CN114322867A - 基于超声测量的共轴双旋翼桨尖距离测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声测量的共轴双旋翼桨尖距离测量系统，包括超声发射和接收单元、信号传输单元、超声波信号处理单元和声速补偿单元。本发明还公开了基于上述测量系统的测量方法：采用超声编码方法提高超声测距的测量频率，采用超声测量窗口方法扩大测量范围，在待测直升机桨叶上桨尖位置安装超声发射装置，在待测直升机桨叶下桨尖位置安装超声接收装置，信号通过信号传输单元传递至超声波信号处理单元，超声波信号处理单元处理后得到实时桨尖距离，并对测量产生的切向误差进行修正。

Description

基于超声测量的共轴双旋翼桨尖距离测量系统及方法

技术领域

本发明涉及空间中两个随机点之间距离的高速动态实时测量技术，特别涉及 一种基于超声测量的共轴双旋翼直升机的上下桨叶交汇时刻上下桨尖距离的实 时测量系统及方法。

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，需要实时监测上下 桨叶交汇时刻上下桨尖之间的距离。

目前能够在飞行状态下监测桨尖位置的方法包括光纤应变测量法和双目视 觉测量法，其中光纤应变测量法通过在桨叶表面一系列应变片，利用应变数据拟 合桨叶形变挠曲线，综合上下旋翼的形变从而得到桨尖距，然而，桨叶在高速旋 转状态下具有挥舞、摆振和扭转的三种运动带来的综合变形，应变测量难以完全 解耦；双目视觉测量法通过识别桨叶上布置的标记点，识别出桨叶的变形，但是 图像数据量稍大，处理速度有限，另外，测量时装置需安装在直升机桨毂下方的 机体，而共轴双旋翼旋转时上下旋翼桨叶会彼此遮挡，从而导致该方法无法适用 于共轴双旋翼桨尖距测量。因此，需要一种实时监测上下桨叶交汇时刻上下桨尖 距离的测量方法，实时获取上下桨尖距离，并设计预警阈值，在上下桨尖距离达 到阈值时进行报警，从而调整飞行参数，避免上下桨尖发生碰撞的危险情况，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

本发明旨在解决共轴双旋翼直升机上下桨叶交汇时刻桨尖距离的实时测量 问题，为空间中两个随机点之间距离的高速动态实时测量提供一种新的测量系统 及测量方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于超声测量的共轴双旋翼桨尖距离测量 系统，所述共轴双旋翼包括上旋翼和下旋翼，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，所述测量系统包括：

超声发射和接收单元，所述超声发射和接收单元包括超声发射装置和超声接 收装置，所述超声发射装置设置在所述上桨叶的桨尖并位于所述上桨叶桨尖的下 表面，所述超声接收装置设置在所述下桨叶的桨尖并位于所述下桨叶桨尖的上表 面；

信号传输单元；

超声波信号处理单元；以及

声速补偿单元，所述声速补偿单元用于获得实时的声速值；其中，所述信号 传输单元将所述超声发射装置和所述超声接收装置的超声波信号传递给所述超 声波信号处理单元，同时，所述声速补偿单元将实时的声速值传递给所述超声波 信号处理单元，所述超声波信号处理单元对接收的所述超声波信号和所述实时的 声速值进行处理得到桨尖距离测量结果。

进一步地，每个所述上桨叶的桨尖均安装有一个所述超声发射装置；每个所 述下桨叶的桨尖均安装有一个所述超声接收装置。

进一步地，所述声速补偿单元包括超声传感器和固定距离障碍物，所述超声 传感器能获得实时测量的该超声传感器与所述固定距离障碍物之间的测量距离 值，并将该测量距离值与理论距离值进行对比转化，从而获得实时的声速值。

进一步地，所述超声波信号处理单元包括：

超声编码单元，所述超声编码单元能对所述超声波发射装置发出的超声波信 号序列进行编码，并标记发射时刻；

超声解码单元，所述超声解码单元将所述超声接收装置接收到的超声波信号 进行解码，获得与所述发射时刻对应的接收时刻；以及

数据实时处理单元，所述数据实时处理单元根据所述声速补偿单元提供的声 速值以及所述超声编码单元提供的发射时刻、所述超声解码单元提供的接收时刻 进行距离计算，得到测量结果。

进一步地，所述测量系统还包括上位机人机交互单元，所述上位机人机交互 单元用于显示所述桨尖距离测量结果。

本发明所采用的另一技术方案是：一种基于上述基于超声测量的共轴双旋翼 桨尖距离测量系统的测量方法，所述测量方法基于超声编码，包括以下步骤：

步骤1，安装并连接所述测量系统；

步骤2，启动所述共轴双旋翼、所述超声发射装置和所述超声接收装置，并 且，所述超声发射装置持续发射超声波；

步骤3，当所述上桨叶和所述下桨叶即将发生交汇时，所述超声接收装置进 入所述超声发射装置所发射的超声波的波束范围，并开始接收超声波直至所述上 桨叶和所述下桨叶交汇结束后，所述超声接收装置离开所述波束范围；

在所述超声接收装置进入所述波束范围至离开所述波束范围中，设所述超声 接收装置第一次接收到超声波的时刻为t₁、最后一次接收到超声波的时刻为t_n， 取t₁至t_n时刻中的任意两个所述超声接收装置接收到超声波的时刻t_i和t_j，并获得 t_i时刻所对应的所述超声发射装置发射超声波的时刻t_i′和t_j时刻所对应的所述超 声发射装置发射超声波的时刻t_j′，1≤i≤n，1≤j≤n，且，i≠j；

步骤4，根据声速补偿单元获得的实时声速值，以及步骤2获得的t_i、t_i′、t_j和t_j′计算得到t_i时刻所述超声发射装置与所述超声接收装置之间的距离s_i，和t_j时刻 所述超声发射装置与所述超声接收装置之间的距离s_j；

步骤5，以所述超声发射装置为参照，所述超声接收装置相对于所述超声发 射装置发生沿该下桨叶桨尖所在圆周的移动，设所述超声发射装置所在位置为A 点，t_i时刻所述超声接收装置相对于A点的所在位置为B_i点，t_j时刻所述超声接收 装置相对于A点的所在位置为B_j点，在ΔAB_iB_j中，边长AB_i＝s_i，边长AB_j＝s_j， 边长B_iB_j为所述超声接收装置相对于所述超声发射装置从B_i到B_j的切向位移， B_iB_j＝Δt₁×v_桨尖，其中，Δt₁＝|t_i-t_j|，v_桨尖是上桨叶桨尖和下桨叶桨尖的相 对切向速度；已知ΔAB_iB_j中三条边长的长度，则能计算得到三角形顶点A点到 三角形边长B_iB_j的高H，H即为测量得到的桨尖距离。

进一步地，步骤4中，所述的s_i根据公式s_i＝v_实时×Δt_i计算得到，其中，v_实时 为实时声速值，

L_实为所述超声传感器与所述固定距离障碍物之 间的实际距离，L_测为所述超声传感器测量得到的该超声传感器与所述固定距离 障碍物之间的距离，v_参考为参考声速；Δt_i＝t_i-t′_i；

所述的s_j根据公式s_j＝v_实时×Δt_j计算得到，其中，Δt_j＝t_j-t_j′。

本发明所采用的再一技术方案是：一种基于上述基于超声测量的共轴双旋翼 桨尖距离测量系统的测量方法，所述测量方法基于超声测量窗口，其中，所述超 声接收装置内设置有两个或两个以上间隔布置的接收传感器，取所述接收传感器 中的任意两个接收传感器为第一接收传感器和第二接收传感器，所述第一接收传 感器和第二接收传感器之间的间隔距离为u；所述测量方法包括以下步骤：

步骤1，安装并连接所述测量系统；

步骤2，启动所述共轴双旋翼、所述超声发射装置和所述超声接收装置；

步骤3，当所述上桨叶和所述下桨叶交汇时，所述超声发射装置发射超声波， 并由所述超声接收装置的两个所述接收传感器分别接收超声波，获得所述超声发 射装置发射超声波的时刻t_o、所述第一接收传感器接收到超声波的时刻t_a，和所 述第二接收传感器接收到超声波的时刻t_b；

步骤4，根据声速补偿单元获得的实时声速值，以及步骤2获得的t_o、t_a和t_b计 算得到所述超声发射装置与所述第一接收传感器之间的距离d_a，和所述超声发射 装置与所述第二接收传感器之间的距离d_b；

步骤5，以所述超声发射装置为参照，所述超声接收装置相对于所述超声发 射装置发生沿该下桨叶桨尖所在圆周的移动，设所述超声发射装置所在位置D点， 所述超声接收装置接收超声波时刻、所述第一接收传感器相对于D点的所在位置 为E点，所述超声接收装置接收超声波时刻、所述第二接收传感器相对于D点的 所在位置为F点，在ΔDEF中，边长DE＝d_a，边长DF＝d_b，边长EF为所述第 一接收传感器与所述第二接收传感器之间的安装距离，EF＝u；已知ΔDEF中三 条边长的长度，则能计算得到三角形顶点D点到三角形边长EF的高H，H即为测 量得到的桨尖距离。

进一步地，步骤4中，所述的d_a根据公式d_a＝v_实时×Δt_a计算得到，其中，v_实时为实时声速值，

L_实为所述超声传感器与所述固定距离障碍 物之间的实际距离，L_测为所述超声传感器测量得到的该超声传感器与所述固定 距离障碍物之间的距离，v_参考为参考声速；Δt_a＝t_a-t_o；

所述的d_b根据公式d_b＝v_实时×Δt_b计算得到，其中，Δt_b＝t_b-t_o。

进一步地，步骤3中，为满足从所述超声接收装置进入所述测量范围到离开 所述测量范围的时间内，能接收到所述超声发射装置所发出的超声波，设所述超 声发射装置的超声波波束角为2α，则，满足tanα≥v_桨尖/2v_实时，其中，v_桨尖是 上桨叶桨尖和下桨叶桨尖的相对切向速度，v_实时为实时声速值。

本发明的有益效果是：

1.超声测距在短距离范围内测量精度较高，超声波具有一定波束角，因此， 在桨尖具有挥舞摆阵运动时也不会丢失信号，适合共轴直升机桨尖距离的动态测 量；

2.超声编码方法提高超声测距的测量频率，实现超声的连续测量，并将其应 用于桨尖距离的高速测量；

3.声速补偿系统采用固定距离障碍物直接实现实时声速补偿，省略了分析温 度、湿度等误差源再进行声速补偿步骤，而是综合了所有误差源的效果，更好的 补偿了由于声速误差造成的距离测量的误差。

附图说明

图1：本发明共轴双旋翼直升机桨尖距离测量参数说明示意图；

图2：本发明基于超声测量的共轴双旋翼桨尖距离测量系统示意图；

图3：本发明的超声波信号处理单元对超声波信号进行处理得到超声实时测 量距离的流程图；

图4：本发明的声速补偿单元原理示意图；

图5：本发明的基于超声编码方法的上下桨尖垂直距离获取示意图；

其中，(a)为桨尖垂直距离获取情况1，∠AB_jB_i为钝角，∠AB_iB_j为锐角； (b)为桨尖垂直距离获取情况2，∠AB_jB_i为锐角，∠AB_iB_j为锐角；(c)为桨 尖垂直距离获取情况3，∠AB_jB_i为锐角，∠AB_iB_j为钝角；

图6：本发明的基于超声测量窗口方法的上下桨尖垂直距离获取示意图；

其中，(a)为桨尖垂直距离获取情况1，∠DFE为钝角，∠DEF为锐角；(b) 为桨尖垂直距离获取情况2，∠DFE为锐角，∠DEF为锐角；(c)为桨尖垂直距 离获取情况3，∠DFE为锐角，∠DEF为钝角；

图7：本发明的超声测量窗口的示意图。

附图标注：

1——上旋翼； 2——下旋翼；

3——机身； 4——超声发射装置；

5——超声接收装置； 6——信号传输单元；

7——声速补偿单元； 8——超声波信号处理单元；

9——上位机人机交互单元； 10——超声传感器；

11——固定距离障碍物。

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：

如图1所示，本申请以四桨叶共轴双旋翼直升机为例，共轴双旋翼直升机包 括旋向相反、转速相等的上旋翼1和下旋翼2以及机身3。上旋翼1包括4个上 桨叶，下旋翼2包括4个下桨叶。上旋翼1和下旋翼2在旋转过程中存在交汇时 刻，交汇相位有8个，即，对于每一个上桨叶，该上桨叶会分别在这8个交汇相 位与下旋翼的不同下桨叶发生交汇，而共轴双旋翼桨尖距离测量系统即完成交汇 时刻上旋翼1的各个桨尖与其交汇的下旋翼2的桨尖之间的垂直距离H₁、H₂、 H₃、H₄。

本发明一种基于超声测量的共轴双旋翼桨尖距离测量系统及方法，基于超声 测距技术，采用超声编码方法提高超声测距的测量频率，采用超声测量窗口方法 扩大测量范围，在待测直升机桨叶上桨尖位置安装超声发射装置4，在待测直升 机桨叶下桨尖位置安装超声接收装置5，并通过桨叶内部预留引线将信号传递至 桨毂处，再通过信号传输单元6将信号传递至超声波信号处理单元8，超声波信 号处理单元8处理后得到实时桨尖距离，并对测量产生的切向误差进行修正，人 机交互系统可实时获取直升机上下桨叶交汇时上下桨尖之间的距离，并在上下桨 尖之间的距离的测量值达到阈值时进行报警。

如图2所示，一种基于超声测量的共轴双旋翼桨尖距离测量系统，包括：超 声发射和接收单元、信号传输单元6、超声波信号处理单元8、声速补偿单元7 和上位机人机交互单元9。

超声发射和接收单元包括超声发射装置4和超声接收装置5，为减少由于超 声波在空气中衰减快带来的不利影响，且上旋翼1桨尖和下旋翼2桨尖均处于高 速运动状态，因此选用发射端与接收端分离式超声测距装置。超声发射装置4 设置在上桨叶的桨尖并位于上桨叶桨尖的下表面，超声接收装置5设置在下桨叶 的桨尖并位于下桨叶桨尖的上表面，并且，每个上桨叶的桨尖均安装有一个超声 发射装置4；每个下桨叶的桨尖均安装有一个超声接收装置5，超声发射装置4 和超声接收装置5处于高速运动中，其超声波信号均通过桨叶内部引线传递至桨 毂处，再通过信号传输单元6传递至超声波信号处理单元8。超声波的发射和接 收都有一个波束角，在波束角范围内可以接收到超声波，按照以上安装方式，超 声发射装置4的波束角是竖直向下的锥角，超声接收装置5的波束角是竖直向上 的锥角，在上下旋翼2桨叶交汇时刻，超声接收装置5可以接收到超声发射装置 4的超声信号，实时测量。上下桨尖存在相对运动速度，下桨尖运动到波束角范 围内得到测量数据，每次交汇的过程中每组超声发射和接收单元都会得到一组数 据，而桨尖距离的测量值的是上下桨尖垂直距离的测量。

信号传输单元6将桨毂处的超声波信号传递至机身3的超声波信号处理单元 8，即实现动态至静态的转化。

超声波信号处理单元8位于直升机机身3内部，信号处理完成后，得到实时 的上下桨尖距离值，即可将测量结果显示在上位机人机交互单元9。超声波信号 处理单元8包括超声编码单元、信号放大和转换单元、超声解码单元、数据实时 处理单元。如图3所示，超声波信号处理单元8对超声波信号进行处理得到超声 实时测量距离的流程为：超声编码单元对超声发射装置4发出的超声波信号序列 进行编码，即每一次发出的序列都有对应的特征，如图3所示的序列S1、S2、…, 并标记发射时刻；信号放大和转换单元对超声接收装置5接收到的信号进行信号 放大和模数转换；超声解码单元将超声接收装置5接收到的超声波信号进行脉冲 压缩匹配滤波处理以完成解码，获得与超声发射装置4同一时钟下发射时刻对应的接收时刻；数据实时处理单元根据超声编码单元提供的发射时刻和超声解码单 元提供的接收时刻得到超声波飞行时间，再根据声波信号飞行时间和声速补偿单 元7提供的实时声速值v_实时进行距离计算，得到超声实时测量距离(该实时测量 距离为超声发射装置4与超声接收装置5之间的实时距离值)。值得说明的是， 采用超声测量窗口方法时，超声编码单元和超声解码单元仅启动标记发射时刻和 获取接收时刻的功能，信号编码和信号解码功能不启用。

由于旋翼航行状态空气湿度、温度以及多普勒效应等均会对超声测距精度产 生影响，需要对测量结果进行补偿，因此，在机身3外部配置声速补偿单元7， 用超声传感器10，对机身3上已知固定距离进行参照采样，建立实时声速模型， 作为环境误差补偿依据，并将实时声速值传递至超声波信号处理单元8。声速补 偿单元7用于获得实时的声速值，包括超声传感器10和固定距离障碍物11，超 声传感器10能获得实时测量的该超声传感器10与固定距离障碍物11之间的测 量距离值，并将该测量距离值与理论距离值进行对比转化，从而获得实时的声速 值，并提供给超声波信号处理单元8，用作声速误差补偿。固定距离障碍物11 为机身3上的固定物，该固定物与超声传感器10之间的距离是确定且已知的。

上位机人机交互单元9位于直升机机身3内部。上位机人机交互单元9可以 实现桨尖距离的实时显示，为飞行员提供上下桨叶桨尖距离的实时信息，并在上 下桨尖之间的距离的测量值达到阈值时进行报警。

普通的超声波测距设备，采用单周期测量的工作方式，即超声发射装置4 发出一束超声波，超声接收装置5接收到超声波后，再触发下一测量周期。由于 声速较慢，在两片桨叶交汇的0.6ms内(以其中一直升机型号参数为例，直升机 旋翼飞行参数为：旋翼半径4.25米，桨叶宽度230mm，额定转速427r/min，则 翼尖线速度为190m/s，上下旋翼2桨叶交汇时桨尖相对速度为380m/s)，实时声 速假定为340m/s，只能传递约204mm，当两片桨叶的桨尖距离超过204mm时(此 型号直升机需要检测的桨尖距离范围为100mm～1200mm)，使用超声测距方案就 会出现丢帧的情况。也就是，由于桨叶交汇时间极短，超声传播速度慢，导致在 上旋翼1桨叶和下旋翼2桨叶交汇的时间内超声接收装置5还未接收到超声发射 装置4发射的超声波后就已经离开。由此，本发明提出两种超声测量方法以解决 以上问题。第一种是超声编码方法，第二种是超声测量窗口方法。

超声编码方法指的是将超声发射装置4发出的超声波信号序列进行编码，标 记发射时刻，无需等待超声接收装置5接收到超声波后就可以进行下一次的超声 波发射，由于编码信息不同可区分不同时刻发出的超声波，这样超声发射装置4 可以采用连续发波的工作方式，同时以不同编码区分各段波束，理论上可解决超 声波传播速度慢的缺陷。无需等到交汇时刻再触发超声发射装置4发出超声波， 超声接收装置5对接收到的各编码超声波信号，都能通过超声解码单元将超声接 收装置5接收到的超声波信号进行脉冲压缩匹配滤波处理以完成解码，即获取与 超声发射装置4同一时钟下发射时刻对应的接收时刻。从而得到超声波飞行时间， 结合实时的声速量值，得到实时的测距值(该测量值为超声发射装置4与超声接 收装置5之间的距离值，并非上下桨尖的垂直距离值)，每个编码信号可获取一 个测距值，从而完成了超声编码测距，实现了超声测量时超声波信号序列的连续 发射，解决由于声速导致的测量率低的问题，提高了测量频率，弥补在受限于超 声接收装置5接收到超声发射装置4发出的超声波才能进行下一次的超声波发射 的问题，可实现高速动态的桨尖距离测量。

超声测量窗口是指上下桨叶交汇过程中，超声接收装置5在超声发射装置4 波束角内可以接收到超声波的空间范围，与桨尖的相对速度共同确定可以接收到 超声波并进行测量的范围，保证超声接收装置5在测量窗口内能实现一次有效测 量。测量窗口的大小是随测量距离的大小而变化的。其意义可以解释为：当超声 接收装置5进入测量超声波发射波束角所形成的测量锥体区域时，至其离开该区 域的时间内，测量超声波可以达到超声接收装置5，从而实现获得超声波从发射 到接收的时间，进而实现超声测距。

由于旋翼高速旋转，导致桨尖切向交汇速度高，桨叶交汇时间短，基于超声 测量窗口方法的桨尖距离测量仅仅在窗口内完成一次测量，不能保证是交汇时刻 的垂直距离的测量，基于超声编码方法的桨尖距离测量是在交汇过程中完成多次 测量，但是受两次编码时间间隔的影响，也不能保证其中就有垂直距离的测量， 同时受旋叶摆振和旋转相位识别误差的影响，基于超声测量的共轴双旋翼桨尖距 测量，可能会产生切向测量误差，即测量值可能不是上下桨尖的垂直距离值。

基于超声编码方法测量的桨尖距离垂直距离的获取方法是：在一次上下桨叶 交汇中会测得一组上述测距值，依据其中两个测距值作为三角形的两个边长值， 同时这两个编码声波间隔时间超声接收装置5相对于超声发射装置4切向位移作 为三角形的底边长值，根据三角关系得到三角形的高，即为待测的桨尖的垂直距 离值。

基于超声测量窗口方法测量的桨尖距离垂直距离的获取方法是：在超声接收 装置5设置两个或者两个以上的接收传感器，依据安装在同一个下桨尖的两个接 收传感器测量得到的距离作为三角形的两个边长值，同时这两个接收传感器安装 的距离作为三角形的底边长值，根据三角关系得到三角形的高，即为待测的桨尖 的垂直距离值。

(一)基于超声编码方法进行桨尖距离测量

步骤1，安装并连接测量系统。

步骤2，启动共轴双旋翼、超声发射装置4和超声接收装置5，并且，超声 发射装置4持续发射超声波，在超声发射装置4持续发射超声波的过程中，超声 编码单元将超声发射装置4发出的超声波信号序列进行编码，标记发射时刻，无 需等待超声接收装置5接收到超声波后就可以进行下一次的超声波发射，由于编 码信息不同可区分不同时刻发出的超声波。

步骤3，当上桨叶和下桨叶即将发生交汇时，超声接收装置5进入超声发射 装置4所发射的超声波的波束范围，并开始接收超声波直至上桨叶和下桨叶交汇 结束后，超声接收装置5离开波束范围。在超声发射装置4接收到超信号后，超 声解码单元将超声接收装置5接收到的超声波信号进行脉冲压缩匹配滤波处理 以完成解码，即获取与超声发射装置4同一时钟下发射时刻对应的接收时刻。

在超声接收装置5进入波束范围至离开波束范围中，设超声接收装置5第一 次接收到超声波的时刻为t₁、最后一次接收到超声波的时刻为t_n，取t₁至t_n时刻 中的任意两个超声接收装置5接收到超声波的时刻t_i和t_j，并获得t_i时刻所对应的 超声发射装置4发射超声波的时刻t_i′，和t_j时刻所对应的超声发射装置4发射超 声波的时刻t_j′，1≤i≤n，1≤j≤n，且，i≠j。

步骤4，根据声速补偿单元7获得的实时声速值，以及步骤2获得的t_i、t_i′、t_j和t_j′计算得到t_i时刻超声发射装置4与超声接收装置5之间的距离s_i，和t_j时刻 超声发射装置4与超声接收装置5之间的距离s_j。

实时声速值v_实时获得方法如下，如图4所示：

超声传感器10与固定距离障碍物11之间的实际距离L_实已知，超声传感器 10测量得到的该超声传感器10与固定距离障碍物11之间的距离为L_测，v_参考为 参考声速，1个标准大气压和15℃的条件下，v_参考＝340m/s，得到实时声速值

s_i根据公式s_i＝v_实时×Δt_i计算得到，其中，Δt_i＝t_i-t′_i；s_j根据公式 s_j＝v_实时×Δt_j计算得到，其中，Δt_j＝t_j-t′_j。

步骤5，如图5所示以超声发射装置4为参考，超声接收装置5相对于超声 发射装置4发生沿该下桨叶桨尖所在圆周的移动，设超声发射装置4所在位置为 A点，t_i时刻超声接收装置5相对于A点的所在位置为B_i点，t_j时刻超声接收装置 5相对于A点的所在位置为B_j点，B_i和B_j即为超声接收装置5接收到两个编码超 声波信号的位置，那么正确的桨尖距离为H，而实际测量值却可能为s_i和s_j。

考虑到s_i和s_j是不同编码超声波信号测到的距离，l为这两个编码超声波信号 间隔时间超声接收装置5相对于超声发射装置4从B_i到B_j的切向位移(B_iB_j＝l＝ Δt₁×v_桨尖，其中，Δt₁＝|t_i-t_j|，即为两个编码超声波信号的间隔时间，v_桨尖是 上桨叶桨尖和下桨叶桨尖的相对切向速度)，那么，在ΔAB_iB_j中，三条边长均已 知，而三角形顶点A点到三角形边长B_iB_j的高即为桨尖距离H，则，利用简单的 三角关系就可求得H值。

因此，数据实时处理单元根据相邻两次实时测量距离值进行处理，得到实时 垂直距离H。

图5中的(a)、(b)、(c)代表可能存在的不同情况，(a)为桨尖垂直距离 获取情况1，∠AB_jB_i为钝角，∠AB_iB_j为锐角；(b)为桨尖垂直距离获取情况2， ∠AB_jB_i为锐角，∠AB_iB_j为锐角；(c)为桨尖垂直距离获取情况3，∠AB_jB_i为 锐角，∠AB_iB_j为钝角。

根据上述方法步骤可获得每次桨叶交汇时刻每个桨叶交汇相位上的桨尖距 离，并可在上位机人机交互单元9实时显示上下桨尖之间的距离值，并对每次桨 叶交汇时刻的所有上下桨尖距离值进行评估，其中，评估方法为：根据不同直升 机型号设置报警阈值，将每次桨叶交汇时刻测量得到的各个上下桨尖距离值与阈 值进行比较，当其中至少一个上下桨尖距离值达到阈值时表示上下桨叶即将发生 碰撞，直升机处于危险飞行状态。根据评估结果，在直升机处于危险飞行状态时 进行报警，从而使直升机调整飞行参数，以保证直升机的安全运行。

(二)基于超声测量窗口方法进行桨尖距离测量

采用该方法时，超声接收装置5内设置有两个或两个以上间隔布置的接收传 感器，计算时取其中任意两个接收传感器的数据进行计算，设该两个接收传感器 为第一接收传感器和第二接收传感器，第一接收传感器和第二接收传感器之间的 间隔距离为u。测量方法包括以下步骤：

步骤A，安装并连接测量系统。

步骤B，启动共轴双旋翼、超声发射装置4和超声接收装置5。

步骤C，当上桨叶和下桨叶交汇时，超声发射装置4发射超声波，并由超声 接收装置5的两个接收传感器分别接收超声波，获得超声发射装置4发射超声波 的时刻t_o、第一接收传感器接收到超声波的时刻t_a，和第二接收传感器接收到超 声波的时刻t_b。

步骤D，根据声速补偿单元7获得的实时声速值，以及步骤C获得的t_o、t_a和 t_b计算得到超声发射装置4与第一接收传感器之间的距离d_a，和超声发射装置4 与第二接收传感器之间的距离d_b。

d_a根据公式d_a＝v_实时×Δt_a计算得到，其中，v_实时为实时声速值，

L_实为超声传感器10与固定距离障碍物11之间的实际距离，L_测为 超声传感器10测量得到的该超声传感器10与固定距离障碍物11之间的距离， v_参考为参考声速；Δt_a＝t_a-t_o；

d_b根据公式d_b＝v_实时×Δt_b计算得到，其中，Δt_b＝t_b-t_o。

步骤E，如图6所示，以超声发射装置4为参照，超声接收装置5相对于超 声发射装置4发生沿该下桨叶桨尖所在圆周的移动，设超声发射装置4所在位置 D点，超声接收装置5接收超声波时刻、第一接收传感器相对于D点的所在位置 为E点，超声接收装置5接收超声波时刻、第二接收传感器相对于D点的所在位 置为F点，那么正确的桨尖距离为H，而实际测量值却可能为d_a和d_b。

考虑到d_a和d_b是不同接收传感器测到的距离，u为这两个接收传感器安装位 置之间的距离，那么，在△DEF中，三条边长均已知，而三角形顶点D点到三角 形边长EF的高即为桨尖距离H，则，利用简单的三角关系就可求得H值。

因此，数据实时处理单元根据两个接收传感器的实时测量距离值进行处理， 得到实时垂直距离H。

图6中的(a)、(b)、(c)代表可能存在的不同情况，(a)为桨尖垂直距离 获取情况1，∠DFE为钝角，∠DEF为锐角；(b)为桨尖垂直距离获取情况2， ∠DFE为锐角，∠DEF为锐角；(c)为桨尖垂直距离获取情况3，∠DFE为锐 角，∠DEF为钝角。

根据上述方法步骤可获得每次桨叶交汇时刻每个桨叶交汇相位上的桨尖距 离，并可在上位机人机交互单元9实时显示上下桨尖距离值，并对每次桨叶交汇 时刻的所有上下桨尖距离值进行评估，其中，评估方法为：根据不同直升机型号 设置报警阈值，将每次桨叶交汇时刻测量得到的各个上下桨尖距离值与阈值进行 比较，当其中至少一个上下桨尖距离值达到阈值时表示上下桨叶即将发生碰撞， 直升机处于危险飞行状态。根据评估结果，在直升机处于危险飞行状态时进行报 警，从而使直升机调整飞行参数，以保证直升机的安全运行。

采用该方法时，为满足从超声接收装置5进入测量范围到离开测量范围的时 间内，能接收到超声发射装置4所发出的超声波，需保证测量窗口的大小。图7 为超声测量窗口的示意图，即在超声接收装置5进入超声发射装置4的测量范围 内，且处于交汇的时刻，超声发射装置4即被触发发射超声信号，这样，由于超 声传播需要时间，接收信号桨叶端运动从进入测量窗口交汇处到运动出测量窗口 也需要时间，通过窗口大小的设定保证在测量窗口以内超声接收装置5能接收到 超声发射装置4发出的超声波，从而完成测量。在一个测量窗口内一般只有一次 有效测量。超声发射装置4所需波束角的确定步骤如下：

如图7所示，假设超声发射装置4的超声波波束角为2α，测量距离为S，上 下旋翼2桨叶交汇过程中、超声接收装置5可以接收到超声波的时间为T，上桨 叶桨尖和下桨叶桨尖的相对切向速度为v_桨尖，实时声速值为v_实时，超声波飞行时 间为t，则：

另外，为保证超声测量的实施，还应满足T≥t，此时，从超声接收装置5 进入波束锥体区域到离开该区域的时间内，可以接收到超声发射装置4所发出的 超声波，联立上式可得tanα≥v_桨尖/2v_实时，可以得到超声发射装置4波束角的 要求，取决于桨尖的相对切向速度。

本发明适用于共轴双旋翼直升机桨尖距离的实时测量，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 (10)

1.一种基于超声测量的共轴双旋翼桨尖距离测量系统，所述共轴双旋翼包括上旋翼(1)和下旋翼(2)，所述上旋翼(1)包括若干个上桨叶，所述下旋翼(2)包括若干个下桨叶，其特征在于，所述测量系统包括：

超声发射和接收单元，所述超声发射和接收单元包括超声发射装置(4)和超声接收装置(5)，所述超声发射装置(4)设置在所述上桨叶的桨尖并位于所述上桨叶桨尖的下表面，所述超声接收装置(5)设置在所述下桨叶的桨尖并位于所述下桨叶桨尖的上表面；

信号传输单元(6)；

超声波信号处理单元(8)；以及

声速补偿单元(7)，所述声速补偿单元(7)用于获得实时的声速值；其中，所述信号传输单元(6)将所述超声发射装置(4)和所述超声接收装置(5)的超声波信号传递给所述超声波信号处理单元(8)，同时，所述声速补偿单元(7)将实时的声速值传递给所述超声波信号处理单元(8)，所述超声波信号处理单元(8)对接收的所述超声波信号和所述实时的声速值进行处理得到桨尖距离测量结果。

2.根据权利要求1所述的基于超声测量的共轴双旋翼桨尖距离测量系统，其特征在于，每个所述上桨叶的桨尖均安装有一个所述超声发射装置(4)；每个所述下桨叶的桨尖均安装有一个所述超声接收装置(5)。

3.根据权利要求1所述的基于超声测量的共轴双旋翼桨尖距离测量系统，其特征在于，所述声速补偿单元(7)包括超声传感器(10)和固定距离障碍物(11)，所述超声传感器(10)能获得实时测量的该超声传感器(10)与所述固定距离障碍物(11)之间的测量距离值，并将该测量距离值与理论距离值进行对比转化，从而获得实时的声速值。

4.根据权利要求1所述的基于超声测量的共轴双旋翼桨尖距离测量系统，其特征在于，所述超声波信号处理单元(8)包括：

超声编码单元，所述超声编码单元能对所述超声波发射装置发出的超声波信号序列进行编码，并标记发射时刻；

超声解码单元，所述超声解码单元将所述超声接收装置(5)接收到的超声波信号进行解码，获得与所述发射时刻对应的接收时刻；以及

数据实时处理单元，所述数据实时处理单元根据所述声速补偿单元(7)提供的声速值以及所述超声编码单元提供的发射时刻、所述超声解码单元提供的接收时刻进行距离计算，得到测量结果。

5.根据权利要求1所述的基于超声测量的共轴双旋翼桨尖距离测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括上位机人机交互单元(9)，所述上位机人机交互单元(9)用于显示所述桨尖距离测量结果。

6.一种基于上述权利要求1至5任一项所述的基于超声测量的共轴双旋翼桨尖距离测量系统的测量方法，其特征在于，所述测量方法基于超声编码，包括以下步骤：

步骤1，安装并连接所述测量系统；

步骤2，启动所述共轴双旋翼、所述超声发射装置(4)和所述超声接收装置(5)，并且，所述超声发射装置(4)持续发射超声波；

步骤3，当所述上桨叶和所述下桨叶即将发生交汇时，所述超声接收装置(5)进入所述超声发射装置(4)所发射的超声波的波束范围，并开始接收超声波直至所述上桨叶和所述下桨叶交汇结束后，所述超声接收装置(5)离开所述波束范围；

在所述超声接收装置(5)进入所述波束范围至离开所述波束范围中，设所述超声接收装置(5)第一次接收到超声波的时刻为t₁、最后一次接收到超声波的时刻为t_n，取t₁至t_n时刻中的任意两个所述超声接收装置(5)接收到超声波的时刻t_i和t_j，并获得t_i时刻所对应的所述超声发射装置(4)发射超声波的时刻t_i′和t_j时刻所对应的所述超声发射装置(4)发射超声波的时刻t_j′，1≤i≤n，1≤j≤n，且，i≠j；

步骤4，根据声速补偿单元(7)获得的实时声速值，以及步骤2获得的t_i、t_i′、t_j和t_j计算得到t_i时刻所述超声发射装置(4)与所述超声接收装置(5)之间的距离s_i，和t_j时刻所述超声发射装置(4)与所述超声接收装置(5)之间的距离s_j；

步骤5，以所述超声发射装置(4)为参照，所述超声接收装置(5)相对于所述超声发射装置(4)发生沿该下桨叶桨尖所在圆周的移动，设所述超声发射装置(4)所在位置为A点，t_i时刻所述超声接收装置(5)相对于A点的所在位置为B_i点，t_j时刻所述超声接收装置(5)相对于A点的所在位置为B_j点，在ΔAB_iB_j中，边长AB_i＝s_i，边长AB_j＝s_j，边长B_iB_j为所述超声接收装置(5)相对于所述超声发射装置(4)从B_i到B_j的切向位移，B_iB_j＝Δt₁×v_桨尖，其中，Δt₁＝|t_i-t_j|，v_桨尖是上桨叶桨尖和下桨叶桨尖的相对切向速度；已知ΔAB_iB_j中三条边长的长度，则能计算得到三角形顶点A点到三角形边长B_iB_j的高H，H即为测量得到的桨尖距离。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，步骤4中，所述的s_i根据公式s_i＝v_实时×Δt_i计算得到，其中，v_实时为实时声速值，

L_实为所述超声传感器(10)与所述固定距离障碍物(11)之间的实际距离，L_测为所述超声传感器(10)测量得到的该超声传感器(10)与所述固定距离障碍物(11)之间的距离，v_参考为参考声速；Δt_i＝t_i-t′_i；

所述的s_j根据公式s_j＝v_实时×Δt_j计算得到，其中，Δt_j＝t_j-t_j′。

8.一种基于上述权利要求1至5任一项所述的基于超声测量的共轴双旋翼桨尖距离测量系统的测量方法，其特征在于，所述测量方法基于超声测量窗口，其中，所述超声接收装置(5)内设置有两个或两个以上间隔布置的接收传感器，取所述接收传感器中的任意两个接收传感器为第一接收传感器和第二接收传感器，所述第一接收传感器和第二接收传感器之间的间隔距离为u；所述测量方法包括以下步骤：

步骤1，安装并连接所述测量系统；

步骤2，启动所述共轴双旋翼、所述超声发射装置(4)和所述超声接收装置(5)；

步骤3，当所述上桨叶和所述下桨叶交汇时，所述超声发射装置(4)发射超声波，并由所述超声接收装置(5)的两个所述接收传感器分别接收超声波，获得所述超声发射装置(4)发射超声波的时刻t_o、所述第一接收传感器接收到超声波的时刻t_a，和所述第二接收传感器接收到超声波的时刻t_b；

步骤4，根据声速补偿单元(7)获得的实时声速值，以及步骤2获得的t_o、t_a和t_b计算得到所述超声发射装置(4)与所述第一接收传感器之间的距离d_a，和所述超声发射装置(4)与所述第二接收传感器之间的距离d_b；

步骤5，以所述超声发射装置(4)为参照，所述超声接收装置(5)相对于所述超声发射装置(4)发生沿该下桨叶桨尖所在圆周的移动，设所述超声发射装置(4)所在位置D点，所述超声接收装置(5)接收超声波时刻、所述第一接收传感器相对于D点的所在位置为E点，所述超声接收装置(5)接收超声波时刻、所述第二接收传感器相对于D点的所在位置为F点，在ΔDEF中，边长DE＝d_a，边长DF＝d_b，边长EF为所述第一接收传感器与所述第二接收传感器之间的安装距离，EF＝u；已知ΔDEF中三条边长的长度，则能计算得到三角形顶点D点到三角形边长EF的高H，H即为测量得到的桨尖距离。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，步骤4中，所述的d_a根据公式d_a＝v_实时×Δt_a计算得到，其中，v_实时为实时声速值，

L_实为所述超声传感器(10)与所述固定距离障碍物(11)之间的实际距离，L_测为所述超声传感器(10)测量得到的该超声传感器(10)与所述固定距离障碍物(11)之间的距离，v_参考为参考声速；Δt_a＝t_a-t_o；

所述的d_b根据公式d_b＝v_实时×Δt_b计算得到，其中，Δt_b＝t_b-t_o。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，步骤3中，为满足从所述超声接收装置(5)进入所述测量范围到离开所述测量范围的时间内，能接收到所述超声发射装置(4)所发出的超声波，设所述超声发射装置(4)的超声波波束角为2α，则，满足tanα≥v_桨尖/2v_实时，其中，v_桨尖是上桨叶桨尖和下桨叶桨尖的相对切向速度，v_实时为实时声速值。

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