《無人機控制系統》第四章傳感器及其應用講授人：奚伯齊E-mail：uavcontrol@4.1飛行控制系統傳感器概述4.2環境參數傳感器及應用4.3運動參數傳感器及應用4.4目標探測傳感器及應用4.5思考題主要內容4.1.1傳感器基本工作原理4.1飛行控制系統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轉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、降噪等方法轉換為標準的電壓、電流或數字信號表征物理參數的電信號從傳感器傳送給存儲、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中所使用的信號是實際物理量，接收的信號需進行數值處理，包括檢測、濾波、解算等圖4-1傳感器工作原理示意圖本質是通過所關心參數的某種物理效應產生相應的電信號，直接或者間接地計算出所關心的參數數值，且誤差在可接受的范圍內。傳感器是一種以一定精度將被測量信號轉換為與之有確定對應關系的某種物理量的測量裝置。4.1.2飛行控制系統中傳感器的主要類型4.1飛行控制系統傳感器概述大氣風場發動機空氣動力質心運動繞質心運動推力控制操縱控制位置、速度姿態角環境參數傳感器其他參數傳感器運動參數傳感器環境參數傳感器（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）其他參數傳感器（壓力傳感器、溫濕度傳感器、扭矩傳感器、轉速傳感器）圖4-2飛控系統中傳感器類型4.1.3傳感器性能指標體系4.1飛行控制系統傳感器概述傳感器性能指標靜態指標動態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量幅值誤差相位誤差帶寬工作頻帶時域動態指標頻域動態指標圖4-3傳感器性能指標體系結構圖4.1飛行控制系統傳感器概述4.2環境參數傳感器及應用4.3運動參數傳感器及應用4.4目標探測傳感器及應用4.5思考題主要內容4.2.1大氣壓力測量4.2環境參數傳感器及應用圖4-4大氣測壓管示意圖大氣參數與飛行高度相關，而大氣壓力和高度具有較好的線性關系，因此，大氣參數傳感器一般以大氣壓力測量為基礎，間接獲取氣壓高度、大氣密度、空速、馬赫數等參數。ⅠⅡⅢV

Pt

ρP1

V1P2

V2P3

V3APs

Pt

4.2.2大氣參數計算4.2環境參數傳感器及應用利用測壓管測量到的大氣動壓和靜壓數值，可以間接計算出飛行高度、空速和馬赫數等參數。海平面標準氣壓平面（101.325kPa）真實高度地點標高絕對高度相對高度機場標高標準氣壓高度機場標準氣壓高度圖4-5飛行高度的定義“飛行高度”是無人機在空中距離某一基準面的垂直距離。通過調整氣壓高度計的零點高度氣壓值分別為起飛點氣壓值、海平面氣壓值和標準氣壓值，可以測量相對高度、絕對高度和標準氣壓高度。4.2.2大氣參數計算4.2環境參數傳感器及應用“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，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。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，將產生激波。“馬赫數”是飛行器的飛行速度與所在飛行高度聲速之比。當飛行器馬赫數超過臨界馬赫數（通常為0.8馬赫附近），將出現局部激波，使得飛行器空氣動力特性發生顯著變化，影響飛行器的穩定性和操縱性。其中：k

——傳熱系數(空氣k=1.4)；R

——氣體常數(空氣R=287)；Ts

——熱力系數(空氣Ts=273.15+攝氏溫度)。聲速：4.2.3攻角/側滑角傳感器4.2環境參數傳感器及應用攻角和側滑角表征了大氣來流和飛行器機體之間的角度關系，即速度坐標系和機體坐標系之間的歐拉角關系。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：結構簡單，工作可靠，精度低，嚴重干擾飛行器流場。其中：4.2.3攻角/側滑角傳感器4.2環境參數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：結構復雜，輸出信號平穩，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

τ3為差壓管傳遞延遲4.1飛行控制系統傳感器概述4.2環境參數傳感器及應用4.3運動參數傳感器及應用4.4目標探測傳感器及應用4.5思考題主要內容4.3.1陀螺儀傳感器及其特性4.3運動參數傳感器及應用飛行器運動參數一般包括姿態角、姿態角速度、速度、加速度和空間位置等信息。運動參數的獲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方程：4.3.1陀螺儀傳感器及其特性4.3運動參數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、測量范圍寬、抗過載能力強、精度一般、壽命長、可靠性好。圖4-10光纖陀螺儀原理圖4.3.1陀螺儀傳感器及其特性4.3運動參數傳感器及應用

MEMS陀螺儀圖4-11科氏效應示意圖ωvFcor圖4-12振動陀螺工作原理示意圖FcorvP

MEMS陀螺儀的特點：體積小、成本低、可靠性高、精度低，適合構建微型慣性導航系統。科氏效應是指轉動坐標系中的運動物體會受到與轉動方向垂直的慣性力作用。4.3.1陀螺儀傳感器及其特性4.3運動參數傳感器及應用科氏加速度：科氏慣性力：科氏慣性力矩：圖4-13音叉式振動陀螺原理示意圖4.3.2加速度傳感器及其特性4.3運動參數傳感器及應用加速度計是飛行控制系統和慣性導航系統的關鍵部件之一，可分為擺式加速度計和非擺式加速度計兩大類，也可分為線加速度計傳感器和角加速度傳感器，通常所講的加速度計泛指線加速度傳感器。mxx1ax敏感質量彈簧阻尼器儀表殼體敏感軸信號轉換電位計圖4-14線加速度計工作原理示意圖浮子擺式撓性支撐擺式擺式陀螺積分壓電式

壓阻式

振弦式

靜電式擺式加速度計：非擺式加速度計：4.3.2加速度傳感器及其特性4.3運動參數傳感器及應用壓電式加速度計圖4-15壓電式石英加速度計原理示意圖ma支撐底座敏感質量石英壓電諧振器諧振器諧振器差頻整形倍頻輸出maFΔf2kΔff1f2特點：體積小、成本低、結構簡單、重量輕。4.3.2加速度傳感器及其特性4.3運動參數傳感器及應用

MEMS加速度計圖4-16MEMS加速度計原理示意圖4.3.3慣性傳感器指標體系4.3運動參數傳感器及應用陀螺儀指標體系加速度計指標體系標度因子（刻度因子）零偏與零偏穩定性閾值與分辨率測量范圍輸出噪聲帶寬標度因子（刻度因子）靈敏度零位不穩定性線性范圍零位誤差4.1飛行控制系統傳感器概述4.2環境參數傳感器及應用4.3運動參數傳感器及應用4.4目標探測傳感器及應用4.5思考題主要內容4.4.1目標探測裝置工作原理4.4目標探測傳感器及應用

目標探測裝置是用來對目標進行探測、跟蹤和識別的傳感器件系統。一般分為主動式和被動式兩大類，包括微波雷達、毫米波雷達、激光雷達、相機系統、紅外系統、熱成像系統等。不同目標探測傳感器的差別主要是波長，且傳感器中使用的發射機、接收機等元部件的尺寸均與波長有關。

孔徑是目標傳感器的一個重要指標，決定了系統發射或接收能量的大小，一般孔徑越大，發射與接收的能量就越大。

角分辨率是目標傳感器的一個重要指標，主要由雷達天線的波速寬度來決定。在孔徑尺寸相同的情況下，波長越小，分辨率越高。4.4.1目標探測裝置工作原理4.4目標探測傳感器及應用微波雷達毫米波雷達電子-光學雷達激光紅外、熱成像波長厘米量級毫米量級微米量級部件大小大中小孔徑大小大中小工作模式主動式主動式主動式被動式大氣層內距離10km~40km小于10km小于5km4km~10km測距能力有有有無角分辨率弧度量級豪弧度量級微弧度量級目標識別能力無無有受大氣條件影響不受影響一定程度影響嚴重影響表4-1目標探測傳感器性能對比4.1飛行控制系統傳感器概述4.2環境參數傳感器及應用4.3運動參數傳感器及