CN118035655B - 一种起落架减震系统健康监测方法、系统及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起落架减震系统健康监测方法、系统及介质；涉及飞行系统监测技术领域，在现有的监测技术上，进行方法上的改进，基于响应特征数据在故障特征数据库中搜索比对找到匹配的故障特征结果并输出；本方案通过实时采集监测飞机起飞、着陆过程中的动态响应，对起落架减震系统健康状态进行实时监控；基于响应特征数据在故障特征数据库中搜索比对找到匹配的故障特征结果并输出在第一时间分析出起落架的故障状态；有效提高故障诊断准确性与降低人力成本。

Description

一种起落架减震系统健康监测方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及飞行系统监测技术领域，具体涉及一种起落架减震系统健康监测方法、系统及介质。

背景技术

起落架系统是飞行最要的系统之一，起落架系统的健康状态直接决定了飞行安全。在飞机起降过程中承受了巨大的载荷，对于起落架系统的健康状态提出了更高的要求。目前，飞行器采用安全余量设计与周期性维护相结合的策略保证飞行器的运行安全：设计上，根据以往经验的设计形式，使用足够的安全冗余设计来包络不确定性；运维上，采用周期性维护方式，对飞行器进行定期检测，根据检测结果进行相应的维护措施，来保证系统运行的稳定与安全。起落架的健康管理方式主要根据原始设备制造商提供的飞机维护手册进行检修、维护。

当前起落架健康监测方式存在不足，诸如部分通航飞机并未在起落架减震系统安装用于监测起落架健康状态，目前起落架健康监测主要依赖于地勤人员的检测，通过目视检查油液泄露情况、检测减震器气压状态等，直接加装气压传感器等虽然能够在线监测起落架减震系统的健康状态，但在传感器安装打孔、线路布置等操作时会对起落架的结构以及适航性能产生影响，存在实现普遍应用的难度。因此，建立一种能够符合通航飞机现状、满足适航要求的起落架减震系统健康监测系统十分必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：目前起落架健康监测主要依赖于地勤人员的经验检测，无法实时监测，监测效率低，难以在第一时间分析出起落架的故障状态；本发明目的在于提供一种起落架减震系统健康监测方法、系统及介质，在现有的监测技术上，进行方法上的改进，通过实时采集监测飞机起飞、着陆过程中的动态响应，对起落架减震系统健康状态进行实时监控；基于响应特征数据在故障特征数据库中搜索比对找到匹配的故障特征结果并输出在第一时间分析出起落架的故障状态；有效提高故障诊断效率与准确性，降低人力成本。

本发明通过下述技术方案实现：

本方案提供一种起落架减震系统健康监测方法，包括步骤：

步骤一：采集起落架减震系统的监测数据，所述监测数据包括飞机状态数据和着陆响应数据；

步骤二：对监测数据进行预处理：对监测数据进行有效性判断；

步骤三：对预处理后的监测数据进行着陆响应分析得到响应特征数据；

步骤四：基于响应特征数据在故障特征数据库中搜索比对找到匹配的故障特征结果并输出。

本方案工作原理：目前大部分飞机尤其是通航飞机缺少机载起落架减震系统健康监控系统，起落架减震系统的健康监测与故障诊断主要依据维修手册规定依据时间、起降次数，结合机务人员在机库内的检测实现；效率和准确性存疑，难以在第一时间分析出起落架的故障状态；本发明目的在于提供一种起落架减震系统健康监测方法、系统及介质，在现有的监测技术上，进行方法上的改进，通过实时采集监测飞机起飞、着陆过程中的动态响应，对起落架减震系统健康状态进行实时监控；基于响应特征数据在故障特征数据库中搜索比对找到匹配的故障特征结果并输出在第一时间分析出起落架的故障状态；有效提高故障诊断准确性与降低人力成本。

进一步优化方案为，所述飞机状态数据包括：所述飞机状态数据包括：飞机飞行过程中的质量、纵向偏转角度、纵向下降速度、横向偏转角度、横向下降速度、垂直方向偏转角度和垂直方向下降速度；

所述着陆响应数据包括飞机在着陆过程中的震动加速度信号。

进一步优化方案为，步骤二包括以下子步骤：

S21，获取飞机着陆过程中T时间段内震动加速度信号的波形图，判断T时间段内的波形图是否均大于0，或均小于0，若是，则判定当前震动加速度信号为无效数据，生成监测错误标签并发出警示；

S22，获取所述震动加速度信号的幅值和均方根值，判断：条件a，幅值在幅值预设范围内；条件b，均方根值在均方根值预设范围内；当条件a和条件b都满足时，判定当前震动加速度信号为效数据，否则，判定当前震动加速度信号为无效数据，生成监测错误标签并发出警示；

S23，对所述震动加速度信号进行傅里叶变换，判断傅里叶变换后信号主频的幅值是否超过主频幅值阈值，若是，则判定当前震动加速度信号为无效数据，生成监测错误标签并发出警示。监测错误标签主要是监测过程中的故障现象，需要操作人员对监测设备、监测方法等进行检修调整。

进一步优化方案为，所述对预处理后的监测数据进行着陆响应分析得到响应特征数据，包括方法：

对着陆响应数据进行低通滤波处理；

对低通滤波处理后的着陆响应数据进行时域特征提取和频域特征提取：

从低通滤波处理后的着陆响应数据中提取出均方根值和衰减过程的波峰与波谷作为时域特征值；从低通滤波处理后的着陆响应数据中统计出完整波形的个数，以及傅里叶变换后的主频率范围作为频域特征值。

进一步优化方案为，步骤四包括以下子步骤：

获取飞机着陆时刻的质量、着陆响应数据和响应特征数据；

以着陆时刻的质量作为第一级检索指标，在故障特征数据库中搜索出质量匹配的故障特征结果；

以着陆响应数据为第二级检索指标，在质量匹配的故障特征结果中搜索出着陆响应数据匹配的故障特征结果；

以响应特征数据为第三级检索指标，在着陆响应数据匹配的故障特征结果中搜索出响应特征匹配的故障特征结果，最后输出响应特征匹配的故障特征结果。

进一步优化方案为，所述以响应特征数据为第三级检索指标，在着陆响应数据匹配的故障特征结果中搜索出响应特征匹配的故障特征结果，包括方法：

在着陆响应数据匹配的故障特征结果中搜索出与响应特征数据匹配的初级匹配数据：计算故障特征结果与响应特征数据之间各时域特征值和频域特征值的差量，将时域特征差量在时域差量阈值内，且频域特征差量在频域差量阈值内的故障特征结果作为初级匹配数据；

当初级匹配数据包含一个故障特征结果时，以初级匹配数据对应的故障特征结果作为响应特征匹配的故障特征结果；

当初级匹配数据包含多个故障特征结果时，计算各故障特征结果的相关系数G：

G=+；

其中，K₁表示时域特征相似度系数，K₂表示频域特征相似度系数；u ₁ 表示均方根值差量；u ₂ 表示衰减过程的波峰与波谷差量；u ₃ 表示着陆响应数据的完整波形的个数差量，u ₄ 表示傅里叶变换后的主频率范围差量；

以初级匹配数据或相关系数G最大的对应的故障特征结果作为响应特征匹配的故障特征结果。

进一步优化方案为，还包括步骤五：

当所述相关系数超过预设阈值时，输出匹配失败，生成地面检查信号，获取地面检查的故障特征结果并保存至故障特征数据库。

如果未在故障特征数据库中搜索到匹配的故障特征结果，则生成地面检查信号，信号提报给机务人员，在飞机完成本次飞行任务后检测、确定起落架当前系统状态，并将确定好的起落架减震系统健康状态以及系统采集的信号存入故障数据库中，以丰富故障特征库案例。

进一步优化方案为，所述故障特征结果表示为起落架阻尼参数相比正常值的偏移量,及阻尼值相比正常值的偏移量。

本方案还提供一种起落架减震系统健康监测系统，用于实现上述的一种起落架减震系统健康监测方法，所述系统包括：

采集模块，用于采集起落架减震系统的监测数据，所述监测数据包括飞机状态数据和着陆响应数据；所述采集模块装设在飞机驾驶舱内；

预处理模块，用于对监测数据进行预处理：对监测数据进行有效性判断，并对无效监测数据发出警示；

分析模块，用于对预处理后的监测数据进行着陆响应分析得到响应特征数据；

搜索模块，用于基于响应特征数据在故障特征数据库中搜索比对找到匹配的故障特征结果并输出。

传统方式需要直接监测起落架，需要将传感器安装在起落架上，安装打孔会影响起落架结构，飞行过程中还存在安全隐患；本方案通过震动信号判断起落架的状态，只需要把采集模块甚至整个起落架减震系统健康监测系统安装在驾驶舱里，这样就避免了在起落架上打孔，走线影响起落架结构和飞行安全。

本方案还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如上述的一种起落架减震系统健康监测方法。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的一种起落架减震系统健康监测方法、系统及介质；在现有的监测技术上，进行方法上的改进，通过实时采集监测飞机起飞、着陆过程中的动态响应，对起落架减震系统健康状态进行实时监控；基于响应特征数据在故障特征数据库中搜索比对找到匹配的故障特征结果并输出在第一时间分析出起落架的故障状态；有效提高故障诊断准确性与降低人力成本。

本发明提供的一种起落架减震系统健康监测方法、系统及介质；提供了一种新的技术构思，通过飞机的飞行状态数据以及着陆响应数据来间接进行起落架减震系统的实时监控，根据响应特征数据与故障特征数据库比对，能够及时诊断出起落架减震系统故障状况，提高故障诊断准确性和诊断效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。在附图中：

图1为起落架减震系统健康监测方法流程示意图；

图2为起落架减震系统健康监测系统结构示意图；

图3为着陆响应分析单元工作流程示意图；

图4为采集的飞行高度示意图；

图5为采集的下降速度示意图；

图6为采集的震动加速度信号示意图；

图7为滤波后的震动加速度信号示意图。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

目前起落架健康监测主要依赖于地勤人员的经验检测，无法实时监测，监测效率低，难以在第一时间分析出起落架的故障状态；鉴于此，本方案提供以下实施例解决上述技术问题。

实施例1：本实施例提供一种起落架减震系统健康监测方法，如图1所示，包括步骤：

步骤一：采集起落架减震系统的监测数据，所述监测数据包括飞机状态数据和着陆响应数据；飞机状态数据包括：飞机飞行过程中的质量、纵向偏转角度、纵向下降速度、横向偏转角度、横向下降速度、垂直方向偏转角度和垂直方向下降速度；

所述着陆响应数据包括飞机在着陆过程中的震动加速度信号；

步骤二：对监测数据进行预处理：对监测数据进行有效性判断，并对无效监测数据发出警示；具体包括以下子步骤：

S21，获取飞机着陆过程中T时间段内震动加速度信号的波形图，判断T时间段内的波形图是否均大于0，或均小于0，若是，则判定当前震动加速度信号为无效数据；

S22，获取所述震动加速度信号的幅值和均方根值，判断：条件a，幅值在幅值预设范围内；条件b，均方根值在均方根值预设范围内；当条件a和条件b都满足时，判定当前震动加速度信号为效数据，否则，判定当前震动加速度信号为无效数据；

S23，对所述震动加速度信号进行傅里叶变换，判断傅里叶变换后信号主频的幅值是否超过主频幅值阈值，若是，则判定当前震动加速度信号为无效数据。

步骤三：对预处理后的监测数据进行着陆响应分析得到响应特征数据；包括方法：

对着陆响应数据进行低通滤波处理；

对低通滤波处理后的着陆响应数据进行时域特征提取和频域特征提取：

从低通滤波处理后的着陆响应数据中提取出均方根值和衰减过程的波峰与波谷作为时域特征值；从低通滤波处理后的着陆响应数据中统计出完整波形的个数，以及傅里叶变换后的主频率范围作为频域特征值。

步骤四：基于响应特征数据在故障特征数据库中搜索比对找到匹配的故障特征结果并输出；包括以下子步骤：

获取飞机着陆时刻的质量、着陆响应数据和响应特征数据；

以着陆时刻的质量作为第一级检索指标，在故障特征数据库中搜索出质量匹配的故障特征结果；

以着陆响应数据为第二级检索指标，在质量匹配的故障特征结果中搜索出着陆响应数据匹配的故障特征结果；

以响应特征数据为第三级检索指标，在着陆响应数据匹配的故障特征结果中搜索出响应特征匹配的故障特征结果，最后输出响应特征匹配的故障特征结果；包括方法：

在着陆响应数据匹配的故障特征结果中搜索出与响应特征数据匹配的初级匹配数据：计算故障特征结果与响应特征数据之间各时域特征值和频域特征值的差量，将时域特征差量在时域差量阈值内，且频域特征差量在频域差量阈值内的故障特征结果作为初级匹配数据；

当初级匹配数据包含一个故障特征结果时，以初级匹配数据对应的故障特征结果作为响应特征匹配的故障特征结果；

当初级匹配数据包含多个故障特征结果时，计算各故障特征结果的相关系数G：

G=+；

其中，K₁表示时域特征相似度系数，K₂表示频域特征相似度系数；u ₁ 表示均方根值差量；u ₂ 表示衰减过程的波峰与波谷差量；u ₃ 表示着陆响应数据的完整波形的个数差量，u ₄ 表示傅里叶变换后的主频率范围差量；

以初级匹配数据或相关系数G最大的对应的故障特征结果作为响应特征匹配的故障特征结果。

还包括步骤五：

当所述相关系数超过阈值时，输出匹配失败，生成地面检查信号，获取地面检查的故障特征结果并保存至故障特征数据库。

所述故障特征结果表示为起落架阻尼参数相比正常值的偏移量,及阻尼值相比正常值的偏移量。

实施例2：本实施例提供一种起落架减震系统健康监测系统，用于实现实施例1所述的一种起落架减震系统健康监测方法，如图2所示，所述系统包括：

采集模块，用于采集起落架减震系统的监测数据，所述监测数据包括飞机状态数据和着陆响应数据；采集模块包括飞行状态采集单元和着陆响应采集单元；飞行状态采集单元主要包含陀螺仪，着陆响应采集单元包括震动加速度传感器等。采集模块装设在飞机驾驶舱地板上，尽量靠近中线，以降低偏转对于震动信号采集的影响，根据不同飞机的实际情况，传感器可以通过磁铁、胶粘、工装等不同形式安装在地板上；本方案通过震动信号判断起落架的状态，所以只需要把监测系统安装在驾驶舱的地板上，可以避免在起落架上进行打孔，走线等影响起落架结构和飞行安全的操作；陀螺仪与震动加速度传感器的采样频率为500Hz每秒。

预处理模块，用于对监测数据进行预处理：对监测数据进行有效性判断；预处理模块包括数据有效性判断单元用于对监测数据进行有效性判断，并对无效监测数据发出警示；

分析模块，用于对预处理后的监测数据进行着陆响应分析得到响应特征数据；分析模块包括着陆响应分析单元；

如图3所示，着陆响应分析单元获取着陆响应数据（着陆震动响应信号），考虑到飞机着陆过程的冲击、震动信号存在低频特征，对着陆震动响应信号经低通滤波器滤波处理以消除采集系统产生的高频干扰对于信号分析的影响，然后将滤波后的震动响应信号分别进行时域、频域特征提取。

搜索模块，用于基于响应特征数据在故障特征数据库中搜索比对找到匹配的故障特征结果并输出。搜索模块主要包括响应特征数据库（即故障特征数据库）、故障诊断单元和信息存储单元；故障诊断单元在响应特征数据库中搜索比对找到匹配的故障特征结果存储在信息存储单元，并输出；当判断出当前响应特征数据未包含在数据库中，生成地面检查提示标签，提示地面人员进行监测，并将故障特征结果保存至信息存储单元中的故障特征数据库。

实施例3：本实施例提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如实施例1所述的一种起落架减震系统健康监测方法。

本实施例中飞机飞行状态采集系统实时采集飞机飞行状态数据，飞行高度如图4所示、下降速度如图5所示，可知飞机着陆时的下降速度为4m/s；采集飞机着陆过程中的驾驶舱地板震动加速度信号如图6所示，将实时采集的震动加速度信号输入分析模块，确定震动加速度信号有效，未受到影响分析的干扰；首先进行低通率波，滤除高频噪声对于信号分析的影响，并进行平滑滤波，滤波后的震动加速度信号如图7所示；将滤波后的震动加速度信号进行时域和频域分析，在频域分析中，确定震动周期为3，首个震动波峰谷值分别为14.7m/s²和-11.7m/s²。

将实时采集的飞行着陆参数，飞行下降速度4m/s作为输入在响应特征数据库中检索相关典型响应信号，典型型号中包含和正常阻尼参数、75%阻尼、125%阻尼下的典型震动加速度信号。其中75%阻尼情况下的震动加速度信号与实测震动加速度信号最为接近，判断起落架当前阻尼参数相比与正常值降低了25%。因为响应特征数据库中案例与实测数据相似度较高，因此实测信号不保存在响应特征数据库。

本方案解决了目前通航飞机缺少基于响应的起落架减震系统健康系统导致的维修监测人力成本过高问题；采集系统采集飞机的飞行姿态与震动响应设备可以安装在驾驶舱地板上，无需在飞机结构上进行破坏。基于仿真数据与实际数据相结合的方式确保监测准确性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种起落架减震系统健康监测方法，其特征在于，包括步骤：

步骤一：采集起落架减震系统的监测数据，所述监测数据包括飞机状态数据和着陆响应数据；

所述飞机状态数据包括：飞机飞行过程中的质量、纵向偏转角度、纵向下降速度、横向偏转角度、横向下降速度、垂直方向偏转角度和垂直方向下降速度；

所述着陆响应数据包括飞机着陆过程的震动加速度信号；

步骤二：对监测数据进行预处理：对监测数据进行有效性判断，并对无效监测数据发出警示；具体包括以下子步骤：

S21，获取飞机着陆过程中T时间段内震动加速度信号的波形图，判断T时间段内的波形图是否均大于0，或均小于0，若是，则判定当前震动加速度信号为无效数据，生成监测错误标签并发出警示；

S22，获取所述震动加速度信号的幅值和均方根值，判断：条件a，幅值在幅值预设范围内；条件b，均方根值在均方根值预设范围内；当条件a和条件b都满足时，判定当前震动加速度信号为效数据，否则，判定当前震动加速度信号为无效数据，生成监测错误标签并发出警示；

S23，对所述震动加速度信号进行傅里叶变换，判断傅里叶变换后信号主频的幅值是否超过主频幅值阈值，若是，则判定当前震动加速度信号为无效数据，生成监测错误标签并发出警示

步骤三：对预处理后的监测数据进行着陆响应分析得到响应特征数据；

步骤四：基于响应特征数据在故障特征数据库中搜索比对找到匹配的故障特征结果并输出。

2.根据权利要求1所述的一种起落架减震系统健康监测方法，其特征在于，所述对预处理后的监测数据进行着陆响应分析得到响应特征数据，包括方法：

对着陆响应数据进行低通滤波处理；

对低通滤波处理后的着陆响应数据进行时域特征提取和频域特征提取：

从低通滤波处理后的着陆响应数据中提取出均方根值和衰减过程的波峰与波谷作为时域特征值；从低通滤波处理后的着陆响应数据中统计出完整波形的个数，以及傅里叶变换后的主频率范围作为频域特征值。

3.根据权利要求2所述的一种起落架减震系统健康监测方法，其特征在于，步骤四包括以下子步骤：

获取飞机着陆时刻的质量、着陆响应数据和响应特征数据；

以着陆时刻的质量作为第一级检索指标，在故障特征数据库中搜索出质量匹配的故障特征结果；

以着陆响应数据为第二级检索指标，在质量匹配的故障特征结果中搜索出着陆响应数据匹配的故障特征结果；

以响应特征数据为第三级检索指标，在着陆响应数据匹配的故障特征结果中搜索出响应特征匹配的故障特征结果，最后输出响应特征匹配的故障特征结果。

4.根据权利要求3所述的一种起落架减震系统健康监测方法，其特征在于，所述以响应特征数据为第三级检索指标，在着陆响应数据匹配的故障特征结果中搜索出响应特征匹配的故障特征结果，包括方法：

在着陆响应数据匹配的故障特征结果中搜索出与响应特征数据匹配的初级匹配数据：计算故障特征结果与响应特征数据之间各时域特征值和频域特征值的差量，将时域特征差量在时域差量阈值内，且频域特征差量在频域差量阈值内的故障特征结果作为初级匹配数据；

当初级匹配数据包含一个故障特征结果时，以初级匹配数据对应的故障特征结果作为响应特征匹配的故障特征结果；

当初级匹配数据包含多个故障特征结果时，计算各故障特征结果的相关系数G：

G=+；

其中，K₁表示时域特征相似度系数，K₂表示频域特征相似度系数；u ₁ 表示均方根值差量；u ₂ 表示衰减过程的波峰与波谷差量；u ₃ 表示着陆响应数据的完整波形的个数差量，u ₄ 表示傅里叶变换后的主频率范围差量；

以初级匹配数据或相关系数G最大的对应的故障特征结果作为响应特征匹配的故障特征结果。

5.根据权利要求4所述的一种起落架减震系统健康监测方法，其特征在于，还包括步骤五：

当所述相关系数超过阈值时，输出匹配失败，生成地面检查信号，获取地面检查的故障特征结果并保存至故障特征数据库。

6.根据权利要求1所述的一种起落架减震系统健康监测方法，其特征在于，所述故障特征结果表示为起落架阻尼参数相比正常值的偏移量，及阻尼值相比正常值的偏移量。

7.一种起落架减震系统健康监测系统，其特征在于，用于实现权利要求1-6任意一项所述的一种起落架减震系统健康监测方法，所述系统包括：

采集模块，用于采集起落架减震系统的监测数据，所述监测数据包括飞机状态数据和着陆响应数据；所述采集模块装设在飞机驾驶舱内；

预处理模块，用于对监测数据进行预处理：对监测数据进行有效性判断，并对无效监测数据发出警示；

分析模块，用于对预处理后的监测数据进行着陆响应分析得到响应特征数据；

搜索模块，用于基于响应特征数据在故障特征数据库中搜索比对找到匹配的故障特征结果并输出。

8.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行可实现如权利要求1-6中任意一项所述的一种起落架减震系统健康监测方法。