張沛奇，劉博鋒，崔明琦，胡錚，王青

(1.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；2.西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089)

現(xiàn)代飛機(jī)制造主要采用模塊化裝配技術(shù)[1]，全機(jī)各部件在部裝生產(chǎn)線完成模塊化制造與設(shè)備安裝測試[2]，最后在總裝脈動生產(chǎn)線上完成大部件對接形成整機(jī)[3].對大型飛機(jī)而言，活動翼面種類與數(shù)量多、外形精度要求高、涉及的控制協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)多、制造調(diào)試工作量大、安裝調(diào)試流程復(fù)雜[4]，對其偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測是機(jī)翼部裝模塊化裝配的一個重要測試環(huán)節(jié).某重點(diǎn)機(jī)型活動翼面舵面種類數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)翼面偏轉(zhuǎn)角度檢測方法傳感器設(shè)備安裝工作繁瑣、所需機(jī)械夾具種類多尺寸大、工人操作耗時(shí)費(fèi)力.隨著對各類高性能飛行器需求的不斷增長，飛機(jī)制造企業(yè)的制造任務(wù)提升，生產(chǎn)線需要準(zhǔn)確、快速且能夠?qū)崟r(shí)反映生產(chǎn)制造過程的活動翼面自動化檢測操作系統(tǒng)來提升生產(chǎn)線效率并最終提高飛機(jī)產(chǎn)量.

目前常用的活動翼面空間偏轉(zhuǎn)角度檢測方法包括慣性測量法[5]、激光跟蹤儀檢測[6]、視覺檢測[7]、三坐標(biāo)檢測[8]、多經(jīng)緯儀檢測[9]、線位移或角位移傳感器間接檢測[10]、機(jī)械式量角器等[11]，方法多樣但都存在一定的缺點(diǎn)，因此也有不少研究將上述方法結(jié)合起來使用以提高測量的準(zhǔn)確性及適用性[12-13].基于傾角傳感器的慣性測量方法相對而言便攜性好、測量精度與效率可以滿足實(shí)際需求，因此最終選擇基于該方法來進(jìn)行活動翼面偏轉(zhuǎn)測試.

本研究通過分析傾角傳感器底層測量原理，考慮傳感器系統(tǒng)誤差、操作安裝誤差，參考已有的空間角度誤差分析模型，改進(jìn)適用于活動翼面繞水平軸偏轉(zhuǎn)情景的空間角度雙軸測量誤差模型，并針對工況改進(jìn)校準(zhǔn)方法；以無線傳輸作為通信方式，搭建一整套活動翼面偏轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)，可以做到以數(shù)據(jù)、曲線、三維模型等可視化方式實(shí)時(shí)展示機(jī)翼活動翼面角度信息，偏轉(zhuǎn)角度測量精度小于0.05°，采集頻率高于10 Hz，可以滿足實(shí)際測量需求.

1 空間角度測量模型及誤差分析

1.1 基于微慣性系統(tǒng)的傾角傳感器檢測原理

慣性測量多采用高精度傾角傳感器檢測角度.傾角傳感器基于微機(jī)電系統(tǒng)，通常包含1個基座襯底、3個高精度陀螺儀和3個高精度加速度計(jì).如圖1所示，此類微機(jī)電系統(tǒng)的本質(zhì)是一個完整的微慣性系統(tǒng)，微加速度計(jì)安放在襯底上作為重力傾角敏感器件，微陀螺儀用于檢測角速度.重力傾角敏感器件的原理有多種，如電容、壓電、電阻、熱電偶、諧振等[14].傳感器在測量角度時(shí)，敏感器件的敏感軸與重力鉛垂線成一角度，在靜止?fàn)顟B(tài)下3個輸出軸上的加速度大小分別為重力加速度在其各自軸向的分量，通過檢測該分量即可解算得到待測角度[15].

圖1 微慣性測量系統(tǒng)Fig.1 Micro inertial measurement system

如圖2所示為基于電容原理的重力方向敏感器件示意圖.圖中，UL和UR分別為擺錘的左極板、右極板與對應(yīng)電極間的電壓，α為傾角，g為重力加速度.地球重力在相應(yīng)擺錘上的重力分量隨敏感單元傾斜而不同.UL和UR為關(guān)于傾角的函數(shù)，通過對電壓信號的放大、濾波、轉(zhuǎn)換即可得到待測傾角：

圖2 基于電容原理的重力加速度敏感器件示意圖Fig.2 Schematic diagram of gravity acceleration sensing device based on capacitance principle

如圖3所示為3軸加速度計(jì)沿軸向檢測重力加速度分量的示意圖，各軸重力加速度分量與重力加速度之間的關(guān)系如下：

圖3 微加速度計(jì)測量三軸傾角Fig.3 Measurement of three axis inclination angle with micro accelerometer

由于傾角傳感器原理的限制，為了提高測量精度，在傳統(tǒng)測試時(shí)對其安裝準(zhǔn)確性要求高.當(dāng)敏感軸與活動翼面轉(zhuǎn)軸嚴(yán)格垂直時(shí)將得到最好的輸出結(jié)果，相應(yīng)的設(shè)備安裝、調(diào)試難度較大，要求機(jī)翼上有劃線之類的標(biāo)識進(jìn)行定位或?qū)Ｓ霉ぱb夾具配合，對于大型翼面而言測試?yán)щy，操作麻煩，并且存在一定意外損傷翼面的風(fēng)險(xiǎn).

1.2 空間角度測量建模

根據(jù)活動翼面偏轉(zhuǎn)測試實(shí)際工況需求以及過往對于單軸、雙軸、三軸測量的研究，最符合本項(xiàng)目實(shí)際需求的是雙軸測量.本研究得出單軸測量的完整誤差模型，對該誤差模型進(jìn)行分析并根據(jù)其結(jié)果合理簡化雙軸測量模型并給出實(shí)用的安裝誤差校準(zhǔn)方法.

1.2.1 單測量軸空間旋轉(zhuǎn)模型 對于單軸傾角傳感器而言，誤差情形較簡單.在考慮初始誤差的情況下得到實(shí)際的誤差模型，根據(jù)誤差參數(shù)項(xiàng)在模型中的作用針對性地提出校準(zhǔn)方法.

如圖4所示為常規(guī)安裝狀態(tài)下單軸傾角傳感器的空間旋轉(zhuǎn)角度測量原理示意圖[16].以X軸為水平軸，實(shí)際轉(zhuǎn)軸S與水平面交于點(diǎn)O，并與水平面成夾角為 α，旋轉(zhuǎn)軸S與傾角傳感器的測量軸OL夾角記為 β.根據(jù)右手定則建立新的右手笛卡爾直角坐標(biāo)系Ouvw，代表原OXYZ坐標(biāo)系繞著OY軸逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn) α 角度的結(jié)果.根據(jù)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換理論，可知該過程對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣如下：

圖4 單軸傾角傳感器空間測量模型Fig.4 Spatial measurement model of single axis inclination sensor

在OXYZ坐標(biāo)系下，取OZ軸的單位向量Z=[0,0,1]，該向量繞Y軸旋轉(zhuǎn)后，得到在Ouvw坐標(biāo)系下的坐標(biāo)與原點(diǎn)O之間連線構(gòu)成的向量：

同理可得，旋轉(zhuǎn)軸S在Ouvw坐標(biāo)系下的單位向量即Ou軸單位向量，設(shè)為

測量軸OL在Ouvw坐標(biāo)系下的單位向量為

當(dāng)測量軸OL繞著實(shí)際轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)至OL′時(shí)，記轉(zhuǎn)過的相對角度為 θ，其旋轉(zhuǎn)矩陣如下：

測量軸OL′的單位向量在Ouvw坐標(biāo)系下可記為

由傾角傳感器的測量原理可知，測量軸OL′與水平面之間的夾角之正弦值即為傳感器的相對角度輸出，該角度與測量軸OL′

與OZ軸的夾角γ′互余.其余弦如下：

同理L、Z′代表測量軸起始位置時(shí)傳感器的輸出，其夾角余弦如下：

得到傳感器輸出軸的表達(dá)式為

由式(11)、(12)可知，傳感器的輸出信號中包含前述2個安裝誤差 α 和 β 這2個未知量.對于現(xiàn)實(shí)情況而言，內(nèi)部誤差 β 無法絕對消除，但是該誤差值始終固定，因此可通過高精度標(biāo)定求得[17]，從而將其作為已知參數(shù)對傳感器進(jìn)行設(shè)置；外部安裝誤差 α 與每一次的具體使用狀況相關(guān)，理論上在每次重新安裝傳感器后都須對其進(jìn)行求解，而后根據(jù)求得的值對輸出角度進(jìn)行校準(zhǔn).

1.2.2 雙測量軸空間旋轉(zhuǎn)模型推導(dǎo)與改進(jìn) 對于雙測量軸傳感器，如果采用與單軸傳感器類似的建模方法，初始時(shí)將存在4個誤差參數(shù)，不利于后續(xù)的分析.因此，本研究建模首先得到理想情況下無誤差情形的雙軸角度測量模型，然后將初始外部安裝誤差逐步考慮在內(nèi)，對理想模型進(jìn)行調(diào)整直至符合實(shí)際情況，得到求解模型，最后同樣根據(jù)誤差參數(shù)項(xiàng)在模型中的作用針對性地提出校準(zhǔn)方法.

1）雙測量軸空間旋轉(zhuǎn)模型推導(dǎo).

如圖5所示為雙軸傾角傳感器空間旋轉(zhuǎn)角度測量軸示意圖，為2個測量軸組成一個水平面.如圖6所示為無誤差情形下發(fā)生水平傾斜時(shí)2個軸與初始狀態(tài)對比的角度示意圖.對于雙軸傳感器而言，x軸和y軸為測量軸，雙軸與水平面的實(shí)際傾角為 α 和 β.

圖5 雙軸傳感器水平測量軸示意圖Fig.5 Schematic diagram of horizontal measurement axis of dual axis sensor

根據(jù)如圖6所示的幾何關(guān)系，得到

由圖可知 α+γ=90°、β +δ=90°，式(13)、(14)可以改寫為

式(15)、(16)只是粗略給出了角度的加速度檢測原理而不是坐標(biāo)表示，將傳感器在實(shí)際空間中隨活動翼面旋轉(zhuǎn)的過程納入考慮后對上述原始角度的坐標(biāo)表達(dá)進(jìn)行理論分析建模如下[18].

如圖7所示為雙軸空間傾角測量模型示意圖，按照前文假設(shè)，傾角傳感器的2個敏感軸已經(jīng)嚴(yán)格垂直，只須考慮與理想軸不平行這個誤差因素.由于傳感器測量目標(biāo)角度是空間相對轉(zhuǎn)角，與具體安裝位置無關(guān)，假設(shè)傳感器初始零位在水平面上的點(diǎn)o，其在空間的旋轉(zhuǎn)中心為O.傳感器坐標(biāo)系為oxyz.OXYZ坐標(biāo)系則作為世界坐標(biāo)系.假設(shè)傳感器由初始位置o沿著空間弧線擺動到位置，對應(yīng)的平面坐標(biāo)系oxy此時(shí)在處形成坐標(biāo)系.記處為終點(diǎn)角度待測位置，在水平面上過軸與水平面的交點(diǎn)a、過軸與水平面的交點(diǎn)b分別作直線(見圖7中水平面內(nèi)藍(lán)色虛線)與ox軸、oy軸平行，由傾角傳感器的原理可知，此時(shí)ox軸與軸的夾角、oy軸與軸的夾角即為 α 和 β.

圖7 雙軸傾角測量模型Fig.7 Dual axis inclination measurement model

在無誤差模型中將以下各點(diǎn)位置都在世界坐標(biāo)系OXYZ下表示.在測量模型基礎(chǔ)上建立坐標(biāo)系，如圖8所示傾角傳感器由初始位置o沿著空間弧線擺動到位置.在OXYZ坐標(biāo)系下的坐標(biāo)由o(0，0，-R) 轉(zhuǎn)換至(x，y，z).假設(shè)點(diǎn)o先繞著OY軸旋轉(zhuǎn) α 角度至點(diǎn)o′，然后再繞著OX軸旋轉(zhuǎn)β角度至點(diǎn)，其運(yùn)動軌跡為oo′→o′，于是可知空間曲線oo′在平面OXZ內(nèi)，曲線o′在過點(diǎn)o′且與平面OYZ平行的平面內(nèi)，設(shè)該平面與OXZ平面交于直線，如圖8所示.可知圖中所示α 角即為傳感器最終繞水平面oy軸產(chǎn)生的傾角.過點(diǎn)o′作平面OYZ的垂線與OZ軸交于點(diǎn)A，作垂直O(jiān)Z軸交于點(diǎn)C. 由圖中幾何關(guān)系易得Ao′=DC=x，則有

圖8 無誤差情形下雙軸傾角測量坐標(biāo)求解過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of coordinate solution process for dual axis inclination measurement without error

由于擺動過程中傾角傳感器的旋轉(zhuǎn)半徑不變，有

下面討論有誤差情形下的雙軸傾角測量模型.存在誤差說明雙軸傾角傳感器的2個測量軸都與理論水平軸存在一定未知夾角，同樣以空間旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)O為原點(diǎn)，建立新的空間直角坐標(biāo)系OX1Y1Z1，其中Z1軸仍然垂直于水平面，但是X1軸與Y1軸與理論水平軸相比有一定夾角.假設(shè)此時(shí)點(diǎn)o仍然運(yùn)動至點(diǎn)，但是在OX1Y1Z1坐標(biāo)系下，其坐標(biāo)變?yōu)?x1，y1，z1)，如圖9所示.

圖9 存在雙軸誤差的傾角測量Fig.9 Inclination measurement with biaxial error

依據(jù)無誤差模型中已有的如式(17)～(19)所示的結(jié)論，可知有誤差模型下測得的雙軸傾角表達(dá)式為

因旋轉(zhuǎn)半徑不變，同樣有此時(shí)實(shí)際測得的偏角輸出為 α1和β1，根據(jù)式(17)～(22)可知，須找出點(diǎn)(x，y，z) 和(x1，y1，z1) 之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系.由于Z軸和Z1軸重合，可知后者相當(dāng)于前者繞Z軸或Z1軸進(jìn)行了一定的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如圖10所示.前文已假設(shè)雙測量軸之間嚴(yán)格垂直，因此可知OX、OX1軸和OY、OY1之間的夾角一樣，設(shè)其大小為 θ.

圖10 雙軸無誤差模型與有誤差模型之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between biaxial models with and without error

根據(jù)空間坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)理論，可知其旋轉(zhuǎn)矩陣為

將式(17)、(18)、(20)、(21)代入式(25)后化簡可得

式(26)為傳感器測得的實(shí)際輸出和理論偏角之間存在的關(guān)系，進(jìn)一步可以求得

式(27)為適用于繞水平面內(nèi)水平軸偏轉(zhuǎn)的含誤差雙軸傾角傳感器角度求解模型.

在實(shí)際檢測過程中，由于安裝產(chǎn)生了坐標(biāo)系角度誤差 θ，若能求出 θ 具體的值即可根據(jù)式(27)由傾角傳感器的實(shí)際輸出得到所需的理論偏角.雖然 θ 未知，但是一旦傳感器安裝固定后其具體值也就隨之確定，因此 θ 是個常量.對式(27)進(jìn)一步變換，得到

對于式(28)、(29)中的任意一個而言，θ 是固定常量，若通過控制待測系統(tǒng)按一定規(guī)律運(yùn)動使得理論傾角 α (或 β )保持不變，則式中將只有實(shí)測值 α1和 β1、一個已知常量 α (或 β )、一個固定常量 θ.以式(28)為例，通過換元法將其表示為

式中：y=sinα1,x=sinβ1,a=-tanθ,b=sinα/cosθ.顯然根據(jù)一系列實(shí)測值 (x,y) 可以對式(30)進(jìn)行擬合，從而求得a、b，進(jìn)而求出固定常量θ=arctan(-a).之后對于每一個實(shí)測值α1和β1，將其代入式(27)即可獲得理論偏轉(zhuǎn)角 α 和 β.

2）雙測量軸空間旋轉(zhuǎn)模型改進(jìn).

雖然推導(dǎo)了雙軸傾角測量模型并得到了空間偏轉(zhuǎn)角度測量表達(dá)式，然而該誤差模型對實(shí)際情形的簡化較大.如圖10所示將雙軸安裝誤差簡化為傳感器安裝平面繞Z(Z1) 軸旋轉(zhuǎn)，這其實(shí)是默認(rèn)了由2個互相垂直的測量軸組成的測量平面與安裝平面完全重合.在實(shí)際中，傳感器安裝時(shí)往往由于2個表面不平行，2個測量軸都與安裝平面成一定的空間異面關(guān)系，存在該類誤差的雙軸測量情況如圖11所示.可以看出，2個測量軸相當(dāng)于各自繞著水平面上與自身垂直的軸轉(zhuǎn)動了一個微小角度，其中在該示意圖中又以測量軸X受影響更大.由于傳感器測的是轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的相對角度，偏差只要安裝后保持固定則每次都直接疊加在測量軸Y上，通過置零操作或起點(diǎn)與終點(diǎn)角度直接相減運(yùn)算能夠極大消除該方向的影響，但因測量軸X而產(chǎn)生的耦合誤差則不能直接消除.

圖11 實(shí)際的雙軸測量誤差示意圖Fig.11 Schematic diagram of actual biaxial measurement error

為了解決上述問題，在考慮傳感器存在繞垂直軸旋轉(zhuǎn)誤差的基礎(chǔ)上，將與轉(zhuǎn)軸平行的測量軸方向上(在圖11中即為測量軸X)因安裝表面不平行產(chǎn)生的微小誤差也納入考慮，提出改進(jìn)的雙軸測量模型及誤差分析方法.

在如圖8所示的無誤差雙軸空間傾角測量模型上，同樣以空間旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)O為原點(diǎn)，建立如圖12所示的新直角坐標(biāo)系OX2Y2Z2.根據(jù)前文內(nèi)容，須找出點(diǎn)(x，y，z) 和(x2，y2，z2) 之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，即找出坐標(biāo)系OXYZ與坐標(biāo)系OX2Y2Z2的關(guān)系.

圖12 改進(jìn)的雙軸測量誤差模型示意圖Fig.12 Schematic diagram of improved biaxial measurement error model

假設(shè)坐標(biāo)系OX2Y2Z2由坐標(biāo)系OXYZ先后繞Y軸、Z軸分別旋轉(zhuǎn)角度 γ、θ 而得，則有

式中：γ、θ 為固定常量.參考式(17)～(19)，并設(shè)z軸空間角為 ω，將式(33)中的坐標(biāo)使用有誤差情形下的旋轉(zhuǎn)半徑R、實(shí)測輸出偏角α2、β2以及待求理論角度 α 和 β 代入，得到傳感器測得的實(shí)際輸出和理論偏角之間存在的關(guān)系：

在實(shí)際單軸旋轉(zhuǎn)測量中以 β 軸旋轉(zhuǎn)為例，α 與β角均為不變常量.由此在式(34)中，在被測設(shè)備繞定軸 β 旋轉(zhuǎn)時(shí)僅有輸出偏角 α2、β2和轉(zhuǎn)軸實(shí)際角度 β 為變量，即在實(shí)際測量中，測量值 β2的正弦值與實(shí)際值 β 的正弦值成一次函數(shù)關(guān)系，引入的平面安裝誤差 θ 與空間安裝誤差γ 分別作為該一次函數(shù)的常量帶來測量誤差.經(jīng)化簡可得

式(35)、(36)與式(28)、(29)所示的未改進(jìn)前結(jié)果表達(dá)式類似，但原算法只用固定常量 θ 表示安裝平面與測量平面的旋轉(zhuǎn)誤差，改進(jìn)算法在該基礎(chǔ)上增加了一個固定常量 γ 用于表示安裝平面與測量平面的異面不重合誤差. θ、γ 為固定常量，θ所代表的測量平面與安裝平面因人工手動安裝產(chǎn)生的不平行誤差，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般小于5°，而 γ 所代表的測量平面與安裝平面不重合誤差根據(jù)活動翼面工況來講主要受復(fù)合材料翼面本身的不平整度、傳感器安裝時(shí)黏貼膠帶的厚度影響.實(shí)際的翼面外側(cè)為貼膜面可達(dá)近模具精度，現(xiàn)按外形公差約±0.4 mm代入，常用的3M工業(yè)膠布厚度為0.15 mm，傳感器短邊長為30 mm.在雙層膠布黏貼情況下考慮極端情形，兩者疊加導(dǎo)致的最大不平整度誤差為1.1 mm，求得 sinγ≈0.0366 ；α 和β在±60°量程范圍內(nèi)變化，可知 2sinα?sinβsinγ，相差約2個數(shù)量級，由此可以將(35)、(36)分子中的小項(xiàng) sinβsinγ 略去，得到

同理，通過控制獨(dú)立轉(zhuǎn)臺按一定規(guī)律運(yùn)動使得理論傾角 α 保持不變，則式中將只有實(shí)測值α2和 β2、一個已知常量 α、2個固定常量 γ、θ. 以式(37)為例通過換元法將其表示為

2 活動翼面偏轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

現(xiàn)場站位有線測試裝備線纜收放困難，因此采用無線傳輸技術(shù)彌補(bǔ)有線傳輸?shù)牟蛔鉡19].系統(tǒng)整體架構(gòu)包括上位機(jī)軟件、工控設(shè)備(含無線通信及基礎(chǔ)有線模塊)、傳感器等.測試命令從工控機(jī)上位機(jī)軟件中發(fā)出，由WI-FI模塊實(shí)現(xiàn)無線傳輸，傳感器安裝于活動翼面實(shí)時(shí)獲取偏轉(zhuǎn)角度測試數(shù)據(jù)并通過相同路徑用無線方式傳回上位機(jī)軟件.另外保留串口通信處理特殊情況.整體架構(gòu)如圖13所示，系統(tǒng)從下至上分為設(shè)備層、接口層、協(xié)議層、控制層、界面交互層共5部分，最上層可以根據(jù)需要與外部信息集成管理系統(tǒng)對接，進(jìn)一步完成測試數(shù)據(jù)的云端存儲.

圖13 基于無線傾角傳感器的活動翼面測試系統(tǒng)整體架構(gòu)圖Fig.13 Overall architecture diagram of movable wing test system based on wireless inclination sensors

根據(jù)實(shí)際站位現(xiàn)場生產(chǎn)需求，該活動翼面偏轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)采用傳感器精度為0.05°，系統(tǒng)通信通道為無線單通道，通訊協(xié)議為TCP/IP，傳輸角度信息速率為10 Hz，測試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸并以表格、曲線圖、三維模型3種形式實(shí)時(shí)展示活動翼面位姿.

2.2 硬件系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)際需求，現(xiàn)場物理系統(tǒng)組成及實(shí)物圖如圖14所示.該系統(tǒng)主要包括作為上位機(jī)的工控機(jī)、工業(yè)級路由器、用于串口通信的集線器以及下位傳感器.

圖14 活動翼面偏轉(zhuǎn)測試物理系統(tǒng)及無線組網(wǎng)圖Fig.14 Physical system and wireless network diagram of movable wing deflection test system

2.3 軟件系統(tǒng)

活動翼面偏轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)軟件功能框架如圖15所示，軟件主界面如圖16所示.

圖15 活動翼面偏轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)軟件功能框架圖Fig.15 Software functional framework diagram of movable wing deflection test system

圖16 軟件主界面圖Fig.16 Software main interface diagram

3 現(xiàn)場測試及結(jié)果

3.1 算法驗(yàn)證

使用的傳感器是基于三軸加速度計(jì)的傳感器，但使用場景中只有單軸空間旋轉(zhuǎn)，因此在使用時(shí)根據(jù)實(shí)際需求，無意義軸不輸出，只須對X軸、Y軸進(jìn)行校準(zhǔn)即可.

校準(zhǔn)方法如1.2.2節(jié)所述，在轉(zhuǎn)臺控制單軸獨(dú)立的情況下，即可對另一個軸進(jìn)行高精度校準(zhǔn).用于校準(zhǔn)試驗(yàn)的三軸獨(dú)立控制高精度轉(zhuǎn)臺來自中國航空工業(yè)集團(tuán)有限公司北京精密機(jī)械研究所，分辨率為±0.000 2°，轉(zhuǎn)臺及傳感器安裝如圖17所示，校準(zhǔn)測試實(shí)驗(yàn)如圖18所示.圖中，右側(cè)為轉(zhuǎn)臺控制臺，外框代表Z軸保持不變，中框用于控制X軸基準(zhǔn)(輔助軸)，內(nèi)框用于設(shè)置Y軸理論基準(zhǔn)角度從而對Y軸(主測量軸)輸出進(jìn)行校準(zhǔn).采用2個傳感器分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此時(shí)零漂、刻度因數(shù)誤差已不再考慮，因此理論角度數(shù)據(jù)為0°時(shí)實(shí)測輸出數(shù)據(jù)可設(shè)置為0°.只對安裝誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得的數(shù)據(jù)如表1～3所示，表中，β 為轉(zhuǎn)臺內(nèi)框角度，Y0為Y軸原始輸出，Y1為Y軸校準(zhǔn)輸出，E0為修正前誤差，E1為修正后誤差.可以看出，經(jīng)過校準(zhǔn)的傳感器角度絕對輸出精度普遍提升了一個數(shù)量級，滿足絕大多數(shù)情況下的測試需求.

表2 中框角度30°時(shí)傳感器測量軸校準(zhǔn)前后角度數(shù)據(jù)Tab.2 Angle data before and after sensor measurement axis calibration with center frame angle of 30 ° (°)

表3 中框角度60°時(shí)傳感器測量軸校準(zhǔn)前后角度數(shù)據(jù)Tab.3 Angle data before and after sensor measurement axis calibration with center frame angle of 60 ° (°)

圖17 三軸獨(dú)立控制的精密轉(zhuǎn)臺及傳感器膠黏安裝圖Fig.17 Installation drawing of three-axis independently controlled precision turntable and sensor adhesive

圖18 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Fig.18 Calibration experiment site

3.2 現(xiàn)場測試

完整系統(tǒng)已經(jīng)部署到廠區(qū)，通過現(xiàn)場測試證明有效.系統(tǒng)實(shí)物圖如圖19所示，系統(tǒng)主界面能夠?qū)崟r(shí)顯示傳感器讀數(shù)，并能通過圖線和三維模型實(shí)時(shí)表示活動翼面轉(zhuǎn)動位姿.某次上機(jī)測試的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表4所示，該表中數(shù)據(jù)均為校準(zhǔn)后實(shí)際測量值，已將機(jī)型、架次號信息隱去，傳感器編號地址為#8.將測試日期隱去只留下測試時(shí)間說明測試頻率；X和Y分別表示傳感器X軸和Y軸測量數(shù)據(jù)，測試中Y軸為測量軸；U表示測試電壓，反映傳感器剩余電量狀況；S表示測試信號強(qiáng)度，反映傳感器無線信號強(qiáng)度.

表4 活動翼面偏轉(zhuǎn)測試部分結(jié)果表Tab.4 Part of result table for moving wing deflection test

圖19 活動翼面偏轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.19 Physical diagram of movable wing surface deflection testing system

4 結(jié)論

（1）提出適用于活動翼面繞水平軸偏轉(zhuǎn)情景下的雙軸測量誤差模型，在考慮機(jī)翼活動翼面偏轉(zhuǎn)實(shí)際工況的情況下，引入新的誤差變量來改進(jìn)校準(zhǔn)算法，使得傳感器校準(zhǔn)算法可以適應(yīng)安裝表面不平行的特殊工況.經(jīng)過校準(zhǔn)的傳感器角度輸出精度得到提升，誤差在允許范圍內(nèi)，滿足機(jī)翼活動翼面角度的高精度測試需求.

（2）完成一套基于無線通訊協(xié)議的大飛機(jī)機(jī)翼活動翼面偏轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證其可以達(dá)到任務(wù)目標(biāo).較以往系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)硬件安裝不需要連接有線通訊線纜，操作簡單，可以通過軟件控制自動完成校準(zhǔn)工作，且在無線網(wǎng)絡(luò)下數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性也可以得到保證，能夠顯著提升現(xiàn)場活動翼面偏轉(zhuǎn)測試的工作效率.

（3）本研究對空間角度的測量模型分析只考慮了安裝誤差，實(shí)際上各類誤差之間也存在耦合，后續(xù)研究中可以嘗試對系統(tǒng)各類誤差進(jìn)行整體識別，來提高校準(zhǔn)模型的測量精度.