JP6884081B2 - 航空機のセンサシステム - Google Patents

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Description

本発明は、航空機に設けられる航空機のセンサシステムに関するものである。
従来、航空機に設けられるセンサモジュールを備えるセンサシステムとして、航空機の燃料タンクにおける燃料量の測定に用いられる無線センサシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この無線センサシステムは、容量性プローブと、無線通信部とを備え、容量性プローブを送信アンテナとして用いて、無線通信部により無線通信を行っている。
特開２０１６−３８９１１号公報
ところで、有線通信を行うセンサシステムでは、通信ケーブルを配線する必要があり、航空機においては、通信ケーブルを配線することにより、航空機全体の重量が増加してしまう。また、センサシステムを作動させるためには、電力を供給するための給電ケーブルを配線する必要があり、航空機においては、給電ケーブルを配線することにより、航空機全体の重量が増加してしまう。
そこで、本発明は、軽量化を図ると共に、給電系統の簡素化を図ることができる航空機のセンサモジュール及び航空機のセンサシステムを提供することを課題とする。
本発明の航空機のセンサモジュールは、航空機に設けられる航空機のセンサモジュールであって、前記航空機の内外の環境によって発電する環境発電素子と、前記環境発電素子により発電された電力を蓄電する蓄電部と、前記環境発電素子からの電力及び前記蓄電部からの電力の少なくとも一方の電力により作動するセンサと、前記環境発電素子からの電力及び前記蓄電部からの電力の少なくとも一方の電力により作動すると共に、前記センサにより計測された計測データを、無線通信によって外部機器に送信する無線通信部と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、環境発電素子により発電された電力を用いて、センサ及び無線通信部を作動させることができる。このため、センサ及び無線通信部に対して、有線により電力を給電する必要がないことから、給電系統の簡素化を図ることができる。また、無線通信部により計測データを無線送信することができるため、有線により計測データを送信する必要がないことから、有線の通信ケーブルを省くことができ、軽量化を図ることが可能となる。
また、前記環境発電素子は、前記航空機で発生する振動、及び前記航空機で発生する熱の少なくとも一方により発電する素子となっていることが好ましい。
この構成によれば、航空機の翼体の自由端となる翼先端部に発生する振動、及び航空機のエンジン周りの振動及び熱によって、環境発電素子による発電が可能となる。
また、前記環境発電素子は、複数設けられており、複数の前記環境発電素子は、前記蓄電部に電力を給電可能に接続されていることが好ましい。
この構成によれば、環境発電素子を多重化することができるため、環境発電素子から蓄電部への給電の信頼性を高めることができる。
また、前記無線通信部は、初期設定となる初期周期に比して、周期間隔が長い長期周期で、前記計測データを送信することが好ましい。
この構成によれば、無線通信部の通信頻度を少なくすることができるため、通信に使用する消費電力を小さくできる。このため、発電量の低い環境発電素子を用いることが可能となる。
本発明の航空機のセンサシステムは、航空機に取り付けられる、上記のセンサモジュールと、前記センサモジュールから送信される計測データを受信するデータ受信装置と、を備えることが好ましい。
この構成によれば、無線により計測データの通信が行うことができ、また、有線による給電を行う必要がないため、軽量化を図ると共に、給電系統の簡素化を図ることができる。
また、前記センサモジュールは、計測した前記計測データを前記データ受信装置へ向けて複数回送信し、前記データ受信装置は、受信した複数の前記計測データに基づき正規化を行って、正規計測データを生成することが好ましい。
この構成によれば、複数の計測データにより正規計測データを生成できるため、正規計測データの信頼性を高めることができる。
また、前記センサモジュールは、前記航空機の外気温を計測する外気温センサモジュールであり、前記センサモジュールは、前記航空機の翼体の自由端となる翼先端部に設けられることが好ましい。
この構成によれば、センサモジュールを翼先端部に設けることで、航空機の外気温を適切に計測することができ、また、振動し易い翼先端部において、センサモジュールの環境発電素子による発電も好適に行うことができる。
また、前記センサモジュールは、同じ種類のものが複数設けられており、複数の前記センサモジュールは、前記データ受信装置へ向けて前記計測データをそれぞれ送信することが好ましい。
この構成によれば、センサモジュールを多重化することができるため、センサモジュールからデータ受信装置への計測データの送信に関する信頼性を高めることができる。
また、非常用電源と、前記非常用電源から前記センサモジュールへ有線により電力を給電する有線給電ラインと、をさらに備えることが好ましい。
この構成によれば、非常時において、センサモジュールへ有線により電力を給電することができるため、非常時におけるセンサシステムの信頼性を高めることができる。
図１は、実施形態１に係るセンサシステムを備えた航空機の模式図である。 図２は、実施形態１に係るセンサシステムの構成を示す図である。 図３は、実施形態１に係るセンサシステムによるセンサデータの送信タイミングを示す図である。 図４は、実施形態２に係るセンサシステムを備えた航空機の模式図である。 図５は、センサモジュールの取付位置、種類及び適用される環境発電素子を対応付けた図である。
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
［実施形態１］
図１は、実施形態１に係るセンサシステムを備えた航空機の模式図である。図２は、実施形態１に係るセンサシステムの構成を示す図である。図３は、実施形態１に係るセンサシステムによるセンサデータの送信タイミングを示す図である。
実施形態１に係るセンサシステム１は、航空機１０に搭載されるシステムであり、例えば、航空機１０のヘルスモニタとしてのセンシングを行っている。実施形態１の航空機１０は、機体１１と、この機体１１に搭載されるセンサシステム１とを備えている。
先ず、機体１１について、簡単に説明する。機体１１は、胴体１５、主翼１６、水平尾翼１７及び垂直尾翼１８を有している。胴体１５は、航空機１０の機首側と機尾側とを結ぶ方向であるロール軸方向に延在して設けられる筒状の部位である。主翼１６は、胴体１５の中央部近傍に設けられ、ロール軸方向に直交するピッチ軸方向において、胴体１５から外側に延在する翼体となっている。水平尾翼１７は、胴体１５の機尾側に設けられ、ピッチ軸方向において、胴体１５から外側に延在する翼体となっている。垂直尾翼１８は、胴体１５の機尾側に設けられ、ロール軸方向及びピッチ軸方向に直交するヨー軸方向において、胴体１５から外側に延在する翼体となっている。
次に、図２を参照して、センサシステム１について説明する。センサシステム１は、複数のセンサモジュール２１と、データ受信装置２２とを備えており、各センサモジュールで計測したセンサデータ（計測データ）を、データ受信装置２２へ向けて送信している。なお、センサシステム１は、各センサモジュール２１からデータ受信装置２２へ送信されるセンサデータを中継する中継システム２３（図１参照）を備えていてもよい。
各センサモジュール２１は、複数の環境発電素子２５と、蓄電デバイス（蓄電部）２６と、センシングデバイス（センサ）２７と、無線装置（無線通信部）２８と、を有している。
環境発電素子２５は、航空機１０の内外の環境によって発電する素子となっており、航空機１０で発生する振動及び航空機１０で発生する熱により発電する素子となっている。環境発電素子２５は、例えば、航空機１０で発生する振動により発電を行う圧電素子、温度差により発電を行うペルチェ素子、太陽光により発電を行う太陽光発電素子等がある。この環境発電素子２５は、蓄電デバイス２６に対して多重化すべく、複数設けられており、複数の環境発電素子２５は、蓄電デバイス２６にそれぞれ電気的に接続されている。このため、複数の環境発電素子２５は、蓄電デバイス２６に対して、発電した電力を安定的に供給可能な構成となっている。
蓄電デバイス２６は、環境発電素子から供給された電力を蓄積すると共に、蓄積した電力をセンシングデバイス２７及び無線装置２８に供給している。蓄電デバイス２６は、例えば、電気二重層キャパシタが用いられている。電気二重層キャパシタは、充放電深度の制限が少ないことから、環境発電素子２５からの電力供給が不安定となる場合であっても、好適に蓄電できる。また、電気二重層キャパシタは、充放電密度が高いことから、センシングデバイス２７及び無線装置２８に対して電力を好適に給電できる。さらに、電気二重層キャパシタは、動作温度範囲が広いことから、外気温が低くなる航空機に適したデバイスとなっている。
センシングデバイス２７は、航空機１０において各種物理量を計測するセンサであり、例えば、外気温を計測する外気温センサを含む温度センサ等である。センシングデバイス２７は、蓄電デバイス２６から供給される電力により作動する。また、センシングデバイス２７は、計測した物理量を、センサデータとして、無線装置２８へ向けて出力する。
無線装置２８は、蓄電デバイス２６から供給される電力により作動する。また、無線装置２８は、センシングデバイス２７から入力されたセンサデータを、無線通信によりデータ受信装置２２へ向けて送信する。ここで、無線装置２８は、データ受信装置２２に対し、計測したセンサデータを複数回送信することで、センサデータの多重化を図っている。
また、上記のようなセンサモジュール２１は、データ受信装置２２に対して多重化すべく、複数設けられており、複数のセンサモジュール２１からデータ受信装置２２に送信されるセンサデータは、図３に示す送信タイミングで送信される。具体的に、図３に示すように、３つのセンサモジュール２１（モジュールＡ，Ｂ，Ｃ）があり、３つのセンサモジュール２１からデータ受信装置２２にセンサデータが送信されると共に、各センサモジュールからも３回分のセンサデータが送信される。つまり、センサデータの送信タイミングとしては、モジュールＡとなるセンサモジュール２１からセンサデータが３回連続して送信され、続いて、モジュールＢとなるセンサモジュール２１からセンサデータが３回連続して送信され、そして、モジュールＣとなるセンサモジュール２１からセンサデータが３回連続して送信される。そして、再び、モジュールＡとなるセンサモジュール２１からセンサデータが３回連続して送信され、以降、同じ送信タイミングでセンサデータが送信される。
データ受信装置２２は、機体電源３１と、無線装置３２と、データ収集・処理装置３３とを備えている。
機体電源３１は、固定電源であり、安定的に電力を供給する電源となっている。無線装置３２は、機体電源３１から供給される電力により作動する。また、無線装置３２は、センサモジュール２１の無線装置２８から送信されたセンサデータを受信している。また、無線装置３２は、受信したセンサデータを、データ収集・処理装置３３に向けて出力する。
データ収集・処理装置３３は、受信したセンサデータを処理し、処理後のセンサデータを蓄積する。データ収集・処理装置３３は、機体電源３１から供給される電力により作動する。また、データ収集・処理装置３３には、無線装置３２を介して複数のセンサモジュール２１から複数のセンサデータが入力される。このため、データ収集・処理装置３３は、複数のセンサデータを正規化し、正規化したセンサデータを正規センサデータ（正規計測データ）として生成し、この正規センサデータを蓄積する。
複数のセンサデータを正規化する手法としては、いずれの手法であってもよく、例示として、下記する５つの手法について説明する。１つ目の正規化手法としては、複数のセンサデータのうち、中央値となるセンサデータを正規センサデータとする。２つ目の正規化手法としては、複数のセンサデータの平均値を正規センサデータとする。３つ目の正規化手法としては、複数のセンサデータのうち、２つのセンサデータの差分の絶対値を導出し、導出した絶対値が最小となる２つのセンサデータの平均値を正規センサデータとする。４つ目の正規化手法としては、複数のセンサデータの平均値から最もかけ離れたセンサデータを除外し、残りのセンサデータの平均値を正規センサデータとする。５つ目の正規化手法としては、複数のセンサデータから標準偏差σを導出し、中央値±Ｘσからかけ離れたセンサデータを除外し、残りのセンサデータの平均値を正規センサデータとする。
このようなセンサシステム１は、環境発電素子２５で発電した電力により蓄電デバイス２６を介して、センサモジュール２１のセンシングデバイス２７及び無線装置２８を作動させる。そして、センサシステム１は、複数のセンサモジュール２１においてセンサデータを生成し、生成したセンサデータをデータ受信装置２２に送信する。そして、センサシステム１は、データ受信装置２２においてセンサデータを正規化処理することで、正規センサデータを生成し、生成した正規センサデータを蓄積する。
ここで、センサモジュール２１の種類と、センサモジュール２１の取り付け位置について説明する。センサモジュール２１のセンシングデバイス２７が、外気温を計測する外気温センサである場合、すなわち、センサモジュール２１が外気温センサモジュールである場合、外気温センサモジュールは、機体１１の主翼１６の翼頂側（翼先端部）に設けられる。また、センサモジュール２１が外気温センサモジュールである場合、環境発電素子は、振動により発電する圧電素子が用いられる。これは、機体１１の主翼１６の翼頂側は、振動し易いことから、振動による発電を安定的に行うことができ、また、外気温を計測するにあたり、適切な場所となるからである。
加えて、図５を参照して、センサモジュール２１の取付位置（エリア）と、センサモジュール２１の種類と、適用される環境発電素子とについて説明する。図５は、センサモジュールの取付位置、種類及び適用される環境発電素子を対応付けた図である。航空機１０の胴体１５の機首側に設けられるノーズコーンに取り付けられるセンシングデバイス２７としては、速度センサであり、センシングデバイス２７として速度センサを適用する場合、環境発電素子としては、太陽光発電素子が用いられる。航空機１０の胴体１５に設けられるセンシングデバイス２７としては、外気温センサ、気圧センサ、高度センサ及び位置センサであり、センシングデバイス２７としてこれらのセンサを適用する場合、環境発電素子としては、太陽光発電素子が用いられる。航空機１０の主翼１６に設けられるセンシングデバイス２７としては、燃料センサであり、センシングデバイス２７として燃料センサを適用する場合、環境発電素子としては、圧電素子、太陽光発電素子またはペルチェ素子が用いられる。航空機１０の尾翼１７，１８または航空機１０の胴体１５の機尾側に設けられるテールに取り付けられるセンシングデバイス２７としては、温度センサであり、センシングデバイス２７として温度センサを適用する場合、環境発電素子としては、太陽光発電素子またはペルチェ素子が用いられる。航空機１０のエンジンに取り付けられるセンシングデバイス２７としては、回転数センサ及び温度センサであり、センシングデバイス２７としてこれらのセンサを適用する場合、環境発電素子としては、圧電素子、太陽光発電素子またはペルチェ素子が用いられる。このように、センサモジュール２１の取付位置及び適用される環境発電素子は、発電を安定的に行うことが可能な取付位置及び環境発電素子となっており、また、センサモジュール２１の種類は、対応する取付位置において計測を好適に行うことが可能なセンサモジュール２１となっている。
以上のように、実施形態１によれば、環境発電素子２５により発電された電力を用いて、センシングデバイス２７及び無線装置２８を作動させることができる。このため、センシングデバイス２７及び無線装置２８に対して、有線により電力を給電する必要がないことから、給電系統の簡素化を図ることができる。また、無線装置２８によりセンサデータを無線送信することができるため、有線によりセンサデータを送信する必要がないことから、有線の通信ケーブルを省くことができ、軽量化を図ることが可能となる。
また、実施形態１によれば、航空機１０の主翼１６の翼頂側に発生する振動、及び航空機１０のエンジン周りの振動及び熱によって、環境発電素子２５による発電が可能となる。
また、実施形態１によれば、環境発電素子２５を多重化することができるため、環境発電素子２５から蓄電デバイス２６への給電の信頼性を高めることができる。
また、実施形態１によれば、複数のセンサデータを正規化処理することにより、正規センサデータを生成できるため、正規センサデータの信頼性を高めることができる。
また、実施形態１によれば、外気温センサモジュール２１を主翼１６の翼頂側に設けることで、航空機１０の外気温を適切に計測することができ、また、振動し易い主翼１６の翼頂側において、外気温センサモジュール２１の環境発電素子２５による発電も好適に行うことができる。
また、実施形態１によれば、センサモジュール２１を多重化することができるため、センサモジュール２１からデータ受信装置２２へのセンサデータの送信に関する信頼性を高めることができる。
なお、実施形態１の構成に加え、無線装置２８が、初期設定となる初期周期に比して、周期間隔が長い長期周期で、センサデータを送信してもよい。この構成によれば、無線装置２８の通信頻度を少なくすることができるため、通信に使用する消費電力を小さくできる。このため、発電量の低い環境発電素子２５を用いることが可能となる。
また、実施形態１において、センサモジュール２１は、複数の環境発電素子２５で発電した電力を、蓄電デバイス２６を経由して、センシングデバイス２７及び無線装置２８に間接的に供給したが、この構成に特に限定されない。センサモジュール２１は、例えば、複数の環境発電素子２５で発電した電力を、センシングデバイス２７及び無線装置２８に直接的に供給する構成であってもよい。
［実施形態２］
次に、図４を参照して、実施形態２に係るセンサシステム１について説明する。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図４は、実施形態２に係るセンサシステムを備えた航空機の模式図である。
実施形態２のセンサシステム１は、実施形態１のセンサシステムに加え、非常用電源と、非常用電源からセンサモジュール２１へ有線により電力を給電する有線給電ライン５１と、をさらに備えている。
非常用電源としては、例えば、データ受信装置２２の機体電源３１が用いられている。有線給電ライン５１は、例えば、光ファイバであり、機体電源３１からセンサモジュール２１へ電力を供給する他、センサモジュール２１で生成したセンサデータをデータ受信装置２２へ送信可能に、センサモジュール２１とデータ受信装置２２とを接続している。
以上のように、実施形態２によれば、非常時において、機体電源３１からセンサモジュール２１へ有線により電力を給電することができるため、非常時におけるセンサシステム１の信頼性を高めることができる。
１ センサシステム
１０ 航空機
１１ 機体
１５ 胴体
１６ 主翼
１７ 水平尾翼
１８ 垂直尾翼
２１ センサモジュール
２２ データ受信装置
２３ 中継システム
２５ 環境発電素子
２６ 蓄電デバイス
２７ センシングデバイス
２８ 無線装置
３１ 機体電源
３２ 無線装置
３３ データ収集・処理装置
５１ 有線給電ライン

Claims (7)

  1. 航空機に設けられる航空機のセンサモジュールを備える航空機のセンサシステムであって、
    前記センサモジュールは、前記航空機の外気温を計測する外気温センサモジュールであり、
    前記航空機で発生する振動によって発電する環境発電素子と、
    前記環境発電素子により発電された電力を蓄電する蓄電部と、
    前記環境発電素子からの電力及び前記蓄電部からの電力の少なくとも一方の電力により作動するセンサと、
    前記環境発電素子からの電力及び前記蓄電部からの電力の少なくとも一方の電力により作動すると共に、前記センサにより計測された計測データを、無線通信によって外部機器に送信する無線通信部と、を備え、
    前記センサモジュールは、前記航空機の翼体の自由端となる翼先端部に設けられることを特徴とする航空機のセンサシステム。
  2. 前記環境発電素子は、複数設けられており、
    複数の前記環境発電素子は、前記蓄電部に電力を給電可能に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の航空機のセンサシステム。
  3. 前記無線通信部は、初期設定となる初期周期に比して、周期間隔が長い長期周期で、前記計測データを送信することを特徴とする請求項１または２に記載の航空機のセンサシステム。
  4. 前記センサモジュールから送信される計測データを受信するデータ受信装置を、さらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の航空機のセンサシステム。
  5. 前記センサモジュールは、計測した前記計測データを前記データ受信装置へ向けて複数回送信し、
    前記データ受信装置は、受信した複数の前記計測データに基づき正規化を行って、正規計測データを生成することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の航空機のセンサシステム。
  6. 前記センサモジュールは、同じ種類のものが複数設けられており、
    複数の前記センサモジュールは、前記データ受信装置へ向けて前記計測データをそれぞれ送信することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の航空機のセンサシステム。
  7. 非常用電源と、
    前記非常用電源から前記センサモジュールへ有線により電力を給電する有線給電ラインと、をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の航空機のセンサシステム。
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