基于激光跟蹤儀的民用飛機(jī)風(fēng)標(biāo)式攻角傳感器零位誤差測量數(shù)據(jù)分析

馬明 李啟明 丁玲

【摘 要】攻角傳感器的準(zhǔn)確性、可靠性直接關(guān)系到飛行安全。本文分析比較了兩種數(shù)據(jù)分析方法對風(fēng)標(biāo)式攻角傳感器零位誤差測量的誤差敏感性。線與線夾角方法比面與面夾角方法對隨機(jī)測量誤差的敏感性更小。在隨機(jī)誤差區(qū)間值相同時，線與線夾角方法能減小測量結(jié)果誤差22%。使用線與線夾角方法分析了民用飛機(jī)攻角傳感器實際測量數(shù)據(jù)，得到攻角傳感器零位誤差。方法可行性得到驗證。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)標(biāo)；攻角傳感器；零位誤差；激光跟蹤儀

中圖分類號： TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）18-0024-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.010

【Abstract】The accuracy and reliability of angle-of-attack sensor are directly related to flight safety. In this paper， the error sensitivity of two data analysis methods measuring the zero error of wind-vane angle-of-attack sensor is compared. The angle-between-two-lines method is less sensitive to random measurement errors than the angle-between-two-faces method.When random error interval values are the same， the angle-between-two-lines method reduces measuring error by 22%.The actual measurement data of the angle-of-attack angle sensor of commercial airplane is analyzed by the superior method. The zero error is obtained. The feasibility of the method is verified.

【Key words】Wind vane；Angle-of-attack sensor；Zero error；Laser tracker

0 引言

攻角傳感器是民用飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)傳感器的重要組成部分[1]。攻角數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性直接關(guān)系到飛行安全[2]。風(fēng)標(biāo)式攻角傳感器在民用飛機(jī)中得到廣泛應(yīng)用[3]。通常，風(fēng)標(biāo)式攻角傳感器包括風(fēng)標(biāo)、轉(zhuǎn)軸、角度變換器等部分。風(fēng)標(biāo)上下表面對稱。當(dāng)攻角為零時，風(fēng)標(biāo)上下表面受到相同大小空氣動力，風(fēng)標(biāo)靜止。此時風(fēng)標(biāo)位于零位。當(dāng)攻角不為零時，風(fēng)標(biāo)上下表面產(chǎn)生壓差，風(fēng)標(biāo)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。角度變換器將風(fēng)標(biāo)繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的角度信號變換成電信號。電信號通過飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)計算分析后得到飛機(jī)攻角。

攻角傳感器零位誤差是指攻角傳感器位于零位時，攻角信號指示的攻角。攻角傳感器零位誤差由攻角傳感器安裝誤差、攻角傳感器自身誤差、大氣數(shù)據(jù)傳感器計算分析誤差等疊加而成。

失速較準(zhǔn)試飛科目要求對攻角傳感器的零位誤差進(jìn)行檢測。直接的測量方法是將攻角傳感器置于零位后，測量攻角信號。然而，攻角傳感器裝機(jī)后，由于受到工裝安裝定位精度限制，在特定時間段內(nèi)，攻角傳感器的精確零位不容易確定。如果不將攻角傳感器置于零位，難以直接測量其零位誤差。一種可行的解決方案是使用激光跟蹤儀建立全機(jī)坐標(biāo)系，隨后對攻角傳感器風(fēng)標(biāo)進(jìn)行測量，從而確定零位。

激光跟蹤儀常用于飛機(jī)外形上待測點(diǎn)的高精度測量[4]。測量原理為：利用球坐標(biāo)系下待測點(diǎn)距離原點(diǎn)的距離、水平角度、垂直角度來確定直角坐標(biāo)系下待測點(diǎn)坐標(biāo)。其中距離可利用激光干涉儀測得，水平角和垂直角由角度編碼器得到[5]。

本文分析比較了兩種數(shù)據(jù)分析方法對隨機(jī)誤差的敏感性。發(fā)現(xiàn)線與線夾角方法能減小數(shù)據(jù)分析過程中對隨機(jī)誤差的傳播和放大。運(yùn)用線與線夾角方法分析了民用飛機(jī)攻角傳感器零位誤差測量數(shù)據(jù)，證實方法可行。

1 測量原理

由于工程中直接將攻角傳感器置于零位存在困難，利用角度變換器線性工作原理，通過測量不同實際偏轉(zhuǎn)角度下攻角傳感器的攻角信號角度，擬合攻角信號角度相對于實際偏轉(zhuǎn)角度的變化曲線，得到攻角傳感器實際偏轉(zhuǎn)角度為零時，攻角信號角度，如圖1所示。攻角傳感器實際偏轉(zhuǎn)角度通過激光跟蹤儀測量風(fēng)標(biāo)下表面得到。

2 測量方法

2.1 激光跟蹤儀建立全機(jī)坐標(biāo)系

頂升、調(diào)平飛機(jī)。對飛機(jī)上基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測量。利用基準(zhǔn)點(diǎn)的相對位置關(guān)系，建立全機(jī)坐標(biāo)系。此時基準(zhǔn)點(diǎn)實測高度差與理論值誤差在±0.5mm以內(nèi)。由此確定飛機(jī)構(gòu)造水平面。根據(jù)飛機(jī)后機(jī)身下零縱點(diǎn)及左右機(jī)翼基準(zhǔn)點(diǎn)中點(diǎn)連線在構(gòu)造水平面上投影確定X軸方向。高度由左右機(jī)翼基準(zhǔn)點(diǎn)兩點(diǎn)連線中點(diǎn)的理論高度確定。由此得到全機(jī)坐標(biāo)系。

2.2 風(fēng)標(biāo)式攻角傳感器測量

a）測量風(fēng)標(biāo)式攻角傳感器底座上的四個定位點(diǎn)A1、A2、A3、A4。

b）利用工裝將攻角傳感器依次初步偏轉(zhuǎn)-8°、0°、8°附近。測量風(fēng)標(biāo)下表面上五點(diǎn)D1、D2、D3、D4、D5如圖2所示。

c）記錄此時攻角信號角度。記錄所使用激光跟蹤儀球頭半徑rLT。

3 數(shù)據(jù)分析方法

3.1 理論外形特征提取

數(shù)據(jù)分析過程中需要使用攻角傳感器理論外形特征，包括風(fēng)標(biāo)上、下表面交線到風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)軸距離lPaPb，以及風(fēng)標(biāo)上、下表面夾角αMbMc。風(fēng)標(biāo)上下表面是對稱的。

3.2 面與面夾角方法

面與面夾角數(shù)據(jù)分析方法按照下列步驟，如圖5所示。

a）連接攻角傳感器水平方向上定位孔測量點(diǎn)P1、P2，得到線段L1。

b）連接攻角傳感器垂直方向上定位孔測量點(diǎn)P3、P4，得到線段L2。

c）過L1作平行于L1、L2的平面M1，得到與攻角傳感器底座平行的平面M1。

d）取L1中點(diǎn)P5，即轉(zhuǎn)軸與平面M1交點(diǎn)。

e）在平面M1上，以P5為圓心，以lPaPb為半徑作靠近后機(jī)身方向的半圓弧C1。

f）以攻角傳感器葉片下表面實際測量的五點(diǎn)作平面M2。

g）平行于平面M2，在M2上方距離M2平面rLT（激光跟蹤儀球頭半徑）作平面M3。

h）沿M1方向拉伸C1得到曲面S1。

i）M3與S1相交于L4。

j）以L3為轉(zhuǎn)軸，向上偏轉(zhuǎn)M3角度α，得到M4。

k）過P5作平面M1的垂線L3。

l）過L1、L3作平面M5。

m）測量M4與M5夾角，得到攻角傳感器實際偏轉(zhuǎn)角度。

3.3 線與線夾角方法

按照以下步驟確定實際偏轉(zhuǎn)角度，如圖6所示。

a）連接攻角傳感器水平方向上定位孔測量點(diǎn)P1、P2，得到線段L1。

b）連接攻角傳感器垂直方向上定位孔測量點(diǎn)P3、P4，得到線段L2。

c）過L1作平行于L1、L2的平面M1，得到與攻角傳感器底座平行的平面M1。

d）取L1中點(diǎn)P5，即轉(zhuǎn)軸與平面M1交點(diǎn)。

e）在平面M1上，以P5為圓心，以lPaPb為半徑作靠近后機(jī)身方向的半圓弧C1。

f）以攻角傳感器葉片下表面實際測量的五點(diǎn)作平面M2。

g）平行于平面M2，在M2上方距離M2平面rLT作平面M3。

h）平面M3與圓弧C1相交于P6點(diǎn)。

i）連接P5、P6點(diǎn)得到線段L3。

j）測量L1與L3 夾角，得到攻角傳感器實際偏轉(zhuǎn)角度。

4 誤差敏感性分析

為了選取對隨機(jī)測量誤差敏感性小的數(shù)據(jù)分析方法，利用風(fēng)標(biāo)理論外形，對兩種方法進(jìn)行誤差敏感性分析。風(fēng)標(biāo)位于理論零位時，在攻角傳感器定位孔測量點(diǎn)以及下表面5點(diǎn)的理論值上增加不同區(qū)間大小的隨機(jī)誤差，比較兩種方法的角度偏差，如表1所示。

兩種方法對隨機(jī)誤差敏感性如圖7所示。在同樣隨機(jī)誤差區(qū)間下，線與線夾角方法比面與面夾角方法誤差結(jié)果小22%。

5 運(yùn)用實例

使用線與線夾角方法分析民用飛機(jī)攻角傳感器實測數(shù)據(jù)。當(dāng)實際偏轉(zhuǎn)角度為零時，攻角信號角度偏差小于0.01°，滿足工程使用要求。

6 結(jié)論

a）線與線夾角方法比面與面夾角方法對隨機(jī)誤差的敏感性更小。

b）在隨機(jī)誤差區(qū)間值相同時，線與線夾角方法能減小測量結(jié)果誤差22%。

c）使用線與線夾角方法分析民用飛機(jī)攻角傳感器實際測量數(shù)據(jù)，得到攻角傳感器零位誤差，驗證方法可行。

需要指出的是，在數(shù)據(jù)分析過程中，測量誤差會存在傳播和放大。為了進(jìn)一步減小測量誤差對測量結(jié)果的影響，可拆卸式精確定位工裝的設(shè)計具有工程實用價值。

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