肖砷宇

(海军装备部，陕西 西安 710089)

飞机操纵舵面偏角测量系统设计

肖砷宇

(海军装备部，陕西 西安 710089)

针对传统舵面测量方法的弊端，提出了一种新型的舵面偏角自动化测量系统。通过分析测量系统各组成部分的工作原理及布局，对整体测量系统的设计及详细实现方案进行了论证，表明该新型舵面偏角测量系统能够节省人力、提高生产效率、缩短生产周期。

舵面测量；测量系统；数据采集

0 引言

飞机操纵舵面包括副翼、扰流板、方向舵、升降舵等，它们的装配质量直接影响着飞机的飞行轨迹及安全。

某型机飞行控制系统为三轴四余度电传+模拟备份+机械备份的操纵系统。通过对飞机多个操纵舵面的控制，完成飞机姿态控制、航迹控制、地面破升增阻控制和飞机起降/空投等阶段的增升控制。在生产制造过程中，需要检查飞机的后缘襟翼、前缘缝翼和扰流板、副翼等舵面的安装位置是否满足设计要求。在安装位置满足要求的情况下，还需进一步检查舵面的极限偏角是否满足设计要求，该过程需要通过反复调整舵面测量来获得最终的数据。传统的检测方法依靠人力、使用传统的机械量具分别对舵面进行测量，耗费大量的时间，效率低、周期长，严重影响生产制造的进度。随着计算机技术、检测技术、微机械加工技术、测试技术的发展，采用自动化的测量方法对飞机舵面进行自动化检测的条件日趋成熟。

1 新型舵面偏角测量系统总体方案设计

传统的检测方法是使用测角仪对飞机的操纵舵面分别进行测量，需要操作者将测角仪放置于舵面规定的位置上，并人工读取数据，人为判断数据是否合格。若不合格再进行调整，调整后再重复测量工作，操作者工作量大、效率低。

新型舵面偏角测量系统的设计采用自动化的测量理念，是一套具有控制中心及数据采集前端的完备测量系统。该测量系统使用电子部件准确测量飞机各舵面的偏摆角度，将数据采集前端收集的舵面偏摆角度通过具有防干扰的数据线传输至数据采集器进行初步数据处理，进而传送至控制中心，进行解算，最后将测试结果图形化显示、存储和生成报表，如图1所示。

系统工作时，将数据采集前端通过机械夹具或者粘贴的方式安装固定在被测位置。集线器分布在左机翼、右机翼和垂尾附近，负责舵面偏角数据的初步采集和前期数据处理。数据采集前端电缆与集线器连接，然后将集线器电缆与系统控制中心连接，通过这种方式可以大大减少飞机与测量设备之间的电缆数量。通过控制中心的上位机，可以观察所有数据采集前端的角度数据和角度曲线等[1]。

新型舵面测量系统在使用的过程中不需操作者登机测量，在全机布置完测量设备后，只需在控制中心即可得到所有数据。

2 新型测量系统详细实施方案

2.1 数据采集前端实现方法

某型机舵面数量多，一部分舵面有转轴，而一部分舵面没有转轴只有运动曲面，例如襟、缝翼处于中立位置时与大地水平面有一定夹角，且运动轨迹为弧形，如图2所示。图中1、2、3、4为舵面测量点运动位置，精准测量存在困难。

对于上述两种舵面偏转方式，设计两种类型数据采集前端，以保证高精度的测量要求。

2.1.1 有固定转轴型舵面数据采集前端

当舵面转动时，连接舵面与飞机结构之间的螺栓随之转动，因此可以通过工装将一只转角传感器同该螺栓固定，当舵面转动时，安装在螺栓处的转角传感器随之转动，从而测出舵面转动的角度。因此，此种类型的数据采集前端采用转角传感器和连接工装组合的方式实现。

这种舵面数据采集前端通过胶粘方法，将装夹工装组件及转角传感器可靠粘接于待测舵面转轴上，安装时通过调整以保证转角传感器敏感轴方向同舵面转轴一致。当舵面转动时，舵面带动装夹工装上的转角传感器一起绕舵面转轴转动，转角传感器感测到的角位移就是舵面偏角的变化。从而实现舵面偏角的直接测量[2]。

2.1.2 无固定转轴型舵面数据采集前端

由于此类型舵面没有可以固定转角传感器的转轴，因此，考虑在舵面的外表面上粘贴传感器的方式来实现前端数据采集。

角度测量目前主要采用机械指针式测角仪、电子罗盘、倾角传感器和陀螺仪等。机械指针式角度测量仪，仅适用于空间旋转轴平行于水平面的情况，且指针的摆动依靠重力和指针轴的微小摩擦力，如果旋转轴倾斜，则指针轴摩擦力增大，导致指针摆动不准确。电子罗盘是以微弱的地磁方向为基准，检测当前方向和地磁方向的夹角，获得当前的方位角，因此电子罗盘不能检测以地磁方向为旋转轴的旋转角度。倾角传感器用于测量相对于水平面的测量角度，但不能测量方位。陀螺仪是速率传感器，能检测当前旋转速率，通过速率积分获得当前旋转角度，而且是全方位的角度检测。本运动组件需要测量的对象是绕轴(没有转角传感器固定点)旋转的相对角度，并不需要测量具体方位，并且该旋转轴并不平行于水平面，因此，本测量系统选择倾角传感器对舵面运动角度进行测量[3]。

舵面偏角测量组件通过不干胶直接将双轴倾角传感器粘贴固定于舵面外表面上，当舵面运动时，双轴倾角传感器就会输出其敏感轴与水平面夹角成一定关系的电信号，通过计算即可测量得到舵面偏角。

双轴倾角传感器偏角测量原理分析如下：

无转轴的舵面运动可分解为沿某方向的相对平动与绕理论偏转轴的转动，由于相对平动不引起舵面偏角，因此不考虑，只需考虑绕理论偏转轴的转动。

如图3所示，构建直角坐标系0XY。

使0XY面为水平面，并使舵面理论偏转轴0X′在面0XYZ上，且同X轴的夹角为∠α。当双轴倾角传感器安装于舵面上某平行于偏转轴0X′的平面，并随舵面偏转的情况可等效为：由水平面绕Y轴旋转∠α得到法线为α的平面，该平面绕0X′轴旋转∠θ得到法线为θ的平面、法线θ与法线α的夹角为∠θ，法线θ与Z轴的夹角为∠β；令OA为单位长度(点A在Z轴上)，作AA′⊥法线α,作A′A″⊥法线β，连接AA″得到平面A A′A″⊥法线θ。 易知：

cosα·cosθ=cosβ

上式中，α为测试对象(舵面)旋转轴与水平面所成夹角；β为测试对象(舵面)与水平面所成夹角；θ为测试对象(舵面)绕旋转轴转动的角度。

一般∠α为设计值已知，∠β可以通过双轴倾角传感器测量，这样便实现了舵面偏角∠θ的精确测量[4]。

2.2 信号调理器实现原理

信号调理是数字化测量系统中保证信号的准确性、可靠性和安全性的关键性措施。信号调理的目的在于提高信号测量的准确性，并保护测量系统，防止外界异常信号或异常变化对系统造成损坏。它包括输入/输出保护、信号及电源隔离、共模抑制、串模抑制、信号放大、滤波、信号激励、冷端补偿、线形补偿等。信号调理主要是完成增益和零点的调节，实现多种增益的组合选择，可以满足大多数测试的需求[5]。

信号调理电路由输入保护电路、信号放大电路、滤波电路和输出电路组成。为了提高信号调理器的可靠性和精准度，对信号调理器内部电路使用的±15V电源与输出传感器的±15V电源进行了独立的滤波处理。

另外，信号调理器放大衰减信号。由于试验中有些信号幅值比较小，所以需要通过放大器来提高测量的精度。放大器通过匹配信号电平和A/D转换器的测量范围，来达到提高测量分辨率的目的。

信号调理器还具有抑制共模干扰的作用，一般来说，由于试验现场的测试设备与数据采集前端之间的距离较远，数据采集前端输出的干扰信号主要表现为共模干扰。抑制共模干扰信号最好的方法是采用差动仪表放大器。这种放大器输入阻抗高，输出阻抗低，具有很强的抗共模能力。

2.3 软件实现

程序主要分三部分，包括校准子程序、倾斜角计算子程序和主程序。在倾斜传感器第一次使用前必须对其进行校准，包括测量各轴的零点偏移、各轴的横轴补偿量。综合各个状态的数据，完成零点偏移和横轴补偿量计算。实际运用中，舵面倾角测量单元安装在平台上时不可能保持XY轴与平台完全平行，Z轴与平台完全垂直，所以在进行测量前必须取得平台水平放置时舵面倾角测量单元的输出值，将其设为初始值保存于FLASH中。

在倾斜角计算程序中，首先读取数据进行零点偏移补偿和横轴补偿，丢弃严重受干扰的数据，并进行数据融合，再判断倾斜角度大小。当角度较小时，利用两轴数据进行计算，当角度过大时运用三轴数据进行计算。

主程序中，通过定时器中断、舵面倾角测量单元缓存器中断，读写舵面倾角测量单元数据，保证数据的实时性。对数据采集前端的信号采用零点偏移补偿、横轴补偿，进一步提高数据的精度。通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI接口)实现传感器与微控制器间的通信，以控制数据采集前端信号的读取速度。

软件以控制中心计算机硬件为载体，数据采集前端信号经过调理器处理后输入计算机进行解算，将实测数据与理论要求数据对比，计算出最终结果。若满足要求则将试验结果形成数据表单，由打印机输出；若不满足要求，控制中心人员通知调试人员进行飞机系统调试，直到满足要求为止。

3 结语

经以上分析可知，某型机新型舵面偏角测量系统能够实现对飞机各舵面的测量，并能实现图形显示和数据存储等功能，系统测量方法满足测试要求。系统采用模块化设计思想，便于现场安装和管理。这种自动化舵面偏角测量系统的实现可大大节省人力、提高生产效率、缩短生产周期。

[1] 杨兆军.通用飞机舵面偏转角测量工具设计[J].机械研究与应用,2015,28(3):139-140.

[2] 程凌频.基于倾角传感器的舵面偏转角度测量方法[J].信息与电脑(理论版),2015(13)：25-26.

[3] 郑士芳,袁颖.MES中前端数据采集的实现[J].工业控制计算机, 2011,24(7):75-76.

[4] 张起朋,李醒飞,谭文斌,等.双轴倾角传感器姿态角测量的建模与标定[J].机械科学与技术,2016,35(7):1096-1101.

[5] 彭善琼.智能信号调理器的研究[J].微计算机信息, 2004，20(11):110-111.

[责任编辑、校对：李 琳]

Design of Aircraft Manipulator Rudder Angle Measurement System

XIAOShen-yu

(Naval Equipment Department,Xi′an 710089,China)

A new type of automatic measuring system for rudder angle is proposed to deal with the shortcomings of the traditional rudder surface measurement method.By analyzing the working principle and layout of each component of the measurement system,the design and detailed realization scheme of the whole measurement system are demonstrated,which shows that the new rudder angle deviation measuring system can save manpower,improve the production efficiency and shorten the production cycle.

rudder surface measurement;measurement system;data acquisition

2017-03-03

肖砷宇(1987-)，男，陕西西安人，助理工程师，主要从事飞机操纵系统研究。

V241.02

A

1008-9233(2017)03-0030-03