某型飛機(jī)重量重心測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡寶權(quán)，許 悅

（1.西安翔迅科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710068；2.西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，陜西 西安 710072）

1 引言

飛機(jī)在飛行過程中，重心如果超出了允許范圍，會導(dǎo)致飛機(jī)飛行不穩(wěn)，操縱困難，甚至導(dǎo)致飛行事故的發(fā)生[1-2]。因此，飛機(jī)的重量重心是設(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，對該參數(shù)的測量精度將直接影響到飛機(jī)的飛行安全。而隨著飛行速度的不斷提高和飛行姿態(tài)的越趨完善，對飛機(jī)重量重心的測量精度提出了越來越高的要求[3-4]。

由于受研制條件限制，某型飛機(jī)前期在進(jìn)行重量重心測量時(shí)，使用的是第一代模擬式檢測儀表，主要存在以下幾個(gè)不足[5-6]：①采用指針式儀表，測量精度低，誤差大；②對現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)依賴較大，測量結(jié)果易受操作人員影響；③操作流程復(fù)雜，且設(shè)備維護(hù)性差，功能不易擴(kuò)展。針對上述情況，開發(fā)了一套先進(jìn)的飛機(jī)重量重心測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電阻應(yīng)變式傳感器、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集器和軟件平臺下的工控機(jī)等設(shè)備組成。首先將三個(gè)電阻應(yīng)變式傳感器置于飛機(jī)的機(jī)輪之下，當(dāng)電阻應(yīng)變式傳感器感受到重力時(shí)，就會將重力信號轉(zhuǎn)換成微弱的毫伏級電壓信號；然后通過信號調(diào)理器將傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大、濾波等處理；最后通過LabVIEW 平臺下的工控機(jī)控制采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、顯示與存儲等各種操作。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某型飛機(jī)的重量重心測量過程，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性良好，為該型飛機(jī)的飛行安全提供了有力保障。

2 電阻應(yīng)變式傳感器工作原理

稱重傳感器采用電阻應(yīng)變式傳感器，其工作原理如圖1所示。當(dāng)稱重傳感器受到重力作用時(shí)，彈性體會發(fā)生變形，從而導(dǎo)致貼于彈性體上的電阻應(yīng)變計(jì)敏感柵也發(fā)生變形。

由物理學(xué)可知電阻R 與電阻絲長度L、電阻率ρ成正比，與其電阻絲截面積A 成反比，即R=ρL/A.因此，通過電阻應(yīng)變計(jì)變形，可以將重力引起的彈性體應(yīng)變量線性轉(zhuǎn)換成電阻應(yīng)變計(jì)阻值變化量。惠斯通電橋如圖2 所示。

圖1 電阻應(yīng)變式傳感器工作原理

圖2 惠斯通電橋

由圖2 可知，當(dāng)將四只電阻應(yīng)變計(jì)組成惠斯通電橋時(shí)，可以將電阻阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，由電學(xué)原理知其變換公式為：

當(dāng)稱重傳感器沒有受到重力作用時(shí)，R1=R2=R3=R4，此時(shí)惠斯通電橋平衡，輸出電壓為0；當(dāng)稱重傳感器受到重力作用時(shí)，彈性體應(yīng)變引起應(yīng)變計(jì)電阻阻值變化dR，惠斯通電橋不平衡，輸出電壓U0=U（dR1－dR3+dR4－dR2）/4R，其中dR1、dR2、dR3、dR4為應(yīng)變計(jì)的電阻變化量。

因此，通過粘貼于彈性體不同部位的四只電阻應(yīng)變計(jì)組成的惠斯通電橋，將由彈性體應(yīng)變引起的電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓信號。當(dāng)稱重傳感器感受到重力時(shí)，惠斯通電橋輸出一個(gè)與重力成線性關(guān)系的電壓信號，從而實(shí)現(xiàn)了對重力的測量。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件由3 只電阻應(yīng)變式傳感器、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集器和工控機(jī)等設(shè)備組成。首先將3 只電阻應(yīng)變式傳感器安裝于飛機(jī)的千斤頂上，當(dāng)千斤頂將飛機(jī)頂起時(shí)，傳感器將重量信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號并輸出至信號調(diào)理器中；信號調(diào)理器將傳感器輸出的毫伏級信號進(jìn)行放大、濾波等各種處理，并將放大之后的信號傳輸給數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器將信號調(diào)理器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成工控機(jī)能夠識別的數(shù)字信號。最后通過LabVIEW 平臺下的計(jì)算機(jī)完成對數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動和控制，通過編寫的LabVIEW 程序?qū)崿F(xiàn)對采集的飛機(jī)重量重心信號進(jìn)行顯示、分析、存儲等各種操作。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

軟件啟動后，首先檢查配置文件是否存在，如果不存在，程序自動退出，存在的話進(jìn)入硬件自檢。硬件如果自檢失敗，直接退出程序，硬件自檢成功，打開程序主界面。此時(shí)用戶如果沒有進(jìn)行界面上的操作，自動獲取稱重傳感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算重量和重心并顯示在主界面相應(yīng)的控件上。當(dāng)用戶在主界面上進(jìn)行操作時(shí)，響應(yīng)用戶對應(yīng)的操作，如清零、保存數(shù)據(jù)、打印數(shù)據(jù)、退出程序等。

4.2 重量重心計(jì)算模塊設(shè)計(jì)

由于3 只稱重傳感器都會獲取各自安裝位置處的重量數(shù)據(jù)，因此需要通過計(jì)算，才能得出飛機(jī)整體的重量和重心數(shù)據(jù)。為了主程序的簡捷和操作方便，將重量重心計(jì)算功能封裝成一個(gè)子VI，后續(xù)根據(jù)數(shù)據(jù)模擬量和離散量操作的不同，調(diào)用該子VI 完成相應(yīng)的操作即可，如圖5 所示。

圖5 重量重心計(jì)算子VI

該VI 輸入輸出參數(shù)定義如表1 所示。

表1 重量重心計(jì)算子VI 參數(shù)定義

由于Matlab 內(nèi)置了包括線性代數(shù)、數(shù)字濾波、概率與統(tǒng)計(jì)、微分方程、曲線擬合等600 多個(gè)數(shù)學(xué)分析與信號處理函數(shù)，具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析能力。因此，本系統(tǒng)將LabVIEW強(qiáng)大的儀器連接能力和Matlab 豐富的數(shù)學(xué)處理能力相結(jié)合，從而來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)重量重心的計(jì)算。采用的方法為：在LabVIEW 的后面板中選擇數(shù)學(xué)/腳本與公式/MathScript 節(jié)點(diǎn)，并在MathScript 中輸入編寫的重量重心計(jì)算程序，其中部分核心程序如下：

Do Until rs.EOF

i=i+1:j=1

For Each fld In flds

If Not IsNull(fld.Value)Then shuju(i,j)=Trim(fld.Value):

j=j+1

Next

rs.MoveNext

Loop

End With

rs.Close

inumber=i

Ln=ave(shuju(),1)/inumber

Ll=ave(shuju(),2)/inumber

Lr=ave(shuju(),3)/inumber

上述程序?yàn)橹亓恐匦挠?jì)算子VI 的內(nèi)部運(yùn)行程序，通過將LabVIEW 軟件和Matlab 軟件相結(jié)合，編寫出來的程序簡潔明了，可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)信號連接、數(shù)據(jù)計(jì)算、信號分析等多項(xiàng)功能。

4.3 主程序設(shè)計(jì)

主程序程序結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 主程序程序框圖

主程序主要采用狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先設(shè)計(jì)一個(gè)枚舉常量，分別賦值：初始化、測試操作和退出。程序運(yùn)行之后，首先進(jìn)入初始化，對界面的一些控件進(jìn)行各種原始操作。如界面上顯示的飛機(jī)重量數(shù)據(jù)，在稱重之前，需要設(shè)置為0.類似這些操作都可以放在初始化中進(jìn)行。初始化完成之后，軟件自動跳入測試操作幀，在測試操作中，使用了事件結(jié)構(gòu)，當(dāng)用戶沒有在界面進(jìn)行操作時(shí)，事件結(jié)構(gòu)進(jìn)入到超時(shí)循環(huán)，此時(shí)通過調(diào)用設(shè)計(jì)的重量重心計(jì)算子VI，對三只傳感器采集的重量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，以得出飛機(jī)的總重量和總重心數(shù)據(jù)，并顯示在主界面相應(yīng)的控件上。當(dāng)用戶點(diǎn)擊主界面上的任意按鈕時(shí)，超時(shí)循環(huán)停止執(zhí)行，程序自動跳入對應(yīng)的事件結(jié)構(gòu)幀，響應(yīng)用戶的操作。

5 測量系統(tǒng)的應(yīng)用狀況

系統(tǒng)主界面如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)主界面

主界面的左側(cè)為用戶可以操作的一些控件，共包括清零、停止采集、保存數(shù)據(jù)、打印數(shù)據(jù)和退出程序5 個(gè)按鍵。其中清零是對系統(tǒng)重量和重心顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行回零操作；停止采集可以控制采集卡停止采集數(shù)據(jù)；保存數(shù)據(jù)能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)保存到TDMS 文件中，以方便客戶隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的回放與分析；打印數(shù)據(jù)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行打印；退出程序讓整個(gè)系統(tǒng)停止工作并退出程序。在中間的上半部分，系統(tǒng)將采集的前輪、左輪和右輪數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并在計(jì)算后給出飛機(jī)的總重心和總重量顯示在主界面的右下方。在中間的下半部分顯示每次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)；在主界面的右方顯示試驗(yàn)編號、試驗(yàn)人員、飛機(jī)型號等重要的試驗(yàn)信息，該信息被捆綁成簇后通過全局變量傳遞給TDMS 文件保存處，從而將重要的試驗(yàn)信息和試驗(yàn)數(shù)據(jù)捆綁在一起，如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)保存的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

為解決傳統(tǒng)的模擬式飛機(jī)重量重心測量儀表精度低、效率差、結(jié)果易受操作人員影響等不足，開發(fā)出了一套先進(jìn)的重量重心測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下一些特點(diǎn)：①系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性良好、測量精度高、功能易擴(kuò)展；②系統(tǒng)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效管理，將采集的所有數(shù)據(jù)都保存在TDMS文件中，便于客戶隨時(shí)查看、回放與分析；③系統(tǒng)具有很好的移植性，可以用于其他廠家的飛機(jī)重量重心測試現(xiàn)場。