CN117734963B - 一种直升机旋翼共锥度检测方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及直升机旋翼检测技术领域。本发明提供一种直升机旋翼共锥度检测方法与装置。该方法包括:获取直升机的同一片桨叶先后经过两个不同光电探测器后,其对应输出的第一探测信号和第二探测信号,根据第一探测信号和第二探测信号,确定该片桨叶经过由两个不同光电探测器构成的探测区域所需时间,根据所需时间确定该架直升机所有相邻桨叶的相对高度差,根据所有相邻桨叶的相对高度差确定直升机旋翼的共锥度。本发明提供的方法,减少了测量结果的误差,提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及直升机旋翼检测技术领域,尤其涉及一种直升机旋翼共锥度检测方法与装置。
背景技术
直升机旋翼共锥度检测是直升机日常维护工作之一,其目的是检测直升机主旋翼在旋转时,各桨叶是否处于同一锥面,或者说各桨叶高度是否一致。因为各桨叶如果不处在同一锥面上,通常会引起直升机整体的振动,这不仅降低了乘员的舒适感,更带来了安全风险。
因此,检测升机旋翼共锥度非常重要,然而,目前检测升机旋翼共锥度的方法精度不高。
发明内容
本发明提供一种直升机旋翼共锥度检测方法与装置,用以解决现有技术中检测升机旋翼共锥度的方法不精确的缺陷。
一种直升机旋翼共锥度检测方法,包括如下步骤:
步骤一:获取直升机的同一片桨叶先后经过两个不同光电探测器后,其对应输出的第一探测信号和第二探测信号;
步骤二:根据所述第一探测信号和第二探测信号,确定该片桨叶经过由所述两个不同光电探测器构成的探测区域所需的时间;
步骤三:根据所述时间确定该桨叶叶尖距离所述光电探测器的垂直高度;
步骤四:根据所述垂直高度,确定所有相邻两片桨叶之间的高度差序列;
步骤五:对所述高度差序列进行滤波,得到滤波后的高度差序列;
步骤六:根据旋翼上的桨叶数量,将该滤波后的高度差序列对应旋翼一周各相邻桨叶关系进行平均,来获得旋翼上一周所有相邻桨叶之间的平均高度差数据;
步骤七:根据所述所有平均高度差数据,确定该直升机旋翼所有桨叶的共锥度。
进一步地,如上所述的直升机旋翼共锥度检测方法,所述步骤二包括:
步骤21:将所述第一探测信号和第二探测信号进行采集量化并进行低通滤波,得到低通滤波后的第一探测信号和第二探测信号;
步骤22:利用所述低通滤波后的第一探测信号和第二探测信号分别对应的脉冲时刻,确定该片桨叶经过由所述两个不同光电探测器构成的探测区域所需的时间。
进一步地,如上所述的直升机旋翼共锥度检测方法,所述步骤三包括:
根据以下公式确定桨叶叶尖距离所述光电探测器的垂直高度H:,/>;其中,/>为旋翼角速度,/>为桨叶划过所述探测区域的时间, />为光电探测器的仰角,/>为桨叶长度,/>为通用轨迹设备传感器仰角,/>为两个光电探测器的光轴夹角,/>为通用轨迹设备传感器到直升机旋翼主轴的水平距离。
进一步地,如上所述的直升机旋翼共锥度检测方法,所述步骤四包括:
步骤41:获取所有桨叶经过所述探测区域一次后,由所有桨叶形成的垂直高度序列;
步骤42:根据所述垂直高度序列,确定所有相邻两片桨叶之间的高度差,以形成高度差序列。
进一步地,如上所述的直升机旋翼共锥度检测方法,所述步骤五包括:
将所述高度差序列乘以一个矩阵M,得到滤波后的高度差序列;所述矩阵M为基于沃尔德-卡尔曼滤波器原理设计的矩阵。
进一步地,如上所述的直升机旋翼共锥度检测方法,所述矩阵M由如下方法求得:
根据旋翼一周N个旋翼之间互相关系,对于高度差序列的每一行,在没有任何畸变和噪声的情况下,任何连续N个值之和理论上为零,初始差分方程为:;由于实际上高度差序列的每一行存在噪声,因此其噪声项 ε 放到方程右边,写成:/>;从而,其结构方程写为:/>;将该方程写成矩阵和矢量的形式为/>,其中系数c1~cN均等于1;矩阵/>, r为权重系数,根据实际情况调整;T代表矩阵转置,E为单位矩阵;/>为旋翼桨叶个数;/>连续的自然数;/>为检测到的高度差序列;/>代表一个长度为/>高度差序列;/>代表未知的不均匀项;/>代表矩阵/>。
一种直升机旋翼共锥度检测装置,包括:
获取单元,用于获取直升机的同一片桨叶先后经过两个不同光电探测器后,其对应输出的第一探测信号和第二探测信号;
确定单元,用于根据所述第一探测信号和第二探测信号,确定该片桨叶经过由所述两个不同光电探测器构成的探测区域所需的时间;
所述确定单元,还用于根据所述时间确定该桨叶叶尖距离所述光电探测器的垂直高度;
所述确定单元,根据所述垂直高度,确定所有相邻两片桨叶之间的高度差序列;
滤波单元,用于对所述高度差序列进行滤波,得到滤波后的高度差序列;
平均单元,根据旋翼上的桨叶数量,将该滤波后的高度差序列对应旋翼一周各相邻桨叶关系进行平均,来获得旋翼上一周所有相邻桨叶之间的平均高度差数据;
所述确定单元,还用于根据所述所有平均高度差数据,确定该直升机旋翼所有桨叶的共锥度。
本发明还提供一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述直升机旋翼共锥度检测方法。
本发明提供的直升机旋翼共锥度检测方法与装置,一方面,通过计算前后桨叶的高度差作为数据处理对象,降低了直升机旋翼转速波动以及环境风变化对测量结果的影响;一方面,利用了旋翼各相邻桨叶高度差之和应为零的先验信息,最小化相邻桨叶高度差的噪声,通过引入类沃尔德-卡尔曼滤波器(Vold-Kalman filter),来解决一圈内前后桨叶高度差之和不为零的问题,减少了测量结果的误差,提高了测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于通用轨迹设备的共锥度测试装置的系统结构示意图;
图2为通用轨迹设备的两个光电探测器之间的位置关系图;
图3为通用轨迹设备的两个光电探测器的输出脉冲信号图;
图4为本发明提供的直升机旋翼共锥度检测方法流程图;
图5为通用轨迹设备和直升机的几何关系示意图;
附图标记:1-第一光电探测器;2-第二光电探测器;3-动平衡分析仪;4-通用轨迹设备;5-转速传感器;6-桨叶。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,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作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。
图1为本发明提供的基于通用轨迹设备的共锥度测试装置的系统结构示意图,如图1所示,在直升机上安装有通用轨迹设备4、转速传感器5,所述通用轨迹设备4、转速传感器5将检测到的信息传输给动平衡分析仪3供其分析处理。其中,通用轨迹设备4包括两个光电探测器,分别为第一光电探测器1和第二光电探测器2,该两个光电探测器的光轴相交,夹角为θ(见图2),通用轨迹设备安装时需要保证两个光电探测器的光轴上仰对准天空,两个光电探测器的光轴和水平面夹角相等(夹角为α),两光轴夹角中线和直升机主旋翼转轴相交,且穿过桨叶划过的锥面范围,默认直升机主旋翼转轴垂直于水平面。如图2、图3所示,当桨叶6从右往左划过通用轨迹设备的探测区域(两个光电探测器之间的区域),进入光电探测器的天空散射的近红外光将被遮挡,由于光电探测器探测的是天空散射下来的近似平行光的近红外光,因此,交流耦合的光电探测器将先后产生脉冲电信号(T1和T2)。因此,当同一片桨叶先后经过该两个光电探测器的光轴后,通用轨迹设备的两个光电探测器各自将检测到一个电脉冲信号,当该片桨叶连续旋转若干圈后,该两个光电探测器则会生成一系列的连续脉冲信号。而两个光电探测器输出电脉冲的时间差,即是该桨叶划过扇形探测区域的时间。
现有技术中检测直升机各桨叶是否处于共锥度的方法为:通过桨叶划过扇形探测区域的时间、以及光电探测器安装位置和旋翼转轴距离、两探测器的夹角、旋翼转速、以及两探测器和水平面的夹角,即可通过几何关系计算出各桨叶的垂直高度。然后再进行数秒钟的连续测试,对各个桨叶划过两探测器的时间进行平均,用平均时间来计算各个桨叶的高度,最后减去平均高度或者参考桨叶高度后的各桨叶的值作为各桨叶是否处于共锥度的参考依据。然而,在实际测试中,直升机旋翼旋转一周才产生一个转速信号,而在这旋转一周过程中,转速通常会有微小的起伏,此外还会受到环境风场的影响,因此直接把多圈数据进行平均的做法,会引入相当的误差。实际上,人们感兴趣的是桨叶之间的相对高度,而不是绝对高度。因此,计算两个相邻桨叶的高度差更具意义,而且由于相邻桨叶划过探测区域的相隔时间更短,两桨叶所处条件(转速变化,环境风影响)更为接近,因此计算前后桨叶高度差的结果更精确。但在处理实际测量数据中,当对一连串检测到的桨叶的高度数据进行前后桨叶高度相减的计算来获得相邻桨叶高度差数据序列,然后将对应指定两片桨叶之间的高度差数据进行多圈平均,来获得旋翼上所有相邻桨叶之间的高度差,其高度差之和通常不等于零,也就是说这种方法会引入明显的误差。以三桨叶为例,最终的高度差可以写为[h2-h1,h3-h2,h1-h3],其中h1,h2,h3分别为桨叶1,2,3的垂直高度,它们互相差分之和理论上必然为零,不为零的结果意味着误差的必然存在,而一圈桨叶高度差之和必然为零的先验信息是可以利用的。
因此,本发明利用了旋翼各相邻桨叶高度差之和应为零的先验信息,通过引入类沃尔德-卡尔曼滤波器(Vold-Kalman filter),来解决一圈内前后桨叶高度差之和不为零的问题,减少了测量结果的误差,提高了测量精度。
图4为本发明提供的直升机旋翼共锥度检测方法流程图,如图4所示,该方法包括如下步骤:
步骤一:获取直升机的同一片桨叶先后经过两个不同光电探测器后,其输出的第一探测信号和第二探测信号。
具体地,系统通过模数转换器对第一光电探测器1, 第二光电探测器2输出电信号进行采集量化,得到数据序列A1(t)和A2(t),并进行低通滤波,滤除数据序列的高频噪声,这样后续定位峰值更容易,从而对应得到所述第一探测信号和第二探测信号。
步骤二:根据所述第一探测信号和第二探测信号,确定该片桨叶经过由所述两个不同光电探测器构成的探测区域所需的时间。
具体地,对低通滤波后的A1(t)和A2(t)数据序列上的脉冲时刻,进行差分操作,以差分后数据序列的峰值时刻作为每次桨叶划过光电探测器的时刻,从而获得每次桨叶划过第一光电探测器1和第二光电探测器2的时刻序列T1和T2;根据时刻序列T1和T2对应同一片桨叶划过产生的脉冲的时间差,得到每次桨叶划过通用轨迹设备的探测区域所需的时间数据序列T(n)=T2-T1。
步骤三:根据所述时间确定该桨叶叶尖距离所述光电探测器的垂直高度H;
具体地,基于每次桨叶划过通用轨迹设备探测区域的时间数据序列T(n),可以根据通用轨迹设备传感器离直升机转轴的距离,传感器仰角,直升机旋翼长度,旋翼转速(由转速传感器测量获得),以及互相之间的几何关系,计算得到每次桨叶叶尖距离所述光电探测器的垂直高度。其几何关系如图5所示,OSOS’为旋翼主轴沿z方向,OS为旋翼桨毂的中心点,O为通用轨迹设备安装点,其仰角为α,A是某桨叶在T1时刻和第一光电探测器1光轴的交点,B是该桨叶在T2时刻和第二光电探测器2光轴的相交点,C为AB连线中点,h为连线AB中心到O点在垂直方向的距离,L1是通用轨迹设备安装点到旋转轴的距离。三角形ABOS’为三角形ABOS在xy平面的投影,三角形ABO’则是三角形ABO在xz平面的投影。最终可推导得到:。
其中,为旋翼角速度,/>为桨叶划过AB区域的时间。由于桨叶挥舞高度一般在水平面附近,桨叶末端高度H可以根据桨叶长度/>和通用轨迹设备照射点到转轴的距离进行放大得到,即:/>。
步骤四:根据所述垂直高度,确定所有相邻两片桨叶之间的高度差序列;
具体地,所述若干高度差序列的获取包括以下步骤:
步骤41:获取所有桨叶经过所述探测区域一次后,所有桨叶对应的垂直高度序列H=[ H(1), H(2),……,H(n)];
步骤42:根据所有桨叶对应的垂直高度序列,确定所有相邻两片桨叶之间的高度差,以形成高度差序列,dH=[H(2)-H(1),H(3)-H(2),……,H(n)-H(n-1)]。
步骤五:对所述高度差序列进行滤波,得到滤波后的高度差序列;
具体地,将所述高度差序列乘以一个矩阵M,得到滤波后的若干高度差序列;所述矩阵M为基于沃尔德-卡尔曼滤波器原理设计的矩阵。
该矩阵M由如下方法求得:
对于一个5桨叶的旋翼而言,其相邻桨叶高度差序列如果没有任何畸变和噪声,则任何连续5个值之和理论上应该为零,初始差分方程可以写为:。
由于实际上高度差序列的每一行存在噪声,因此其噪声项 ε 放到方程右边,写成:;从而,其结构方程写为:其可以重新写成矩阵和矢量的形式/>。通过类似沃尔德-卡尔曼滤波器的推导方式,即最小化噪声项 ε ,可以推导得到矩阵/>。其中r为权重系数,可以根据实际情况调整,T代表矩阵转置,E为单位矩阵,/>为旋翼桨叶个数;/>连续的自然数;/>为检测到的高度差序列;/>代表一个长度为/>高度差序列;/>代表未知的不均匀项;/>代表矩阵。
综上,对所述高度差矩阵N进行滤波,得到滤波后的高度差滤波矩阵Nflt。
步骤六:根据旋翼上的桨叶数量,将该滤波后的高度差序列对应旋翼一周各相邻桨叶关系进行平均,来获得旋翼上一周所有相邻桨叶之间的平均高度差数据;
具体地,对所述滤波后的高度差滤波矩阵Nflt中的每一列进行平均,对应得每一列的平均值,该每一列的平均值采用以下公式计算得到:;其中,t代表经过所述探测区域的次数,n代表直升机桨叶的数量 ,/>代表第n片桨叶与第n-1片桨叶之间的高度差;/>代表对该高度差进行滤波后得到的滤波值。
举例来说,前两片桨叶之间的平均滤波高度差为:然后,以此类推,可获得aveH 32 , aveH 43 , aveH 54 , aveH 15 。即:根据每两片桨叶之间的平均滤波高度差确定该架直升机所有桨叶两两之间形成的平均滤波高度差,从而得到每两片桨叶之间的平均滤波高度差序列H"= [aveH 21 , aveH 32 , aveH 43 , aveH 54 …aveH n(n-1)… aveH 1n ]。
步骤七:根据所述旋翼上一周所有相邻桨叶之间的平均高度差数据H"= [aveH 21 ,aveH 32 , aveH 43 , aveH 54 …aveH n(n-1)… aveH 1n ]计算得到桨叶1到桨叶N相对第一片桨叶的高度作为共锥度的最终输出结果。
本发明提供的方法,一方面,通过计算前后桨叶的高度差作为数据处理对象,降低了直升机旋翼转速波动以及环境风变化对测量结果的影响;一方面,利用了旋翼各相邻桨叶高度差之和应为零的先验信息,最小化相邻桨叶高度差的噪声,通过引入类沃尔德-卡尔曼滤波器(Vold-Kalman filter),来解决一圈内前后桨叶高度差之和不为零的问题,从而减少了测量结果的误差,提高了测量精度。
下面以一个5桨叶的直升机为例,对本发明直升机旋翼共锥度检测方法进行详细介绍:
(1)系统通过模数转换器对第一光电探测器1、第二光电探测器2输出电信号进行采集量化,得到数据序列A1(t)和A2(t),并进行低通滤波,得到低通滤波后的A1(t)和A2(t)的 数据序列;
(2)对低通滤波后的A1(t)和A2(t)的数据序列上的脉冲时刻进行差分操作,以差分后数据序列的峰值时刻作为每次桨叶划过光电探测器的时刻,从而获得每次桨叶划过光第一光电探测器1、第二光电探测器2的时刻序列T1和T2;
(3)根据时刻序列T1和T2对应同一片桨叶划过产生的脉冲的时间差,得到每次桨叶划过通用轨迹设备的探测区域所需的时间数据序列T(n)=T2-T1。
(4)根据以下公式确定该桨叶叶尖距离所述光电探测器的垂直高度H:,/>;
(5)当所有桨叶经过所述探测区域一次后,得到所有桨叶对应的垂直高度序列H=[ H(1), H(2),……,H(n)];
(6)根据所有桨叶对应的垂直高度序列H,确定所有相邻两片桨叶之间的高度差,以形成高度差序列,dH=[H(2)-H(1),H(3)-H(2),……,H(n)-H(n-1)];
(7)将所述高度差序列乘以一个矩阵M,得到滤波后的高度差序列矩阵Nflt;
(8)根据旋翼上的桨叶数量,将所述滤波后的高度差序列矩阵Nflt进行多圈平均,来获得旋翼上一周所有相邻桨叶之间的平均高度差数据dH ave = [dH 21,dH 32,…,dH n(n-1),…,dH N(N-1), dH 1N ],其中dH n(n-1)表示以参考桨叶为第1片桨叶,第n片桨叶和第n-1片桨叶之间的平均高度差;
(9)根据旋翼上一周所有相邻桨叶之间的平均高度差数据dH 21,dH 32,…,dH n(n-1),…,dH N(N-1)计算得到桨叶1到桨叶N相对第一片桨叶的高度作为共锥度的最终输出结果。对于一个5桨叶的旋翼而言,其中桨叶1到5的相对高度为:。
下面对本发明提供的直升机旋翼共锥度检测装置进行描述,下文描述的直升机旋翼共锥度检测装置与上文描述的直升机旋翼共锥度检测方法可相互对应参照。
一种直升机旋翼共锥度检测的装置,包括:
获取单元,用于获取直升机的同一片桨叶先后经过两个不同光电探测器后,其对应输出的第一探测信号和第二探测信号;
确定单元,用于根据所述第一探测信号和第二探测信号,确定该片桨叶经过由所述两个不同光电探测器构成的探测区域所需的时间;
所述确定单元,还用于根据所述时间确定该桨叶叶尖距离所述光电探测器的垂直高度;
所述确定单元,根据所述垂直高度,确定所有相邻两片桨叶之间的高度差序列;
滤波单元,用于对所述高度差序列进行滤波,得到滤波后的高度差序列;
平均单元,根据旋翼上的桨叶数量,将该滤波后的高度差序列对应旋翼一周各相邻桨叶关系进行平均,来获得旋翼上一周所有相邻桨叶之间的平均高度差数据;
所述确定单元,还用于根据所述所有平均高度差数据,确定该直升机旋翼所有桨叶的共锥度。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种直升机旋翼共锥度检测方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一:获取直升机的同一片桨叶先后经过两个不同光电探测器后,其对应输出的第一探测信号和第二探测信号;
步骤二:根据所述第一探测信号和第二探测信号,确定该片桨叶经过由所述两个不同光电探测器构成的探测区域所需的时间;
步骤三:根据所述时间确定该桨叶叶尖距离所述光电探测器的垂直高度;
步骤四:根据所述垂直高度,确定所有相邻两片桨叶之间的高度差序列;
步骤五:对所述高度差序列进行滤波,得到滤波后的高度差序列;
步骤六:根据旋翼上的桨叶数量,将该滤波后的高度差序列对应旋转一周各相邻桨叶关系进行平均,来获得旋转一周所有相邻桨叶之间的平均高度差数据;
步骤七:根据所有平均高度差数据,确定该直升机旋翼所有桨叶的共锥度;
所述步骤三包括:
根据以下公式确定桨叶叶尖距离所述光电探测器的垂直高度H:其中,Ω为旋翼角速度,T为桨叶划过所述探测区域的时间,Lb为桨叶长度,/>为通用轨迹设备传感器仰角,/>为两个光电探测器的光轴夹角,L1为通用轨迹设备传感器到直升机旋翼主轴的水平距离;
所述步骤五包括:
将所述高度差序列乘以一个矩阵M,得到滤波后的高度差序列;所述矩阵M为基于沃尔德-卡尔曼滤波器原理设计的矩阵;
所述矩阵M由如下方法求得:
根据旋转一周N个旋翼之间互相关系,对于高度差序列的每一行,在没有任何畸变和噪声的情况下,任何连续N个值之和理论上为零,初始差分方程为:,由于实际上高度差序列的每一行存在噪声,因此其噪声项ε放到方程右边,写成:/>,从而,其结构方程写为:/>将该方程写成矩阵和矢量的形式为/>,其中系数c1~cN均等于1;矩阵/>, r为权重系数,根据实际情况调整;T代表矩阵转置,E为单位矩阵;N为旋翼桨叶个数;n为连续的自然数;x为检测到的高度差序列;/>代表一个长度为k的高度差序列;/>代表未知的不均匀项;代表矩阵/>。
2.根据权利要求1所述的直升机旋翼共锥度检测方法,其特征在于,所述步骤二包括:
步骤21:将所述第一探测信号和第二探测信号进行采集量化并进行低通滤波,得到低通滤波后的第一探测信号和第二探测信号;
步骤22:利用所述低通滤波后的第一探测信号和第二探测信号分别对应的脉冲时刻,确定该片桨叶经过由所述两个不同光电探测器构成的探测区域所需的时间。
3.根据权利要求1所述的直升机旋翼共锥度检测方法,其特征在于,所述步骤四包括:
步骤41:获取所有桨叶经过所述探测区域一次后,由所有桨叶形成的垂直高度序列;
步骤42:根据所述垂直高度序列,确定所有相邻两片桨叶之间的高度差,以形成高度差序列。
4.根据权利要求1-3任一所述直升机旋翼共锥度检测方法的检测装置,其特征在于,包括:
获取单元,用于获取直升机的同一片桨叶先后经过两个不同光电探测器后,其对应输出的第一探测信号和第二探测信号;
确定单元,用于根据所述第一探测信号和第二探测信号,确定该片桨叶经过由所述两个不同光电探测器构成的探测区域所需的时间;
所述确定单元,还用于根据所述时间确定该桨叶叶尖距离所述光电探测器的垂直高度;
所述确定单元,根据所述垂直高度,确定所有相邻两片桨叶之间的高度差序列;
滤波单元,用于对所述高度差序列进行滤波,得到滤波后的高度差序列;
平均单元,根据旋翼上的桨叶数量,将该滤波后的高度差序列对应旋转一周各相邻桨叶关系进行平均,来获得旋转一周所有相邻桨叶之间的平均高度差数据;
所述确定单元,还用于根据所述所有平均高度差数据,确定该直升机旋翼所有桨叶的共锥度。
5.一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至3任一项所述直升机旋翼共锥度检测方法。
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