CN104296829A - 基于机体坐标系的油位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种基于机体坐标系的油位测量方法，旨在提供一种稳定、可靠，能够提高测量精度的油位测量方法。本发明通过下述技术方案予以实现：建立姿态信息的燃油质量特性数据库和一条垂直XY平面并称之为虚拟传感器的直线；然后将测量过程中各油量传感器等效为直线，同时通过传感器的安装位置，建立基于机体坐标系的虚拟传感器直线方程，再通过大于3个布置于不同部位的线性电容式油量传感器测量浸油油面高度，结合油面角测量，获取油面上三个点的坐标，得到油面姿态角和油面方程，采用油面方程和虚拟传感器直线方程获取线面的交点坐标，然后通过燃油质量特性数据库表征油面高度、油面角与燃油量对应关系，最后经三维线性插值解算得到油量测量结果。

Description

基于机体坐标系的油位测量方法

技术领域

本发明涉及一种主要用于测量油箱横截面相对较大的飞行器燃油量的方法。

背景技术

现有技术为了描述飞机的运动状态，必须选择适当的坐标系。例如，飞机相对于地面的位置，就必须采用地面坐标系；飞机的转动用机体坐标系表示。固定在飞行器或者飞机上的遵循右手法则的三维正交直角坐标系称为机体坐标系，其原点位于飞行器的重心，OX轴位于飞行器参考平面内平行于机身轴线并指向飞行器前方，OY轴垂直于飞行器参考面并指向飞行器右方，OZ轴在参考面内垂直于XOY平面，指向航空器上方。燃油量是飞行器最大的可变重量，一般飞行器燃油量占全机重量的30％～60％之间，通过对飞行器中各个油箱燃油量的精确测量，可以对燃油在各油箱的分布进行调整，实现飞行器重心控制，确保飞行器重心保持在所允许范围之内，而飞行器重心偏差对飞行性能影响巨大，轻则由于需要平尾配平增加飞行阻力，增加油耗，影响经济性，重则影响操稳，带来安全性问题。另一方面，精确的燃油量测量是实施科学飞行管理的需要。实时、准确测量油箱中的剩余油量可以精确计算飞行器续航时间，保证飞行器安全飞行；飞行前必须根据飞行任务制定加油量，如果油量测量误差大(小型飞机一般会达到几十公斤甚至上百公斤，大型民机一般会达到几百公斤甚至更多)，为了保证飞行安全不得不增加加油量，对飞机而言，会降低其有效载重量，航程和飞行半径；对大型民机而言，会降低飞行器载重，影响飞行经济性，据有关文献报道，燃油测量精度只要每提高0.5％，就可以至少增加2～3名乘客。

目前，国内外最常见的飞行器燃油量测量方式为：首先依据油箱之间燃油的串通性能及翼肋的密封性能对整个油箱进行分块，各块油量之和即为总油量；再对每块通过遍布于不同部位的线性电容式油量传感器(以下简称油量传感器)测量油面高度，然后查询表征油面高度、燃油量等对应关系的燃油油量曲线，最后经插值解算、信息后处理得到油量测量结果。根据测量原理可知，油量高度和燃油油量曲线是获取油量的主要依据。传统的测量方法中，油量高度是通过油量传感器的浸油高度直接获得的，燃油油量曲线主要是通过地面试验台结合机上的实际情况进行加放油获得。然后通过浸油高度查询通过试验获得的油量曲线得到实际油量。为了保证各种常见飞行姿态下通过油量传感器获得有效、稳定、高精度的油面高度值，除了要提高油量传感器本身可靠性和测量精度，确定合理的油箱内油量传感器布置方式以外，更重要的是需要一种合理准确的测量技术。综上所述，现有技术的油量测量通过地面试验获取数据库精度较差，在飞行器有飞行姿态的情况下油量测量误差较大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的油量测量技术通过地面试验获取数据库精度较差，在飞行器有飞行姿态的情况下油量测量误差较大的不足之处，提供一种稳定、可靠，能够提高飞行中油量测量的精度，基于机体坐标系下将油量传感器数字化，查询更为详细的数据库，进而提高测量精度的油位测量方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种基于机体坐标系的油位测量方法，其特征在于包括如下步骤：在计算机平台中，建立包括姿态信息的燃油质量特性数据库，为简化燃油质量特性数据库，创建一条垂直于XY平面并称之为虚拟传感器的直线；然后将测量过程中各个线性电容式油量传感器(以下简称油量传感器)等效为直线，同时通过油量传感器的安装位置，建立基于机体坐标系的虚拟传感器直线方程，再通过大于3个布置于不同部位的油量传感器测量浸油油面高度，结合油面角测量，获取油面上三个点的坐标，得到油面姿态角和油面方程，采用油面方程和虚拟传感器直线方程获取线面的交点坐标，然后通过查询已经建立的燃油质量特性数据库表征油面高度、油面角与燃油量对应关系，最后经三维线性插值解算得到油量测量结果，而获得油箱内的油量。

本发明相比于传统的测量方法，具有如下有益效果：

1.获取质量特性数据库的成本较低。本发明通过油面方程和虚拟传感器直线方程得到线面的交点坐标，以此虚拟传感器的浸油高度获取油箱内的油量，经油量传感器的高精度以及合理的布置，可以准确的测量出油面高度和油面角信息。通过建立包括姿态信息的燃油质量特性数据库，并尽量的简化数据库使其数据量尽量小，可便于硬件实现。通过计算机对油液模型进行小步长切片获取一种状态下的数据库，可以减少地面的加放油试验获取油量曲线的工作量，同时获取数据库的精度也会有较大提高，因为计算机获取有效减小了加放油试验中各型计量设备的误差。

2.具有姿态修正功能。本发明通过遍布于不同部位的电容式油量传感器测量油面高度，结合油面角测量，然后查询表征油面高度、油面角与燃油量对应关系的燃油质量特性数据库，最后经三维线性插值解算得到油量测量结果。在不同的飞行姿态下，三个或以上的油量传感器可以确定三个或三个以上的浸油高度，即至少可以确定油平面上三个点的坐标，而基于这三个点的坐标就可以得到油平面的方程，通过此方程可以得到油面滚转角和俯仰角。然后根据计算出的参考高度、滚转角、俯仰角作为查询质量特性数据库的输入，通过插值的方法可以计算出当前时刻的燃油油位信息，可有效大幅的提高飞行中油量测量的精度。

附图说明

图1是本发明基于机体坐标系的油位测量流程图。

图2是本发明油量传感器浸油高度示意图。

图3是本发明油量传感器与油平面相交示意图。

图4是本发明三个油量传感器确定燃油平面示意图。

图5是本发明求取虚拟传感器浸油高度示意图。

图6是本发明油量测量三维线性插值算法原理示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在计算机平台中，首先建立一个包括姿态信息的燃油质量特性数据库。为简化燃油质量特性数据库，创建一条垂直于XY平面并称之为虚拟传感器的直线；然后通过测量系统对油量传感器进行采样，得到油量传感器的电容值，其次，解算图2所示油量传感器的浸油高度，将测量过程中各个油量传感器等效为直线，同时通过油量传感器的安装位置和油位高度，建立基于机体坐标系的虚拟传感器直线方程，再通过布置的大于3个的油量传感器浸油高度，通过油量传感器的浸油高度可以得到图3所示油量传感器与燃油平面的交点坐标和各个油量传感器的坐标位置、油量传感器与燃油平面的交点坐标、油量传感器浸油高度和虚拟传感器的坐标位置作为燃油油位测量的基本输入，从而获取油面上三个点的坐标。按图4所示，通过计算机平台结合三个油量传感器与燃油平面的交点坐标计算出油平面方程，得到油面姿态角和油面方程，通过油平面方程可以得到滚转角和俯仰角信息。采用油面方程和虚拟传感器直线方程获取线面的交点坐标。根据图5所示求取虚拟传感器浸油高度，通过油量传感器和虚拟传感器的坐标位置，结合求取的油面角信息将各个油量传感器的浸油高度映射到虚拟传感器的参考高度，这样求得了参考高度和油面角信息，查询质量特性数据库基本输入已经具备，但是数据库并不是连续的，根据基本输入不一定直接可以查到对应的油位信息。应用图6所示油量测量三维线性插值算法原理，在计算机平台中使用三维的线性插值方法，查询表征参考高度、油面角与燃油量对应关系的燃油质量特性数据库得到油位测量结果。通过查询已经建立的燃油质量特性数据库，即可获得油箱内的油量。

参阅图2。油量传感器的基本原理是由两根直径不同的同心薄璧金属管组成，因为燃油与空气的介电常数有较大差异，根据油量传感器的输出电容可以计算出其浸油高度。

油量传感器电容公式为：

$C_t=C_0+\mathrm{\ΔC}=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0(H-h)}{h\frac{R2}{R1}}+\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{t}h}{h\frac{R2}{R1}}=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{0}H}{h\frac{R2}{R1}}+\frac{2\mathrm{\π}({\mathrm{\ϵ}}_t-{\mathrm{\ϵ}}_0)h}{h\frac{R2}{R1}}$

式中，R2—外电极的内径；R1—内电极的外径；h—液面高度；H—油量传感器最大测量高度；εt—燃油的介电常数(F/m)；ε0—空气的介电常数(F/m)，C0—油量传感器在空气中的电容值；△C—浸油后油量传感器增加的电容值。

在实际测量系统中，将油量传感器感受到的信号进行变换，对变换输出的电压进行计算得到油量传感器液面高度，结合电容的计算公式可以得到油量传感器的浸油高度为：

$\begin{array}{c}{h}_t=\frac{V_t-V_0}{V_m-V_0}H=\frac{{\mathrm{KC}}_t-{\mathrm{KC}}_0}{{\mathrm{KC}}_m-{\mathrm{KC}}_0}H=\frac{(\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0(H-h)}{h\frac{R2}{R1}}+\frac{2{\mathrm{\π\ϵ}}_{t}h}{h\frac{R2}{R1}})-\frac{2{\mathrm{\π\ϵ}}_{0}H}{h\frac{R2}{R1}}}{\frac{2\mathrm{\π\ϵH}}{h\frac{R2}{R1}}-\frac{2{\mathrm{\π\ϵ}}_{0}H}{h\frac{R2}{R1}}}H=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0(H-h)+{\mathrm{\ϵ}}_{t}h-{\mathrm{\ϵ}}_{0}H}{\mathrm{\ϵH}-{\mathrm{\ϵ}}_{0}H}H\\ =\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{t}h-{\mathrm{\ϵ}}_{0}h}{\mathrm{\ϵH}-{\mathrm{\ϵ}}_{0}H}H=\frac{({\mathrm{\ϵ}}_t-{\mathrm{\ϵ}}_0)h}{\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\ϵ}}_0}\end{array}$

其中：h—真实液面高度；ht—计算液面高度；K—油量传感器通道放大倍数；V0—传感器通道零位校准时输出电压；Vm—传感器通道满位校准时输出电压；εt—燃油的介电常数(F/m)；ε—满位校准时的介电常数(F/m)；ε0—空气的介电常数。

参阅图3。在机体坐标系下油量传感器安装在指定的坐标：油量传感器的上下端点坐标位置上，可以等效为一条直线，通过端点坐标可以确定直线方程，根据油量传感器的浸油高度和长度，结合油量传感器的直线方程可以得到其与油平面的交点为：

式中：x_C1、y_C1、z_C1—油量传感器上端点坐标；x_C2、y_C2、z_C2—油量传感器下端点点坐标；—油量传感器轴线与燃油油平面交点的坐标；H—油量传感器感应油面高度；L—油量传感器长度。

参阅图4。三个油量传感器的浸油高度确定燃油平面。当油箱内有三个及三个以上油量传感器测量到有效油位时，可以得到三个油量传感器与同一个燃油平面的三个交点A、B、C，这三个点坐标为A(X1，Y1，Z1)、B(X2，Y2，Z2)、C(X3，Y3，Z3)。得到了这三个点坐标就可以依此建立油平面方程，得到油面角信息。平面的法线向量为：

$\begin{array}{c}\stackrel{\→}{n}=\stackrel{\→}{A}B\×\stackrel{\→}{A}C=\left|\begin{array}{ccc}\stackrel{\→}{i}& \stackrel{\→}{j}& \stackrel{\→}{k}\\ X2-X1& Y2-Y1& Z2-Z1\\ X3-X1& Y3-Y1& Z3-Z1\end{array}\right|=\{(Y2-Y1)(Z3-Z1)-(Y3-Y1)(Z2-Z1)\}\stackrel{\→}{i}+\{(Z2-\\ Z1)(X3-X1)-(X2-X1)(Z3-Z1)\}\stackrel{\→}{j}+\{(X2-X1)(Y3-Y1)-(Y2-Y1)(X3-X1)\}\end{array}$

依据法线向量得到平面方程为：

{(Y2-Y1)*(Z3-Z1)-(Y3-Y1)*(Z2-Z1)}*(X-X1)+{(Z2-Z1)*(X3-X1)-(X2-X1)*(Z3-Z1)}*(Y-Y1)+

{(X2-X1)*(Y3-Y1)-(Y2-Y1)*(X3-X1)}*(Z-Z1)＝0

推出：

{(Y2-Y1)*(Z3-Z1)-(Y3-Y1)*(Z2-Z1)}*X+{(Z2-Z1)*(X3-X1)-(X2-X1)*(Z3-Z1)}*Y+

{(X2-X1)*(Y3-Y1)-(Y2-Y1)*(X3-X1)}*Z+D＝0

设其中未知数常数项分别为a、b、c，则有：aX+bY+cZ+D＝0，设平面与三个坐标轴的交点为Mx(X’,0,0)，My(0,Y’,0)，Mz(0,0,Z’)，代入方程：则X’＝-D/a，Y’＝-D/b，Z’

＝-D/c，

当(a、b、c)≠0时，俯仰角α＝arctg(a/c)，横滚角β＝arctg(b/c)

当a＝0，(b、c)≠0，α＝0，β＝arctg(b/c)

当b＝0，(a、c)≠0，α＝arctg(a/c)，β＝0。

参阅图5。虚拟传感器浸油高度求取的过程。虚拟传感器创建的目的是简化燃油质量特性数据库，并且使质量特性数据库的建立与油量传感器的布局相互独立。油量传感器的布局在任何位置都可以通过本方法求取出其对应的参考高度，即虚拟传感器的浸油高度。在建立质量特性数据库时就已经设定好虚拟传感器的位置，即已经确定其上下端点的坐标。理论上，此虚拟传感器可以布在任何位置，但是经验上选择位置时一般布于油箱截面的形心上，选择其为垂直于XY平面的直线则是为了简化计算考虑。根据图5可知实体油量传感器和虚拟传感器和油平面都有一个交点，通过油面方程和虚拟传感器的直线方程可求得当虚拟传感器于油平面的交点，即可以得到虚拟传感器的浸油高度。

现以其中的一根实体油量传感器的浸油高度转换为虚拟传感器浸油高度为例，依据求取的油面角和实体油量传感器3与油平面的交点可得油平面方程为：

假设虚拟传感器的底点和顶点坐标分别为：(x₁、y₁、z₁)和(x₂、y₂、z₂)，则虚拟传感器方程为：

$\frac{x-x_1}{x_2-x_1}=\frac{y-y_1}{y_2{-y}_1}=\frac{z-z_1}{z_2-z_1}=t---\left(2\right)$

为求油平面与虚拟传感器的交点坐标，将式(1)与12)联立求解得到：

则交点坐标(x_i、y_i、z_i)为：

再由求得的虚拟传感器与油平面的交点(x_i、y_i、z_i)与虚拟传感器底点(x₁、y₁、z₁)(此坐标在建立数据库时已经确定)之间的距离求得基于虚拟传感器的油面高度：

$H_I=\sqrt{{(x_i-x_1)}^2+{(y_i-y_1)}^2+{(z_i-z1)}^2}---\left(5\right)$

在安装多根油量传感器油箱中，依据每个实体油量传感器的浸油高度求得虚拟传感器的浸油高度，然后求取该虚拟传感器的平均浸油高度(即油面参考高度)，当某个油量传感器有故障时，则剔除该油量传感器。

参阅图6。油量测量三维线性插值算法原理的实现过程。在布置的大于或等于3个油量传感器的油箱内，参照图4可以获得获取油面上三个点的坐标，并得到油面姿态角和已建立的油面方程，参照图5通过油面方程和虚拟传感器直线方程得到线面的交点坐标，即油面的参考高度，然后由计算机系统查询已经建立的存储于硬件里的燃油质量特性数据库，而获得油箱内的油量。

同过上述的计算与求解得到了在机体坐标下虚拟传感器的高度和油面角信息，这样就获得燃油质量特性数据库输入条件。燃油质量特性数据库是一些离散点构成的，为了获得准确获油量信息要通过三维插值算法进行油量信息解算。插值运算是已知燃油质量特性数据库输入条件：油位、油面滚转角、油面俯仰角，插值计算油量的过程。对于给定一组油位高度h、油面俯仰角α、油面滚转角β(以(h,α,β)形式表示)，在燃油质量特性数据库中能够搜索到与其相邻的8组数据，分别为(h_i,α_i,β_i)、(h_i,α_i+1,β_i)、(h_i,α_i,β_i+1)、(h_i,α_i+1,β_i+1)、(h_i+1,α_i,β_i)、(h_i+1,α_i+1,β_i)、(h_i+1,α_i,β_i+1)、(h_i+1,α_i+1,β_i+1)，其满足条件h_i≤h≤h_i+1、α_i≤α≤α_i+1、β_i≤β≤β_i+1。i和(i+1)表示数据库中第i和第(i+1)个数据，通过已得到的数据(h,α,β)逐个对比数据库中的数据，可计算出i值。此8组数据是进行插值运算获得油量测量值的输入条件，对于采用何种插值算法需要根据油箱形状特征及插值精度要求、解算速度要求综合确定，由于燃油质量特性数据库建立时选取步长时着重考虑了步长间的线性度，所以本发明使用线性插值法进行三维插值计算。由8组数据三维线性插值得到最后的油量测量结果。

现以(h_i,α_i,β_i)和(h_i,α_i+1,β_i)插值得到(h_i,α,β_i)为例说明插值算法，其它插值过程依次类推。首先设：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\α}-{\mathrm{\α}}_i}{{\mathrm{\α}}_{i+1}-\mathrm{\α}}---\left(6\right)$

根据等比方程可得：

$\frac{(h_i,\mathrm{\α},{\mathrm{\β}}_i)-(h_i,{\mathrm{\α}}_i,{\mathrm{\β}}_i)}{(h_i,{\mathrm{\α}}_{i+1},{\mathrm{\β}}_i)-(h_i,\mathrm{\α},{\mathrm{\β}}_i)}=\mathrm{\λ}---\left(7\right)$

由式(7)可得：

$(h_i,\mathrm{\α},{\mathrm{\β}}_i)=\frac{(h_i,{\mathrm{\α}}_i,{\mathrm{\β}}_i)+\mathrm{\λ}(h_i,{\mathrm{\α}}_{i+1},{\mathrm{\β}}_i)}{1+\mathrm{\λ}}---\left(8\right)$

式(8)为线性插值计算公式，结合燃油质量特性数据库通过这样的插值即可得到机上燃油量信息。

Claims (10)

1.一种基于机体坐标系的油位测量方法，其特征在于包括如下步骤：在计算机平台中，建立包括姿态信息的燃油质量特性数据库，为简化燃油质量特性数据库，创建一条垂直于XY平面并称之为虚拟传感器的直线；然后将测量过程中各油量传感器等效为直线，同时通过油量传感器的安装位置，建立基于机体坐标系的虚拟传感器直线方程，再通过大于3个布置于不同部位的油量传感器测量浸油油面高度，结合油面角测量，获取油面上三个点的坐标，得到油面姿态角和油面方程，采用油面方程和虚拟传感器直线方程获取线面的交点坐标，然后通过查询已经建立的燃油质量特性数据库表征油面高度、油面角与燃油量对应关系，最后经三维线性插值解算得到油量测量结果，而获得油箱内的油量。

2.如权利要求1所述的基于机体坐标系的油位测量方法，其特征在于：通过油量传感器的浸油高度得到油量传感器与燃油平面的交点坐标和各个油量传感器的坐标位置、油量传感器与燃油平面的交点坐标、油量传感器浸油高度和虚拟传感器的坐标位置作为燃油油位测量的基本输入，从而获取油面上三个点的坐标。

3.如权利要求1所述的基于机体坐标系的油位测量方法，其特征在于：通过油量传感器和虚拟传感器的坐标位置，结合求取的油面角信息将各个油量传感器的浸油高度映射到虚拟传感器的参考高度，求得参考高度和油面角信息。

4.如权利要求1所述的基于机体坐标系的油位测量方法，其特征在于：在计算机平台中使用三维的线性插值方法，查询表征参考高度、油面角与燃油量对应关系的燃油质量特性数据库得到油位测量结果。

5.如权利要求1所述的基于机体坐标系的油位测量方法，其特征在于：当油箱内有三个及三个以上油量传感器测量到有效油位时，则可得到三个油量传感器与同一个燃油平面的三个交点A、B、C，这三个点坐标为A(X1，Y1，Z1)、B(X2，Y2，Z2)、C(X3，Y3，Z3)。

6.如权利要求1所述的基于机体坐标系的油位测量方法，其特征在于：根据油量传感器的浸油高度和长度，结合油量传感器的直线方程，得到与油平面的交点为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{CA}}=\frac{x_{C1}-x_{C2}}{L}H+x_{C2}\\ y_{\mathrm{CA}}=\frac{y_{C1}-y_{C2}}{L}H+y_{C2}\\ z_{\mathrm{CA}}=\frac{z_{C1}-z_{C2}}{L}H+z_{C2}\end{array}\right.$

式中：x_C1、y_C1、z_C1—油量传感器上端点坐标；x_C2、y_C2、z_C2—油量传感器下端点点坐标；x_CA、y_CA、z_CA—油量传感器轴线与燃油油平面交点的坐标；H—油量传感器感应油面高度；L—油量传感器长度。

7.如权利要求1所述的基于机体坐标系的油位测量方法，其特征在于：实体油量传感器和虚拟传感器和油平面都有一个交点，通过油面方程和虚拟传感器的直线方程可求得当虚拟传感器于油平面的交点，即可得到虚拟传感器的浸油高度。

8.如权利要求1所述的基于机体坐标系的油位测量方法，其特征在于：在安装多根油量传感器油箱中，依据每个实体油量传感器的浸油高度求得虚拟传感器的浸油高度，然后求取该虚拟传感器的平均浸油高度，即油面参考高度，当某个油量传感器有故障时，则剔除该油量传感器。

9.如权利要求1所述的基于机体坐标系的油位测量方法，其特征在于：为获得准确获油量信息通过三维插值算法进行油量信息解算，燃油质量特性数据库是一些离散点构成的。

10.如权利要求1所述的基于机体坐标系的油位测量方法，其特征在于：对于给定一组油位高度h、油面俯仰角α、油面滚转角β，β以(h,α,β)形式表示，在燃油质量特性数据库中能够搜索到与其相邻的8组数据，分别为(h_i,α_i,β_i)、(h_i,α_i+1,β_i)、(h_i,α_i,β_i+1)、(h_i,α_i+1,β_i+1)、(h_i+1,α_i,β_i)、(h_i+1,α_i+1,β_i)、(h_i+1,α_i,β_i+1)、(h_i+1,α_i+1,β_i+1)，此8组数据是进行插值运算获得油量测量值的输入条件，且满足条件h_i≤h≤h_i+1、α_i≤α≤α_i+1、β_i≤β≤β_i+1；i和(i+1)表示数据库中第i和第(i+1)个数据，并通过已得到的数据(h,α,β)逐个对比数据库中的数据，计算出i值。