CN117533521A - 一种共轴双旋翼直升机桨间距测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种共轴双旋翼直升机桨间距测量装置及方法，属于试验试飞测试技术领域，该测量装置中，UTD传感器采集桨叶扫过探测区域的时间，并发送给采集处理器；采集处理器根据反光标志贴反射的光信号获得旋翼桨叶旋转角速度，并根据UTD传感器的安装参数、桨叶扫过探测区域的时间和旋翼桨叶旋转角速度，获得桨间距；通过非接触式光学测量技术，实时捕捉桨叶的运动轨迹，获得高精度的上下层桨叶高度，使得桨间距测量的准确性得到提升；使用非接触式测量，无需直接接触桨叶，避免了传统接触式测量可能带来的安全风险和桨叶损伤问题，测量过程更加安全可靠，减少了维护过程的人为干扰；满足桨间距测量需求。
Description
技术领域
本发明属于试验试飞测试技术领域，尤其涉及一种共轴双旋翼直升机桨间距测量装置及方法。
背景技术
共轴双旋翼直升机是一种特殊类型的直升机，其具有两套旋翼系统，绕同一个旋转轴反向旋转运动，这种设计带来了更高的升力和稳定性，使其在一些特定应用场景中具有优势。然而，共轴双旋翼直升机的上下桨叶之间的距离对其性能和安全性至关重要，共轴双旋翼直升机的上下桨叶之间的距离直接影响到飞行性能和安全性。合理的桨叶间距可以提高飞行效率和操纵性能，减少气动干扰。过小或过大的桨间距可能会导致桨叶间互相干扰，增加噪音和振动，甚至造成事故风险。
目前，测量共轴双旋翼直升机上下桨叶之间距离的方法主要是机械测量法或者图像处理法。机械测量法是使用传感器或测量工具直接测量桨叶之间的距离，但这种方法都只能在直升机旋翼静止状态下进行测量，且操作较为繁琐。图像处理法是通过摄像头获取桨叶图像，并借助计算机视觉技术来测量桨叶间距离，然而，这种方法一般对摄像头的安装位置和固定方式有着严苛的要求，摄像头安装位置影响桨叶在视场中的位置，其安装固定方式影响摄像头的稳定性，因此常用在直升机地面系留状态的桨间距测量，对于复杂的飞行环境和各种光照条件无法适用。
发明内容
为了解决相关技术中测量桨间距时机械测量法只能在直升机旋翼静止状态下进行测量，且操作较为繁琐；图像处理法要求严苛，对于复杂的飞行环境和各种光照条件无法适用的技术问题，本发明提供一种共轴双旋翼直升机桨间距测量装置及方法，满足桨间距测量需求，所述技术方案如下：
第一方面，提供一种共轴双旋翼直升机桨间距测量装置，包括：测量支架、UTD传感器、光电传感器和采集处理器，测量支架固定于直升机机身的指定位置上，UTD传感器位于测量支架上且满足预设的安装相位，同时以预设角度对准桨尖；光电传感器固定于直升机机身的另一位置且光路指向桨叶根部，基准桨叶根部粘贴有反光标志贴；UTD传感器、光电传感器与采集处理器电连接；
UTD传感器采集桨叶扫过探测区域的时间T，并发送给采集处理器；
光电传感器发出光信号，采集处理器根据反光标志贴反射的光信号获得旋翼桨叶旋转角速度；
采集处理器根据UTD传感器的安装参数、时间T和旋翼桨叶旋转角速度，获得桨间距。
可选地，UTD传感器的安装参数包括：UTD传感器到主轴的水平距离L0，UTD传感器的安装角度α，UTD传感器中两个光电元件的夹角θ；时间T包括上层桨叶扫过探测区域的时间Tu，以及下层桨叶扫过探测区域的时间Tl，
采集处理器具体用于：
按照上层桨叶高度计算公式和下层桨叶高度计算公式分别计算上层桨叶高度Hu和下层桨叶高度Hl；
将上层桨叶高度Hu和下层桨叶高度Hl的差值作为桨间距，
其中，上层桨叶高度计算公式为：
下层桨叶高度计算公式为：
其中，ω为旋翼桨叶旋转角速度。
可选地，测量支架和机体结构中间设有橡胶减震层，以降低来自直升机旋翼振动对UTD传感器的干扰，保证传感器更加稳定地工作。
可选地，UTD传感器有两个，分别测量上层桨叶扫过探测区域的时间和下层桨叶扫过探测区域的时间。
可选地，测量支架由高强度铝合金材料制成，以确保测量支架具有足够的强度和稳定性，同时不会给直升机增加过多的重量。
第二方面，提供一种共轴双旋翼直升机桨间距测量方法，用于第一方面任一所述的装置，所述方法包括：
UTD传感器采集桨叶扫过探测区域的时间T，并发送给采集处理器；
光电传感器发出光信号，采集处理器根据反光标志贴反射的光信号获得旋翼桨叶旋转角速度；
采集处理器根据UTD传感器的安装参数、时间T和旋翼桨叶旋转角速度，获得桨间距。
可选地，UTD传感器的安装参数包括：UTD传感器到主轴的水平距离L0，UTD传感器的安装角度α，UTD传感器中两个光电元件的夹角θ；时间T包括上层桨叶扫过探测区域的时间Tu，以及下层桨叶扫过探测区域的时间Tl，
采集处理器计算桨间距的过程包括：
按照上层桨叶高度计算公式和下层桨叶高度计算公式分别计算上层桨叶高度Hu和下层桨叶高度Hl；
将上层桨叶高度Hu和下层桨叶高度Hl的差值作为桨间距；
其中，上层桨叶高度计算公式为：
下层桨叶高度计算公式为：
其中，ω为旋翼桨叶旋转角速度。
可选地，所述方法还包括：
通过对直升机的结构分析和运动模拟，得到UTD传感器的安装相位，在该安装相位下，上下层桨叶始终只有一层桨叶通过UTD传感器的探测区域，不存在有两片桨叶同时出现在UTD传感器的探测区域，这样可以确保UTD传感器能够更加准确地测量上下层桨叶扫过探测区域的时间，为后续桨间距计算提供更加准确的数据。
本发明引入光学UTD传感器进行桨间距测量，通过非接触式光学测量技术，实时捕捉桨叶的运动轨迹，从而获得高精度的上下层桨叶高度，这使得桨间距测量的准确性得到提升，有助于直升机飞行性能的优化和安全性的提高；使用光学UTD传感器进行非接触式测量，不需要直接接触桨叶，避免了传统接触式测量可能带来的安全风险和桨叶损伤问题，这种非接触式测量方式更加安全可靠，减少了维护过程的人为干扰；使得直升机维护人员在飞行过程中能够实时获得桨间距信息，这为直升机飞行控制和操纵提供了重要的数据支持，使得飞行操作更加准确和高效；本发明不仅适用于特定型号的共轴双旋翼直升机，还可推广应用到其他型号和品牌的直升机中。
附图说明
图1为UTD测量原理示意图；
图2为UTD测试量几何计算示意图；
图3为UTD传感器输出波形示意图；
图4为本发明实施例提供的桨间距测量装置组成示意图；
图5为本发明实施例提供的UTD传感器局部放大示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施方式和附图对本申请作进一步详细说明。
本发明实施例基于UTD测量方式实时测量共轴双旋翼直升机上下桨叶之间的距离。UTD测量方式具有非接触、高精度与实时性等优势，且其组成装置较小，便于在直升机机体上进行安装，同时能够应对复杂环境和光照变化。本发明实施例为共轴双旋翼直升机的飞行性能、安全性和维护提供有效的桨间距测量方案，具有重要的实际应用价值。
为了使读者更加清楚本发明所述技术方案，现先对UTD测量方式进行详细说明。
请参见图1，图1为UTD测量方式的常用测量场景，在该场景中，UTD传感器基于测量长度的三角法来测量旋翼轨迹。图2为传感器安装参数和旋翼锥体数据计算的几何图形。其中：h为该旋翼锥体挥舞值(单位：米)，L0为传感器到主轴的水平距离(单位：米)，α为传感器的安装角度(单位：°)，ω为旋翼桨叶旋转角速度(单位：弧度/秒)，θ为UTD传感器中两个光电元件的夹角(单位：°)，X：桨叶扫过UTD传感器两个感受区域(θ)的弦长，T：桨叶扫过UTD传感器两个感受区域(θ)的时间。
请参见图1，在UTD传感器中有两个安装角度固定为θ的光电元件，当某片桨叶扫过时，传感器输出一个电脉冲信号。对于某一片桨叶来说，在UTD传感器可感受的两个夹角为θ的区域内。当桨叶前沿与第一束光线相交时，UTD传感器输出第一个脉冲，见图3，当桨叶前沿与第二束光线相交时，传感器输出第二个脉冲，当桨叶后沿与第二束光线相交时，传感器输出第三个脉冲。为了区别不同的桨叶，通过转速传感器来定位哪片桨叶。UTD传感器输出波形如图3所示。图3中，T1：表示第i片桨叶前沿与第一束光线相交的时刻；T2：表示第i片桨叶前沿与第二束光线相交的时刻；T3：表示第i片桨叶后沿与第二束光线相交的时刻；T4：表示下一片桨叶前沿与第一束光线相交的时刻；T＝T2-T1：表示第i片桨叶扫过θ区域的时间。
根据传感器的安装位置和角度，通过下述公式，即可得到旋翼桨叶的高度值：
本发明一实施例提供一种共轴双旋翼直升机桨间距测量装置，如图4所示，该装置包括：测量支架、UTD传感器2、光电传感器5和采集处理器7。
测量支架固定于直升机机身6的指定位置。UTD传感器2位于测量支架上，且满足预设的安装相位，同时以一定角度对准桨尖，见图5；光电传感器5固定于直升机机身的另一位置，且光路指向桨叶根部；基准桨叶根部粘贴有反光标志贴4，UTD传感器2、光电传感器5与采集处理器7电连接；
UTD传感器采集桨叶扫过探测区域的时间T，并发送给采集处理器；
光电传感器发出光信号，采集处理器根据反光标志贴反射的光信号获得旋翼桨叶旋转角速度；
采集处理器根据UTD传感器的安装参数、时间T和旋翼桨叶旋转角速度，获得桨间距。
关于测量支架的设计：
可使用高强度铝合金材料制成。支架的形状和尺寸经过精确计算使得UTD传感器可以稳固地安装在直升机机身上，同时确保传感器在特定的相位位置上；
材料的选择：选择轻质高强度铝合金材料，以确保支架具有足够的强度和稳定性，同时不会给直升机增加过多的重量。支架采用特殊的结构设计，以适应直升机的机身形状，并确保UTD传感器可以在合适的位置固定；
安装位置和相位的确定：在设计过程中，考虑到直升机上下桨叶运动的相位关系，通过对直升机的结构分析和运动模拟，确定了UTD传感器的最佳安装位置和相位角度，UTD传感器探测区域，上下层桨叶始终只有一层桨叶通过，不会有两片桨叶同时出现在UTD传感器探测区域内。这样可以确保传感器能够更加准确地测量上下层桨叶扫过探测区域的时间，更加准确地测量上下桨叶的高度差，为后续桨间距计算提供更加准确的数据。
稳固性和振动抑制：为了确保传感器在飞行中的稳固性，在支架设计中考虑了振动抑制措施，在测量支架和机体结构中间增加橡胶减震层，以降低来自直升机旋翼振动对UTD传感器的干扰，保证传感器更加稳定地工作。
对于UTD传感器的应用：
在测量支架上，安装了一台光学UTD传感器，该传感器配备了高分辨率的光学传感器镜头和敏感元件，能够通过非接触式光学测量技术实现实时的桨叶轨迹信息捕捉；
采用光学原理，进行非接触式轨迹测量，通过光电元件将成像的旋转桨叶运动轨迹转换为电信号，并经过放大整形后，最终可获得桨叶运动轨迹参数。如图1所示，UTD传感器安装在直升机上，以一定角度瞄准桨尖，根据桨尖与光电元件的距离及瞄准方向设计成像透镜，在光线照射下，使桨叶能分别成像到UTD传感器内的1号及2号光电元件的光敏面上。1号及2号光电元件依据桨叶旋转方向呈θ角安装。当桨叶旋转经过这θ角视场时，由于桨叶对视场内光线的遮挡，1号及2号光电元件就能感应到光学强度的变化，光强信号经光电变换并整形处理后，最终可获得桨叶运动轨迹参数。
UTD传感器是一种先进的光学传感器，其配备了高分辨率的透镜和光学传感器。该传感器具有快速的数据采集速率和高精度的测量能力，能够在毫米级时间内捕捉上下层桨叶的运动轨迹。
UTD传感器采用非接触式测量技术，不需要直接接触桨叶即可获得高度信息，这使得传感器在飞行中对直升机的运动不会产生干扰，同时避免了可能的安全风险。
在特殊测量相位，由于机体结构限制，需要在同一个相位安装两个UTD传感器分别对桨叶高度进行测量，通过对多个传感器数据的融合技术，可以将不同传感器获取的数据进行整合，提高测量的精度和准确性。
在一实施例中，UTD传感器的安装参数包括：UTD传感器到主轴的水平距离L0，UTD传感器的安装角度α，UTD传感器中两个光电元件的夹角θ；时间T包括上层桨叶扫过探测区域的时间Tu，以及下层桨叶扫过探测区域的时间Tl，请参见图4，
采集处理器具体用于：
按照上层桨叶高度计算公式和下层桨叶高度计算公式分别计算上层桨叶1高度Hu和下层桨叶3高度Hl；
将上层桨叶高度Hu和下层桨叶高度Hl的差值作为桨间距；
其中，上层桨叶高度计算公式为：
下层桨叶高度计算公式为：
其中，ω为旋翼桨叶旋转角速度。
如上所述，在一实施例中，测量支架和机体结构中间设有橡胶减震层，以降低来自直升机旋翼振动对UTD传感器的干扰，保证传感器更加稳定地工作。
在一实施例中，UTD传感器有两个，分别测量上层桨叶扫过探测区域的时间和下层桨叶扫过探测区域的时间。
在一实施例中，测量支架由高强度铝合金材料制成，以确保测量支架具有足够的强度和稳定性，同时不会给直升机增加过多的重量。
本发明一实施例还提供一种共轴双旋翼直升机桨间距测量方法，用于本发明实施例所述的装置，该测量方法包括如下步骤：
1、UTD传感器采集桨叶扫过探测区域的时间T，并发送给采集处理器；
2、光电传感器发出光信号，采集处理器根据反光标志贴反射的光信号获得旋翼桨叶旋转角速度；
3、采集处理器根据UTD传感器的安装参数、时间T和旋翼桨叶旋转角速度，得到桨间距。
可选地，UTD传感器的安装参数包括UTD传感器到主轴的水平距离L0，UTD传感器的安装角度α，UTD传感器中两个光电元件的夹角θ；时间T包括上层桨叶扫过探测区域的时间Tu，以及下层桨叶扫过探测区域的时间Tl，
采集处理器计算桨间距的过程包括：
按照上层桨叶高度计算公式和下层桨叶高度计算公式分别计算上层桨叶高度Hu和下层桨叶高度Hl；
将上层桨叶高度Hu和下层桨叶高度Hl的差值作为桨间距；
其中，上层桨叶高度计算公式为：
下层桨叶高度计算公式为：
其中，ω为旋翼桨叶旋转角速度。
在另一实施例中，进一步地，该测量方法还可以包括：
通过对直升机的结构分析和运动模拟，得到UTD传感器的安装相位，在该安装相位下，上下层桨叶始终只有一层桨叶通过UTD传感器的探测区域，不存在有两片桨叶同时出现UTD传感器的探测区域，这样可以确保UTD传感器能够准确地测量上下层桨叶扫过探测区域的时间，为后续桨间距计算提供准确的数据。
以上仅表达了本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但且不能因此而理解为对专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。另外，本申请未详尽部分均为常规技术。
Claims (8)
1.一种共轴双旋翼直升机桨间距测量装置，其特征在于，包括：测量支架、UTD传感器、光电传感器和采集处理器；其中，测量支架固定于直升机机身的指定位置，UTD传感器位于测量支架上且满足预设的安装相位，同时以预设角度对准桨尖；光电传感器固定于直升机机身的另一位置且光路指向桨叶根部；基准桨叶根部粘贴有反光标志贴；UTD传感器、光电传感器与采集处理器电连接；
UTD传感器采集桨叶扫过探测区域的时间T，并发送给采集处理器；
光电传感器发出光信号，采集处理器根据反光标志贴反射的光信号获得旋翼桨叶旋转角速度；
采集处理器根据UTD传感器的安装参数、时间T和旋翼桨叶旋转角速度，获得桨间距。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，UTD传感器的安装参数包括：UTD传感器到主轴的水平距离L0，UTD传感器的安装角度α，UTD传感器中两个光电元件的夹角θ；时间T包括上层桨叶扫过探测区域的时间Tu，以及下层桨叶扫过探测区域的时间Tl，
采集处理器具体用于：
按照上层桨叶高度计算公式和下层桨叶高度计算公式分别计算上层桨叶高度Hu和下层桨叶高度Hl；
将上层桨叶高度Hu和下层桨叶高度Hl的差值作为桨间距；
其中，上层桨叶高度计算公式为：
下层桨叶高度计算公式为：
其中，ω为旋翼桨叶旋转角速度。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，测量支架和机体结构中间设有橡胶减震层。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，UTD传感器有两个，分别测量上层桨叶扫过探测区域的时间和下层桨叶扫过探测区域的时间。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，测量支架由高强度铝合金材料制成。
6.一种共轴双旋翼直升机桨间距测量方法，其特征在于，用于权利要求1至5任一所述的装置，所述方法包括：
UTD传感器采集桨叶扫过探测区域的时间T，并发送给采集处理器；
光电传感器发出光信号，采集处理器根据反光标志贴反射的光信号获得旋翼桨叶旋转角速度；
采集处理器根据UTD传感器的安装参数、时间T和旋翼桨叶旋转角速度，获得桨间距。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，UTD传感器的安装参数包括：UTD传感器到主轴的水平距离L0，UTD传感器的安装角度α，UTD传感器中两个光电元件的夹角θ；时间T包括上层桨叶扫过探测区域的时间Tu，以及下层桨叶扫过探测区域的时间Tl，
采集处理器计算桨间距的过程包括：
按照上层桨叶高度计算公式和下层桨叶高度计算公式分别计算上层桨叶高度Hu和下层桨叶高度Hl；
将上层桨叶高度Hu和下层桨叶高度Hl的差值作为桨间距；
其中，上层桨叶高度计算公式为：
下层桨叶高度计算公式为：
其中，ω为旋翼桨叶旋转角速度。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过对直升机的结构分析和运动模拟，得到UTD传感器的安装相位，在该安装相位下，上下层桨叶始终只有一层桨叶通过UTD传感器的探测区域，不存在有两片桨叶同时出现在UTD传感器的探测区域。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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