飛機操縱舵面偏角測量系統(tǒng)設計

肖砷宇

(海軍裝備部，陜西 西安 710089)

飛機操縱舵面偏角測量系統(tǒng)設計

肖砷宇

(海軍裝備部，陜西 西安 710089)

針對傳統(tǒng)舵面測量方法的弊端，提出了一種新型的舵面偏角自動化測量系統(tǒng)。通過分析測量系統(tǒng)各組成部分的工作原理及布局，對整體測量系統(tǒng)的設計及詳細實現方案進行了論證，表明該新型舵面偏角測量系統(tǒng)能夠節(jié)省人力、提高生產效率、縮短生產周期。

舵面測量；測量系統(tǒng)；數據采集

0 引言

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

某型機飛行控制系統(tǒng)為三軸四余度電傳+模擬備份+機械備份的操縱系統(tǒng)。通過對飛機多個操縱舵面的控制，完成飛機姿態(tài)控制、航跡控制、地面破升增阻控制和飛機起降/空投等階段的增升控制。在生產制造過程中，需要檢查飛機的后緣襟翼、前緣縫翼和擾流板、副翼等舵面的安裝位置是否滿足設計要求。在安裝位置滿足要求的情況下，還需進一步檢查舵面的極限偏角是否滿足設計要求，該過程需要通過反復調整舵面測量來獲得最終的數據。傳統(tǒng)的檢測方法依靠人力、使用傳統(tǒng)的機械量具分別對舵面進行測量，耗費大量的時間，效率低、周期長，嚴重影響生產制造的進度。隨著計算機技術、檢測技術、微機械加工技術、測試技術的發(fā)展，采用自動化的測量方法對飛機舵面進行自動化檢測的條件日趨成熟。

1 新型舵面偏角測量系統(tǒng)總體方案設計

傳統(tǒng)的檢測方法是使用測角儀對飛機的操縱舵面分別進行測量，需要操作者將測角儀放置于舵面規(guī)定的位置上，并人工讀取數據，人為判斷數據是否合格。若不合格再進行調整，調整后再重復測量工作，操作者工作量大、效率低。

新型舵面偏角測量系統(tǒng)的設計采用自動化的測量理念，是一套具有控制中心及數據采集前端的完備測量系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)使用電子部件準確測量飛機各舵面的偏擺角度，將數據采集前端收集的舵面偏擺角度通過具有防干擾的數據線傳輸至數據采集器進行初步數據處理，進而傳送至控制中心，進行解算，最后將測試結果圖形化顯示、存儲和生成報表，如圖1所示。

系統(tǒng)工作時，將數據采集前端通過機械夾具或者粘貼的方式安裝固定在被測位置。集線器分布在左機翼、右機翼和垂尾附近，負責舵面偏角數據的初步采集和前期數據處理。數據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，通過這種方式可以大大減少飛機與測量設備之間的電纜數量。通過控制中心的上位機，可以觀察所有數據采集前端的角度數據和角度曲線等[1]。

新型舵面測量系統(tǒng)在使用的過程中不需操作者登機測量，在全機布置完測量設備后，只需在控制中心即可得到所有數據。

2 新型測量系統(tǒng)詳細實施方案

2.1 數據采集前端實現方法

某型機舵面數量多，一部分舵面有轉軸，而一部分舵面沒有轉軸只有運動曲面，例如襟、縫翼處于中立位置時與大地水平面有一定夾角，且運動軌跡為弧形，如圖2所示。圖中1、2、3、4為舵面測量點運動位置，精準測量存在困難。

對于上述兩種舵面偏轉方式，設計兩種類型數據采集前端，以保證高精度的測量要求。

2.1.1 有固定轉軸型舵面數據采集前端

當舵面轉動時，連接舵面與飛機結構之間的螺栓隨之轉動，因此可以通過工裝將一只轉角傳感器同該螺栓固定，當舵面轉動時，安裝在螺栓處的轉角傳感器隨之轉動，從而測出舵面轉動的角度。因此，此種類型的數據采集前端采用轉角傳感器和連接工裝組合的方式實現。

這種舵面數據采集前端通過膠粘方法，將裝夾工裝組件及轉角傳感器可靠粘接于待測舵面轉軸上，安裝時通過調整以保證轉角傳感器敏感軸方向同舵面轉軸一致。當舵面轉動時，舵面帶動裝夾工裝上的轉角傳感器一起繞舵面轉軸轉動，轉角傳感器感測到的角位移就是舵面偏角的變化。從而實現舵面偏角的直接測量[2]。

2.1.2 無固定轉軸型舵面數據采集前端

由于此類型舵面沒有可以固定轉角傳感器的轉軸，因此，考慮在舵面的外表面上粘貼傳感器的方式來實現前端數據采集。

角度測量目前主要采用機械指針式測角儀、電子羅盤、傾角傳感器和陀螺儀等。機械指針式角度測量儀，僅適用于空間旋轉軸平行于水平面的情況，且指針的擺動依靠重力和指針軸的微小摩擦力，如果旋轉軸傾斜，則指針軸摩擦力增大，導致指針擺動不準確。電子羅盤是以微弱的地磁方向為基準，檢測當前方向和地磁方向的夾角，獲得當前的方位角，因此電子羅盤不能檢測以地磁方向為旋轉軸的旋轉角度。傾角傳感器用于測量相對于水平面的測量角度，但不能測量方位。陀螺儀是速率傳感器，能檢測當前旋轉速率，通過速率積分獲得當前旋轉角度，而且是全方位的角度檢測。本運動組件需要測量的對象是繞軸(沒有轉角傳感器固定點)旋轉的相對角度，并不需要測量具體方位，并且該旋轉軸并不平行于水平面，因此，本測量系統(tǒng)選擇傾角傳感器對舵面運動角度進行測量[3]。

舵面偏角測量組件通過不干膠直接將雙軸傾角傳感器粘貼固定于舵面外表面上，當舵面運動時，雙軸傾角傳感器就會輸出其敏感軸與水平面夾角成一定關系的電信號，通過計算即可測量得到舵面偏角。

雙軸傾角傳感器偏角測量原理分析如下：

無轉軸的舵面運動可分解為沿某方向的相對平動與繞理論偏轉軸的轉動，由于相對平動不引起舵面偏角，因此不考慮，只需考慮繞理論偏轉軸的轉動。

如圖3所示，構建直角坐標系0XY。

使0XY面為水平面，并使舵面理論偏轉軸0X′在面0XYZ上，且同X軸的夾角為∠α。當雙軸傾角傳感器安裝于舵面上某平行于偏轉軸0X′的平面，并隨舵面偏轉的情況可等效為：由水平面繞Y軸旋轉∠α得到法線為α的平面，該平面繞0X′軸旋轉∠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為單位長度(點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為測試對象(舵面)旋轉軸與水平面所成夾角；β為測試對象(舵面)與水平面所成夾角；θ為測試對象(舵面)繞旋轉軸轉動的角度。

一般∠α為設計值已知，∠β可以通過雙軸傾角傳感器測量，這樣便實現了舵面偏角∠θ的精確測量[4]。

2.2 信號調理器實現原理

信號調理是數字化測量系統(tǒng)中保證信號的準確性、可靠性和安全性的關鍵性措施。信號調理的目的在于提高信號測量的準確性，并保護測量系統(tǒng)，防止外界異常信號或異常變化對系統(tǒng)造成損壞。它包括輸入/輸出保護、信號及電源隔離、共模抑制、串模抑制、信號放大、濾波、信號激勵、冷端補償、線形補償等。信號調理主要是完成增益和零點的調節(jié)，實現多種增益的組合選擇，可以滿足大多數測試的需求[5]。

信號調理電路由輸入保護電路、信號放大電路、濾波電路和輸出電路組成。為了提高信號調理器的可靠性和精準度，對信號調理器內部電路使用的±15V電源與輸出傳感器的±15V電源進行了獨立的濾波處理。

另外，信號調理器放大衰減信號。由于試驗中有些信號幅值比較小，所以需要通過放大器來提高測量的精度。放大器通過匹配信號電平和A/D轉換器的測量范圍，來達到提高測量分辨率的目的。

信號調理器還具有抑制共模干擾的作用，一般來說，由于試驗現場的測試設備與數據采集前端之間的距離較遠，數據采集前端輸出的干擾信號主要表現為共模干擾。抑制共模干擾信號最好的方法是采用差動儀表放大器。這種放大器輸入阻抗高，輸出阻抗低，具有很強的抗共模能力。

2.3 軟件實現

程序主要分三部分，包括校準子程序、傾斜角計算子程序和主程序。在傾斜傳感器第一次使用前必須對其進行校準，包括測量各軸的零點偏移、各軸的橫軸補償量。綜合各個狀態(tài)的數據，完成零點偏移和橫軸補償量計算。實際運用中，舵面傾角測量單元安裝在平臺上時不可能保持XY軸與平臺完全平行，Z軸與平臺完全垂直，所以在進行測量前必須取得平臺水平放置時舵面傾角測量單元的輸出值，將其設為初始值保存于FLASH中。

在傾斜角計算程序中，首先讀取數據進行零點偏移補償和橫軸補償，丟棄嚴重受干擾的數據，并進行數據融合，再判斷傾斜角度大小。當角度較小時，利用兩軸數據進行計算，當角度過大時運用三軸數據進行計算。

主程序中，通過定時器中斷、舵面傾角測量單元緩存器中斷，讀寫舵面傾角測量單元數據，保證數據的實時性。對數據采集前端的信號采用零點偏移補償、橫軸補償，進一步提高數據的精度。通過串行外設接口(Serial Peripheral Interface，SPI接口)實現傳感器與微控制器間的通信，以控制數據采集前端信號的讀取速度。

軟件以控制中心計算機硬件為載體，數據采集前端信號經過調理器處理后輸入計算機進行解算，將實測數據與理論要求數據對比，計算出最終結果。若滿足要求則將試驗結果形成數據表單，由打印機輸出；若不滿足要求，控制中心人員通知調試人員進行飛機系統(tǒng)調試，直到滿足要求為止。

3 結語

經以上分析可知，某型機新型舵面偏角測量系統(tǒng)能夠實現對飛機各舵面的測量，并能實現圖形顯示和數據存儲等功能，系統(tǒng)測量方法滿足測試要求。系統(tǒng)采用模塊化設計思想，便于現場安裝和管理。這種自動化舵面偏角測量系統(tǒng)的實現可大大節(jié)省人力、提高生產效率、縮短生產周期。

[1] 楊兆軍.通用飛機舵面偏轉角測量工具設計[J].機械研究與應用,2015,28(3):139-140.

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

[3] 鄭士芳,袁穎.MES中前端數據采集的實現[J].工業(yè)控制計算機, 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)角測量的建模與標定[J].機械科學與技術,2016,35(7):1096-1101.

[5] 彭善瓊.智能信號調理器的研究[J].微計算機信息, 2004，20(11):110-111.

[責任編輯、校對：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，主要從事飛機操縱系統(tǒng)研究。

V241.02

A

1008-9233(2017)03-0030-03