CN113654707A - 基于压力和流速的大气参数传感系统和需求参数计算方法 - Google Patents

基于压力和流速的大气参数传感系统和需求参数计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于压力和流速的大气参数传感系统和需求参数计算方法，所述系统包括：用于获取压力数据和流速数据的传感模块；用于承载所述传感模块且与所述传感模块电连接的柔性基底电路板；控制电路，用于通过所述柔性基底电路板控制所述传感模块获取所述压力数据和所述流速数据；上位机，用于接收并存储所述压力数据和所述流速数据，并根据所述压力数据和所述流速数据得到解算需求参数。本发明通过获取压力和流速，基于此可以高效地、精准地得到需求参数，提高了需求参数的可靠性，并实现了系统的模块化。

Description

基于压力和流速的大气参数传感系统和需求参数计算方法
技术领域
本发明涉及飞行参数技术领域，特别是涉及一种基于压力和流速的大气参数传感系统和需求参数计算方法。
背景技术
飞行器在飞行过程中需要进行准确的飞行控制以保证飞行器的飞行安全，而要实现精准的飞行控制，最重要的就是能够实时的获取飞行器的各个飞行参数，如飞行器的侧滑角、攻角、马赫数等。在得到这些数据参数后，飞行员便可迅速做出判断并做出决策，确保飞行器的飞行安全。
传统的大气数据测量是基于空速管的探针式传感系统，一般包括外露的皮托管、攻角传感器、侧滑角传感器等。这种测量方式在低速、小攻角的稳态条件下效果良好，但随着如今对飞行器速度、机动性、隐身性等要求的不断提高，探针式传感系统逐渐不再能够满足飞行器的设计要求。为解决这些问题，FADS(Flush air data sensing，嵌入式大气传感)系统在随后逐渐发展起来，FADS系统一般通过布置在飞行器前端不同位置的压力传感器阵列来测量压力分布并通过特定算法来解算大气数据。现有的FADS系统依靠飞行器表面的测压孔进行压力数据测量，而测压孔的存在一定程度上破坏了飞行器的气动外形并降低隐身性能，且测压点数量多且分散，难以实现模块化。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供了一种基于压力和流速的大气参数传感系统和需求参数计算方法，通过获取压力数据和流速数据，基于此解算出大气参数，得到需求数据。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于压力和流速的大气参数传感系统，包括：
传感模块，用于获取压力数据和流速数据；
柔性基底电路板，所述传感模块设置在所述柔性基底电路板上，所述传感模块与所述柔性基底电路板电连接；
控制电路，与所述柔性基底电路板连接，用于通过所述柔性基底电路板控制所述传感模块获取所述压力数据和所述流速数据，并接收所述压力数据和所述流速数据；
上位机，与所述控制电路连接，用于接收并存储所述压力数据和所述流速数据，并根据所述压力数据和所述流速数据得到解算需求参数。
优选地，所述传感模块包括：
N个压力传感单元，设置在所述柔性基底电路板上，且均与所述柔性基底电路板电连接，用于获取所述压力数据；N为大于或等于3的正整数；
N个流速传感单元，设置在所述柔性基底电路板上，且均与所述柔性基底电路板电连接，用于获取所述流速数据。
优选地，各所述压力传感单元沿直线等间距分布，各所述流速传感单元沿同方向呈阶梯状等间距分布，且各所述流速传感单元沿中心线对称分布，各所述压力传感单元之间的间距与各所述流速传感单元之间的间距相同。
优选地，各所述流速传感单元与所述柔性基底电路板之间均设置有相同厚度的柔性垫片，所述柔性垫片与所述流速传感单元的厚度之和等于所述压力传感单元的厚度。
优选地，同一直线上的所述压力传感单元与所述流速传感单元之间的间距大于预设间距；所述预设间距为所述压力传感单元的宽度的1.5倍。
优选地，所述柔性基底电路板上涂覆有柔性蒙皮，所述柔性蒙皮的厚度与所述压力传感单元的厚度相同；所述压力传感单元和所述流速传感单元的上表面与所述柔性蒙皮的外表面齐平。
优选地，所述柔性垫片的材质为聚酰亚胺。
本发明还提供了一种基于压力和流速的需求参数计算方法，所述方法适用于上述系统，所述方法包括：
基于训练数据库得到理论需求参数的函数系数；
基于所述压力数据和所述流速数据得到所述理论需求参数；
基于所述函数系数和所述理论需求参数得到解算需求参数。
优选地，所述基于训练数据库得到理论需求参数的函数系数，包括：
基于训练压力数据库和训练流速数据库得到理论需求参数训练数据库；
对真实需求参数训练数据库和所述理论需求参数训练数据库进行做差得到差数据库；
基于所述差数据库和所述理论需求参数训练数据库得到所述理论需求参数的函数系数；
所述训练数据库包括所述训练压力数据库、所述训练流速数据库和所述真实需求参数训练数据库。
优选地，所述解算需求参数为攻角或侧滑角中任意一者。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明涉及一种基于压力和流速的大气参数传感系统和需求参数计算方法，所述系统包括：用于获取压力数据和流速数据的传感模块；用于承载所述传感模块且与所述传感模块电连接的柔性基底电路板；控制电路，用于通过所述柔性基底电路板控制所述传感模块获取所述压力数据和所述流速数据；上位机，用于接收并存储所述压力数据和所述流速数据，并根据所述压力数据和所述流速数据得到解算需求参数。本发明通过获取压力和流速，基于此可以高效地、精准地得到需求参数，提高了需求参数的可靠性，并实现了系统的模块化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于压力和流速的大气参数传感系统结构图；
图2为本发明传感模块和柔性基底电路板结构图；
图3为图2中A-A位置的剖面图；
图4为本发明基于压力和流速的大气参数传感系统安装位置示意图；
图5为本发明基于压力和流速的需求参数计算方法流程图；
图6为本发明基于压力和流速的需求参数计算方法效果图。
符号说明：1-传感模块，2-柔性基底电路板，3-控制电路，4上位机，5-柔性垫片，6-柔性蒙皮，7-机翼，11-压力传感单元，12-流速传感单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于压力和流速的大气参数传感系统和需求参数计算方法，依据获取到的压力和流速，从而快速准确的得到需求参数。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明基于压力和流速的参数传感系统结构图，如图1所示，本发明提供了一种基于压力和流速的参数传感系统，包括：传感模块1、柔性基底电路板2、控制电路3和上位机4。
其中，所述传感模块1用于获取压力数据和流速数据，具体地，如图2所示，所述传感模块1包括N个压力传感单元11和N个流速传感单元12。N为大于或等于3的正整数，本实施例中，N取5。
各所述压力传感单元11和各所述流速传感单元12均固定设置在所述柔性基底电路板2上且均与所述柔性基底电路板2电连接，各所述压力传感单元11用于获取所述压力数据；各所述流速传感单元12用于获取所述流速数据。本实施例中，各所述压力传感单元11均采用绝压式压力传感器，各所述流速传感器均采用热式流速传感器。进一步地，本实施例中，各所述压力传感单元11和各所述流速传感单元12均通过焊接的方式固定设置在所述柔性基底电路板2上。
为了提高数据的鲁棒性，且保持同一点中压力和流速测量的一致性，如图2所示，本发明中各所述压力传感单元11沿直线等间距分布，各所述流速传感单元12沿同方向呈阶梯状等间距分布，且各所述流速传感单元12沿中心线对称分布，各所述压力传感单元11之间的间距与各所述流速传感单元12之间的间距相同。
进一步为了提高获取数据的精度，本发明中各所述流速传感单元12与所述柔性基底电路板2之间均设置有相同厚度的柔性垫片5，从而使得所述流速传感单元12与所述压力传感单元11的工作表面处于同一水平面，即所述柔性垫片5与所述流速传感单元12的厚度之和等于所述压力传感单元11的厚度，如图3所示。本实施例中，所述柔性垫片5的材质为聚酰亚胺。本实施例中，所述压力传感单元11与所述柔性基底电路板2的厚度之和小于1mm，从而实现小型化、轻量化、模块化，通过在安装位置预留微槽即可完成贴装。
优选地，为了防止流速传感单元12在工作过程中的发热会对所述压力传感单元11造成干扰，从而影响所述压力传感单元11的工作状态，本实施例中，同一直线上的所述压力传感单元11与所述流速传感单元12之间的间距大于预设间距；所述预设间距为所述压力传感单元11宽度的1.5倍。
作为一种可选的实施方式，本发明所述柔性基底电路板2上涂覆有柔性蒙皮6，所述柔性蒙皮6的厚度与所述压力传感单元11的厚度相同；所述压力传感单元11和所述流速传感单元12的上表面与所述柔性蒙皮6的外表面齐平；即所述柔性蒙皮6覆盖所述柔性基底电路板2的表面上除了各所述压力传感单元11和各所述流速传感单元12工作表面的其余区域，从而得到一个不破坏气动外形的平滑表面。本实施例中，所述柔性蒙皮6使用设计好的模具一体浇铸于所述柔性基底电路板2的表面。
所述控制电路3与所述柔性基底电路板2连接，所述控制电路3用于通过所述柔性基底电路板2各所述压力传感单元11用于获取所述压力数据、控制各所述流速传感单元12用于获取所述流速数据，同时接收所述压力数据和所述流速数据。所述控制电路为各所述压力传感单元11和各所述流速传感单元12提供电源。
所述上位机4与所述控制电路3连接，所述上位机4用于接收并存储所述压力数据和所述流速数据，并根据所述压力数据和所述流速数据得到解算需求参数。本实施例中，所述上位机4为笔记本电脑、微处理器、单片机和航电系统中任意一者。本实施例中，所述上位机4具有显示器，对所述解算需求参数进行数据输出，亦可对所述压力数据和所述流速数据进行视觉输出。
下述以飞行器为例对本发明基于压力和流速的大气参数传感系统的安装位置进行说明，如图4所示，所述飞行器的翼型为NACA，其中所述传感模块1与所述柔性基底电路板2作为一个整体设置在机翼7的前端，从而可以准确的进行数据的获取，在机翼7的翼腔处进行打洞以放置所述控制电路3，基于此，机翼7的表面无打孔或任何引线，不会破坏整个机翼7的气动外形；所述上位机4位于飞行器内部，可以为飞行器本身的中控单元，也可以为一个单独的电脑等。
图5为本发明基于压力和流速的需求参数计算方法流程图，如图5所示，本发明提供了一种基于压力和流速的需求参数计算方法，所述方法适用于上述系统，所述方法包括：
步骤S1，基于训练数据库得到理论需求参数的函数系数；作为一种可选的实施方式，本发明所述步骤S1包括：
步骤S11，基于训练压力数据库和训练流速数据库得到理论需求参数数据库。
步骤S12，对真实需求参数数据库和所述理论需求参数数据库进行做差得到差数据库。
步骤S13，基于所述差数据库和所述理论需求参数数据库得到所述理论需求参数的函数系数。所述训练数据库包括所述训练压力数据库、所述训练流速数据库和所述真实需求数据库。
步骤S2，基于所述压力数据和所述流速数据得到所述理论需求参数。
步骤S3，基于所述函数系数和所述理论需求参数得到解算需求参数。本实施例中，所述解算需求参数为攻角或侧滑角中任意一者。
以攻角为例对上述方法进行详细说明：
本发明基于三点法对所述攻角进行求解，基于训练数据库中某一组数据，选取任意三点i，j，k；i∈M；j∈M；k∈M，M为压力传感单元/流速传感单元的数量；基于公式P＝qc(cos2θ+εsin2θ)+P∞求得i，j，k三点的压力Pi，Pj，Pk。
式中，P为压力，qc为来流动压，θ为入射角，ε为形压系数，P∞为来流静压。
进一步得到
Figure BDA0003208189350000061
定义：Γij＝Pi-Pj，Γjk＝Pj-Pk，Γki＝Pk-Pi；代入上式得到Γijcos2θk+Γjkcos2θi+Γkicos2θj＝0。
又因θ与α0和β0之间存在如下函数关系，
Figure BDA0003208189350000071
式中：α0为理论攻角，β0为理论侧滑角，φi为第i点的圆周角，λi为第i点的圆锥角。
使β0为0°，则有cosθi＝cosα0cosλ-sinα0sinλ＝acosα0+bsinα0；进一步得到A(tan2α0-1)+2Btanα0＝0。
其中，
Figure BDA0003208189350000072
求解方程到
Figure BDA0003208189350000073
基于流速方程V＝ηV∞sinθ，选取任意两点i，j求解方程并进行平方相除可得
Figure BDA0003208189350000074
式中：V为流速，η为流速系数，V∞为来流流速。
定义：
Figure BDA0003208189350000075
从而得到Πij＝Πicos2θj-Πjcos2θi，同理可得Πjk与Πki。
整理得到Πijcos2θjk+Πjkcos2θi+Πkicos2θj＝0，进一步得到C(tan2α0-1)+2Dtanα0＝0。
其中，
Figure BDA0003208189350000076
求解可以得到
Figure BDA0003208189350000077
对公式Γijcos2θk+Γjkcos2θi+Γkicos2θj＝0与公式Πijcos2θjk+Πjkcos2θi+Πkicos2θj＝0进行相加可以得到cos2θjk+Πjkcos2θi+Πijcos2θjk+Πjkcos2θi+Πkicos2θj＝0，将公式cosθi＝cosα0cosλ-sinα0sinλ＝acosα0+bsinα0代入上式可得E(tan2α0-1)+2Ftanα0＝0。
其中，
Figure BDA0003208189350000081
求解方程，得到
Figure BDA0003208189350000082
基于此，对每一组数据均能求得一个理论攻角，从而得到理论攻角数据库，对真实攻角数据库与理论攻角数据库进行对应做差，可以得到差数据库，基于差数据库和理论攻角数据库得到散点图，进一步进行函数拟合得到理论攻角的函数关系X(α0)。
由此得出解算攻角计算公式：αCalculate＝X(α0)+α0。式中：αCalculate为解算攻角。
基于实时测量得到的压力数据和流速数据代入解算攻角计算公式就可得到实时的解算攻角。
图5为装配了本发明系统的NACA翼型模型在15m/s风速下测试实时输出攻角的结果，具体数值的平均值如表1所示，可以看出系统对于攻角的变化具有快速的响应速率，攻角解算精度<0.4°，并且具有良好的重复性。
表1.攻角对比表
Figure BDA0003208189350000083
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统、方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于压力和流速的大气参数传感系统，其特征在于，包括：
传感模块，用于获取压力数据和流速数据；
柔性基底电路板，所述传感模块设置在所述柔性基底电路板上，所述传感模块与所述柔性基底电路板电连接；
控制电路，与所述柔性基底电路板连接，用于通过所述柔性基底电路板控制所述传感模块获取所述压力数据和所述流速数据，并接收所述压力数据和所述流速数据；
上位机，与所述控制电路连接，用于接收并存储所述压力数据和所述流速数据，并根据所述压力数据和所述流速数据得到解算需求参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于压力和流速的大气参数传感系统，其特征在于，所述传感模块包括：
N个压力传感单元，设置在所述柔性基底电路板上，且均与所述柔性基底电路板电连接，用于获取所述压力数据；N为大于或等于3的正整数；
N个流速传感单元，设置在所述柔性基底电路板上，且均与所述柔性基底电路板电连接，用于获取所述流速数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于压力和流速的大气参数传感系统，其特征在于，各所述压力传感单元沿直线等间距分布，各所述流速传感单元沿同方向呈阶梯状等间距分布，且各所述流速传感单元沿中心线对称分布，各所述压力传感单元之间的间距与各所述流速传感单元之间的间距相同。
4.根据权利要求2所述的一种基于压力和流速的大气参数传感系统，其特征在于，各所述流速传感单元与所述柔性基底电路板之间均设置有相同厚度的柔性垫片，所述柔性垫片与所述流速传感单元的厚度之和等于所述压力传感单元的厚度。
5.根据权利要求3所述的一种基于压力和流速的大气参数传感系统，其特征在于，同一直线上的所述压力传感单元与所述流速传感单元之间的间距大于预设间距；所述预设间距为所述压力传感单元的宽度的1.5倍。
6.根据权利要求4所述的一种基于压力和流速的大气参数传感系统，其特征在于，所述柔性基底电路板上涂覆有柔性蒙皮，所述柔性蒙皮的厚度与所述压力传感单元的厚度相同；所述压力传感单元和所述流速传感单元的上表面与所述柔性蒙皮的外表面齐平。
7.根据权利要求4所述的一种基于压力和流速的大气参数传感系统，其特征在于，所述柔性垫片的材质为聚酰亚胺。
8.一种基于压力和流速的需求参数计算方法，所述方法适用于权利要求1-7任意一项所述的系统，其特征在于，所述方法包括：
基于训练数据库得到理论需求参数的函数系数；
基于所述压力数据和所述流速数据得到所述理论需求参数；
基于所述函数系数和所述理论需求参数得到解算需求参数。
9.根据权利要求8所述的基于压力和流速的需求参数计算方法，其特征在于，所述基于训练数据库得到理论需求参数的函数系数，包括：
基于训练压力数据库和训练流速数据库得到理论需求参数训练数据库；
对真实需求参数训练数据库和所述理论需求参数训练数据库进行做差得到差数据库；
基于所述差数据库和所述理论需求参数训练数据库得到所述理论需求参数的函数系数；
所述训练数据库包括所述训练压力数据库、所述训练流速数据库和所述真实需求参数训练数据库。
10.根据权利要求8所述的基于压力和流速的需求参数计算方法，其特征在于，所述解算需求参数为攻角或侧滑角中任意一者。
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固体火箭技术: "不同布局下高超声速飞行器FADS求解精度", 《固体火箭技术》 *

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