传感器及其应用

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：,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,4.1.1 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,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。,4.2.2 大气参数计算,4.2 环境参数传感器及应用,“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，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。,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。,1、 2 为差压管和压力传感器时间常数 3 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4-8 Sagnac效应示意图,图4-9 激光陀螺仪的基本组成,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、测量范围宽、抗过载能力强、精度一般、寿命长、可靠性好。,图4-10 光纤陀螺仪原理图,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,MEMS陀螺仪,图4-11 科氏效应示意图,图4-12 振动陀螺工作原理示意图,Fcor,v,P,MEMS陀螺仪的特点：体积小、成本低、可靠性高、精度低，适合构建微型惯性导航系统。,科氏效应是指转动坐标系中的运动物体会受到与转动方向垂直的惯性力作用。,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,科氏加速度：,科氏惯性力：,科氏惯性力矩：,图4-13 音叉式振动陀螺原理示意图,4.3.2 加速度传感器及其特性,4.3 运动参数传感器及应用,加速度计是飞行控制系统和惯性导航系统的关键部件之一，可分为摆式加速度计和非摆式加速度计两大类，也可分为线加速度计传感器和角加速度传感器，通常所讲的加速度计泛指线加速度传感器。,图4-14 线加速度计工作原理示意图,浮子摆式 挠性支撑摆式 摆式陀螺积分,压电式 压阻式 振弦式 静电式,摆式加速度计：,非摆式加速度计：,4.3.2 加速度传感器及其特性,4.3 运动参数传感器及应用,压电式加速度计,图4-15 压电式石英加速度计原理示意图,a,F,f,2kf,f1,f2,特点：体积小、成本低、结构简单、重量轻。,4.3.2 加速度传感器及其特性,4.3 运动参数传感器及应用,MEMS加速度计,图4-16 MEMS加速度计原理示意图,4.3.3 惯性传感器指标体系,4.3 运动参数传感器及应用,陀螺仪指标体系,加速度计指标体系,标度因子（刻度因子） 零偏与零偏稳定性 阈值与分辨率 测量范围 输出噪声 带宽,标度因子（刻度因子） 灵敏度 零位不稳定性 线性范围 零位误差,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,4.4.1 目标探测装置工作原理,4.4 目标探测传感器及应用,目标探测装置是用来对目标进行探测、跟踪和识别的传感器件系统。一般分为主动式和被动式两大类，包括微波雷达、毫米波雷达、激光雷达、相机系统、红外系统、热成像系统等。,不同目标探测传感器的差别主要是波长，且传感器中使用的发射机、接收机等元部件的尺寸均与波长有关。,孔径是目标传感器的一个重要指标，决定了系统发射或接收能量的大小，一般孔径越大，发射与接收的能量就越大。,角分辨率是目标传感器的一个重要指标，主要由雷达天线的波速宽度来决定。在孔径尺寸相同的情况下，波长越小，分辨率越高。,4.4.1 目标探测装置工作原理,4.4 目标探测传感器及应用,表4-1 目标探测传感器性能对比,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,4.5 思考题,传感器的