三維超聲波測(cè)風(fēng)儀在低空低動(dòng)態(tài)飛艇上的應(yīng)用

殷玉娟+韓先兵

摘 要： 空速的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)飛艇的安全飛行具有重要意義，在飛艇飛行速度較低時(shí)，超聲波測(cè)風(fēng)儀比皮托管測(cè)量空速的精度更高。通過(guò)使用驗(yàn)證，表明了三維超聲波測(cè)風(fēng)儀在低空低動(dòng)態(tài)飛艇上測(cè)量空速是可行的。

關(guān)鍵詞： 超聲波測(cè)風(fēng)儀；飛艇；空速

1、引言

飛艇采用比空氣輕的氦氣，從而產(chǎn)生浮力使飛艇停留在空中。由于不需要空氣動(dòng)力來(lái)提供升力，且飛艇囊體不能夠承受太大外力，飛艇的飛行速度往往較低。利用皮托管測(cè)量空速的方法很難滿足飛艇的空速測(cè)量精度要求。

飛艇空速是指飛艇相對(duì)于空氣的運(yùn)動(dòng)速度，若以飛艇為參照物，則飛艇空速可認(rèn)為是空氣相對(duì)于飛艇的運(yùn)動(dòng)速度，即風(fēng)速。因此，利用測(cè)風(fēng)儀測(cè)量飛艇空速?gòu)脑砩鲜强尚械摹?/p>

2、三維超聲波測(cè)風(fēng)儀的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 三維超聲波測(cè)風(fēng)儀工作原理

三維超聲波測(cè)風(fēng)儀是應(yīng)用超聲波探測(cè)空氣相對(duì)飛艇運(yùn)動(dòng)速度和方向，通過(guò)三組正交安裝的超聲波發(fā)射器和接收器，計(jì)算超聲波正向傳輸與反向傳輸?shù)臅r(shí)間差，進(jìn)而計(jì)算空速的三軸分量；通過(guò)坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)換為相對(duì)飛艇機(jī)體坐標(biāo)系的三軸空速，并由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)一步計(jì)算出飛艇的真空速、攻角、側(cè)滑角。

2.2 超聲波測(cè)風(fēng)儀特點(diǎn)

相比較機(jī)械式測(cè)風(fēng)儀，超聲波測(cè)風(fēng)儀的優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件，不存在磨損和因結(jié)冰而凍住機(jī)械部件的問(wèn)題；環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；啟動(dòng)風(fēng)速低；反應(yīng)速度快；測(cè)量范圍廣；而且在風(fēng)速全量程范圍內(nèi)的輸出為線性，且精度高。

2.3 超聲波測(cè)風(fēng)儀應(yīng)用領(lǐng)域

因此，超聲波測(cè)風(fēng)儀廣泛應(yīng)用于氣象站風(fēng)速風(fēng)向信息采集、建筑的震顫分析、機(jī)場(chǎng)低空風(fēng)切變的監(jiān)測(cè)、航海中風(fēng)速風(fēng)向的監(jiān)測(cè)、海-氣界面的通量交換監(jiān)測(cè)、氣體湍流測(cè)量、密閉環(huán)境下的氣流追蹤等領(lǐng)域[1]，其可靠性和精度也得到了廣泛的印證，取得了較好的效果。

3、超聲波測(cè)風(fēng)儀在某型飛艇上的應(yīng)用

3.1 超聲波測(cè)風(fēng)儀選型

某型低空低動(dòng)態(tài)飛艇相關(guān)使用要求如下：

最大飛行高度：3000 m。

最大飛行速度：35 m/s。

供電體制：28V DC。

信號(hào)接口：RS422。

根據(jù)飛艇需求，超聲波測(cè)風(fēng)儀選用英國(guó)GILL公司研制生產(chǎn)的WindMaster Pro型超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，產(chǎn)品外觀圖見(jiàn)圖1。該產(chǎn)品具有免維護(hù)、海洋級(jí)316不銹鋼結(jié)構(gòu)、三維風(fēng)向測(cè)量、32Hz標(biāo)準(zhǔn)輸出，最大風(fēng)速可測(cè)量至65m/s、增強(qiáng)的垂直方向分辨率和聲速精度等特性。

Windmaster Pro測(cè)量超聲波從上面的發(fā)射器到達(dá)下面的接收器之間的時(shí)間，并且與相反方向傳輸?shù)臅r(shí)間相比較。同樣地也比較其它上下兩對(duì)發(fā)射器和接收器之間超聲波傳輸?shù)臅r(shí)間[2]。

功耗：工作直流電源9V～30V，功耗不大于2W。

信號(hào)接口：RS422/RS232/RS485。

重量：不大于1.7kg（不包括安裝附件）。

3.2 機(jī)械設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)風(fēng)儀安裝于飛艇前腹部，該處前部無(wú)遮擋，且用支架（見(jiàn)圖2）加大超聲波與囊體之間距離，保證所測(cè)量的風(fēng)速受到的擾動(dòng)最小。安裝時(shí)，超聲波指北標(biāo)記“N”指向飛艇艇首方向。

超聲波測(cè)風(fēng)儀在飛艇上的安裝如圖3所示，超聲波采用倒掛式安裝。

3.3 電氣設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)風(fēng)儀功耗很小，為布線方便及減少艇上電源系統(tǒng)接口，超聲波用電由與其有通信關(guān)系的大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)提供。大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)整合所有大氣數(shù)據(jù)傳輸至慣導(dǎo)部件，然后經(jīng)由遙測(cè)系統(tǒng)下傳至地面顯示，如圖4所示。

超聲波測(cè)風(fēng)儀直接輸出的為三軸向風(fēng)速，經(jīng)計(jì)算得出空速。計(jì)算方法見(jiàn)式1。

式中：

V—空速

Vut—超聲波U軸風(fēng)速，單位m/s。

Vvt—超聲波V軸風(fēng)速，單位m/s。

Vwt—超聲波W軸風(fēng)速，單位m/s。

3.4 使用情況

某型飛艇在3年間，經(jīng)過(guò)數(shù)十次飛行，飛行結(jié)果表明采用超聲波測(cè)風(fēng)儀測(cè)量的空速結(jié)果滿足使用要求。

4、總結(jié)

本文論述了超聲波測(cè)風(fēng)儀原理，在飛艇應(yīng)用中的選型、機(jī)械設(shè)計(jì)及電氣設(shè)計(jì)等方面，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了超聲波測(cè)風(fēng)儀在飛艇空速測(cè)量方面的可行性。從實(shí)際應(yīng)用結(jié)果可見(jiàn)，超聲波測(cè)風(fēng)儀可滿足低空低動(dòng)態(tài)飛艇的空速測(cè)量要求。

參考文獻(xiàn)

[1]張捷光，齊文新，齊字.三維超聲波測(cè)風(fēng)原理與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2013，45（1）：124-126.

[2]www.gill.co.uk.英國(guó)GILL公司網(wǎng)站.