分布式網(wǎng)絡化動態(tài)測試系統(tǒng)在全機落震試驗中的應用研究

薛云芳，張 飛，楊建波，陳 熠

(中國飛機強度研究所 結(jié)構(gòu)沖擊動力學航空科技重點實驗室，陜西 西安 710065)

1 引 言

飛機起落架落震試驗用于模擬飛機在著陸/著艦過程中的動態(tài)特性，以往針對飛機著陸載荷的分析，通常基于單體起落架的落震試驗結(jié)果分析全機的著陸/著艦特性[1]，數(shù)據(jù)支撐不夠全面和完整。全機落震試驗是驗證艦載機著艦動載荷預測方法和結(jié)構(gòu)/結(jié)構(gòu)動力學設計的唯一可靠方法，所以開展全機落震試驗研究勢在必行。

全機落震試驗旨在考核飛機在各種著艦邊界條件下的強度，通過分析飛機起落架和機身各部件承受的載荷來判斷機體是否產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失效，以此驗證機體的結(jié)構(gòu)完整性。全機落震試驗不僅要驗證艦載機著艦時起落架的沖擊載荷、緩沖性能和越過甲板障礙物等動態(tài)特性，還要考核駕駛員以及飛機上的油箱、電子系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、發(fā)動機、外掛等設備在著艦沖擊環(huán)境下承受的過載是否超過允許值等。在更為嚴酷的沖擊條件下，結(jié)構(gòu)的彈性效應和起落裝置的非線性特性難以通過計算得到準確的結(jié)果，所以基于著艦沖擊試驗的載荷分析在飛機結(jié)構(gòu)設計中起著非常重要的作用。全機落震試驗可以通過控制飛機的著艦姿態(tài)(俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航)考核著艦沖擊載荷和機體各關鍵部位的彈性響應，獲得更準確、更完整的試驗數(shù)據(jù)，從而支撐飛機設計和研制。

全機落震試驗中測量項目多、測點位置分布廣、采集數(shù)據(jù)體量大、測試環(huán)境復雜，早期集中式測試系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)在大型飛機全機動態(tài)試驗的測試需求。本文基于全機落震試驗中這些難點和需求，采用分布式網(wǎng)絡化動態(tài)測試系統(tǒng)，解決了全機落震試驗中測試系統(tǒng)出現(xiàn)的各種問題，滿足試驗測試要求，獲得了準確、可靠的試驗數(shù)據(jù)。

2 全機落震試驗分布式網(wǎng)絡化動態(tài)測試系統(tǒng)組成

所謂分布式網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)是指通過局域網(wǎng)將分布于各個測控點且能獨立完成特定測試功能的測量單元連接起來，達到測量資源共享、協(xié)同工作、集中管理、負載均衡、過程監(jiān)控和設備診斷等目的，具有智能性、動態(tài)性、分布性、實時性、擴展性等優(yōu)點。

在全機落震試驗中，根據(jù)被測試驗件測點繁多、測位復雜、測試數(shù)據(jù)體量大，以及試驗過程中數(shù)據(jù)采集的高同步性、高精度等特點，開發(fā)了一套分布式網(wǎng)絡化的測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)將各測量單元就近分布安置在飛機各個被測量端附近，這種系統(tǒng)布置法減少了測試線纜的數(shù)量，縮短了線纜長度，便于測試系統(tǒng)的維護和排故。網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)各測量單元不僅可以獨立工作，還可以與其他測量單元實現(xiàn)同步觸發(fā)、同步采集和試驗數(shù)據(jù)同步上傳，并且試驗人員可以進行遠程操控，各子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)實現(xiàn)采集設備、監(jiān)控設備、數(shù)據(jù)存儲設備和數(shù)據(jù)處理分析設備之間的數(shù)據(jù)交換。該測試系統(tǒng)主要包含多通道動態(tài)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝像圖像采集分析處理系統(tǒng)、非接觸式全機姿態(tài)紅外三維運動分析系統(tǒng)、分布式全視場實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)，具有高可靠性、高精度、高采樣、高同步、高實時性等優(yōu)點。全機落震試驗分布式網(wǎng)絡化動態(tài)測試系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

2.1 動態(tài)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

動態(tài)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個測試系統(tǒng)的核心測量設備，該套系統(tǒng)主要由動態(tài)數(shù)據(jù)采集器(共10套子系統(tǒng))、交換機、測試計算機，以及數(shù)據(jù)采集、分析軟件等組成，連接示意圖如圖2所示。動態(tài)數(shù)據(jù)采集器根據(jù)各傳感器分布位置，采用分布式在試驗件周圍就近安裝定位，動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各下位機通過IRIG-B-DC高精度同步時鐘完成各通道間的同步采集和同步觸發(fā)，再通過交換機連接至數(shù)據(jù)采集中心(上位機)，通過交換機進行集中數(shù)據(jù)交換，所有參數(shù)設置、試驗數(shù)據(jù)保存均由上位機統(tǒng)一配置和操作。測試完成后，所有動態(tài)數(shù)據(jù)采集器的測試數(shù)據(jù)可以整合為一個數(shù)據(jù)文件，可實時完成試驗數(shù)據(jù)的上傳、分析、再計算和顯示監(jiān)控等。

圖2 動態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)組成示意圖

2.2 非接觸式高速攝像圖像采集分析處理系統(tǒng)

由于試驗環(huán)境會受到強電磁干擾、強振動、大過載、安裝位置受限等因素的影響，為完成落震試驗過程中起落架輪軸中心的位移測量，在被測試驗件上安裝傳統(tǒng)的位移傳感器(拉線、超聲波、激光等傳感器)直接測量的方法均無法滿足試驗測試的要求，因此采用這種非接觸式高速攝像測量的方法進行輪軸中心位移測量。

高速攝像圖像分析處理系統(tǒng)是利用高速視頻影像技術對試驗過程中需要監(jiān)控的對象進行定量分析，主要依據(jù)攝影測量原理，對被測目標點的運動軌跡進行跟蹤、采集、計算和分析。在試驗件的被測點上粘貼mark標，利用專用觸發(fā)模塊完成多個高速相機的同步觸發(fā)和同步采集。再利用圖像分析和處理軟件跟蹤并計算圖像中mark標上任意一點坐標位置繪制被測點的位移變化，得到需要的試驗數(shù)據(jù)。高速攝像采集分析處理系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 高速攝像采集分析處理系統(tǒng)

2.3 非接觸式全機姿態(tài)紅外三維運動分析系統(tǒng)

非接觸式全機姿態(tài)紅外三維運動分析系統(tǒng)主要用于全機落震試驗過程中機體的姿態(tài)監(jiān)控。該三維運動分析系統(tǒng)是利用紅外高速攝像機發(fā)出特定波長的紅外線，經(jīng)過反光標記球反射紅外線，通過TRACKER動作捕捉軟件計算出標記球在空間中的三維坐標數(shù)據(jù)。試驗前將標記球固定在機體的關鍵部位，通過跟蹤標記球得到被測物體各個部位或整個機體的空間位置信息。由于是動態(tài)持續(xù)測量，所以可實時解算得到關鍵部位的速度、加速度、俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航等數(shù)據(jù)。

該測試系統(tǒng)的優(yōu)點是精度高、采集范圍廣、數(shù)據(jù)處理速度快、試驗數(shù)據(jù)能實時輸出。全機總體變形非接觸測量系統(tǒng)組成示意圖如圖4所示。

2.4 分布式全視場實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)

利用多套攝像機組建了一套全視場視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效地對試驗現(xiàn)場和試驗狀態(tài)進行全面掌控，同時還有助于試驗后的分析。落震試驗的整個過程中都需要利用該套系統(tǒng)對試驗全程進行實時監(jiān)控，并進行錄像和保存。該系統(tǒng)能監(jiān)控試驗件的航向、側(cè)向、逆航向關鍵部位以及整機的全景。多套像機通過主控計算機將視頻數(shù)據(jù)上傳至試驗數(shù)據(jù)分析中心以及大屏監(jiān)控中心，現(xiàn)場人員可通過大屏監(jiān)控直接全方位觀察試驗現(xiàn)場畫面。分布式全視場實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 分布式全視場實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)

3 全機落震試驗關鍵測試技術

3.1 數(shù)據(jù)的同步觸發(fā)與同步采集

全機落震試驗要求數(shù)據(jù)采集的同步性，為滿足各測量單元同步采集和同步觸發(fā)， 需要將各測量單元的系統(tǒng)時鐘同步。本測試系統(tǒng)中的網(wǎng)絡核心交換機接收來自GPS時鐘源的時間信號，同時把主控時鐘通過以太網(wǎng)絡傳遞給下一層網(wǎng)絡交換機，從而實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘同步。通過軟件補償校準時鐘偏差和網(wǎng)絡延時，從而控制各測量單元工作在同一時間點上，實現(xiàn)分布式測試系統(tǒng)同步工作。

3.2 動態(tài)應變測量

全機落震試驗中，結(jié)構(gòu)的動態(tài)應變測量不同于準靜態(tài)應變測量，結(jié)構(gòu)件的應變以應變波的形式經(jīng)過試驗件、彈性元件和粘合層快速傳播至應變片，然后轉(zhuǎn)換成電阻參數(shù)的變化量，從而得到試驗過程中試驗件被測點產(chǎn)生的應變。

應變片的動態(tài)測量要求被測信號中的高頻分量不失真，有足夠高的頻率響應。影響應變片頻響最主要的因素就是選擇合適長度(標長為I)的應變片，應變測量的信號是其標長范圍內(nèi)真實應變分布的平均值。標長越短，應變非均勻性造成的測量誤差越小，應變片的頻響越高。通常要求應變片標長I≤(0.05～0.1)λ，此時的測量誤差≤1%，滿足試驗要求。再配以高精度、高采樣率的應變采集系統(tǒng)，可以準確采集微小的脈沖信號，從而進一步提高系統(tǒng)的測量精度。

3.3 大數(shù)據(jù)的傳輸

本試驗采集通道多，采樣率高，試驗過程中采集的數(shù)據(jù)量極為龐大，試驗過程中易發(fā)生電腦死機、網(wǎng)絡癱瘓、程序報錯等風險。應對措施是采用萬兆級交換機，所有測試計算機配備固態(tài)硬盤，規(guī)定各測量單元輸出數(shù)據(jù)格式，合理設置各測量單元的輸出帶寬等。在試驗調(diào)試階段開展了模擬試驗，在試驗件靜態(tài)情況下，各測量單元進行空采，根據(jù)采集數(shù)據(jù)量的大小摸清了測試電腦的能力，確保不在試驗過程中發(fā)生意外。

3.4 數(shù)據(jù)的處理和分析

利用LabVIEW虛擬儀器編程軟件開發(fā)了全機落震試驗數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示試驗監(jiān)控數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果，便于試驗操作人員實時判斷試驗數(shù)據(jù)的有效性，對試驗數(shù)據(jù)進行實時分析，及時發(fā)現(xiàn)和排查試驗測試系統(tǒng)的異?，F(xiàn)象和故障點。程序界面顯示如圖6所示。

圖6 試驗數(shù)據(jù)處理軟件界面

3.5 試驗抗干擾技術

全機落震試驗現(xiàn)場情況比較復雜，存在大量的電磁、機械振動以及噪聲干擾源，這些干擾會影響傳感器、計算機甚至整個測試系統(tǒng)的正常工作，造成測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、控制狀態(tài)失靈、程序運行失常、測試儀器失靈和損傷等現(xiàn)象。通過分析各種干擾的產(chǎn)生、來源、耦合方式和傳導模式，采用如下相應的抗干擾技術手段，在試驗中獲得高質(zhì)量、高精度的試驗數(shù)據(jù)。采用屏蔽技術抑制由大功率交流電機和變頻器在通斷時產(chǎn)生的電磁干擾。其中，接地降噪示意圖如圖7所示。

(1)采用帶屏蔽網(wǎng)的雙絞導線抑制由信號線回路產(chǎn)生的電磁干擾；

(2)采用隔離方式抑制由電源電路引起的電磁干擾；

(3)采用合理的單點接地方法抑制測量系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲干擾；

(4)采用合理的軟件濾波方法抑制其他因素的高頻干擾。

圖7 接地降噪示意圖

4 應用實例

本系統(tǒng)應用于某型飛機全機落震試驗中，該試驗要求動態(tài)測試點多達600多個通道，需要完成姿態(tài)、加速度、應變、載荷、速度、壓力、位移等多物理量的實時動態(tài)測量，試驗具有規(guī)模大、測試系統(tǒng)復雜、測量參數(shù)多、測點分布廣、測試精度高等特點。

4.1 測量參數(shù)

試驗中需要測量的物理參數(shù)如下：

(1)地面載荷測量：作用在前、主起落架機輪上的航向、垂向和側(cè)向載荷分別用安裝在各機輪正下方固定于地面的三向測力平臺進行測量；

(2)輪胎壓縮量測量：用安裝在各機輪正側(cè)面的高速攝像進行測量；

(3)緩沖器行程：前、主起落架緩沖器行程用安裝在起落架緩沖器上的拉線位移傳感器進行測量；

(4)氣腔壓力測量：緩沖器氣腔壓力用安裝在緩沖器充氣嘴上的壓力傳感器進行測量；

(5)位移、速度測量：飛機指定部位的位移和速度使用全機總體變形非接觸測量系統(tǒng)(即三維運動分析系統(tǒng))進行測量；

(6)加速度測量：用安裝在機體重點結(jié)構(gòu)部位的加速度傳感器進行測量；

(7)應變測量：用粘貼在機體疑似危險部位的應變片進行測量；

(8)拉桿載荷測量：用粘貼在拉桿重點監(jiān)控位置的應變片通過載荷標定后，進行載荷測量；

(9)仿升力測量：仿升力用拉壓力傳感器進行測量；

(10)飛機姿態(tài)測量：用安裝在不同方位的慣性傳感器和攝像機同步監(jiān)控機體姿態(tài)。

4.2 測量設備

試驗過程中用到的測量設備如表1所示。

表1 測量設備清單

4.3 試驗流程

全機落震試驗先進行各子系統(tǒng)安裝和調(diào)試，再進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。根據(jù)現(xiàn)場實際測試環(huán)境情況，將各測試子系統(tǒng)合理分布在飛機四周，測試系統(tǒng)實時完成現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控、顯示、計算、分析、上傳、存儲等任務，并對異常信號(如漂移、突降、高頻噪聲與超載值等)進行及時報警并進行后續(xù)排故檢查等。全機落震試驗程序流程圖見圖8。

圖8 全機落震試驗程序流程圖

4.4 試驗結(jié)果及分析

該分布式測試系統(tǒng)經(jīng)過多次調(diào)試和預試，最終高質(zhì)量地完成了試驗任務，為獲取全機落震試驗中飛機的動態(tài)響應提供了可靠準確的試驗數(shù)據(jù)。全機落震試驗典型試驗曲線如圖9所示。

圖9 全機落震試驗典型試驗曲線

由于試驗現(xiàn)場電控設備繁雜，各種干擾信號不是單一存在的，經(jīng)常耦合在一起侵入信號傳輸線路，產(chǎn)生串模和共模干擾。按照干擾源分析，來自空間的電磁干擾，采取相應的屏蔽措施；來自過程通道干擾，采用帶屏蔽雙絞導線進行屏蔽；來自供電系統(tǒng)的工頻干擾，采取單端接地和軟件濾波等措施。整個測試系統(tǒng)采用多種抗干擾方法后，信號中的干擾得到明顯消除，改善了信噪比，進一步提高了系統(tǒng)的測試精度。

試驗中，在所有用電設備開啟的情況下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有測試通道的干擾信號均較大。以某應變測量通道的零位測量信號為例，干擾信號的幅值達到-80～80μm/m，干擾頻率有50～60Hz，還附加有高頻干擾信號。采用屏蔽、帶屏蔽線纜、隔離、接地、濾波等抗干擾技術處理后，干擾信號得到了明顯抑制和消除，零位干擾信號幅值降低到5μm/m以內(nèi)，試驗測試精度得到明顯提高。測試通道采取抗干擾措施前后曲線對比如圖10所示。

圖10 測試通道采取抗干擾措施前后曲線對比

5 結(jié)束語

本文描述了全機落震試驗分布式網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)的組成，并詳細闡述了試驗過程中關鍵技術問題的研究及應用。

(1)通過解決時鐘同步問題，實現(xiàn)了多套設備的同步采集和同步觸發(fā)；

(2)為了防止試驗數(shù)據(jù)丟失和卡滯，從軟硬件提高了試驗設備性能，解決了海量試驗數(shù)據(jù)的同步實時傳輸；

(3)將各種抗干擾方法運用到測試系統(tǒng)中，提高了信噪比，有效增強了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的測試精度；

(4)根據(jù)全機落震試驗的特點和要求，研制了全機落震試驗的數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)，能夠快速實時處理試驗數(shù)據(jù)。

分布式網(wǎng)絡化動態(tài)測試技術是現(xiàn)場測試的發(fā)展趨勢，其智能性、擴展性、靈活性、模塊化等優(yōu)點促使其成為解決大型復雜測試任務的主流試驗測試方法。