传感器及其应用

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1、《无人机控制系统》第四章传感器及其应用讲授人：奚伯齐E-mail：uavcontrol@sina.com4.1飞行控制系统传感器概述4.2环境参数传感器及应用4.3运动参数传感器及应用4.4目标探测传感器及应用4.5思考题主要内容4.1.1传感器基本工作原理4.1飞行控制系统传感器概述敏感元件信号采集信号传输信号处理位于传感器的最前端，将所敏感的物理量在一定精度范围内转换成电信号的器件敏感元件输出的电信号较微弱，需通过放大、降噪等方法转换为标准的电压、电流或数字信号表征物理参数的电信号从传感器传送给存

2、储、显示和控制装置，信号传输一般分为串行和并行两种方式飞行控制系统中所使用的信号是实际物理量，接收的信号需进行数值处理，包括检测、滤波、解算等图4-1传感器工作原理示意图本质是通过所关心参数的某种物理效应产生相应的电信号，直接或者间接地计算出所关心的参数数值，且误差在可接受的范围内。传感器是一种以一定精度将被测量信号转换为与之有确定对应关系的某种物理量的测量装置。4.1.2飞行控制系统中传感器的主要类型4.1飞行控制系统传感器概述大气风场发动机空气动力质心运动绕质心运动推力控制操纵控制位置、速度姿态角

3、环境参数传感器其他参数传感器运动参数传感器环境参数传感器（气压高度表、空速表、气温表、声雷达、微波雷达、激光雷达）运动参数传感器（陀螺仪、加速度计、磁强计、重力仪、GPS、星敏感器）目标探测传感器（雷达导引头、红外导引头、激光导引头）其他参数传感器（压力传感器、温湿度传感器、扭矩传感器、转速传感器）图4-2飞控系统中传感器类型4.1.3传感器性能指标体系4.1飞行控制系统传感器概述传感器性能指标静态指标动态指标测量范围量程灵敏度分辨率漂移线性度精度重复性响应时间上升时间延迟时间超调量幅值误差相位误差带

4、宽工作频带时域动态指标频域动态指标图4-3传感器性能指标体系结构图4.1飞行控制系统传感器概述4.2环境参数传感器及应用4.3运动参数传感器及应用4.4目标探测传感器及应用4.5思考题主要内容4.2.1大气压力测量4.2环境参数传感器及应用图4-4大气测压管示意图大气参数与飞行高度相关，而大气压力和高度具有较好的线性关系，因此，大气参数传感器一般以大气压力测量为基础，间接获取气压高度、大气密度、空速、马赫数等参数。ⅠⅡⅢVPtρP1V1P2V2P3V3APsPt4.2.2大气参数计算4.2环境参数传感

5、器及应用“空速”是无人机相对空气运动的速度。它是飞行器的一个重要运动参数，常用的测量方法是通过测量相对气流的压力来间接测量飞行速度。空速小于400km/h，即亚音速飞行，不考虑空气压缩性，大气密度为常值；空速大于400km/h，必须考虑空气压缩性，大气密度不为常值；海平面声速为1224km/h，空速大于1400km/h，即超声速飞行，将产生激波。“马赫数”是飞行器的飞行速度与所在飞行高度声速之比。当飞行器马赫数超过临界马赫数（通常为0.8马赫附近），将出现局部激波，使得飞行器空气动力特性发生显著变化，

6、影响飞行器的稳定性和操纵性。其中：k——传热系数(空气k=1.4)；R——气体常数(空气R=287)；Ts——热力系数(空气Ts=273.15+摄氏温度)。声速：4.2.3攻角/侧滑角传感器4.2环境参数传感器及应用攻角和侧滑角表征了大气来流和飞行器机体之间的角度关系，即速度坐标系和机体坐标系之间的欧拉角关系。风标式传感器风标式传感器由具有对称翼型剖面的叶片、传动轴和角度测量元件组成。V图4-6风标式传感器工作原理图特点：结构简单，工作可靠，精度低，严重干扰飞行器流场。其中：4.2.3攻角/侧滑角传感

7、器4.2环境参数传感器及应用差压式传感器图4-6差压式传感器工作原理图差压式传感器由探头、叶片、气室和角度测量元件组成。特点：结构复杂，输出信号平稳，测量精度高，对飞行器流场干扰小。τ1、τ2为差压管和压力传感器时间常数τ3为差压管传递延迟4.1飞行控制系统传感器概述4.2环境参数传感器及应用4.3运动参数传感器及应用4.4目标探测传感器及应用4.5思考题主要内容4.3.1陀螺仪传感器及其特性4.3运动参数传感器及应用飞行器运动参数一般包括姿态角、姿态角速度、速度、加速度和空间位置等信息。运动参数的获

8、取大都采用惯性原理器件进行测量，常用的惯性器件包括陀螺仪和加速度计。图4-7二自由度陀螺仪原理图机械陀螺仪陀螺仪技术方程：4.3.1陀螺仪传感器及其特性4.3运动参数传感器及应用激光陀螺仪图4-8Sagnac效应示意图图4-9激光陀螺仪的基本组成ωabSQv激光陀螺仪的特点：测量范围宽、抗过载能力强、精度高、寿命长、可靠性好。光程差的计算：4.3.1陀螺仪传感器及其特性4.3运动参数传感器及应用光纤陀螺仪光纤陀螺仪的特点：体积小、成本低、启动时间小、测量