傳感器及其應用

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1、《無人機控制系統(tǒng)》第四章傳感器及其應用講授人：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)傳感器及應用4.3運動參數(shù)傳感器及應用4.4目標探測傳感器及應用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采集信號傳輸信號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)換成電信號的器件敏感元件輸出的電信號較微弱，需通過放大、降噪等方法轉(zhuǎn)換為標準的電壓、電流或數(shù)字信號表征物理參數(shù)的電信號從傳感器傳送給存

2、儲、顯示和控制裝置，信號傳輸一般分為串行和并行兩種方式飛行控制系統(tǒng)中所使用的信號是實際物理量，接收的信號需進行數(shù)值處理，包括檢測、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)的某種物理效應產(chǎn)生相應的電信號，直接或者間接地計算出所關(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量信號轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關(guān)系的某種物理量的測量裝置。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)傳感器概述大氣風場發(fā)動機空氣動力質(zhì)心運動繞質(zhì)心運動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)傳感器運動參數(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、微波雷達、激光雷達）運動參數(shù)傳感器（陀螺儀、加速度計、磁強計、重力儀、GPS、星敏感器）目標探測傳感器（雷達導引頭、紅外導引頭、激光導引頭）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傳感器性能指標體系4.1飛行控制系統(tǒng)傳感器概述傳感器性能指標靜態(tài)指標動態(tài)指標測量范圍量程靈敏度分辨率漂移線性度精度重復性響應時間上升時間延遲時間超調(diào)量幅值誤差相位誤差帶

4、寬工作頻帶時域動態(tài)指標頻域動態(tài)指標圖4-3傳感器性能指標體系結(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)傳感器及應用4.3運動參數(shù)傳感器及應用4.4目標探測傳感器及應用4.5思考題主要內(nèi)容4.2.1大氣壓力測量4.2環(huán)境參數(shù)傳感器及應用圖4-4大氣測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)計算4.2環(huán)境參數(shù)傳感

5、器及應用“空速”是無人機相對空氣運動的速度。它是飛行器的一個重要運動參數(shù)，常用的測量方法是通過測量相對氣流的壓力來間接測量飛行速度?？账傩∮?00km/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——氣體常數(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)傳感器及應用攻角和側(cè)滑角表征了大氣來流和飛行器機體之間的角度關(guān)系，即速度坐標系和機體坐標系之間的歐拉角關(guān)系。風標式傳感器風標式傳感器由具有對稱翼型剖面的葉片、傳動軸和角度測量元件組成。V圖4-6風標式傳感器工作原理圖特點：結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，精度低，嚴重干擾飛行器流場。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、氣室和角度測量元件組成。特點：結(jié)構(gòu)復雜，輸出信號平穩(wěn)，測量精度高，對飛行器流場干擾小。τ1、τ2為差壓管和壓力傳感器時間常數(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)傳感器及應用4.3運動參數(shù)傳感器及應用4.4目標探測傳感器及應用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運動參數(shù)傳感器及應用飛行器運動參數(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。運動參數(shù)的獲

8、取大都采用慣性原理器件進行測量，常用的慣性器件包括陀螺儀和加速度計。圖4-7二自由度陀螺儀原理圖機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運動參數(shù)傳感器及應用激光陀螺儀圖4-8Sagnac效應示意圖圖4-9激光陀螺儀的基本組成ωabSQv激光陀螺儀的特點：測量范圍寬、抗過載能力強、精度高、壽命長、可靠性好。光程差的計算：4.3.1陀螺儀傳感器及其特性4.3運動參數(shù)傳感器及應用光纖陀螺儀光纖陀螺儀的特點：體積小、成本低、啟動時間小、測量