一種航空飛行器翼面檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董 巍，李 麗，吳 曦

（海參指保大隊(duì)航空管制室，北京?100841）

對飛機(jī)進(jìn)行飛行性能試驗(yàn)是研究和改進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和研制新型飛機(jī)時最直接、最有效的一種試驗(yàn)方式。為了能準(zhǔn)確地給出飛行性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要對飛機(jī)的方向舵和升降舵等各類轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)角傳感器進(jìn)行標(biāo)定[1]。而飛控系統(tǒng)的操作偏差直接影響著飛機(jī)舵面性能，從而影響飛機(jī)飛行，存在飛行安全隱患。為了減小這些因素對飛行的影響，飛機(jī)舵面的性能評估成為了飛機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量檢測的主要項(xiàng)目之一。

本文從舵面性能需求出發(fā)，研制了一套自動檢測裝置。該檢測裝置要求一方面能夠方便地安裝到翼面和舵面上，配合舵面和翼面的自檢系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時控制與顯示舵面偏轉(zhuǎn)角度，同時進(jìn)行存儲；另一方面，檢測裝置需要根據(jù)實(shí)時輸出的三維坐標(biāo)值計(jì)算出當(dāng)前偏轉(zhuǎn)角的測量值，并和控制偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行對比，分析當(dāng)前舵面和翼面偏轉(zhuǎn)控制性能是否處于正常范圍之內(nèi)。

1??舵面測量裝置總體結(jié)構(gòu)

為了滿足舵面測量的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文通過對舵面性能進(jìn)行研究，研制了一套自動檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由測量模塊、標(biāo)定相機(jī)及相應(yīng)的工控機(jī)3部分組成。

1.1??舵面測量裝置設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文研制了一套飛機(jī)舵面的檢測設(shè)備，滿足飛機(jī)舵面偏轉(zhuǎn)角的測量要求，具有高測量精度、高自動化、高可靠性、通用性等特點(diǎn)。

1.1.1??高測量精度

舵面測量通常采用弦長法或者重錘法[2]。其中，弦長法的校準(zhǔn)過程繁雜，定位基準(zhǔn)誤差較大，校準(zhǔn)精度較低，并且工作人員要長時間在高空中作業(yè)，很不安全；重錘法的校準(zhǔn)過程也較繁雜，校準(zhǔn)精度也不高，同樣也要在高空中作業(yè)，也不安全。因此，本文采用光學(xué)測量系統(tǒng)方案，進(jìn)行坐標(biāo)的空間測量，得到兩點(diǎn)之間的偏角。該方法輸出精度高，且不需要現(xiàn)場校準(zhǔn)。

1.1.2??高自動化

在夾具安裝到舵面上以后，只需要控制舵面運(yùn)動，則裝置能夠?qū)崟r輸出當(dāng)前的偏轉(zhuǎn)角，不需要等待系統(tǒng)穩(wěn)定，只需要測角輸出數(shù)據(jù)和舵面控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)在采樣時刻上進(jìn)行對齊即可[3]。這樣，能夠大大降低人為判斷數(shù)據(jù)采集時刻引入誤差的風(fēng)險，自動化程度更高。

1.1.3??高可靠性

工業(yè)相機(jī)具備寬溫性能，長時間存放時，只需要保護(hù)好相機(jī)，不會影響安裝精度。

1.1.4??通用性

電氣系統(tǒng)和機(jī)械部分都采用模塊化的設(shè)計(jì)，采用一種夾具完成所有舵面的測量。

經(jīng)過多次的試驗(yàn)，證明本文研制的舵面檢測裝置可以很好地滿足以上4點(diǎn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，使舵面檢測方便快捷且精度高。

1.2??偏角測量總體結(jié)構(gòu)

偏角測量系統(tǒng)由輔標(biāo)裝置、光學(xué)測量系統(tǒng)和終端控制單元構(gòu)成，如圖1所示。

輔標(biāo)裝置為直徑40mm的圓球，光學(xué)系統(tǒng)從任何一個角度檢測其質(zhì)心都是不變的。輔標(biāo)裝置將被夾在翼面上。

光學(xué)測量系統(tǒng)由二維轉(zhuǎn)臺、工業(yè)相機(jī)和激光測距儀組成，可以直接放在地面上，距離標(biāo)志物3～5m。當(dāng)標(biāo)志物處于A0位置時，光學(xué)測量系統(tǒng)實(shí)時提取質(zhì)心，引導(dǎo)轉(zhuǎn)臺進(jìn)行運(yùn)動，當(dāng)標(biāo)志物質(zhì)心處于視場中心位置時，激光測距儀進(jìn)行距離測量，得到A0的坐標(biāo)值。當(dāng)標(biāo)志物隨著舵面偏轉(zhuǎn)的時候，光學(xué)測量系統(tǒng)實(shí)時提取質(zhì)心，引導(dǎo)轉(zhuǎn)臺進(jìn)行運(yùn)動，當(dāng)標(biāo)志物質(zhì)心處于視場中心位置的時候，激光測距儀進(jìn)行距離測量，得到A1的坐標(biāo)值。通過A0和A1的坐標(biāo)值，可以計(jì)算得到A0和A1的轉(zhuǎn)角。

圖1 偏角測量結(jié)構(gòu)圖

終端控制單元[4]由帶顯示的工控機(jī)及其他相應(yīng)部分組成。終端控制單元完成對舵面的實(shí)時控制以及對電氣控制及數(shù)據(jù)測量處理單元的顯示，并將結(jié)果輸出和存儲。

1.3??相機(jī)標(biāo)定

在一些特殊環(huán)境下進(jìn)行三維測量，雙目攝像機(jī)的視野范圍可能不能覆蓋整個測量目標(biāo)的范圍。因此，本文選用多目相機(jī)標(biāo)定[5]，標(biāo)定傾角傳感器和飛機(jī)標(biāo)志的空間坐標(biāo)關(guān)系。通過剛性轉(zhuǎn)換和相似轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行坐標(biāo)系和三維點(diǎn)向量的平移旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多目相機(jī)的標(biāo)定，為下一步的三維測量做好準(zhǔn)備。多目相機(jī)標(biāo)定的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 多目相機(jī)標(biāo)定結(jié)構(gòu)圖

2??舵面檢測原理

舵面檢測的主要內(nèi)容是檢測其轉(zhuǎn)動角度[6]和偏轉(zhuǎn)誤差[7]，其中轉(zhuǎn)動角度可以通過舵面向上和向下運(yùn)動獲得，而舵面偏轉(zhuǎn)誤差則需要對舵面向上、向下偏轉(zhuǎn)進(jìn)行測量得到。

2.1??舵面轉(zhuǎn)動角度測量原理

2.1.1??舵面向上運(yùn)動測量原理

舵面向上運(yùn)動如圖3所示，通過二維轉(zhuǎn)臺能夠得到當(dāng)前俯仰軸的轉(zhuǎn)動角a1和a0，通過激光測距儀得到距離L1、L0。

圖3 舵面向上運(yùn)動原理圖

偏角測量[8]是從A0的，首先得到a0和L0，轉(zhuǎn)動到A1后，得到a1和L1，從而得到偏轉(zhuǎn)角b。如果以上5個變量都是理想狀態(tài)的，在首先得到a0和L0并轉(zhuǎn)動了偏轉(zhuǎn)角b的角度范圍后，可以推導(dǎo)得到a1和L1。

2.1.2??舵面向下運(yùn)動測量原理

舵面向下運(yùn)動原理圖如圖4所示，本文通過二維轉(zhuǎn)臺能夠得到當(dāng)前俯仰軸的轉(zhuǎn)動角a1和a0，通過激光測距儀得到距離L1、L0。

圖4 舵面向下運(yùn)動原理圖

本文的偏角測量是從A0開始的，首先得到a0和L0，轉(zhuǎn)動到A1后，得到a1和L1，從而得到偏轉(zhuǎn)角b。如果以上5個變量都是理想狀態(tài)的，在首先得到a0和L0并轉(zhuǎn)動了偏轉(zhuǎn)角b的角度范圍后，可以推導(dǎo)得到a1和L1。

由圖4可知：

2.2??舵面偏轉(zhuǎn)誤差測量原理

2.2.1??舵面向上偏轉(zhuǎn)誤差測量原理

舵面偏轉(zhuǎn)誤差[9]是根據(jù)變量定義及其范圍進(jìn)行誤差分析。由2.1中的舵面轉(zhuǎn)動角度測量原理可知，L1、L0、a1和a0均為測量所得。

針對偏轉(zhuǎn)角b的測角公式（6）進(jìn)行分析，為了分析方便，假設(shè)：

假定二維轉(zhuǎn)臺的測角誤差和激光測距儀的測距誤差分別為ΔL和Δa，則偏轉(zhuǎn)角b的估計(jì)誤差為：

2.2.2??舵面向下偏轉(zhuǎn)誤差測量原理

針對偏轉(zhuǎn)角b的測角公式（15）進(jìn)行分析，為了分析方便，假設(shè)：

假定二維轉(zhuǎn)臺的測角誤差和激光測距儀的測距誤差分別為ΔL和Δa，則偏轉(zhuǎn)角b的估計(jì)誤差為：

3??仿真試驗(yàn)結(jié)果

舵面處于初始水平位置時，翼面離地面高度最低大于1000mm，將二維轉(zhuǎn)臺放置于標(biāo)志物延伸方向外300mm以內(nèi)。為了保證精度，標(biāo)志物離舵面旋轉(zhuǎn)軸的距離不低于300mm，因此需要將安裝標(biāo)志物的部分加裝150mm延長桿。已知數(shù)據(jù)范圍如表1所示。

表1 已知數(shù)據(jù)范圍

舵面向上偏轉(zhuǎn)仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 舵面向上偏轉(zhuǎn)仿真結(jié)果

舵面向下偏轉(zhuǎn)的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 舵面向下偏轉(zhuǎn)仿真結(jié)果

由圖5和圖6可知，本文研制的舵面檢測裝置可以滿足舵面檢測的各類技術(shù)要求。

4??總結(jié)

本文通過對舵面偏轉(zhuǎn)角度及偏轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行了研究，研制了一套舵面檢測裝置。分析了該裝置結(jié)構(gòu)和原理，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)。由仿真試驗(yàn)結(jié)果可知，該裝置能夠高效方便且高精度地對舵面偏轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行測量，提高了舵面性能檢測[10]的質(zhì)量。