傳感器及其應(yīng)用

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1、《無人機(jī)控制系統(tǒng)》第四章傳感器及其應(yīng)用講授人：奚伯齊E-mail：uavcontrol@sina.com4.1飛行控制系統(tǒng)傳感器概述4.2環(huán)境參數(shù)傳感器及應(yīng)用4.3運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器及應(yīng)用4.4目標(biāo)探測(cè)傳感器及應(yīng)用4.5思考題主要內(nèi)容4.1.1傳感器基本工作原理4.1飛行控制系統(tǒng)傳感器概述敏感元件信號(hào)采集信號(hào)傳輸信號(hào)處理位于傳感器的最前端，將所敏感的物理量在一定精度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件敏感元件輸出的電信號(hào)較微弱，需通過放大、降噪等方法轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓、電流或數(shù)字信號(hào)表征物理參數(shù)的電信號(hào)從傳感器傳送給存

2、儲(chǔ)、顯示和控制裝置，信號(hào)傳輸一般分為串行和并行兩種方式飛行控制系統(tǒng)中所使用的信號(hào)是實(shí)際物理量，接收的信號(hào)需進(jìn)行數(shù)值處理，包括檢測(cè)、濾波、解算等圖4-1傳感器工作原理示意圖本質(zhì)是通過所關(guān)心參數(shù)的某種物理效應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，直接或者間接地計(jì)算出所關(guān)心的參數(shù)數(shù)值，且誤差在可接受的范圍內(nèi)。傳感器是一種以一定精度將被測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的某種物理量的測(cè)量裝置。4.1.2飛行控制系統(tǒng)中傳感器的主要類型4.1飛行控制系統(tǒng)傳感器概述大氣風(fēng)場(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力質(zhì)心運(yùn)動(dòng)繞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)推力控制操縱控制位置、速度姿態(tài)角

3、環(huán)境參數(shù)傳感器其他參數(shù)傳感器運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器環(huán)境參數(shù)傳感器（氣壓高度表、空速表、氣溫表、聲雷達(dá)、微波雷達(dá)、激光雷達(dá)）運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器（陀螺儀、加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)、重力儀、GPS、星敏感器）目標(biāo)探測(cè)傳感器（雷達(dá)導(dǎo)引頭、紅外導(dǎo)引頭、激光導(dǎo)引頭）其他參數(shù)傳感器（壓力傳感器、溫濕度傳感器、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器）圖4-2飛控系統(tǒng)中傳感器類型4.1.3傳感器性能指標(biāo)體系4.1飛行控制系統(tǒng)傳感器概述傳感器性能指標(biāo)靜態(tài)指標(biāo)動(dòng)態(tài)指標(biāo)測(cè)量范圍量程靈敏度分辨率漂移線性度精度重復(fù)性響應(yīng)時(shí)間上升時(shí)間延遲時(shí)間超調(diào)量幅值誤差相位誤差帶

4、寬工作頻帶時(shí)域動(dòng)態(tài)指標(biāo)頻域動(dòng)態(tài)指標(biāo)圖4-3傳感器性能指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)圖4.1飛行控制系統(tǒng)傳感器概述4.2環(huán)境參數(shù)傳感器及應(yīng)用4.3運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器及應(yīng)用4.4目標(biāo)探測(cè)傳感器及應(yīng)用4.5思考題主要內(nèi)容4.2.1大氣壓力測(cè)量4.2環(huán)境參數(shù)傳感器及應(yīng)用圖4-4大氣測(cè)壓管示意圖大氣參數(shù)與飛行高度相關(guān)，而大氣壓力和高度具有較好的線性關(guān)系，因此，大氣參數(shù)傳感器一般以大氣壓力測(cè)量為基礎(chǔ)，間接獲取氣壓高度、大氣密度、空速、馬赫數(shù)等參數(shù)。ⅠⅡⅢVPtρP1V1P2V2P3V3APsPt4.2.2大氣參數(shù)計(jì)算4.2環(huán)境參數(shù)傳感

5、器及應(yīng)用“空速”是無人機(jī)相對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)的速度。它是飛行器的一個(gè)重要運(yùn)動(dòng)參數(shù)，常用的測(cè)量方法是通過測(cè)量相對(duì)氣流的壓力來間接測(cè)量飛行速度。空速小于400km/h，即亞音速飛行，不考慮空氣壓縮性，大氣密度為常值；空速大于400km/h，必須考慮空氣壓縮性，大氣密度不為常值；海平面聲速為1224km/h，空速大于1400km/h，即超聲速飛行，將產(chǎn)生激波?！榜R赫數(shù)”是飛行器的飛行速度與所在飛行高度聲速之比。當(dāng)飛行器馬赫數(shù)超過臨界馬赫數(shù)（通常為0.8馬赫附近），將出現(xiàn)局部激波，使得飛行器空氣動(dòng)力特性發(fā)生顯著變化，

6、影響飛行器的穩(wěn)定性和操縱性。其中：k——傳熱系數(shù)(空氣k=1.4)；R——?dú)怏w常數(shù)(空氣R=287)；Ts——熱力系數(shù)(空氣Ts=273.15+攝氏溫度)。聲速：4.2.3攻角/側(cè)滑角傳感器4.2環(huán)境參數(shù)傳感器及應(yīng)用攻角和側(cè)滑角表征了大氣來流和飛行器機(jī)體之間的角度關(guān)系，即速度坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系之間的歐拉角關(guān)系。風(fēng)標(biāo)式傳感器風(fēng)標(biāo)式傳感器由具有對(duì)稱翼型剖面的葉片、傳動(dòng)軸和角度測(cè)量元件組成。V圖4-6風(fēng)標(biāo)式傳感器工作原理圖特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，精度低，嚴(yán)重干擾飛行器流場(chǎng)。其中：4.2.3攻角/側(cè)滑角傳感

7、器4.2環(huán)境參數(shù)傳感器及應(yīng)用差壓式傳感器圖4-6差壓式傳感器工作原理圖差壓式傳感器由探頭、葉片、氣室和角度測(cè)量元件組成。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出信號(hào)平穩(wěn)，測(cè)量精度高，對(duì)飛行器流場(chǎng)干擾小。τ1、τ2為差壓管和壓力傳感器時(shí)間常數(shù)τ3為差壓管傳遞延遲4.1飛行控制系統(tǒng)傳感器概述4.2環(huán)境參數(shù)傳感器及應(yīng)用4.3運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器及應(yīng)用4.4目標(biāo)探測(cè)傳感器及應(yīng)用4.5思考題主要內(nèi)容4.3.1陀螺儀傳感器及其特性4.3運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器及應(yīng)用飛行器運(yùn)動(dòng)參數(shù)一般包括姿態(tài)角、姿態(tài)角速度、速度、加速度和空間位置等信息。運(yùn)動(dòng)參數(shù)的獲

8、取大都采用慣性原理器件進(jìn)行測(cè)量，常用的慣性器件包括陀螺儀和加速度計(jì)。圖4-7二自由度陀螺儀原理圖機(jī)械陀螺儀陀螺儀技術(shù)方程：4.3.1陀螺儀傳感器及其特性4.3運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器及應(yīng)用激光陀螺儀圖4-8Sagnac效應(yīng)示意圖圖4-9激光陀螺儀的基本組成ωabSQv激光陀螺儀的特點(diǎn)：測(cè)量范圍寬、抗過載能力強(qiáng)、精度高、壽命長(zhǎng)、可靠性好。光程差的計(jì)算：4.3.1陀螺儀傳感器及其特性4.3運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器及應(yīng)用光纖陀螺儀光纖陀螺儀的特點(diǎn)：體積小、成本低、啟動(dòng)時(shí)間小、測(cè)量