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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-09-21
(45)【発行日】2023-09-29
(54)【発明の名称】飛行体用対気速度及び風向計測装置及びその計測方法
(51)【国際特許分類】
G01P 5/00 20060101AFI20230922BHJP
G01P 5/24 20060101ALI20230922BHJP
【ＦＩ】
G01P5/00 J
G01P5/24 B
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2019188999
(22)【出願日】2019-10-15
(65)【公開番号】P2021063741
(43)【公開日】2021-04-22
【審査請求日】2022-07-05
(73)【特許権者】
【識別番号】304020177
【氏名又は名称】国立大学法人山口大学
(74)【代理人】
【識別番号】110001601
【氏名又は名称】弁理士法人英和特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】小河原 加久治
(72)【発明者】
【氏名】河原 遼太
(72)【発明者】
【氏名】新銀 秀徳
【審査官】岡田 卓弥
(56)【参考文献】
【文献】中国特許出願公開第１０４３１６７２１（ＣＮ，Ａ）
【文献】特表平１１－５１５１００（ＪＰ，Ａ）
【文献】韓国登録特許第１０－１８８６００１（ＫＲ，Ｂ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｐ ５／００－ ５／２６
Ｇ０１Ｆ １／００－ ９／０２
Ｇ０１Ｓ１５／００－１５／９６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
飛行体の外面に、第１の方向についての風速を計測する第１風速計測手段及び前記第１の方向とは異なる第２の方向についての風速を計測する第２風速計測手段と、前記第１風速計測手段で計測された第１の方向についての風速及び前記第２風速計測手段で計測された第２の方向についての風速に基づいて風向を計測する風向計測手段を備え、
前記第１風速計測手段及び前記第２風速計測手段は、いずれも
１対の超音波送受信器と、
一方の超音波送受信器が超音波を送信してから他方の超音波送受信器で該超音波を受信するまでの第１伝播時間を計測する第１伝播時間計測手段と、
前記他方の超音波送受信器が超音波を送信してから前記一方の超音波送受信器で該超音波を受信するまでの第２伝播時間を計測する第２伝播時間計測手段と、
前記第１伝播時間計測手段で計測された第１伝播時間及び前記第２伝播時間計測手段で計測された第２伝播時間に基づいて時間差風速を演算する時間差風速演算手段と、
前記一方の超音波送受信器が超音波を送信した後、前記他方の超音波送受信器で受信した第１受信信号を記録する第１受信信号記録手段と、
前記他方の超音波送受信器が超音波を送信した後、前記一方の超音波送受信器で受信した第２受信信号を記録する第２受信信号記録手段と、
前記第１受信信号記録手段で記録された第１受信信号と前記第２受信信号記録手段で記録された第２受信信号との位相差を演算する位相差演算手段と、
前記時間差風速演算手段で演算された風速及び前記超音波送受信器の支持具の超音波の伝播に関するパラメータに基づいて、前記位相差演算手段で演算された位相差を修正する位相差修正手段と、
前記位相差修正手段で修正された修正位相差に基づいて位相差風速を演算する位相差風速演算手段を有している
ことを特徴とする飛行体用対気速度及び風向計測装置。
【請求項2】
前記第１の方向と前記第２の方向は、同一平面内で直交していることを特徴とする請求項１に記載の飛行体用対気速度及び風向計測装置。
【請求項3】
飛行体の外面に設置された第１の方向についての風速を計測する第１風速計測手段及び前記第１の方向とは異なる第２の方向についての風速を計測する第２風速計測手段を用いて、前記飛行体の対気速度及び風向を計測する方法であって、前記第１風速計測手段及び前記第２風速計測手段が、それぞれ有している１対の超音波送受信器のうちの一方の超音波送受信器が超音波を送信してから他方の超音波送受信器で該超音波を受信するまでの第１伝播時間を計測し、
前記一方の超音波送受信器が超音波を送信した後、前記他方の超音波送受信器で受信した第１受信信号を記録し、
前記他方の超音波送受信器が超音波を送信してから前記一方の超音波送受信器で該超音波を受信するまでの第２伝播時間を計測し、
前記他方の超音波送受信器が超音波を送信した後、前記一方の超音波送受信器で受信した第２受信信号を記録し、
前記第１伝播時間及び前記第２伝播時間に基づいて時間差風速を演算し、
前記第１受信信号と前記第２受信信号との位相差を演算し、
前記時間差風速及び前記超音波送受信器の支持具の超音波の伝播に関するパラメータに基づいて前記位相差を修正し、修正位相差を演算し、
前記修正位相差に基づいて位相差風速を演算し、
前記第１風速計測手段で計測された第１の位相差風速及び前記第２風速計測手段で計測された第２の位相差風速に基づいて風向を計測する
ことを特徴とする飛行体用対気速度及び風向計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、飛行体、特に低速で飛行する小型ＵＡＶ（Unmanned Aerial Vehicle）に搭載する対気速度及び風向計測装置及びその計測方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
特許文献１（特許第３５７４８１４号公報）に記載されるように、航空機の前方方向に向けその軸芯が三角形の各頂点に位置するように機体に取り付けられた３本の平行な支持棒上に、複数個の超音波送受信機を軸方向に位置を異ならせて配備し、隣接する支持棒上の超音波送受信機との組合せで複数組の超音波送受信経路が形成されるようにし、所定距離の前記複数組の超音波送受信経路を伝搬する時間情報から対気速度に関する三次元情報を得るものが提案されている。
【0003】
また、特許文献２（特許第６３４７４６９号公報）には、無人航空機の回転翼よりも高い位置に風向及び風速を計測する気象観測部を配置する点（特に、段落００１９～００２１及び図１を参照）や、気象観測部を構成する風向風速計測器がアンテナａ、アンテナｂ及びアンテナｃを等間隔に配置したものであり、超音波（２０ｋＨｚ以上の周波数の信号）を利用してアンテナａ－アンテナｂ間、アンテナｂ－アンテナｃ間及びアンテナｃ－アンテナａ間の３方向の風のベクトルを同時に算出して、正確な風向と風速を測定する点（特に、段落００２８～００３１及び図３を参照）が記載されている。
【0004】
一般的に、小型ＵＡＶは低速で飛行するため、その対気速度の計測が困難である。
通常、航空機の対気速度の計測にはピトー管流速計が使われているが、ピトー管流速計では、対気速度が４ｍ／秒の場合、差圧が１ｍｍＨ2Ｏしか発生せず、低速領域の計測に対しては、傾斜マノメータや高感度の圧力変換器が必要となる。
そのため、小型化や軽量化が難しい上に、コストがかさむという問題があり、また、応答性が悪いため、対気速度の変動を計測できないという問題もある。
特許文献１では、超音波風速計のセンサプローブを改良して、ピトー管流速計で計測できない低速領域の計測が可能である航空機用の対気速度計測装置を提供している。
また、特許文献２でも、超音波を利用して３方向の風のベクトルを同時に算出して、正確な風向と風速を測定できる風向風速計測器を提案している。
通常、航空機の対気速度の計測にはピトー管流速計が使われているが、ピトー管流速計では、対気速度が４ｍ／秒の場合、差圧が１ｍｍＨ2Ｏしか発生せず、低速領域の計測に対しては、傾斜マノメータや高感度の圧力変換器が必要となる。
そのため、小型化や軽量化が難しい上に、コストがかさむという問題があり、また、応答性が悪いため、対気速度の変動を計測できないという問題もある。
特許文献１では、超音波風速計のセンサプローブを改良して、ピトー管流速計で計測できない低速領域の計測が可能である航空機用の対気速度計測装置を提供している。
また、特許文献２でも、超音波を利用して３方向の風のベクトルを同時に算出して、正確な風向と風速を測定できる風向風速計測器を提案している。
【0005】
特許文献１及び２で利用している超音波風速計の計測手法は、超音波の伝播時間差を利用する時間差法である。
すなわち、図１に示すように、２つの超音波送受信器を距離Ｌ（ｍ）だけ離して設置した１対の超音波送受信器において、２つの超音波送受信器間における風速がＶ（ｍ／秒）であれば、音速をＶｓ（ｍ／秒）とした時、空気の流れ方向に超音波が伝播する時の伝播速度はＶｓ＋Ｖとなり、空気の流れの逆方向に超音波が伝播する時の伝播速度がＶｓ－Ｖとなる。そのため、空気の流れ方向に超音波が伝播する時の伝播時間に対して、空気の流れの逆方向に超音波が伝播する時の伝播時間は長くなる。そして、一方の超音波送受信器から超音波を送信し他方の超音波送受信器でその超音波を受信するまでの伝播時間をｔ1（秒）とし、他方の超音波送受信器から超音波を送信し一方の超音波送受信器でその超音波を受信するまでの伝播時間をｔ2（秒）とすると、その伝播時間差を利用して計測される風速Ｖｔ（ｍ／秒）は、Ｖｓ＞＞Ｖｔであれば、伝播時間ｔ1を測定するために超音波を送受信した時の伝播方向を正として、下記の式（１）で表される。
Ｖｔ＝Ｖｓ2（ｔ2－ｔ1）／２Ｌ・・・・式（１）
なお、この超音波風速計を航空機に搭載すると、計測値の大きさは、風速と対地速度の和である対気速度となり、計測値の向きは対気速度と逆向きとなる。
すなわち、図１に示すように、２つの超音波送受信器を距離Ｌ（ｍ）だけ離して設置した１対の超音波送受信器において、２つの超音波送受信器間における風速がＶ（ｍ／秒）であれば、音速をＶｓ（ｍ／秒）とした時、空気の流れ方向に超音波が伝播する時の伝播速度はＶｓ＋Ｖとなり、空気の流れの逆方向に超音波が伝播する時の伝播速度がＶｓ－Ｖとなる。そのため、空気の流れ方向に超音波が伝播する時の伝播時間に対して、空気の流れの逆方向に超音波が伝播する時の伝播時間は長くなる。そして、一方の超音波送受信器から超音波を送信し他方の超音波送受信器でその超音波を受信するまでの伝播時間をｔ1（秒）とし、他方の超音波送受信器から超音波を送信し一方の超音波送受信器でその超音波を受信するまでの伝播時間をｔ2（秒）とすると、その伝播時間差を利用して計測される風速Ｖｔ（ｍ／秒）は、Ｖｓ＞＞Ｖｔであれば、伝播時間ｔ1を測定するために超音波を送受信した時の伝播方向を正として、下記の式（１）で表される。
Ｖｔ＝Ｖｓ2（ｔ2－ｔ1）／２Ｌ・・・・式（１）
なお、この超音波風速計を航空機に搭載すると、計測値の大きさは、風速と対地速度の和である対気速度となり、計測値の向きは対気速度と逆向きとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特許第３５７４８１４号公報
【文献】特許第６３４７４６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
超音波の伝播時間は、例えば、図２に示すように、超音波を受信して発せられる電圧信号に対して閾値を設けて、受信信号が閾値に達することで受信を検出して測定される。このため、伝播時間の分解能は受信信号の半周期分に相当するものとなる。この伝播時間を測定する手法により測定される伝播時間から算出される対気速度よりも高い分解能が要求される場合には、何回か計測した対気速度の計測値を平均することでしか、この要求を満たすことができなかった。
しかし、小型ＵＡＶの自律制御に用いる場合、自律制御の対気速度を参照した制御ループの制御周期よりも計測器のサンプリング時間の方が短くなければならず、時間差法によって対気速度を何回も計測して平均すると応答性を満足することができない。
中心周波数の高い超音波送受信器を用いて、対気速度の分解能の向上を図ることはできるが、超音波は周波数が高いほど空気によるエネルギーの損失が大きくなって振幅が減衰し、受信信号のＳ／Ｎ比が劣化する。そのため、通常、超音波風速計には中心周波数３００ｋＨｚ程度までの超音波送受信器が用いられ、これより高い中心周波数の超音波送受信器は使用されない。また、中心周波数の高い超音波送受信器は高価であるため、これを用いた計測器を搭載する場合、小型ＵＡＶを安価に製作できなくなるという問題もある。
この発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、低速で飛行する小型ＵＡＶ等の飛行体に適する、高い分解能で対気速度及び風向を計測できる装置及び方法を安価に提供することを目的としてなされたものである。
しかし、小型ＵＡＶの自律制御に用いる場合、自律制御の対気速度を参照した制御ループの制御周期よりも計測器のサンプリング時間の方が短くなければならず、時間差法によって対気速度を何回も計測して平均すると応答性を満足することができない。
中心周波数の高い超音波送受信器を用いて、対気速度の分解能の向上を図ることはできるが、超音波は周波数が高いほど空気によるエネルギーの損失が大きくなって振幅が減衰し、受信信号のＳ／Ｎ比が劣化する。そのため、通常、超音波風速計には中心周波数３００ｋＨｚ程度までの超音波送受信器が用いられ、これより高い中心周波数の超音波送受信器は使用されない。また、中心周波数の高い超音波送受信器は高価であるため、これを用いた計測器を搭載する場合、小型ＵＡＶを安価に製作できなくなるという問題もある。
この発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、低速で飛行する小型ＵＡＶ等の飛行体に適する、高い分解能で対気速度及び風向を計測できる装置及び方法を安価に提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
請求項１に係る発明の飛行体用対気速度及び風向計測装置は、
飛行体の外面に、第１の方向についての風速を計測する第１風速計測手段及び前記第１の方向とは異なる第２の方向についての風速を計測する第２風速計測手段と、
前記第１風速計測手段で計測された第１の方向についての風速及び前記第２風速計測手段で計測された第２の方向についての風速に基づいて風向を計測する風向計測手段を備え、
前記第１風速計測手段及び前記第２風速計測手段は、いずれも
１対の超音波送受信器と、
一方の超音波送受信器が超音波を送信してから他方の超音波送受信器で該超音波を受信するまでの第１伝播時間を計測する第１伝播時間計測手段と、
前記他方の超音波送受信器が超音波を送信してから前記一方の超音波送受信器で該超音波を受信するまでの第２伝播時間を計測する第２伝播時間計測手段と、
前記第１伝播時間計測手段で計測された第１伝播時間及び前記第２伝播時間計測手段で計測された第２伝播時間に基づいて時間差風速を演算する時間差風速演算手段と、
前記一方の超音波送受信器が超音波を送信した後、前記他方の超音波送受信器で受信した第１受信信号を記録する第１受信信号記録手段と、
前記他方の超音波送受信器が超音波を送信した後、前記一方の超音波送受信器で受信した第２受信信号を記録する第２受信信号記録手段と、
前記第１受信信号記録手段で記録された第１受信信号と前記第２受信信号記録手段で記録された第２受信信号との位相差を演算する位相差演算手段と、
前記時間差風速演算手段で演算された風速及び前記超音波送受信器の支持具の超音波の伝播に関するパラメータに基づいて、前記位相差演算手段で演算された位相差を修正する位相差修正手段と、
前記位相差修正手段で修正された修正位相差に基づいて位相差風速を演算する位相差風速演算手段を有していることを特徴とする。
飛行体の外面に、第１の方向についての風速を計測する第１風速計測手段及び前記第１の方向とは異なる第２の方向についての風速を計測する第２風速計測手段と、
前記第１風速計測手段で計測された第１の方向についての風速及び前記第２風速計測手段で計測された第２の方向についての風速に基づいて風向を計測する風向計測手段を備え、
前記第１風速計測手段及び前記第２風速計測手段は、いずれも
１対の超音波送受信器と、
一方の超音波送受信器が超音波を送信してから他方の超音波送受信器で該超音波を受信するまでの第１伝播時間を計測する第１伝播時間計測手段と、
前記他方の超音波送受信器が超音波を送信してから前記一方の超音波送受信器で該超音波を受信するまでの第２伝播時間を計測する第２伝播時間計測手段と、
前記第１伝播時間計測手段で計測された第１伝播時間及び前記第２伝播時間計測手段で計測された第２伝播時間に基づいて時間差風速を演算する時間差風速演算手段と、
前記一方の超音波送受信器が超音波を送信した後、前記他方の超音波送受信器で受信した第１受信信号を記録する第１受信信号記録手段と、
前記他方の超音波送受信器が超音波を送信した後、前記一方の超音波送受信器で受信した第２受信信号を記録する第２受信信号記録手段と、
前記第１受信信号記録手段で記録された第１受信信号と前記第２受信信号記録手段で記録された第２受信信号との位相差を演算する位相差演算手段と、
前記時間差風速演算手段で演算された風速及び前記超音波送受信器の支持具の超音波の伝播に関するパラメータに基づいて、前記位相差演算手段で演算された位相差を修正する位相差修正手段と、
前記位相差修正手段で修正された修正位相差に基づいて位相差風速を演算する位相差風速演算手段を有していることを特徴とする。
【0009】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の飛行体用対気速度及び風向計測装置において、
前記第１の方向と前記第２の方向は、同一平面内で直交していることを特徴とする。
前記第１の方向と前記第２の方向は、同一平面内で直交していることを特徴とする。
【0010】
請求項３に係る発明の飛行体用対気速度及び風向計測方法は、
飛行体の外面に設置された第１の方向についての風速を計測する第１風速計測手段及び前記第１の方向とは異なる第２の方向についての風速を計測する第２風速計測手段を用いて、前記飛行体の対気速度及び風向を計測する方法であって、
前記第１風速計測手段及び前記第２風速計測手段が、それぞれ有している１対の超音波送受信器のうちの一方の超音波送受信器が超音波を送信してから他方の超音波送受信器で該超音波を受信するまでの第１伝播時間を計測し、
前記一方の超音波送受信器が超音波を送信した後、前記他方の超音波送受信器で受信した第１受信信号を記録し、
前記他方の超音波送受信器が超音波を送信してから前記一方の超音波送受信器で該超音波を受信するまでの第２伝播時間を計測し、
前記他方の超音波送受信器が超音波を送信した後、前記一方の超音波送受信器で受信した第２受信信号を記録し、
前記第１伝播時間及び前記第２伝播時間に基づいて時間差風速を演算し、
前記第１受信信号と前記第２受信信号との位相差を演算し、
前記時間差風速及び前記超音波送受信器の支持具の超音波の伝播に関するパラメータに基づいて前記位相差を修正し、修正位相差を演算し、
前記修正位相差に基づいて位相差風速を演算し、
前記第１風速計測手段で計測された第１の位相差風速及び前記第２風速計測手段で計測された第２の位相差風速に基づいて風向を計測することを特徴とする。
飛行体の外面に設置された第１の方向についての風速を計測する第１風速計測手段及び前記第１の方向とは異なる第２の方向についての風速を計測する第２風速計測手段を用いて、前記飛行体の対気速度及び風向を計測する方法であって、
前記第１風速計測手段及び前記第２風速計測手段が、それぞれ有している１対の超音波送受信器のうちの一方の超音波送受信器が超音波を送信してから他方の超音波送受信器で該超音波を受信するまでの第１伝播時間を計測し、
前記一方の超音波送受信器が超音波を送信した後、前記他方の超音波送受信器で受信した第１受信信号を記録し、
前記他方の超音波送受信器が超音波を送信してから前記一方の超音波送受信器で該超音波を受信するまでの第２伝播時間を計測し、
前記他方の超音波送受信器が超音波を送信した後、前記一方の超音波送受信器で受信した第２受信信号を記録し、
前記第１伝播時間及び前記第２伝播時間に基づいて時間差風速を演算し、
前記第１受信信号と前記第２受信信号との位相差を演算し、
前記時間差風速及び前記超音波送受信器の支持具の超音波の伝播に関するパラメータに基づいて前記位相差を修正し、修正位相差を演算し、
前記修正位相差に基づいて位相差風速を演算し、
前記第１風速計測手段で計測された第１の位相差風速及び前記第２風速計測手段で計測された第２の位相差風速に基づいて風向を計測することを特徴とする。
【発明の効果】
【0011】
請求項１に係る発明の飛行体用対気速度及び風向計測装置及び請求項３に係る発明の飛行体用対気速度及び風向計測方法によれば、小型、軽量、安価な構成によって、高い分解能で対気速度及び風向を計測でき、かつ、対気速度が小さくても正確に計測可能である。
さらに、時間差風速及び超音波送受信器の支持具の超音波の伝播に関するパラメータに基づいて位相差を修正するので、超音波送受信器の支持具を伝播した超音波を受信することによる対気速度及び風向の計測誤差を除去できる。
さらに、時間差風速及び超音波送受信器の支持具の超音波の伝播に関するパラメータに基づいて位相差を修正するので、超音波送受信器の支持具を伝播した超音波を受信することによる対気速度及び風向の計測誤差を除去できる。
【0012】
請求項２に係る発明の飛行体用対気速度及び風向計測装置によれば、請求項１に係る発明の効果に加え、計測される風速の方向が同一平面内で直交しているので、風速及び風向の演算を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】時間差法による風速の計測原理を示す図。
【図2】伝播時間の測定方法と分解能との関係を示す図。
【図3】飛行体用対気速度及び風向計測装置の概念図。
【図4】実施例１に係る飛行体用対気速度及び風向計測装置を示す図。
【図5】位相差法による風速の計測原理を説明する図。
【図6】実施例１における位相差の求め方を説明する図。
【図7】位相差の修正処理について説明する図。
【図8】実施例２に係る飛行体用対気速度及び風向計測装置を示す図。
【図9】３対の超音波送受信器を用いた対気速度の三次元情報を示す図。
【図10】２対の超音波送受信器を用いた対気速度の二次元情報を示す図。
【図11】超音波送受信器を双発の固定翼機に取り付けた状態を示す図。
【図12】飛行体用対気速度及び風向計測装置の信号処理手段のブロック図。
【図13】対地速度と対気速度の校正時の計測値と誤差を含む校正前の計測値との比較を示すグラフ。
【図14】飛行試験時の対気速度ｕ,ｖ,ｗ,Ｖ及び風向α,βの計測値を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0014】
図３は飛行体用対気速度及び風向計測装置の概念図である。
本発明の飛行体用対気速度及び風向計測装置は、図３に示すように、第１の方向に距離Ｌ（ｍ）の間隔で配置されている１対の超音波送受信器を有する第１風速計測手段１、第２の方向に距離Ｌ（ｍ）の間隔で配置されている１対の超音波送受信器を有する第２風速計測手段２及び第１風速計測手段１で計測された第１の方向についての位相差風速及び第２風速計測手段２で計測された第２の方向についての位相差風速に基づいて風向を計測する風向計測手段３を備えている。
なお、第１の方向及び第２の方向は同一平面内で直交している。
本発明の飛行体用対気速度及び風向計測装置は、図３に示すように、第１の方向に距離Ｌ（ｍ）の間隔で配置されている１対の超音波送受信器を有する第１風速計測手段１、第２の方向に距離Ｌ（ｍ）の間隔で配置されている１対の超音波送受信器を有する第２風速計測手段２及び第１風速計測手段１で計測された第１の方向についての位相差風速及び第２風速計測手段２で計測された第２の方向についての位相差風速に基づいて風向を計測する風向計測手段３を備えている。
なお、第１の方向及び第２の方向は同一平面内で直交している。
【0015】
第１風速計測手段１は、一方の超音波送受信器４が中心周波数ｆ（Ｈｚ）の超音波を送信してから他方の超音波送受信器５でその超音波を受信するまでの第１伝播時間ｔ1（秒）を計測する第１伝播時間計測手段１１、他方の超音波送受信器５が中心周波数ｆの超音波を送信してから一方の超音波送受信器４でその超音波を受信するまでの第２伝播時間ｔ2（秒）を計測する第２伝播時間計測手段１２、第１伝播時間ｔ1及び第２伝播時間ｔ2に基づいて時間差風速Ｖ1t（ｍ／秒）を演算する時間差風速演算手段１３、一方の超音波送受信器４が超音波を送信した後、他方の超音波送受信器５で受信した第１受信信号α1を記録する第１受信信号記録手段１４、他方の超音波送受信器５が超音波を送信した後、一方の超音波送受信器４で受信した第２受信信号β1を記録する第２受信信号記録手段１５、第１受信信号α1と第２受信信号β1との位相差φ１（ｒａｄ）を演算する位相差演算手段１６、時間差風速演算手段１３で演算された風速に基づいて位相差φ１を修正する位相差修正手段１７及び位相差修正手段で修正された修正位相差φ1a（ｒａｄ）に基づいて位相差風速Ｖ1p（ｍ／秒）を演算する位相差風速演算手段１８を有している。
同様に第２風速計測手段２は、一方の超音波送受信器６が中心周波数ｆの超音波を送信してから他方の超音波送受信器７でその超音波を受信するまでの第１伝播時間ｔ3（秒）を計測する第１伝播時間計測手段２１、他方の超音波送受信器７が中心周波数ｆの超音波を送信してから一方の超音波送受信器６でその超音波を受信するまでの第２伝播時間ｔ4（秒）を計測する第２伝播時間計測手段２２、第１伝播時間ｔ3及び第２伝播時間ｔ4に基づいて時間差風速Ｖ2t（ｍ／秒）を演算する時間差風速演算手段２３、一方の超音波送受信器６が超音波を送信した後、他方の超音波送受信器７で受信した第１受信信号α2を記録する第１受信信号記録手段２４、他方の超音波送受信器７が超音波を送信した後、一方の超音波送受信器６で受信した第２受信信号β2を記録する第２受信信号記録手段２５、第１受信信号α2と第２受信信号β2との位相差φ２（ｒａｄ）を演算する位相差演算手段２６、時間差風速演算手段２３で演算された風速に基づいて位相差φ２を修正する位相差修正手段２７及び位相差修正手段で修正された修正位相差φ2a（ｒａｄ）に基づいて位相差風速Ｖ2p（ｍ／秒）を演算する位相差風速演算手段２８を有している。
なお、時間差風速Ｖ1t、Ｖ2tの演算式は、下記の式（２）及び式（３）で表される。
Ｖ1t＝Ｖｓ2（ｔ2－ｔ1）／２Ｌ・・・・式（２）
Ｖ2t＝Ｖｓ2（ｔ4－ｔ3）／２Ｌ・・・・式（３）
また、位相差風速Ｖ1p、Ｖ2pは、後述するが下記の式（４）及び式（５）で表される。
Ｖ1p＝Ｖｓ2φ1a／４πｆＬ・・・・・式（４）
Ｖ2p＝Ｖｓ2φ2a／４πｆＬ・・・・・式（５）
以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。
同様に第２風速計測手段２は、一方の超音波送受信器６が中心周波数ｆの超音波を送信してから他方の超音波送受信器７でその超音波を受信するまでの第１伝播時間ｔ3（秒）を計測する第１伝播時間計測手段２１、他方の超音波送受信器７が中心周波数ｆの超音波を送信してから一方の超音波送受信器６でその超音波を受信するまでの第２伝播時間ｔ4（秒）を計測する第２伝播時間計測手段２２、第１伝播時間ｔ3及び第２伝播時間ｔ4に基づいて時間差風速Ｖ2t（ｍ／秒）を演算する時間差風速演算手段２３、一方の超音波送受信器６が超音波を送信した後、他方の超音波送受信器７で受信した第１受信信号α2を記録する第１受信信号記録手段２４、他方の超音波送受信器７が超音波を送信した後、一方の超音波送受信器６で受信した第２受信信号β2を記録する第２受信信号記録手段２５、第１受信信号α2と第２受信信号β2との位相差φ２（ｒａｄ）を演算する位相差演算手段２６、時間差風速演算手段２３で演算された風速に基づいて位相差φ２を修正する位相差修正手段２７及び位相差修正手段で修正された修正位相差φ2a（ｒａｄ）に基づいて位相差風速Ｖ2p（ｍ／秒）を演算する位相差風速演算手段２８を有している。
なお、時間差風速Ｖ1t、Ｖ2tの演算式は、下記の式（２）及び式（３）で表される。
Ｖ1t＝Ｖｓ2（ｔ2－ｔ1）／２Ｌ・・・・式（２）
Ｖ2t＝Ｖｓ2（ｔ4－ｔ3）／２Ｌ・・・・式（３）
また、位相差風速Ｖ1p、Ｖ2pは、後述するが下記の式（４）及び式（５）で表される。
Ｖ1p＝Ｖｓ2φ1a／４πｆＬ・・・・・式（４）
Ｖ2p＝Ｖｓ2φ2a／４πｆＬ・・・・・式（５）
以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。
【実施例1】
【0016】
実施例１に係る飛行体用対気速度及び風向計測装置は、図４に示すように、図３と同様、２対の超音波送受信器を小型ＵＡＶ（ドローン）の中央部上面に取り付けたものである。
そして、対気速度及び風向の計測については、従来の超音波風速計の計測手法である伝播時間差を利用したものに、超音波を受信して発せられる電圧信号の位相差、即ち受信信号の位相差を利用したものを組み合わせることによって行う。
そして、対気速度及び風向の計測については、従来の超音波風速計の計測手法である伝播時間差を利用したものに、超音波を受信して発せられる電圧信号の位相差、即ち受信信号の位相差を利用したものを組み合わせることによって行う。
【0017】
受信信号の位相差を利用した風速の計測原理の説明図を図５に示す。
ここでは、第１の方向における風速を計測する場合について述べる。
まず、第１伝播時間ｔ1を測定するために、一方の超音波送受信器４から超音波（中心周波数ｆの正弦波であり、ｓｉｎ２πｆｔで表される）を送信した時に、他方の超音波送受信器５でその超音波を受信して得られた信号を受信信号α1（Ａ1ｓｉｎ（２πｆｔ＋φ1）で表される）とする（ただし、Ａ1は０より大きい所定値、ｔは時間（秒）、φ1は受信信号α1と正弦波との位相差）。
そして、位相差φ1は、正弦波の周期をＴ（Ｔ＝１／ｆ）とすると、受信してからｎ波分に亘って積分することにより、下記の式（６）で表される。
次に、第２伝播時間ｔ2を測定するために、他方の超音波送受信器５から超音波（中心周波数ｆの正弦波であり、ｓｉｎ２πｆｔで表される）を送信した時に、一方の超音波送受信器４でその超音波を受信して得られた信号を受信信号β1（Ａ2ｓｉｎ（２πｆｔ＋φ2）で表される）とする（ただし、Ａ2は０より大きい所定値、ｔは時間（秒）、φ2は受信信号β1と正弦波との位相差）。
そうすると、φ2は式（６）のφ1をφ2に、Ａ1をＡ2に置き換えて同様に計算でき、受信信号α1、β1の位相差を利用して計測される位相差風速Ｖｐは、φ1を算出するために超音波を送受信した時の伝播方向を正として、下記の式（７）で表される。
Ｖｐ＝Ｖｓ2（φ2－φ1）／４πｆＬ・・・・・・式（７）
ここでは、第１の方向における風速を計測する場合について述べる。
まず、第１伝播時間ｔ1を測定するために、一方の超音波送受信器４から超音波（中心周波数ｆの正弦波であり、ｓｉｎ２πｆｔで表される）を送信した時に、他方の超音波送受信器５でその超音波を受信して得られた信号を受信信号α1（Ａ1ｓｉｎ（２πｆｔ＋φ1）で表される）とする（ただし、Ａ1は０より大きい所定値、ｔは時間（秒）、φ1は受信信号α1と正弦波との位相差）。
そして、位相差φ1は、正弦波の周期をＴ（Ｔ＝１／ｆ）とすると、受信してからｎ波分に亘って積分することにより、下記の式（６）で表される。
【数1】
そうすると、φ2は式（６）のφ1をφ2に、Ａ1をＡ2に置き換えて同様に計算でき、受信信号α1、β1の位相差を利用して計測される位相差風速Ｖｐは、φ1を算出するために超音波を送受信した時の伝播方向を正として、下記の式（７）で表される。
Ｖｐ＝Ｖｓ2（φ2－φ1）／４πｆＬ・・・・・・式（７）
【0018】
式（７）から分かるように、位相差風速ＶｐはＶｓ、（φ2－φ1）、ｆ及びＬから求められるため、実施例１では図６に示すように、受信信号α1と受信信号β1を記録し、両者の位相差φ2－φ1を求めることにより、演算することができる。
ところで、位相差φ1は直交座標系の上記式（６）の大括弧内における上辺及び下辺の式によって決まる偏角であり、－π＜φ1＜πの範囲で逆正接を計算でき、同様に位相差φ2も－π＜φ2＜πの範囲で逆正接を計算できる。
そのため、－２π＜φ2－φ1＜２πの範囲では計算できるが、φ2－φ1＜－２π及び２π＜φ2－φ1の範囲では正しく計算することができない。
そこで、時間差法によって計測された風速Ｖｔを基準に、位相差法により算出された位相差を修正するアンラップ処理を施すことにより、時間差法によって計測される風速Ｖｔと同等の計測範囲で高い分解能の風速を応答性良く計測できる。
アンラップ処理は、図７に示すように、時間差法で計測された風速Ｖｔの計測値として最も度数の高い値に近い計測値となるように、位相差を修正して風速Ｖｐを求める処理である。
ところで、位相差φ1は直交座標系の上記式（６）の大括弧内における上辺及び下辺の式によって決まる偏角であり、－π＜φ1＜πの範囲で逆正接を計算でき、同様に位相差φ2も－π＜φ2＜πの範囲で逆正接を計算できる。
そのため、－２π＜φ2－φ1＜２πの範囲では計算できるが、φ2－φ1＜－２π及び２π＜φ2－φ1の範囲では正しく計算することができない。
そこで、時間差法によって計測された風速Ｖｔを基準に、位相差法により算出された位相差を修正するアンラップ処理を施すことにより、時間差法によって計測される風速Ｖｔと同等の計測範囲で高い分解能の風速を応答性良く計測できる。
アンラップ処理は、図７に示すように、時間差法で計測された風速Ｖｔの計測値として最も度数の高い値に近い計測値となるように、位相差を修正して風速Ｖｐを求める処理である。
【実施例2】
【0019】
実施例２に係る飛行体用対気速度及び風向計測装置は、図８に示すように、図３における第１の方向（以下、「ｘsen軸方向」という。）及び第２の方向（以下、「ｙsen軸方向」という。）の２対の超音波送受信器４～７に加え、第３の方向（以下、「ｚsen軸方向」という。）に１対の超音波送受信器９、１０を設け、ｚsen軸方向における風速を計測できるようにしたものである。
飛行体の対気速度の計測には三次元情報を得ることがより望ましいため、このような３軸方向のセンサ座標系を有する装置を利用する。
飛行体の対気速度の計測には三次元情報を得ることがより望ましいため、このような３軸方向のセンサ座標系を有する装置を利用する。
【0020】
図９は、３対の超音波送受信器を用いた対気速度の三次元情報を示す図である。通常、センサの座標系ｘsenｙsenｚsenと機体座標系ｘｙｚとは異なるため、座標変換が必要となる。図９に示すように、３対の超音波送受信器の内、２対の超音波送受信器のそれぞれの超音波の伝播経路からなる平面において、一方の超音波の伝播経路の方向をｘsen軸とし、ｘsen軸に対して右手直交系をなすようにｙsen軸を決め、ｘsen軸及びｙsen軸に対して右手直交系をなすようにｚsen軸を決めることで、センサ座標系を設定する。
また、センサ座標系をｚsen軸周りにθ1だけ回転させ、これによりできた座標系ｘ1ｙ1ｚ1をｙ1軸周りにθ2だけ回転させ、これによりできた座標系ｘ2ｙ2ｚ2をｙ2軸周りにθ3だけ回転させてできる機体座標系ｘｙｚを設定する。
そして、図８において超音波の伝播経路がｘsen軸方向の１対の超音波送受信器４，５を除く、２対の超音波送受信器６，７，９，１０の各伝播経路とｙsen軸とのなす角をθ1，θ2とする。
さらに、３対の超音波送受信器による対気速度の計測値を、それぞれｕsen，ｖsen，ｗsenとし、ｚ軸周りにｘ軸と対気速度ベクトルとのなす角をβ、ｘｙ平面と対気速度ベクトルとのなす角をαとすると、対気速度の計測値のｘ方向成分ｕ、ｙ方向成分ｖ、ｚ方向成分ｗ、対気速度の大きさの計測値Ｖsen及び風向の計測値β，αは、下記の式（８）～（１１）で表される。
Ｖsen＝（ｕ2＋ｖ2＋ｗ2）1/2・・・・・・式（９）
β＝arctan（ｖ／ｕ）・・・・・・・・・式（１０）
α＝arctan｛ｗ／（ｕ2＋ｖ2）1/2｝・・・・式（１１）
ただし、Ｒxyz senは機体座標系からセンサ座標系に変換する回転行列で、Ｒsenは３対の超音波送受信器による各対気速度の計測値ｕsen，ｖsen，ｗsenをセンサ座標系に変換する行列であり、下記の式（１２）及び式（１３）で表される。
また、センサ座標系をｚsen軸周りにθ1だけ回転させ、これによりできた座標系ｘ1ｙ1ｚ1をｙ1軸周りにθ2だけ回転させ、これによりできた座標系ｘ2ｙ2ｚ2をｙ2軸周りにθ3だけ回転させてできる機体座標系ｘｙｚを設定する。
そして、図８において超音波の伝播経路がｘsen軸方向の１対の超音波送受信器４，５を除く、２対の超音波送受信器６，７，９，１０の各伝播経路とｙsen軸とのなす角をθ1，θ2とする。
さらに、３対の超音波送受信器による対気速度の計測値を、それぞれｕsen，ｖsen，ｗsenとし、ｚ軸周りにｘ軸と対気速度ベクトルとのなす角をβ、ｘｙ平面と対気速度ベクトルとのなす角をαとすると、対気速度の計測値のｘ方向成分ｕ、ｙ方向成分ｖ、ｚ方向成分ｗ、対気速度の大きさの計測値Ｖsen及び風向の計測値β，αは、下記の式（８）～（１１）で表される。
【数2】
β＝arctan（ｖ／ｕ）・・・・・・・・・式（１０）
α＝arctan｛ｗ／（ｕ2＋ｖ2）1/2｝・・・・式（１１）
ただし、Ｒxyz senは機体座標系からセンサ座標系に変換する回転行列で、Ｒsenは３対の超音波送受信器による各対気速度の計測値ｕsen，ｖsen，ｗsenをセンサ座標系に変換する行列であり、下記の式（１２）及び式（１３）で表される。
【数3】
【数4】
【0021】
小型ＵＡＶの対気速度及び風向の計測では、小型ＵＡＶの飛行が制御されていて水平飛行しており、風向がある程度分かっている場合等、二次元情報のみで十分な場合がある。
二次元情報を得るために、２対の超音波送受信器を用いる。一方の超音波送受信器の超音波の伝播経路の方向をｘsen軸とし、ｘsen軸に対して右手直交系をなすようにｙsen軸を決めることで、センサ座標系を設定する。
また、センサ座標系をθ1だけ回転させてできる機体座標系ｘｙを設定する。２対の超音波送受信器を用いた対気速度の二次元情報を示す図を図１０に示す。超音波の伝播経路がｘsen軸方向の１対の超音波送受信器４，５でない、他方の１対の超音波送受信器６，７の各伝播経路とｙsen軸とのなす角をθ1とする。
さらに、２対の超音波送受信器による対気速度の計測値を、それぞれｕsen，ｖsenとし、ｘ軸と対気速度ベクトルとのなす角をβとすると、対気速度の計測値のｘ方向成分ｕ、ｙ方向成分ｖ、対気速度の大きさの計測値Ｖsen及び風向の計測値βは、下記の式（１４）～（１６）で表される。
Ｖsen＝（ｕ2＋ｖ2）1/2・・・・・・式（１５）
β＝arctan（ｖ／ｕ）・・・・・・式（１６）
特に、対気速度及び風向の三次元情報又は二次元情報を得る時、それぞれの超音波送受信器の伝播経路が直交する場合、すなわち、三次元情報を得る時のθ1＝０°，θ2＝９０°又は二次元情報を得る時のθ1＝０°である場合、式（１３）及び式（１４）は簡単になり、演算する上で有利である。
二次元情報を得るために、２対の超音波送受信器を用いる。一方の超音波送受信器の超音波の伝播経路の方向をｘsen軸とし、ｘsen軸に対して右手直交系をなすようにｙsen軸を決めることで、センサ座標系を設定する。
また、センサ座標系をθ1だけ回転させてできる機体座標系ｘｙを設定する。２対の超音波送受信器を用いた対気速度の二次元情報を示す図を図１０に示す。超音波の伝播経路がｘsen軸方向の１対の超音波送受信器４，５でない、他方の１対の超音波送受信器６，７の各伝播経路とｙsen軸とのなす角をθ1とする。
さらに、２対の超音波送受信器による対気速度の計測値を、それぞれｕsen，ｖsenとし、ｘ軸と対気速度ベクトルとのなす角をβとすると、対気速度の計測値のｘ方向成分ｕ、ｙ方向成分ｖ、対気速度の大きさの計測値Ｖsen及び風向の計測値βは、下記の式（１４）～（１６）で表される。
【数5】
β＝arctan（ｖ／ｕ）・・・・・・式（１６）
特に、対気速度及び風向の三次元情報又は二次元情報を得る時、それぞれの超音波送受信器の伝播経路が直交する場合、すなわち、三次元情報を得る時のθ1＝０°，θ2＝９０°又は二次元情報を得る時のθ1＝０°である場合、式（１３）及び式（１４）は簡単になり、演算する上で有利である。
【0022】
複数対の超音波送受信器の取り付けについて、各対の超音波送受信器の距離は同じである必要はないが、同じであれば対気速度及び風向を算出する演算の処理が簡便である。
また、超音波送受信器が超音波を検出できる範囲であれば、各対の超音波送受信器の距離に制限はないが、超音波送受信器の外形の寸法に対して、各対の超音波送受信器の間の距離が十分大きくない場合、計測する流れの内、超音波送受信器及びその支持具等によって乱される流れの割合が大きくなって、対気速度及び風向の計測誤差が大きくなる。
さらに、取り付ける航空機の機体の外形の寸法を大きく超える距離の場合、超音波送受信器及びその支持具等が航空機の飛行特性を大きく悪化させる原因となる。
そのため、各対の超音波送受信器の間の距離は、超音波送受信器の外形の寸法より十分大きく、取り付ける航空機の外形の寸法を超えない範囲が望ましい。
また、超音波送受信器が超音波を検出できる範囲であれば、各対の超音波送受信器の距離に制限はないが、超音波送受信器の外形の寸法に対して、各対の超音波送受信器の間の距離が十分大きくない場合、計測する流れの内、超音波送受信器及びその支持具等によって乱される流れの割合が大きくなって、対気速度及び風向の計測誤差が大きくなる。
さらに、取り付ける航空機の機体の外形の寸法を大きく超える距離の場合、超音波送受信器及びその支持具等が航空機の飛行特性を大きく悪化させる原因となる。
そのため、各対の超音波送受信器の間の距離は、超音波送受信器の外形の寸法より十分大きく、取り付ける航空機の外形の寸法を超えない範囲が望ましい。
【0023】
本発明の対気速度を計測する対象の小型ＵＡＶは、実施例１のような回転翼タイプと、図１１に示すような固定翼タイプのものに大別される。
回転翼タイプの小型ＵＡＶの場合、物資の運搬を目的とする機体では、機体の下部は物資を積載するスペースとして確保し、機体の外形に対称性を持つ機体では、飛行特性の観点から機体の外形の対称性を崩ないように、超音波送受信器を取り付けると良い。
一例として、回転翼の小型ＵＡＶには、位置や速度情報を取得するために、全球測位衛星システム（ＧＮＳＳ：Global Navigation Satellite System）の受信器が機体の上部に搭載されているものがあり、実施例１では受信機部分に超音波送受信器を取り付けている。
固定翼の小型ＵＡＶは、プロペラ等から推進力を得て、操舵翼を操舵して飛行する。プロペラから推進力を得る場合、プロペラ後流が超音波の伝播経路に入ると、対気速度及び風向に計測誤差が生まれる。そのため、超音波の伝播経路がプロペラ後流に晒されないように、超音波送受信器を取り付ける。また、固定翼の小型ＵＡＶの対気速度は、機首方向の成分が大きいため、機首方向の流れをセンサプローブが乱さないように、超音波の伝播経路が機首方向と平行にならないように超音波送受信器を配置する。
一例として、双発の固定翼の小型ＵＡＶは、機軸の周辺がプロペラ後流に晒されにくいので、図１１ではその部分に超音波送受信器を取り付けている。
また、本発明は、伝播時間差を利用して計測される対気速度と同等の計測範囲で、高い分解能の対気速度の計測ができるため、小型ＵＡＶだけでなく有人の航空機に対しても適用できる。
回転翼タイプの小型ＵＡＶの場合、物資の運搬を目的とする機体では、機体の下部は物資を積載するスペースとして確保し、機体の外形に対称性を持つ機体では、飛行特性の観点から機体の外形の対称性を崩ないように、超音波送受信器を取り付けると良い。
一例として、回転翼の小型ＵＡＶには、位置や速度情報を取得するために、全球測位衛星システム（ＧＮＳＳ：Global Navigation Satellite System）の受信器が機体の上部に搭載されているものがあり、実施例１では受信機部分に超音波送受信器を取り付けている。
固定翼の小型ＵＡＶは、プロペラ等から推進力を得て、操舵翼を操舵して飛行する。プロペラから推進力を得る場合、プロペラ後流が超音波の伝播経路に入ると、対気速度及び風向に計測誤差が生まれる。そのため、超音波の伝播経路がプロペラ後流に晒されないように、超音波送受信器を取り付ける。また、固定翼の小型ＵＡＶの対気速度は、機首方向の成分が大きいため、機首方向の流れをセンサプローブが乱さないように、超音波の伝播経路が機首方向と平行にならないように超音波送受信器を配置する。
一例として、双発の固定翼の小型ＵＡＶは、機軸の周辺がプロペラ後流に晒されにくいので、図１１ではその部分に超音波送受信器を取り付けている。
また、本発明は、伝播時間差を利用して計測される対気速度と同等の計測範囲で、高い分解能の対気速度の計測ができるため、小型ＵＡＶだけでなく有人の航空機に対しても適用できる。
【0024】
小型ＵＡＶに取り付けられた１対の超音波送受信器の一方から送信した超音波は、空気中を伝播する他、超音波送受信器の支持具等を伝播し、他方の超音波送受信機が受信する。
本発明では、超音波が１対の超音波送受信器の間の空気中を伝播して、その受信信号から対気速度及び風向を算出する。そのため、超音波送受信器の支持具等を伝播した超音波を受信すると、対気速度及び風向の計測誤差の原因となる。
一般的に、このような意図しない超音波の伝播を防止するため、超音波送受信器と意図しない超音波の伝播経路を吸音材で仕切れば良い。
しかし、小型ＵＡＶの対気速度及び風向の計測では、超音波送受信器及びその支持具等によって、計測したい流れを乱すことや、小型ＵＡＶの飛行特性を悪化させることは避けらず、これらの影響を抑える上で、吸音材は妨げになる。
そこで、超音波送受信器の支持具の超音波の伝播に関するパラメータの同定により、超音波送受信器の支持具を伝播した超音波を受信することによる、対気速度及び風向の計測誤差を除去する。
同定されるパラメータは、送信側の超音波送受信器から発せられた超音波が支持具を伝播して受信側の超音波送受信器によって受信されるときに生じるもので、超音波の受信信号に含まれており対気速度の測定誤差の原因となるパラメータである。このため計測する流れ方向及び流れと逆方向に超音波が伝播したときの受信信号と正弦波との位相差を算出する際に、逆正接を計算する分母と分子にそれぞれ１つずつパラメータが生じる。
超音波が超音波送受信器の支持具を伝播して受信したことによる計測誤差を含んだ、受信信号α１と周波数ｆの正弦波の位相差φ1は、ω＝２πｆとして下記の式（１７）で表される。
ただし、超音波が超音波送受信器の支持具を伝播して受信した電圧信号をＡ1’＞０でＡ1’ｓｉｎ（ωｔ＋φ1’）と仮定し、対気速度及び風向の計測誤差の原因となるパラメータをＥs1，Ｅｃ1とした。
位相差φ2も、超音波が超音波送受信器の支持具を伝播して受信した電圧信号をＡ2’＞０でＡ2’ｓｉｎ（ωｔ＋φ2’）と仮定して、対気速度及び風向の計測誤差の原因となるパラメータをＥs2，Ｅｃ2とすれば、式（１７）のφ1をφ2に置き換えて同様に計算される。
パラメータＥs1，Ｅｃ1，Ｅs2，Ｅｃ2を同定しておくことで、超音波送受信器の支持具を伝播した超音波を受信することによる対気速度及び風向の計測誤差を除去できる。
以上の説明は、１対の超音波送受信器を用いた場合の対気速度及び風向の計測誤差の原因となるパラメータの除去方法であったが、２対及び３対の超音波送受信器を用いた場合も、それぞれ独立に対気速度及び風向の計測を、１対の超音波送受信器の対気速度及び風向の計測方法で行っているから、それぞれ対気速度及び風向の計測誤差の原因となるパラメータを除去すれば、それぞれ誤差を除去でき、２対及び３対の超音波送受信器を用いた対気速度及び風向の計測誤差を除去できる。
本発明では、超音波が１対の超音波送受信器の間の空気中を伝播して、その受信信号から対気速度及び風向を算出する。そのため、超音波送受信器の支持具等を伝播した超音波を受信すると、対気速度及び風向の計測誤差の原因となる。
一般的に、このような意図しない超音波の伝播を防止するため、超音波送受信器と意図しない超音波の伝播経路を吸音材で仕切れば良い。
しかし、小型ＵＡＶの対気速度及び風向の計測では、超音波送受信器及びその支持具等によって、計測したい流れを乱すことや、小型ＵＡＶの飛行特性を悪化させることは避けらず、これらの影響を抑える上で、吸音材は妨げになる。
そこで、超音波送受信器の支持具の超音波の伝播に関するパラメータの同定により、超音波送受信器の支持具を伝播した超音波を受信することによる、対気速度及び風向の計測誤差を除去する。
同定されるパラメータは、送信側の超音波送受信器から発せられた超音波が支持具を伝播して受信側の超音波送受信器によって受信されるときに生じるもので、超音波の受信信号に含まれており対気速度の測定誤差の原因となるパラメータである。このため計測する流れ方向及び流れと逆方向に超音波が伝播したときの受信信号と正弦波との位相差を算出する際に、逆正接を計算する分母と分子にそれぞれ１つずつパラメータが生じる。
超音波が超音波送受信器の支持具を伝播して受信したことによる計測誤差を含んだ、受信信号α１と周波数ｆの正弦波の位相差φ1は、ω＝２πｆとして下記の式（１７）で表される。
【数6】
位相差φ2も、超音波が超音波送受信器の支持具を伝播して受信した電圧信号をＡ2’＞０でＡ2’ｓｉｎ（ωｔ＋φ2’）と仮定して、対気速度及び風向の計測誤差の原因となるパラメータをＥs2，Ｅｃ2とすれば、式（１７）のφ1をφ2に置き換えて同様に計算される。
パラメータＥs1，Ｅｃ1，Ｅs2，Ｅｃ2を同定しておくことで、超音波送受信器の支持具を伝播した超音波を受信することによる対気速度及び風向の計測誤差を除去できる。
以上の説明は、１対の超音波送受信器を用いた場合の対気速度及び風向の計測誤差の原因となるパラメータの除去方法であったが、２対及び３対の超音波送受信器を用いた場合も、それぞれ独立に対気速度及び風向の計測を、１対の超音波送受信器の対気速度及び風向の計測方法で行っているから、それぞれ対気速度及び風向の計測誤差の原因となるパラメータを除去すれば、それぞれ誤差を除去でき、２対及び３対の超音波送受信器を用いた対気速度及び風向の計測誤差を除去できる。
【0025】
３対の超音波送受信器による対気速度及び風向の計測システム及びその計測システムを用いる対気速度及び風向の計測方法について図１２を用いて説明する。
計測システムは、超音波送受信器と送受信切り替えユニット、受信信号増幅ユニット、マイクロコンピュータから構成される。
１対の超音波送受信器は、それぞれが印加された電圧信号から超音波を送信する及び超音波を受信して電圧信号を発生する機能を持つ。
送受信切り替えユニットは、超音波送受信器に超音波の送信をさせるか、または超音波を受信させるかのいずれかに切り替える機能を持つ。
受信信号増幅ユニットは、超音波送受信器が超音波を受信して発生した電圧信号を増幅する機能を持つ。
マイクロコンピュータは、超音波を送信する超音波送受信機に印加する電圧信号を発生する回路と、受信信号増幅ユニットにより増幅された受信信号をＡ／Ｄ変換してデジタル化する回路、デジタル化された受信信号から対気速度及び風向を算出するＣＰＵ、外部システムと通信して算出した対気速度及び風向データを送信する回路からなる。
マイクロコンピュータにより、超音波送受信器に印加する電圧信号を生成し、送受信切り替えユニットにより超音波を送信する機能に指定された超音波送受信器に印加される。
送受信切り替えユニットにより、超音波を受信する機能に指定された超音波送受信器が送信された超音波を受信して電圧信号を生成し、受信信号増幅ユニットにより受信した受信信号が増幅される。
そして、マイクロコンピュータにより、増幅された受信信号をＡ／Ｄ変換してデジタル化し、デジタル化された受信信号から対気速度及び風向を算出して、外部システムに対気速度及び風向データを送信する。
外部システムは、対気速度及び風向データを必要とするシステムであり、小型ＵＡＶの自律飛行制御の場合、得られた対気速度及び風向のデータを用いてアクチュエータの指令値を決定し、アクチュエータを動かすシステムを指す。
計測システムは、超音波送受信器と送受信切り替えユニット、受信信号増幅ユニット、マイクロコンピュータから構成される。
１対の超音波送受信器は、それぞれが印加された電圧信号から超音波を送信する及び超音波を受信して電圧信号を発生する機能を持つ。
送受信切り替えユニットは、超音波送受信器に超音波の送信をさせるか、または超音波を受信させるかのいずれかに切り替える機能を持つ。
受信信号増幅ユニットは、超音波送受信器が超音波を受信して発生した電圧信号を増幅する機能を持つ。
マイクロコンピュータは、超音波を送信する超音波送受信機に印加する電圧信号を発生する回路と、受信信号増幅ユニットにより増幅された受信信号をＡ／Ｄ変換してデジタル化する回路、デジタル化された受信信号から対気速度及び風向を算出するＣＰＵ、外部システムと通信して算出した対気速度及び風向データを送信する回路からなる。
マイクロコンピュータにより、超音波送受信器に印加する電圧信号を生成し、送受信切り替えユニットにより超音波を送信する機能に指定された超音波送受信器に印加される。
送受信切り替えユニットにより、超音波を受信する機能に指定された超音波送受信器が送信された超音波を受信して電圧信号を生成し、受信信号増幅ユニットにより受信した受信信号が増幅される。
そして、マイクロコンピュータにより、増幅された受信信号をＡ／Ｄ変換してデジタル化し、デジタル化された受信信号から対気速度及び風向を算出して、外部システムに対気速度及び風向データを送信する。
外部システムは、対気速度及び風向データを必要とするシステムであり、小型ＵＡＶの自律飛行制御の場合、得られた対気速度及び風向のデータを用いてアクチュエータの指令値を決定し、アクチュエータを動かすシステムを指す。
【実施例3】
【0026】
計測器は、標準器で計測して得た値を真の値の推定値として校正を行う必要がある。
実施例３の特徴は、小型ＵＡＶの自律制御を目的とした低速領域の対気速度及び風向を計測することにあり、中心周波数４０ｋＨｚの超音波送受信器（UT1612MPR/UR1612MPR，CPL (Hong Kong) Limited）を用いて、従来の小型ＵＡＶ用風向風速計では計測できない４ｍ／秒以下の対気速度に対して校正を行った。
校正手法として、インクリメンタル型ロータリエンコーダにより対地速度を計測できる手押し車に、計測器を搭載して人力で走行し、静止した空気中で対地速度と対気速度が等しくなることを利用した。
これは、産業技術総合研究所（https://unit.aist.go.jp/riem/gfstd/facility.html）による、地下トンネル内で微風速計を載せた台車を走行させる校正施設を模したものである。
実施例３の特徴は、小型ＵＡＶの自律制御を目的とした低速領域の対気速度及び風向を計測することにあり、中心周波数４０ｋＨｚの超音波送受信器（UT1612MPR/UR1612MPR，CPL (Hong Kong) Limited）を用いて、従来の小型ＵＡＶ用風向風速計では計測できない４ｍ／秒以下の対気速度に対して校正を行った。
校正手法として、インクリメンタル型ロータリエンコーダにより対地速度を計測できる手押し車に、計測器を搭載して人力で走行し、静止した空気中で対地速度と対気速度が等しくなることを利用した。
これは、産業技術総合研究所（https://unit.aist.go.jp/riem/gfstd/facility.html）による、地下トンネル内で微風速計を載せた台車を走行させる校正施設を模したものである。
【0027】
マイクロコンピュータ（dePIC33FJ64GP802，Microchip Technology）により、１０周期の電圧差３．３Ｖp-pで４０ｋＨｚの矩形波の電圧信号を生成し、３ステートバッファ（SN74HC125N，TEXAS INSTRUMENTS）とアナログスイッチ（TC74HC4066AP，TOSHIBA）からなる送受信切り替えユニットにより、超音波を送信する機能に指定された超音波送受信器に印加される。
送受信切り替えユニットにより、超音波を受信する機能に指定された超音波送受信器が、送信された超音波を受信して電圧信号を生成し、オペアンプ（NJM2732D，新日本無線株式会社）を用いた反転増幅回路からなる受信信号増幅ユニットにより、受信した受信信号が増幅される。
マイクロコンピュータにより、増幅された受信信号をサンプリング周波数４００ｋＨｚでＡ／Ｄ変換してデジタル化し、デジタル化された受信信号から対気速度及び風向を算出して、外部システム（Arduino Micro，Arduino Srl）に対気速度及び風向データをＩ２Ｃ通信で送信する。
送受信切り替えユニットにより、超音波を受信する機能に指定された超音波送受信器が、送信された超音波を受信して電圧信号を生成し、オペアンプ（NJM2732D，新日本無線株式会社）を用いた反転増幅回路からなる受信信号増幅ユニットにより、受信した受信信号が増幅される。
マイクロコンピュータにより、増幅された受信信号をサンプリング周波数４００ｋＨｚでＡ／Ｄ変換してデジタル化し、デジタル化された受信信号から対気速度及び風向を算出して、外部システム（Arduino Micro，Arduino Srl）に対気速度及び風向データをＩ２Ｃ通信で送信する。
【0028】
外部システムは、小型ＵＡＶの自律制御で対気速度を参照した制御手法の実装において必要と思われるサンプリング周波数１０Ｈｚで対気速度を計測し校正を行った。
それぞれ距離Ｌ＝１５０ｍｍで、θ1＝０°、すなわち、それぞれの伝播経路が直交して設置された２対の超音波送受信器を用いて、二次元の対気速度の大きさの計測値Ｖsenを、ロータリエンコーダによる対地速度の計測値Ｖreを対気速度の真の値の推定値として、θ1＝０°で機体座標系を設定した時のβ＝４５°について校正した結果を図１３に示す。
校正する前の小型ＵＡＶ用超音波風向微風速計による対気速度の計測値は、ロータリエンコーダによる対地速度の計測値に対して、およそ３０％の計測誤差が生じることが分かり、超音波送受信器の支持具等を伝播した超音波を受信することによる対気速度の計測誤差を除去した。
校正した結果から、サンプリング周波数１０Ｈｚで、小型ＵＡＶの自律制御に用いるに十分な分解能で、対気速度や風向を計測できることが分かった。
それぞれ距離Ｌ＝１５０ｍｍで、θ1＝０°、すなわち、それぞれの伝播経路が直交して設置された２対の超音波送受信器を用いて、二次元の対気速度の大きさの計測値Ｖsenを、ロータリエンコーダによる対地速度の計測値Ｖreを対気速度の真の値の推定値として、θ1＝０°で機体座標系を設定した時のβ＝４５°について校正した結果を図１３に示す。
校正する前の小型ＵＡＶ用超音波風向微風速計による対気速度の計測値は、ロータリエンコーダによる対地速度の計測値に対して、およそ３０％の計測誤差が生じることが分かり、超音波送受信器の支持具等を伝播した超音波を受信することによる対気速度の計測誤差を除去した。
校正した結果から、サンプリング周波数１０Ｈｚで、小型ＵＡＶの自律制御に用いるに十分な分解能で、対気速度や風向を計測できることが分かった。
【0029】
校正した小型ＵＡＶ用超音波風向微風速計を搭載した双発の固定翼の小型ＵＡＶを、旋回半径を一定とする旋回飛行の制御を実装した上で飛行し、その時の対気速度及び風向を計測した。
小型ＵＡＶ用超音波風向微風速計は、それぞれ距離Ｌ＝１５０ｍｍでθ1＝０°，θ2＝９０°、すなわち、それぞれの伝播経路が直交して設置された３対の超音波送受信器を用いて、機体の機首方向をｘ軸、左右方向をｙ軸、ｘ軸に垂直な胴体の上下方向をｚ軸とする機体座標系を設定して、センサ座標系がθ1＝０°，θ2＝０°となるように、機体に３対の超音波送受信器を設置した。
旋回半径を一定とする旋回飛行の制御ループの制御周期が２０ミリ秒であったため、サンプリング周波数５０Ｈｚで対気速度及び風向を計測した。
飛行試験における対気速度ｕ，ｖ，ｗ，Ｖ及び風向α，βの計測結果を図１４に示す。これらの飛行試験における対気速度や風向の計測の結果から、本発明によれば低速で飛行する小型ＵＡＶの対気速度及び風向を計測できることが分かった。
小型ＵＡＶ用超音波風向微風速計は、それぞれ距離Ｌ＝１５０ｍｍでθ1＝０°，θ2＝９０°、すなわち、それぞれの伝播経路が直交して設置された３対の超音波送受信器を用いて、機体の機首方向をｘ軸、左右方向をｙ軸、ｘ軸に垂直な胴体の上下方向をｚ軸とする機体座標系を設定して、センサ座標系がθ1＝０°，θ2＝０°となるように、機体に３対の超音波送受信器を設置した。
旋回半径を一定とする旋回飛行の制御ループの制御周期が２０ミリ秒であったため、サンプリング周波数５０Ｈｚで対気速度及び風向を計測した。
飛行試験における対気速度ｕ，ｖ，ｗ，Ｖ及び風向α，βの計測結果を図１４に示す。これらの飛行試験における対気速度や風向の計測の結果から、本発明によれば低速で飛行する小型ＵＡＶの対気速度及び風向を計測できることが分かった。
【0030】
実施例１及び２の飛行体用対気速度及び風向計測装置及びその計測方法に関する変形例を列記する。
（１）実施例１及び２では、第１伝播時間計測手段１１、２１及び第２伝播時間計測手段１２，２２で伝播時間を計測し、時間差風速を演算したが、位相差を演算する時と同様に第１受信信号及び第２受信信号を記録した上で、第１伝播時間及び第２伝播時間を計測し、時間差風速を演算しても良い。
（２）実施例１及び２では、・・・でも良い。
（３）実施例１及び２では、・・・でも良い。
（１）実施例１及び２では、第１伝播時間計測手段１１、２１及び第２伝播時間計測手段１２，２２で伝播時間を計測し、時間差風速を演算したが、位相差を演算する時と同様に第１受信信号及び第２受信信号を記録した上で、第１伝播時間及び第２伝播時間を計測し、時間差風速を演算しても良い。
（２）実施例１及び２では、・・・でも良い。
（３）実施例１及び２では、・・・でも良い。
【符号の説明】
【0031】
１ 第１風速計測手段 ２ 第２風速計測手段 ３ 風向計測手段
４、６、９ 一方の超音波送受信器 ５、７、１０ 他方の超音波送受信器
８ 第３風速計測手段 １１、２１ 第１伝播時間計測手段
１２、２２ 第２伝播時間計測手段 １３ 時間差風速演算手段
１４、２４ 第１受信信号記録手段 １５、２５ 第２受信信号記録手段
１６、２６ 位相差演算手段 １７、２７ 位相差修正手段
１８、２８ 位相差風速演算手段
ｆ 中心周波数（Ｈｚ） Ｌ １対の超音波送受信器間の距離
ｔ 時間（秒） ｔ1、ｔ3 第１伝播時間（秒） ｔ2、ｔ4 第２伝播時間（秒）
Ｖｐ、Ｖ1p、Ｖ2p 位相差風速（ｍ／秒） Ｖｓ 音速（ｍ／秒）
ｕ、ｕsen 対気速度の計測値のｘ方向成分（ｍ／秒）
ｖ、ｖsen 対気速度の計測値のｙ方向成分（ｍ／秒）
ｗ、ｗsen 対気速度の計測値のｚ方向成分（ｍ／秒）
Ｖ、Ｖsen 対気速度の大きさの計測値（ｍ／秒） α、β 風向の計測値（ｒａｄ）
α1、α2 第１受信信号 β1、β2 第２受信信号
θ1、θ2、θ3 回転角度（ｒａｄ） φ１、φ２ 位相差（ｒａｄ）
φ1a、φ2a 修正位相差（ｒａｄ） φ1、φ2 正弦波との位相差（ｒａｄ）
Ｒxyz sen 機体座標系からセンサ座標系に変換する回転行列
Ｒsen 各対気速度の計測値ｕsen，ｖsen，ｗsenをセンサ座標系に変換する行列
４、６、９ 一方の超音波送受信器 ５、７、１０ 他方の超音波送受信器
８ 第３風速計測手段 １１、２１ 第１伝播時間計測手段
１２、２２ 第２伝播時間計測手段 １３ 時間差風速演算手段
１４、２４ 第１受信信号記録手段 １５、２５ 第２受信信号記録手段
１６、２６ 位相差演算手段 １７、２７ 位相差修正手段
１８、２８ 位相差風速演算手段
ｆ 中心周波数（Ｈｚ） Ｌ １対の超音波送受信器間の距離
ｔ 時間（秒） ｔ1、ｔ3 第１伝播時間（秒） ｔ2、ｔ4 第２伝播時間（秒）
Ｖｐ、Ｖ1p、Ｖ2p 位相差風速（ｍ／秒） Ｖｓ 音速（ｍ／秒）
ｕ、ｕsen 対気速度の計測値のｘ方向成分（ｍ／秒）
ｖ、ｖsen 対気速度の計測値のｙ方向成分（ｍ／秒）
ｗ、ｗsen 対気速度の計測値のｚ方向成分（ｍ／秒）
Ｖ、Ｖsen 対気速度の大きさの計測値（ｍ／秒） α、β 風向の計測値（ｒａｄ）
α1、α2 第１受信信号 β1、β2 第２受信信号
θ1、θ2、θ3 回転角度（ｒａｄ） φ１、φ２ 位相差（ｒａｄ）
φ1a、φ2a 修正位相差（ｒａｄ） φ1、φ2 正弦波との位相差（ｒａｄ）
Ｒxyz sen 機体座標系からセンサ座標系に変換する回転行列
Ｒsen 各対気速度の計測値ｕsen，ｖsen，ｗsenをセンサ座標系に変換する行列
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
