JP5309818B2

JP5309818B2 - 気流状態監視装置

Info

Publication number: JP5309818B2
Application number: JP2008232177A
Authority: JP
Inventors: 政次石場
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: JP2010064586A

Description

本発明は、気流の状態を監視する気流状態監視装置に関するものである。

従来、気流の状態を監視する装置として、圧力変動に基づいて流体流れ（気流）の剥離を検知する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の装置は、圧力変動を検知するセンサを翼部表面（翼面）に備え、センサにより検知した圧力変動に基づいて翼面の流体流れの剥離を検知するものである。
特開２００１−４１１９２号公報

しかしながら、従来の気流状態監視装置にあっては、翼面に設けたセンサが空気抵抗となって翼性能が低下する場合がある。例えば、翼面にセンサを備えることにより翼面に段差が生じ、気流の流れが妨げられて十分に翼性能を発揮することができないおそれがある。

そこで、本発明はこのような技術課題を解決するためになされたものであって、翼性能を低下させることなく翼面の気流の状態を監視することができる気流状態監視装置を提供することを目的とする。

すなわち本発明に係る気流状態監視装置は、飛行機の翼面の気流状態を監視する気流状態監視装置であって、翼面における音を検出する複数の音検出手段と、音検出手段により検出された音の状態に基づいて翼面の気流剥離を検知し、複数の音検出手段により検出された音に基づいて翼面の気流剥離の進行を予測する気流状態検知手段と、を備え、複数の音検出手段は、翼面上に気流の流れに沿って並んでいる測定位置にて音を検出し、気流状態検知手段は、所定周波数以上の周波数を検出した場合には、所定周波数以上の周波数を検出したタイミングで翼面の気流剥離が発生したと検知し、複数の音検出手段により検出された音の周波数に基づいて、機体後方側から進行する気流剥離の進行の速度を算出し、算出された速度に基づいて所定箇所での気流剥離のタイミング又は所定時間経過後の剥離状況を予測することを特徴として構成される。

この発明によれば、翼面における音を検出して、検出した音の状態に基づいて翼面の気流状態を検知することができる。このように、翼面における音の状態により気流状態を検知するので、非接触で気流状態を検知することが可能となる。すなわち、翼面に圧力変動を検出する手段を設ける必要がないので、翼性能を十分に発揮させつつ翼面の気流の状態を監視することができる。さらに、この発明によれば翼面の複数箇所の気流状態を監視することができるので、複数箇所の気流状態に基づいて気流剥離の進行状況を予測することが可能となる。

ここで、音検出手段は、集音可能な形状に構成され、当該形状の焦点における音を取得することが好適である。このように構成することで、翼面における音を集音してより正確に音の状態を検知することができるので、気流状態の判定を正確に行うことが可能となる。

また、集音可能な形状は、パラボラ形状であることが好適である。このように指向性に優れたパラボラ形状とすることで、翼面の所定位置における音を的確に取得することができる。

本発明によれば、翼性能を低下させることなく翼面の気流の状態を監視することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
本実施形態に係る気流状態監視装置は、例えば飛行機の翼部表面の気流状態を監視する場合に好適に採用されるものである。

最初に、本実施形態に係る気流状態監視装置の構成を説明する。図１は本発明の実施形態に係る気流状態監視装置２０を備えた飛行機１０の構成を示すブロック図である。

図１に示す飛行機１０は、例えば、気流状態監視装置２０及び操舵アクチュエータ７を備えており、気流状態監視装置２０は、センサ（音検出手段）３、アンプ５、制御部（気流状態検知手段）６を有している。以下、詳細について図２、３を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る気流状態監視装置２０を備える飛行機１０の斜視図であり、図３は、本実施形態に係る気流状態監視装置２０を備える飛行機１０の翼部における垂直一部断面図である。

図２に示すように、飛行機１０は、機体１１及び翼部１２を有しており、翼部１２に発生する揚力によって高度の維持が可能に構成されている。

図２、３に示すように、翼部１２に対向する機体１１の側部には機体１１内側に凹型に窪んだ集音部１１ａが設けられている。集音部１１ａにおける内壁は、集音可能な形状に形成されており、ここではパラボラ形状とされている。そして、集音部１１ａの内部形状の焦点位置に集音マイク１３が設けられており、翼部１２表面の測定位置Ｐ_１からの音を指向性良く取得可能に構成されている。

センサ３は、上述した集音部１１ａ及び集音マイク１３を備えて構成されている。センサ３は、例えば、集音部１１ａが集音した音を、集音マイク１３を介して検出し、検出した音の周波数を取得する機能を有している。また、センサ３は、取得した音の周波数をアンプ５へ出力する機能を有している。

アンプ５は、センサ３に接続されており、センサ３により出力された信号を増幅する機能を有している。また、アンプ５は、増幅した信号を制御部６へ出力する機能を有している。なお、このアンプ５は、必要に応じて設ければよい。

制御部６は、電子制御するコンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random AccessMemory）、及び入出力インターフェイスなどを備えて構成されている。制御部６は、センサ３により取得された音の状態（例えば、周波数）に基づいて、気流Ｋの剥離を検知する機能を有している。通常の飛行であれば、翼部１２周囲の空気は翼部１２表面に沿って流れるため、気流Ｋは翼部１２表面に沿って層状に発生する。しかし、例えば翼部１２の迎え角が大きくなると、気流Ｋが機体１１後部側の翼部１２表面から徐々に剥離する。気流Ｋが剥離した場合、剥離した箇所の翼部１２表面では空気が脈動してエネルギー的な乱れが生じる。よって、気流Ｋの剥離が発生すると翼部１２表面において圧力変動が生じる。このように発生する圧力変動は、当該位置で検出した音の周波数を用いて検出することができる。このため、制御部６は、翼部１２表面の音の周波数を用いて、翼部１２表面において気流Ｋの剥離が発生したか否かを判定する機能を有している。例えば、測定位置Ｐ_１における音の周波数が所定値より小さい場合には、測定位置Ｐ_１において大きな圧力変動が生じていないため、翼部１２表面の空気は粘性によって翼部１２表面に沿って流れている状態であると判定する機能を有している。一方、測定位置Ｐ_１における音の周波数が所定値以上の場合には、測定位置Ｐ_１において大きな圧力変動が生じており、気流Ｋの剥離が発生している状態（剥離状態）であると判定する機能を有している。また、制御部６は、例えば剥離状態であると判定した場合には、操舵アクチュエータ７へ操舵信号を出力する機能を有している。

操舵アクチュエータ７は、機体１１の姿勢を制御する機械的な構成要素であって、例えば昇降舵が用いられる。操舵アクチュエータ７は、操縦桿を操作することにより手動制御可能に構成されている。さらに、操舵アクチュエータ７は、制御部６に接続され、制御部６から出力された操舵信号に基づいて自動的に動作可能に構成されている。

次に、第１実施形態に係る気流状態監視装置２０の動作について説明する。図４は、第１実施形態に係る気流状態監視装置２０の動作を示すフローチャートである。図４に示す制御処理は、例えば飛行機１０に備わる監視実行ボタンがＯＮされてから所定のタイミングで繰り返し実行される。

図４に示すように、気流状態監視装置２０は、音検出処理から開始する（Ｓ１０）。Ｓ１０の処理は、センサ３が実行し、図３に示す測定位置Ｐ_１における音の周波数を検出する処理である。センサ３は、翼部１２表面の測定位置Ｐ_１の音を収集し、周波数ｆを検出する。Ｓ１０の処理が終了すると、剥離判定処理へ移行する（Ｓ１２）。

Ｓ１２の処理は、制御部６が実行し、Ｓ１０の処理で検出した周波数ｆに基づいて気流Ｋの剥離が発生しているか否かを判定する処理である。制御部６は、例えば、Ｓ１０の処理で検出した周波数ｆの大きさが所定値ｆ_Ｈ以上か否かを判定することによって、翼部１２表面の測定位置Ｐ_１において気流Ｋの剥離が発生したか否かを判定する。この所定値ｆ_Ｈは、例えば、気流Ｋの剥離が発生する際の音の周波数を予め計測やシミュレーション等により取得して定めればよい。Ｓ１２の処理において、翼部１２表面の測定位置Ｐ_１において気流Ｋの剥離が発生したか否かを判定すると、図４に示す制御処理を終了する。

以上で図４に示す制御処理を終了する。図４に示す制御処理を実行することにより、翼部１２表面の音の周波数に基づいて気流の剥離を検知することができる。

次に、本実施形態に係る気流状態監視装置２０の作用効果について説明する。図５（ａ）、（ｂ）は、翼部１２の鉛直断面図であり、図５（ｃ）は、周波数の時間依存性を示すグラフである。図５（ｂ）は、図５（ａ）に比べて高迎え角となっている翼部１２の状態を示すものである。ここで、例えば、図５（ｃ）に示すように、時刻０〜ｔ_Ｈまでは、所定周波数ｆ_Ｈより小さい周波数ｆ_１を検出しており、時刻ｔ_Ｈにおいて、所定周波数ｆ_Ｈ以上の周波数ｆ_２を検出したとする。この場合、気流状態監視装置２０は、時刻ｔ_Ｈまでは、図５（ａ）に示すように気流Ｋに乱れが生じておらず翼部１２表面に沿って気流Ｋが生じていると検知することができる。一方、時刻ｔ_Ｈにおいて、所定周波数ｆ_Ｈ以上の周波数ｆ_２を検出すると、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ_Ｈのタイミングで翼部１２表面の測定位置Ｐ_１において気流Ｋが剥離状態Ｒとなったことを検知することができる。このように、気流Ｋの剥離が発生し揚力が低下し始めるタイミングを非接触で検知することができる。また、図４の制御処理を繰り返し実行することにより、気流の剥離のタイミングを正確に知ることができる。

また、図４に示す制御処理によって、気流Ｋの剥離が発生したと判定した場合には、制御部６は、例えば昇降舵である操舵アクチュエータ７を動作させて機体姿勢角を制御することで、機体１１の頭下げ等を実行する。これにより、気流Ｋの剥離が発生して揚力が減少し始めた場合であっても、迅速に揚力を回復させることができる。また、図４に示す制御処理の結果を操縦者に報知して、手動運転を促すことにより揚力を回復させることもできる。

上述したように、第１実施形態に係る気流状態監視装置２０によれば、翼部１２表面の測定位置Ｐ_１における音を集音して検出し、検出した音の周波数ｆ（すなわち圧力変動）に基づいて翼部１２表面の気流Ｋの状態を検知することができる。このように、翼部１２表面の音に基づいて気流Ｋの剥離を判断することができるので、非接触で翼部１２表面の気流Ｋの剥離を検知することが可能となる。このため、翼部１２表面に圧力取得のためのセンサを設ける必要がないので、センサの突起等により翼部１２表面上に段差を生じさせることがなく、突起したセンサの空気抵抗によって翼部１２表面の流層状態が乱れることを回避することができる。さらに、センサとして圧力孔を設けて圧力変動を直接測定する場合には、圧力孔の氷結や詰まりといった問題が発生するが、本実施形態に係る気流状態監視装置２０では非接触のためこのような問題も発生することがなく、安定して気流Ｋの剥離を検知することができる。このように、翼部１２の揚力性能を十分に発揮させつつ翼部１２表面の気流Ｋの状態を監視することができる。

また、第１実施形態に係る気流状態監視装置２０によれば、集音部１１ａの形状を指向性に優れたパラボラ形状に構成することで、集音能力を向上させることができる。これにより、剥離状態及び剥離タイミングを一層正確に認識することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る気流状態監視装置は、第１実施形態に係る気流状態監視装置２０とほぼ同様に構成されるものであって、気流状態監視装置２０と比べ、気流Ｋの剥離状態の進行を予測する機能を有する点が相違する。なお、第２実施形態においては、第１実施形態と重複する部分は説明を省略し、相違点を中心に説明する。

本実施形態に係る気流状態監視装置を備えた飛行機１０の構成は、第１実施形態に係る気流状態監視装置２０を備えた飛行機１０とほぼ同様であって、第１実施形態のセンサ３と同一のセンサを複数備える点が相違する。例えば図６に示すように、飛行機１０は、集音部を３つ備えている。集音部１１ａ〜１１ｃは、翼部１２に対向する機体１１の側部に気流方向に沿って設けられている。集音部１１ａ〜１１ｃの内部には、それぞれ集音マイクが設けられている。そして、第１実施形態と同様に、集音部１１ａ〜１１ｃ及びそれぞれの集音マイクによって各センサ３ａ〜３ｃが構成されている。各センサ３ａ〜３ｃは、それぞれアンプ５を介して制御部６に接続されている。このように、本実施形態に係る気流状態監視装置は、翼部１２表面の気流方向に沿った測定位置Ｐ_１〜Ｐ_３における音を集音可能に構成されている。

制御部６は、各センサ３ａ〜３ｃから取得した翼部１２表面の測定位置Ｐ_１〜Ｐ_３における周波数に基づいて、各測定位置Ｐ_１〜Ｐ_３での気流Ｋの剥離タイミングを取得し、剥離状態が進行する速度を算出する機能を有している。そして、算出した速度に基づいて所定時刻後の翼部１２表面の剥離状態を予測する機能を有している。

次に、第２実施形態に係る気流状態監視装置の動作について説明する。図７は、第２実施形態に係る気流状態監視装置の動作を示すフローチャートである。図７に示す制御処理は、例えば飛行機１０に備わる監視開始ボタンがオンされてから、所定のタイミングで繰り返し実行される。

図７に示すように、気流状態監視装置は、音検出処理から開始する（Ｓ２０）。Ｓ２０の処理は、図４のＳ１０の処理と同様であって、図６に示す測定位置Ｐ_１〜Ｐ_３における音の周波数を入力する処理である。各センサ３ａ〜３ｃは、翼部１２表面の測定位置Ｐ_１〜Ｐ_３における音の周波数をそれぞれ検出する。Ｓ２０の処理が終了すると、剥離判定処理へ移行する（Ｓ２２）。

Ｓ２２の処理は、制御部６が実行し、Ｓ２０の処理で検出した測定位置Ｐ_１〜Ｐ_３での周波数に基づいて測定位置Ｐ_１〜Ｐ_３にて気流Ｋの剥離が発生したか否かを判定する処理である。この処理は、図４のＳ１２の処理と同様の処理を測定位置Ｐ_１〜Ｐ_３ごとに行うものである。Ｓ２４の処理により、測定位置Ｐ_１〜Ｐ_３において気流Ｋの剥離が発生している場合にはそのタイミングを取得することができる。例えば、図８に示すように測定位置Ｐ_１、Ｐ_３、Ｐ_３での周波数の時間依存性が検出されたとすると、周波数の立ち上がり時刻が剥離タイミングとなる。Ｓ２２の処理が終了すると、剥離状況予測処理へ移行する（Ｓ２４）。

Ｓ２４の処理は、制御部６が実行し、Ｓ２２の処理で検出した測定位置Ｐ_１〜Ｐ_３での剥離タイミングに基づいて、気流剥離の進行状況を予測する処理である。例えば、Ｓ２２の処理で取得した測定位置Ｐ_１、Ｐ_２での剥離タイミングに基づいて、測定位置Ｐ_１での気流Ｋの剥離から測定位置Ｐ_２での気流Ｋの剥離までの時間Δｔ_１を算出する。ここで、センサ３ａとセンサ３ｂとの距離をＬ_１とすると、測定位置Ｐ_１、Ｐ_２間における剥離領域の移動速度ｖ_１は、以下の式１で表される。

ｖ_１＝Ｌ_１／Δｔ_１ …（１）

同様に、測定位置Ｐ_２での気流Ｋの剥離から測定位置Ｐ_３での気流Ｋの剥離までの時間Δｔ_２を算出し、センサ３ｂとセンサ３ｃとの距離をＬ_２とすると、測定位置Ｐ_２、Ｐ_３間における剥離領域の移動速度ｖ_２は、以下の式２で表される。

ｖ_２＝Ｌ_２／Δｔ_２ …（２）

制御部６は、式１、式２を用いて測定位置間の移動速度ｖ_１、ｖ_２を演算し、演算した移動速度ｖ_１、ｖ_２と、所定位置までの距離Ｌ_ｘに基づいて、所定位置での剥離タイミングを予測する。例えば、演算した移動速度ｖ_１、ｖ_２を平均した速度と、距離Ｌ_ｘに基づいて所定位置での剥離タイミングを予測する。Ｓ２４の処理が終了すると、図７に示す制御処理を終了する。

以上で図７に示す制御処理を終了する。図７に示す制御処理を実行することにより、翼部１２表面の音の周波数に基づいて、気流Ｋの機体１１後方側から進行する剥離状態の移動速度Ｖ_１、Ｖ_２を算出し、所定箇所での剥離タイミングや所定時間経過後の剥離状況を予測することができる。このように、剥離状況を予測できることにより、翼性能が低下する前に操舵アクチュエータ７を駆動させて機体の姿勢を修正し、気流剥離が大きく進行することを未然に防止することが可能となる。

上述したように、第２実施形態に係る気流状態監視装置によれば、翼面の複数箇所の気流状態を監視することができるので、複数箇所の気流状態に基づいて気流剥離の進行状況を予測することが可能となる

なお、上述した実施形態は本発明に係る気流状態監視装置の一例を示すものである。本発明に係る気流状態監視装置は、各実施形態に係る気流状態監視装置に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、各実施形態に係る気流状態監視装置を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、上述した実施形態では、センサ３を機体１１に設ける例を説明したが、センサ３を設ける箇所は機体１１に限られるものではなく、例えば、機体１１に備わるアンテナ等に設けてもよい。なお、センサ３は、翼部１２以外の部分に設けられることが好適である。

また、上述した実施形態では、所定周波数ｆ_Ｈ以上の周波数を検出したか否かによって気流Ｋの剥離を検知する場合を説明したが、周波数の変動が所定値以上であるか否かを判定することで気流Ｋの剥離を検知してもよい。例えば、周波数の前回計測値との差を算出して変動値とし、所定値以上の変動が生じているか否かを判定すればよい。

また、上述した実施形態では、パラボラ形状の焦点位置に集音マイク１３を配置する例を説明したが、集音マイク１３の代わりに感圧素子を用いてもよい。さらに、上述した実施形態では、集音部１１ａにおける内壁での一次反射を取得する例を説明したが、集音手段はこれに限られるものではない。例えば、一次反射の焦点位置に反射板を設けて２次反射させ、焦点位置を内壁の底位置となるように構成した場合には、当該底位置に集音マイク１３あるいは感圧素子を配置すればよい。なお、底位置としては、例えば、図３に示す底位置２となる。

また、上述した実施形態では、集音部１１ａの内壁の形状がパラボラ形状である場合を説明したが、楕円形状や多面体形状等、焦点に集音できる形状であれば、翼部１２の揚力性能を十分に発揮させつつ翼部１２表面の気流Ｋの状態を監視することができる。

また、上述した実施形態では、集音部１１ａが機体１１の側壁を内側に窪ませて機体１１内部に設けられているが、一般的なパラボラアンテナのように、皿型の反射板を機体１１の外側に突出するように設けてもよい。

また、上述した実施形態では、パラボラ形状により指向性を向上させて集音する例を説明したが、集音マイク１３の性能に応じて集音部１１ａを設ければよい。

さらに、上述した実施形態では、センサ３、３ａ〜３ｃは翼部１２表面の所定箇所のみの音を検出する例を説明したが、例えば集音部１１ａ〜１１ｃに回転軸を持たせて駆動可能に構成することにより、翼部１２表面の任意の位置において音を検出する場合であってもよい。このため、例えばセンサ３を一つ有する場合であっても、集音部を駆動させて翼部１２の後方（飛行機１０後方側）から前方（飛行機１０前方側）に走査するように音の周波数を測定して、第２実施形態と同様に、気流Ｋの剥離領域の移動速度ｖ_１を演算し、剥離状況の進行の予測を行ってもよい。

実施形態に係る気流状態監視装置を備える飛行機の構成概要を示すブロック図である。第１実施形態に係る気流状態監視装置を備える飛行機の斜視図である。第１実施形態に係る気流状態監視装置を備える飛行機の一部断面図である。第１実施形態に係る気流状態監視装置の動作を示すフローチャートである。第１実施形態に係る気流状態監視装置の動作を説明する概要図である。第２実施形態に係る気流状態監視装置を備える飛行機の斜視図である。第２実施形態に係る気流状態監視装置の動作を示すフローチャートである。第２実施形態に係る気流状態監視装置の動作を説明する概要図である。

符号の説明

１…気流状態監視装置、３、３ａ、３ｂ、３ｃ…センサ（音検出手段）、６…制御部（気流状態検知手段）、１１…機体、１１ａ…集音部、１２…翼部、１３…集音マイク。

Claims

飛行機の翼面の気流状態を監視する気流状態監視装置であって、
翼面における音を検出する複数の音検出手段と、
前記音検出手段により検出された音の状態に基づいて翼面の気流剥離を検知し、複数の前記音検出手段により検出された音に基づいて翼面の気流剥離の進行を予測する気流状態検知手段と、
を備え、
複数の前記音検出手段は、翼面上に気流の流れに沿って並んでいる測定位置にて音を検出し、
前記気流状態検知手段は、
所定周波数以上の周波数を検出した場合には、所定周波数以上の周波数を検出したタイミングで翼面の気流剥離が発生したと検知し、
複数の前記音検出手段により検出された音の周波数に基づいて、機体後方側から進行する気流剥離の進行の速度を算出し、算出された速度に基づいて所定箇所での気流剥離のタイミング又は所定時間経過後の剥離状況を予測する気流状態監視装置。
前記音検出手段は、集音可能な形状に構成され、当該形状の焦点における音を取得する請求項１に記載の気流状態監視装置。
前記集音可能な形状は、パラボラ形状である請求項２に記載の気流状態監視装置。