[发明专利]高空驻空飞行器风速风向实时测量方法与装置

权利要求书

1.一种高空驻空飞行器风速风向实时测量装置，其特征在于：在 高空稀薄大气环境中，为低速、驻空型飞行器提供风速风向测量信息， 该测量装置包括：压差传感器(U1)，第一测压探头(U2A)、第二测 压探头(U2B)，刚性旋杆(U3)、传感器安装盘(U4)，无刷电机及 其控制器(U5)、微处理器(U6)和附件(U7)组成；

刚性旋杆(U3)对称安装在无刷电机(U5)的转动轴上；第一测压 探头(U2A)和第二测压探头(U2B)分别安装在刚性旋杆(U3)的长边 窄面两端，且第一测压探头(U2A)和第二测压探头(U2B)与刚性旋杆 (U3)旋转平面平行，且第一测压探头(U2A)、第二测压探头(U2B) 分别与刚性旋杆(U3)的长边窄面垂直，第一测压探头(U2A)和第二 测压探头(U2B)到无刷电机(U5)转动轴的距离相等；传感器安装盘 (U4)安装在刚性旋杆(U3)上；压差传感器(U1)安装在传感器安装 盘(U4)上，压差传感器(U1)与第一测压探头(U2A)和第二测压探 头(U2B)连接；无刷电机(U5)带动刚性旋杆(U3)以恒定角速率ω 转动；无刷电机(U5)上设有绝对式旋转编码器，绝对式旋转编码器用 于输出刚性旋杆(U3)的各个时刻转动角；当风吹向转动的刚性旋杆时， 第一测压探头(U2A)和第二测压探头(U2B)之间产生并输出压差；附 件(U7)包含气压计和温度计，用于测量大气压强和大气温度；微处理 器(U6)根据附件(U7)给出的大气压强和大气温度信号计算出大气密 度；微处理器(U6)与压差传感器(U1)连接，压差传感器(U1)输出 的压差信号给入微处理器(U6)，无刷电机(U5)与微处理器(U6)连 接，微处理器(U6)对无刷电机(U5)输出的刚性旋杆(U3)转动角信 号进行高速采样；微处理器(U6)根据大气密度、压差信号和转动角信 号并采用风速风向提取算法得到飞行器相对大气的相对风速、风向信 息，该相对风速、风向信息与导航系统给出的地速信息融合，得到真风 速风向信息。

2.如权利要求1所述高空驻空飞行器风速风向实时测量装置，其 特征在于，当风相对于飞行器以速度V_w、风向角ψ_w吹向测量装置时，根 据伯努利方程，第一测压探头(U2A)处的动压P_A、第二测压探头(U2B) 处的动压P_B分别为：

pA=12ρ[V2+Vw2cos2(ψw-θ)+2VVwcos(ψw-θ)]pB=12ρ[V2+Vw2cos2(ψw-θ)-2VVwcos(ψw-θ)]]]>

其中，ω为测量装置刚性旋杆(U1)恒定转动的角速率；V＝ωr为测压 探头(U2)相对于转动轴的线速度；r为刚性旋杆(U1)的旋臂半径； θ为无刷电机(U5)的转角；

所以压差传感器(U1)所测压差Δp为：

Δp＝p_A-p_B＝2ρωrV_wcos(ψ_w-θ)＝k(ρ)V_wcos(ψ_w-θ)

其中k(ρ)＝2ρV，ρ大气密度；

Δp式中表明由风引起的压差测量值为一周期性余弦信号，该余弦信 号的幅值与风速大小成正比，该余弦信号的相位包含了风向角ψ_w的信 息；由于幅值比例系数k(ρ)为大气密度ρ、第一测压探头(U2A)和第二 测压探头(U2B)线速度V之积的2倍，通过合理地选择刚性旋杆(U1) 转速和旋臂长度，在大气密度很低的情况下也能得到较大的信号量，从 而能可靠地提取出风速风向信息。