基于小波分析的直升機飛行載荷監(jiān)控技術(shù)

摘要：飛行載荷實時監(jiān)控是直升機新機研制試飛中飛行安全保障的必要手段。利用小波分析在時頻兩域都具有表征信號局部特征的特點，提取載荷數(shù)據(jù)中的特征信息，通過相關(guān)性分析可以實時檢判試飛中關(guān)鍵部件載荷數(shù)據(jù)的異常現(xiàn)象，排除外界干擾影響，提高安全監(jiān)控的準確性。

關(guān)鍵詞：飛行載荷；實時監(jiān)控；小波分析；實時檢判；直升機 文獻標識碼：A

中圖分類號：V212 文章編號：1009-2374（2017）11-0023-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.012

1 概述

新研制的直升機在原型機階段都要開展性能、載荷等相關(guān)的飛行試驗，以驗證直升機是否滿足研制要求規(guī)定的各項技術(shù)指標。新機在拓展性能包線及載荷測量的試飛過程中，存在著諸多不確定的風(fēng)險因素，而與這些風(fēng)險因素相關(guān)聯(lián)的直升機配置、飛行狀態(tài)、試飛環(huán)境、試飛員操縱等都會直接反映在直升機結(jié)構(gòu)載荷水平的變化上。直升機部件的載荷大小直接影響到結(jié)構(gòu)壽命的長短，對這些部件未知的載荷水平進行實時監(jiān)控是保障新機飛行安全的重要手段之一。

實時監(jiān)控的效果直接影響到對飛行安全的評判。現(xiàn)階段常用的飛行載荷監(jiān)控多采用監(jiān)控載荷時域的方式，即在坐標系上預(yù)先設(shè)置1小時、5小時壽命等限制線，將飛行載荷中的靜態(tài)量剔除后，以曲線的形式顯示在坐標系內(nèi)，這種以載荷波動是否超出預(yù)設(shè)限制值的監(jiān)控方式，當信號存在突然而急劇的變化時，監(jiān)控人員很難識別出信號異常的真實原因，這種信號突變的情況在試飛中一旦頻繁發(fā)生，將大幅降低載荷監(jiān)控的實時性和準確性。

將小波分析引入飛行載荷監(jiān)控，結(jié)合直升機載荷的特性，從多方面解析飛行載荷時頻特性，可以提高載荷實時監(jiān)控的效果。

2 小波分析在載荷監(jiān)控中的優(yōu)勢

直升機飛行時，旋翼系統(tǒng)槳葉在每轉(zhuǎn)變化一次的氣動環(huán)境中工作，由于旋翼工作轉(zhuǎn)速Ω基本恒定，因而在槳葉上產(chǎn)生的持續(xù)啟動激振力頻率1Ω、2Ω、3Ω……（為旋翼轉(zhuǎn)速的整數(shù)倍）基本恒定。正常情況下，槳葉上的響應(yīng)載荷頻率一般以前幾階為主，其他各階諧波分量較小。如某型機旋翼的轉(zhuǎn)速為A轉(zhuǎn)/分，尾槳的轉(zhuǎn)速為B轉(zhuǎn)/分，其主槳葉對應(yīng)的載荷頻率一般以n*A/60Hz為主，尾槳葉的則以n*B/60Hz為主。

根據(jù)此類特征，載荷監(jiān)控并不關(guān)注靜載荷力，基于此目前監(jiān)控方法多采用拓撲運算將靜態(tài)量統(tǒng)一濾除，再進行載荷時域監(jiān)控。但從實際應(yīng)用情況看，載荷監(jiān)控信號中經(jīng)常存在各種未知因素導(dǎo)致的時域信號異常情況，如大機動、大過載飛行引起載和平水平的提高或者測試設(shè)備的突然損毀、遙測鏈路的噪聲干擾正常信號等，這種異常經(jīng)常使信號超過限制值，由于時域監(jiān)控的方法并不能直觀地展示此類信號異常的特點，評判異常信號是否為結(jié)構(gòu)真實工作狀態(tài)還是干擾，往往需要監(jiān)控人員具有豐富的工程經(jīng)驗和一定的判斷時間，一旦誤判可能導(dǎo)致試飛錯誤終止，或是錯失最佳處置時間導(dǎo)致危險。

小波分析作為一種時間—頻率分析方法，它多分辨率分析的特點使其具備時、頻兩域表征信號局部特征的能力，其窗口大小固定不變，但形狀可變，時間窗和頻率窗都可以根據(jù)信號的具體形態(tài)動態(tài)調(diào)整，其在信號的低頻部分頻率分辨率高和時間分辨率低，在高頻部分正好相反，可準確探測正常信號中夾帶的瞬態(tài)干擾等反常現(xiàn)象并展示其成分，因此小波分析用于飛行載荷實時監(jiān)控十分適合。

3 飛行載荷的小波分析

第一部分是x（t）在尺度空間的投影，它是x（t）的平滑逼近，分解系數(shù)稱為離散平滑逼近；第二部分是x（t）在小波空間的投影，它反映了鄰近尺度2個平滑逼近的細節(jié)差異，也就是對x（t）所做的細節(jié)補充，分解系數(shù)稱為離散細節(jié)信號，也就是小波變換系數(shù)。在實際信號分析中，J以下各尺度為高頻細節(jié)的提取，J以上各尺度用于低頻信號的近似。

小波分析時，可把信號根據(jù)采樣率以及所需頻率進行分層，把層級頻率范圍盡可能調(diào)整至不同激振力頻率，以便觀察。小波分析中，尺度與頻率是反比的關(guān)系，確定尺度需要考慮采樣頻率的大小，采樣頻率的大小決定了其分析的頻率，再確定分析的層級，即：

實際頻率=小波中心頻率*采樣頻率/尺度

在小波分解中，將信號中的最高頻率成分看作是1，各層所占的具體頻帶為（三層分解）：

a1：0～0.5； d1：0.5～1

a2：0～0.25； d2：0.25～0.5

a3：0～0.125；d3：0.125～0.25

利用小波變換方法，從1到6級用db4小波低頻逐級細分，可以將整個1024采樣頻帶分成128～256Hz、64～128Hz、32～64Hz、16～32Hz、8～16Hz、4～8Hz、0～4Hz共7個子頻帶，用7個子帶濾波器對載荷信號進行分解與濾波后，得到子帶濾波通道輸出的信號序列（即小波分解系數(shù)）。

其中a6為包含的0～4Hz（即1Ω）頻率分量系數(shù)，其也可以看成原始信號經(jīng)過高頻濾波后的信號，由于小波變換的特性，此種濾波時效性極好，由于該分量為此剖面的主要激振力頻率分量，可以作為監(jiān)控飛行載荷的主要特征系數(shù)。

載荷監(jiān)控時通過小波多分辨率分析把數(shù)據(jù)信號分解到不同尺度上對信號進行時頻分析，從不同尺度分解信號的分析中得到在原始信號中無法表達出的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)變化信息，從而在測試信號有異常時及時發(fā)出預(yù)警。

4 載荷監(jiān)控應(yīng)用實例

載荷實時監(jiān)控的任務(wù)是判斷飛行過程中，監(jiān)控通道數(shù)據(jù)發(fā)生異變后，及時定位原因，采取相應(yīng)的處置措施，載荷監(jiān)控中經(jīng)常出現(xiàn)的情況主要有三種：

4.1 飛行狀態(tài)改變引起的載荷急劇變化

飛行員在飛行中快速提升總距后，阻尼器載荷成倍增大，觀察小波分析分離的主要激振力頻率分量，可以看出其隨著原始信號同步增大，因此確認測量載荷反映的是正常的飛行操縱響應(yīng)，此時僅需繼續(xù)關(guān)注載荷時域信號是否超限，并監(jiān)控載荷與飛行員操縱間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

4.2 結(jié)構(gòu)固有頻率改變導(dǎo)致的載荷異常

某尾槳驗證飛行正常階段，尾槳葉扭矩的工作頻率一直以4Ω為主，揮舞和擺振彎矩的頻率以1Ω為主；而在試驗的第三階段，通過小波分析后發(fā)現(xiàn)揮舞彎矩和扭矩的工作頻率出現(xiàn)了變化，其中揮舞彎矩中的3Ω分量明顯增大，扭矩頻率由以4Ω為主轉(zhuǎn)為以3Ω為主。不同飛行階段揮舞彎矩的6階諧波分量的變化情況。

核查該尾槳結(jié)構(gòu)共振圖，判斷結(jié)構(gòu)2階揮舞固有頻率和1階扭轉(zhuǎn)固有頻率存在下降的可能，導(dǎo)致與3Ω激振力產(chǎn)生共振，后對結(jié)構(gòu)進行檢查后，發(fā)現(xiàn)尾槳葉根部連接區(qū)因磨損導(dǎo)致夾板和柔性梁出現(xiàn)連接異常情況，為此中止試飛，查找起因。

4.3 測試鏈路異常產(chǎn)生的干擾

可以看出時頻信號變大的能量來自于d1高頻系數(shù)中，a6相似系數(shù)并無變化，因此判斷載荷變大為測試鏈路異常，監(jiān)控時可根據(jù)飛行測試需求和安全監(jiān)控要求決定是否繼續(xù)飛行，避免數(shù)據(jù)無效或無法繼續(xù)保障試飛的安全。

5 結(jié)語

利用小波分析對載荷信號特征提取，方便監(jiān)控人員實時對信號不同頻域的能量進行直觀監(jiān)控，判斷飛行狀態(tài)，進行飛行特征分析。

排除測試系統(tǒng)對載荷信號的干擾，優(yōu)化數(shù)據(jù)特征，同時這也是對飛行數(shù)據(jù)的保護，實時掌控測試設(shè)備損毀情況，有效把握試飛進度，從根源上預(yù)防試飛后無數(shù)據(jù)可用的情況。

參考文獻

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作者簡介：羅毅（1984-），男，四川射洪人，中國直升機設(shè)計研究所工程師，研究方向：信號處理。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）