KR100447243B1 - Aircraft Attitude Measurement using the Difference of Atmospheric Pressures - Google Patents

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KR100447243B1
KR100447243B1 KR10-2002-0039198A KR20020039198A KR100447243B1 KR 100447243 B1 KR100447243 B1 KR 100447243B1 KR 20020039198 A KR20020039198 A KR 20020039198A KR 100447243 B1 KR100447243 B1 KR 100447243B1
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Abstract

본 발명은 항공기의 양쪽 날개 끝 또는 동체 앞뒤에 설치된 대기압 측정 구멍간의 압력차를 측정함으로써 항공기 자세를 측정하는 시스템에 관한 것으로, 값싼 압력센서로 이용하여 넓은 고도에서 자세 오차를 발산하지 않으면서 항공기의 자세를 측정할 수 있도록 하는 것이다.The present invention relates to a system for measuring the attitude of the aircraft by measuring the pressure difference between the atmospheric pressure measurement holes installed on both sides of the wing or the front and rear of the aircraft, using an inexpensive pressure sensor without the attitude error at a wide altitude of the aircraft It is to be able to measure posture.

기본적으로 고도가 상승하면 단위 고도차당 압력차는 줄어드는데 6,000m 상공인 경우 6.35Pa/m의 압력차가 발생함으로, 통상의 차압센서를 사용하면 손쉽게 양쪽 날개 끝의 고도 차이를 알 수가 있고 따라서 자세각을 예측할 수가 있다.Basically, as the altitude rises, the pressure difference per unit altitude decreases, but when the air pressure is over 6,000m, the pressure difference is 6.35 Pa / m. There is a number.

통상의 고도 센서의 정밀도는 수 m로서 항공기의 자세를 측정하기에는 부적합하나 정밀한 차압 센서를 사용하면 약 500m 정도 좁은 범위에서 사용할 수가 있고 특히 2개의 차압 센서와 밸브를 이용하여 번갈아 사용하면 넓은 고도에서 자세 오차가 발산하지 않으면서 사용할 수가 있다.Although the accuracy of the general altitude sensor is a few m, it is not suitable for measuring the attitude of the aircraft, but if a precise differential pressure sensor is used, it can be used in a narrow range of about 500 m. The error can be used without diverging.

이러한 본 발명은 센서 시스템의 원리상 누적된 자세 오차의 발산이 없고 내부의 센서정보만으로 자세각을 예측함으로 외부에 방해에 강한 특성을 갖고 있는 것이다.The present invention has a strong characteristic against interference by predicting the attitude angle only by the sensor information inside without diverging accumulated attitude errors in principle of the sensor system.

Description

대기압차를 이용한 항공기 자세 측정 시스템{Aircraft Attitude Measurement using the Difference of Atmospheric Pressures}Aircraft Attitude Measurement using the Difference of Atmospheric Pressures}

본 발명은 항공기의 양쪽 날개 끝 또는 동체 앞뒤에 설치된 대기압 측정 구멍간의 압력차를 측정함으로써 항공기 자세를 측정하는 시스템에 관한 것으로, 값싼 압력센서로 이용하여 넓은 고도에서 자세 오차를 발산하지 않으면서 항공기의 자세를 측정할 수 있도록 하는 것이다.The present invention relates to a system for measuring the attitude of the aircraft by measuring the pressure difference between the atmospheric pressure measurement holes installed on both sides of the wing or the front and rear of the aircraft, using an inexpensive pressure sensor without the attitude error at a wide altitude of the aircraft It is to be able to measure posture.

항공기가 자동으로 비행하려면 항공기의 자세 정보가 필요한데 기존의 항공기의 경우 자세 정보를 제공하는 수직자이로(Vertical Gyro), 자세 및 방향 기준 시스템(AHRS : Attitude and Heading Reference System), INS(Inertial Navigation System), GPS/INS 등의 시스템을 사용하고 있다.For aircraft to fly automatically, the attitude of the aircraft is required. For conventional aircraft, the vertical gyro, attitude attitude and heading reference system (AHRS), and the Inertial Navigation System (INS) provide attitude information. , GPS / INS and other systems are used.

일반적으로 항공기에 사용되는 자이로는 고정밀 자이로를 사용하는데 고정밀짐벌(Gimbal)형 기계식 자이로, RLG(Ring Laser Gyro), FOG(Fiber Optic Gyro)로 구성된 항법시스템이 자세 정보를 제공한다.In general, a gyro used in an aircraft uses a high-precision gyro, which is a high precision gimbal mechanical gyro, and a navigation system composed of a ring laser gyro (RLG) and a fiber optic gyro (FOG) provides attitude information.

이러한 시스템은 매우 고가로 저가형 무인 항공기에 적용하는데 한계가 있다.Such systems are very expensive and have limitations in their application to low cost drones.

또한, 레이트 자이로를 이용하여 스트랩다운(Strapdown)개념으로 각도를 계산하는 모든 각도 예측 시스템은 각도 오차가 누적됨으로 지속적으로 오차 보정 작업을 수행해야 된다.In addition, every angle prediction system that calculates angles using a strap gyro using a rate gyroscope has to continuously perform error correction as the angle errors are accumulated.

무인 항공기 시장이 확대되면서 저가형 자세 정보 제공 시스템이 개발되기 시작하였다.As the drone market expands, low-cost attitude information providing systems have begun to develop.

그 예로는 시간당 수백에서 수십도 오차를 유발하는 레이트 자이로를 이용하여 중력장과 결합한 스트랩다운형 수직자이로와 저가형 레이트 자이로, 가속도계, GPS를 결합한 GPS/INS 시스템 등이 있다.Examples include a strap-down vertical gyro combined with a gravitational field using a rate gyro that causes hundreds to tens of degrees of error per hour, a low-cost rate gyro, an accelerometer, and a GPS / INS system with GPS.

비정밀 레이트 자이로 및 가속도계를 결합한 스트랩다운 수직 자이로는 자세 수정을 지구 중력을 이용함으로 급격한 기동이나 난기류하에서는 원리상 제대로 자세 수정을 하지 못하고 자세 오차가 발산하게 된다.The strap-down vertical gyro, which combines a coarse rate gyro and an accelerometer, uses the earth's gravity to correct the attitude.

따라서 강한 난기류하에서 기상 데이터를 측정하는 저가형 소모형 소형 무인 항공기에는 적용될 수가 없다.Therefore, it cannot be applied to low-cost, low-cost and small drones that measure weather data under strong turbulence.

일반적으로 레이트 자이로와 GPS를 이용하여 비행기의 자세를 비정밀하게 유지할 수는 있으나 강한 난기류하에서는 자동 비행이 매우 어려운 것으로 알려져 있다.In general, it is known that the rate gyro and GPS can be used to maintain the attitude of the aircraft inaccurately, but automatic flight is very difficult under strong turbulence.

이와 같이 비정밀 레이트 자이로는 정밀도가 매우 떨어져 수십초 이내에는 반드시 자세 보정 작업을 실시해야 한다.As such, the coarse rate gyro has very low accuracy and must perform posture correction within a few tens of seconds.

비행기가 비가속도 비행운동을 수행할 때 가속도 센서를 이용하여 중력방향을 측정하고 비행기의 자세 정보를 획득하게 됨으로 자세 보정 작업을 위한 자세 정보를 획득하려면 비행운동에 제한을 가해야 된다.When the airplane performs the non-accelerated flight movement, the gravity sensor is used to measure the direction of gravity and the attitude information of the plane is acquired. Therefore, in order to acquire the attitude information for the posture correction operation, the flight movement must be restricted.

무인 항공기의 경우 끊임없이 자세를 변경하면서 비행하는 관계로 일반적으로 비가속도 중력 운동을 기대하기가 어려우며, 특히 소형 무인 항공기가 난기류 상황에서 비행할 때는 기체가 4g 정도의 가속도를 받는다고 알려져 있으므로 효과적인 자세 보정에는 어려움이 있다.In the case of drones, it is difficult to expect non-accelerated gravitational movement in general because they are constantly changing their attitude. Especially, when a small drone is flying in turbulent conditions, it is known that the aircraft receives about 4g of acceleration. There is a difficulty.

또한, 레이트 자이로 및 가속도계 결합에는 고정밀 레이트 테이블(Rate Table)을 이용한 교정 과정이 필수임으로 제품의 단가가 매우 비싼(10KUS$) 문제점이 있다.In addition, the combination of the rate gyro and the accelerometer requires a calibration process using a high-precision rate table, and thus, the unit price of the product is very expensive (10 KUS $).

비정밀 레이트 자이로, 가속도계, GPS 수신기를 결합한 저가형 GPS/INS 시스템은 비정밀 레이트 자이로 및 가속도계를 결합한 스트랩다운 수직 자이로와 마찬가지로, 비정밀 레이트 자이로를 사용함으로 자세 오차 발산 정도가 매우 심하여 수십초 이내에는 반드시 자세 보정 작업을 실시해야 한다.A low-cost GPS / INS system that combines a coarse rate gyro, accelerometer, and GPS receiver, like a strapdown vertical gyro that combines a coarse rate gyro and an accelerometer, uses a coarse rate gyro, resulting in very high posture error and within a few seconds Posture correction must be performed.

통상 GPS 신호는 단절될 수가 있다고 보고 단절된 이후에는 최소한 15초 이상 양호한 GPS 신호를 전달받아야 믿을 수 있는 위치 및 속도 정보를 얻을 수 있어서 비정밀급 레이트 자이로는 사용하는데 한계가 있으며, 특별히 중급 레이트 자이로를 사용하든지 GPS 신호의 단절이 없도록 여러 곳에 GPS 안테나를 설치하고 통합하는 시스템이 필요하다.In general, GPS signals can be disconnected, and after they are disconnected, they must receive a good GPS signal for at least 15 seconds to obtain reliable position and speed information.Therefore, there is a limit to using a coarse rate gyro. There is a need for a system that installs and integrates GPS antennas in multiple locations so that they can be used or disconnected from the GPS signal.

이 또한, 레이트 자이로 및 가속도계 결합에는 고정밀 레이트 테이블을 이용한 교정 과정이 필수임으로 제품의 단가가 매우 비싼 것이 단점이다.In addition, the combination of the rate gyro and the accelerometer requires a calibration process using a high-precision rate table.

특히 여러 개의 GPS 안테나를 사용함으로 외부에서 GPS 재밍(Jamming)이 용이할 수도 있어서, 비행체의 자세에 따라 효과적인 GPS 안테나 스위칭이 필요하다.In particular, the use of multiple GPS antennas may facilitate GPS jamming from the outside, requiring effective GPS antenna switching depending on the attitude of the aircraft.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 날개 좌우측의 대기압차를 측정하여 날개의 자세각을 측정함으로써 날개 자세각의 오차 발산 현상은 원리상 발생하지 않는다.The present invention has been devised to solve this problem, by measuring the atmospheric pressure difference on the left and right sides of the wing and by measuring the attitude of the wing, the phenomenon of error divergence of the wing attitude does not occur in principle.

또한, 값싼 압력 센서를 사용하여 구성함으로써 저가형 무인 항공기에 적용될 수 있는 것이다.In addition, by using a cheap pressure sensor can be applied to low-cost unmanned aerial vehicles.

이러한 본 발명은 항공기의 날개 좌우에 장착되어 대기압 연결 파이프를 통해 정압을 측정하는 적어도 두 개이상의 압력 측정 수단과 상기 압력 측정 수단에서 측정된 정압으로 자세각을 계산하는 탑재 컴퓨터로 이루어진다.The present invention comprises at least two or more pressure measuring means mounted on the left and right of the wing of the aircraft to measure the static pressure through the atmospheric pressure connection pipe and a mounting computer for calculating the attitude angle with the static pressure measured by the pressure measuring means.

도 1 은 본 발명의 항공기 날개 좌우의 고도 측정 및 자세 결정 개념도1 is a conceptual diagram of altitude measurement and attitude determination of the left and right of an aircraft wing of the present invention

도 2 는 본 발명에서 고정밀 절대 대기압계를 이용한 항공기 날개 좌우의 고도 측정 및 자세 결정 개념도Figure 2 is a conceptual diagram of altitude measurement and attitude determination of the left and right of the aircraft wing using a high precision absolute barometer in the present invention

도 3 은 본 발명에서 고정밀 차압계 2개를 이용한 항공기 날개 좌우의 압력차 측정 및 자세 결정 개념도Figure 3 is a conceptual diagram of measuring the pressure difference between the left and right of the aircraft wing and attitude determination using two high-precision differential pressure gauge in the present invention

도 4 는 도 3의 고정밀 차압계 2개를 이용할 때 고도에 따라 밸브의 개폐를 나타내는 동작 상태도4 is an operation state diagram showing the opening and closing of the valve according to the altitude when using two high-precision differential pressure gauge of FIG.

도 5 는 본 발명에서 고정밀 차압계 4개를 이용한 항공기 날개 좌우의 압력차 측정 및 자세 결정 개념도5 is a conceptual diagram of the pressure difference measurement and attitude determination of the left and right of the aircraft wing using four high-precision differential pressure gauge in the present invention

도 6 은 도 5의 고정밀 차압계 2개를 이용할 때 고도에 따라 밸브의 개폐를 나타내는 동작 상태도6 is an operating state diagram showing the opening and closing of the valve according to the altitude when using two high-precision differential pressure gauge of FIG.

도 7 은 본 발명에서 항공기 날개 좌우의 압력차 및 자세각을 나타내는 개념도7 is a conceptual diagram showing the pressure difference between the left and right of the aircraft wing and attitude angle in the present invention

{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}{Description of symbols for main parts of the drawing}

1 : 항공기의 날개의 상면1: upper surface of the wing of an aircraft

2, 3 : 대기압 연결 파이프2, 3: atmospheric pressure connecting pipe

4 : 탑재 컴퓨터4: onboard computer

5, 6 : 압력 측정 수단의 출력을 탑재 컴퓨터에 연결하는 전선5, 6: wire connecting the output of the pressure measuring means to the onboard computer

10 : 압력 측정 수단10: pressure measuring means

10a : 고정밀 절대 대기압계10a: high precision absolute barometer

10b : 고정밀 차압계10b: high precision differential pressure gauge

11, 12, 13, 14 : 밸브11, 12, 13, 14: valve

15, 16 : 밸브 구동 전선15, 16: valve drive wire

본 발명은 항공기의 양쪽 날개 끝 또는 동체 앞뒤에 설치된 대기압 측정 구멍간의 압력차를 측정함으로써 항공기 자세를 측정하는 시스템에 관한 것으로, 값싼 압력센서로 이용하여 넓은 고도에서 자세 오차를 발산하지 않으면서 항공기의 자세를 측정할 수 있도록 하는 것이다.The present invention relates to a system for measuring the attitude of the aircraft by measuring the pressure difference between the atmospheric pressure measurement holes installed on both sides of the wing or the front and rear of the aircraft, using an inexpensive pressure sensor without the attitude error at a wide altitude of the aircraft It is to be able to measure posture.

이러한 본 발명은 도 1과 같이 항공기의 날개 좌우에 장착되어 대기압 연결파이프(2)(3)를 통해 정압을 측정하는 적어도 두 개이상의 압력 측정 수단(10)과, 상기 압력 측정 수단(10)에서 측정된 압력으로 자세각을 계산하는 탑재 컴퓨터(4)로 이루어진다.The present invention is mounted on the left and right wing of the aircraft as shown in Figure 1 at least two or more pressure measuring means 10 for measuring the static pressure through the atmospheric pressure connection pipe (2) (3), and in the pressure measuring means 10 It consists of an onboard computer 4 which calculates the attitude angle with the measured pressure.

도 2는 날개 양쪽에 부착된 압력 측정 수단을 고정밀 절대 대기압계(10a)를 이용하여 항공기의 자세를 측정하는 시스템으로 현재의 기술로는 넓은 고도 범위의 정밀한 자세 측정은 불가능하나 비정밀 소모성 무인 항공기의 깊은 롤 자세로 들어가 자동 조종 회복 불능 상태로 빠지는 것을 막을 수는 있다.Figure 2 is a system for measuring the attitude of the aircraft using a high-precision absolute barometer (10a) pressure measuring means attached to both sides of the wing as a current technology, it is impossible to precisely measure a wide range of altitude, but the non-consumable unmanned aerial vehicle It is possible to enter the deep roll position of the player and prevent it from falling out of automatic control.

절대 대기압계(10a)에서 낮은 고도 신호만을 증폭하여 사용하면 무인 항공기의 깊은 롤 자세 상태로 빠지는 것을 자동 조종에서 막을 수가 있다.If only the low altitude signal is amplified and used in the absolute barometer 10a, the automatic drone can be prevented from falling into the deep roll attitude of the drone.

도 3과 5는 압력측정수단(10)을 고정밀 차압계(10b)를 이용하는 시스템을 나타낸 것으로 밸브(11)(12)(13)(14)는 열려진 상태이면 차압계(10b)는 도 2와 같이 절대 대기압계(10a)와 동일하게 작동을 하지만, 밸브를 닫으면 닫힌 순간 차압센서의 안쪽압력은 고정이 되고 대기쪽으로 연결된 바깥쪽은 대기압에 따라 변하게 되므로 필요에 따른 상대적인 압력차를 얻을 수 있다.차압계(10b)의 한 포트를 밸브로 막으면 차압계(10b)는 게이지압계와 동일하게 동작하므로 정밀한 차압계(10b)의 장점을 이용하여 절대 대기압계(10a)로써 측정하기 어려운 1cm 고도차까지도 측정이 가능해진다.3 and 5 show a system using the high-precision differential pressure gauge 10b for the pressure measuring means 10. When the valves 11, 12, 13 and 14 are open, the differential pressure gauge 10b is absolute as shown in FIG. It operates in the same way as the barometer 10a, but when the valve is closed, the inner pressure of the differential pressure sensor is fixed and the outer side connected to the atmosphere changes according to the atmospheric pressure, so that a relative pressure difference can be obtained if necessary. If a port of 10b) is closed with a valve, the differential pressure gauge 10b operates in the same manner as the gauge pressure gauge, so that even the 1 cm altitude difference, which is difficult to measure with the absolute barometer 10a, can be measured using the advantages of the precision differential pressure gauge 10b. .

도 3에서는 200m 고도변위의 경우 ±3,000Pa차압센서를 사용시 1cm 고도차를 측정할 수 있으며, 도 5에서는 2개의 시스템(차압센서)을 날개 양 끝에 동시에 장착하여 도 6과 같이 2개 시스템을 이용하여 제1의 시스템의 동작 범위를 벗어나는 경우에 제2의 시스템은 제1의 시스템 동작 범위를 벗어나기 전에 가동되고, 상기 제2의 시스템은 제1의 시스템 동작 범위를 벗어나서 작동된다.제1과 제2의 시스템을 고도 200m씩 교대로 사용하면 모든 고도에 대하여 1cm 고도차 측정이 가능해진다.시스템을 여러번 사용할 경우는 정밀도가 저하될 여지가 있으나 비행기에 저가형 Yaw Rate 센서가 장착되어 있으면 쉽게 자세 발산을 막을 수가 있고, 자세 발산 원리는 항공기가 수평 비행시 Yaw Rate은 '0'이므로 비행하면서 수평 비행을 수행하고 대기압차 자세 시스템을 보정하면 된다.In FIG. 3, a 1 cm altitude difference can be measured using a ± 3,000 Pa differential pressure sensor in the case of a 200 m altitude displacement. In FIG. 5, two systems (differential pressure sensors) are simultaneously mounted at both ends of a wing, and two systems are used as shown in FIG. 6. If outside the operating range of the first system, the second system is activated before leaving the first system operating range, and the second system is operated out of the first system operating range. If you use the system of 200m altitude alternately, you can measure 1cm altitude difference for all altitudes.If you use the system several times, the accuracy may be reduced, but if the aircraft is equipped with low-cost Yaw Rate sensor, you can easily prevent the attitude divergence. The principle of attitude divergence is that when the aircraft is flying horizontally, the yaw rate is '0'. do.

도 3에서 날개 양쪽에 1개의 차압 센서를 사용할 때 소모성 저가형 무인 항공기의 경우 수평 비행에는 문제가 없으나 선회 비행시 깊은 롤각으로 들어갈 염려가 있는데 선회 비행시만 밸브를 잠그고 차압을 측정하여 롤각을 예측하고 자동 조종 시스템으로 사용하면 안정적으로 선회할 수가 있다.In FIG. 3, when using one differential pressure sensor on both sides of a wing, a low-cost low cost drone has no problem with horizontal flight, but there is a risk of entering into a deep roll angle during a turning flight. In a turning flight, the valve is locked and a differential pressure is measured to predict a roll angle. When used as an autopilot system, it can turn stably.

도 5는 날개 양쪽에 2개의 차압 센서를 사용할 경우로 한 개의 차압 센서를 사용할 때는 다른 차압 센서의 밸브는 개방하고, 사용하는 차압 센서의 최대 입력 범위를 넘을 때는 다른 차압 센서의 밸브를 잠그고 자세를 측정한다.5 shows the use of two differential pressure sensors on both sides of the vane, when one differential pressure sensor is used, the valve of the other differential pressure sensor is opened, and the valve of the other differential pressure sensor is locked when the differential pressure sensor exceeds the maximum input range. Measure

따라서 번갈아 가면서 측정함으로 넓은 고도 범위에서 광범위하게 사용될 수 있다.Thus, alternating measurements can be used extensively over a wide range of altitudes.

이와 같이, 압력 센서를 날개 끝에 장착함으로써 롤각을 측정할 수 있으며 항공기 앞뒤로 설치시 피치각에 대하여도 측정할 수 있으며, 압력 센서를 이용한 자세 측정 시스템, 가속도계, GPS 수신기와 결합하면 압력 센서를 이용한 자세 측정 시스템의 오차도 비행하면서 보정을 할 수가 있다.As such, the roll angle can be measured by mounting the pressure sensor at the tip of the wing, and can also measure the pitch angle when installed in front and rear of the aircraft, and when used in combination with a posture measuring system, accelerometer, and GPS receiver using a pressure sensor. Errors in the measurement system can also be corrected while flying.

본 발명에서 소형 무인 항공기의 날개 끝의 대기압차를 측정하고 날개의 기울기 예측하는 것을 살펴보면 Rigid Body인 소형 무인 항공기의 날개가 기울어져 있을 때 관계식은 아래식과 같다.Looking at the measurement of the atmospheric pressure difference of the wing tip of the small unmanned aerial vehicle and predicting the tilt of the wing in the present invention, when the wing of the small unmanned aerial vehicle, which is a rigid body, is tilted, the relation is as follows.

여기서 b는 날개 폭(Wing Span),는 날개 끝 높이 차이,는 날개 기울기를 나타낸다.Where b is the wing span, The wing tip height difference, Indicates the tilt of the wing.

이때, 날개 끝의 높이차는 아래와 같이 구한다.At this time, the height difference of the wing tip is calculated as follows.

여기서는 날개 끝의 압력차,는 비행 고도에서 대기밀도, g는 중력가속도(9.8 m/sec2)를 나타낸다.here Pressure difference at the tip of the wing, Is the air density at flight altitude, g is the acceleration of gravity (9.8 m / sec 2 ).

비행 고도에서 대기 밀도는 기체 상태 방정식에서 구한다.At flight altitude, atmospheric density is obtained from the gas state equation.

여기서 P는 대기압(Pa), T는 대기 온도 (°K), R은 공기 가스 정수(287)를 나타낸다.Where P is atmospheric pressure (Pa), T is atmospheric temperature (° K), and R is air gas constant (287).

이와 같이, 비행 고도에서 대기압, 대기 온도, 날개 끝의 압력차를 측정하면 수학식 1, 2, 3을 이용하여 날개의 기울기를 계산할 수 있다.As such, when the atmospheric pressure, the atmospheric temperature, and the pressure difference between the blade tip at the flight altitude are measured, the slope of the blade may be calculated using Equations 1, 2, and 3.

예를 들어 고도 1,200m로 비행하는 날개길이 3m의 무인기가 일정한 자세각으로 선회를 할 때 양 끝에 설치된 압력계의 차이가 0.105 Kg/m2이었다면 롤각 θ를 계산하면 다음과 같다.For example, if the drone with a wingspan of 3m flying at an altitude of 1,200m turns at a constant posture angle, and the difference between the pressure gauges installed at both ends is 0.105 Kg / m 2, the roll angle θ is calculated as follows.

먼저, 고도 1,200m에서 수학식 3의 표준 대기 관련식에서 대기 밀도는 다음과 같이 구할 수 있다.First, the air density in the standard atmospheric equation of Equation 3 at an altitude of 1,200 m can be obtained as follows.

따라서, 날개길이 b=3m, 중력가속도 g=9.8m/sec2, 압력차일 때 롤각을 구하면Therefore, wing length b = 3m, gravitational acceleration g = 9.8m / sec 2 , pressure difference If you find the roll angle

즉, 항공기의 자세각은 고도에 따른 밀도, 날개길이, 중력가속도 값을 알고 있으므로 날개 양 끝에 설치된 압력계의 차압을 측정함으로써 구할 수 있다.That is, the attitude angle of the aircraft can be obtained by measuring the differential pressure of the pressure gauge installed at both ends of the wing because the knowing the density, wing length, and gravity acceleration values according to the altitude.

본 발명에서 요구되는 고도 변화에 따른 분해능을 살펴보면 항공기의 자세각의 정밀도는 ±0.3도 이내에 들어오면 충분하다.Looking at the resolution according to the altitude change required by the present invention, the precision of the attitude angle of the aircraft is enough to fall within ± 0.3 degrees.

소형 무인 항공기의 날개 길이를 300cm로 가정하면 1.57cm의 고도 분해능을 보여 주면 되나, 소형 소모성 무인 항공기의 자동 선회 안정성을 증강시키기 위하여 날개의 자세각을 이용한다면 5도 정도의 분해능도 사용할 수가 있는데 이 경우는 26cm 정도의 분해능을 요구하고 있다.If the wing length of a small drone is assumed to be 300cm, the resolution is 1.57cm.However, if the wing attitude is used to enhance the automatic turning stability of the small consumable drone, a resolution of about 5 degrees can be used. The case requires a resolution of around 26cm.

먼저, 항공기 날개 끝의 대기압 측정하는 절대 대기압계의 분해능을 살펴보면 표준 대기에서 고도에 따른 대기압은 아래 수식과 같다.First, if you look at the resolution of the absolute barometer to measure the atmospheric pressure at the tip of the aircraft wing, the atmospheric pressure according to the altitude in the standard atmosphere is as follows.

표 1. 표준 대기에서 고도에 따른 대기압 값Table 1. Atmospheric pressure values with altitude in standard atmosphere

고도(m)Altitude (m) 대기압(Pa)Atmospheric pressure (Pa) 1m당 압력 변화(Pa)(밀도×중력가속도)Pressure change per meter (Pa) (density x gravity acceleration) 00 101,325101,325 11.8411.84 1,2001,200 87,71887,718 10.5310.53 2,4002,400 75,63475,634 9.339.33 3,6003,600 64,93964,939 8.248.24 4,8004,800 55,50655,506 7.257.25 6,0006,000 47,21747,217 6.356.35 9,9009,900 26,90626,906 4.104.10 15,00015,000 12,11212,112 1.911.91 18,90018,900 6,5706,570 1.041.04

9,900m까지 1cm의 정밀도로 측정하려면 압력 측정 정밀도는 아래와 같이 구할 수 있다.To measure with 1cm accuracy up to 9,900m, the pressure measurement accuracy can be obtained as follows.

요구되는 압력 정밀도 = 9,900m 고도에서 1m당 압력변화 (4.10 Pa) /100cm = 0.041PaRequired pressure precision = pressure change per meter (4.10 Pa) at 9,900m altitude / 100cm = 0.041Pa

요구되는 압력 센서의 분해능 = (0m에서의 대기압(101,325Pa) - 9,900m에서의 대기압 (26,906Pa)) / 요구되는 압력 정밀도 (0.041 Pa) = 1,815,097 분해능Required pressure sensor resolution = (atmospheric pressure (101,325Pa) at 0m-atmospheric pressure (26,906Pa) at 9,900m) / required pressure precision (0.041 Pa) = 1,815,097 resolution

이와 같이, 백만배의 분해능을 갖는 정밀 고도계는 현실적으로 개발되어 있지 않다.As such, a precision altimeter with a million-fold resolution has not been developed in reality.

1,200m까지 1cm의 정밀도로 측정하려면 압력 측정 정밀도는 아래와 같이 구할 수 있다.To measure up to 1,200 m with an accuracy of 1 cm, the pressure measurement accuracy can be obtained as follows.

요구되는 압력 정밀도 = 1,200m 고도에서 1m당 압력변화 (10.53Pa) / 100cm= 0.105PaRequired pressure accuracy = pressure change per meter (10.53Pa) at 1,200m altitude / 100cm = 0.105Pa

요구되는 압력 센서의 분해능 = (0m에서의 대기압(101,325Pa) - 1,200m에서의 대기압 (87,718Pa)) / 요구되는 압력 정밀도 (0.105 Pa)= 13,607 분해능Required pressure sensor resolution = (atmospheric pressure (101,325Pa) at 0m-atmospheric pressure (87,718Pa) at 1,200m) / required pressure precision (0.105 Pa) = 13,607 resolution

대기압 측정 센서의 출력을 0m에서 1,200m까지 변할 때 0에서 5볼트 전기 신호가 나오도록 회로를 구성하여 14bit 아날로그/디지탈 변환기를 사용하면 충분한 분해능을 가질 수가 있으므로 저고도 소형 무인 항공기에는 적용할 수 있다.The circuit can be configured to generate 0 to 5 volt electrical signals when the output of the barometric pressure sensor changes from 0m to 1200m, so that a 14-bit analog-to-digital converter can have sufficient resolution, so it can be applied to low altitude and small unmanned aerial vehicles.

도 3과 도 5에서 차압계를 이용한 자세 측정 시스템에서는 임의의 고도에서 ±200m 고도를 비행하는 항공기가 1cm 고도 변화를 감지할 수 있는 센서는 20,000배의 분해능을 가진 센서가 되어야 한다.In the attitude measurement system using a differential pressure gauge in FIGS. 3 and 5, a sensor capable of detecting a change of 1 cm in altitude by an aircraft flying at an altitude of ± 200 m at an altitude should be a sensor having a resolution of 20,000 times.

16bit 아날로그/디지털 신호 변환기를 사용할 때 65,535배의 분해능을 가질 수 있으므로 20,000배의 분해능은 충분하다. 차압 센서의 신호 분해능이 요구되는 분해능을 만족시키면 된다.When using a 16-bit analog-to-digital signal converter, resolution can be 65,535 times, so a resolution of 20,000 times is sufficient. The signal resolution of the differential pressure sensor may satisfy the required resolution.

공기는 저고도에서 밀도가 높으므로 0m에서 200m로 변할때 최대 압력 변화가 발생된다.Air is denser at low altitudes, so maximum pressure changes occur from 0m to 200m.

최대 압력 변화는 11.84 Pa/m ×200 m = 2,368 Pa이다. 최대 압력 범위가 ±3,000Pa이 되는 차압계를 사용하면 정밀하게 날개 끝의 압력 변화를 감지할 수가 있다.The maximum pressure change is 11.84 Pa / m x 200 m = 2,368 Pa. Differential pressure gauges with a maximum pressure range of ± 3,000 Pa allow for accurate detection of pressure changes at the tip of the vane.

이러한 본 발명에서 동적 응답 특성(Bandwidth)을 살펴보면 압력공에서 압력센서까지 거리가 길면 동적 응답 특성이 떨어지는데 5m 이내에서는 일반 항공기 자동 비행 시스템에 요구하는 수 Hz 응답 특성을 유지할 수가 있다. 차압 센서의 응답 특성은 수백 Hz 이상을 갖고 있고 가장 문제가 있는 부분은 차압 센서와 대기압 사이를 연결하는 파이프 직경과 길이의 문제이다.Looking at the dynamic response characteristics (Bandwidth) in the present invention, when the distance from the pressure hole to the pressure sensor is long, the dynamic response characteristics are lowered, but within 5m, it is possible to maintain the several Hz response characteristics required for a normal aircraft automatic flight system. The response characteristic of the differential pressure sensor is more than a few hundred Hz, and the most problematic part is the problem of pipe diameter and length connecting the differential pressure sensor and atmospheric pressure.

파이프 직경은 크고, 길이가 짧으면 응답 특성이 빠르므로 통상 항공기에 사용되는 파이프를 사용하면 10Hz 이상의 응답 특성을 확보할 수가 있다. 소형 항공기에서 단주기 운동의 경우도 빨라야 1-2Hz로 자동 조종 시스템을 구성하는데 문제가 없다.Large pipe diameters and short lengths provide fast response characteristics. Therefore, pipes typically used in aircrafts can achieve response characteristics of 10 Hz or more. Short cycle movements on small aircraft should also be fast, so there is no problem with the automatic steering system at 1-2Hz.

매우 빠른 응답 특성을 요구하는 경우는 레이트 자이로 퓨전을 하여 사용하면 높은 응답 특성을 얻을 수가 있다.In case of requiring very fast response, high-speed response can be obtained by using rate gyro fusion.

본 발명은 GPS 수신기, 레이트 자이로, 가속도계와 같은 고급 센서를 사용하지 않고 매우 저가형 센서인 압력 센서를 활용하여 자세 정보를 얻을 수 있는 것이다.The present invention can obtain attitude information by utilizing a pressure sensor which is a very low-cost sensor without using advanced sensors such as a GPS receiver, a rate gyroscope and an accelerometer.

본 발명은 센서 시스템의 원리상 누적된 자세 오차의 발산이 없고, 내부의 센서 정보만으로 자세각을 예측함으로 외부의 방해에 대하여 강한 특성을 갖고 있다.The present invention has a strong characteristic against external disturbances by predicting the attitude angle only by internal sensor information without the emission of accumulated attitude errors due to the principle of the sensor system.

이러한 본 발명은 저가형 소모성 무인 항공기의 자동 조종 시스템에 적용되어 민수용 무인 항공기 시장 증대에 기여할 것이다.This invention will be applied to the automatic steering system of low-cost consumable drone will contribute to the increase in the civilian drone market.

Claims (4)

항공기의 날개 좌우에 장착되어 대기압 연결 파이프(2)(3)를 통해 정압을 측정하는 적어도 두 개이상의 압력 측정 수단(10)과, 상기 압력 측정 수단(10)에서 측정된 정압으로 자세각을 계산하는 탑재 컴퓨터(4)로 구성됨을 특징으로 하는 대기압차를 이용한 항공기의 자세 측정 시스템.At least two pressure measuring means (10) mounted on the left and right sides of the aircraft and measuring the static pressure through the atmospheric pressure connecting pipes (2) and (3), and the attitude angle is calculated by the static pressure measured by the pressure measuring means (10) Attitude measurement system of the aircraft using the atmospheric pressure difference, characterized in that consisting of a mounted computer (4). 제 1 항에 있어서, 압력 측정 수단(10)은 대기압을 측정하는 절대 대기압계(10a)로 구성됨을 특징으로 하는 대기압차를 이용한 항공기의 자세 측정 시스템.The system of claim 1, wherein the pressure measuring means (10) comprises an absolute barometer (10a) for measuring atmospheric pressure. 제 1 항에 있어서, 압력 측정 수단(10)은 정압차를 측정하는 차압계(10b)와, 탑재 컴퓨터(4)의 제어신호에 의해 차압계(10b) 사이의 압력차를 제어하는 밸브(11)(12)(13)(14)로 구성됨을 특징으로 하는 항공기의 자세 측정 시스템.The pressure measuring means (10) according to claim 1, wherein the pressure measuring means (10) is a valve (11) for controlling the pressure difference between the differential pressure gauge (10b) for measuring the static pressure difference and the differential pressure gauge (10b) by a control signal of the onboard computer (4). 12) (13) (14) characterized in that the aircraft attitude measurement system. 제 3 항에 있어서, 밸브(11)(12)(13)(14)는 고도에 따라 번갈아 개폐되어 차압계(10b) 사이의 압력차를 제어하는 것으로 구성됨을 특징으로 하는 항공기의 자세 측정 시스템.4. The system of claim 3, wherein the valve (11) (12) (13) (14) is configured to control the pressure difference between the differential pressure gauges (10b) by opening and closing alternately according to the altitude.
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