1213上。另外，在基座1213以及X轴传感器1211及Y轴传感器1212的上方，隔开规定间隔的间隙而设有罩1214。基座1213和罩1214通过四个支柱而连接，如图4的虚线箭头所示，在基座1213和罩1214之间，空气沿水平方向穿过。

图5是表示X轴传感器及Y轴传感器所使用的传感元件之一例的立体图。另外，图6是用于对传感元件的组成结构进行说明的剖面图。传感元件3具备：加热器31、隔着加热器31而设置于两侧的热电元件32、设置于更外侧的周围温度传感器33。在它们的上下形成有绝缘薄膜，并设置于硅基座上。另外，在加热器31及热电元件32的下方的硅基座上设有空腔(空洞)。加热器31例如是由多晶硅形成的电阻体。图6是用虚线的椭圆示意地表示加热器31发热时的温度分布的图。此外，虚线越粗，表示温度越高。在空气不流通的情况下，如图6的上段(1)所示，加热器31两侧的温度分布大致均等。另一方面，例如，在图6的下段(2)，在空气向虚线箭头所示的方向流通的情况下，因为周围的空气会移动，所以下风侧的温度比加热器31的上风侧高。传感元件利用这种加热器热的偏置分布，来测量流速。

输出电压ΔV例如可用下式(1)来表示。

此外，T_h为加热器31的温度，T_a为周围温度传感器33测量出的温度，V_f为流速平均值，A及b为规定的常数。而且，图2～图4所示的水平流量传感器121通过矢量合成，能够求出风速的大小，并且能够求出表示水平方向的风向的偏角。即，空速v可利用下式(2)来求出。

此外，v_x为X轴传感器的输出值，x_y为Y轴传感器的输出值。另外，例如，当设X轴和风向所成的角为θ时，可用下式(3)来表示tanθ。

因此，通过将水平流量传感器121水平地搭载于多用途直升机1，能够测量多用途直升机1的水平方向的空速。此外，在多用途直升机1沿水平方向移动时，往往也会使机身整体倾斜地飞行，但基于在上述的水平流量传感器121的基座1213和罩1214之间穿过的气流，能够大致正确地测量水平方向的空速。即，在飞行中，即使有包含水平流量传感器121的两个轴的面从水平倾斜的情况，也包含在本发明的范畴内。

另外，垂直流量传感器122也是流速传感器，能够对规定方向的一个轴测量气体的流速。测量的组成结构与水平流量传感器121同样。此外，在垂直流量传感器122的情况下，不进行矢量合成就能够测量空速的大小，基于输出值的大小，也能够判断一个轴上的气流的朝向。

图7是表示垂直流量传感器122之一例的纵剖面图。图8是表示垂直流量传感器122之一例的横剖面图。垂直流量传感器122通过在管状壳体1221内配设单轴流量传感器1222而形成。单轴流量传感器1222含有上述传感元件，测量在管内流通的气流的速度。例如，壳体1221例如为直管，管轴向和传感元件检测流速的一个轴向相同。如图8所示，垂直流量传感器122的壳体1221例如是横截面为圆形的管状。此外，如图9所示，垂直流量传感器122的壳体1221也可以是横截面为矩形的管状，横截面也可以为其他形状。另外，壳体1221也可以不采用直管式构造，而是采用使用设置于从主流路分支的副流路上的传感器来修正流速、流量的旁通式、设置使流路弯曲而成的离心分离室而分离异物的旋风式等防止异物向壳体内侵入的构造。只要将这种垂直流量传感器122以管轴向(即，测量方向)为垂直方向的方式搭载于多用途直升机1，就能够测量多用途直升机的垂直方向的空速。

另外，温度传感器123是利用热电偶、测温电阻体等的传感器，测量多用途直升机1周围的温度(气温)。气压传感器124是压电式等压力传感器。例如，也可以为测量以真空为基准的压力的绝对压力传感器。地磁传感器125是使用霍尔元件、磁阻效应元件、磁阻抗元件等的双轴或三轴的所谓电子罗盘。

另外，RF通信部13例如使用规定频率的电磁波，与控制器2进行无线通信，从用户接受指示。此外，也可以基于传感器组12的输出，向控制器2发送警告等。电子调速控制器ESC14根据来自处理器11的信号，控制转子15的旋转速度。

此外，本发明的空速测量系统至少具备水平流量传感器121。即，传感器组12也可以不具备图1所示的传感器的一部分。例如，即使是仅具备水平流量传感器121的构成，也能够在水平方向上测量低速飞行器的空速。

(传感器的搭载位置)

图10是表示传感器的搭载位置的多用途直升机1的示意平面图。图11是表示传感器的搭载位置的多用途直升机1的示意正面图。另外，图10及图11例示的是水平流量传感器121及垂直流量传感器122的搭载位置。例如，水平流量传感器121设置于多用途直升机1的主体16的中央上部。水平流量传感器121因为测量水平的所有方向的空速，所以可降低转子15产生的气流的影响，因此，在俯视时，设置于四个转子15的大致中央。

另外，垂直流量传感器122在分别设置于四个转子15周围的转子缓冲器的外侧各设有一个。垂直流量传感器122也为了降低转子15产生的气流的影响，设置于在俯视时不与转子15的旋转范围重叠的位置。另外，垂直流量传感器122设置于在俯视时也不与多用途直升机1重叠的位置，以使气流在壳体1221内穿过。此外，如图所示，在设有多个垂直流量传感器122的情况下，通过求出各自测量出的空速的平均值，能够降低噪音的影响。

图12是表示传感器的搭载位置的变形例的多用途直升机1的示意正面图。在图12的例子中，水平流量传感器121经由支承部17支承在多用途直升机1的主体16的垂直上方。这样的话，即使在沿着多用途直升机1的主体16的形状而形成气流的情况下，水平流量传感器121也能够尽可能地不受影响。此外，水平流量传感器121也可以设置于多用途直升机1的主体16的垂直下方。另外，也可以采用具备多个水平流量传感器121的结构。

图13及图14是表示传感器的搭载位置的变形例的多用途直升机1的示意平面图。在图13及图14的例子中，垂直流量传感器122设置于多用途直升机1的主体16的周围，即，设置于四个转子15的内侧。在变形例中，垂直流量传感器122设置于在俯视时不与转子15的旋转范围及多用途直升机1重叠的位置。此外，垂直流量传感器122也可以为不设置多个而是设置一个的结构。

此外，未图示的温度传感器123、气压传感器124及地磁传感器125例如可搭载于不妨碍飞行的任意位置。

(控制处理及效果)

如上所述，根据空速测量系统的水平流量传感器121，能够在水平方向上测量低速飞行器的空速。特别是通过使用热式流量传感器，成为适合测量低速飞行器的空速的结构。图15是表示传感器的输出值的曲线图，其中，横轴表示的是规定方向的风量，纵轴表示的是空速。另外，实线表示的是上述热式流量传感器的输出，点划线表示的是皮托管的输出。皮托管因为基于压差测量空速，所以低速域的灵敏度下降，例如，难以进行15m/s以下的空速的检测。另一方面，就热式流量传感器而言，低速域的灵敏度良好，非常适合低速飞行器的空速测量。如果能够进行空速的精确测量，则可飞行时间的推定精度也会提高。因而，也可以基于被推定的可飞行时间而输出警告，或者进行变更目的地的处理，以使其能够实现直到用户操作的控制器2为止的飞行。特别是在多用途直升机1自动地进行直到目的地为止的移动控制那样的情况下，也能够通过提高可飞行时间的精度来防止坠落。

另外，如果通过设置垂直流量传感器122来测量垂直方向的空速，则能够检测急剧的垂直下降、上升气流。例如，在进行急剧的垂直下降的情况下，因为要为使硬度下降而使转速的转速下降，所以易发生摆动而破坏机身的平衡。同样地，在受到上升气流的情况下，也会使转子的转速下降，或者会在多个转子受到的气流的大小上产生偏差，从而易破坏机身的平衡。因此，通过测量垂直方向的空速，既能够使处理器11的姿势控制部111进行控制以使其为端正姿势而向水平方向移动，又能够例如向用户操作的控制器2输出警告。

另外，在具备多个垂直流量传感器122的情况下，垂直方向的空速v_z可通过使用下式(4)而取平均来求出。通过分别求出所测量出的空速的平均值，能够降低噪音的影响。

此外，v_zi为各垂直流量传感器122的输出值，n为垂直流量传感器122的搭载数量。

另外，也可以使用水平流量传感器121的输出和垂直流量传感器122的输出，测量三轴的空速v_xyz。三轴的空速v_xyz可通过下式(5)来求出。

为矢量v_xyz和Z轴所成的角。θ为XY平面上的矢量v_xyz的方向和X轴所成的角。

另外，气压传感器例如为现有的绝对压力传感器，能够测量多用途直升机1的高度。上述的水平流量传感器121及垂直流量传感器122均为热式流量传感器，其灵敏度会受到气体密度的影响。即，在基于热移动而测量风速时，例如当高度升高而空气变得稀薄时，灵敏度就会下降。于是，也可以使用气压传感器124及温度传感器123的测量值及如下所述的函数而修正空速。

v_c＝f(v_r，p_a，T)

此外，v_c为修正后的空速，v_r为修正前的空速，p_a为气压或高度信息，T为温度传感器123的测量值所示的温度。

例如，热式流量传感器的温度扩散率D用下式(6)求出，输出灵敏度受气体的温度扩散率左右。

在此，根据以下所示的理想气体的状态方程式(7)和分子量M，如下式(8)那样，可得到气体密度、温度、气压的关系式。

PV＝nRT (7)

此外，P为气压，V为体积，n为物质的量、R为气体常数，T为温度。

当将式进行变形时，温度扩散率和温度及气压的关系可表示成如下式(9)那样。

因而，上述的修正后的空速Vc例如可用如下所述的函数(10)来表示。

此外，D为基准状态的温度扩散率，D′为基于当前的温度及气压的温度扩散率。

另外，通过使用地磁传感器125，对于所求出的空速，可知气流流通的方位角(即，绝对方位)。上述的水平流量传感器121求出的偏角是表示以传感器的朝向为基准的相对方向的信息。如果使用地磁传感器125可得到表示多用途直升机1的朝向的方位角信息，则能够计算出表示气流的朝向的方位角信息。方位角信息例如在进行多用途直升机1的自动移动控制的情况下有用。

(变形例)

图16是表示具备空速测量系统的多用途直升机的变形例的装置构成图。此外，图16的多用途直升机1在与图1的实施方式对应的构成元件上附带同一符号，省略详细说明。变形例的多用途直升机1在处理器11和传感器组12之间装设有传感器集线器控制器(sensor hub controller)18。传感器集线器控制器18是进行传感器组12的控制的运算处理装置。通过进一步设置传感器集线器控制器18，能够降低进行姿势控制或移动控制的处理器11的处理负荷。另外，传感器集线器控制器18也可以基于各传感器的输出，将多用途直升机1的控制信息输出到处理器11。例如，将图示的传感器的至少一部分和传感器集线器控制器18模块化，也能够提供通用的传感器系统。

另外，图2～图4所示的水平流量传感器121采用的是以相互正交的朝向搭载两个单轴流量传感器的结构，但不局限于这种例子。例如，通过采用分别在以一个热源为中心而直行的两个轴上且在热源两侧装设有具备温度传感器的传感元件的结构，也能够实现双轴流量传感器。

另外，在上述的例子中，表示的是具有四个转子的多用途直升机，但也可以应用于其他低速飞行器。例如，转子数也可以为8个等，也可以为具备一个主转子的直升机。另外，也可应用于能够使转子的角度相对于机身而倾斜的倾斜转子机、喷气式的飞船等。

(基于机身倾斜的空速修正)

图17是用于对使机身倾斜飞行时的空速修正进行说明的图。在本变形例中，例如，具备基于检测静电容量方式、压电方式的三轴加速度传感器。另外，上述的实施方式的水平流量传感器121的两个轴和三轴加速度传感器的X轴及Y轴一致。而且，基于三个轴的加速度，能够计算出机身的倾斜角度θ，使用θ，能够求出真正水平方向的加速度v_x’。

图17表示的是X－Z平面的三轴加速度传感器的测量值之一例。而且，三轴加速度传感器测量X向的测量值a_x(虚线箭头)、Y向的测量值a_y(未图示)、Z向的测量值a_z(虚线箭头)。这时，因为重力方向(真正垂直方向)的加速度G已知，所以倾斜角度cosθ用下式(11)求出。

如上所述，实施方式的水平流量传感器121的两个轴和三轴加速度传感器的X轴及Y轴一致。因而，当用倾斜角度cosθ表示水平流量传感器121的测量值(在图的例子中X轴传感器1211的测量值)v_x(实线箭头)和真正X向的测量值v_x’(实线箭头)之间的关系时，如下式(12)所示。

因而，将式进行变形，通过下式(13)，求出真正X轴向的加速度v_x’。Y轴向也同样。

(流量传感器的变形例)

例如，水平流量传感器不局限于测量正交的两个轴。图18的传感元件在以加热器为中心的平面上且在距加热器等距离的圆周上等间隔地具备六个热电元件32。即，本变形例的水平流量传感器可以说是采取了在水平面上间隔120°的三个轴。即使是这种结构，也能够测量从温度低的方向朝向温度高的方向流通的气流，所以能够计算出空速。总而言之，通过使用至少对两个轴测量空速的流量传感器，能够计算出空速。

符号说明

1 多用途直升机

11 处理器

111 姿势控制部

112 移动控制部

12 传感器组

121 水平流量传感器

1211 X轴传感器

1212 Y轴传感器

122 垂直流量传感器

1221 壳体

1222 单轴流量传感器

123 温度传感器

124 气压传感器

125 地磁传感器

13 RF通信部

14 电子调速控制器ESC

15 转子

16 主体

17 支承部

18 传感器集线器控制器

2 控制器

3 传感元件

31 加热器

32 热电元件

33 周围温度传感器

Claims (8)

1.一种空速测量系统，其是低速飞行器用的空速测量系统，其特征在于，

具备：

流量传感器，其可对所述低速飞行器的飞行状态中的水平方向的至少两个轴测量空速；

基座，其在大致平面上搭载所述流量传感器；

罩，其在与所述基座之间具有所述流量传感器，且以在与所述基座之间空气沿水平方向穿过的方式，通过支柱隔开规定间隔与所述基座连接；

单轴流量传感器，其可对所述低速飞行器的飞行状态中的垂直方向的轴测量空速；

管状的壳体，其以管轴方向为垂直方向的方式搭载于所述低速飞行器，在内部配设有所述单轴流量传感器。

2.如权利要求1所述的空速测量系统，其特征在于，

所述流量传感器是可对所述低速飞行器的飞行状态中的水平方向的相互正交的两个轴测量空速的双轴流量传感器。

3.如权利要求2所述的空速测量系统，其特征在于，

所述双轴流量传感器是将至少一个热源和配置于热源的一轴向两侧的一组温度传感器以使所述一轴向正交的状态配置有两组的热式双轴流量传感器。

4.如权利要求1所述的空速测量系统，其特征在于，

所述单轴流量传感器是包含热源和配置于该热源的所述低速飞行器的飞行状态中的垂直方向两侧的温度传感器而构成的热式单轴流量传感器。

5.如权利要求1～4中任一项所述的空速测量系统，其特征在于，

还具备测量所述低速飞行器的周围温度的温度传感器、测量所述低速飞行器的周围气压的气压传感器、测量所述低速飞行器的周围地磁的地磁传感器中的至少一个。

6.如权利要求1～4中任一项所述的空速测量系统，其特征在于，

所述低速飞行器是具备多个旋翼的多用途直升机。

7.如权利要求1～4中任一项所述的空速测量系统，其特征在于，

所述低速飞行器具备飞行器主体和在从飞行状态中的上下方向观察时配置于该飞行器主体的周围的多个旋翼，所述流量传感器设置于所述飞行器主体。

8.如权利要求1所述的空速测量系统，其特征在于，

所述低速飞行器具备飞行器主体和在从飞行状态中的上下方向观察时配置于该飞行器主体的周围的多个旋翼，所述单轴流量传感器相对于所述飞行器主体配置于旋翼的外侧。

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