基于LED光源的直升機(jī)旋翼頻閃成像系統(tǒng)的研究

甄海濤，費(fèi) 磊，陳慶文

(黑龍江省科學(xué)院自動化所，哈爾濱 150090)

直升機(jī)的旋翼是為直升機(jī)飛行產(chǎn)生升力和操縱力的核心部件，直升機(jī)一般裝有四片槳葉，槳葉靠飛機(jī)產(chǎn)生的扭矩進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并且通過對槳葉的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，來控制直升機(jī)的起飛與降落。直升機(jī)的飛行性能、駕駛品質(zhì)、震動、噪音水平、壽命等問題都依賴于對直升機(jī)旋翼穩(wěn)定性的掌握。直升機(jī)的更新?lián)Q代也是以旋翼的重大改進(jìn)為標(biāo)準(zhǔn)的，因此世界各國都把直升機(jī)的旋翼技術(shù)當(dāng)作直升機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)來研制，并且不斷地提高對旋翼的測試手段和方法，以使旋翼的設(shè)計(jì)達(dá)到性能最優(yōu)。

直升機(jī)旋翼錐度是旋翼動平衡測量中一個(gè)重要的指標(biāo)，它的測量是在旋翼高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下進(jìn)行的，所以過去一直存在著測量精度差，難度大等多種問題，但隨著近年來光電技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，對旋翼共錐度的測量已經(jīng)能做到利用多種方法進(jìn)行快速、簡單、有效的測量。

近年來，旋翼錐體測量設(shè)備多采用的是汞燈光源頻閃成像的方法。其工作原理是:選用專用的頻閃燈，測量前，在直升機(jī)旋翼各片槳葉尖部安裝具有一定尺寸、不同形狀的反光性能標(biāo)靶;在測量時(shí)，獲取轉(zhuǎn)速信號，同時(shí)觸發(fā)專用頻閃燈，使頻閃燈閃亮?xí)r間與葉槳轉(zhuǎn)速同步，從而用目測的方法確定不同槳葉的相互位置。

通過對現(xiàn)有汞燈光源的直升機(jī)旋翼頻閃測試儀進(jìn)行研究分析，筆者提出了一種新型的基于大功率LED光源的直升機(jī)動平衡旋翼頻閃測試儀。該系統(tǒng)主要利用大功率LED光源代替汞燈光源，并結(jié)合ARM嵌入式系統(tǒng)、光電傳感器等新型電子元器件，使其具有體積小、壽命長、價(jià)格低廉等多種特點(diǎn)。

1 直升機(jī)旋翼測試頻閃原理

直升機(jī)旋翼椎體測量的方法主要是靠頻閃成像的原理進(jìn)行測量，高速運(yùn)動的物體在人的眼前飛過時(shí)所留下的圖像，因?yàn)橐曈X信號的關(guān)系，會短暫的停留1/20s，那么如果一個(gè)物體在每隔1/20s內(nèi)出現(xiàn)一次，我們?nèi)搜劬蜁J(rèn)為其一直存在，現(xiàn)在我們所使用的照明燈管也是這個(gè)原理，那么當(dāng)我們用一閃一閃的光連續(xù)照在一個(gè)運(yùn)動物體上時(shí)，只要光的連續(xù)時(shí)間在1/20s以內(nèi)，我們就會看到該物體靜止的圖像，這樣我們通過多次快速的頻閃，就會看到多個(gè)運(yùn)動物體的清晰圖像［1］。

直升機(jī)一共有4片槳葉，每片槳葉的葉尖位置都掛有一個(gè)直徑2cm的不銹鋼鐵片，分別有4種圖形:三角、方塊、菱形以及圓形，葉槳在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，每當(dāng)每片葉槳運(yùn)行到機(jī)身右側(cè)90°固定位置時(shí)，我們將頻閃儀所發(fā)出的光源利用光學(xué)系統(tǒng)控制為一條光柱打向靶標(biāo)，如圖1所示。

圖1 頻閃打靶標(biāo)Fig.1 Strobscopic shooting target

葉槳下方的4個(gè)圖形，分別有自己相應(yīng)固定位置，我們利用光電傳感器獲取直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速信號，并通過ARM系統(tǒng)控制光頻閃儀進(jìn)行頻閃，使頻閃頻率與直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速頻率相同步，我們就會觀察到以下效果。如圖2、圖3所示。

圖2 頻率與圖形速率同步Fig.2 Synchronism of freqnency with round speed rate

圖3 實(shí)際顯示效果Fig.3 Actual showing effect

工作人員根據(jù)圖形位置的距離，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定旋翼的相互位置，對其進(jìn)行改正，為進(jìn)行下一步動平衡實(shí)驗(yàn)提供可靠數(shù)據(jù)。

2 旋翼測試系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由光電轉(zhuǎn)速傳感器、ARM控制系統(tǒng)、LED頻閃光源組成。光電轉(zhuǎn)速傳感器主要實(shí)現(xiàn)對直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速的速率采集，將電壓信號傳給ARM系統(tǒng)，ARM控制系統(tǒng)完成A/D轉(zhuǎn)化并將根據(jù)轉(zhuǎn)速進(jìn)行脈沖輸出，對LED頻閃系統(tǒng)進(jìn)行控制，使其能夠與直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速相對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)頻閃成像效果。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

本頻閃儀的研制主要是通過對我國現(xiàn)用進(jìn)口動平衡頻閃測試儀進(jìn)行研究分析，利用光電轉(zhuǎn)速傳感器獲取直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速信號，將信號發(fā)送給ARM系統(tǒng)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，ARM系統(tǒng)通過脈沖輸出控制電源開關(guān)，從而控制LED頻閃的頻率及頻閃響應(yīng)時(shí)間，使頻閃能夠與葉槳靶標(biāo)的圖形頻率相同步，最后選擇合理的光學(xué)凸透鏡進(jìn)行聚光，使反射回來的光源能夠在人眼接受范圍內(nèi)，并達(dá)到最好效果。從而替代進(jìn)口汞燈光源的頻閃測試儀對直升機(jī)的旋翼錐體進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)動平衡測試儀的部分國產(chǎn)化。該系統(tǒng)主要改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)如下:

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.4 System structure clesign

1 )通過對頻閃光源的頻閃特點(diǎn)的掌握，選擇合適的大功率LED燈作為頻閃源，使其能夠?qū)Ω咚龠\(yùn)動的物體進(jìn)行頻閃成像，并可以降低成本提高頻閃儀壽命。

2 )選取最新型的霍爾光電傳感器，使其能夠更加準(zhǔn)確地獲取直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速。

3 )設(shè)計(jì)出一套針對于直升機(jī)旋翼頻閃檢測的ARM2440系統(tǒng)，使其在接收轉(zhuǎn)速信號，轉(zhuǎn)換脈沖輸出信號時(shí)更加穩(wěn)定可靠。

4 )搭建特有的光學(xué)系統(tǒng)，使頻閃光源能夠準(zhǔn)確射向靶標(biāo)，并且反射光源在人眼可接受范圍內(nèi)，并達(dá)到最好效果。

3 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)使用ARM系列芯片進(jìn)行硬件系統(tǒng)的搭建，它有體積小、成本低廉、便于攜帶等特點(diǎn)。采用光電傳感器，對直升機(jī)旋翼的轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集，并經(jīng)過計(jì)算后在將轉(zhuǎn)速頻率變成所需要的脈沖信號對LED頻閃光源進(jìn)行控制，使其能夠與葉槳圖案同步，完成錐體測試功能。

3.1 LED控制電路設(shè)計(jì)

作為直升機(jī)旋翼測試用的頻閃光源是一種特殊光源。因?yàn)轭l閃光源是對直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速進(jìn)行測試，所以對頻閃光源的發(fā)光頻率、閃光的持續(xù)時(shí)間都有著較高的要求。為達(dá)到頻閃所要求的響應(yīng)時(shí)間，設(shè)計(jì) LED響應(yīng)電路如圖5［2］。

圖5 大功率LED驅(qū)動電路圖Fig.5 High power LED drive circuit

設(shè)計(jì)LED控制電路，我們主要選用了555時(shí)基電路，它主要有一個(gè)555多諧振蕩器構(gòu)成的信號發(fā)生器，1個(gè)功率放大器，還有1個(gè)大功率LED構(gòu)成。此電路中的震蕩頻率可以根據(jù)頻閃的具體需求進(jìn)行調(diào)整，通過信號發(fā)生器產(chǎn)生輸出脈沖頻率，并且由功率放大器放大脈沖信號，控制大功率LED發(fā)光。并且我們可以變換信號發(fā)生器的震蕩頻率，來改變LED發(fā)光的響應(yīng)時(shí)間，從而達(dá)到頻閃要求。

3.2 基于光電傳感器A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要利用霍爾光電傳感器對直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，將所得到的模擬電壓信號傳輸?shù)较挛粰C(jī)ARM嵌入式系統(tǒng)中，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化后，進(jìn)行數(shù)字脈沖輸出對頻閃LED進(jìn)行控制，使其能夠完成頻閃成像，基于嵌入式ARM系統(tǒng)我們主要采用了TLC2543芯片做該A/D轉(zhuǎn)換芯片，該系統(tǒng)的硬件A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖6［3］:

圖6 A/D轉(zhuǎn)換電路連接圖Fig.6 Connection of A/D switch circuit

4 軟件實(shí)現(xiàn)

首先將TLC2543進(jìn)行程序初始化，上電后設(shè)置轉(zhuǎn)換通道和轉(zhuǎn)換頻率ADCCON，將相應(yīng)的中斷掛起寄存器，設(shè)置中斷入口程序，取消MASK屏蔽，進(jìn)行設(shè)置ADCCON相應(yīng)的位啟動轉(zhuǎn)換、中斷服務(wù)程序。通過SUB判斷ADC轉(zhuǎn)換狀態(tài)，清除SUB相應(yīng)的位，讀取轉(zhuǎn)換值 ADCDAT［4］。

主要程序及流程圖(見圖7)如下:

void ADCInit()

{

int channel=0，preScaler=50000000/ADCFRE －1;

rADCCON=(channel＜ ＜3)|(preScaler＜ ＜6)|(1＜＜14);//設(shè)置ADC通道和預(yù)分頻值 Delay(100);

pISR_ADC=(U32)ADCHandle;//設(shè)置中斷向量表

ClearPending(BIT_ADC);//清掛起寄存器

rSUBSRCPND＆=(1＜＜10);//清子中斷掛起寄存器

EnableIrq(BIT_ADC);//使能ADC中斷，實(shí)際是關(guān)閉INTMSK對ADC的屏蔽 rINTSUBMSK＆=(0＜＜10);//關(guān)閉子中斷對ADC_S的屏蔽

rADCCON|=1;//開始轉(zhuǎn)換

}

static void__irq ADCHandle()

{

int ADCValue;

ClearPending(BIT_ADC);

if(rSUBSRCPND＆(1＜＜10))//判斷是不是有ADC普通轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的中斷

{

rSUBSRCPND＆=(1＜＜10);

ADCValue=(rADCDAT0＆0x3FF);//讀取轉(zhuǎn)換值

Uart_Printf(" ADCconvert value is%d "，ADCValue);

rADCCON|=1;//開始轉(zhuǎn)換

}

}

圖7 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖Fig.7 A/D switch flowchart

5 結(jié)束語

LED作為頻閃光源，在測量高轉(zhuǎn)速物體的時(shí)候，測試范圍可以達(dá)到400～20 000r/min，完全可以用作直升機(jī)旋翼的頻閃測試光源。同時(shí)我們采用ARM2440芯片研發(fā)出下位機(jī)系統(tǒng)，使頻閃效果更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確。該套系統(tǒng)已經(jīng)在哈飛進(jìn)行了初步試驗(yàn)，取得了較好效果，相信不久隨著技術(shù)的完善及改進(jìn)，該系統(tǒng)定可以取代國外進(jìn)口功能相似的汞燈旋翼頻閃儀，使我國直升機(jī)旋翼檢測技術(shù)的相關(guān)儀器實(shí)現(xiàn)部分國產(chǎn)化，為我國的航天事業(yè)添磚加瓦。

［1］姚凱，阮新波，王蓓蓓，等.第四代新光源——發(fā)光二極管［J］.電源世界，2008，(3):58 －61.

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［3］［美］加西奧.微控制器技術(shù)及應(yīng)用［K］//嵌入式技術(shù)與應(yīng)用叢書，2009，4(1).

［4］王黎明.ARM9嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)踐［M］.北京:航空航天大學(xué)出版社，2008:196－236.