CN104197969B - 一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置，包括成像棱镜、第一光敏器件、第二光敏器件、光电转换电路板、电信号调理电路板、信号处理板、显示屏，成像棱镜对桨叶旋转经过测量装置上方造成光学强度变化进行采集后由第一光敏器件、第二光敏器件感受光线的强度，并按光线强度的大小成比例的输出电流信号，光电转换电路板将电流信号按一定倍数转换为电压信号，电信号调理电路板将电压信号进行调理输出包含有直升机旋翼轨迹的锥体挥舞值和摆动值信息的TTL脉冲信号，TTL脉冲信号由信号处理板进行分析处理，计算出直升机旋翼轨迹的锥体挥舞值和摆动值结果并通过显示屏进行显示。本发明实现了直升机旋翼轨迹的锥体挥舞值和摆动值的快速精确测量。

Description

一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及航空测试技术领域，特别涉及一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置，以及利用该装置进行直升机旋翼轨迹测量的测量方法。

背景技术

在直升机定期维护时或直升机桨叶、桨箍、夹板、阻尼器等主要部件进行更换后必须要进行轨迹的检查，轨迹检查包括锥体检查和摆动检查，主要测量参数是锥体挥舞值和桨叶摆动值。直升机旋翼轨迹长时间运行于锥体不同锥状态或者摆动超差会产生较大的机体振动，对直升机桨毂、减速器等关键部件等造成损害，显著降低直升机寿命，严重时可能造成疲劳断裂，危及飞行安全。此外，振动还使机上各种电子和仪表设备的工作条件恶化，容易出故障；对成员来说，振动易使人产生困倦，不舒适，因而影响工作效率。

手持式直升机旋翼轨迹测量装置及对应测量方法自直升机诞生以来经过了数次变革，经历了打纸筒、频闪仪、照相机等几个阶段的发展。从发展趋势可以看出，直升机旋翼轨迹测量方法逐步由机械式向电子自动化、光学非接触式的技术方向发展。“打纸筒”的测量方式是国外五六十年代的技术，比较原始和落后，优点是简单，缺点是测量精度低、时间长、危险、易受天气和人为因素影响。80年代开始使用频闪仪，优点是直观，缺点是测量结果仍旧需要“人眼”的判断，测量时间长，测量效果受气象条件影响，有时对测量得到的结果会有不同的争议，测量结果无法记录和保持。照相机是90年代后出现的测量技术，优点是自动、测量数据可显示，缺点是手持式不易控制，单次测量精度高，但整体精度较差，因此没有大量应用。此3种方法均无法实现精确测量，且只能测量直升机旋翼轨迹的锥体的挥舞值，无法测量旋翼轨迹的摆动值。因此，需要一种新的测量装置及测量方法同时实现直升机旋翼轨迹(包括锥体和摆动)的精确测量。

发明内容

针对已有技术存在的不足，本发明目的在于提供一种基于光学跟踪的手持式直升机旋翼轨迹测量装置，以及提供一种利用该装置进行直升机旋翼轨迹测量的测量方法，实现直升机旋翼轨迹的锥体挥舞值和摆动值的快速精确测量。

本发明的发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置，包括成像棱镜3、第一光敏器件4、第二光敏器件5、光电转换电路板6、电信号调理电路板7、信号处理板10、显示屏9，成像棱镜3对直升机桨叶旋转经过测量装置上方造成光学强度变化进行采集后由第一光敏器件4、第二光敏器件5感受光线的强度，并按光线强度的大小成比例的输出电流信号，光电转换电路板6将电流信号按一定倍数转换为电压信号，电信号调理电路板7将电压信号进行调理输出包含有直升机旋翼轨迹的锥体挥舞值和摆动值信息的TTL脉冲信号，TTL脉冲信号由信号处理板10进行分析处理，计算出直升机旋翼轨迹的锥体挥舞值和摆动值结果并通过显示屏9进行显示。

进一步，手持式直升机旋翼轨迹测量装置还包括滤光镜片2，所述滤光镜片2滤除工作波长范围外的光线后交由成像棱镜3进行聚光。

进一步，手持式直升机旋翼轨迹测量装置还包括平光镜片1、外壳8、电池盒11以及手柄12，所述外壳8由前端圆形镜筒和后端方形壳体拼装而成，所述平光镜片1、滤光镜片2、成像棱镜3、光电转换电路板6按顺序安装于外壳8的前端圆形镜筒内，所述电信号调理电路板7、信号处理板10、电池盒11安装于外壳8的后端方形壳体内部，所述显示屏9安装于外壳8的后端方形壳体后面板上，所述手柄12安装于外壳8后端方形壳体下面板上，第一光敏器件4、第二光敏器件5焊接于光电转换电路板6上。

进一步，所述光电转换电路板6包含第一电流转电压电路13、第一电压放大电路14、第二电流转电压电路17、第二电压放大电路18，所述电信号调理电路板7包含第一自动增益电路15、第一阀值比较器16、第二自动增益电路19、第二阀值比较器20和逻辑电路21；

所述第一光敏器件4输出的电流信号由第一电流转电压电路13按第一自动增益电路15输出的增益进行放大并转换为电压信号，经过第一电压放大电路14按一定比例放大，由第一阀值比较器16进行比较后整形为第一TTL信号，每片桨叶构成一个第一TTL脉冲信号；

所述第二光敏器件5输出的电流信号由第二电流转电压电路17按第二自动增益电路19输出的增益进行放大并转换为电压信号，经过第二电压放大电路18按一定比例放大，由第二阀值比较器20进行比较后整形为第二TTL信号，每片桨叶构成一个第二TTL脉冲信号；

第一TTL脉冲信号、第二TTL脉冲信号经过逻辑电路21进行逻辑合成后输出，所述逻辑合成包含以下四个方式：

1)根据第一TTL脉冲信号或第二TTL脉冲信号的脉冲宽度获得桨叶根部的叶片宽度；

2)根据同一桨叶对应的第一TTL脉冲信号和第二TTL脉冲信号的下降沿的时间差获得桨叶锥体挥舞大小；

3)根据相邻桨叶对应的第一TTL脉冲信号的下降沿或者相邻桨叶对应的第二TTL脉冲信号的下降沿的时间差获得桨叶摆动大小；

4)根据第一片桨叶和最后一片桨叶对应的第一TTL脉冲信号的下降沿或者根据第一片桨叶和最后一片桨叶对应的第二TTL脉冲信号的下降沿的时间差获得直升机旋翼旋转周期。

本发明的另一目的能过以下技术方案实现：

一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置的测量方法，包含以下步骤：

一、在直升机旋翼运转情况下，将手持式直升机旋翼轨迹测量装置瞄准直升机旋转桨叶的根部；

二、成像棱镜3对直升机桨叶旋转经过测量装置上方造成光学强度变化进行采集后由第一光敏器件4、第二光敏器件5感受光线的强度，并按光线强度的大小成比例的输出电流信号；

三、光电转换电路板6将电流信号按一定倍数转换为电压信号，电信号调理电路板7将电压信号进行调理输出包含有直升机旋翼轨迹的锥体挥舞值和摆动值信息的TTL脉冲信号；

四、TTL脉冲信号由信号处理板10进行分析处理，如果信号处理板(10)持续接收到稳定的TTL脉冲信号，显示屏(9)显示测量开始；如果信号处理板(10)接收到TTL脉冲信号出现跳动，显示屏(9)提示调整装置手持的瞄准方向，直至显示屏(9)显示测量开始；

五、信号处理板10计算出直升机旋翼轨迹的锥体挥舞值和摆动值结果并通过显示屏9进行显示。

进一步，所述步骤三前先由滤光镜片2滤除工作波长范围外的光线。

进一步，所述步骤三具体为第一光敏器件4、第二光敏器件5输出的电流信号分别由自动增益电路输出的增益进行放大并转换为电压信号，经过电压放大电路放大一定倍数，由阀值比较器进行比较后整形为两路TTL信号，根据单片桨叶在测量装置上方造成的电流变换形成第一TTL脉冲信号、第二TTL脉冲信号，两路脉冲信号经过逻辑电路21进行逻辑合成后输出，所述逻辑合成包括以下方式；

1)根据第一TTL脉冲信号或第二TTL脉冲信号的脉冲宽度获得桨叶根部的叶片宽度；

2)根据同一桨叶对应的第一TTL脉冲信号和第二TTL脉冲信号的下降沿的时间差获得桨叶锥体挥舞大小；

3)根据相邻桨叶对应的第一TTL脉冲信号的下降沿或者相邻桨叶对应的第二TTL脉冲信号的下降沿的时间差获得桨叶摆动大小；

4)根据第一片桨叶和最后一片桨叶对应的第一TTL脉冲信号的下降沿或者根据第一片桨叶和最后一片桨叶对应的第二TTL脉冲信号的下降沿的时间差获得直升机旋翼旋转周期。

本发明的一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置采用非接触式光学跟踪技术，相对于以往装置，所述装置不主动发光，不会造成对人眼损坏，无需安装靶标，节省时间，提高工作效率；一种基于手持式直升机旋翼轨迹测量装置的测量方法使用时测量准确度高、测量时间短、安全易用、可靠性高、受环境和人为因素影响小、数据能记录保存和分析，适用于陆地外场包括舰载使用。

附图说明

图1为本发明一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置的内部结构示意图。

图2为本发明一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置的外部结构示意图。

图3本发明中的光电转换电路板与电信号调理电路板的结构示意图。

图4本发明测量方法的测量示意图。

图中的标号说明

1—平光镜片

2—滤光镜片

3—成像棱镜

4—光敏器件

5—光敏器件

6—光电转换电路

7—电信号调理电路板

8—外壳

9—显示屏

10—信号处理板

11—电池盒

12—手柄

13—I/V(电流转电压)电路

14—VA(电压放大)电路

15—AGC(自动增益)电路

16—LD(阀值比较器)

17—I/V(电流转电压)电路

18—VA(电压放大)电路

19—AGC(自动增益)电路

20—LD(阀值比较器)

21—LC(逻辑电路)

22—探测点

23—探测点

具体实施方式

下面结合附图1—图4，进一步说明本发明是如何实现的。

如图1、图2所示，一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置，包括平光镜片1、滤光镜片2、成像棱镜3、第一光敏器件4、第二光敏器件5、光电转换电路板6、电信号调理电路板7、外壳8、显示屏9、信号处理板10、电池盒11以及手柄12。所述外壳8由前端圆形镜筒和后端方形壳体拼装而成，所述第一光敏器件4、第二光敏器件5焊接于光电转换电路板6上，所述平光镜片1、滤光镜片2、成像棱镜3、光电转换电路板6按顺序安装于外壳8的前端圆形镜筒内，所述电信号调理电路板7、信号处理板10、电池盒11安装于外壳8的后端方形壳体内部，所述显示屏9安装于外壳8的后端方形壳体后面板上，所述手柄12安装于外壳8后端方形壳体下面板上。

所述平光镜片1用于保护内部组件，防止污渍、雨水或灰尘进入装置内部。采用JGS1材料，镀膜处理，所述滤光镜片2用于滤除工作波长范围外的光线进入造成干扰，采用镀膜处理，滤除波长在0.3～0.6um以外的光学信号，所述成像棱镜3采用50mm Fl.8照相机镜头，所述第一光敏器件4、第二光敏器件5采用高灵敏、高速响应、低噪声光敏二极管，按光线强度的大小线性转换电流信号。

如图3所示为光电转换电路板6与电信号调理电路板7的电路结构示意图，由第一电流转电压电路(I/V)13、第二一电流转电压电路(I/V)17、第一电压放大电路(VA)14、第二电压放大电路(VA)18、第一自动增益电路(AGC)15、第二自动增益电路(AGC)19、第一阀值比较器(LD)16、第二阀值比较器(LD)20、逻辑电路(LC)21组成，所述第一光敏器件4输出的电流信号由第一电流转电压电路(I/V)13按第一自动增益电路(AGC)15输出的增益进行放大并转换为电压信号，电压信号经过第一电压放大电路(VA)14放在4.5倍，放大后的电压信号由第一阀值比较器(LD)进行比较后整形为TTL信号。对于所述第一光敏器件4输出电流平稳状态下，经过第一自动增益电路(AGC)15的反馈调整，图2所述电路最终输出的TTL信号为低，而对于所述第一光敏器件4输出电流出现突变状态下，在经过图2所述电路后输出TTL信号为高低变化的脉冲。同样所述第一光敏器件5输出的电流信号与所述第一光敏器件4经过光电转换和信号调理的机制相同，最终两路脉冲信号经过逻辑电路(LC)21进行逻辑合成后输出。

如图4所示，一种基于手持式直升机旋翼轨迹测量装置的测量方法，在直升机旋翼稳定运转情况下，操作人员手持所述一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置，在直升机旋转桨叶下某一位置瞄准直升机旋转桨叶的根部，调整瞄准方向直至所述一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置中所述显示屏9显示测量状态，此时，按时序关系，桨叶前缘进入所述光敏器件4对应探测点22，TTL信号输出由高变低，桨叶覆盖所述光敏器件4对应探测点22，TTL信号输出维持低，桨叶后缘离开所述光敏器件4对应探测点22，TTL信号输出由低变高，这样所述 TTL信号形成一个第一TTL脉冲，同理，桨叶通过所述光敏器件5对应探测点23，所述TTL信号同样形成一个第二TTL脉冲，按照桨叶旋转次序，每片桨叶通过所述手持式直升机旋翼轨迹测量装置上方都会形成4个TTL脉冲，该TTL脉冲信号包含如下信息：

1)根据第一TTL脉冲信号或第二TTL脉冲信号的脉冲宽度获得桨叶根部的叶片宽度；

2)根据同一桨叶对应的第一TTL脉冲信号和第二TTL脉冲信号的下降沿的时间差获得桨叶锥体挥舞大小；

3)根据相邻桨叶对应的第一TTL脉冲信号或第二TTL脉冲信号的下降沿的时间差获得桨叶摆动大小；

4)根据第一片桨叶和最后一片桨叶对应的第一TTL脉冲信号或第二TTL脉冲信号的下降沿的时间差获得直升机旋翼旋转周期(速度)。

因此，由所述信号处理板10计算所述TTL脉冲信号对应信息2)、信息3)的时间差，通过分析可得到直升机旋翼轨迹的锥体挥舞值和摆动值。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置，包括成像棱镜(3)、第一光敏器件(4)、第二光敏器件(5)、光电转换电路板(6)、电信号调理电路板(7)、信号处理板(10)、显示屏(9)，其特征在于成像棱镜(3)对直升机桨叶旋转经过手持式直升机旋翼轨迹测量装置上方造成光学强度变化进行采集后由第一光敏器件(4)、第二光敏器件(5)感受光线的强度，并按光线强度的大小成比例的输出电流信号，光电转换电路板(6)将电流信号按一定倍数转换为电压信号，电信号调理电路板(7)将电压信号进行调理输出包含有直升机旋翼轨迹的锥体挥舞值和摆动值信息的TTL脉冲信号，所述TTL脉冲信号由信号处理板(10)进行分析处理，计算出直升机旋翼轨迹的锥体挥舞值和摆动值结果并通过显示屏(9)进行显示；

其中所述光电转换电路板(6)包含第一电流转电压电路(13)、第一电压放大电路(14)、第二电流转电压电路(17)、第二电压放大电路(18)，所述电信号调理电路板(7)包含第一自动增益电路(15)、第一阀值比较器(16)、第二自动增益电路(19)和第二阀值比较器(20)；

所述第一光敏器件(4)输出的电流信号由第一电流转电压电路(13)按第一自动增益电路(15)输出的增益进行放大并转换为电压信号，电压信号经过第一电压放大电路(14)按一定比例放大后由第一阀值比较器(16)进行比较整形为第一TTL信号，每片桨叶构成一个第一TTL脉冲信号；

所述第二光敏器件(5)输出的电流信号由第二电流转电压电路(17)按第二自动增益电路(19)输出的增益进行放大并转换为电压信号，电压信号经过第二电压放大电路(18)按一定比例放大后由第二阀值比较器(20)进行比较后整形为第二TTL信号，每片桨叶构成一个第二TTL脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置，其特征在于还包括滤光镜片(2)，所述滤光镜片(2)滤除工作波长范围外的光线后交由成像棱镜(3)进行聚光。

3.根据权利要求2所述的一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置，其特征在于还包括平光镜片(1)、外壳(8)、电池盒(11)以及手柄(12)，所述外壳(8)由前端圆形镜筒和后端方形壳体拼装而成，所述平光镜片(1)、滤光镜片(2)、成像棱镜(3)、光电转换电路板(6)按顺序安装于外壳(8)的前端圆形镜筒内，所述电信号调理电路板(7)、信号处理板(10)、电池盒(11)安装于外壳(8)的后端方形壳体内部，所述显示屏(9)安装于外壳(8)的后端方形壳体后面板上，所述手柄(12)安装于外壳(8)后端方形壳体下面板上，第一光敏器件(4)、第二光敏器件(5)焊接于光电转换电路板(6)上。

4.根据权利要求1所述的一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置，其特征在于所述电信号调理电路板(7)还包含逻辑电路(21)；

第一TTL脉冲信号、第二TTL脉冲信号经过逻辑电路(21)进行逻辑合成后输出，所述逻辑合成包含以下四个方式：

1)根据第一TTL脉冲信号或第二TTL脉冲信号的脉冲宽度获得桨叶根部的叶片宽度；

2)根据同一桨叶对应的第一TTL脉冲信号和第二TTL脉冲信号的下降沿的时间差获得桨叶锥体挥舞大小；

3)、根据相邻桨叶对应的第一TTL脉冲信号下降沿或相邻桨叶对应的第二TTL脉冲信号的下降沿的时间差获得桨叶摆动大小；

4)、根据第一片桨叶和最后一片桨叶对应的第一TTL脉冲信号下降沿或者根据第一片桨叶和最后一片桨叶对应的第二TTL脉冲信号下降沿的时间差获得直升机旋翼旋转周期。

5.根据权利要求1至4所述的任一一种手持式直升机旋翼轨迹测量装置的测量方法，包含以下步骤：

一、在直升机旋翼运转情况下，将手持式直升机旋翼轨迹测量装置瞄准直升机旋转桨叶的根部；

二、成像棱镜(3)对直升机桨叶旋转经过测量装置上方造成光学强度变化进行采集后由第一光敏器件(4)、第二光敏器件(5)感受光线的强度，并按光线强度的大小成比例的输出电流信号；

三、光电转换电路板(6)将第一光敏器件(4)、第二光敏器件(5)输出的电流信号分别由自动增益电路输出的增益进行放大并转换为电压信号，电压信号经过电压放大电路放大一定倍数，由阀值比较器进行比较后整形为两路TTL信号，根据单片桨叶在测量装置上方造成的电流变换形成第一TTL脉冲信号、第二TTL脉冲信号，两路脉冲信号经过逻辑合成后输出；

四、TTL脉冲信号由信号处理板(10)进行分析处理，如果信号处理板(10)持续接收到稳定的TTL脉冲信号，显示屏(9)显示测量开始；如果信号处理板(10)接收到TTL脉冲信号出现跳动，显示屏(9)提示调整瞄准方向，直至显示屏(9)显示测量开始；

五、显示屏(9)显示测量开始后，信号处理板(10)计算出直升机旋翼轨迹的锥体挥舞值和摆动值结果并通过显示屏(9)进行显示。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于所述步骤二前先由滤光镜片(2)滤除工作波长范围外的光线。

7.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于所述步骤三中所述逻辑合成包括以下方式；

1)根据第一TTL脉冲信号或第二TTL脉冲信号的脉冲宽度获得桨叶根部的叶片宽度；

2)根据同一桨叶对应的第一TTL脉冲信号和第二TTL脉冲信号的下降沿的时间差获得桨叶锥体挥舞大小；

3)根据相邻桨叶对应的第一TTL脉冲信号的下降沿或者相邻桨叶对应的第二TTL脉冲信号的下降沿的时间差获得桨叶摆动大小；

4)根据第一片桨叶和最后一片桨叶对应的第一TTL脉冲信号的下降沿或者根据第一片桨叶和最后一片桨叶对应的第二TTL脉冲信号的下降沿的时间差获得直升机旋翼旋转周期。