肖砷宇

(海軍裝備部，陜西 西安 710089)

飛機(jī)操縱舵面偏角測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖砷宇

(海軍裝備部，陜西 西安 710089)

針對(duì)傳統(tǒng)舵面測(cè)量方法的弊端，提出了一種新型的舵面偏角自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)分析測(cè)量系統(tǒng)各組成部分的工作原理及布局，對(duì)整體測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了論證，表明該新型舵面偏角測(cè)量系統(tǒng)能夠節(jié)省人力、提高生產(chǎn)效率、縮短生產(chǎn)周期。

舵面測(cè)量；測(cè)量系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集

0 引言

飛機(jī)操縱舵面包括副翼、擾流板、方向舵、升降舵等，它們的裝配質(zhì)量直接影響著飛機(jī)的飛行軌跡及安全。

某型機(jī)飛行控制系統(tǒng)為三軸四余度電傳+模擬備份+機(jī)械備份的操縱系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)飛機(jī)多個(gè)操縱舵面的控制，完成飛機(jī)姿態(tài)控制、航跡控制、地面破升增阻控制和飛機(jī)起降/空投等階段的增升控制。在生產(chǎn)制造過(guò)程中，需要檢查飛機(jī)的后緣襟翼、前緣縫翼和擾流板、副翼等舵面的安裝位置是否滿足設(shè)計(jì)要求。在安裝位置滿足要求的情況下，還需進(jìn)一步檢查舵面的極限偏角是否滿足設(shè)計(jì)要求，該過(guò)程需要通過(guò)反復(fù)調(diào)整舵面測(cè)量來(lái)獲得最終的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法依靠人力、使用傳統(tǒng)的機(jī)械量具分別對(duì)舵面進(jìn)行測(cè)量，耗費(fèi)大量的時(shí)間，效率低、周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)制造的進(jìn)度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、微機(jī)械加工技術(shù)、測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，采用自動(dòng)化的測(cè)量方法對(duì)飛機(jī)舵面進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)的條件日趨成熟。

1 新型舵面偏角測(cè)量系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是使用測(cè)角儀對(duì)飛機(jī)的操縱舵面分別進(jìn)行測(cè)量，需要操作者將測(cè)角儀放置于舵面規(guī)定的位置上，并人工讀取數(shù)據(jù)，人為判斷數(shù)據(jù)是否合格。若不合格再進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后再重復(fù)測(cè)量工作，操作者工作量大、效率低。

新型舵面偏角測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用自動(dòng)化的測(cè)量理念，是一套具有控制中心及數(shù)據(jù)采集前端的完備測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)使用電子部件準(zhǔn)確測(cè)量飛機(jī)各舵面的偏擺角度，將數(shù)據(jù)采集前端收集的舵面偏擺角度通過(guò)具有防干擾的數(shù)據(jù)線傳輸至數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行初步數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而傳送至控制中心，進(jìn)行解算，最后將測(cè)試結(jié)果圖形化顯示、存儲(chǔ)和生成報(bào)表，如圖1所示。

系統(tǒng)工作時(shí)，將數(shù)據(jù)采集前端通過(guò)機(jī)械夾具或者粘貼的方式安裝固定在被測(cè)位置。集線器分布在左機(jī)翼、右機(jī)翼和垂尾附近，負(fù)責(zé)舵面偏角數(shù)據(jù)的初步采集和前期數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集前端電纜與集線器連接，然后將集線器電纜與系統(tǒng)控制中心連接，通過(guò)這種方式可以大大減少飛機(jī)與測(cè)量設(shè)備之間的電纜數(shù)量。通過(guò)控制中心的上位機(jī)，可以觀察所有數(shù)據(jù)采集前端的角度數(shù)據(jù)和角度曲線等[1]。

新型舵面測(cè)量系統(tǒng)在使用的過(guò)程中不需操作者登機(jī)測(cè)量，在全機(jī)布置完測(cè)量設(shè)備后，只需在控制中心即可得到所有數(shù)據(jù)。

2 新型測(cè)量系統(tǒng)詳細(xì)實(shí)施方案

2.1 數(shù)據(jù)采集前端實(shí)現(xiàn)方法

某型機(jī)舵面數(shù)量多，一部分舵面有轉(zhuǎn)軸，而一部分舵面沒(méi)有轉(zhuǎn)軸只有運(yùn)動(dòng)曲面，例如襟、縫翼處于中立位置時(shí)與大地水平面有一定夾角，且運(yùn)動(dòng)軌跡為弧形，如圖2所示。圖中1、2、3、4為舵面測(cè)量點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位置，精準(zhǔn)測(cè)量存在困難。

對(duì)于上述兩種舵面偏轉(zhuǎn)方式，設(shè)計(jì)兩種類(lèi)型數(shù)據(jù)采集前端，以保證高精度的測(cè)量要求。

2.1.1 有固定轉(zhuǎn)軸型舵面數(shù)據(jù)采集前端

當(dāng)舵面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，連接舵面與飛機(jī)結(jié)構(gòu)之間的螺栓隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可以通過(guò)工裝將一只轉(zhuǎn)角傳感器同該螺栓固定，當(dāng)舵面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安裝在螺栓處的轉(zhuǎn)角傳感器隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，從而測(cè)出舵面轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。因此，此種類(lèi)型的數(shù)據(jù)采集前端采用轉(zhuǎn)角傳感器和連接工裝組合的方式實(shí)現(xiàn)。

這種舵面數(shù)據(jù)采集前端通過(guò)膠粘方法，將裝夾工裝組件及轉(zhuǎn)角傳感器可靠粘接于待測(cè)舵面轉(zhuǎn)軸上，安裝時(shí)通過(guò)調(diào)整以保證轉(zhuǎn)角傳感器敏感軸方向同舵面轉(zhuǎn)軸一致。當(dāng)舵面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，舵面帶動(dòng)裝夾工裝上的轉(zhuǎn)角傳感器一起繞舵面轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角傳感器感測(cè)到的角位移就是舵面偏角的變化。從而實(shí)現(xiàn)舵面偏角的直接測(cè)量[2]。

2.1.2 無(wú)固定轉(zhuǎn)軸型舵面數(shù)據(jù)采集前端

由于此類(lèi)型舵面沒(méi)有可以固定轉(zhuǎn)角傳感器的轉(zhuǎn)軸，因此，考慮在舵面的外表面上粘貼傳感器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)前端數(shù)據(jù)采集。

角度測(cè)量目前主要采用機(jī)械指針式測(cè)角儀、電子羅盤(pán)、傾角傳感器和陀螺儀等。機(jī)械指針式角度測(cè)量?jī)x，僅適用于空間旋轉(zhuǎn)軸平行于水平面的情況，且指針的擺動(dòng)依靠重力和指針軸的微小摩擦力，如果旋轉(zhuǎn)軸傾斜，則指針軸摩擦力增大，導(dǎo)致指針擺動(dòng)不準(zhǔn)確。電子羅盤(pán)是以微弱的地磁方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，檢測(cè)當(dāng)前方向和地磁方向的夾角，獲得當(dāng)前的方位角，因此電子羅盤(pán)不能檢測(cè)以地磁方向?yàn)樾D(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度。傾角傳感器用于測(cè)量相對(duì)于水平面的測(cè)量角度，但不能測(cè)量方位。陀螺儀是速率傳感器，能檢測(cè)當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速率，通過(guò)速率積分獲得當(dāng)前旋轉(zhuǎn)角度，而且是全方位的角度檢測(cè)。本運(yùn)動(dòng)組件需要測(cè)量的對(duì)象是繞軸(沒(méi)有轉(zhuǎn)角傳感器固定點(diǎn))旋轉(zhuǎn)的相對(duì)角度，并不需要測(cè)量具體方位，并且該旋轉(zhuǎn)軸并不平行于水平面，因此，本測(cè)量系統(tǒng)選擇傾角傳感器對(duì)舵面運(yùn)動(dòng)角度進(jìn)行測(cè)量[3]。

舵面偏角測(cè)量組件通過(guò)不干膠直接將雙軸傾角傳感器粘貼固定于舵面外表面上，當(dāng)舵面運(yùn)動(dòng)時(shí)，雙軸傾角傳感器就會(huì)輸出其敏感軸與水平面夾角成一定關(guān)系的電信號(hào)，通過(guò)計(jì)算即可測(cè)量得到舵面偏角。

雙軸傾角傳感器偏角測(cè)量原理分析如下：

無(wú)轉(zhuǎn)軸的舵面運(yùn)動(dòng)可分解為沿某方向的相對(duì)平動(dòng)與繞理論偏轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于相對(duì)平動(dòng)不引起舵面偏角，因此不考慮，只需考慮繞理論偏轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

如圖3所示，構(gòu)建直角坐標(biāo)系0XY。

使0XY面為水平面，并使舵面理論偏轉(zhuǎn)軸0X′在面0XYZ上，且同X軸的夾角為∠α。當(dāng)雙軸傾角傳感器安裝于舵面上某平行于偏轉(zhuǎn)軸0X′的平面，并隨舵面偏轉(zhuǎn)的情況可等效為：由水平面繞Y軸旋轉(zhuǎn)∠α得到法線為α的平面，該平面繞0X′軸旋轉(zhuǎn)∠θ得到法線為θ的平面、法線θ與法線α的夾角為∠θ，法線θ與Z軸的夾角為∠β；令OA為單位長(zhǎng)度(點(diǎn)A在Z軸上)，作AA′⊥法線α,作A′A″⊥法線β，連接AA″得到平面A A′A″⊥法線θ。 易知：

cosα·cosθ=cosβ

上式中，α為測(cè)試對(duì)象(舵面)旋轉(zhuǎn)軸與水平面所成夾角；β為測(cè)試對(duì)象(舵面)與水平面所成夾角；θ為測(cè)試對(duì)象(舵面)繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

一般∠α為設(shè)計(jì)值已知，∠β可以通過(guò)雙軸傾角傳感器測(cè)量，這樣便實(shí)現(xiàn)了舵面偏角∠θ的精確測(cè)量[4]。

2.2 信號(hào)調(diào)理器實(shí)現(xiàn)原理

信號(hào)調(diào)理是數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)中保證信號(hào)的準(zhǔn)確性、可靠性和安全性的關(guān)鍵性措施。信號(hào)調(diào)理的目的在于提高信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性，并保護(hù)測(cè)量系統(tǒng)，防止外界異常信號(hào)或異常變化對(duì)系統(tǒng)造成損壞。它包括輸入/輸出保護(hù)、信號(hào)及電源隔離、共模抑制、串模抑制、信號(hào)放大、濾波、信號(hào)激勵(lì)、冷端補(bǔ)償、線形補(bǔ)償?shù)?。信?hào)調(diào)理主要是完成增益和零點(diǎn)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多種增益的組合選擇，可以滿足大多數(shù)測(cè)試的需求[5]。

信號(hào)調(diào)理電路由輸入保護(hù)電路、信號(hào)放大電路、濾波電路和輸出電路組成。為了提高信號(hào)調(diào)理器的可靠性和精準(zhǔn)度，對(duì)信號(hào)調(diào)理器內(nèi)部電路使用的±15V電源與輸出傳感器的±15V電源進(jìn)行了獨(dú)立的濾波處理。

另外，信號(hào)調(diào)理器放大衰減信號(hào)。由于試驗(yàn)中有些信號(hào)幅值比較小，所以需要通過(guò)放大器來(lái)提高測(cè)量的精度。放大器通過(guò)匹配信號(hào)電平和A/D轉(zhuǎn)換器的測(cè)量范圍，來(lái)達(dá)到提高測(cè)量分辨率的目的。

信號(hào)調(diào)理器還具有抑制共模干擾的作用，一般來(lái)說(shuō)，由于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試設(shè)備與數(shù)據(jù)采集前端之間的距離較遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)采集前端輸出的干擾信號(hào)主要表現(xiàn)為共模干擾。抑制共模干擾信號(hào)最好的方法是采用差動(dòng)儀表放大器。這種放大器輸入阻抗高，輸出阻抗低，具有很強(qiáng)的抗共模能力。

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)

程序主要分三部分，包括校準(zhǔn)子程序、傾斜角計(jì)算子程序和主程序。在傾斜傳感器第一次使用前必須對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，包括測(cè)量各軸的零點(diǎn)偏移、各軸的橫軸補(bǔ)償量。綜合各個(gè)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，完成零點(diǎn)偏移和橫軸補(bǔ)償量計(jì)算。實(shí)際運(yùn)用中，舵面傾角測(cè)量單元安裝在平臺(tái)上時(shí)不可能保持XY軸與平臺(tái)完全平行，Z軸與平臺(tái)完全垂直，所以在進(jìn)行測(cè)量前必須取得平臺(tái)水平放置時(shí)舵面傾角測(cè)量單元的輸出值，將其設(shè)為初始值保存于FLASH中。

在傾斜角計(jì)算程序中，首先讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行零點(diǎn)偏移補(bǔ)償和橫軸補(bǔ)償，丟棄嚴(yán)重受干擾的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，再判斷傾斜角度大小。當(dāng)角度較小時(shí)，利用兩軸數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)角度過(guò)大時(shí)運(yùn)用三軸數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

主程序中，通過(guò)定時(shí)器中斷、舵面傾角測(cè)量單元緩存器中斷，讀寫(xiě)舵面傾角測(cè)量單元數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。對(duì)數(shù)據(jù)采集前端的信號(hào)采用零點(diǎn)偏移補(bǔ)償、橫軸補(bǔ)償，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的精度。通過(guò)串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI接口)實(shí)現(xiàn)傳感器與微控制器間的通信，以控制數(shù)據(jù)采集前端信號(hào)的讀取速度。

軟件以控制中心計(jì)算機(jī)硬件為載體，數(shù)據(jù)采集前端信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理器處理后輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行解算，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論要求數(shù)據(jù)對(duì)比，計(jì)算出最終結(jié)果。若滿足要求則將試驗(yàn)結(jié)果形成數(shù)據(jù)表單，由打印機(jī)輸出；若不滿足要求，控制中心人員通知調(diào)試人員進(jìn)行飛機(jī)系統(tǒng)調(diào)試，直到滿足要求為止。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)以上分析可知，某型機(jī)新型舵面偏角測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飛機(jī)各舵面的測(cè)量，并能實(shí)現(xiàn)圖形顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，系統(tǒng)測(cè)量方法滿足測(cè)試要求。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝和管理。這種自動(dòng)化舵面偏角測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可大大節(jié)省人力、提高生產(chǎn)效率、縮短生產(chǎn)周期。

[1] 楊兆軍.通用飛機(jī)舵面偏轉(zhuǎn)角測(cè)量工具設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2015,28(3):139-140.

[2] 程凌頻.基于傾角傳感器的舵面偏轉(zhuǎn)角度測(cè)量方法[J].信息與電腦(理論版),2015(13)：25-26.

[3] 鄭士芳,袁穎.MES中前端數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2011,24(7):75-76.

[4] 張起朋,李醒飛,譚文斌,等.雙軸傾角傳感器姿態(tài)角測(cè)量的建模與標(biāo)定[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2016,35(7):1096-1101.

[5] 彭善瓊.智能信號(hào)調(diào)理器的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息, 2004，20(11):110-111.

[責(zé)任編輯、校對(duì)：李 琳]

Design of Aircraft Manipulator Rudder Angle Measurement System

XIAOShen-yu

(Naval Equipment Department,Xi′an 710089,China)

A new type of automatic measuring system for rudder angle is proposed to deal with the shortcomings of the traditional rudder surface measurement method.By analyzing the working principle and layout of each component of the measurement system,the design and detailed realization scheme of the whole measurement system are demonstrated,which shows that the new rudder angle deviation measuring system can save manpower,improve the production efficiency and shorten the production cycle.

rudder surface measurement;measurement system;data acquisition

2017-03-03

肖砷宇(1987-)，男，陜西西安人，助理工程師，主要從事飛機(jī)操縱系統(tǒng)研究。

V241.02

A

1008-9233(2017)03-0030-03