CN112623257B - 一种飞机操纵器件力位移测量装置及方法 - Google Patents

一种飞机操纵器件力位移测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于飞机设计领域的飞控***设计与测试领域，特别涉及一种飞机操纵器件力位移测量装置及方法。包括夹持件(1)、组件框架(2)、握把(3)、力测量单元、惯性测量单元，夹持件(1)夹装于飞机操纵器件，握把(3)与通过组件框架(2)与夹持件(1)固连，力测量单元与惯性测量单元敷设于组件框架(2)中。通过设置惯性测量单元和力测量单元实现飞机操纵器件力‑位移的组合测量，在使用上简单便捷；通过设置组件框架对惯性测量单元和测力应变片进行集成，实现装置的小型化和集成化，便于在小空间内的使用以及外出携带。

Description

一种飞机操纵器件力位移测量装置及方法
技术领域
本申请属于飞机设计领域的飞控***设计与测试领域，特别涉及一种飞机操纵器件力位移测量装置及方法。
背景技术
在飞机设计中，操纵***性能测试试验是飞机设计过程中不可或缺的，而在操纵***性能测试试验过程中，最常见的***性能测试是绘制***的力-位移曲线，通过曲线获取***的启动力、摩擦力、间隙等特性。常规的操纵***力-位移试验中，一般通过测力传感器和对应的位移传感器组合实现，对于操纵器件的位移测量，需要通过位移传感器实现，需要分别设计线位移或角位移的测量夹具，将位移传感器一端固定于操纵器件上，另一端固定于机上特定位置。此类夹具的设计非常耗时费力，并且不具有通用性，线位移与角位移的测量需要分别设计不同的测量装置实现。
发明内容
发明目的：提供一种非接触测量的飞机操纵器件力位移测量装置及方法。
技术方案：
第一方面，提供了一种飞机操纵器件力位移测量装置，包括夹持件1、组件框架2、握把3、力测量单元、惯性测量单元，夹持件1夹装于飞机操纵器件，握把3与通过组件框架2与夹持件1固连，力测量单元与惯性测量单元敷设于组件框架2中。
进一步地：所述组件框架2为筒形框架，框架上设置有上下两个水平安装面201，水平惯性测量单元按选定的正向贴合于任一水平安装面201设置。
进一步地：还包括应变仪8、信号采集处理装置5，其中，应变仪8通过不同的通道分别与力测量单元的测矩电阻桥和测力电阻桥的输出端连接，信号采集处理装置5分别与应变仪8的输出端以及惯性测量单元的输出端连接。
进一步地：所述组件框架2中还设置有两个竖直安装面202和一个倾斜安装面203，其中，倾斜安装面203沿水平安装面201和竖直安装面202所组合的四面体框架的对角线设置，在任一竖直安装面202上设置有竖直惯性测量单元，在倾斜安装面203上设置有倾斜惯性测量单元，竖直惯性测量单元和倾斜惯性测量单元均按选定的正向贴合于竖直安装面202和倾斜安装面203安装。
进一步地：水平惯性测量单元与竖直惯性测量单元三轴方向互成90度；倾斜惯性测量单元的三个方向均与水平惯性测量单元和竖直惯性测量单元的各轴成45°。
进一步地：所述力测量单元为电阻应变式测量单元，由测力电阻桥和测矩电阻桥组成，测力电阻桥的应变片沿组件框架2的轴向成0°和90°设置，测矩电阻桥的应变片沿组件框架2的轴向成45°设置。
第二方面，提供了一种飞机操纵器件力位移测量方法，所述方法借助上述装置执行，所述方法包括：
信号采集处理装置5分别从力测量单元和惯性测量单元采集各个方向对应的力和位移；
根据采集的力和位移确定力和位移的关系曲线。
进一步地：所述方法还包括：
信号采集处理装置5采集水平惯性测量单元与竖直惯性测量单元的数据并对所述数据进行正交换轴校验得到第一校验结果；
信号采集处理装置5采集倾斜惯性测量单元的数据并将其按照投影关系投影分解到水平安装面201和竖直安装面202得到水平分解数据和竖直分解数据；
将所述水平分解数据按照三角函数关系放大还原后与水平惯性测量单元的数据进行校验得到第二校验结果；
将将所述竖直分解数据按照三角函数关系放大还原后与竖直惯性测量单元的数据进行校验得到第三校验结果；
根据第一校验结果、第二校验结果、第三校验结果进行有效性表决，在第一校验结果、第二校验结果、第三校验结果中至少两个有效的情况下，对有效的数据进行加权平均得到三个轴向的位移和角位移。
有益效果：
本申请通过设置惯性测量单元和力测量单元实现飞机操纵器件力-位移的组合测量，在使用上简单便捷；通过设置组件框架对惯性测量单元和测力应变片进行集成，实现装置的小型化和集成化，便于在小空间内的使用以及外出携带。
附图说明
图1是本申请飞机操纵器件力-位移测量装置的结构原理图；
图2是本申请用于飞机驾驶盘力矩-角位移测量的结构框图；
图3是本申请用于飞机驾驶杆力-位移测量的结构框图；
其中：1-夹持件；2-组件框架；3-握把；4-操纵器件；5-信号采集处理装置；6-显示装置；7-测矩电桥；8-应变仪；9-测力电桥；201-水平安装面；202-竖直安装面；203-倾斜安装面；R1、R2、R3、R4-测力应变片；R5、R6、R7、R8-测矩应变片；Ra-应变仪外接电阻；Rb-应变仪增益电阻。
具体实施方式
在当前惯性测量单元的技术成熟化，尤其是轻小型MEMS(微机电***)惯性测量技术的进一步提升，低成本高精度的MEMS惯性测量单元已经在各种工业领域开始普及，惯性测量单元为一种非接触式测量，对多组惯性测量单元进行组合后，能够进一步提升测量精度，并实现故障的自检测和无效、异常数据的表决，提高设备的数据可信度。通过惯性测量设备与传统的电阻应变式测力(力矩)设备进行组合后，能够进一步实现测量设备的通用化和便携化，并且成本相对低廉。
下面结合附图详细说明。
实施例一：
下面结合说明书附图对本申请用于飞机驾驶盘力矩-角位移测量的实施做进一步详细描述，请参阅图1和图2。一种飞机操纵器件力-位移测量装置用于实施方式，具体如下：一种飞机操纵器件力-位移测量装置，包括驾驶盘夹持件1、组件框架2、握把3、力测量单元、惯性测量单元，夹持件1夹装于飞机驾驶盘，握把3与通过组件框架2与夹持件1固连，力测量单元与惯性测量单元敷设于组件框架2中。其中惯性测量单元为MEMS(微机电***)惯性测量单元，该惯性测量单元通过对三个轴向的角加速度进行二次积分，各到三个轴向的角位移，测量积分精度为0.1°，误差累积为1°/h，使用前对惯性测量单元进行对准与置零。
所述组件框架2为筒形框架，框架上设置有水平安装面201，水平惯性测量单元按选定的正向贴合于水平安装面201设置。
本实施例所用飞机操纵器件力-位移测量装置还包括信号采集处理装置5和显示装置6。信号采集与测量装置为一台工控机，数据采集板卡为研华公司的16通道32位数据采集卡，采集卡集成DA模数转换器，工控机内安装LABVIEW数据采集与处理软件对其所采集的数据进行逻辑与数字运算，用于对采集数据进行整理和表决处理。所述显示装置6为常规计算机显示器。
所述组件框架2上还设置有竖直安装面202和倾斜安装面203，倾斜安装面203沿于正向安装面和竖直安装面202所组合的四面体框架的对角设置，倾斜安装面203沿于正向安装面和竖直安装面202所组合的四面体框架为正四面体框架，所述飞机操纵器件力-位移测量装置包含三组惯性测量单元，为水平惯性测量单元、竖直惯性测量单元和倾斜惯性测量单元，分别按选定的正向贴合于水平安装面201、竖直安装面202和倾斜安装面203安装；水平惯性测量单元与竖直惯性测量单元三轴方向互成90度；倾斜惯性测量单元的三个方向均与水平惯性测量单元和竖直惯性测量单元的各轴成45°。
所述水平惯性测量单元与竖直惯性测量单元的数据通过信号采集处理装置5进行正交换轴校验，即通过水平惯性测量单元的X轴数据与竖直惯性测量单元的Y轴数据进行对比校验，水平惯性测量单元的Y轴与竖直惯性测量单元的Z轴进行对比校验，水平惯性测量单元的Z轴与竖直惯性测量的X轴进行对比校验，所述倾斜惯性测量单元对水平惯性测量单元与竖直惯性测量单元的数据通过信号采集处理装置5进行投影分解校验，即通过倾斜惯性测量单元X轴的前向数据按三角函数关系放大还原与水平惯性测量单元的X轴数据进行对比校验，通过倾斜惯性测量单元X轴数据的侧向分量三角函数关系放大还原与竖直惯性测量单元的Z向数据进行对比校验，依此类推。如果水平惯性测量单元、竖直惯性测量单元和倾斜惯性测量单元数据校验均数值均相近，则对三组对应数据进行加权平均；如三组惯性测量单元的数据中，有一组与其他两组数据相差超出给定域值(0.5°)，则通过数据采集装置将超出域值的数据无效化，另外两组有效数据进行加权平均。
所述力测量单元为电阻应变式测量单元，由测矩电阻桥和应变仪8组成，测矩电阻桥的应变片沿组件框架2的轴向成45°设置。
通过人工旋转握把3进行正向旋转至极限-回中-反向旋转至极限-回中的操作，飞机操纵器件力-位移测量装置通过惯性测量单元对驾驶盘的转轴转动位移进行测量并输出至信号采集处理装置5；测矩电桥能够测出组件框架2的应变ε，通过数据采集与处理装置运算可得实际操纵力矩T＝WEε/4(1+μ),其中W为组件框架2的抗扭模量，E为组件框架2材料的弹性模量，μ为组件框架2材料的泊松比，信号采集处理装置5和显示装置6将驾驶盘的力矩和角位移数据绘制于平面直角从标系下，便可得到完整的驾驶盘操纵***力矩-角位移曲线，通过显示装置6输出，从曲线上得到该***的启动力矩、间隙、摩擦力矩、不平衡力矩等数据。
实施例二：
下面结合说明书附图对本申请用于飞机驾驶杆力-位移测量的实施做进一步详细描述，请参阅图3。一种飞机操纵器件力-位移测量装置用于实施方式，具体如下：一种飞机操纵器件力-位移测量装置，包括驾驶杆夹持件1、组件框架2、握把3、力测量单元、惯性测量单元，夹持件1夹装于飞机驾驶杆，握把3与通过组件框架2与夹持件1固连，力测量单元与惯性测量单元敷设于组件框架2中。其中惯性测量单元为MEMS(微机电***)惯性测量单元，该惯性测量单元通过对三个轴向的线加速度进行二次积分，各到三个轴向的线位移，测量积分精度为0.2mm，误差累积为0.5mm/h，使用前对惯性测量单元进行对准与置零。
所述组件框架2为筒形框架，框架上设置有水平安装面201，水平惯性测量单元按选定的正向贴合于水平安装面201设置。
本实施例所用飞机操纵器件力-位移测量装置还包括信号采集处理装置5和显示装置6。信号采集与测量装置为一台树莓派单板电脑，数据采集板卡为树莓派的16通道16位数据采集卡，采集卡集成DA模数转换器，单板电脑内安装有数据采集与处理软件对其所采集的数据进行逻辑与数字运算，用于对采集数据进行整理和表决处理。所述显示装置6为常规计算机显示器。
所述组件框架2上还设置有竖直安装面202和倾斜安装面203，倾斜安装面203沿于正向安装面和竖直安装面202所组合的四面体框架的对角设置，所述飞机操纵器件力-位移测量装置包含三组惯性测量单元，为水平惯性测量单元、竖直惯性测量单元和倾斜惯性测量单元，分别按选定的正向贴合于水平安装面201、竖直安装面202和倾斜安装面203安装；水平惯性测量单元与竖直惯性测量单元三轴方向互成90度；倾斜惯性测量单元的三个方向均与水平惯性测量单元和竖直惯性测量单元的各轴成45°。
所述水平惯性测量单元与竖直惯性测量单元的数据通过信号采集处理装置5进行正交换轴校验，即通过水平惯性测量单元的X轴数据与竖直惯性测量单元的Y轴数据进行对比校验，水平惯性测量单元的Y轴与竖直惯性测量单元的Z轴进行对比校验，水平惯性测量单元的Z轴与竖直惯性测量的X轴进行对比校验，所述倾斜惯性测量单元对水平惯性测量单元与竖直惯性测量单元的数据通过信号采集处理装置5进行投影分解校验，即通过倾斜惯性测量单元X轴的前向数据按三角函数关系放大还原与水平惯性测量单元的X轴数据进行对比校验，通过倾斜惯性测量单元X轴数据的侧向分量三角函数关系放大还原与竖直惯性测量单元的Z向数据进行对比校验，依此类推。如果水平惯性测量单元、竖直惯性测量单元和倾斜惯性测量单元数据校验均数值均相近，则对三组对应数据进行加权平均；如三组惯性测量单元的数据中，有一组与其他两组数据相差超出给定域值(0.5mm)，则通过数据采集装置将超出域值的数据无效化，另外两组有效数据进行加权平均。
所述力测量单元为电阻应变式测量单元，由测力电阻桥和应变仪8组成，测力电阻桥的应变片沿组件框架2的轴向成0°和90°设置，测力电桥9中接入同时接入一组测力电阻应电片、外接电阻和增益电阻。
通过人工推拉握把3进行前推至极限-回中-后拉至极限-回中的操作，飞机操纵器件力-位移测量装置通过惯性测量单元对驾驶杆的推拉位移进行测量并输出至信号采集处理装置5；测力电桥9能够测出组件框架2的应变ε，通过数据采集与处理装置运算可得实际操纵力F＝εEA,其中E为组件框架2材料的弹性模量，A为组件框架2的等效截面积，信号采集处理装置5和显示装置6将驾驶杆的力和位移数据绘制于平面直角从标系下，便可得到完整的驾驶杆操纵***力矩-角位移曲线，通过显示装置6输出，从曲线上得到该***的启动力、间隙、摩擦力、不平衡力等数据。
本申请通过设置惯性测量单元和力测量单元的实现飞机操纵器件力-位移的组合测量，在使用上简单便捷；通过设置组件框架对惯性测量单元和测力应变片进行集成，实现装置的小型化和集成化，便于在小空间内的使用以及外出携带；通过设置三组惯性测量单元的组合体，实现相互校验和表决，降低测量误差并排除无效数据；通过设置常规的电阻应变式测力电桥进行操纵力和操纵力矩的组合式测量，进一步降低设备的成本。本申请结构简单，功能完整，集成化成度高，便于使用和携带，具有很高的专业技术市场推广价值。

Claims (4)

1.一种飞机操纵器件力位移测量装置，其特征在于：包括夹持件(1)、组件框架(2)、握把(3)、力测量单元、惯性测量单元，夹持件(1)夹装于飞机操纵器件，握把(3)与通过组件框架(2)与夹持件(1)固连，力测量单元与惯性测量单元敷设于组件框架(2)中，所述组件框架(2)为筒形框架，框架上设置有上下两个水平安装面(201)，水平惯性测量单元按选定的正向贴合于任一水平安装面(201)设置，还包括应变仪(8)、信号采集处理装置(5)，其中，应变仪(8)通过不同的通道分别与力测量单元的测矩电阻桥和测力电阻桥的输出端连接，信号采集处理装置(5)分别与应变仪(8)的输出端以及惯性测量单元的输出端连接，所述组件框架(2)中还设置有两个竖直安装面(202)和一个倾斜安装面(203)，其中，倾斜安装面(203)沿水平安装面(201)和竖直安装面(202)所组合的四面体框架的对角线设置，在任一竖直安装面(202)上设置有竖直惯性测量单元，在倾斜安装面(203)上设置有倾斜惯性测量单元，竖直惯性测量单元和倾斜惯性测量单元均按选定的正向贴合于竖直安装面(202)和倾斜安装面(203)安装。
2.如权利要求1所述的一种飞机操纵器件力位移测量装置，其特征在于：水平惯性测量单元与竖直惯性测量单元三轴方向互成90度；倾斜惯性测量单元的三个方向均与水平惯性测量单元和竖直惯性测量单元的各轴成45°。
3.如权利要求2所述的一种飞机操纵器件力位移测量装置，其特征在于：
所述力测量单元为电阻应变式测量单元，由测力电阻桥和测矩电阻桥组成，测力电阻桥的应变片沿组件框架(2)的轴向成0°和90°设置，测矩电阻桥的应变片沿组件框架(2)的轴向成45°设置。
4.一种飞机操纵器件力位移测量方法，所述方法借助权利要求1至3中任一项所述的装置执行，所述方法包括：
信号采集处理装置(5)分别从力测量单元和惯性测量单元采集各个方向对应的力和位移，具体包括：信号采集处理装置(5)采集水平惯性测量单元与竖直惯性测量单元的数据并对所述数据进行正交换轴校验得到第一校验结果；信号采集处理装置(5)采集倾斜惯性测量单元的数据并将其按照投影关系投影分解到水平安装面(201)和竖直安装面(202)得到水平分解数据和竖直分解数据；将所述水平分解数据按照三角函数关系放大还原后与水平惯性测量单元的数据进行校验得到第二校验结果；将所述竖直分解数据按照三角函数关系放大还原后与竖直惯性测量单元的数据进行校验得到第三校验结果；根据第一校验结果、第二校验结果、第三校验结果进行有效性表决，在第一校验结果、第二校验结果、第三校验结果中至少两个有效的情况下，对有效的数据进行加权平均得到三个轴向的位移和角位移；
根据采集的力和位移确定力和位移的关系曲线。
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