(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多角錐台の頂点および各錐面上の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段により検出された多角錐台の頂点の圧力（総圧）、および各錐面上の圧力（ローカル圧）とから、ニュートン・ラプソン法に基づきエアデータを求める第１演算部と、
前記総圧および各ローカル圧の圧力差に基づきエアデータを求める第２演算部と、
前記第１演算部により求めたエアデータと第２演算部により求めたエアデータとを、予め設定された重み係数を用いてミックスし、エアデータとして出力するミキサーと
を具備したことを特徴とするエアデータ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空宇宙機のエアデータ計測に用いられるエアデータ処理装置に関する。
【０００２】
エアデータとは、大気速度Ｖ，迎角α、横滑り角β、動圧ｑ、静圧ＰＳ  、マッハ数Ｍなどの情報をいう。
【０００３】
【従来の技術】
４角錐台型５孔式ピトー管を用いた従来の技術を図６に示す。
【０００４】
図６に示す従来のエアデータ処理装置２０により、迎角αや横滑り角βを計測する場合には、以下に示すいずれかの方法を単独でで実施していた。
【０００５】
（１）ケース１の方法（ニュートン・ラプソン法に基づく演算）
ケース１の方法とは、４角錐台型５孔式ピトー管１の頂点で検出した総圧（ＰＨ  ）と、各錐面上で検出したローカル圧（Ｐ１  〜Ｐ４  ）から、エアデータ演算部１２により、下記の式（１）に示す基礎式に基づき、ニュートン・ラプソン法を用いて、風向φ、γ、および動圧ｑを求め、式（２）から迎角α、横滑り角βなどのエアデータを求める方法である。
【０００６】
ローカル圧をＰｋ  （ｋ＝１、２、３、４）で表わし、迎角をα、横滑り角をβ、風向をφ、γとし、
Ａ１ｋ、Ａ２ｋ、Ａ３ｋ，Ａ４ｋ
Ｂ１ｋ、Ｂ２ｋ、Ｂ３ｋ、Ｂ４ｋ、
Ｃ１ｋ、Ｃ２ｋ、Ｃ３ｋ、Ｃ４ｋ
を定数とするとき、
0003595824.tif 000002
となる。
【０００７】
この技術は、特開平第５−２８８７６１号および米国特許ＮＯ．５４２３２９号による技術である。
【０００８】
（２）ケース２の方法（５孔の圧力差による直接演算）
ケース２の方法とは、４角錐台型５孔式ピトー管１で検知した総圧（ＰＨ  ）と、ローカル圧（Ｐ１  〜Ｐ４  ）から、エアデータ処理器１２により、次の式（３）に示す関係式に基づいて、迎角α、横滑り角βなどのエアデータを求める方法である。ローカル圧をＰｋ  （ｋ＝１、２、３、４）で表わし、
Ｋ１  、Ｋ２  、Ａ１ｋ、Ａ２ｋ、Ａ３ｋ，Ａ４ｋを定数とするとき、
0003595824.tif 000003
ただし、
0003595824.tif 000004
である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術には、次のような問題がある。
【００１０】
（１）ケース１の方法のみの場合の問題点
ケース１の方法は、ローカル圧Ｐ１  〜Ｐ４  の相対圧力が小さくなった場合、
すなわち、迎角α、横滑り角βが０°付近になった場合には、ニュートン・ラプソン法による繰り返し演算が収束せず、異状値を示してデータが不連続となり、結果として、０°付近で安定した計測ができない場合がある（図５）。
【００１１】
（２）ケース２の方法のみの場合の問題点
ケース２の方法は、迎角α、横滑り角βが小さい場合にのみ成立するものであり、一般に、｜迎角α｜、｜横滑り角β｜が数度までしか成立せず、それ以上の計測範囲では、大きな誤差を発生するため、実用上用いていなかった。
【００１２】
本発明は、これらの問題を解決することができる装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るエアデータ処理装置は、
多角錐台の頂点および各錐面上の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段により検出された多角錐台の頂点の圧力（総圧）、および各錐面上の圧力（ローカル圧）とから、ニュートン・ラプソン法に基づきエアデータを求める第１演算部と、
前記総圧および各ローカル圧の圧力差に基づきエアデータを求める第２演算部と、
前記第１演算部により求めたエアデータと第２演算部により求めたエアデータとを、予め設定された重み係数を用いてミックスし、エアデータとして出力するミキサーと
を具備したことを特徴とする。
【００１４】
すなわち、課題を解決するための手段として、従来の技術における問題点、
（１）第１演算部（ニュートン・ラプソン法に基づく演算部）で求めたエアデータの場合には、迎角α、横滑り角βが０°付近になった場合に問題があること、
（２）第２演算部（総圧および各ローカル圧の圧力差に基づく演算部）で求めたエアデータの場合には、｜迎角α｜、｜横滑り角β｜が大きい範囲において問題があること、を配慮し、
本発明装置では、第１演算部、第２演算部双方の演算結果を用い、
（１）｜迎角α｜、｜横滑り角β｜が大きい範囲においては、第１演算部を使用し、
（２）｜迎角α｜、｜横滑り角β｜が０°付近になった場合に、第２演算部を使用する。
【００１５】
（３）そして、これら２つの演算部は独立であり、切換時にデータのとび（ジャンプ）が発生する可能性があるので、第１演算部で求めたエアデータと、第２演算部で求めたエアデータをミックスすることが出来るミキサーを用いて切り換えることにした。
【００１６】
（４）ミキサーでは第１演算部及び第２演算部の各々に重みを設定してミックスする。
【００１７】
（ａ）迎角α、横滑り角βが０°付近では、第２演算部で求めたエアデータの重みを上げ、第１演算部で求めたエアデータの重みを下げる。
【００１８】
（ｂ）迎角α、横滑り角βが増加するに従って第２演算部で求めたエアデータの重みを下げ、第１演算部で求めたエアデータの重みを上げる。
【００１９】
その為、全計測範囲にわたり、不連続なデータが無くなり安定した計測をすることが出来る。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の１実施例として、４角錐台型５孔式エアデータ処理装置について図１〜図５を用いて説明する。
【００２１】
図１は、エアデータ処理装置のブロック図。
【００２２】
図２は、エアデータ処理装置の記号の説明図。
【００２３】
図３は、エアデータ処理装置のフローチャート（１）。
【００２４】
図４は、エアデータ処理装置のフローチャート（２）。
【００２５】
図５は、エアデータ処理装置のシミュレーション結果を示す図である。
【００２６】
本実施例においてミキサー５Ｃでの重み係数Ｋは、迎角α、横滑り角βを算出する基礎となるローカル圧の差に基づいて段階的に設定する。
【００２７】
すなわち、ローカル圧の最大値と最小値の差により予め区分設定された重み係数を用いる。
【００２８】
（区分の設定）
重み係数Ｋには、ローカル圧Ｐｋ  （ｋ＝１，２，３，４）の最大値と最小値の差△Ｐとｉ個の区分のしきい値（ｌ１  ，ｌ２  ，・・・，ｌｉ  、但しｌ１  ＜ｌ２  ・・・＜ｌｉ  ）により、ｉ＋１個の予め設定された重み定数（０，Ｋ１  ，Ｋ２  ，・・・Ｋｉ  、但し０＜Ｋ１  ＜Ｋ２  ＜・・・＜Ｋｉ  ）を設定する。
【００２９】
ここで、
ローカル圧  Ｐｋ  の最大値をＰｍａｘ  、
ローカル圧  Ｐｋ  の最小値をＰｍｉｎ  、
とすると、
△Ｐ＝Ｐｍａｘ  −Ｐｍｉｎ  、
となり、
0003595824.tif 000005
と設定する。
【００３０】
（ミキサーの出力ｚ）
第１演算部（ケース１の方法）の出力をｘ、
第２演算部（ケース２の方法）の出力をｙ、
とすると、ミキサーの出力ｚは、上記で設定された重み係数Ｋ及び設定した重み定数Ｋｉ  により、次の式（４）で表される。
【００３１】
ｚ＝｛Ｋｙ＋（Ｋｉ  −Ｋ）ｘ］／Ｋｉ                    式（４）
（図３〜図４の説明）
実施例に係る装置の特徴は、図３〜図４に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１からＳ１５により形成される。
【００３２】
Ｓ１６以後のステップは、第１の実施の形態に係る装置の出力の利用方法についてのステップである。
【００３３】
（ａ）Ｓ１で、ニュートン・ラプソン法の初期値を計算し、
（ｂ）Ｓ２〜Ｓ８により、収束を考慮し、
（ｃ）式（１）へのニュートン・ラプソン法の適用により、ケース１の解、動圧ｑ１  、風向φ１  、γ１  を求める。
【００３４】
そして、図中省略したが、風向φ１  、γ１  と、式（２）から、迎角α１  、横滑り角β１    を求める。
【００３５】
（ｄ）Ｓ９、Ｓ１０により、ミキサーでの重み係数Ｋを判定する。
【００３６】
（ｅ）Ｓ１１において、検出した圧力の異常をチェックする。正常状態では、各ローカル圧は総圧を越えることは無いため、各ローカル圧の平均値に圧力マージンＰｍ  を加えたものと総圧とを比較する。
【００３７】
異常な場合には、Ｓ１３により前回の値とし、
正常な場合には、Ｓ１２とＳ１４により式（３）から、ケース２の解、動圧ｑ２  、迎角α２  、横滑り角β２  、を求める。
【００３８】
（ｆ）Ｓ１５により、ミキサーの処理を実施し、ミキサーの出力、動圧ｑ、迎角α、横滑り角β、を求める。
【００３９】
（ｇ）Ｓ１６において、動圧ｑ、迎角α、横滑り角β  以外のエアデータ、対気速度Ｖ、マッハ数Ｍ、静圧ＰＳ  、などを求める。
【００４０】
（ｈ）Ｓ１７とＳ１８は、エアデータ処理装置の計測範囲を定めるための処理で、ＣＡＳが最低速度Ｖｌｉｍｉｔ  より低い場合には、計算値をキャンセルして０とする。
【００４１】
Ｓ１７とＳ１８において、ＣＡＳとは較正対気速度ＶＣ  のことをいう。
【００４２】
Ｓ１９の「次の処理」とは、Ｉ／Ｏ処理（入力／出力処理）のことをいう。
【００４３】
（実施例に係る装置のシミュレーション）
本発明の実施例に係る装置を、小型自動着陸実験のエアデータ処理装置として利用する場合を想定し、風洞試験のデータを用いてシミュレーションを行った。
【００４４】
本シミュレーションでは、区分のしきい値の数ｉを４とし、以下の通り各定数を設定した。
【００４５】
区分のしきい値ｌｉ  を、
ｌ１  ＝０．０１５  ｉｎＨｇ
ｌ２  ＝０．０２０  ｉｎＨｇ
ｌ３  ＝０．０２５  ｉｎＨｇ
ｌ４  ＝０．０３０  ｉｎＨｇ
重み定数を、
Ｋ１  ＝１
Ｋ２  ＝２
Ｋ３  ＝３
Ｋ４  ＝４
これらの設定値と式（４）によりミキサー５Ｃの出力ｚは、
（ａ）△Ｐ≦ｌ１  のとき、（重み係数は、Ｋ＝Ｋ４  ＝４）
ｚ＝｛４ｙ＋（４−４）ｘ］／４＝｛４ｙ＋０ｘ］／４＝ｙ
（ｂ）ｌ１  ＜△Ｐ≦ｌ２  のとき、（重み係数は、Ｋ＝Ｋ３  ＝３）
ｚ＝｛３ｙ＋（４−３）ｘ］／４＝［３ｙ＋１ｘ］／４
（ｃ）ｌ２  ＜△Ｐ≦ｌ３  のとき、（重み係数は、Ｋ＝Ｋ２  ＝２）
ｚ＝［２ｙ＋（４−２）ｘ］／４＝［２ｙ＋２ｘ］／４
（ｄ）ｌ３  ＜△Ｐ≦ｌ４  のとき、（重み係数は、Ｋ＝Ｋ１  ＝１）
ｚ＝［１ｙ＋（４−１）ｘ］／４＝［１ｙ＋３ｘ］／４
（ｅ）ｌ４  ＜△Ｐのとき、（重み係数は、Ｋ＝０）
ｚ＝［０ｙ＋（４−０）ｘ］／４＝［０ｙ＋４ｘ］／４＝ｘ
となる。
【００４６】
ここで、
第１演算部でのニュートン・ラプソン法の繰り返し回数ｎ（図３、Ｓ５）を
ｎ＝５回
圧力異常チェックの圧力マージンＰｍ  （図４、Ｓ１１）を
Ｐｍ  ＝０．００５  ｉｎＨｇ
計測範囲設定のための最低速度Ｖｌｉｍｉｔ  （図４、Ｓ１７）を
Ｖｌｉｍｉｔ  ＝３０  ｋｎｏｔ
と設定し、風洞試験のデータを用いて行ったシミュレーションの結果を図５に示す。
【００４７】
図５において、横軸はステップ（１ステップ＝１／３２秒）、縦軸は迎角αを表す。
【００４８】
図５に示すように、従来の技術（ケース１の方法）では、迎角αのデータに不連続が発生しているが、本発明に係る装置によれば、データの不連続は解消されていることが判る。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は前述のように構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００５０】
（１）本発明装置により、迎角α、横滑り角βが０度付近でも、データの不連続などの問題を発生することなく、広い範囲の迎角α、横滑り角βにわたり、安定したエアデータを計測することが出来る。
【００５１】
（２）本発明装置の効果は、風洞試験のデータを用いたシミュレーション結果  （図５参照）により確認されている。
【００５２】
（３）本発明装置は、特開平８−５８６９７号（対気飛行速度ベクトル計測装置を用いた対気能動制御航空機）に示された航空機を実現するための重要な技術であり、小型自動着陸実験により、その有効性が実証された。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係るエアデータ処理装置のブロック図。
【図２】実施例に係るエアデータ処理装置の記号の説明図。
【図３】実施例に係るエアデータ処理装置のフローチャート（１）。
【図４】実施例に係るエアデータ処理装置のフローチャート（２）。
【図５】実施例に係るエアデータ処理装置の効果を示す図。
【図６】従来のエアデータ処理装置のブロック図。
【符号の説明】
１  …４角錐台型５孔式ピトー管
２  …エアデータ演算部
３  …圧力変換器
４  …インプットボード
５  …ＣＰＵ
５Ａ…第１演算部（ニュートン・ラプソン法に基づく演算部）
５Ｂ…第２演算部（５孔式ピトー管の圧力差による直接演算部）
５Ｃ…ミキサー
６  …アウトプットボード
１０…エアデータ処理装置（本発明）
１１…４角錐台型５孔式ピトー管
１２…エアデータ演算部
１３…圧力変換器
１４…インプットボード
１５…ＣＰＵ
１６…アウトプットボード
２０…エアデータ処理装置（従来）
Ｋ  …重み係数
Ｍ  …マッハ数
Ｐ  …圧力
Ｐ１  …ローカル圧
Ｐ２  …ローカル圧
Ｐ３  …ローカル圧
Ｐ４  …ローカル圧
ＰＨ  …総圧
ＰＳ  …静圧
ｑ  …動圧
Ｖ  …対気速度
ＶＣ  …ＣＡＳ（較正対気速度）
α  …迎角
β  …横滑り角
φ、γ…風向
【図１】
0003595824.tif 000006
【図２】
0003595824.tif 000007
【図３】
0003595824.tif 000008
【図４】
0003595824.tif 000009
【図５】
0003595824.tif 000010
【図６】
0003595824.tif 000011