RU156047U1 - Устройство для измерения несоконусности лопастей несущего винта вертолета - Google Patents

Abstract

1. Устройство для измерения несоконусности лопастей несущего винта вертолета, содержащее объектив с управляемой диафрагмой, фотоприемное устройство, аналогово-цифровой преобразователь, формирователь сигнала автоматической регулировки яркости, формирователь усредненного кадра изображения, формирователь межкадровой разности, амплитудный детектор, компаратор, блок выделения координат законцовок лопастей, блок измерения временных интервалов, формирователь изображения лопастей, блок накопления информации и блок индикации, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок управления на микроконтроллере с функцией распознавания первой лопасти и усреднения координат законцовок лопастей, панель управления, блок промежуточного хранения информации, блок обмена по Ethernet, акселерометр и термостат, при этом блок промежуточного хранения информации по входу соединен с формирователем изображения лопастей, а по входам и выходам с блоком управления на микроконтроллере, который по входам соединен с акселерометром и с панелью управления, по выходам соединен с блоком накопления информации и с блоком индикации, а по входам и выходам с блоком обмена по Ethernet и с термостатом, а формирователь изображения лопастей по выходам соединен с блоком промежуточного хранения информации и с блоком индикации.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит порт ввода с гальванической развязкой, соединенный с блоком управления на микроконтроллере.

Description

Полезная модель относится к оптико-электронной измерительной технике, а именно к устройствам для измерения координат быстродвижущихся объектов, и может быть использована для измерения несоконусности лопастей несущего винта вертолета.

Известно устройство для измерения координат быстродвижущихся объектов (см. В.И. Замятин, «Оптико-электронные приборы на основе твердотельных фотоприемников», Барнаул, 1991, с. 10). Устройство содержит источник оптического излучения, модулятор светового потока и оптическую головку, включающую объектив, оптически связанное с ним фотоприемное устройство, последовательно соединенное с блоком развертки напряжений и усилителем, а также узел обработки видеосигнала, включающий блоки автоматической регулировки усиления, цифровой обработки информации, селекции и выделения координаты, индикации и вывода информации, последовательно соединенные между собой. В качестве модулятора светового потока использованы источники оптического излучения, закрепленные на законцовках лопастей несущего винта и выполненные, например, мигающими. Установка источников оптического излучения на законцовках лопастей несущего винта вносит изменения в конструкцию и может нарушить балансировку последнего, что может привести к отрыву лопастей и, как следствие, к гибели вертолета и экипажа. Благодаря использованию в качестве фотоприемного устройства фотодиодной линейки, устройство обладает большим быстродействием и большей помехоустойчивостью, однако в реальных условиях излучение облаков, топографические детали рельефа земной поверхности, неоднородное излучение атмосферы, отраженное или рассеянное излучение разнообразных источников создают суммарное поле излучения, описываемое только случайной функцией энергетической светимости. Поэтому при определении координат законцовок лопастей вращающегося несущего винта на постоянно меняющемся излучающем фоне, например, при переменной облачности, возникают многочисленные ложные срабатывания, вызванные формированием временных стробов на участках перепада энергетической яркости небесного фона.

Наиболее близким к заявленному решению, взятым в качестве прототипа является устройство для измерения несоконусности лопастей несущего винта вертолета (патент №2415053, от 23.09.2009 г., патентообладатель Борисов Ю.А.) выполненное содержащим блок вывода информации, оптическую головку, включающую объектив, оптически связанное с ним фотоприемное устройство и последовательно соединенный с фотоприемным устройством аналого-цифровой преобразователь и узел обработки видеосигнала, содержащий компаратор, формирователь межкадровой разности, формирователь усредненного кадра изображения, амплитудный детектор, блок выделения координат законцовок лопастей, блок усреднения координат законцовок лопастей, формирователь изображения лопастей и блок распознавания первой лопасти. В устройстве использован полностью цифровой канал, в котором каждый обрабатываемый пиксел фотоприемного устройства имеет свой физический адрес, что позволяет после проведения калибровки измерять расстояния между законцовками лопастей количеством элементов фотоприемника, разделяющим изображения траекторий законцовок лопастей.

Однако, необходимо отметить и недостатки известного устройства, а именно: сложность в эксплуатации и громоздкость конструкции за счет того, что требуется использование ПК, невозможность наружного применения, невозможность работы в перевернутом состоянии. Сложность эксплуатации в условиях брызг, пыли и низких температур.

Задачей заявленного решения является создание мобильного устройства для измерения несоконусности лопастей несущего винта вертолета, а также повышение надежности и удобства эксплуатации.

Поставленная цель достигается за счет того, что известное устройство для измерения несоконусности лопастей несущего винта вертолета содержащее объектив с управляемой диафрагмой, фотоприемное устройство, аналогово-цифровой преобразователь, формирователь сигнала автоматической регулировки яркости, формирователь усредненного кадра изображения, формирователь межкадровой разности, амплитудный детектор, компаратор, блок выделения координат законцовок лопастей, блок измерения временных интервалов, формирователь изображения лопастей, блок накопления информации и блок индикации, дополнительно содержит блок управления на микроконтроллере с функцией распознавания первой лопасти и усреднения координат законцовок лопастей, панель управления, блок промежуточного хранения информации, блок обмена по Ethernet, акселерометр и термостат, при этом блок промежуточного хранения информации по входу соединен с формирователем изображения лопастей, а по входам и выходам с блоком управления на микроконтроллере, который по входам соединен с акселерометром и с панелью управления, по выходам соединен с блоком накопления информации и с блоком индикации, а по входам и выходам с блоком обмена по Ethernet и с термостатом, а формирователь изображения лопастей, по выходам соединен с блоком промежуточного хранения информации и с блоком индикации, кроме того он может быть снабжен портом ввода с гальванической развязкой.

Технический результат, получаемый при реализации предложенного изобретения, состоит в том, что за счет рациональной компоновки и размещения всех узлов в едином корпусе обеспечивается повышение герметичности конструкции, защита от брызг и пыли, улучшение виброустойчивости. Компактное исполнение в металлическом корпусе при отсутствии наружных сигнальных проводников, связанных гальванически с электрической схемой устройства, способствует повышению помехоустойчивости к электромагнитным помехам. В заявленном решении включено термостатирование внутреннего объема, позволяющее расширить температурный диапазон работы устройства в область низких температур, что в совокупности с герметичностью позволяет эксплуатировать устройство как внутри, так и снаружи корпуса вертолета. Замена сложного, избыточного по комплектации такого изделия, как персональный компьютер, на встроенные в изделие микроконтроллер, графический дисплей и узел для записи информации на сменную карту памяти типа SDHC, обеспечивает повышение надежности устройства и удобство его использования. Микроконтроллер в устройстве обеспечивает функции распознавания первой лопасти и усреднения координат законцовок лопастей.

В заявленном решении наведение устройства (прицеливание) на треки законцовок лопастей производится по изображению на графическом дисплее, расположенному на самом устройстве, что позволяет не только использовать устройство, закрепленное на штативе, но и снимать характеристики лопастей, удерживая устройство в руках и контролируя качество наведения по изображению на экране дисплея. Встроенная панель управления (клавиатура) и развитая система меню на графическом дисплее устройства позволяют управлять устройством и перепрограммировать его функции непосредственно во время эксплуатации.

В устройстве реализована возможность работать в перевернутом состоянии. Встроенный акселерометр позволяет устройству определять свою ориентацию относительно земли и автоматически корректировать направление обработки принимаемых кадров, переворачивать изображение на дисплее и менять местами функциональность кнопок клавиатуры, что удобно при закреплении устройства в перевернутом положении (например, на подвесе вертолета). Команды на запись на носитель и на быстрое определение несоконусности на текущем режиме могут подаваться как с клавиатуры устройства, так и с помощью внешней удаленной кнопки, электрические контакты которой гальванически развязаны с электрической схемой устройства. При расположении устройства снаружи вертолета предусмотрена возможность осуществлять удаленный контроль качества наведения, управление режимами и проверку состояния по сетевому кабелю Ethernet с помощью ноутбука.

Заявленная совокупность признаков обеспечивает создание мобильного устройства с высокими эксплуатационными свойствами.

Заявленное решение поясняется чертежами, где:

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 представлен общий вид устройства;

Блок-схема устройства содержит узел оптико-электронного преобразования и узел обработки сигнала. В состав узла оптико-электронного преобразования входит объектив с управляемой диафрагмой 1, фотоприемное устройство (ФПУ) 2 в виде однострочного ПЗС, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 3 и формирователь сигнала автоматической регулировки яркости (АРЯ) 4.

Узел обработки сигнала содержит формирователь усредненного кадра изображения 5, формирователь межкадровой разности 6, амплитудный детектор 7, компаратор 8, блок выделения координат законцовок лопастей 9, блок измерения временных интервалов 10, формирователь изображения лопастей 14, по выходам соединенный с блоком промежуточного хранения информации 13 и с блоком индикации 20, блок управления 16 на микроконтроллере с функциями распознавания первой лопасти и усреднения координат законцовок лопастей, связанный с периферийными блоками, как то: блок накопления информации 19, блок индикации 20, панель управления (клавиатура) 15, термостат 12, акселерометр 11, порт ввода с гальванической развязкой 17 и блок обмена информацией по Ethernet 18.

Перед началом измерений производят маркировку базовой лопасти и задают необходимые параметры испытуемого вертолета (количество лопастей, расстояние от объектива до законцовки лопасти и т.д.)

Изображение неба, периодически перекрываемое лопастями, попадает через объектив 1 на фотоприемное устройство (ФПУ) 2. Оно представляет собой однострочный прибор с зарядовой связью (ПЗС) с количеством фоточувствительных элементов в строке 2048, поэтому кадр изображения, формируемый ПЗС, это одна строка длиной 2048 элементов. Ориентирован ПЗС в плоскости фокусировки изображения так, что при пересечении лопастью оптической оси объектива строка ПЗС должна быть развернута от законцовки лопасти к оси несущего винта и захватывать область изображения за законцовкой лопасти и часть лопасти. Скорость генерации кадров изображения такова, что за время прохождения очередной лопасти ПЗС сформирует несколько кадров изображения, в которых будет присутствовать сигнал лопасти. Аналоговый сигнал с ФПУ поэлементно оцифровывается с помощью 10-ти разрядного АЦП 3 и подается на формирователь межкадровой разности 6 и формирователь усредненного кадра изображения 5, который выдает усредненный кадр изображения, просуммировав подряд идущие кадры за время, сравнимое со временем оборота винта. С выхода последнего видеосигнал усредненного кадра подается на формирователь межкадровой разности 6 и на формирователь сигнала автоматической регулировки яркости (АРЯ) 4. Формирователь сигнала АРЯ управляет диафрагмой объектива, поддерживая освещенность ПЗС в пределах, в которых его свет-сигнальная характеристика может считаться линейной, тогда без искажения передаются полутона изображения и контуры объектов на ярком фоне, и можно без ограничений проводить арифметические операции суммирования и вычитания над сигналом. Формирователь межкадровой разности 6 вычитает из текущего кадра кадр, усредненный за предыдущий оборот винта, и формирует видеосигнал, не содержащий фоновой составляющей в области изображения, свободной от лопастей. Этот сигнал попадает на амплитудный детектор 7. Детектор в проходящем цифровом потоке кадров фиксирует максимальную амплитуду сигнала, вызванную пролетом лопасти, и сохраняет полученное значение. Текущий видеосигнал межкадровой разности сравнивается компаратором 8 с предустановленным значением, пропорциональным выходному сигналу детектора (максимальной амплитуде сигнала за предыдущий период), например 50% от максимальной амплитуды сигнала за предыдущий период. В случае срабатывания компаратора текущий разностный кадр считается содержащим изображение лопасти, кроме этого номер пиксела изображения, по которому сработал компаратор, запоминается, как координата законцовки лопасти блоком выделения координат законцовок лопастей 9. Из подряд идущих кадров, в которых сработал компаратор, блок выделения координат законцовок лопастей 9 определяет минимальную координату законцовки лопасти, которая и считается искомой. Блок измерения временных интервалов 10 фиксирует периодичность появления серий кадров с признаком наличия сигнала лопасти, усредняет ее и вычисляет реальную скорость вращения несущего винта, кроме этого он прогнозирует временные границы ожидания пролета следующей лопасти перед объективом с учетом инерции несущего винта и в случае их нарушения, например, из-за направления ФПУ против солнца или выхода законцовки лопасти за край области отображения, вырабатывает признак сбоя синхронизации лопастей, вызывающий перезапуск процедуры усреднения координат лопастей. Формирователь изображения лопастей 14 содержит массив памяти, разделенный на сегменты, количество которых соответствует количеству лопастей несущего винта вертолета, а количество строк в сегментах заведомо больше, чем однострочных кадров, на которые проецируется одна пролетающая лопасть при самой медленной рабочей скорости вращения несущего винта. Текущий видеосигнал межкадровой разности с выхода формирователя 6 запоминается в строки текущего сегмента памяти, для подряд идущих кадров, в которых сработал компаратор, затем выбирается следующий сегмент памяти и запись повторяется при тех же условиях и так далее, пока не заполнятся все сегменты. Таким образом, из общего потока кадров выбираются только содержащие изображение лопасти, что резко уменьшает объем информации, необходимый для дальнейшей обработки. Получается двумерный массив, в котором по 2048 элементов в строках, а в столбцах - количество строк в сегменте, умноженное на количество сегментов. Формирователь изображения лопастей 14 передает в полном объеме выделенный массив в блок промежуточного хранения информации 13 и, в упрощенном объеме с укрупнением элементов, в блок индикации 20.

В блок управления 16, снабженный соответствующим программным обеспечением, с панели управления (клавиатуры) 15 заносится информация об объекте проверки: тип вертолета, количество лопастей, дата и прочие настройки. Блок управления 16 обрабатывает информацию, полученную от блока промежуточного хранения информации 13 для выделения маркированной лопасти.

Блок управления 16 получает картинку лопастей от блока промежуточного хранения информации 13, определяет адрес начала лопасти в каждом сегменте и запускает алгоритм поиска окрашенного пятна на одной из лопастей. После нахождения пятна производится нумерация лопастей от окрашенной базовой.

Блок накопления информации 19 позволяет сохранять в произвольные моменты времени измеренные значения взаимного расположения траекторий законцовок лопастей, скорость несущего винта, а также вести видеозапись фрагментами или постоянно поведения законцовок лопастей на разных испытательных режимах с последующим воспроизведением записи. Блок индикации 20 визуально отображает взаимное расположение законцовок лопастей в вертикальной плоскости, относительное смещение траекторий законцовок в миллиметрах, нумерацию лопастей, скорость вращения несущего винта и другие параметры. При этом, на экран блока индикации 20 в качестве фонового изображения выводится телевизионное изображение всех законцовок лопастей несущего винта, на которое от блока управления 16 накладывается информация о проведенных измерениях несоконусности во всех режимах и другая информация. Такое решение позволяет визуально контролировать правильность работы измерительной схемы прибора.

Наведение (прицеливание) на треки законцовок лопастей производится по изображению на графическом дисплее (блок индикации 20), расположенному на устройстве, что позволяет не только использовать устройство, закрепленное на штативе, но и снимать характеристики лопастей, удерживая устройство в руках и контролируя качество наведения по изображению на экране дисплея. Встроенная панель управления 15 и развитая система меню программы блока управления 16, отображаемая блоком индикации 20 позволяют управлять устройством и перепрограммировать его функции непосредственно во время эксплуатации.

Устройство может функционировать опираясь на штатив или будучи подвешенным в перевернутом положении (например, на подвесе снаружи вертолета). Встроенный акселерометр 11 позволяет устройству определять свою ориентацию относительно земли и автоматически корректировать направление обработки принимаемых кадров, переворачивать изображение на дисплее и менять местами функциональность кнопок панели управления в зависимости от того, как сориентировано устройство. Команды на запись на носитель и на быстрое определение несоконусности на текущем режиме могут подаваться с панели управления 15. Команда на запись также может быть подана с помощью внешней удаленной кнопки, сигнал которой через порт ввода с гальванической развязкой 17 передается на блок управления 16 устройства. При расположении устройства в труднодоступном месте в салоне или снаружи вертолета, предусмотрена возможность осуществлять удаленный контроль качества наведения, управление режимами и проверку состояния с помощью ноутбука по сетевому кабелю Ethernet через блок обмена информацией 18.

Термостатирование внутреннего объема устройства, позволяет расширить температурный диапазон работы устройства в область низких температур, что в совокупности с герметичностью позволяет эксплуатировать устройство как внутри, так и снаружи корпуса вертолета.

Вся полученная при испытаниях информация сохраняется в базе данных и может быть использована для дальнейшей обработки. Аппаратура легко перенастраивается для различных типов вертолетов, имеющих разную длину и ширину лопастей и их количество.

Claims (2)

1. Устройство для измерения несоконусности лопастей несущего винта вертолета, содержащее объектив с управляемой диафрагмой, фотоприемное устройство, аналогово-цифровой преобразователь, формирователь сигнала автоматической регулировки яркости, формирователь усредненного кадра изображения, формирователь межкадровой разности, амплитудный детектор, компаратор, блок выделения координат законцовок лопастей, блок измерения временных интервалов, формирователь изображения лопастей, блок накопления информации и блок индикации, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок управления на микроконтроллере с функцией распознавания первой лопасти и усреднения координат законцовок лопастей, панель управления, блок промежуточного хранения информации, блок обмена по Ethernet, акселерометр и термостат, при этом блок промежуточного хранения информации по входу соединен с формирователем изображения лопастей, а по входам и выходам с блоком управления на микроконтроллере, который по входам соединен с акселерометром и с панелью управления, по выходам соединен с блоком накопления информации и с блоком индикации, а по входам и выходам с блоком обмена по Ethernet и с термостатом, а формирователь изображения лопастей по выходам соединен с блоком промежуточного хранения информации и с блоком индикации.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит порт ввода с гальванической развязкой, соединенный с блоком управления на микроконтроллере.

Images