CN102749045A - 小型直升机桨距角的高精度地面测量方法 - Google Patents

Abstract

一种小型直升机桨距角的高精度地面测量方法，其流程为：(1.1)将直升机水平放置，在直升机旋翼桨叶所对应的位置安装反射镜，并与直升机旋翼桨叶弦线所在平面垂直；(1.2)在反射镜与平滑的垂直墙面之间设置激光水准仪，使激光水准仪发出的水平激光束照射在反射镜上；(1.3)激光水准仪发出水平激光束，经反射镜反射到平滑的垂直墙面上；旋转激光水准仪，将直射在平滑的垂直墙面上的水平激光束标记为水平基准线；测量并记录反射镜的镀银反射面距离平滑的垂直墙面的距离L，测量并记录反射激光束在平滑的垂直墙面上的照射位置与水平基准线之间的距离H；(1.4)总距α：

本发明具有原理简单、操作简便、实现成本低、测量精度高等优点。

Description

小型直升机桨距角的高精度地面测量方法

技术领域

本发明主要涉及到直升机桨距角的非接触测量方法领域，特指一种适用于小型直升机的桨距角的高精度地面测量方法。

背景技术

小型直升机在制造、安装和地面试验的过程中，需要对桨距角进行测量，桨距角包括总距和周期距。对桨距角的测量主要两类方法：一类是直接测量方法，另一类是间接测量方法。

现有直接测量方法有两种方式，一种是在旋翼桨毂处安装测角装置，如旋转编码器或圆光栅，但由于直升机桨毂结构本身就很复杂，安装和校准要求高，并且测量完成后还必须从桨毂上拆下，因而这种测量方式并不实用。另一种方法是利用桨距尺或数字水平尺进行测量。常见的桨距尺为机械式，读取精度较低，一般为0.5度左右，因此多用在航模直升机的人工桨距角调整中。数字水平尺也可用于桨距角测量，但其测量精度也不高，不到0.1度。因此第二种方法也不能满足飞行控制系统设计的需要。

近年来，采用光学测量技术的非接触测量方法得到越来越多的应用，特别是对直升机旋翼运动系统参数，通过采用间接方法测量更具优势。例如，现有方法利用高速摄像技术测量微型旋翼机桨距角，可实现动态飞行条件下的桨距角测量，但对测量装置的硬、软件要求较高，实施的成本和难度较大，对绝大多数资金规模较小的无人直升机研制单位来说无力实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作简便、实现成本低、测量精度高的小型直升机桨距角的高精度地面测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种小型直升机桨距角的高精度地面测量方法，其流程为：

(1.1)将直升机水平放置，在直升机旋翼桨叶所对应的位置安装反射镜，并与直升机旋翼桨叶弦线所在平面垂直；

(1.2)在反射镜与平滑的垂直墙面之间设置激光水准仪，使激光水准仪发出的水平激光束照射在反射镜上；

(1.3)激光水准仪发出水平激光束，经反射镜反射到平滑的垂直墙面上；旋转激光水准仪，将直射在平滑的垂直墙面上的水平激光束标记为水平基准线；测量并记录反射镜的镀银反射面距离平滑的垂直墙面的距离L，测量并记录反射激光束在平滑的垂直墙面上的照射位置与水平基准线之间的距离H；

(1.4)总距记为α，按下式(1)得到：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}\·{\tan }^{-1}\frac{H}{L}---\left(1\right).$

作为本发明的进一步改进：

利用永磁铁将反射镜直接吸附固定在桨叶根部。

所述反射镜安装在沿直升机旋翼桨叶展向0.7倍半径所对应的位置处。

在得到总距的基础上进行周期距测量，周期距的测量流程为：

(2.1)将反射镜安装在倾斜盘上，测量某一方位上对应平滑的垂直墙面上的反射激光点相对水平激光基准的高度H，然后求得该处的倾斜盘倾角，记为θ；

(2.2)变换三次以上反射镜的安装位置，获取倾斜盘圆周不同位置处的反射激光点坐标；

(2.3)对获得的三维空间离散点进行平面拟合；

(2.4)以拟合平面中的一点为圆心，依据直升机桨距调节杆所在倾斜盘的大小取得半径，绘制位于拟合平面上的圆形；

(2.5)求出圆周上每一位置处半径方向的倾斜角θ，最大值即为倾斜盘的倾角，所在方位角ψ就是倾斜盘的倾斜方向，分别由下式(2)和(3)得到：

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}\frac{\mathrm{\Δh}}{r}---\left(2\right)$

其中：Δh＝z_h-z₀，为倾斜导致的直升机桨距调节杆高度变化计算值，该值在第(2.4)步得到拟合倾斜盘后，由坐标值即可从数学上计算得出；z_h为拟合倾斜盘圆周上的点坐标Z值，z₀为拟合倾斜盘圆心的坐标Z值。r为倾斜盘的半径，sin^-1-反正弦值。

$\mathrm{\ψ}={\cos }^{-1}\frac{x_h-x_0}{\sqrt{{(x_h-x_0)}^2+{(y_h-y_0)}^2}}---\left(3\right)$

其中：ψ-倾斜盘的方位角，x_h-拟合倾斜盘圆周上的点坐标X值，y_h-拟合倾斜盘圆周上的点坐标Y值，x₀-拟合倾斜盘圆心的坐标X值，y₀-拟合倾斜盘圆心的坐标Y值，cos^-1-反余弦值；

(2.6)通过倾斜盘及直升机桨距调节杆的几何关系就可得到旋翼周期距变化情况，由下式(4)得到：

${\mathrm{\α}}_1={\sin }^{-1}\frac{\mathrm{\Δh}}{l_0}---\left(4\right)$

其中：α₁-旋翼迎角，l₀-调节旋翼迎角的力臂长度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的测量思路明确，测量方法操作简便，可以测量总距，特别是还可以测量周期距，测量结果的精度能满足系统建模的要求。

2、本发明根据小型无人直升机桨距角的测试要求，利用激光水准仪和反射镜测量静态桨距角，可实现对总距和周期距的测量。与现有方法相比，本发明采用间接测量方式，操作简单易行，测量精度高，并且安装和拆卸均不会对旋翼机构造成影响，特别适用于安装了轻量高刚性碳纤维桨叶的小型直升机的桨距角地面测量。

附图说明

图1是典型直升机的旋翼变距机构简化示意图。

图2是本发明对总距进行测量的流程示意图。

图3是本发明采用反射镜法测量总距的原理示意图。

图4是本发明对周期距进行测量的流程示意图。

图5是本发明对周期距进行测量的原理示意图。

图6是具体应用实例中给出5个点拟合出的平面以及指定的拟合倾斜圆盘示意图，图片是利用MATLAB工具生成。

图7是具体应用实例中倾斜盘圆周各处的倾角情况的示意图。

图8是具体应用实例中倾斜盘各处的旋翼桨叶迎角，即周期距图形的示意图。

图例说明：

1、直升机旋翼桨叶；2、反射镜；3、激光水准仪；4、平滑的垂直墙面；5、水平激光束；6、反射激光束；7、倾斜盘；8、桨距调节杆。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为典型直升机的旋翼变距机构简化示意图，包括倾斜盘7(旋转环)和桨距调节杆8，倾斜盘7的升降运动可以调节总距的大小，倾斜盘7的倾斜则可以调节周期距。不管是总距还是周期距，都体现为直升机旋翼桨叶1的迎角变化上，而本发明通过简单地安装一套光学反射装置，就可实现直升机旋翼桨叶1在任意位置的迎角，然后根据给出的换算关系就可得到直升机旋翼桨叶1的桨距角，包括总距和周期距。

如图2和图3所示，本发明的小型直升机桨距角的高精度地面测量方法，是利用激光水准仪和反射镜2进行总距测量，其具体的测量步骤为：

(1.1)将直升机水平放置，在直升机旋翼桨叶1翼展方向的0.7倍半径所对应的位置安装反射镜2，并与直升机旋翼桨叶1弦线所在平面垂直，同时与直升机旋翼桨叶1前缘保持同一方向。考虑到实际安装的方便，在具体操作时，可采用利用永磁铁将反射镜2直接吸附固定在桨叶根部的方式。反射镜2安装在沿直升机旋翼桨叶1展向0.7倍半径所对应的位置处。这是因为桨叶在静态情况下无变形，因此直升机旋翼桨叶1的0.7倍半径处的迎角与根部迎角相等。

(1.2)在反射镜2与平滑的垂直墙面4之间的地面上安放激光水准仪3，并调整激光水准仪3的位置和高度，使激光水准仪3发出的水平激光束5大致照射在反射镜2的中部位置。激光水准仪3与反射镜2之间的水平距离可根据情况任意调整。

(1.3)激光水准仪3发出水平激光束5，经反射镜2反射到平滑的垂直墙面4上；旋转激光水准仪3，将直射在平滑的垂直墙面4上的水平激光束5标记为水平基准线。用量尺测量并记录反射镜2的镀银反射面距离平滑的垂直墙面4的距离L，测量并记录反射激光束6在平滑的垂直墙面4上的照射位置与水平基准线之间的距离H。

(1.4)遥控操纵直升机桨距角舵机，总距记为α，按计算式：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}\·{\tan }^{-1}\frac{H}{L}---\left(1\right)$

其中，tan-1-反正切值；通过上式(1)即可得到总距α的值。

在测量时，应尽可能增大反射镜2的镀银反射面与平滑的垂直墙面4之间的距离L，这样反射激光束6在平滑的垂直墙面4上的照射位置与水平基准线之间的距离H变化也会更加显著，进而使测量计算出的总距α更加精确。

现有方法中，虽然能通过测量个别位置处的桨距角来反映周期距，但不能给出圆周上全部的周期距变化情况。本发明进一步利用上述得到的直升机旋翼桨叶1的总距进行周期距的测量。本发明在静态调节周期距时，先测量直升机旋翼桨叶1旋转方向上3个以上位置的旋翼桨叶迎角，然后通过几何拟合、数学计算精确重建倾斜盘7的倾斜方向，从而可得到完整的周期距的大小及方向信息。本发明所依据的原理是：由于空间中不在一条直线上的3点即可唯一确定一个平面，因此只要测得直升机旋翼桨叶1在倾斜盘7不同的3个以上位置的桨距角即可确定倾斜盘平面。在实际测量中，测量的点越多，所得到的结果也越精确。确定倾斜盘7的倾角大小及方向后，由桨距调节杆8与桨叶安装轴的几何关系便可确定周期距，如图5所示，为直升机倾斜盘7与桨距角的关系示意图(但为了清晰地示出各部分的连接关系，各部分未按实际比例绘图)。

在图5中，α₁为旋翼迎角，直升机旋翼桨叶1与倾斜盘7通过长度为h的桨距调节杆8连接，倾斜盘7的半径为r，调节旋翼迎角的力臂长度为l₀，桨距调节杆8所处的方位角为ψ，因倾斜导致的桨距调节杆8高度变化为Δh，倾斜盘7的圆心在OXYZ参考系下的坐标为(x_o，y_o，z_o)，桨距调节杆8与倾斜盘7的连接点为(x_h，y_h，z_h)。其中，方位角ψ是指沿倾斜盘7半径方向的直线在圆心所在水平面O′X′Y′的投影与O′X′轴的夹角，θ为桨距调节杆8在ψ处的倾斜盘倾角，即倾斜角θ则是指沿倾斜盘半径方向的直线与圆心所在水平面的夹角。

如图4所示，本发明进行周期距测量的具体步骤为：

(2.1)采取与桨距角测量类似的方法，将反射镜2安装在倾斜盘7上(要求反射面与倾斜盘7的参考面垂直)，测量某一方位上对应平滑的垂直墙面4上的反射激光点相对水平激光基准的高度H，然后根据式(1)求得该处的倾斜盘倾角，记为θ。

(2.2)变换多次反射镜2的安装位置，首先获取倾斜盘7圆周不同位置处的反射激光点坐标。但为了获得更好的测量结果，实际中往往测取更多的空间点。

假设通过反射激光方法测得了三维空间的5个点，坐标为：

$(x,y,z)=\left[\begin{array}{ccc}0& 6.5& 3.4\\ 1.5& 1.5& 4\\ -4& 7& 7.5\\ -3& -6& 10.5\\ 1& -5& 7\end{array}\right]$

(2.3)利用MATLAB软件中的平面拟合工具对获得的三维空间离散点进行平面拟合。

(2.4)以拟合平面中的一点为圆心，依据直升机桨距调节杆8所在倾斜盘7的大小取得半径，绘制位于拟合平面上的圆形，即倾斜盘7。

图6是由步骤(2.2)给出的5个点拟合出的平面以及指定的拟合倾斜圆盘，图片利用MATLAB工具生成。

(2.5)求出圆周上每一位置处半径方向的倾斜角θ，最大值即为倾斜盘7的倾角，所在方位角ψ就是倾斜盘7的倾斜方向，计算公式为：

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}\frac{\mathrm{\Δh}}{r}---\left(2\right)$

其中：Δh＝z_h-z₀，为倾斜导致的直升机桨距调节杆8高度变化计算值，该值在第(2.4)步得到拟合倾斜盘后，由坐标值即可从数学上计算得出；z_h为拟合倾斜盘圆周上的点坐标Z值，z₀为拟合倾斜盘圆心的坐标Z值。r为倾斜盘7的半径，sin^-1-反正弦值。

$\mathrm{\ψ}={\cos }^{-1}\frac{x_h-x_0}{\sqrt{{(x_h-x_0)}^2+{(y_h-y_0)}^2}}---\left(3\right)$

其中：ψ-倾斜盘的方位角，x_h-拟合倾斜盘圆周上的点坐标X值，y_h-拟合倾斜盘圆周上的点坐标Y值，x₀-拟合倾斜盘圆心的坐标X值，y₀-拟合倾斜盘圆心的坐标Y值，cos^-1-反余弦值。

如图7所示，给出了上述实施例中倾斜盘7圆周各处的倾角情况，倾斜盘方向为200.2°，倾角44.71°。

(2.6)通过倾斜盘7及直升机桨距调节杆8的几何关系就可得到旋翼周期距变化情况，计算式为：

${\mathrm{\α}}_1={\sin }^{-1}\frac{\mathrm{\Δh}}{l_0}---\left(4\right)$

其中：α₁为旋翼迎角，l₀为调节旋翼迎角的力臂长度。

参见图8，给出了上述实施例中倾斜盘7各处的旋翼迎角，即周期距图形。

以L＝3m为例，当总距测量范围为±20°时，H的范围为L·tan(±20°·2)＝±2.52m。考虑实际情形，总距一般为正，因此在L为3m的情况下，要求室内垂直墙面高度应不低于2.52+H₀(m)，其中H₀为桨叶离地高度。当L和H测量误差为2mm时，在±20°总距范围内因L误差引起的总距差小于0.01°，因H引起的总距测量误差小于0.02°。如果L增大，还可以达到更好的总距测量精度，但因H的范围会相应增大，要求垂直墙面的高度也更高，给测量操作带来不便。通过分析发现，对于0°总距附近的测量，H的测量精度对误差影响最大。为保证0°总距的准确读取，可在测量完后将旋翼旋转180°，在同一位置对另一侧旋翼迎角进行测量，然后取二者均值，可以获得更好的测量精度。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种小型直升机桨距角的高精度地面测量方法，其特征在于，流程为：

(1.1)将直升机水平放置，在直升机旋翼桨叶(1)所对应的位置安装反射镜(2)，并与直升机旋翼桨叶(1)弦线所在平面垂直；

(1.2)在反射镜(2)与平滑的垂直墙面(4)之间设置激光水准仪(3)，使激光水准仪(3)发出的水平激光束(5)照射在反射镜(2)上；

(1.3)激光水准仪(3)发出水平激光束(5)，经反射镜(2)反射到平滑的垂直墙面(4)上；旋转激光水准仪(3)，将直射在平滑的垂直墙面(4)上的水平激光束(5)标记为水平基准线；测量并记录反射镜(2)的镀银反射面距离平滑的垂直墙面(4)的距离L，测量并记录反射激光束(6)在平滑的垂直墙面(4)上的照射位置与水平基准线之间的距离H；

(1.4)总距记为α，按下式(1)得到：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}\·{\tan }^{-1}\frac{H}{L}---\left(1\right)$

2.根据权利要求1所述的小型直升机桨距角的高精度地面测量方法，其特征在于，利用永磁铁将反射镜(2)直接吸附固定在桨叶根部。

3.根据权利要求1所述的小型直升机桨距角的高精度地面测量方法，其特征在于，所述反射镜(2)安装在沿直升机旋翼桨叶(1)展向0.7倍半径所对应的位置处。

4.根据权利要求1或2或3所述的小型直升机桨距角的高精度地面测量方法，其特征在于，在得到直升机总距的基础上进行周期距测量，周期距的测量流程为：

(2.1)将反射镜(2)安装在倾斜盘(7)上，测量某一方位上对应平滑的垂直墙面(4)上的反射激光点相对水平激光基准的高度H，然后求得该处的倾斜盘倾角，记为θ；

(2.2)变换三次以上反射镜(2)的安装位置，获取倾斜盘(7)圆周不同位置处的反射激光点坐标；

(2.3)对获得的三维空间离散点进行平面拟合；

(2.4)以拟合平面中的一点为圆心，依据直升机桨距调节杆(8)所在倾斜盘(7)的大小取得半径，绘制位于拟合平面上的圆形；

(2.5)求出圆周上每一位置处半径方向的倾斜角θ，最大值即为倾斜盘(7)的倾角，所在方位角ψ就是倾斜盘(7)的倾斜方向，分别由下式(2)和(3)得到：

$\mathrm{\θ}={\sin }^{-1}\frac{\mathrm{\Δh}}{r}---\left(2\right)$

其中：Δh＝z_h-z₀，为倾斜导致的直升机桨距调节杆(8)高度变化计算值，该值在第(2.4)步得到拟合倾斜盘后，由坐标值即可从数学上计算得出；z_h为拟合倾斜盘圆周上的点坐标Z值，z₀为拟合倾斜盘圆心的坐标Z值；r为倾斜盘(7)的半径，sin^-1-反正弦值；

$\mathrm{\ψ}={\cos }^{-1}\frac{x_h-x_0}{\sqrt{{(x_h-x_0)}^2+{(y_h-y_0)}^2}}---\left(3\right)$

其中：ψ-倾斜盘的方位角，x_h-拟合倾斜盘圆周上的点坐标X值，y_h-拟合倾斜盘圆周上的点坐标Y值，x₀-拟合倾斜盘圆心的坐标X值，y₀-拟合倾斜盘圆心的坐标Y值，cos^-1-反余弦值；

(2.6)通过倾斜盘(7)及直升机桨距调节杆(8)的几何关系就可得到旋翼周期距变化情况，由下式(4)得到：

${\mathrm{\α}}_1={\sin }^{-1}\frac{\mathrm{\Δh}}{l_0}---\left(4\right)$

其中：α₁-旋翼迎角，l₀-调节旋翼迎角的力臂长度。

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