KR100356699B1 - Vertical Speed Meter for a Unmanned Aerial Vehicle - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무인 항공기 및 경 항공기에 적용될 수 있는 수직속도계에 관한 것으로, 용량이 작은 차압형 압력 센서를 사용하여 항공기의 고도 변화에 민감하게 반응하도록 하는 한편 반 밀폐된 공간의 압력 변화를 매우 작게 하여 응답 특성이 매우 빠르고 정밀하게 수직 속도를 측정할 수 있도록 한 것이다.The present invention relates to a vertical speed meter applicable to an unmanned aerial vehicle and a light aircraft, and is capable of responding sensitively to an altitude change of an aircraft by using a pressure differential pressure sensor with a small capacity, The response characteristics are very fast and precise to measure the vertical velocity.
이러한 본 발명의 수직 속도계는 대기압 변화를 측정하는 차압계 장치 부분과 상기 차압계 출력을 미분하여 수직 속도를 출력하는 수직속도 출력부로 이루어지는 것으로, 차압계 장치는 좌우 공간의 압력차를 측정하는 차압계와, 상기 차압계의 제한용량을 넘지 않도록 하는 솔레노이드 밸브와, 좌우공간의 압력차를 서서히 줄여주는 포러스 미디어와, 외부 공기의 오염을 방지하는 에어필터로 이루어지며, 수직속도 출력부는 상기 차압계 출력을 미분하여 수직 속도를 얻도록 하는 한편 차압계의 운용 범위를 넘지 않는 상태에서 운용하기 위하여 좌우 공간의 압력차를 순간적으로 줄여 주도록 함으로써 이루어진다.The vertical speed meter of the present invention comprises a differential pressure gauge unit for measuring a change in atmospheric pressure and a vertical speed output unit for outputting a vertical speed by differentiating the differential pressure output. The differential pressure gauge unit includes a differential pressure gauge for measuring a pressure difference between right and left spaces, And the vertical velocity output section differentiates the output of the differential pressure sensor so as to obtain a vertical velocity of the differential pressure And the pressure difference between the right and left spaces is instantaneously reduced in order to operate in a state in which the operating range of the differential pressure meter does not exceed the operating range.
따라서 본 발명은 압력 측정시 용량이 작은 차압형 압력 센서를 사용할 수 있고, 고도 변화에 대하여 민감하게 압력 센서가 반응할 수 있으며, 응답 특성이 매우 빠르고 정밀하게 수직 속도를 측정할 수가 있다.Therefore, the present invention can use a differential pressure type pressure sensor having a small capacity in pressure measurement, can react sensitively to the altitude change, and can measure the vertical velocity very quickly and precisely with a response characteristic.
Description
본 발명은 무인 항공기 및 경 항공기에 적용될 수 있는 수직속도계에 관한 것으로, 용량이 작은 차압형 압력 센서를 사용하여 항공기의 고도 변화에 민감하게 반응하도록 하는 한편 반 밀폐된 공간의 압력 변화를 매우 작게 하여 응답 특성이 매우 빠르고 정밀하게 수직 속도를 측정할 수 있도록 한 것이다.The present invention relates to a vertical speed meter applicable to an unmanned aerial vehicle and a light aircraft, and is capable of responding sensitively to an altitude change of an aircraft by using a pressure differential pressure sensor with a small capacity, The response characteristics are very fast and precise to measure the vertical velocity.
일반적으로 항공기를 조종할 때 수직 속도계를 보면서 수평, 상승 및 하강 비행을 하게 되는 것으로, 고급 무인 항공기의 경우는 관성 항법 장치로부터 피치각 및 피치각속도를 알고 있으므로 피치각 및 피치각속도를 피이드백 하여 무인 항공기의 자세를 유지시키고, 상승 및 하강 비행시는 고도차를 피이드백 시켜서 원하는 고도로 이동하게 되며, 초저가형 무인 항공기의 경우는 자세 정보를 제공하는 센서가 없으므로 고도계, 수직 속도계 및 피치각속도 정보를 이용하여 수평, 상승 및 하강 비행을 하게 되나, 일반적으로 고도계의 출력은 고도 변화에 둔감함으로 고도 변화에 민감한 정보가 필요하고, 관성 항법 장치가 없는 무인 항공기에서는 상승 및 하강시 안정한 상태로 비행하려면 수직 속도 정보를 제공하는 수직 속도 센서가 필요하다.Generally, when controlling an aircraft, horizontal, upward and downward flight is performed while watching a vertical speedometer. In the case of an advanced UAV, since the pitch angle and the pitch angular velocity are known from the inertial navigation device, the pitch angle and pitch angular velocity are fed back In the case of an ultra low-cost unmanned aerial vehicle, there is no sensor to provide attitude information. Therefore, it is possible to use the altimeter, vertical speedometer and pitch angular velocity information in order to maintain the attitude of the aircraft and to move the altitude difference to desired high- In general, the altimeter's output is insensitive to altitude change, so information that is sensitive to altitude change is needed. In case of an unmanned aerial vehicle without an inertial navigation device, in order to fly steadily while ascending and descending, A vertical velocity sensor is required.
도 1 은 공기 데이터 시스템의 정압을 수직 속도계에 연결하여 수직 속도를보여주는 대표적인 기계식 수직 속도계의 모습으로, 수직 속도계의 구성은 벨로즈, 피토관의 정압 연결 파이프, 밀폐된 공기 공간, 밀폐 공간과 정압 파이프를 연결하는 작은 구멍으로 구성되어 있다.FIG. 1 shows a typical mechanical vertical speed meter showing a vertical speed by connecting a static pressure of an air data system to a vertical speedometer. The configuration of the vertical speedometer includes a bellows, a static pressure connecting pipe of a pitot tube, a sealed air space, As shown in Fig.
이러한 수직 속도 지시계는 항공기가 상승 및 하강 비행을 하면 벨로즈가 수축 및 팽창을 하게 되어 벨로즈에 연결된 장치가 지시계의 바늘을 돌리게 되며, 밀폐된 공간의 압력은 피토관의 정압 압력의 변화에 따라 작은 구멍을 통하여 공기가 출입함으로 변화하게 되고, 이에 따라 작은 구멍을 통하여 압력의 평형을 이루므로 통상 6∼9초의 시간 지연이 발생하여, 빠른 응답 특성을 요하는 무인 항공기의 자동 조종 제어 신호로는 적절하지 않다.This vertical speed indicator indicates that when the aircraft ascends and descends, the bellows contracts and expands, causing the device connected to the bellows to turn the indicator of the indicator, and the pressure of the sealed space is reduced according to the change in static pressure of the pitot tube And the pressure is balanced through the small holes. Therefore, the time delay is usually 6 to 9 seconds, so that the automatic control signal of the unmanned airplane I do not.
항공기용으로 벨로즈 대신에 차압계를 사용하고 전자적 제어 개념으로 전기신호를 보상하여 응답 속도를 보완하는 시스템이 제시되어 있으나 기본적으로 기계적인 응답 특성의 지연 문제점은 그대로 남아 있는 것으로 기존의 전자식 수직 속도계의 수직속도 계산의 문제점을 살펴보면 다음과 같다.A system that compensates for the response speed by using a differential pressure gauge instead of a bellows for the aircraft and compensates the electric signal with the concept of electronic control has been proposed, but basically, the delay problem of the mechanical response characteristic remains. The problems of vertical velocity calculation are as follows.
공기 데이터 시스템은 항공기 비행의 기본 장비로 비행 고도의 대기압 및 동압을 측정하여 비행 속도, 비행 고도, 수직 속도를 계산하여 제공하게 되며, 이때 항공기의 수직 속도는 고도를 미분하면 얻을 수 있으므로, 고도와 대기압 수식(1)에서 미분을 하면 수식(2)와 같이 수직 속도를 대기압의 미분식으로 표현할 수가있다.The air data system is the basic equipment for aircraft flight, and it calculates the flight speed, flight altitude and vertical speed by measuring the atmospheric pressure and dynamic pressure of the flight altitude. At this time, the vertical speed of the aircraft can be obtained by differentiating altitude, Atmospheric pressure (1) gives the vertical velocity as a subnormal atmospheric pressure as shown in equation (2).
여기서 h는 비행 고도, Ps는 대기압, Uv는 수직 속도, t는 시간을 나타낸다.Where h is the flight altitude, Ps is the atmospheric pressure, Uv is the vertical velocity, and t is the time.
수직 속도의 정밀도를 보려면 먼저 대기압 측정의 분해능을 조사해야 한다.To see the accuracy of the vertical velocity, the resolution of the atmospheric pressure measurement must first be investigated.
대기압 측정 센서의 출력은 0∼5V로 0∼1기압을 나타내어야 한다.The output of the atmospheric pressure measuring sensor should be between 0 and 5 V and between 0 and 1 atmospheric pressure.
따라서 대기압의 전기적 분해능은 20.26Pa/mV이다.Therefore, the electrical resolution of atmospheric pressure is 20.26 Pa / mV.
고도변화에 대한 대기압의 분해능은 수식(1)를 대기압으로 미분하여 구한다.The resolution of the atmospheric pressure with respect to the altitude change is obtained by differentiating the equation (1) into atmospheric pressure.
따라서 고도에 대한 전기적 분해능은 수식 (3) 과 (4)를 이용하여 수식(5)로 계산할 수가 있다.Thus, the electrical resolution for the altitude can be calculated using Eqs. (3) and (4).
그러므로 1mV 전기력에 1.7∼2.8m의 고도에 해당되는 전기 신호를 발생시키게 되며, 통상 깨끗한 전기적 환경에서 기본적인 노이즈 레벨이 2∼3mV임을 감안할 때, 대기압 측정을 통한 고도 측정은 분해능이 매우 떨어짐을 알 수가 있고, 특히 분해능이 매우 떨어지는 신호는 이를 증폭하여 미분하고 필터링 하여도 매우 부정확한 정보를 주게 될 것이다.Therefore, an electric signal corresponding to an altitude of 1.7 to 2.8 m is generated with a 1 mV electric force. Given that the basic noise level is usually 2 to 3 mV in a clean electric environment, the altitude measurement using atmospheric pressure measurement shows a very poor resolution In particular, signals with very low resolution will be very inaccurate even if they are amplified and differentiated and filtered.
수식 (2) 와 같이 대기압과 시간에 대한 대기압 미분 값을 측정하여 계산하는 수직 속도 성분은 많은 오차를 유발하게 되며, 통상 무인 항공기가 상승 비행시 통상 1 ∼ 5 m/sec로 상승을 하는데, 고도 출력의 변화는 초당 0.6 ∼2mV 만큼 상승함으로 전기 노이즈 신호에서 깨끗한 신호를 얻는데 어려움이 많다.As shown in Equation (2), the vertical velocity component calculated by measuring the atmospheric pressure and the differential value of the atmospheric pressure with respect to time causes a lot of errors. Normally, the unmanned airplane rises to 1 to 5 m / The change in output increases by 0.6 to 2 mV per second, making it difficult to obtain a clean signal from the electrical noise signal.
기존의 전자식 수직 속도계는 0 ∼ 1 기압을 측정할 수 있는 절대압 압력계를 사용하고, 출력된 압력 신호를 미분하여 수직 속도를 구하게 되나, 본 발명에서는 차압형 압력계를 사용하여 현재 상태에서 압력의 변화를 측정하고 이를 미분하여 수직속도를 구함으로써 고도 변화에 대한 전기 신호의 민감도를 증가시켜 보다 정밀한 수직 속도를 측정할 수 있도록 하는 것이다.In the present invention, a vertical pressure gauge is used to measure the pressure change in the present state by using an absolute pressure gauge capable of measuring 0 to 1 atmospheric pressure and differentiating the output pressure signal to obtain a vertical velocity. And the vertical velocity is obtained by differentiating the vertical velocity, thereby increasing the sensitivity of the electric signal to the altitude change so as to measure the vertical velocity more precisely.
이러한 본 발명의 수직 속도계는 대기압 변화를 측정하는 차압계 장치 부분과 상기 차압계 출력을 미분하여 수직 속도를 출력하는 수직속도 출력부로 이루어지는 것으로, 차압계 장치는 좌우 공간의 압력차를 측정하는 차압계와, 상기 차압계의 제한용량을 넘지 않도록 하는 솔레노이드 밸브와, 좌우공간의 압력차를 서서히 줄여주는 포러스 미디어와, 외부 공기의 오염을 방지하는 에어필터로 이루어지며, 수직속도 출력부는 상기 차압계 출력을 미분하여 수직 속도를 얻도록 하는 한편 차압계의 운용 범위를 넘지 않는 상태에서 운용하기 위하여 솔레노이드 밸브를 작동시켜 좌우 공간의 압력차를 순간적으로 줄여 주도록 함으로써 이루어진다.The vertical speed meter of the present invention comprises a differential pressure gauge unit for measuring a change in atmospheric pressure and a vertical speed output unit for outputting a vertical speed by differentiating the differential pressure output. The differential pressure gauge unit includes a differential pressure gauge for measuring a pressure difference between right and left spaces, And the vertical velocity output section differentiates the output of the differential pressure sensor so as to obtain a vertical velocity of the differential pressure While operating the solenoid valve in a state in which it does not exceed the operating range of the differential pressure gauge, the pressure difference between the left and right spaces is instantaneously reduced.
도 1 은 기존의 수직 속도계 구성도1 is a diagram showing a conventional vertical speed meter configuration diagram
도 2 는 차압계를 이용한 본 발명의 수직속도센서의 개념도2 is a conceptual diagram of a vertical velocity sensor of the present invention using a differential pressure gauge
도 3 은 5m/sec로 수직 이동할 때 수직 속도계 출력 (K=0.5*1011)Figure 3 shows the vertical velocity meter output (K = 0.5 * 10 11 ) when moving vertically at 5 m /
도 4 는 본 발명의 샘플앤드홀드 개념을 이용한 급격한 신호 변화 방지 및 솔레노이드 구동 회로도FIG. 4 is a block diagram illustrating a sudden signal change prevention and solenoid driving circuit using the sample and hold concept of the present invention.
도 5 는 본 발명의 중앙처리장치를 이용한 급격한 신호 변화 방지 및 솔레노이드 구동 회로도Fig. 5 is a block diagram of a sudden signal change prevention and solenoid driving circuit using the central processing unit of the present invention
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS
1 : 대기압 연결 파이프 2 : 차압계1: Atmospheric connection pipe 2: Differential pressure gauge
3 : 반밀폐 공간 4 : 솔레노이드 밸브 연결 파이프3: semi-enclosed space 4: connection pipe for solenoid valve
5 : 솔레노이드 밸브 6 : 포러스 미디어5: Solenoid valve 6: porous media
7 : 에어 필터 8 : 미분 회로7: Air filter 8: Differential circuit
9 : 샘플앤드홀드 10 : 아날로그 먹스9: Sample and Hold 10: Analog Mux
11 : 비교기 12 : 타임머 111: Comparator 12: Timer 1
13 : 타임머 2 14 : 아날로그/디지털 변환기13: Timer 2 14: Analog to Digital Converter
15 : 중앙처리장치15: central processing unit
본 발명의 수직 속도계는 도 2 에 도시된 바와 같은 대기압 변화를 측정하는 수직 속도를 출력하고 차압계의 좌우공간 압력차를 줄이는 수직속도 출력부로 구성된다.The vertical speed meter of the present invention comprises a vertical speed output unit for outputting a vertical speed for measuring an atmospheric pressure change as shown in FIG. 2 and reducing a difference in space pressure between the left and right sides of the differential pressure meter.
본 발명의 차압계 장치 부분은 도 2 와 같이 좌우 공간의 압력차를 측정하는 차압계(2)와, 상기 차압계(2)의 제한 용량을 넘지 않도록 하는 솔레노이드 밸브(5)와, 좌우 공간의 압력차를 서서히 줄여주는 포러스 미디어(6)와, 외부 공기의 오염을 방지하는 에어필터(7)로 구성되며, 상기 차압계(2)는 대기압연결 파이프(1)를 통하여 대기압 Ps이 한쪽에 직접 인가되는 한편 다른 쪽에는 포러스 미디어(6)사이에 반밀폐 공간(3) V2를 형성시키고, 상기 포러스 미디어(6)와 에어필터(7)사이공간과 반밀폐 공간(3)에는 솔레노이드 밸브 연결파이프(4)로 연결 되게 구성된다.The differential pressure gauge device part of the present invention includes a differential pressure gauge 2 for measuring the pressure difference between the left and right spaces as shown in Fig. 2, a solenoid valve 5 for not exceeding the limited capacity of the differential pressure gauge 2, A porous medium 6 for gradually reducing the air pressure and an air filter 7 for preventing contamination of the outside air. The differential pressure gauge 2 is supplied with atmospheric pressure Ps directly through the atmospheric pressure connection pipe 1, A semi-closed space V2 is formed between the porous media 6 and the space between the porous medium 6 and the air filter 7 and the semi-closed space 3 are connected to the solenoid valve connecting pipe 4 Respectively.
상기된 차압계(2) 출력을 미분하여 수직 속도를 출력하고 솔레노이드 밸브(5)를 작동시키는 수직출력부는 도 4 또는 도 5 와 같다.The vertical output portion for differentiating the output of the differential pressure gauge 2 and outputting the vertical speed and operating the solenoid valve 5 is as shown in FIG. 4 or FIG.
도 4 는 차압계(2) 출력이 정해진 기준전압(Vr)이상의 전압이 발생되면 비교기(11)가 작동하고, 비교기(11)의 출력은 타임머1(12)에 세팅된 수밀리초 동안 수직 속도 출력을 일정하게 유지시키고, 이때의 타임머1(12)출력을 샘플앤드홀드(9)에서 홀드시켜 차압계(2)출력을 미분한 미분회로(8)의 출력과 아날로그 먹스(10)에서 선택하여 수직속도로 측정하게 하며, 상기 타임머1(12)의 출력은 타임머2(13)에 인가되어 타임머1(12) 보다 작은 시간인 수밀리초 동안 솔레노이드 밸브(5)를 개방하여 좌우공간의 압력차를 줄여주고, 솔레노이드 밸브(5)개방시의 수직 속도 신호는 솔레노이드 밸브(5) 개방전의 값을 사용하도록 한다.4 shows that the comparator 11 is activated when a voltage equal to or higher than the reference voltage Vr is generated with the output of the differential pressure gauge 2 and the output of the comparator 11 is set to the vertical speed The output of the time counter 1 12 is held at the sample and hold 9 and the output of the differential pressure meter 2 is selected from the output of the differentiating circuit 8 and the analog mixer 10 And the output of the time meter 1 (12) is applied to the time counter 2 (13) to open the solenoid valve 5 for several milliseconds which is a time shorter than the time counter 1 (12) And the vertical speed signal at the time of opening the solenoid valve 5 makes use of the value before the solenoid valve 5 is opened.
도 5 는 차압계(2)의 출력은 미분회로(8)에서 미분하여 수직속도를 얻도록 하고, 상기 차압계(2) 출력이 정해진 기준전압 이상의 전압이 발생하면 이를 아날로그/디지털 변환기(14)에서 디지털 값으로 변환시켜 중앙처리장치(15)에 인가시킴으로써 중앙처리장치(15)에서는 수밀리초 동안 솔레노이드 밸브(5)를 개방하여 좌우공간의 압력차를 줄여주고, 이때의 수직 속도 신호는 솔레노이드 밸브(5) 개방전의 값을 사용한다.5, the output of the differential pressure gauge 2 is differentiated by the differentiating circuit 8 to obtain a vertical velocity. When a voltage of the differential pressure gauge 2 is higher than a predetermined reference voltage, the analog / The central processing unit 15 opens the solenoid valve 5 for several milliseconds to reduce the pressure difference between the left and right spaces by applying the same to the central processing unit 15. The vertical speed signal at this time is outputted to the solenoid valve 5) Use the value before opening.
이러한 본 발명은 궁극적으로 대기압 Ps 압력의 변화에 비하여 반밀폐 공간(3)에 가해지는 P2 압력의 변화를 적절히 조절함으로써, 차압계(2)의 용량이 작은 센서를 사용하여 압력 변화에 대한 전기력 응답 특성을 우수하게 할 수가 있다.The present invention is advantageous in that, by appropriately adjusting the change of the P2 pressure applied to the semi-closed space (3) in comparison with the change of the atmospheric pressure Ps pressure, the electric power response characteristic .
본 발명에서 포러스 미디어(6)와 에어필터(7)사이의 공간에 가해지는 P1 압력과 반밀폐 공간(3)에 가해지는 P2 압력의 크기가 P1 ＞ P2인 경우를 살펴본다.In the present invention, the case where P1 pressure applied to the space between the porous medium 6 and the air filter 7 and P2 pressure applied to the semi-closed space 3 is P1 > P2 will be described.
이는 반밀폐 공간(3)의 압력 변화를 알아야 수직속도계의 특성을 이해할 수가 있는 것으로 차압계 장치를 해석하기 위한 지배 방정식은 아래와 같다.This is because it is necessary to know the pressure change of the semi-closed space (3) to understand the characteristics of the vertical speed meter. The governing equations for analyzing the differential pressure device are as follows.
포러스 미디어(6) 전후의 압력 및 유속 변화를 표시하는 식은The expressions for pressure and flow rate changes before and after the porous media (6)
여기서 K는 압력 강하 계수, P는 압력, U는 포러스 미디어(6)에서의 평균 유속이다.Where K is the pressure drop coefficient, P is the pressure, and U is the average flow rate in the porous media (6).
반밀폐 공간(3)에서 순간 상태 방정식은The instantaneous state equation in semi-enclosed space (3)
반밀폐 공간(3)에서의 연속 방정식은The continuity equation in semi-enclosed space (3)
반밀폐 공간(3)에서의 에너지 방정식은The energy equation in the semi-enclosed space (3)
으로 표시되며, 여기서 u는 내부 에너지이고, h는 엔탈피이다., Where u is the internal energy and h is the enthalpy.
미지수는P 2(t),ρ 2(t),T 2(t),U(t)로 총 4 개이며 수식은 (7)에서 (10)까지 총 4 개로 유일해가 존재하게 된다.There are four unknowns, P 2 ( t ), ρ 2 ( t ), T 2 ( t ) and U ( t )
다음으로P 1〈P 2의 경우를 살펴본다.Next, the case of P 1 < P 2 will be examined.
포러스 미디어(6) 전후의 압력 및 유속 변화를 표시하는 식은The expressions for pressure and flow rate changes before and after the porous media (6)
여기서 k는 압력 강하 계수, P는 압력, U는 포러스 미디어(6)에서의 평균 유속이다.Where k is the pressure drop coefficient, P is the pressure, and U is the average flow rate in the porous media (6).
반밀폐 공간(3)에서 순간 상태 방정식은The instantaneous state equation in semi-enclosed space (3)
반밀폐 공간(3)에서의 연속 방정식은The continuity equation in semi-enclosed space (3)
반밀폐 공간(3)에서의 에너지 방정식은The energy equation in the semi-enclosed space (3)
로 표시되며, 여기서 u는 내부 에너지이고, h는 엔탈피이다., Where u is the internal energy and h is the enthalpy.
미지수는P 2(t),ρ 2(t),T 2(t),U(t)로 총 4 개이며 수식은 (11)에서 (14)까지 총 4 개로 유일해가 존재하게 된다.There are four unknowns, P 2 ( t ), ρ 2 ( t ), T 2 ( t ) and U ( t )
이러한 본 발명에서의 수직속도계 설계시 유의 사항은 다음과 같다.The following points are considered in designing the vertical speed meter in the present invention.
먼저 차압계 (2)의 용량을 최소화함으로써 수직속도계의 정밀도를 높일 수가 있어야 하나, 해면 고도에서 최대 상승 속도로 최대 운용 고도까지 상승할 동안 압력차는 차압계(2)의 용량을 넘어서는 안되며, 공간 부피를 줄이거나, 포러스 미디어(6)면적을 작게 하거나, 압력 강하 계수를 작게 사용하면 된다.It is necessary to first increase the accuracy of the vertical speedometer by minimizing the capacity of the differential pressure gauge 2, but the pressure difference should not exceed the capacity of the differential pressure gauge 2 during the rise from the sea level to the maximum operating speed at the maximum ascending speed, Or the porous media 6 may be reduced in area or the pressure drop coefficient may be reduced.
차압계(2)의 허용 범위를 넘게되면 솔레노이드 밸브(5)를 구동하여 차압차를 줄일 수 있도록 하되 상기 솔레노이드 밸브(5)의 구동시 수직속도 신호의 출력은 도 4 또는 도 5 를 이용하여 솔레노이드 밸브(5)구동 직전의 수직 속도 신호를 유지시킨다.4 or 5, when the solenoid valve 5 is operated, the solenoid valve 5 is driven so that the differential pressure difference can be reduced. When the solenoid valve 5 is operated, (5) Maintain the vertical velocity signal immediately before driving.
그리고 기준압 공간의 압력 변화를 최소화시켜야 하며, 이는 수직 속도계의정밀도에 해당되는 부분으로 공간 부피를 크게 하거나, 포러스 미디어(6) 면적을 크게 하거나, 압력 강하 계수를 크게 하는 방법으로 해결할 수가 있다.The pressure change in the reference pressure space must be minimized. This can be solved by increasing the space volume, increasing the area of the porous medium 6, or increasing the pressure drop coefficient, corresponding to the accuracy of the vertical speedometer.
한편 본 발명의 수직 속도계 설계 방법에 대하여 살펴본다.The vertical velocity meter design method of the present invention will be described.
먼저 수직속도계의 크기를 고려하여 기준압 공간 쳄버의 크기를 예를 들어 V2= 0.05m * 0.05m * 0.05m = 125 * 10-6m3가 되도록 하고, 다음으로 압력 강하 계수 결정하여야 한다.First, consider the size of the vertical speed meter, for example the size of the reference-pressure chamber and the space so that V 2 = 0.05m * 0.05m * 0.05m = 125 * 10 -6 m 3, and then to be determined by the pressure drop coefficient.
압력 강하 계수를 결정하려면 차압계(2)의 용량, 수직 속도계의 요구 정밀도, 포러스 미디어(6) 단면적 등을 미리 가정하여야 하며, 차압계(2) 용량은 1기압의 14.7분의 1 에 해당되는 1Psi(6891 Pa)가 적당할 것이고, 포러스 미디어(6) 단면적은 파이프 직경 면적보다 작으면 제작상 유리함으로, 직경이 3/16 인치인 경우는 1.78*10-5m2이하를 선택하면 된다.To determine the pressure drop factor, the capacity of the differential pressure gauge (2), the required accuracy of the vertical speedometer, and the cross-sectional area of the porous medium (6) should be assumed in advance. The capacity of the differential pressure gauge (2) should be 1Psi 6891 Pa). If the cross-sectional area of the porous medium 6 is smaller than the pipe diameter area, it is advantageous in terms of manufacturing. If the diameter is 3/16 inches, it is preferable to select 1.78 * 10 -5 m 2 or less.
수직 속도계의 정밀도는 지상 5km까지 10cm/sec로 유지하려면 압력 변화율은 0.27 Pa/sec 이하로 유지해야 한다.To maintain the accuracy of the vertical speedometer to 10 cm / sec up to 5 km above the ground, the rate of pressure change should be kept below 0.27 Pa / sec.
위의 조건이 성립되는 압력 강하 계수는 수식 지배 방정식을 이용하여 계산하면 된다.The pressure drop coefficient at which the above conditions are satisfied can be calculated using the equation of the governing equations.
이러한 본 발명에서 수직속도계의 오차계산을 살펴본다.In the present invention, calculation of the error of the vertical speedometer will be described.
초저가형 무인 항공기의 운용 범위는 고도 3km 이내에서 주로 운용되고 있으므로 항공기가 단순 상승 및 하강 비행시 수직 속도계의 오차는 지배 방정식을 이용하여 해석적으로 계산하면 되며, 계산시 필요한 고도별 대기 압력, 대기 온도, 대기 밀도는 아래 대기식을 이용하여 계산하였다.Since the operation range of the ultra low-cost unmanned aerial vehicle is mainly operated within 3 km, the error of the vertical speed meter can be computed analytically by using the governing equations when the airplane is flying up and down. Temperature, and atmospheric density were calculated using the following equation.
내부 에너지는를 이용하여 계산하였으며, 엔탈피는를 이용하여 계산하였다.The internal energy is The enthalpy was calculated using .
공기에 대한 물리양은로 하였고 포러스 미디어(6)의 단면적은 A = 1.78*10-7m2로 하였다.The physical quantity for air And the cross-sectional area of the porous media (6) was A = 1.78 * 10 -7 m 2 .
고도를 1,500m에서 0m까지 5m/sec 속도로 하강 비행시 포러스 미디어(6)의 압력 강하 계수(k)를 변경시키면서 차압계(2)에 걸리는 최대 압력 (ΔP(Pa)),최대 수직 속도 오차시 수직 속도(V(m/s), 0m 고도에 도착 후 수평 비행시 수직 속도 오차(ΔV(m/s))를 표 1 에서 보여 주고 있다.Height while changing the pressure drop coefficient (k) of from 1,500m to 0m 5m / sec descent flight when porous media (6) at a speed up to a pressure applied to the differential pressure gauge (2) (ΔP (Pa)), the maximum vertical speed error when Table 1 shows the vertical velocity error ( V ( m / s )) at the horizontal flight after reaching the vertical velocity (V (m / s), 0m altitude).
표에서는 압력 강하 계수가 1017인 경우는 차압계(2)의 용량만 허용하면 정밀하게 수직 속도를 측정할 수 있음을 보여 주고 있으며 기존의 절대 대기압계를 사용하는 것보다 1/6기압 차압계를 사용할 수 있으므로 6배정도 정밀하게 측정할 수 있음을 보여 주고 있다.The table shows that if the pressure drop factor is 10 17 , the vertical velocity can be accurately measured by allowing only the capacity of the differential pressure gauge (2). The use of a 1/6 bar differential pressure gauge It is possible to measure it precisely 6 times.
압력 강하 계수가 1012인 경우는 고도 천이 후 수평 비행시 매우 큰 오차를 보여 주고 있어서 사용할 수가 없음을 보여주고 있으며, 표 1 에서 속도 정밀도를 높이려면, 큰 용량의 차압계가 필요함을 알 수가 있는데, 이로 인하여 운용 고도의 한계가 있음을 알 수가 있다.It is shown that the pressure drop coefficient of 10 12 shows a large error in horizontal flight after altitude transition and can not be used. In order to improve the speed accuracy in Table 1, it can be seen that a large capacity differential pressure meter is required, This shows that there is a limit to the operating altitude.
도 3 은 압력 강하 계수가 0.5*1011인 수직 속도계가 5m/sec로 수직 이동할 때 초기 수직 속도계의 출력을 보여 주고 있는 것으로, 수직 속도의 오차는 매우 크게 발전하고 있으나, 상승 및 하강 천이 비행시 항공기의 수직 속도변화를 검출할 수 있음을 보여 주고 있어서 압력 강하 계수를 적절히 조절하면 자동 비행 시스템의 댐핑 신호로 사용할 수 있음을 보여주고 있다.FIG. 3 shows the output of the initial vertical velocity meter when the vertical velocity meter having the pressure drop coefficient of 0.5 * 10 11 is vertically moved at 5 m / sec. The error of the vertical velocity is greatly improved. However, It is shown that the vertical velocity change of the aircraft can be detected and it can be used as the damping signal of the automatic flight system by adjusting the pressure drop coefficient appropriately.
본 발명은 무인 항공기 및 경 항공기에 적용될 수 있는 수직속도계에 관한 것으로, 압력 측정시 용량이 작은 차압형 압력 센서를 사용함으로써, 항공기 고도 변화에 대하여 민감하게 압력 센서가 반응할 수 있고, 반 밀폐된 공간의 압력 변화를 매우 작도록 함으로써 응답 특성이 매우 빠르고 정밀하게 수직 속도를 측정할 수가 있는 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a vertical speed meter applicable to an unmanned aerial vehicle and a light aircraft. By using a differential pressure sensor having a small capacity for pressure measurement, the pressure sensor can respond sensitively to aircraft altitude changes, It is possible to measure the vertical velocity very quickly and precisely by making the pressure change of the space very small.
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