任會麗/凌云科技集團有限責(zé)任公司

0 引言

飛機裝配時，慣導(dǎo)托架、左右速率陀螺成品托架等的水平和軸線校準(zhǔn)都要求有很高的精度。目前的校準(zhǔn)是通過測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡（CZW）、校準(zhǔn)靶板或光學(xué)象限儀來測試托架的傾斜度，從而判斷哪些支撐點需要抬高而添加墊片，但該方法無法測算出各個支撐點應(yīng)抬升的具體高度。另外，由于機載托架在水平和軸線方向具有很強的耦合性，調(diào)整任一方向都會影響另一個方向的調(diào)平精度[1]，工作者需要反復(fù)添加墊片、測試數(shù)據(jù)，直到托架在水平和軸線方向的傾斜誤差都達(dá)到某個范圍內(nèi)為止。這種校準(zhǔn)方法不僅精度較低且耗時、費力，為了解決這些問題，有必要設(shè)計一種高精度、高效率并且操作簡單的成品托架水平和軸線校準(zhǔn)系統(tǒng)。

機載托架都是剛性的四點支撐平臺托架[1-3]，為了使機載托架各支撐點在調(diào)平過程中只做單向運動，本文運用調(diào)平精度較高的“循環(huán)多次”最高點不動調(diào)平方法[4]，建立高精度機載托架校準(zhǔn)的靜力學(xué)數(shù)學(xué)模型。為了方便工作者的操作和使用，在建立高精度機載托架校準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型后，運用VC 與Matlab 的COM 接口混合編程技術(shù)[5]開發(fā)機載托架自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，包括各個機載托架校準(zhǔn)模塊和可視化人機交互界面的開發(fā)，并對所建立的數(shù)學(xué)模型的可行性和穩(wěn)定性進(jìn)行機上驗證。工作者只需要在該系統(tǒng)的主界面輸入利用工裝夾具測試的數(shù)據(jù)，就可直接得到相應(yīng)機載托架的校準(zhǔn)信息，包括各個支撐點精確的抬升高度和托架平臺在各個方向的實時傾斜度。

1 機載托架自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 機載托架平臺靜力學(xué)建模

對機載托架平臺的動態(tài)調(diào)節(jié)過程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，尋找平臺傾斜角與四個支撐點之間的定量關(guān)系。如圖1 所示，假設(shè)OX0Y0為水平坐標(biāo)系，OXY 為平臺所在的坐標(biāo)系，平臺相對于水平面的橫傾斜角（沿X 軸方向）和縱傾斜角（沿Y 軸方向）分別為α、β。由于機載托架平臺各支撐點在OXY 坐標(biāo)系中的坐標(biāo)是已知的，假定為（i，j，k），只要建立兩個坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換矩陣，就可以很方便地求出各支撐點在水平坐標(biāo)系OX0Y0上的坐標(biāo)。

若α≠0、β=0，平臺坐標(biāo)（i，j，k）變換到水平坐標(biāo)系OX0Y0上的坐標(biāo)為（i′，j′，k′），則根據(jù)坐標(biāo)變換，可以得到

若α不變、β≠0，平臺坐標(biāo)（i，j，k）變換到水平坐標(biāo)系OX0Y0上的坐標(biāo)為（i0，j0，k0），則根據(jù)坐標(biāo)變換，可以得到

這樣，由α、β變換之后，初始的平臺坐標(biāo)變換成水平坐標(biāo)系OX0Y0上的坐標(biāo)（i0，j0，k0），將式（1）帶入式（2）得到

圖1 托架平臺傾斜示意圖

實際測得的試驗數(shù)據(jù)中，橫向和縱向傾斜角度都在100′以下，式（3）中，可以認(rèn)為在平臺校準(zhǔn)過程中發(fā)生了微小的角度變化，則cosα=cosβ=1，sinα=α，sinβ=β。于是

同時，托架平臺在水平坐標(biāo)系OX0Y0上的坐標(biāo)（i0，j0，k0）變?yōu)?/p>

1.2 “循環(huán)多次”最高點不動調(diào)平方法

平臺調(diào)平的核心問題是如何使得四個支撐點處于同一高度。傳統(tǒng)最高點不動調(diào)平法能精準(zhǔn)解算出各個支撐點距最高點的位置誤差，理論上運用該算法，對機載托架平臺各個支撐點添加一次墊片就可以使其達(dá)到水平。但實際上，由于機載托架平臺橫向和縱向具有很強的耦合性，加之?dāng)?shù)據(jù)測試時存在誤差等因素，且機載成品托架每個支撐螺釘?shù)膲|片厚度S 為一定值，屬于離散量（S 分別為0.2mm、0.3mm、0.5mm、0.8mm、1mm、1.5mm、2mm、3mm），運用傳統(tǒng)最高點不動調(diào)平法對機載托架進(jìn)行調(diào)平時很難一次完成，需要反復(fù)調(diào)整才能達(dá)到最終的水平狀態(tài)。因此，本文運用“循環(huán)多次”最高點不動調(diào)平方法[4]，具體實現(xiàn)過程如圖2 所示。

為了保證測試的精準(zhǔn)性，在對機載慣導(dǎo)托架進(jìn)行校準(zhǔn)時，不選用受環(huán)境變化影響較大的傳感器來測試傾角值，而是選用傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法所用的可靠性良好的測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡（CZW）、光學(xué)象限儀和校準(zhǔn)靶板來測試托架平臺的傾斜數(shù)據(jù)。為了獲得平臺的傾斜角度，在調(diào)平運算之前先對測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如果橫向或縱向傾斜角度的絕對值大于100′，則終止對慣導(dǎo)托架的調(diào)平，重新拆裝。當(dāng)橫向和縱向傾斜角度絕對值都小于100′時，才對慣導(dǎo)托架進(jìn)行調(diào)平校準(zhǔn)。首先，判斷橫向和縱向的傾斜角度是否在慣導(dǎo)平臺傾斜角誤差δ=3′范圍內(nèi)，由圖1 可知，只有|α|＜δ且|β|＜δ時慣導(dǎo)托架平臺才能達(dá)到水平狀態(tài)，否則應(yīng)利用傾斜角度信息確定平臺的最高點，且該點在調(diào)平過程中應(yīng)保持不動，再利用最高點不動調(diào)平法解算出其他三個支撐點需要抬升的精確高度，添加相應(yīng)厚度的墊片，然后，重新測試數(shù)據(jù)并判斷平臺的傾斜角度，如果不水平則再次進(jìn)行調(diào)平，如此形成循環(huán)多次的調(diào)平方式，直到托架平臺在橫向和縱向的傾斜角度都達(dá)到在傾斜角誤差δ=3′范圍內(nèi)為止。

圖2 “循環(huán)多次”最高點不動調(diào)平方法流程圖

1.3 運用VC 與Matlab 的COM 接口混合編程技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)

需要在Windows 平臺上完成機載托架自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計，且該系統(tǒng)應(yīng)具備實時處理大量矩陣的能力。

采用一般的高級語言（如VC++）開發(fā)測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將花費大量時間處理矩陣運算，增加了軟件開發(fā)的勞動量，大大延長了開發(fā)周期，可能影響程序的執(zhí)行效率與運行速度。

Matlab 有較強的處理矩陣運算的能力，但其只是一種解釋性語言，執(zhí)行效率低，且局限于Matlab 運行環(huán)境，也不利于軟件開發(fā)。

機載托架自動校準(zhǔn)系統(tǒng)不僅需要處理復(fù)雜的機載托架校準(zhǔn)算法，還需要建立應(yīng)用程序界面，因此很難采用VC++或Matlab 任何一個軟件獨立實現(xiàn)。因此，決定采用基于COM 接口的VC 與Matlab 混合編程技術(shù)來設(shè)計和開發(fā)機載托架自動校準(zhǔn)系統(tǒng)。COM 是一種通用的對象接口，是以組件為發(fā)布單元的對象模型，遵循這種接口標(biāo)準(zhǔn)要求的任何語言都可以實現(xiàn)對它的跨應(yīng)用平臺調(diào)用。VC++6.0 環(huán)境下的MFC 技術(shù)是對龐大的標(biāo)準(zhǔn)Win32 API 函數(shù)的封裝[5]，提供了圖形環(huán)境下應(yīng)用程序的框架及創(chuàng)建應(yīng)用程序的組件。通過采用VC++來開發(fā)應(yīng)用程序的界面、采用Matlab 來實現(xiàn)應(yīng)用程序的功能，就可以充分發(fā)揮他們各自的優(yōu)勢，縮短軟件開發(fā)周期，降低軟件開發(fā)難度和復(fù)雜度，提高軟件開發(fā)效率。

運用VC 與Matlab 的COM 接口混合編程技術(shù)[6]開發(fā)軟件的實現(xiàn)過程如下。

1）按照設(shè)計思想及設(shè)計原則，在Matlab 編輯器里編輯處理平臺調(diào)平算法的程序，m文件必為函數(shù)文件，而非腳本文件。

2）利用Matlab 的comtool 工具創(chuàng)建COM 文件。

3）將封裝COM 形成的相關(guān)文件拷貝至平臺自動校準(zhǔn)系統(tǒng)工程目錄下，并添加至工程中。

4）編制COM 接口程序，使Matlab與VC++之間可無縫傳遞數(shù)據(jù)。

5）在VC++6.0 環(huán) 境 下 用MFC 技術(shù)設(shè)計人機交互界面，并調(diào)用相關(guān)函數(shù)，完成其他相關(guān)功能。

混合編程具體過程見圖3。

1.4 機載托架自動校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件設(shè)計

機載托架自動校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件要求能夠方便地進(jìn)行系統(tǒng)程序的開發(fā)、測試、運行和維護(hù)，并能很好地進(jìn)行系統(tǒng)管理，具有友好的人機模塊，操作簡單、信息齊全。機載托架自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計如圖4 所示，系統(tǒng)可分為COM組件（Component 工程文件）和用戶界面（WND 工程文件）兩大部分。托架傾斜角度解算、慣導(dǎo)托架校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型解算、左速率陀螺成品托架校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型解算、右速率陀螺成品托架校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型解算、加速度計成品托架校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型解算等數(shù)據(jù)的處理都封裝在COM組件中，用戶界面主要負(fù)責(zé)機載托架傾斜信息的輸入和解算結(jié)果的實時顯示，用戶界面和COM 組件之間的數(shù)據(jù)交互主要是通過MFC中的文檔視圖來實現(xiàn)。

圖3 混合編程實現(xiàn)過程

圖4 機載托架自動校準(zhǔn)系統(tǒng)測試儀的軟件結(jié)構(gòu)

機載托架自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的界面如圖5 所示。只需在系統(tǒng)主界面上輸入測微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡（CZW）和光學(xué)象限儀測試的橫滾、方位、俯仰方向的數(shù)據(jù)，點擊需要校準(zhǔn)托架的“按鈕”，就能直接得到所校準(zhǔn)托架各個支撐螺釘需要添加墊片的精準(zhǔn)高度和托架平臺各方向的安裝誤差。首先，判斷各個方向的安裝誤差是否在校準(zhǔn)精度0.87mrad（即3’）范圍內(nèi)，如果橫滾、方位、俯仰三個方向的數(shù)據(jù)分別在誤差范圍內(nèi)，則記錄校準(zhǔn)精度，結(jié)束校準(zhǔn)過程；如果校準(zhǔn)精度不在誤差范圍內(nèi)，則按界面顯示的各支撐點需要增高的數(shù)據(jù)，取相近的墊片為各個支撐點添加墊片，然后再用CZW 和光學(xué)象限儀測試橫滾、方位、俯仰方向的數(shù)據(jù)并輸入到界面，再次點擊需要校準(zhǔn)托架的“按鈕”，判斷各個方向的安裝誤差是否在誤差范圍內(nèi)，如此循環(huán)直到將機載托架平臺調(diào)平（各個方向在誤差范圍內(nèi)）為止。

2 試驗驗證與結(jié)果分析

選擇兩架同型號、同批次的飛機作為試驗對象，利用傳統(tǒng)的機載托架校準(zhǔn)方法對一架飛機的慣導(dǎo)托架進(jìn)行調(diào)平校準(zhǔn)，采用新設(shè)計的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)對另一架飛機的慣導(dǎo)托架進(jìn)行校準(zhǔn)，直到托架平臺各方向的安裝誤差都在校準(zhǔn)精度0.87mrad（即3’）范圍內(nèi)為止，記錄各個方向的安裝誤差和拆卸托架添加墊片的次數(shù)，對兩個慣導(dǎo)托架平臺進(jìn)行上述50 組試驗，隨機抽取部分試驗數(shù)據(jù)，具體信息如表1 所示。

由表1 可知，傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法的校準(zhǔn)精度較自動校準(zhǔn)系統(tǒng)低，且添加墊片的次數(shù)比自動校準(zhǔn)系統(tǒng)多。本文提出的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)不僅提高了機載托架平臺調(diào)平的精度，也大大提高了調(diào)平效率。

3 結(jié)論

運用“循環(huán)多次”最高點不動調(diào)平方法建立機載托架靜力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并運用VC 與Matlab 的COM 接口混合編程技術(shù)編制了高精度、穩(wěn)定性較好的系統(tǒng)程序，并設(shè)計了信息齊全、操作簡單的人機交互界面。由試驗結(jié)果可知，本文所設(shè)計的機載托架自動校準(zhǔn)方法無論是在調(diào)平精度還是調(diào)平效率方面都有很大的提高，更適合于飛機裝配時對機載托架的校準(zhǔn)。

圖5 自動校準(zhǔn)系統(tǒng)界面

表1 隨機抽取部分試驗數(shù)據(jù)的對比信息