Диссертация (Разработка двухканальной системы измерения положения лопастей вертолета), страница 6

Частота измерений и передачисообщений по цифровому радиоканалу f  200 Гц. Требуемую пропускнуюспособность можно оценить по следующей формулеqтреб  Vf  17,18 кбит / сек .(2.1)Математическая модель пересчета тензометрических измерений.

Вработе рассматривается лопасть с упругим (бесшарнирным) соединением совтулкой несущего винта [47]. Подобное соединение можно рассматривать какжесткоеконсольноекреплениебалки.Примем,чтопривоздействиираспределенной нагрузки изгиб лопасти происходит по окружности радиуса r(рисунок 2.3). Необходимо найти отклонение торца лопасти y.yrll+dlРисунок 2.3. Отклонение торца лопастиОтклонение торца лопасти х рассчитывается по следующей формулеy  r(1 cos(l / r)) .(2.2)где r – радиус изгиба лопасти, l – исходная длина исследуемого участка лопасти.Длина деформированного участка лопасти вычисляется следующим образомl  dl  (r  b)cos(l / r) ,(2.3)где b – половина толщины лопасти.Деформация лопасти рассчитывается по формуле  dl / l .(2.4)34По результатам математического моделирования (при l/r < 0,1) был полученграфик зависимости приращения длины к отклонению торца лопасти (рисунок 2.4).1210y, см8642000,20,40,60,811,2dl,смРисунок 2.4.

График отклонения торца лопасти в зависимости от dlХарактер графика показывает, что при принятых соотношениях длиныисследуемого участка лопасти к радиусам изгиба допустимо использованиеследующей зависимостиy  x ,(2.5)где x – весовой коэффициент.Следовательно, для всей лопасти и четырех (m=4) тензометрическихдатчиков модель принимает вид(2.6)my   x i i ,i 1где xi , i  1..m неизвестные весовые коэффициенты.Примем,чтовыходнойсигналтензометрическогодатчикапрямопропорционален деформации лопастиd  xd   .(2.7)Таким образом, учитывая (2.7), отклонение лопасти с m тензометрическимидатчиками можно представить в виде35my   xi d ii 1,x i  x i  x d(2.8)где неизвестные весовые коэффициенты хi ,i 1..m вычисляются по методике,приведенной в разделе 1.5.2.3.

Программно-алгоритмическое обеспечениесистемы тензоизмеренийНа рисунке 2.5 приведена структурная схема данного канала измерений.ТензометрическиедатчикиСигнальныелинииАЦП(Оцифровка)Модем Xbee(Кодирование сообщения )Тензометрическая станцияЦифровой радиоканалМодем Xbee(Декодированиесообщения)Сохранениеизмерений и ихобработкаВычислительный блокРисунок 2.5. Структурная схема тензометрического канала измерений36Основной алгоритм для разработки в данном канале – это алгоритмкодирования сообщения для последующей его передачи по цифровомурадиоканалу. Так как АЦП у тензометрической станции десятиразрядное [48], тоизмерения каждого тензодатчика помещаются в 2 байта.

Предложена следующаяструктура сообщения (рисунок 2.6):STLENDATACSРисунок 2.6. Структура сообщениягдеST – признак начала пакета (1 байт – 0x7E),LEN – число информационных байт в сообщении (1 байт),DATA – информационные байты, содержащие в себе измерения (LEN байт),CS – контрольная сумма (1 байт).Для последующей передачи сообщения на программное обеспечениевычислительного блока разработано программное обеспечение для тензостанции,которое производит измерения с частотой 200 Гц и реализует вышеприведенныйалгоритм кодирования.

Для вычислительного блока разработано программноеобеспечение, основные задачи которого – декодирование сообщений, получаемыхс тензостанции, отображение на графике и последующая их запись в определенномформате на ПЗУ.2.4. Исследование тензометрической системы измеренийНа рисунке 2.7 приведен график показаний датчиков в момент переходногопроцесса от номинальных оборотов (с нулевым шагом) до почти полной остановкии провисанием лопасти вниз под собственным весом. На горизонтальной осинаходится номер измерения (измерение проводятся с шагом в 5 миллисекунд).37Рисунок 2.7. Тензоизмерения переходного процесса остановки винтаНа рисунке 2.8 приведены результаты эксперимента с раскруткой винта,выходом на заданные обороты и последующей остановкой.Рисунок 2.8.

Тензоизмерения при раскрутке винта до 600 об/мин иостановки с нулевым шагом38В интервале с 0 по 3 секунду лопасть находится в неподвижном состоянии.С 3 по 12 секунду происходит раскрутка винта и выход на заданные обороты.В процессе раскрутки винта возникает резкий скачок деформаций, которые потомснижаются при выходе на установившийся режим.С 12 по 18 секунду происходит вращение винта с заданными оборотами ипостоянным шагом (установившийся режим).С 18 секунды по 34 происходит остановка винта.На рисунке 2.9 приведен участок А из графика на рисунке 2.8.Рисунок 2.9. Тензоизмерения на участке АНа рассматриваемом участке А частота вращения винта 7 об/с.

Четыретензометрических датчика размещаются равномерно по длине исследуемойлопасти. Как видно из графиков (рисунок 2.9), амплитуды основных колебанийидентичны, что подтверждает сходство деформаций в районе каждого датчика.Идентичность деформаций на каждом датчике подтверждает принятуюгипотезу о том, что форма деформированной лопасти близка к окружности.Отклонение по математическому ожиданию датчика № 3 не превышает 10% отобщего рабочего диапазона и находится в пределах точности установки39коэффициентов усиления тензостанции. Запаздывание по фазе датчика № 4объясняется последовательным характером опроса датчиков тензостанцией.На рисунке 2.10 приведен эксперимент с изменением шага винта.Рисунок 2.10.

Тензоизмерения при раскрутке винта до 600 об/мин и сизменяющимся шагомВ интервале с 0 по 5 секунду винт находится в неподвижном состоянии.С 5 по 25 секунду происходит раскрутка винта.С 25 по 100 секунду происходит изменения шага винта.На рисунке 2.11 представлен участок Б графика 2.10, на котором видноизменение шага винта.40Рисунок 2.11. Тензоизмерения на участке Б (рис. 2.10)На рисунке 2.12 представлены результаты эксперимента, подтверждающиеповторяемость значений измерений.Измерение проводилось на двух участках (участки 1 и 2) с одинаковымрежимом работы несущего винта вертолета.

На горизонтальной оси находитсяномер измерения (измерение проводятся с шагом в 5 миллисекунд).41Рисунок 2.12. График измеренийВ таблице 2.1 приведены расчеты МО и СКО измерений на этих участках.Таблица 2.1. МО и СКО измерений на участках 1, 2НомеручасткаМО, мВСКО, мв1 датчик2 датчик3 датчик4 датчик 1 датчик 2 датчик3 датчик 4 датчик14475035646500.670.851.992.6624475025666500.921.232.714.022.5. Выводы1. Определена структура тензометрического канала измерений, обеспечивающаяизмерения положения торца лопасти несущего винта вертолета;2. Реализованканалпередачиданныхпоцифровомурадиоканалуоттензометрической станции (располагающейся на втулке несущего винта) квычислительному блоку с целью повышения помехозащищенности измеренийпо сравнению с используемыми ранее скользящими контактами;423.

Предложена математическая модель пересчета тензометрических измерений вотклонения торца лопасти во всем диапазоне измерений в систему координатвидеокамеры, связанной с системой координат вертолета;4. Разработан демонстрационный макет тензометрической системы измерений,включающий: устанавленные на лопасти тензометрические датчики; микроконтроллер с преобразователем аналог-код; приемо-передающее устройство для передачи данных измерений поцифровому радиоканалу; источник питания;5. Проведеныэкспериментальныеисследованиятензометрическогоизмерений, подтверждающие его работоспособность.канала433. ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЛОПАСТИ НЕСУЩЕГО ВИНТАВЕРТОЛЕТА С ПОМОЩЬЮ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗАИЗОБРАЖЕНИЙ3.1.

Варианты реализации оптических измеренийОбоснование выбора высокоскоростной видеокамеры. Одно из основныхтребований к оптической системе измерений заключается в обеспечении какминимум одного измерения положения лопасти несущего винта вертолета заполный оборот при максимальной частоте вращения max  600 оборотов в минуту( fmax 10 Гц).При горизонтальном угле наблюдения объектива видеокамеры в 56( об  0.977 рад.) следует, что лопасть за один оборот (при max ) находится в полезрения видеокамеры время t лоп , равное об 0.0155 с .f max 2t лоп (3.1)Для повышения надежности измерений введем коэффициент запаса ипримем, что требуемая частота кадров съемки fкам должна удовлетворять условиюf кам K зап,t кам(3.2)где K зап – коэффициент запаса.Таким образом, при задании коэффициента запаса K зап  3 , частота съемкидолжна быть не менееf кам K зап= 192 1/с.t кам(3.3)Такая частота обеспечивает, как минимум, получение одного кадра сизображением лопасти на каждом обороте несущего винта вертолета.44Условие (3.3) является ограничением на выбор видеокамеры.Аппаратнаясоставляющаяоптическогоканалаобеспечения.Разработанная и реализованная подсистема видеоизмерений состоит из цифровойвысокоскоростной видеокамеры (частота съемки до 200 1/с, что соответствуетусловию (3.3)) Prosilica GE-680 фирмы Allied Vision Technologies с объективомComputar M0814MP, блоком питания и сетевым кабелем UTP CAT 5e,вычислительного блока, устройств ввода-вывода информации.Схема расположения оборудования приведена на рисунке 3.1.Рисунок 3.1.

Схема оптического канала измеренийРазмещение видеокамеры в горизонтальной плоскости показано на рисунке3.2.45Рисунок 3.2. Схема размещения видеокамеры (вид сверху)Оптическиеизмеренияположениялопастиввыделенномсекторенаблюдений при таком расположении видеокамеры производятся 1 раз за одиноборот винта.

При этом измерения на всей траектории положения лопастиреализуются тензометрическим каналом (20 измерений на каждом обороте винта),а видеоканал обеспечивает корректировку измерений при переводе измеренныхзначений в систему координат вертолета. Для увеличения количества оптическихизмерений на каждом обороте винта можно увеличить либо частоту съемки, либоколичество видеокамер. Первый вариант обеспечивает получение дополнительныхизображений лопасти в том же ограниченном секторе наблюдений видеокамеры и сточки зрения повышения общей точности измерений недостаточно эффективен.Второй вариант представляется более перспективным, однако его реализация гораздоболее экономически затратна.Аппаратная реализация оптической системы измерений с четырьмявидеокамерами.Прииспользованиичетырехвидеокамеруголобзорарасширяется, позволяя проводить оптические измерения при той же частоте съемкикаждой видеокамерой от 4 до 8 положений за один оборот винта (рисунок 3.3).46Рисунок 3.3.