CN114295861A - 一种大型运输类飞行器分布式侧滑角测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型运输类飞行器分布式测量来流侧滑角的装置及方法，其中测量方法包括：获取三个探针测量的压力数据；根据所述压力数据分别确定三个探针的无量纲敏感系数并计算相互之间差值的绝对值；根据各个取绝对值的差值与预定阈值之间的大小确定对应的探针是否存在故障；若存在故障则排除该探针测量的数据后根据剩余探针测量的压力值计算大气数据；本发明提供的测量方法包括获取探针的压力数据，计算该探针的无量纲敏感系数，利用无量纲敏感系数来确定探针是否发生故障，形成冗余软件算法设计，从而保证了压力数据的准确性，提高了测量的精度，弥补了当前大型运输类飞行器侧滑角测量方案缺少且冗余设计不完善的问题。

Description

一种大型运输类飞行器分布式侧滑角测量装置及方法

技术领域

本发明涉及飞行器大气数据测量领域，特别涉及大型运输类飞行器分布式测量来流侧滑角的测量方法及装置。

背景技术

准确测量大气数据对于现代飞行器的飞行控制、导航和系统分析具有十分重要的意义。目前主流的大气数据系统以传统风标式机械传感器和新发展的嵌入式大气数据系统为主，其中传统风标式机械传感器响应速度低测量精度差，逐渐不适用于现代飞行器。而嵌入式大气数据系统更适用于需要高速大迎角高机动飞行的飞行器上，并不适用于了目前常见的大型运输类飞行器上。

在常用的大气数据系统测量来流大气参数时，由于存在失速等危险工况，迎角一直作为重要参数进行测量，而侧滑角一直是一个相对忽视的参数。包括目前常见的大型运输类飞行器，一直配备的是迎角传感器，而侧滑角的测量一直使用的是惯导系统等辅助测量手段的方法。在大型运输类飞行器取证过程中，为符合CCAR-25-R4《运输类飞机适航标准》要求，是需要对来流侧滑角进行准确测量的。

同时在实际应用中大气数据系统在恶劣的飞行环境中容易出现测压管路堵漏、大气数据超出测量量程等故障。当大气数据测量异常并且无法对这种无法对这种错误的大气数据进行自主诊断及隔离，则错误的大气数据会引起飞控系统的错误判断，严重可能导致飞行事故的发生。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种针对当前大型运输类飞行器的能够保证来流侧滑角解算的精度与准度的分布式测量方法及装置。

为了实现上述目的，本发明一方面，提供一种飞行器侧滑角的分布式测量装置，包括：

获取单元，选用五孔探针作为侧滑角传感器，每个探针包括呈十字形分布的五个测压孔，用于获取测量的压力数据；

第一确定单元，用于根据所述压力数据分布确定三组侧滑角传感器的无量纲敏感系数；

第一计算单元，用于分别计算三组侧滑角传感器的无量纲敏感系数之间的差值并取绝对值；

第二确定单元，用于根据各个取绝对值的差值与预定阈值之间的大小确定对应的侧滑角传感器是否存在故障；

第二计算单元，用于根据排除故障侧滑角传感器后剩余侧滑角传感器测量的压力值计算大气数据。

三组侧滑角传感器呈三角形分布在飞行器的头部下方；每个侧滑角传感器可以单独解算侧滑角，形成三余度硬件设计；

考虑飞行器头部对侧滑角传感器的气动干扰问题，对侧滑角传感器的布置位置进行优化设计；

飞行器头部对正下方来流侧滑角具有放大效应；正下方布置一个侧滑角传感器用于提高小角度范围内的来流侧滑角解算精度；

飞行器头部对侧下方来流侧滑角具有偏移效应；侧下方预定初始偏角对称布置两个侧滑角传感器，用于提高侧滑角的解算范围；

另一方面提供一种飞行器侧滑角的分布式测量方法，包括：

获取三组侧滑角传感器测量的压力数据；

根据所述压力数据分别确定三组侧滑角传感器的无量纲敏感系数；

分别计算三组侧滑角传感器的无量纲敏感系数之间的差值并取绝对值；

根据各个取绝对值的差值与预定阈值之间的大小确定对应的侧滑角传感器是否存在故障；

若存在故障则排除该侧滑角传感器测量的数据后根据剩余侧滑角传感器测量的压力值计算大气数据。

作为优选的一种技术方案，根据所述压力数据分布确定三组侧滑角传感器的无量纲敏感系数，进一步包括：

根据公式(1)确定迎角角度敏感系数

根据公式(3)确定侧滑角角度敏感系数

式中，K_α为迎角角度敏感系数，K_β为迎角角度敏感系数，P₁为中间测压孔的压力值；P₂、P₄为竖直方向上的两个测压孔的压力值；P₃、P₅为水平方向上的两个测压孔的压力值。

在上述技术方案的基础上，优选的，若存在故障则排除该侧滑角传感器测量的数据后根据剩余侧滑角传感器测量的压力值计算大气数据，进一步包括：

根据公式(4)确定剩余侧滑角传感器的侧滑角角度

β＝C₁+C₂K_β+C₃K_α+C₄K_β ²+C₅K_βK_α+C₆K_α ²+C₇K_β ³+C₈K_β ²K_α+C₉K_βK_α ²+C₁₀K_α ³ (4)

式中，C_k为探针校准系数；每个公式中最多有10个校正系数，与侧滑角传感器标校结果有关。侧滑角传感器准确解算不同的侧滑角β分别受K_β、K_α两个参数的共同影响。

若剩余侧滑角传感器的数量大于2，则取所有侧滑角传感器计算的侧滑角角度的平均值。

作为优选的一种技术方案，根据各个取绝对值的差值与预定阈值之间的大小确定对应的侧滑角传感器是否存在故障，进一步包括：

若取绝对值的差值小于或等于预定阈值，则说明对应的两组侧滑角传感器无故障；

若取绝对值的差值大于预定阈值，则说明其中至少一组侧滑角传感器有故障；

根据三个绝对值的差值与预定阈值大小的交集确定故障的侧滑角传感器。

作为优选的一种技术方案，所述预设阈值为解算角度误差在0.5°范围内无量纲敏感系数的变化量。

作为优选的一种技术方案，根据各个取绝对值的差值与预定阈值之间的大小确定对应的侧滑角传感器是否存在故障，之后还包括：

在一段时间内持续重复上述步骤，若多次测量结果都相同，则说明测量无误，否则重新测量。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提供的侧滑角传感器装置及布置方案，符合三余度冗余设计，通过利用飞行头部气动干扰提高侧滑角的解算精度，扩大侧滑角的解算范围。同时本发明提供的侧滑角测量方法通过获取侧滑角传感器的压力数据，计算该侧滑角传感器的无量纲敏感系数，利用无量纲敏感系数来确定侧滑角传感器是否发生故障，形成冗余软件算法设计，保证了侧滑角解算的准确性。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种飞行器侧滑角的测量装置的结构图

图2是本发明一实施例中作为侧滑角传感器的五孔探针测压孔分布图；

图3是本发明一实施例中提供测量装置侧滑角传感器在飞行器头部布置位置示意图；

图4是本发明一实施例中提供风洞实验中布置位置处受飞行器头部气动干扰效应结果；

图5是本发明一实施例提供一种大型运输类飞行器侧滑角的测量方法流程图；

图6是本发明一实施例提供三组侧滑角传感器无量纲敏感系数差异对应关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本实施例提供一种大型运输类飞行器侧滑角的测量装置，包括：

获取单元100，用于获取三组侧滑角传感器测量的压力数据；其中，每个侧滑角传感器为一个五孔探针，如图2所示，本实施例中的每个探针包括五个测压孔1-5，呈十字形分布，分别采集对应的压力信息P₁～P₅

第一确定单元200，用于根据压力数据分布确定三组侧滑角传感器的无量纲敏感系数。

第一计算单元300，用于分别计算三组侧滑角传感器的无量纲敏感系数之间的差值并取绝对值。

第二确定单元400，用于根据各个取绝对值的差值与预定阈值之间的大小确定对应的侧滑角传感器是否存在故障。

第二计算单元500，用于根据排除故障侧滑角传感器后剩余侧滑角传感器测量的压力值计算大气数据。

参照图3，本实施例提供一种大型运输类飞行器侧滑角的测量装置的布置位置，所述三组侧滑角传感器呈三角形分布在飞行器的头部，根据风洞实验结果，考虑飞行器头部对来流的气动干扰情况；

如图4所示，飞行器头部正下方位置处，该位置具有来流侧滑角放大效应；飞行器头部侧后方位置处，该位置具有来流侧滑角偏移效应。

正下放布置一个侧滑角传感器用于高精度解算小角度范围内的来流侧滑角。

侧下方布置两个侧滑角传感器，同时预定初始偏角进行安装以修正偏移量，本实施例给出的实例中预定初始偏角10°。同时可以保证单侧侧滑角在大角度范围内的解算准确性。本实施例给出的实例中整个侧滑角传感器系统的解算范围为±35°。

参照图5，本实施例还提供一种大型运输类飞行器侧滑角的测量方法，包括以下步骤：

S10：获取三组侧滑角传感器测量的压力数据；

在此需要说的是，本实施例中以五孔探针的解算原理为基础，通过探针头部五个测压孔采集到的压力差解算得到对应的来流侧滑角信息。

S20：根据所述压力数据分别确定三组侧滑角传感器的无量纲敏感系数；

在本实施例中，以计算飞行器的侧滑角数据为例进行举例说明，具体的，根据公式(1-1)分别计算三组侧滑角传感器的迎角角度敏感系数

则根据公式(1-2)分别计算三组侧滑角传感器的侧滑角角度敏感系数

式中，K_α为迎角角度敏感系数，K_β为侧滑角角度敏感系数，P₁为中间测压孔的压力值；P₂、P₄为竖直方向上的两个测压孔的压力值；P₃、P₅为水平方向上的两个测压孔的压力值。

S30：分别计算三组侧滑角传感器的无量纲敏感系数之间的差值并取绝对值；

具体的，对于飞行器的侧滑角，分别计算飞行器的侧滑角角度敏感系数K_β之间的差值，并对差值取绝对值得到|B₁|、|B₂|、|B₃|。

S40：根据各个取绝对值的差值与预定阈值之间的大小确定对应的侧滑角传感器是否存在故障；

具体的，对于飞行器的侧滑角，分别将|B₁|、|B₂|、|B₃|与预设阈值Z3进行比对，在本实施例中，预设阈值其中阈值的选取标准与侧滑角传感器自身的尺寸大小、制作误差及需要的测量精度有关，一般来说选取解算角度误差在0.5°范围内的侧滑角敏感系数K_β变化量为预定阈值，本实施例给出的实例中预定阈值Z3为1。

若|B₁|、|B₂|、|B₃|数值均小于预定阈值Z3，说明三组侧滑角传感器之间得到的解算侧滑角结果相近，则说明三组侧滑角传感器均正常。如图6所示为三组侧滑角传感器对应关系，对于其他的对比结果以及对于的问题如表1所示

表1

K<sub>β</sub>差异判断	对应问题
		|B<sub>1</sub>|、|B<sub>2</sub>|、|B<sub>3</sub>|＜Z3	无故障
|B<sub>3</sub>|＞Z3	2、3差异预警
		|B<sub>2</sub>|＞Z3	1、3差异预警
|B<sub>1</sub>|＞Z3	1、2差异预警
		|B<sub>2</sub>|、|B<sub>3</sub>|＞Z3	3故障
|B<sub>1</sub>|、|B<sub>3</sub>|＞Z3	2故障
		|B<sub>1</sub>|、|B<sub>2</sub>|＞Z3	1故障
|B<sub>1</sub>|、|B<sub>2</sub>|、|B<sub>3</sub>|＞Z3	两组以上存在问题

在此需要说的是，表1中的1、2、3对应的是图3中的侧滑角传感器1、侧滑角传感器2、侧滑角传感器3。

在另外一些实施例中，为了提高软件系统的鲁棒性，还可以在一段时间内持续重复上述步骤，若多次测量结果都相同，则说明测量无误，否则重新测量。

S50：若存在故障则排除该探针测量的数据后根据剩余探针测量的压力值计算大气数据。

具体的，当排除故障后，

根据公式(2-1)可计算出来流的侧滑角，

β＝C₁+C₂K_β+C₃K_α+C₄K_β ²+C₅K_βK_α+C₆K_α ²+C₇K_β ³+C₈K_β ²K_α+C₉K_βK_α ²+C₁₀K_α ³ (2-1)

式中，C_k为探针校准系数；

在此需要说明的是，若剩余侧滑角传感器的数量大于2，则取所有侧滑角传感器计算的侧滑角角度的平均值。

本发明提供的测量方法通过获取侧滑角传感器的压力数据，计算该侧滑角传感器的无量纲敏感系数，利用无量纲敏感系数来确定侧滑角传感器是否发生故障，从而保证了压力数据的准确性，提高了测量的精度。

另外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其中，该计算机可读存储介质可存储有程序，该程序执行时包括上述方法实施例中记载的任何一种飞行器大气数据的测量方法的部分或全部步骤。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器(英文：Read-Only Memory，简称：ROM)、随机存取器(英文：Random Access Memory，简称：RAM)、磁盘或光盘等。

以上参照附图描述了根据本发明的实施例的用于测量飞行器大气数据的方法的示例性流程图。应指出的是，以上描述中包括的大量细节仅是对本发明的示例性说明，而不是对本发明的限制。在本发明的其他实施例中，该方法可具有更多、更少或不同的步骤，且各步骤之间的顺序、包含、功能等关系可以与所描述和图示的不同。

Claims (10)

1.一种大型运输类飞行器分布式测量来流侧滑角的测量装置，其特征在于，包括：

获取单元，选用五孔探针作为侧滑角传感器，每个探针包括呈十字形分布的五个测压孔，用于获取测量的压力数据；

第一确定单元，用于根据所述压力数据分布确定三组侧滑角传感器的无量纲敏感系数；

第一计算单元，用于分别计算三组侧滑角传感器的无量纲敏感系数之间的差值并取绝对值；

第二确定单元，用于根据各个取绝对值的差值与预定阈值之间的大小确定对应的侧滑角传感器是否存在故障；

第二计算单元，用于根据排除故障侧滑角传感器后剩余侧滑角传感器测量的压力值计算大气数据。

2.根据权利要求1所述的侧滑角测量装置，传感器的布置位置，其特征在于：

三组侧滑角传感器呈三角形分布在飞行器的头部下方；

每个侧滑角传感器可以单独解算侧滑角，形成三余度硬件设计；

一个侧滑角传感器正装于正下方；

两个侧滑角传感器侧装于对称两侧。

3.根据权利要求2所述的布置位置，受飞行器头部气动干扰情况的优化方案，其特征在于：

飞行器头部对正下方来流侧滑角具有放大效应；

正下方布置一个侧滑角传感器用于提高小角度范围内的来流侧滑角解算精度；

飞行器头部对侧下方来流侧滑角具有偏移效应；

侧下方预定初始偏角对称布置两个侧滑角传感器，用于提高侧滑角的解算范围。

4.一种大型运输类飞行器分布式测量来流侧滑角的测量方法，其特征在于，包括：

获取三组侧滑角传感器测量的压力数据；

根据所述压力数据分别确定三组侧滑角传感器的无量纲敏感系数；

分别计算三组侧滑角传感器的无量纲敏感系数之间的差值并取绝对值；

根据各个取绝对值的差值与预定阈值之间的大小确定对应的侧滑角传感器是否存在故障；

若存在故障则隔离故障侧滑角传感器，根据剩余侧滑角传感器计算来流侧滑角，形成冗余软件算法设计。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，根据所述压力数据分布确定三组侧滑角传感器的无量纲敏感系数，进一步包括：

根据公式(1)确定迎角角度敏感系数

根据公式(2)确定侧滑角角度敏感系数

式中，K_α为迎角角度敏感系数，K_β为侧滑角角度敏感系数，P₁为中间测压孔的压力值；P₂、P₄为竖直方向上的两个测压孔的压力值；P₃、P₅为水平方向上的两个测压孔的压力值。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，若存在故障则排除故障侧滑角传感器，根据其他侧滑角传感器测量的压力值计算大气数据，进一步包括：

根据公式(3)确定剩余每组侧滑角传感器的侧滑角角度

β＝C₁+C₂K_β+C₃K_α+C₄K_β ²+C₅K_βK_α+C₆K_α ²+C₇K_β ³+C₈K_β ²K_α+C₉K_βK_α ²+C₁₀K_α ³ (3)

式中，C_k为探针校准系数；每个公式中最多有10个校正系数，与每个侧滑角传感器标校结果有关。侧滑角传感器准确解算不同的侧滑角β分别受K_β、K_α两个参数的共同影响。

若剩余侧滑角传感器的数量大于2，则取所有侧滑角传感器计算的侧滑角角度的平均值。

7.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，根据各个取绝对值的差值与预定阈值之间的大小确定对应的侧滑角传感器是否存在故障，进一步包括：

若取绝对值的差值小于或等于预定阈值，则说明对应的两组侧滑角传感器无故障；

若取绝对值的差值大于预定阈值，则说明其中至少一个侧滑角传感器有故障；

根据三个绝对值的差值与预定阈值大小的交集确定故障的侧滑角传感器。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：所述预设阈值为解算角度误差在0.5°范围内无量纲敏感系数的变化量。

9.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，根据各个取绝对值的差值与预定阈值之间的大小确定对应的侧滑角传感器是否存在故障，之后还包括：

在一段时间内持续重复上述步骤，若多次测量结果都相同，则说明测量无误，否则重新测量，以增强冗余软件算法的鲁棒性。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求4至9任一项所述的一种大型运输类飞行器分布式测量来流侧滑角的测量方法的步骤。

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