CN117870610A - 一种飞行器舵面状态实时感知方法及感知系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种飞行器舵面状态实时感知方法及系统，系统包括内嵌式压力传感器、内嵌式处理器、信号传输模块、角度比较模块。内嵌式压力传感器采用硅片，通过布置在飞行器舵面前缘及上下表面的特定位置，对舵面表面的压力信号进行实时监控。并且根据这些表面动态压力信息求解舵面的真实气流角度和表面流动情况，并与飞控系统输入的舵面控制指令进行比对，判断舵面角度是否到达指定位置以及舵面是否发生流动分离。本发明所提出的一种内嵌式压力测量的飞行器舵面状态实时感知系统及方法，对飞行器飞行过程中的舵面操控和流动控制提供了有益的监测手段和反馈方法，避免由于舵面卡死或失效所造成的飞行器安全事故。

Description

一种飞行器舵面状态实时感知方法及感知系统

技术领域

本发明属于机载传感与智能化技术领域，具体是一种基于内嵌式压力测量的飞行器舵面状态实时感知方法及感知系统。

背景技术

飞行器准确测量飞行中的大气参数是飞行器有效控制和安全飞行的必要条件，因此我们需要精准测出飞行器飞行时的大气参数，如气流的静压、动压、攻角、高度和马赫数等数据。现在飞行器上已经配备了各种先进的大气参数测量装置，比如传统的大气参数测量系统，或是嵌入式大气数据传感系统。但是，用于操纵飞行器姿态的各类舵面，如副翼、方向舵和升降舵等，虽然其在飞行器飞行过程中扮演着重要的作用，却缺乏完善的舵面角度感知和反馈技术，当舵面出现“卡死”或者分离的情况时，飞行员或者飞控系统无法及时发现，从而容易导致飞行安全事故的发生。

现行的飞行器舵面控制系统包括操纵杆、传动机构和舵面执行器。操纵杆由飞行员操作或飞控系统控制，通过传动机构传递操纵指令给舵面执行器。舵面执行器通过电动机或液压驱动舵面的运动，实现飞机姿态和飞行方向的调整。而在这一个过程中，舵面真实气流角度的信息是未知的，飞行员或者飞控系统只能通过执行器的位置来指示现在舵面的角度。如果存在机械故障或者舵面失效等情况，执行器的位置指示会错误地报告舵面的真实角度，从而增加额外的风险。

因此，为了提高对飞行器舵面故障的监控能力，人们也做了许多新的尝试。从公开发明中可知，现有的技术包括在舵面作动器上布置一个位移传感器(CN202211390687.5)，用于反馈舵面位置，或者创建飞行器舵面故障状态的飞行模型，通过飞行器舵面故障状态下飞行模型得到不同的飞行器舵面故障数据(CN202211058249.9)，从而实现对舵面部件故障的监测。上述方法主要从机械角度或者故障信号分析的方面对舵面故障进行判断，目前还缺乏直接从流动状态上进行故障识别和判断的方法，仍然有许多工程化的改进空间和未解决的问题。所以优化飞行器飞行过程中舵面状态的感知方法和预警机制，有利于保证飞行器的飞行安全。

发明内容

针对现有飞行器缺乏舵面角度和流动状态感知和预警的技术问题，本发明提供一种机载飞行器舵面实时感知装置和感知方法，能够直接从流动状态上进行故障识别。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种飞行器舵面状态实时感知方法，包括以下步骤：

步骤1，基于内嵌式压力传感器获得舵面表面的动态压力，用于气流角度的解算；

步骤2，将动态压力信号经过内嵌式处理器处理后，转化为气流角度信号；

步骤3，将舵面的气流角度信号与飞行员或飞控系统输入的控制角度进行比对，判断舵面是否存在卡死或失效。

作为优选，步骤1中，所述压力传感器所对应的表面测压点的位置相对固定，其位置通过设计初期的数值计算或风洞校准实验确定，其分布方式为间隔分布，确保互相之间不存在干扰。而通过测压点测量得到的压力信息为P_i,并通过经典的“三点法”算法解算得到名义舵面角度为δ_e。名义舵面角度δ_e是该解算过程中的中间量，其表示在未进行误差修正前，通过“三点法”计算得到的初始舵面角度，为后续的舵面角度修正提供输入。

作为优选，压力传感器设于飞行器舵面的上下表面截面测压孔，通过测量舵面表面的流动状态得到动态压力信号P_i。

作为优选，步骤2中，受到模型表面流动的影响，所述舵面真实角度与名义舵面角度δ_e之间存在舵面角度的修正量Δδ，通过以下公式校准得到：

其中，Δδ＝δ_e-δ_Real,是舵面角度的修正量；δ_e为当地通过“三点法”解算的名义舵面角度，δ_Real为真实舵面气流角度，A_i为多项式公式的系数，与来流马赫数M_∞有关，通过风洞校准实验获得，则当地舵面的真实气流角度为：

δ_Real＝δ_e-Δδ。

作为优选，将得到的真实舵面气流角度δ_Real和飞控系统输出的预设舵面角度δ_set进行比较，判断真实舵面气流角度是否达到预设的角度。

作为优选，通过地面实验标定获得操纵舵面杆位与对应舵面的偏角关系，舵面的预设值为δ_set，若|δ_set-δ_Real|≤ε，其中ε为系统预设的误差值，则认为舵面实时角度处在预设范围之内，舵面正常工作；若|δ_set-δ_Real|>ε，则认为舵面实时角度没有达到预设范围，舵面没有正常工作，进行预警。

本发明还公开了一种基于内嵌式压力测量的飞行器舵面状态实时感知系统，包括内嵌式压力传感器、内嵌式处理器、信号传输模块和角度比较模块；内嵌式压力传感器用于采集舵面上下表面的动态压力信号并发送至内嵌式处理器处理；内嵌式处理器收集压力信号并实时转化为数字信号，通过角度解算算法求解当前舵面所处的气流角度，并基于信号传输模块将解算结果传输至状态比较模块；状态比较模块将求解出的气流角度，与飞行员或飞控系统输入的舵面控制指令进行比对，判断舵面是否到达指定位置，通过输出端给飞行员或飞控系统提供舵面角度反馈信号。

作为优选，内嵌式压力传感器为微型表面孔式压力传感器，设于飞行器舵面的上下表面截面测压孔内，基于该传感器测量得到目标位置实时的表面动态压力信号。

作为优选，内嵌式处理器基于表面动态压力信号解算舵面的实时气流偏角以及表面流动状态，并根据气流偏角和表面流动状态，提供舵面真实角度和流动状态的反馈信号。

作为优选，若判断舵面没有到达指定位置，系统将发出预警信号，并将预警信号投影到驾驶舱屏幕上产生红色闪烁亮光，同时发出警示音提示，提醒飞行员或飞控系统进行故障排除和应急操纵，避免舵面故障导致的飞行安全事故。

有益效果

本发明所提出的一种基于内嵌式压力测量的飞行器舵面状态实时感知方法和装置，具有自主测量、自主解算、自主预警的能力，能够在飞行器舵面角度出现异常或发生故障时，及时给飞行员发出提醒信号(亮光和警示音)或给飞行控制系统提供故障信号，从而降低舵面故障带来的影响，提高飞行的安全性。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中舵面结构示意图；

图2是本发明的实施例中压力传感器开孔的分布示意图；

图3是本发明的实施例中压力传感器开孔的分布侧视示意图；

图4是本发明的系统工作流程图；

图5是本发明的一个实施例通过当地舵面气流角度修正量与通过经典的“三点法”算法解算得到名义舵面角度为δ_e之间的关系图。

附图标记：1-机翼，2-舵面，31-39-舵面前部的测压孔。

具体实施方法

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅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付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。

本发明实施例提供一种基于内嵌式压力测量的飞行器舵面状态实时感知系统，如图1至图4所示，实施例中舵面结构包括机翼1、舵面2，基于内嵌式压力测量的飞行器舵面状态实时感知系统安装在舵面2内，由内嵌式压力传感器、内嵌式处理器、信号传输模块和角度比较模块构成。

内嵌式压力传感器采用硅片式压力传感器，基于该传感器测量得到目标位置实时的表面动态压力信号。本实施例优选微型表面孔式压力传感器，通过测量舵面表面的流动状态得到动态压力信号。

如图2至图3所示，内嵌式压力传感器被安装在飞行器舵面2前缘及上下表面的特定位置，包括舵面前缘和前缘附近的曲面，如安装在飞行器舵面下表面的截面测压孔31-34和位于飞行器舵面上表面的截面测压孔36-39，本实施例中共设置9个截面测压孔，相邻测压孔在水平和竖直方向的间隔均等，传感器安装孔与截面测压孔连通，压力传感器设置在传感器安装孔内，测量气流的动态压力。飞行器飞行过程中，内嵌式压力传感器用于采集舵面上下表面的动态压力信号并发送至内嵌式处理器处理；内嵌式处理器收集压力信号并实时转化为数字信号，通过角度解算算法求解当前舵面所处的气流角度，并基于信号传输模块将解算结果传输至状态比较模块；状态比较模块将求解出的气流角度，与飞行员或飞控系统输入的舵面控制指令进行比对，判断舵面是否到达指定位置，通过输出端给飞行员或飞控系统提供舵面角度反馈信号。

具体的，根据图2所示，本发明一种基于内嵌式压力测量的飞行器舵面状态实时感知方法，包括以下步骤：

步骤1，基于内嵌式压力传感器获得舵面表面的动态压力，用于气流角度的解算；通过压力传感器所对应的表面测压点的位置相对固定，其测量得到的压力信息为P_i,并通过经典的“三点法”算法解算得到名义舵面角度为δ_e。由于受到模型表面流动的影响，所述舵面真实角度与名义舵面角度之间存在舵面角度的修正量Δδ，具体的解算方法通过以下公式校准得到：

其中，Δδ＝δ_e-δ_Real,是舵面角度的修正量；δ_e为当地通过“三点法”解算的舵面角度，δ_Real为实际舵面气流角度，A_i为多项式公式的系数，与来流马赫数M_∞有关，通过风洞校准实验获得，则当地舵面的真实气流角度为：

δ_Real＝δ_e-Δδ (2)

步骤2，将动态压力信号经过内嵌式处理器处理后，转化为气流角度信号；

步骤3，将舵面角度信号经过信号传输模块发送到机载的舵面角度状态比较模块，并与飞行员或飞控系统输入的控制角度进行比对，判断舵面是否存在卡死或失效。

通过地面实验标定获得操纵舵面杆位与对应舵面的偏角关系，舵面的预设值为δ_set，将得到的真实舵面气流角度δ_Real和飞控系统输出的预设舵面角度δ_set进行比较，用于判断实时舵面气流角度是否达到预设的角度。若|δ_set-δ_Real|≤ε，其中ε为系统预设的误差值，则认为舵面实时角度处在预设范围之内，舵面正常工作；若|δ_set-δ_Real|>ε，则认为舵面实时角度没有达到预设范围，舵面没有正常工作，系统将发出预警信号，并将预警信号投影到驾驶舱屏幕上产生红色闪烁亮光，同时发出警示音提示，提醒飞行员或飞控系统进行故障排除和应急操纵，避免舵面故障导致的飞行安全事故。

如图5所示，为当地舵面气流角度修正量与通过经典的“三点法”算法解算得到名义舵面角度为δ_e之间的校准关系图，通过风洞校准实验获得，以用于验证该套系统舵面状态感知方法的可行性。“三点法”算法是根据位势流理论以及修正的牛顿流理论来进行大气参数解算，只需模型头部表面不共面的三个点就可以求解出对应状态下的大气参数。

由图中曲线斜率均为正值可以得出：流场的风速速度矢量会受到模型的影响，名义舵面角δ_e相对于真实舵面气流角δ_Real放大，也即由测压孔测量计算得出的名义舵面角度值比真值更大。因此当通过解析方法求得名义舵面角后，需要再通过拟合得到的多项式公式修正得到真实值。观察曲线可以发现不同风速不同测压孔情况下的曲线整体趋势一致，且均在小角度时具有较好的线性度。由此可见，基于内嵌式压力测量的飞行器舵面状态实时感知系统可用于求解真实舵面气流角度，以用于安全预警。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种飞行器舵面状态实时感知方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，基于内嵌式压力传感器获得舵面表面的动态压力，用于气流角度的解算；

步骤2，将动态压力信号经过内嵌式处理器处理后，转化为气流角度信号；

步骤3，将舵面的气流角度信号与飞行员或飞控系统输入的控制角度进行比对，判断舵面是否存在卡死或失效。

2.根据权利要求1中的飞行器舵面状态实时感知方法，其特征在于，步骤1中，所述压力传感器所对应的表面测压点的位置相对固定，其测量得到的压力信息为P_i,并通过“三点法”算法解算得到名义舵面角度为δ_e。

3.根据权利要求2中的飞行器舵面状态实时感知方法，其特征在于，压力传感器设于飞行器舵面的上下表面截面测压孔，通过测量舵面表面的流动状态得到动态压力信号P_i。

4.根据权利要求2中的飞行器舵面状态实时感知方法，其特征在于，步骤2中，受到模型表面流动的影响，所述舵面真实角度与名义舵面角度δ_e之间存在舵面角度的修正量Δδ，通过以下公式校准得到：

其中，Δδ＝δ_e-δ_Real,是舵面角度的修正量；δ_e为当地通过“三点法”解算的名义舵面角度，δ_Real为实际舵面气流角度，A_i为多项式公式的系数，与来流马赫数M_∞有关，通过风洞校准实验获得，则当地舵面的真实气流角度为：

δ_Real＝δ_e-Δδ。

5.根据权利要求4所述的飞行器舵面状态实时感知方法，其特征在于，步骤3中，将得到的真实舵面气流角度δ_Real和飞控系统输出的预设舵面角度δ_set进行比较，判断实时舵面气流角度是否达到预设的角度。

6.根据权利要求4所述的飞行器舵面状态实时感知方法，其特征在于，通过地面实验标定获得操纵舵面杆位与对应舵面的偏角关系，舵面的预设值为δ_set，若|δ_set-δ_Real|≤ε，其中ε为系统预设的误差值，则认为舵面实时角度处在预设范围之内，舵面正常工作；若|δ_set-δ_Real|>ε，则认为舵面实时角度没有达到预设范围，舵面没有正常工作，进行预警。

7.一种飞行器舵面状态实时感知系统，其特征在于，包括内嵌式压力传感器、内嵌式处理器和状态比较模块；

内嵌式压力传感器，用于采集舵面上下表面的动态压力信号并发送至内嵌式处理器处理；内嵌式处理器，收集压力信号并实时转化为数字信号，通过角度解算算法求解当前舵面所处的气流角度，并将解算结果传输至状态比较模块；

状态比较模块，将求解出的气流角度，与飞行员或飞控系统输入的舵面控制指令进行比对，判断舵面是否到达指定位置，向飞行员或飞控系统输出舵面角度反馈信号。

8.根据权利要求7所述的飞行器舵面状态实时感知系统，其特征在于，所述内嵌式压力传感器为微型表面孔式压力传感器，设于飞行器舵面的上下表面截面测压孔内，基于该传感器测量得到目标位置实时的表面动态压力信号。

9.根据权利要求7所述的飞行器舵面状态实时感知系统，其特征在于，内嵌式处理器基于表面动态压力信号解算舵面的实时气流偏角以及表面流动状态，并根据气流偏角和表面流动状态，提供舵面真实角度和流动状态的反馈信号。

10.根据权利要求7所述的飞行器舵面状态实时感知系统，其特征在于，若判断舵面没有到达指定位置，系统将发出预警信号，并将预警信号投影到驾驶舱屏幕上产生红色闪烁亮光，同时发出警示音提示，提醒飞行员或飞控系统进行故障排除和应急操纵，避免舵面故障导致的飞行安全事故。