CN114180051A - 防止共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞的预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞的预警系统，包括桨叶实时测量系统、桨叶碰撞风险评估系统以及防止桨叶碰撞执行系统，其中，桨叶实时测量系统包括桨叶交汇时刻测量系统、上下桨尖距离测量系统、上桨尖定位系统。本发明还公开了基于上述预警系统的预警方法，通过上旋翼和下旋翼发生桨叶交汇的时刻的测量、上下旋翼桨叶交汇时刻的上下桨尖距离的测量以及上下旋翼桨叶交汇时刻的各上桨尖的位置坐标的测量，并将测量参数转化为交汇时刻上桨尖最低点坐标和下桨尖最高点坐标，结合桨叶挥舞铰的中心点或者桨叶根部不发生形变的位置点坐标，构造上极限锥面和下极限锥面，根据上下极限锥面之间的距离进行碰撞风险的评估，进行预警。

Description

防止共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞的预警系统及方法

技术领域

本发明涉及共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞预警技术，特别涉及一种防止共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞的预警系统及其预警方法。

背景技术

共轴双旋翼直升机与单旋翼直升机相比，具有体积小、结构紧凑、重量效率高、操纵机动性好等优点，被广泛应用于舰载直升机等军事用途。同时，由于共轴双旋翼外形紧凑、轮廓尺寸小，升限大，在战地环境下具有较小的雷达识别特征和受弹面，共轴双旋翼系统提高了旋翼战损时的安全系数，增强了战地生存能力。共轴双旋翼直升机在具备上述优点的同时，也带来了复杂的动力学问题，上下旋翼桨叶碰撞是共轴双旋翼直升机的一个致命隐患，因此，需要一种实时监测上下桨叶可能发生碰撞的预警方法。目前对于共轴直升机旋翼的研究集中在旋翼桨叶的形变以及旋翼桨尖位置的测量，暂未有一种综合的方法和参数来描述共轴直升机上下旋翼桨叶碰撞的危险程度，因此，需要一种综合描述桨叶可能发生危险碰撞的参数以及实现对该参数实时监测的方法，从而实现避免上下桨尖碰撞危险的安全预警，解决共轴双旋翼直升机安全保障系统亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种防止共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞的预警系统及其预警方法。本发明能对直升机航行状态上下桨叶碰撞风险进行实时评估，从而避免上下桨叶碰撞事故发生，提高共轴双旋翼直升机的安全性能。

本发明所采用的技术方案是：一种防止共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞的预警系统，所述共轴双旋翼直升机包括共轴连接的上旋翼和下旋翼，所述上旋翼包括若干个上桨叶，所述下旋翼包括若干个下桨叶，所述预警系统包括桨叶实时测量系统、桨叶碰撞风险评估系统以及防止桨叶碰撞执行系统，其中，所述桨叶实时测量系统包括桨叶交汇时刻测量系统、上下桨尖距离测量系统、上桨尖定位系统；

所述桨叶交汇时刻测量系统用于测量所述上旋翼和所述下旋翼发生桨叶交汇的时刻，并在桨叶交汇时刻获取同步时钟信息，将所述同步时钟信息传递至所述上桨尖定位系统、所述上下桨尖距离测量系统以及所述桨叶碰撞风险评估系统；

所述上下桨尖距离测量系统用于测量桨叶交汇时刻的上桨叶桨尖与下桨叶桨尖之间的距离，并将测量值传递至所述桨叶碰撞风险评估系统；

所述上桨尖定位系统用于测量桨叶交汇时刻所述上旋翼的各个上桨叶桨尖的位置坐标，并将所述上旋翼中上桨叶桨尖最低点传递至所述桨叶碰撞风险评估系统；

所述桨叶碰撞风险评估系统用于构建上极限锥面和下极限锥面，计算所述上极限锥面和所述下极限锥面的间距d值并进行碰撞风险的实时评估；

所述防止桨叶碰撞执行系统用于根据所述桨叶碰撞风险评估系统碰撞风险的实时评估进行飞行参数的调整，保证直升机处于安全飞行状态。

进一步地，所述桨叶交汇时刻测量系统包括角度传感器，所述角度传感器设置在直升机旋翼传动链中的任意位置，以获取所述上旋翼的相位和所述下旋翼的相位，从而确认所述上旋翼和所述下旋翼是否发生桨叶交汇。

进一步地，所述上下桨尖距离测量系统包括上测距传感装置和下测距传感装置，每个所述上桨叶桨尖的下表面上均设置所述上测距传感装置，每个所述下桨叶桨尖的上表面上均设置所述下测距传感装置，通过所述上测距传感装置和所述下测距传感装置测量桨叶交汇时刻的每个所述上桨叶的桨尖与该上桨叶交汇的所述下桨叶的桨尖之间的距离。

进一步地，所述上桨尖定位系统包括若干组位置测量装置，每个所述上桨叶均设置有一组所述位置测量装置，每组所述位置测量装置包括相互配合的目标靶矢和CCD图像测量装置，所述目标靶矢设置在所述上桨叶的桨尖，所述CCD图像测量装置设置在所述共轴的靠近所述上旋翼的轴端部位。

本发明所采用的另一技术方案是：一种基于上述防止共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞的预警系统的预警方法，包括以下步骤：

步骤1，安装并连接所述预警系统；

步骤2，所述共轴双旋翼启动，当所述上桨叶和所述下桨叶处于交汇区域时，所述桨叶交汇时刻测量系统获取所述上旋翼和所述下旋翼发生桨叶交汇的时刻以触发所述上下桨尖距离测量系统和所述上桨尖定位系统开始测量；

步骤3，所述上下桨尖距离测量系统获取桨叶交汇时刻的上桨叶桨尖与下桨叶桨尖之间的距离；所述上桨尖定位系统获取桨叶交汇时刻所述上旋翼的各个上桨叶桨尖的位置坐标，从而获得所述上旋翼中上桨叶桨尖最低点的坐标；

步骤4，根据桨叶交汇时刻所述上旋翼的各个上桨叶桨尖的位置坐标和桨叶交汇时刻的上桨叶桨尖与下桨叶桨尖之间的距离，计算得到所述下旋翼的各个下桨叶桨尖的位置坐标，从而获得所述下旋翼中下桨叶桨尖最高点的坐标；

步骤5，根据所述上旋翼中上桨叶桨尖最低点的坐标和所述下旋翼中下桨叶桨尖最高点的坐标，结合桨叶挥舞铰的中心点坐标或桨叶根部不发生形变的位置点坐标，构建上极限锥面和下极限锥面；

步骤6，计算所述上极限锥面与所述下极限锥面之间的间距d值；

步骤7，根据设定的阈值对d值进行判断：若d值大于阈值，则不进行预警和飞行参数的调整，并继续实时监测d值；若d值小于等于阈值，则调整飞行参数，保证直升机的安全飞行。

进一步地，步骤5中，所述的上极限锥面的构建方法为：以所述共轴的轴线为基准，当所述上旋翼的上桨叶为铰接式旋翼时，以所述上旋翼中上桨叶桨尖最低点与该最低点所在的上桨叶的挥舞铰中心点的连线为上极限锥面母线，当所述上旋翼的上桨叶为刚接式旋翼时时，以所述上旋翼中上桨叶桨尖最低点与该最低点所在的上桨叶根部不发生形变的位置点的连线为上极限锥面母线，构建与所述共轴的轴线同轴的锥面为上极限锥面；

所述的下极限锥面的构建方法为：沿所述共轴的轴线平移所述上极限锥面，并且使得平移后的锥面通过所述下旋翼中下桨叶桨尖最高点，得到下极限锥面。

进一步地，步骤6中，所述的d值的计算方法如下：

在通过所述上极限锥面母线的竖直平面内，设水平方向为x轴，所述共轴的轴线方向为z轴，构建上极限锥面母线方程z＝k(x-r)，其中，k为系数；r为上桨叶的挥舞铰中心点与所述共轴的轴线之间的距离，或者，为上桨叶根部不发生形变的位置点与所述共轴的轴线之间的距离；

所述竖直平面与所述下极限锥面的交线为下极限锥面母线，得到下极限锥面母线方程z＝k(x-r)-H_z，其中，H_z为所述上旋翼中上桨叶桨尖最低点与所述下旋翼中下桨叶桨尖最高点在z轴上的间距；

根据上极限锥面母线方程和下极限锥面母线方程，得到

本发明的有益效果是：

1.针对共轴双旋翼直升机可能出现的上下桨叶碰撞的致命威胁，在充分考虑桨尖交汇距离的大小随机性和位置不确定性的基础上，研究实时快速测量方法及其误差补偿措施，根据测量结果虚拟的上下极限锥面界定危险区域，实现了用单参数表达综合复杂危机程度的预警方法；

2.本发明提出的预警方案，包含了360度全方位所有交汇时刻可能发生危险碰撞的动态信息。不但其危险区域的界定随航行动态实时变化，而且该预警信息还可实现实时主动地拟制或解除直升机的危险飞行状态；

3.本发明提出的实时测量系统，能够实现桨叶交汇时刻的检测，并实现上下桨尖距离和上桨尖位置坐标的实时测量，为上下极限锥面的构造提供数据基础。

附图说明

图1：本发明防止共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞的预警系统结构示意图；

图2：本发明防止共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞的预警系统各个子系统工作关系示意图；

图3：本发明的共轴双旋翼直升机桨尖距离及上下极限构造锥面示意图；

图4：本发明的上下极限构造锥面的示例；

其中(a)为上桨叶桨尖最低点为C点、下桨叶桨尖最高点为D点时所构造的上下极限构造锥面；(b)为上桨叶桨尖最低点为A’点、下桨叶桨尖最高点为D’点时所构造的上下极限构造锥面；

图5：本发明的上下极限锥面母线方程及预警参数d的构造示意图。

附图标注：

1——桨叶交汇时刻测量系统； 2——上测距传感装置；

3——下测距传感装置； 4——CCD图像测量装置；

5——目标靶矢； 6——流线型整流罩；

7——桨叶碰撞风险评估系统； 8——防止桨叶碰撞执行系统；

9——上下桨尖距离测量系统； 10——上桨尖定位系统；

11——角度传感器； 12——第一高速处理器；

13——第二高速处理器； 14——第三高速处理器；

15——第四高速处理器； 16——飞行控制系统；

17——位置测量装置。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

共轴双旋翼直升机将旋向相反的两组旋翼，共装在同一轴线上，上旋翼和下旋翼旋转速度相同，方向相反。由于桨叶并非完全刚性的材料，故在飞行旋转过程中会产生一定的形变，旋转方向相反的上、下旋翼桨叶，受飞行速度、飞行方向、气象环境等因素的影响，其上下桨叶不同相位交汇时刻的实时桨尖距离是随机变化的。实际上，气象环境，航行参数的不同组合，还会引起旋翼的挥舞、摆振和扭转等复杂形变。不难想象，共轴双旋翼在不同相位的交汇点上，其桨尖实时距离不仅其大小随机变化，而且该距离在共轴轴线上投影的线段，其位置也是随机变化的。因此，作为安全预警的依据，不仅要考虑桨尖距离的大小，还应该考虑其相对于共轴轴线的位置。也就是说，如果仅依据最小桨尖距离来判断桨叶交汇时刻出现碰撞的可能性，可能会偏离实际而影响判断的可靠性。

为评估并预警上下旋翼出现碰撞的可能性，本发明提出建立上下极限锥面以界定危险区域的方法。具体思路为：以共轴轴线为基准，将上下旋翼交汇时，上旋翼桨尖最低点与桨叶挥舞铰的中心点或者桨叶根部不发生形变的位置点的连线为母线，构建与共轴轴线同轴的锥面，称该锥面为上极限锥面；将上下旋翼桨叶交汇时，过下旋翼桨尖最高点且与上极限锥面平行的锥面称为下极限锥面。通过上下极限锥面的界定，考虑到上下旋翼变形挠曲线形状以及两者在共轴上的结构距离，可以明确，在直升机航行过程中，任何情况下只要上下极限锥面之间的距离大于零，就不会发生上下旋翼的碰撞现象。在实际航行应用时，设置预警参数阈值，并将上下极限锥面之间的距离与阈值比较进行评估碰撞的危险程度。

从前述极限锥面的构造规则来看，上下极限锥面相对于旋翼轴的位置和锥角都是动态、随机的。因此，共轴双旋翼上下极限锥面间距也是随交汇时刻而变化的。随直升机航行状态和飞行参数的变化，上下极限锥面之间距离数值的大小，反映了360°全方位发生碰撞的可能性，可作为预警共轴双旋翼桨叶运动干涉的实效关键参数。该参数对航行状态碰撞风险进行实时评估，向飞行控制系统16发出安全预警信号，使飞行员主动或直升机飞控系统自动调整飞行参数，在风险较高时及时调整操纵，从而避免桨叶碰撞事故发生，提高共轴旋翼直升机的安全性能。

构造上极限锥面和下极限锥面需要的参数是：上下旋翼桨叶交汇时刻的上旋翼中上桨叶桨尖最低点、下旋翼中下桨叶桨尖最高点和桨叶挥舞铰的中心点或者桨叶根部不发生形变的位置点，其中，桨叶挥舞铰的中心点或者桨叶根部不发生形变的位置点已知，与直升机型号匹配。所需测量的参数即为上旋翼中上桨叶桨尖最低点和下旋翼中下桨叶桨尖最高点在共轴轴线方向的位置坐标。

将需要的位置坐标即上下旋翼桨叶交汇时刻上旋翼中上桨叶桨尖最低点和下旋翼中下桨叶桨尖最高点转化为以下三个参数的测量：基于旋转角度测量的共轴双旋翼直升机上下旋翼发生桨叶交汇的时刻的测量、上下旋翼桨叶交汇时刻的上下桨尖距的测量以及上下旋翼桨叶交汇时刻上旋翼的各上桨叶桨尖的位置坐标的测量。

上下旋翼桨叶交汇时刻的各上桨叶桨尖的位置坐标得到后可直接获取上旋翼中上桨叶桨尖最低点坐标，再结合上下旋翼桨叶交汇时刻的上下桨尖之间的垂直距离，即可获得各下桨尖的位置坐标，从而得到下旋翼中下桨叶桨尖最高点。

由此，如图1和图2所示，本发明提出一种防止共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞的预警系统。共轴双旋翼直升机包括共轴连接的上旋翼和下旋翼，上旋翼包括若干个上桨叶，下旋翼包括若干个下桨叶。预警系统包括桨叶实时测量系统、桨叶碰撞风险评估系统7以及防止桨叶碰撞执行系统8，其中，所桨叶实时测量系统包括桨叶交汇时刻测量系统1、上下桨尖距离测量系统9、上桨尖定位系统10。

桨叶交汇时刻测量系统1完成上旋翼和下旋翼发生桨叶交汇的时刻的测量，本质上为共轴双旋翼旋转相位的识别问题，发动机通过传动机构实现双层旋翼的反向旋转，由于该传动机构传动比确定不变，所以上下旋翼相对于传动机构的相位关系是确定不变的。基于上述原因，相对于直升机本体，双层旋翼各个桨叶之间交汇的相位是固定不变的。由此，只需知道从发动机到旋翼之间传动链的任意一处的的转角相位，即可根据该处至旋翼的传动比关系，得出共轴双旋翼旋叶各个交汇时刻的相位与位置。桨叶交汇时刻测量系统1包括角度传感器11和第一高速处理器12，角度传感器11安装在直升机旋翼传动链中的任意位置，由于传动链各环节的传动比已知，通过传动比关系推算桨叶旋转相位，实现对运动过程中的上下旋翼所处的相位的鉴别功能，得到旋翼桨叶交汇的时间信息，在上下旋翼处于交汇相位时，角度传感器11将交汇信息发送至第一高速处理器12，第一高速处理器12读取交汇相位时的同步时钟信息，并将同步时钟信息传递至上桨尖定位系统10、上下桨尖距离测量系统9以及桨叶碰撞风险评估系统7，使得上桨尖定位系统10、上下桨尖距离测量系统9以及桨叶碰撞风险评估系统7的时钟与桨叶交汇时刻测量系统1的时钟统一，从而实现上下旋翼桨叶交汇时刻的检测。

上下桨尖距离测量系统9完成桨叶交汇时刻的上桨叶桨尖与下桨叶桨尖之间的距离的测量，上桨叶桨尖与下桨叶桨尖之间的距离的测量指的是在桨叶交汇时刻，各个上桨叶桨尖与其对应的下桨叶桨尖之间的竖直方向的距离，也就是在共轴轴线方向的距离。上下桨尖距离测量系统9包括上测距传感装置2、下测距传感装置3和第二高速处理器13，每个上桨叶桨尖的下表面上均设置上测距传感装置2，每个下桨叶桨尖的上表面上均设置下测距传感装置3，其中下测距传感装置3发出信号、上测距传感装置2接收信号，或者，上测距传感装置2发出信号、下测距传感装置3接收信号，或者，下测距传感装置3发出和接收信号、上测距传感装置2反射信号，或者上测距传感装置2发出和接收信号、下测距传感装置3反射信号，根据桨叶交汇时刻测量系统1提供的时间信息，触发测量，并将测量数据发送给第二高速处理器13，从而实现对共轴双旋翼直升机桨叶交汇时刻各个上桨叶桨尖与其对应的下桨叶桨尖之间的距离的实时测量，并将实时测量的距离值传递至桨叶碰撞风险评估系统7。

上桨尖定位系统10完成桨叶交汇时刻上旋翼的各个上桨叶桨尖的位置坐标的测量。上桨尖定位系统10包括若干组位置测量装置17、流线型整流罩6和第三高速处理器14。每个上桨叶均设置有一组位置测量装置17，每组位置测量装置17包括相互配合的目标靶矢5和CCD图像测量装置4，目标靶矢5设置在上桨叶的桨尖，CCD图像测量装置4设置在共轴靠近上旋翼的轴端部位，各CCD图像测量装置4测量视场及焦距景深与对应桨尖的飞行姿态范围适配。以共轴轴线以及与该轴线垂直的平面为公共基准坐标系，对所进行统一标定，构成一个与旋翼系统同步转动的定点图像测量系统。上述集成的CCD图像测量装置4由高速图像传感器、光学系统、小型化嵌入式图像处理电路模块、微型通讯模块和电池集成封装于环状空间内，内环部分设计与共轴轴端连接的抗振动安装结构，外部为开有视窗的流线型整流罩6。该集成的CCD图像测量装置4的主要功能为：实现与共轴轴端的固结，接收桨叶交汇时刻测量系统1的触发信号，定时启动图像采样程序，嵌入式处理图像数据，无线传输桨尖目标靶矢5的位置信息。设置随动的目标靶矢5的目的是在不影响旋翼桨叶的受载的情况下，使桨尖位置信息在CCD图像测量装置4的视场中得以体现。考虑到本实施例中安装在共轴轴端上的CCD图像测量装置4的光轴与桨叶夹角较小，为了测量的可靠性，安装鳍状立体结构靶矢，将被测桨叶桨尖观测点等效转换到CCD图像测量装置4的光敏测量面上。目标靶矢5的高度尺寸设计需兼顾图像测量精度和空气阻力影响两个因素。通过各个上桨叶桨尖所安装的目标靶矢5在CCD图像测量装置4中测量的位置信息(即，在共轴轴线方向的坐标值)得到各上桨叶桨尖的位置坐标，完成桨叶交汇时刻各个上桨叶桨尖位置的坐标的测量，同时，各CCD图像测量装置4将位置坐标传递至第三高速处理器14，第三高速处理器14得到上旋翼中上桨叶桨尖最低点的坐标，并将上旋翼中上桨叶桨尖最低点传递至桨叶碰撞风险评估系统7。该方法将桨叶高速旋转的动态测量问题，转化为只呈现桨叶自身形变过程的准静态测量问题。通过CCD图像测量装置4的预先标定，实现共轴双旋翼直升机桨叶交汇时刻各个上桨叶桨尖位置坐标的测量。

桨叶碰撞风险评估系统7用于构建上极限锥面和下极限锥面，计算上极限锥面和下极限锥面的间距d值，即预警参数，并根据预警参数进行碰撞风险实时评估。该预警参数是共轴双旋翼直升机防止桨叶碰撞的实时有效参数；碰撞风险实时评估为根据设定的阈值对预警参数d进行判断，若预警参数d大于阈值，则表示直升机处于安全飞行状态，不会发生上下桨叶碰撞的危险情况，若预警参数d小于等于阈值，则表示直升机即将发生上下桨叶碰撞的危险情况，需进行预警和飞行参数(如，飞行速度、飞行方向等参数)的调整。其中，上极限锥面和下极限锥面的构造方法见下文。桨叶碰撞风险评估系统7包括第四高速处理器15，上极限锥面和下极限锥面的构造、d值的实时测量和碰撞风险实时评估均由第四高速处理器15完成。

防止桨叶碰撞执行系统8根据桨叶碰撞风险评估系统7碰撞风险的实时评估进行飞行参数的调整与否，保证直升机处于安全飞行状态，不会发生上下桨叶碰撞的危险情况。防止桨叶碰撞执行系统8需与直升机内部的飞行控制系统16相配合，进行飞行参数的调整。

如图3所示，本实施例以四桨叶共轴双旋翼直升机为例说明，共轴双旋翼直升机的上旋翼和下旋翼旋向相反、转速相等，上旋翼和下旋翼在旋转过程中存在交汇时刻，图中即为某一交汇时刻，A、C、E、G代表上桨叶桨尖位置，B、D、F、P代表下桨叶桨尖位置，H₁代表桨叶交汇时刻上桨叶桨尖A与下桨叶桨尖B之间的距离，H₃代表桨叶交汇时刻上桨叶桨尖C与下桨叶桨尖D之间的距离，H₅代表桨叶交汇时刻上桨叶桨尖E与下桨叶桨尖F之间的距离，H₇代表桨叶交汇时刻上桨叶桨尖G与下桨叶桨尖P之间的距离，M代表上旋翼挥舞铰中心点坐标或者上旋翼桨叶根部不变形的位置点坐标，根据旋翼类型不同M点的选取不同，当上旋翼的上桨叶为铰接式旋翼时，M点选取在上旋翼挥舞铰中心点，当上旋翼的上桨叶为刚接式旋翼时，M点选取在上旋翼桨叶根部不变形的位置点，O代表共轴轴线上一点，OM与共轴轴线垂直，OZ为共轴轴线。

基于上述防止共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞的预警系统的预警方法，包括以下步骤：

步骤1，安装并连接上述预警系统。

步骤2，共轴双旋翼启动，当上桨叶和下桨叶处于交汇区域时，桨叶交汇时刻测量系统1获取上旋翼和下旋翼发生桨叶交汇的时刻以触发上下桨尖距离测量系统9和上桨尖定位系统10开始测量。

步骤3，上下桨尖距离测量系统9获取桨叶交汇时刻的上桨叶桨尖与下桨叶桨尖之间的距离；上桨尖定位系统10获取桨叶交汇时刻上旋翼的各个上桨叶桨尖的位置坐标，从而获得上旋翼中上桨叶桨尖最低点的坐标。

步骤4，根据桨叶交汇时刻上旋翼的各个上桨叶桨尖的位置坐标和桨叶交汇时刻的上桨叶桨尖与下桨叶桨尖之间的距离，计算得到下旋翼的各个下桨叶桨尖的位置坐标，从而获得下旋翼中下桨叶桨尖最高点的坐标。

步骤5，构建上极限锥面和下极限锥面，具体方法如下：

以共轴轴线OZ为基准，在上下旋翼桨叶交汇时，当上旋翼的上桨叶为铰接式旋翼时，以上旋翼中上桨叶桨尖最低点与该最低点所在的上桨叶的挥舞铰中心点的连线为上极限锥面母线，当上旋翼的上桨叶为刚接式旋翼时，以上旋翼中上桨叶桨尖最低点与该最低点所在的上桨叶根部不发生形变的位置点的连线，即如图1所示时刻的C点与M点的连线作为上极限锥面母线，构建与共轴轴线OZ同轴的锥面，称该锥面为上极限锥面；将上下旋翼桨叶交汇时，沿共轴轴线平移上极限锥面，并且使得平移后的锥面通过下旋翼中下桨叶桨尖最高点(如图1所示时刻的D点)，得到下极限锥面，至此，上下极限锥面构造完毕。上下极限锥面之间的距离d即作为共轴双旋翼直升机旋翼碰撞危险程度的预警参数。

图4展示的是两种不同情况下的上下极限锥面的构造，(a)图上桨叶桨尖最低点为C点，下桨叶桨尖最高点为D点，最小桨尖距离为H₃；而(b)图上桨叶桨尖最低点为A’点、下桨叶桨尖最高点为D’点，最小桨尖距离为H₃’。两者最小桨尖距离相同，而构造出的上下极限锥面之间的距离不同，(b)图中上下极限锥面之间的距离更小，由此说明，用上下极限锥面之间距离作为预警参数比仅用上下桨尖距离更为合理。(b)图中，A’、C’、E’、G’、B’、D’、F’、P’、H₁’、H₃’、H₅’、H₇’分别为(a)图中A、C、E、G、F、P、H₁、H₃、H₅、H₇在不同情况下的对应点。

步骤6，计算上极限锥面与下极限锥面之间的间距d值，如图5所示，计算方法如下：

在通过上极限锥面母线的竖直平面内，设水平方向为x轴，共轴轴线方向为z轴。

根据上桨尖定位系统10的测量数据得到上旋翼中上桨叶桨尖最低点C，结合上下桨尖距离测量系统9所测量的桨叶交汇时刻上桨叶桨尖与下桨叶桨尖之间的垂直距离，得到下旋翼中下桨叶桨尖最高点D在共轴轴线方向的坐标值，再根据M坐标值，构建上极限锥面母线方程z＝k(x-r)，其中，k为系数；r为上桨叶的挥舞铰中心点与共轴轴线之间的距离，或者，为上桨叶根部不发生形变的位置点与共轴轴线之间的距离；

竖直平面与下极限锥面的交线为下极限锥面母线，下极限锥面母线与上极限锥面母线相平行，得到下极限锥面母线方程z＝k(x-r)-H_z，其中，H_z为上旋翼中上桨叶桨尖最低点与下旋翼中下桨叶桨尖最高点在z轴上的间距；

根据上极限锥面母线方程和下极限锥面母线方程，得到预警参数

显然，d的数值取决于上下旋翼桨尖距离因素H_z、位置因素k和旋翼交汇相位，充分考虑了上旋翼桨尖最低点与下旋翼桨尖最高点可能相位不同情况。所以d值是共轴双旋翼系统防止桨叶碰撞的实时有效参数。

步骤7，根据实际情况设定预警阈值，根据设定的阈值对预警参数d值进行判断：若预警参数d值大于阈值，则不进行预警和飞行参数的调整，并继续实时监测预警参数d值；若预警参数d值小于等于阈值，即进行报警并将信息传递至飞行控制系统16，飞行控制系统16调整飞行参数，从而实现避免上下桨叶发生碰撞，保证直升机的安全飞行。由于阈值的设定与真正会发生碰撞危险条件存在一定裕度，即达到阈值并不会发生碰撞，仅代表未来可能发生碰撞，因此及时调整飞行参数，使得飞行处于安全状态，同时达到预警的功能。

本发明适用于共轴双旋翼直升机旋翼碰撞危险预警，尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种防止共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞的预警系统，所述共轴双旋翼直升机包括共轴连接的上旋翼和下旋翼，所述上旋翼包括若干个上桨叶，所述下旋翼包括若干个下桨叶，其特征在于，

所述预警系统包括桨叶实时测量系统、桨叶碰撞风险评估系统(7)以及防止桨叶碰撞执行系统(8)，其中，所述桨叶实时测量系统包括桨叶交汇时刻测量系统(1)、上下桨尖距离测量系统(9)、上桨尖定位系统(10)；

所述桨叶交汇时刻测量系统(1)用于测量所述上旋翼和所述下旋翼发生桨叶交汇的时刻，并在桨叶交汇时刻获取同步时钟信息，将所述同步时钟信息传递至所述上桨尖定位系统(10)、所述上下桨尖距离测量系统(9)以及所述桨叶碰撞风险评估系统(7)；

所述上下桨尖距离测量系统(9)用于测量桨叶交汇时刻的上桨叶桨尖与下桨叶桨尖之间的距离，并将测量值传递至所述桨叶碰撞风险评估系统(7)；

所述上桨尖定位系统(10)用于测量桨叶交汇时刻所述上旋翼的各个上桨叶桨尖的位置坐标，并将所述上旋翼中上桨叶桨尖最低点传递至所述桨叶碰撞风险评估系统(7)；

所述桨叶碰撞风险评估系统(7)用于构建上极限锥面和下极限锥面，计算所述上极限锥面和所述下极限锥面的间距d值并进行碰撞风险的实时评估；

所述防止桨叶碰撞执行系统(8)用于根据所述桨叶碰撞风险评估系统(7)碰撞风险的实时评估进行飞行参数的调整，保证直升机处于安全飞行状态。

2.根据权利要求1所述的防止共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞的预警系统，其特征在于，所述桨叶交汇时刻测量系统(1)包括角度传感器(11)，所述角度传感器(11)设置在直升机旋翼传动链中的任意位置，以获取所述上旋翼的相位和所述下旋翼的相位，从而确认所述上旋翼和所述下旋翼是否发生桨叶交汇。

3.根据权利要求1所述的防止共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞的预警系统，其特征在于，所述上下桨尖距离测量系统(9)包括上测距传感装置(2)和下测距传感装置(3)，每个所述上桨叶桨尖的下表面上均设置所述上测距传感装置(2)，每个所述下桨叶桨尖的上表面上均设置所述下测距传感装置(3)，通过所述上测距传感装置(2)和所述下测距传感装置(3)测量桨叶交汇时刻的每个所述上桨叶的桨尖与该上桨叶交汇的所述下桨叶的桨尖之间的距离。

4.根据权利要求1所述的防止共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞的预警系统，其特征在于，所述上桨尖定位系统(10)包括若干组位置测量装置(17)，每个所述上桨叶均设置有一组所述位置测量装置(17)，每组所述位置测量装置(17)包括相互配合的目标靶矢(5)和CCD图像测量装置(4)，所述目标靶矢(5)设置在所述上桨叶的桨尖，所述CCD图像测量装置(4)设置在所述共轴的靠近所述上旋翼的轴端部位。

5.一种基于上述权利要求1至4任一项所述的防止共轴双旋翼直升机上下桨叶碰撞的预警系统的预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，安装并连接所述预警系统；

步骤2，所述共轴双旋翼启动，当所述上桨叶和所述下桨叶处于交汇区域时，所述桨叶交汇时刻测量系统(1)获取所述上旋翼和所述下旋翼发生桨叶交汇的时刻以触发所述上下桨尖距离测量系统(9)和所述上桨尖定位系统(10)开始测量；

步骤3，所述上下桨尖距离测量系统(9)获取桨叶交汇时刻的上桨叶桨尖与下桨叶桨尖之间的距离；所述上桨尖定位系统(10)获取桨叶交汇时刻所述上旋翼的各个上桨叶桨尖的位置坐标，从而获得所述上旋翼中上桨叶桨尖最低点的坐标；

步骤4，根据桨叶交汇时刻所述上旋翼的各个上桨叶桨尖的位置坐标和桨叶交汇时刻的上桨叶桨尖与下桨叶桨尖之间的距离，计算得到所述下旋翼的各个下桨叶桨尖的位置坐标，从而获得所述下旋翼中下桨叶桨尖最高点的坐标；

步骤5，根据所述上旋翼中上桨叶桨尖最低点的坐标和所述下旋翼中下桨叶桨尖最高点的坐标，结合桨叶挥舞铰的中心点坐标或桨叶根部不发生形变的位置点坐标，构建上极限锥面和下极限锥面；

步骤6，计算所述上极限锥面与所述下极限锥面之间的间距d值；

步骤7，根据设定的阈值对d值进行判断：若d值大于阈值，则不进行预警和飞行参数的调整，并继续实时监测d值；若d值小于等于阈值，则调整飞行参数，保证直升机的安全飞行。

6.根据权利要求5所述的预警方法，其特征在于，步骤5中，所述的上极限锥面的构建方法为：以所述共轴的轴线为基准，当所述上旋翼的上桨叶为铰接式旋翼时，以所述上旋翼中上桨叶桨尖最低点与该最低点所在的上桨叶的挥舞铰中心点的连线为上极限锥面母线，当所述上旋翼的上桨叶为刚接式旋翼时，以所述上旋翼中上桨叶桨尖最低点与该最低点所在的上桨叶根部不发生形变的位置点的连线为上极限锥面母线，构建与所述共轴的轴线同轴的锥面为上极限锥面；

所述的下极限锥面的构建方法为：沿所述共轴的轴线平移所述上极限锥面，并且使得平移后的锥面通过所述下旋翼中下桨叶桨尖最高点，得到下极限锥面。

7.根据权利要求5所述的预警方法，其特征在于，步骤6中，所述的d值的计算方法如下：

在通过所述上极限锥面母线的竖直平面内，设水平方向为x轴，所述共轴的轴线方向为z轴，构建上极限锥面母线方程z＝k(x-r)，其中，k为系数；r为上桨叶的挥舞铰中心点与所述共轴的轴线之间的距离，或者，为上桨叶根部不发生形变的位置点与所述共轴的轴线之间的距离；

所述竖直平面与所述下极限锥面的交线为下极限锥面母线，得到下极限锥面母线方程z＝k(x-r)-H_z，其中，H_z为所述上旋翼中上桨叶桨尖最低点与所述下旋翼中下桨叶桨尖最高点在z轴上的间距；

根据上极限锥面母线方程和下极限锥面母线方程，得到

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