CN104500503A - 一种航空液压系统多点多变量分层混合网络检测体系 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空液压系统多点多变量分层混合网络检测体系，该体系包括：多个应变传感器节点，多个振动传感器节点，以及压力传感器节点、流量传感器节点、温度传感器节点、转速传感器节点和基站。本发明的传感器节点以无线传感器节点为主，可以融合有线传感器节点。本发明可检测飞机液压动力系统的压力、流量、温度和航空液压泵的转数等数据，用于检测飞机液压动力系统的基本故障，并监测运行；可检测航空液压泵、管路及作动器的振动、应力应变数据，为飞机液压动力系统运行状态评估及临界振动失稳预测提供更为全面的数据。所构建的网络检测体系可实现智能自适应组网，大大减小了资源浪费，自动化程度高、可拓展性强、故障修复能力强。

Description

一种航空液压系统多点多变量分层混合网络检测体系

技术领域

本发明涉及航空液压动力系统安全、健康监测及故障预估领域和一般液压动力系统的安全监测，尤其涉及一种航空液压系统多点多变量分层混合网络检测体系。

背景技术

液压动力系统是飞机动力系统中非常重要的组成部分，在飞机安全飞行及健康服役中起着重要作用。飞机液压动力系统主要由航空液压泵、蓄能器、溢流阀、作动器及航空液压管路组成，液压动力系统的故障和失效会严重影响飞机飞行安全。统计表明，在我国，液压动力系统是飞机故障率最高的子系统，军用飞机事故的30％左右与之相关，而民用飞机液压系统的故障率则高达36.7％。液压动力源及管路的振动问题是导致飞机液压动力系统故障频发的一个重要因素。航空液压泵的流量脉动和机械振动，高压油流经弯管、节流口等复杂流道激发的高频湍流，作动器受到的外界强迫振动等，是飞机动力系统产生振动的根源。这些因素的交叉耦合作用，使得飞机液压动力系统振动的幅值和频率变化很大。甚至在某些工况下，导致管路谐振失稳，造成管夹支架支撑失效、连接松动、管路破裂等类事故的频繁发生。对飞机液压动力系统做准确的故障诊断以及精确地预估故障发生的可能性是减小故障发生的一个有效办法，影响故障检测、故障类型判断和故障定位效果的因素包括数据检测的及时性、早期检测的灵敏度、故障误报率和漏报率、故障分离能力、故障辨识能力、检测系统的鲁棒性和自适应能力。

常见的对飞机液压动力系统故障数据的检测大多基于有线式传感器，这需要大量布线以提供电力传输和数据通信，而且传感器类型单一，数据监测点不全面，系统灵活性低，网络结构复杂，因此在应用中，曾出现故障漏报、误报，或者因为数据拥塞而导致监控雪崩，最终发生机毁人亡的事故。

因此，构建一种航空液压系统多点多变量分层混合网络检测体系，能够实时、全面、准确地检测飞机液压动力系统的一些性能指标，如系统的压力、流量、温度和航空液压泵的转速，以及航空液压泵、管路、管路支架及执行机构的振动和应力应变数据，并使其能够最大限度地节约网络资源，提高传输效率是很有必要的。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，以及提高航空飞行安全的强烈需求，本发明提供一种航空液压系统多点多变量分层混合网络检测体系。其主要特点是：

一、将无线检测传感器节点与有线检测传感器节点组合使用，在增加传感器节点数量的同时，减少了数据传输线路；

二、全面检测系统压力、流量、温度及航空液压泵的转速参数，并多点检测航空液压泵、管路等的振动、应力、应变参数，得到更完善的动力系统运行数据；

三、采用分层式混合网络结构，最大限度地利用网络资源，实现数据的快速传输；

四、传感器节点具有工作模式和睡眠模式，当传感器节点处于睡眠模式时，无数据上传到检测体系中，减小了数据传输量，降低了能量损耗；

五、具有自适应组网功能，对所有处于工作模式的传感器节点根据一定的规律进行自组网，提高了网络工作效率。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种航空液压系统多点多变量分层混合网络检测体系，该体系涉及硬件设备包括压力传感器节点4，流量传感器节点3，温度传感器节点6，应力应变传感器节点5，振动传感器节点2，转速传感器节点1和基站；所述传感器质量应远小于被测物体的质量；所述振动传感器为三轴振动传感器；所述三轴是指水平、竖直、轴向三个方向：所述基站是具有无线信号收发功能能够移动的上位机或工控机，所述基站应处于所有无线传感器的通讯范围以内，能够实时控制所有网络内的传感器节点；

该体系具体内容包括以下步骤：

一、转速传感器节点1安装在航空液压泵的输入轴上；振动传感器节点2分别安装在航空液压泵、液压管路、管路支架和执行机构上；流量传感器节点3和压力传感器节点4安装在航空液压泵高压油出口管路上；应力应变传感器节点5安装在液压管路系统上和执行机构上；温度传感器节点6安装在油箱上；在航空液压泵的输入轴上布置一个转速传感器节点1，在液压泵的底座、后端盖、前端盖和高压油出口各布置一个振动传感器节点2；振动传感器节点2和应力应变传感器节点5的具体安装位置和数量应根据实际被测系统的振动特性确定，但相邻两个同类传感器节点的间距不应大于1.5米；在航空液压泵高压油出口管路分别安装一个流量传感器节点3和一个压力传感器节点4，在管路外壁上多点布置振动传感器节点2和应力应变传感器节点5，在每个泵口管路支架上布置一个振动传感器节点2，在支架两侧各安装一个应力应变传感器节点5；在动力传输管路上主要布置振动传感器节点2、应力应变传感器节点5，并在管路支架上安装振动传感器节点2，在支架两侧安装应力应变传感器节点5；在执行机构的外壳上安装振动传感器节点2和应力应变传感器节点5；

二、所述的动力传输管路是指动力源泵口管路末端至执行机构之间的高低压液压管路，振动传感器节点2和应力应变传感器节点5的数量由动力传输管路的长短、管路的空间型式以及管路支撑位置决定，先通过振动数值模态分析确定每段管路测点的数量和位置，再根据振动实验模态分析结果予以调整；

三、同类传感器节点之间按照分层网络拓扑结构自组网，不同类传感器节点用不同区段的ID加以区分，基站位于网络拓扑结构的顶层，最外层的传感器节点位于网络拓扑结构的底层，基站与第二层传感器节点间是以星型网络拓扑结构通信，也就是指基站与簇首间是以星型网络拓扑结构通信，每个簇内部以多跳式的网状网络拓扑结构进行通信；

四、按照数据的不同应用，将传感器节点上传数据的优先等级分为三级，所有数据按照优先等级自动排序上传；

所述的传感器节点上传数据的优先等级为：

第一级是优先上传级，上传液压动力系统的压力、流量、温度和航空液压泵的转速等数据，用于检测飞机液压动力系统的基本故障，并监测运行；

第二级是次优上传级，上传航空液压泵、管路及作动器的振动数据；

第三级是最次上传级，上传液压管路的应力应变数据；

第二级和第三级上传的数据主要用于飞机液压动力系统运行状态评估及临界振动失稳预测，基站可以根据振动数据，综合采集到的其它数据，评估液压动力系统运行状态，分析判断液压系统各个部位是否处于或接近临界失稳状态；

所述的传感器节点包括无线传感器节点和有线式传感器节点，无线传感器节点参与无线自动组网形成无线网络，有线传感器节点与基站直接有线连接，不参与无线组网；

所述的无线传感器节点是由电源模块、传感器模块、微型处理器模块、存储模块和无线传输模块构成，其中电源模块是通过电池、直流电源或JTAG接口供电；微型处理器模块植入了协议栈程序代码，且底层驱动程序和应用层开发程序都嵌入到了协议栈中；

所述的无线传感器节点有采集模式和睡眠模式两种工作模式，在采集模式下，传感器节点采集并上传数据，同时负责传送其它经过该传感器节点的数据，如果一定时间内没有接收到任何工作任务，该传感器节点自动进入睡眠模式；在睡眠模式下，传感器节点处于低能耗状态，不参与工作。

本发明应用了多种类型的传感器节点，能够对系统的压力、流量、温度数据和振动、应力应变数据，进行多点全面检测。传感器节点以无线传感器节点为主，可以融合有线传感器节点；传感器节点具有良好的拓展性；该体系大多采用无线网络传输数据，使得检测具有良好的可移植性。

根据传感器节点采集和信号频率不同的特点，该网络体系采用分层式混合网络拓扑结构，分层式自组网只在同种类型无线传感器节点之间发生，不同类型无线传感器节点用不同区段的ID加以区分；无线网络的工作过程主要分为组网和数据采集两步。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种航空液压系统多点多变量分层混合网络检测体系，与现有技术相比具有这样的有益效果：

1.本发明所提供的一种航空液压系统多点多变量分层混合网络检测体系将无线检测传感器节点与有线检测传感器节点结合使用，减少了数据传输线路数量，增加了传感器节点数量和布置灵活度；

2.本发明可全面检测系统压力、流量、温度及航空液压泵的转速参数，并多点检测航空液压泵、管路等的振动、应力、应变参数，得到更完善的动力系统运行数据；

3.本发明采用分层式混合网络结构，最大限度地利用了网络资源，实现了数据的快速传输；

4.本发明中的基站可实时显示和控制所有传感器节点，压力、流量、温度和转速传感器节点作为基本故障监测元件，只要液压动力系统工作，即检测数据并上传到基站，但是对于测试振动的振动和应力应变传感器节点，由于振动是以波的形式传递的，在不同的波长和频段下，某一点的振动值一直处于振动平均值，因此，该点是测试不到数据的，在这种情况下，基站控制该传感器节点进入睡眠模式；

5.本发明具有自适应组网能力，随着液压动力系统工况变化，在一些工况下，必然会有一部分传感器节点没有数据上传到基站中，此时，该网络检测体系中，以前与这些处于睡眠模式的传感器节点构成网络的传感器节点，能够结合基站位置，采用就近原则，搜寻附近传感器，构建新的局部网络，然后再将数据上传到基站中。

附图说明

图1为一种航空液压系统多点多变量分层混合网络检测体系的传感器节点布置示意图；

图2为多类型多点网络拓扑结构示意图；

图3为无线传感器节点总体结构示意图；

图4为无线传感器节点工作流程图；

图5为本发明的无线网络工作流程图。

具体实施方案

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种航空液压系统多点多变量分层混合网络检测体系，图1为一种航空液压系统多点多变量分层混合网络检测体系的传感器节点布置示意图，本发明将航空液压动力系统分为动力源、动力传输管路和执行机构。本发明涉及硬件设备包括压力传感器节点4，流量传感器节点3，温度传感器节点6，应力应变传感器节点5，振动传感器节点2，转速传感器节点1和基站；所述传感器质量应远小于被测物体的质量，且均为三轴振动传感器，所述三轴是指水平、竖直、轴向三个方向：所述的基站具有无线信号收发功能能够移动的上位机或工控机，基站应处于所有无线传感器的通讯范围以内，能够实时控制所有网络内的传感器节点。

动力源由航空液压泵和泵口管路组成，航空液压泵的输入轴上布置转速传感器节点1，以检测液压泵转速；液压泵的底座、后端盖、前端盖和高压油出口是液压动力系统泵源部分的振动敏感区，分别布置一个振动传感器节点2；航空液压泵高压油出口管路安装流量传感器节点3、压力传感器节点4，以检测动力系统泵口流量及油液压力，此外，由于航空液压泵中的流量脉动及机械振动首先在泵口管路中传播，因此在管路外壁上多点布置振动传感器节点2，同时，在泵口管路支架上布置多个振动传感器节点2，支架两侧安装应力应变传感器节点5，以检测泵口管路管壁振动及应力应变数据。振动传感器节点2和应力应变传感器节点5的具体安装位置及数量应根据实际被测管路的特点确定，但相邻两个同类传感器节点的间距不应大于1.5米。动力传输管路是指动力源泵口管路末端至执行机构之间的高低压液压管路，大部分飞机液压动力系统的动力传输管路都比较长，这是飞机液压管路系统的一个显著特点，因此，这段管路主要布置振动传感器节点2、应力应变传感器节点5，并在管路支架上安装振动传感器节点2，支架两侧安装应力应变传感器节点5，以检测管路和支架上的振动数据。传感器的数量由动力传输管路的长短、管路的空间型式，以及管路支撑位置决定，本发明通过振动数值模态分析确定每段管路的测点的数量和位置，再根据振动实验模态分析结果稍作调整。执行机构主要由伺服阀和液压缸组成，液压缸根据功能需要与襟翼、副翼、扰流板、起落架等机构连接，飞机飞行过程中，这些机构承受气流扰动和其他的机械振动，会在液压缸上产生振动，进而导致整个执行机构振动，因此，本发明在执行机构的外壳上安装振动传感器节点2和应力应变传感器节点5。基站是指具有无线信号收发功能的上位机或工控机，它是可以移动的，但应处于所有无线传感器节点的通讯范围以内。

如图2所示是多类型多点网络拓扑结构示意图，图中不同形状代表不同类型的传感器节点，▲、■、●、★、◆代表簇首，△、□、○、☆、◇代表传感器节点。基站位于网络拓扑结构的顶层，最外层的传感器节点位于网络拓扑结构的底层。同类型的传感器节点通过自组织方式形成各个独立的簇，由簇首负责簇内节点的控制，并对簇内所收集的数据进行整合、处理。如果某个类型的传感器节点形成的簇首数量较多或某些簇首离基站较远，这些簇首仍然可以形成几个簇，再根据相应分簇算法选出簇首。基站与簇首间以星型网络拓扑结构进行通信，每个簇内部以多跳式的网状网络拓扑结构进行通信。由于每个传感器节点都有一条或多条路径与簇首通信，因此它的故障修复能力较强。

所述无线传感器节点，如图3所示，由电源模块、传感器节点模块、微型处理器模块、存储模块和无线传输模块构成。其中电源模块是通过电池、直流电源或JTAG接口供电；微型处理器模块植入了协议栈程序代码，且底层驱动程序和应用层开发程序都嵌入到了协议栈中。

图4为无线传感器节点工作流程图，无线传感器节点的工作过程主要包括以下步骤：

步骤1：启动传感器节点，传感器节点进行自动初始化；

步骤2：检测路由信号，如果检测到路由信号，执行相应的路由协议；如果一段时间内没有检测到路由信号，传感器节点进入睡眠模式；

步骤3：检测是否确定最优路径，如果确定了该节点的上传路径，基站上可以显示；

步骤4：当组网完毕后，基站可以控制每个节点的工作状态，如：开始采集、结束采集、睡眠或唤醒睡眠；

步骤5：当传感器节点处于无工作状态一定时间后，自动进入睡眠模式。

图5为本发明的无线网络工作流程图，本发明的无线网络工作过程主要包括以下步骤：

步骤1：在启动完毕所有传感器节点后，由基站广播路由信息；

步骤2：基站检测并显示组网动态，等待组网完毕；

步骤3：当组网完成形成无线网络后，基站发出信号采集的命令，各簇首依次将命令发送给簇内的网络节点；

步骤4：每个节点按照设定频率将采集的数据进行初步处理后编码反向发送给基站；

步骤5：基站对接收到的信号进行解码、特征提取、数据融合等处理，最后给出评估参数。

该发明不仅可以完成常规飞机检测手段可完成的任务，而且能为飞机液压系统评估数据库提供良好的数据采集手段。此外，本发明还可以进一步拓展到其他大型液压设备的健康状况检测。因此，在工业领域中，具有广阔的应用前景。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以同等替换或修改，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种航空液压系统多点多变量分层混合网络检测体系，该体系涉及硬件设备包括压力传感器节点(4)，流量传感器节点(3)，温度传感器节点(6)，应力应变传感器节点(5)，振动传感器节点(2)，转速传感器节点(1)和基站；所述传感器质量应远小于被测物体的质量；所述振动传感器为三轴振动传感器；所述三轴是指水平、竖直、轴向三个方向：所述基站是具有无线信号收发功能能够移动的上位机或工控机，所述基站应处于所有无线传感器的通讯范围以内，能够实时控制所有网络内的传感器节点；

该体系具体内容包括以下步骤：

一、转速传感器节点(1)安装在航空液压泵的输入轴上；振动传感器节点(2)分别安装在航空液压泵、液压管路、管路支架和执行机构上；流量传感器节点(3)和压力传感器节点(4)安装在航空液压泵高压油出口管路上；应力应变传感器节点(5)安装在液压管路系统上和执行机构上；温度传感器节点(6)安装在油箱上；在航空液压泵的输入轴上布置一个转速传感器节点(1)，在液压泵的底座、后端盖、前端盖和高压油出口各布置一个振动传感器节点(2)；振动传感器节点(2)和应力应变传感器节点(5)的具体安装位置和数量应根据实际被测系统的振动特性确定，但相邻两个同类传感器节点的间距不应大于1.5米；在航空液压泵高压油出口管路分别安装一个流量传感器节点(3)和一个压力传感器节点(4)，在管路外壁上多点布置振动传感器节点(2)和应力应变传感器节点(5)，在每个泵口管路支架上布置一个振动传感器节点(2)，在支架两侧各安装一个应力应变传感器节点(5)；在动力传输管路上主要布置振动传感器节点(2)、应力应变传感器节点(5)，并在管路支架上安装振动传感器节点(2)，在支架两侧安装应力应变传感器节点(5)；在执行机构的外壳上安装振动传感器节点(2)和应力应变传感器节点(5)；

二、所述的动力传输管路是指动力源泵口管路末端至执行机构之间的高低压液压管路，振动传感器节点(2)和应力应变传感器节点(5)的数量由动力传输管路的长短、管路的空间型式以及管路支撑位置决定，先通过振动数值模态分析确定每段管路测点的数量和位置，再根据振动实验模态分析结果予以调整；

三、同类传感器节点之间按照分层网络拓扑结构自组网，不同类传感器节点用不同区段的ID加以区分，基站位于网络拓扑结构的顶层，最外层的传感器节点位于网络拓扑结构的底层，基站与第二层传感器节点间是以星型网络拓扑结构通信，也就是指基站与簇首间是以星型网络拓扑结构通信，每个簇内部以多跳式的网状网络拓扑结构进行通信；

四、按照数据的不同应用，将传感器节点上传数据的优先等级分为三级，所有数据按照优先等级自动排序上传；

所述的传感器节点上传数据的优先等级为：

第一级是优先上传级，上传液压动力系统的压力、流量、温度和航空液压泵的转速等数据，用于检测飞机液压动力系统的基本故障，并监测运行；

第二级是次优上传级，上传航空液压泵、管路及作动器的振动数据；

第三级是最次上传级，上传液压管路的应力应变数据；

第二级和第三级上传的数据主要用于飞机液压动力系统运行状态评估及临界振动失稳预测，基站可以根据振动数据，综合采集到的其它数据，评估液压动力系统运行状态，分析判断液压系统各个部位是否处于或接近临界失稳状态；

所述的传感器节点包括无线传感器节点和有线式传感器节点，无线传感器节点参与无线自动组网，有线传感器节点与基站直接有线连接，不参与无线组网；

所述的无线传感器节点是由电源模块、传感器模块、微型处理器模块、存储模块和无线传输模块构成，其中电源模块是通过电池、直流电源或JTAG接口供电；微型处理器模块植入了协议栈程序代码，且底层驱动程序和应用层开发程序都嵌入到了协议栈中；

所述的无线传感器节点有采集模式和睡眠模式两种工作模式，在采集模式下，传感器节点采集并上传数据，同时负责传送其它经过该传感器节点的数据，如果一定时间内没有接收到任何工作任务，该传感器节点自动进入睡眠模式；在睡眠模式下，传感器节点处于低能耗状态，不参与工作。

2.根据权利要求1所述的一种航空液压系统多点多变量分层混合网络检测体系，其特征在于：所述无线传感器节点工作过程主要包括以下步骤：

步骤1：启动传感器节点，传感器节点进行自动初始化；

步骤2：检测路由信号，如果检测到路由信号，执行相应的路由协议；如果一段时间内没有检测到路由信号，传感器节点进入睡眠模式；

步骤3：检测是否确定最优路径，如果确定了该节点的上传路径，基站上可以显示；

步骤4：当组网完毕后，基站可以控制每个节点的工作状态，如：开始采集、结束采集、睡眠或唤醒睡眠；

步骤5：当传感器节点处于无工作状态一定时间后，自动进入睡眠模式。

3.根据权利要求1所述的一种航空液压系统多点多变量分层混合网络检测体系，其特征在于：所述无线网络工作过程主要包括以下步骤：

步骤1：在启动完毕所有传感器节点后，由基站广播路由信息；

步骤2：基站检测并显示组网动态，等待组网完毕；

步骤3：当组网完成形成无线网络后，基站发出信号采集的命令，各簇首依 次将命令发送给簇内的网络节点；

步骤4：每个节点按照设定频率将采集的数据进行初步处理后编码反向发送给基站；

步骤5：基站对接收到的信号进行解码、特征提取、数据融合等处理，最后给出评估参数。