皮托管与 FT 超声波风传感器在无人驾驶系统中应用的对比

无人机和无人驾驶飞行器的飞行速度通常低于其它航空器。另外，那些运送包裹或在水平与垂直飞行之间转换时需要减速的无人机和无人驾驶飞行器平台，在低速状态下需要进行精准测风。FT 声共振式风传感器在 0 至 75 米/秒（145 节）的风速范围内，能够保持其测量的精度。无人驾驶系统（UXVs） 是高振动的平台，会产生强烈的噪声，而声共振系统是唯一不受振动和噪声影响的超声波技术。

皮托管空速系统：其工作原理及存在的缺陷

皮托管空速系统通过比较停止（总）压力，即机动车移动时进入管内的空气所产生的压力与周围大气的静压来测量流体流动的速度。两者之间的差异即为动压，利用伯努利原理可以将其转换为空速（安德森，《空气动力学基础》，2016 年）。皮托管长期以来一直是航空领域测量空速的标准设备，也适用于对水船速计量（STW）等航海应用。

然而，对于 无人驾驶（UXV） 和自动驾驶平台而言，皮托系统存在若干操作上的挑战。通常在低于 40 节的低空速情况下，皮托系统所测量的压力差会变得非常小，这使得皮托测量更容易出现误差和干扰。相比之下，声共振式风传感器在这一低速范围内能够保持高精度和及时响应性。

堵塞风险：灰尘、昆虫或杂物可能会堵塞皮托管口，从而导致读数不准确或丢失；这一问题在美国联邦航空管理局的《通告第 43-6D 号》（2017 年）中有所提及。

结冰隐患：冰冻的皮托管可能会导致空速数据失真或完全缺失，这是引发诸如法航 447 航班事故等事件的一个重要原因。

有限的矢量测量能力：皮托系统主要测量正向空速；要获取完整的风矢量（方向和侧风分量）则需要额外的传感器或进行假设计算。

维护要求：皮托系统通常需要定期进行校准、清洁和检查；在偏远或难以到达的安装地点，这种维护工作尤为困难繁琐。

以上这些挑战并未削弱皮托系统的基本实用性，因为它们在航空领域仍是一种重要的工具，但在偏远、无人操作的平台环境中，这些缺陷使得采用其它传感技术来补充皮托系统变得很有必要了。

常见问题解答

问题 1：在远程或自主系统中，皮托管存在哪些操作上的限制？

皮托管可能会结冰、堵塞或在多尘或多沙的环境中出现故障。它们需要经常进行清洁和校准，但这对于远程或自动操作系统来说是不切实际的（美国联邦航空管理局，2017 年发布的咨询通告 43-6D）。

问题 2：超声波风传感器如何提高任务安全性？

FT 风传感器能够实时、准确地测量风速和风向，且无任何移动部件，从而实现更出色的自动驾驶控制、更安全的着陆以及更高的任务成功率（世界气象组织指南，2023 年）。

问题 3：FT 风传感器是否适用于小型无人机？

适用。FT 风传感器重量轻、体积小且功耗低，因此非常适合用于小型固定翼或垂直起降的无人机。

问题 4：FT风传感器能否用于直升机上？

可以。在测试和评估飞行中，FT风传感器通常会被安装在旋翼式飞行器上，因为在此类飞行中精确的测风至关重要，但这些风传感器并未获得在商用客机上使用的认证。

参考文献及延伸阅读：

阿杜皮洛特文档 - 空速传感器
https://ardupilot.org/plane/docs/airspeed.html

安德森，J.D.（2016）《空气动力学基础》（第6版）纽约：麦格劳-希尔出版社。ISBN：978-1260456547。

美国联邦航空管理局（2017 年）。咨询通告 43-6D：高度报告设备及应答机系统维护与检查规范。从下面链接检索：
https://www.faa.gov/documentLibrary/media/Advisory_Circular/AC_43-6D.pdf


美国国家航空航天局格伦研究中心 - 帕蒂奥管理论 https://www1.grc.nasa.gov/beginners-guide-to-aeronautics/pitot-static-tube-speedometer/ （访问日期：2025 年 10 月 2 日）

世界气象组织（2023 年）。观测仪器与方法指南（WMO 第 8 号）。瑞士日内瓦。可访问网址：https://library.wmo.int/records/item/41650-guide-to-instruments-and-methods-of-observation（访问日期：2025 年 10 月 2 日）