CN105716837B - 一种基于psd光学成像的机载旋翼运动测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于PSD光学成像的机载旋翼运动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：在旋翼桨叶选定剖面的上表面选定特征点，安装不同光波长的LED，用以区分位置点，其中一点安装于旋翼桨叶的变距轴线上，作为旋翼桨叶的挥舞/摆振运动的测量基准；在桨毂上固定安装基于PSD元件的光学测量单元，调整其测量范围使其能够覆盖选定旋翼桨叶的最大运动范围；在地面上完成旋翼桨叶挥舞‑摆振‑扭转的单轴向运动和复合运动的校准试验，获得各种运动状态与PSD测量输出模拟量对应关系曲线，并拟合成位置校准方程，固化至数据处理程序当中。
Description
技术领域
本技术属于直升机试飞技术领域，涉及一种直升机旋翼运动测量技术。
背景技术
直升机旋翼运动的准确测量既是开展直升机空气动力学、飞行力学、结构力学研究和数值建模分析计算的基础，也是直升机型号设计、制造和试飞等工程问题的有效切入点。在试飞过程中对试验机旋翼运动参数的测量，对于解决直升机结构强度、飞行性能、飞行品质、结构动力学等专业内的多项问题具有很强的现实意义。
直升机旋翼桨叶是处于复杂环境下的柔性悬臂梁结构，其运动受操纵、气动、惯性力以及结构限制等影响，运行中的桨叶除了基本的挥舞、摆振和绕变距轴线的变距运动外，还呈现出三者之间的复杂气动弹性耦合等。
目前位移测量中常用的测量方法大致有以下几类：
机械法：如光学机械法、杠杆测量法等；
电学法：如电阻法、电容法、电感法等；
光电法：如干涉法、偏光法、扫描电镜等。
其中由于光电法具有安装简单，可靠性高，解算方便，精度较高的特点，成为近代该领域内研究较多的方法。美国、法国、德国、俄罗斯等国从上世纪中期就尝试采用了光测照相法、电位计法、应变法、加速度计法等方法对旋翼运动参数进行实测，获得了一定的工程成果和经验。美国在上世纪50年代CH-47、AH-1G、SA349/2等直升机机型进行旋翼系统载荷试飞中，采用高速相机和加速度计法，对包括旋翼桨叶运动参数、桨叶温度和压力分布等诸多飞行参数进行测量。在UH-60直升机上用旋转的电位计或类似的硬件设备来测量桨叶挥舞、振摆和变距运动。1995年，美国在UH-60A“黑鹰”直升机上，应用集流环供电，激光测距法对挥舞角作了直接测量，而摆振角则通过间接解耦计算得到。法国则在“海豚”系列直升机的研发和改进试验当中，采用电位计法对旋翼的挥舞、摆振运动参数进行测量。上世纪90年代德国也在MBB直升机试验中开发了基于应变和光测技术的复合旋翼运动测量系统，可对旋翼的挥-摆-扭运动参数进行测量。
1998年中国飞行试验研究院采用与旋翼同步旋转的悬臂结构安装向下照射的激光测距设备对桨叶的挥舞角、摆振角进行测量，成功应用于新机旋翼定型试飞。在此基础上改进研发出了XJC-1-03旋翼运动测量系统，提高了测试精度、范围和数据记录容量。在新机试飞中得到成功应用。但是在使用中也暴露出以下问题：
a)体积重量大，对试验机本身的性能、操稳特性产生一定的影响；
b)悬臂安装的激光测量探头仅能够对旋翼挥舞、摆振两种基本运动方式进行测量；
c)受悬臂限制，旋翼桨叶被测剖面半径位置不可能过大；
d)悬臂结构对直升机大机动飞行产生了额外的限制。
因此较理想的直升机旋翼运动测量技术应满足以下几个技术要求：
a)体积重量小，可方便安装在不同吨位试验直升机上，对载机的性能，操稳和机动能力影响小；
b)可同时获得完整的挥舞、摆振和扭转运动参数；
c)测量的剖面范围应覆盖整个桨叶展向，无需复杂的事后数据处理可直接提供物理量测量结果。
以下是对本发明中出现的缩略语的说明：
◆PSD：位置敏感探测器
◆LED：发光二极管
发明内容
本发明提供了一种基于PSD光学成像的机载旋翼运动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在旋翼桨叶选定剖面的上表面选定特征点，安装不同光波长的LED，用以区分位置点，其中一点安装于旋翼桨叶的变距轴线上，作为旋翼桨叶的挥舞/摆振运动的测量基准；
b)在桨毂上固定安装基于PSD元件的光学测量单元，调整其测量范围使其能够覆盖选定旋翼桨叶的最大运动范围；
c)在地面上完成旋翼桨叶挥舞-摆振-扭转的单轴向运动和复合运动的校准试验，获得各种运动状态与PSD测量输出模拟量对应关系曲线，并拟合成位置校准方程，固化至数据处理程序当中；
d)开展飞行试验，通过基于PSD元件的光学测量单元与旋翼桨叶的选定特征点上安装的LED，对直升机不同飞行条件和飞行方式下的旋翼桨叶运动进行测量，通过步骤c)确定的位置校准方程，给出实际的旋翼桨叶运动结果，并连同旋翼桨叶其它关键参变量一同计入采集器。
本发明的目的是为了开发一种可有效用于直升机旋翼运动试飞测试的技术，解决以往技术测量参数不全，测量范围有限，后期数据处理复杂，测量结果精度差等问题。
为了解决上述问题，对比了多种光学测试元器件，充分利用PSD的以下特点：无探测盲区，能够给出光斑在整个光敏面上移动的连续位置数据；分辨率高，响应速度快，线性度较好；信号处理电路相对比较简单；对光源、光学系统的要求较低、光谱响应范围宽等。确定采用PSD作为测量手段，解决直升机旋翼运动测量方面的诸多难题，开发基于PSD光学测量的机载直升机旋翼运动测量设备。
本发明的优点是：
a)采用全新的PSD光学测试原理，可同时完整获得挥舞、摆振和变距三个旋翼主要运动参数；
b)摒弃了传统的同步旋转悬臂安装的测量方式，体积减小，装机适用性大大增加；
c)可实现同时多个桨叶剖面的运动参数测量，准确反映旋翼复杂运动形式。
附图说明
图1为PSD成像基本原理示意图；
图2为PSD对旋翼桨叶挥舞/摆振运动测量原理示意图；
图3为PSD对旋翼桨叶扭转运动测量原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图2和3对具体实施方式进行细致说明：
a)桨叶特征点的选择和光点安装：一般根据试验目标确定桨叶关键测试剖面，在此剖面位置桨叶的上表面，选择前后两点作为特征点。其中靠近前缘的测点选择在关键剖面上表面与桨叶变距轴线(一般位于1/4弦长位置)的交点上，作为桨叶挥舞、摆振运动测量的基准点；后测点的选择无严格要求，但应保证与前测点有一定距离，便于获得较明显桨叶扭转运动的测量结果，且便于引线安装。在此两点牢固粘接不同光波长的LED。在桨叶表面上牢固敷设电源线至桨根，接直流电源；
b)桨毂PSD光学测量装置装机。使用转接件牢固安装PSD光学测量装置到旋翼桨毂顶部，使PSD光学探头(滤镜片+透镜组+PSD感光元件)对准被测桨叶。完成通电检查等准备工作；
c)地面桨叶运动校准试验。固定直升机机身，PSD光学测量装置上电开机，进入测试状态。使用地面专用的桨叶运动加载设备，分别驱动桨叶在挥舞、摆振和扭转三个轴向允许运动范围内进行单向和复合运动加载。使用全站仪或其他设备精确测量桨叶运动角度，并与PSD测量获得的桨叶LED测点运动模拟量进行一一对应，通过多元回归法建立关系方程，固化至处理采集设备中或事后数据处理设备中；
d)飞行状态的旋翼运动测量。PSD光学测量装置进入测试状态。直升机可在不同的飞行重量、重心条件下开展不同状态的飞行，通过桨叶运动方程的转化，最终获取对应的桨叶运动测量结果。
Claims (1)
1.一种基于PSD光学成像的机载旋翼运动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在旋翼桨叶选定剖面的上表面选定特征点，安装不同光波长的LED，用以区分位置点，其中一点安装于旋翼桨叶的变距轴线上，作为旋翼桨叶的挥舞和摆振运动的测量基准；
b)在桨毂上固定安装基于PSD元件的光学测量单元，调整其测量范围使其能够覆盖选定旋翼桨叶的最大运动范围；
c)在地面上完成旋翼桨叶挥舞、摆振或扭转的单轴向运动和复合运动的校准试验，获得各种运动状态与PSD测量输出模拟量对应关系曲线，并拟合成位置校准方程，固化至数据处理程序当中；
d)开展飞行试验，通过基于PSD元件的光学测量单元与旋翼桨叶的选定特征点上安装的LED，对直升机不同飞行条件和飞行方式下的旋翼桨叶运动进行测量，通过步骤c)确定的位置校准方程，给出实际的旋翼桨叶运动结果，并计入采集器。
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