一种基于气压传感器的空速测量装置及方法
一种基于气压传感器的空速测量装置及方法
本发明属于测速装置，具体涉及一种基于气压传感器的空速测量装置及方法。
背景技术
空速计算需要对总压和静压进行测量。微机电系统技术的快速发展使得气压传感器具有成本低、精度高、体积小等特点，因此使用气压传感器用于气压测量并采用卡尔曼滤波器提高空速测量精度。
空速测量时在飞行器飞行方向安装压力传感器用来测量总压；垂直方向安装同样的压力传感器测量静压和温度。文献《effect of the pitot microtube diameter onpressure measurement in plane supersonic microjets》表明，气体以高速流出时会形成具有复杂激波结构的射流，直接接触飞行器机体时流场发生改变，造成传感器测量结果并非该点的流场，误差较大。文献《a combined experimental and numerical analysisof uav pitot-static system error at low reynolds number》表明，气压测量管道的结构及其安装位置会改变静压测量位置处的流量分布，造成静压偏离真实的自由流，称为静压误差，受飞行器攻角、马赫数等因素影响。文献《measurement of static pressure onaircraft》表明，延伸气压测量管道可以减小这些变量的影响，因为自由流与飞行器表面的距离越远，流场变化越小。
传统的空速测量装置存在易受外部因素影响、操作复杂的弊端和测量误差大的问题。为获得较精准的气压测量值，本发明的测速装置在传感器外加装一定长度的金属方管的基础上，合理布置传感器位置，将两个传感器垂直放置(即第一测量模块和第二测量模块垂直放置)以减少飞行器对于气流流场的影响，精确测量飞行器飞行中的总压、静压和环境温度，通过kalman滤波器去除干扰，将气压值带入优化后的计算公式获得更为精准飞行器空速，其成本低、通用性高、精度高、体积小。
技术实现思路
本发明提出了一种基于气压传感器的空速测量装置及方法，合理布置气压传感器，卡尔曼滤波器提高空速测量精度，优化空速计算公式，为飞行器的空速测量提供指导。
实现本发明的技术解决方案为：一种基于气压传感器的空速测量装置，包括第一测量电路板、第二测量电路板、第一传感器、第二传感器，第一测量电路板、第二测量电路板垂直放置，且电路板短边重合，电路板之间通过直插式排针焊接进行连接；在第一测量电路板上连接第一气压传感器，第二测量电路板上连接第二气压传感器；第一金属方管套在第一气压传感器外侧，第一金属方管固连在第一测量电路板上，且保证第一气压传感器位于管道端面中心；第二金属方管套在第二气压传感器外侧，第二金属方管固连在第二测量电路板上，且保证第二气压传感器位于管道端面中心。
其中，第一测量电路板、第一传感器、第一金属方管组成第一测量模块；第二测量电路板、第二气压传感器、第二金属方管组成第二测量模块。
一种基于气压传感器的空速测量方法，步骤如下：
- 搭建上述基于气压传感器的空速测量装置。
- 利用第一测量模块上的第一传感器采集飞行器飞行中正对气流方向的压力pt，即总压；利用第二测量模块上的第二传感器采集热力学温度t以及与风向平行方向的气压ps，即静压。
- 利用卡尔曼滤波器对总压pt和静压ps分别进行kalman滤波，获得滤波后的最优估计气压值，进而得到飞行器的空速值vuav。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
- 在现有测速技术上，将两个气压传感器垂直放置，并加装金属方管，可以减小机体对于气体流程的影响，以获得更精确的气压值。
- 在通过气压传感器获得数据的基础上，利用卡尔曼滤波器算法对数据进行优化，提高测量精度。
- 对现有空速测量公式进行优化，考虑到实验中各种影响因素，计算结果更接近于真实值，误差在10％左右。
- 测速精度高、逻辑清晰、结构简单、体积小、可靠性高、成本低。
技术总结
本发明公开了一种基于气压传感器的飞行器空速测量装置及方法。所述空速测量装置包括：两个气压传感器、两个金属方管、信号处理电路模块、电源处理电路模块以及传感器接口等。其中，各电路模块集成在两块电路板上；第一、第二气压传感器分别安装在第一、第二测量电路板上，且垂直放置；两个金属方管，分别安装在两个气压传感器上。
本发明提供的基于气压传感器的飞行器空速测量装置，在传感器上加装金属方管的基础上，合理布置传感器位置，可以精确测量飞行器总压、静压和环境温度，且根据实际应用条件优化了空速计算公式，相较于其他空速测量装置及方法所获得结果更加精确。本发明具有成本低、通用性高、精度高、体积小等优点。
技术研发人员：李豪杰,赵缘,陈志鹏,于航,原红伟,杨宇鑫
受保护的技术使用者：南京理工大学