機(jī)載托架自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任會(huì)麗/凌云科技集團(tuán)有限責(zé)任公司

0 引言

飛機(jī)裝配時(shí)，慣導(dǎo)托架、左右速率陀螺成品托架等的水平和軸線校準(zhǔn)都要求有很高的精度。目前的校準(zhǔn)是通過(guò)測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡（CZW）、校準(zhǔn)靶板或光學(xué)象限儀來(lái)測(cè)試托架的傾斜度，從而判斷哪些支撐點(diǎn)需要抬高而添加墊片，但該方法無(wú)法測(cè)算出各個(gè)支撐點(diǎn)應(yīng)抬升的具體高度。另外，由于機(jī)載托架在水平和軸線方向具有很強(qiáng)的耦合性，調(diào)整任一方向都會(huì)影響另一個(gè)方向的調(diào)平精度[1]，工作者需要反復(fù)添加墊片、測(cè)試數(shù)據(jù)，直到托架在水平和軸線方向的傾斜誤差都達(dá)到某個(gè)范圍內(nèi)為止。這種校準(zhǔn)方法不僅精度較低且耗時(shí)、費(fèi)力，為了解決這些問(wèn)題，有必要設(shè)計(jì)一種高精度、高效率并且操作簡(jiǎn)單的成品托架水平和軸線校準(zhǔn)系統(tǒng)。

機(jī)載托架都是剛性的四點(diǎn)支撐平臺(tái)托架[1-3]，為了使機(jī)載托架各支撐點(diǎn)在調(diào)平過(guò)程中只做單向運(yùn)動(dòng)，本文運(yùn)用調(diào)平精度較高的“循環(huán)多次”最高點(diǎn)不動(dòng)調(diào)平方法[4]，建立高精度機(jī)載托架校準(zhǔn)的靜力學(xué)數(shù)學(xué)模型。為了方便工作者的操作和使用，在建立高精度機(jī)載托架校準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型后，運(yùn)用VC 與Matlab 的COM 接口混合編程技術(shù)[5]開(kāi)發(fā)機(jī)載托架自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，包括各個(gè)機(jī)載托架校準(zhǔn)模塊和可視化人機(jī)交互界面的開(kāi)發(fā)，并對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型的可行性和穩(wěn)定性進(jìn)行機(jī)上驗(yàn)證。工作者只需要在該系統(tǒng)的主界面輸入利用工裝夾具測(cè)試的數(shù)據(jù)，就可直接得到相應(yīng)機(jī)載托架的校準(zhǔn)信息，包括各個(gè)支撐點(diǎn)精確的抬升高度和托架平臺(tái)在各個(gè)方向的實(shí)時(shí)傾斜度。

1 機(jī)載托架自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)載托架平臺(tái)靜力學(xué)建模

對(duì)機(jī)載托架平臺(tái)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，尋找平臺(tái)傾斜角與四個(gè)支撐點(diǎn)之間的定量關(guān)系。如圖1 所示，假設(shè)OX0Y0為水平坐標(biāo)系，OXY 為平臺(tái)所在的坐標(biāo)系，平臺(tái)相對(duì)于水平面的橫傾斜角（沿X 軸方向）和縱傾斜角（沿Y 軸方向）分別為α、β。由于機(jī)載托架平臺(tái)各支撐點(diǎn)在OXY 坐標(biāo)系中的坐標(biāo)是已知的，假定為（i，j，k），只要建立兩個(gè)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換矩陣，就可以很方便地求出各支撐點(diǎn)在水平坐標(biāo)系OX0Y0上的坐標(biāo)。

若α≠0、β=0，平臺(tái)坐標(biāo)（i，j，k）變換到水平坐標(biāo)系OX0Y0上的坐標(biāo)為（i′，j′，k′），則根據(jù)坐標(biāo)變換，可以得到

若α不變、β≠0，平臺(tái)坐標(biāo)（i，j，k）變換到水平坐標(biāo)系OX0Y0上的坐標(biāo)為（i0，j0，k0），則根據(jù)坐標(biāo)變換，可以得到

這樣，由α、β變換之后，初始的平臺(tái)坐標(biāo)變換成水平坐標(biāo)系OX0Y0上的坐標(biāo)（i0，j0，k0），將式（1）帶入式（2）得到

圖1 托架平臺(tái)傾斜示意圖

實(shí)際測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，橫向和縱向傾斜角度都在100′以下，式（3）中，可以認(rèn)為在平臺(tái)校準(zhǔn)過(guò)程中發(fā)生了微小的角度變化，則cosα=cosβ=1，sinα=α，sinβ=β。于是

同時(shí)，托架平臺(tái)在水平坐標(biāo)系OX0Y0上的坐標(biāo)（i0，j0，k0）變?yōu)?/p>

1.2 “循環(huán)多次”最高點(diǎn)不動(dòng)調(diào)平方法

平臺(tái)調(diào)平的核心問(wèn)題是如何使得四個(gè)支撐點(diǎn)處于同一高度。傳統(tǒng)最高點(diǎn)不動(dòng)調(diào)平法能精準(zhǔn)解算出各個(gè)支撐點(diǎn)距最高點(diǎn)的位置誤差，理論上運(yùn)用該算法，對(duì)機(jī)載托架平臺(tái)各個(gè)支撐點(diǎn)添加一次墊片就可以使其達(dá)到水平。但實(shí)際上，由于機(jī)載托架平臺(tái)橫向和縱向具有很強(qiáng)的耦合性，加之?dāng)?shù)據(jù)測(cè)試時(shí)存在誤差等因素，且機(jī)載成品托架每個(gè)支撐螺釘?shù)膲|片厚度S 為一定值，屬于離散量（S 分別為0.2mm、0.3mm、0.5mm、0.8mm、1mm、1.5mm、2mm、3mm），運(yùn)用傳統(tǒng)最高點(diǎn)不動(dòng)調(diào)平法對(duì)機(jī)載托架進(jìn)行調(diào)平時(shí)很難一次完成，需要反復(fù)調(diào)整才能達(dá)到最終的水平狀態(tài)。因此，本文運(yùn)用“循環(huán)多次”最高點(diǎn)不動(dòng)調(diào)平方法[4]，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2 所示。

為了保證測(cè)試的精準(zhǔn)性，在對(duì)機(jī)載慣導(dǎo)托架進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，不選用受環(huán)境變化影響較大的傳感器來(lái)測(cè)試傾角值，而是選用傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法所用的可靠性良好的測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡（CZW）、光學(xué)象限儀和校準(zhǔn)靶板來(lái)測(cè)試托架平臺(tái)的傾斜數(shù)據(jù)。為了獲得平臺(tái)的傾斜角度，在調(diào)平運(yùn)算之前先對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如果橫向或縱向傾斜角度的絕對(duì)值大于100′，則終止對(duì)慣導(dǎo)托架的調(diào)平，重新拆裝。當(dāng)橫向和縱向傾斜角度絕對(duì)值都小于100′時(shí)，才對(duì)慣導(dǎo)托架進(jìn)行調(diào)平校準(zhǔn)。首先，判斷橫向和縱向的傾斜角度是否在慣導(dǎo)平臺(tái)傾斜角誤差δ=3′范圍內(nèi)，由圖1 可知，只有|α|＜δ且|β|＜δ時(shí)慣導(dǎo)托架平臺(tái)才能達(dá)到水平狀態(tài)，否則應(yīng)利用傾斜角度信息確定平臺(tái)的最高點(diǎn)，且該點(diǎn)在調(diào)平過(guò)程中應(yīng)保持不動(dòng)，再利用最高點(diǎn)不動(dòng)調(diào)平法解算出其他三個(gè)支撐點(diǎn)需要抬升的精確高度，添加相應(yīng)厚度的墊片，然后，重新測(cè)試數(shù)據(jù)并判斷平臺(tái)的傾斜角度，如果不水平則再次進(jìn)行調(diào)平，如此形成循環(huán)多次的調(diào)平方式，直到托架平臺(tái)在橫向和縱向的傾斜角度都達(dá)到在傾斜角誤差δ=3′范圍內(nèi)為止。

圖2 “循環(huán)多次”最高點(diǎn)不動(dòng)調(diào)平方法流程圖

1.3 運(yùn)用VC 與Matlab 的COM 接口混合編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

需要在Windows 平臺(tái)上完成機(jī)載托架自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，且該系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)時(shí)處理大量矩陣的能力。

采用一般的高級(jí)語(yǔ)言（如VC++）開(kāi)發(fā)測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將花費(fèi)大量時(shí)間處理矩陣運(yùn)算，增加了軟件開(kāi)發(fā)的勞動(dòng)量，大大延長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)周期，可能影響程序的執(zhí)行效率與運(yùn)行速度。

Matlab 有較強(qiáng)的處理矩陣運(yùn)算的能力，但其只是一種解釋性語(yǔ)言，執(zhí)行效率低，且局限于Matlab 運(yùn)行環(huán)境，也不利于軟件開(kāi)發(fā)。

機(jī)載托架自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)不僅需要處理復(fù)雜的機(jī)載托架校準(zhǔn)算法，還需要建立應(yīng)用程序界面，因此很難采用VC++或Matlab 任何一個(gè)軟件獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。因此，決定采用基于COM 接口的VC 與Matlab 混合編程技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)機(jī)載托架自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。COM 是一種通用的對(duì)象接口，是以組件為發(fā)布單元的對(duì)象模型，遵循這種接口標(biāo)準(zhǔn)要求的任何語(yǔ)言都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)它的跨應(yīng)用平臺(tái)調(diào)用。VC++6.0 環(huán)境下的MFC 技術(shù)是對(duì)龐大的標(biāo)準(zhǔn)Win32 API 函數(shù)的封裝[5]，提供了圖形環(huán)境下應(yīng)用程序的框架及創(chuàng)建應(yīng)用程序的組件。通過(guò)采用VC++來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的界面、采用Matlab 來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的功能，就可以充分發(fā)揮他們各自的優(yōu)勢(shì)，縮短軟件開(kāi)發(fā)周期，降低軟件開(kāi)發(fā)難度和復(fù)雜度，提高軟件開(kāi)發(fā)效率。

運(yùn)用VC 與Matlab 的COM 接口混合編程技術(shù)[6]開(kāi)發(fā)軟件的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

1）按照設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)原則，在Matlab 編輯器里編輯處理平臺(tái)調(diào)平算法的程序，m文件必為函數(shù)文件，而非腳本文件。

2）利用Matlab 的comtool 工具創(chuàng)建COM 文件。

3）將封裝COM 形成的相關(guān)文件拷貝至平臺(tái)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)工程目錄下，并添加至工程中。

4）編制COM 接口程序，使Matlab與VC++之間可無(wú)縫傳遞數(shù)據(jù)。

5）在VC++6.0 環(huán) 境 下 用MFC 技術(shù)設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，并調(diào)用相關(guān)函數(shù)，完成其他相關(guān)功能。

混合編程具體過(guò)程見(jiàn)圖3。

1.4 機(jī)載托架自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)載托架自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件要求能夠方便地進(jìn)行系統(tǒng)程序的開(kāi)發(fā)、測(cè)試、運(yùn)行和維護(hù)，并能很好地進(jìn)行系統(tǒng)管理，具有友好的人機(jī)模塊，操作簡(jiǎn)單、信息齊全。機(jī)載托架自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)如圖4 所示，系統(tǒng)可分為COM組件（Component 工程文件）和用戶界面（WND 工程文件）兩大部分。托架傾斜角度解算、慣導(dǎo)托架校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型解算、左速率陀螺成品托架校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型解算、右速率陀螺成品托架校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型解算、加速度計(jì)成品托架校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型解算等數(shù)據(jù)的處理都封裝在COM組件中，用戶界面主要負(fù)責(zé)機(jī)載托架傾斜信息的輸入和解算結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示，用戶界面和COM 組件之間的數(shù)據(jù)交互主要是通過(guò)MFC中的文檔視圖來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 混合編程實(shí)現(xiàn)過(guò)程

圖4 機(jī)載托架自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)試儀的軟件結(jié)構(gòu)

機(jī)載托架自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的界面如圖5 所示。只需在系統(tǒng)主界面上輸入測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡（CZW）和光學(xué)象限儀測(cè)試的橫滾、方位、俯仰方向的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊需要校準(zhǔn)托架的“按鈕”，就能直接得到所校準(zhǔn)托架各個(gè)支撐螺釘需要添加墊片的精準(zhǔn)高度和托架平臺(tái)各方向的安裝誤差。首先，判斷各個(gè)方向的安裝誤差是否在校準(zhǔn)精度0.87mrad（即3’）范圍內(nèi)，如果橫滾、方位、俯仰三個(gè)方向的數(shù)據(jù)分別在誤差范圍內(nèi)，則記錄校準(zhǔn)精度，結(jié)束校準(zhǔn)過(guò)程；如果校準(zhǔn)精度不在誤差范圍內(nèi)，則按界面顯示的各支撐點(diǎn)需要增高的數(shù)據(jù)，取相近的墊片為各個(gè)支撐點(diǎn)添加墊片，然后再用CZW 和光學(xué)象限儀測(cè)試橫滾、方位、俯仰方向的數(shù)據(jù)并輸入到界面，再次點(diǎn)擊需要校準(zhǔn)托架的“按鈕”，判斷各個(gè)方向的安裝誤差是否在誤差范圍內(nèi)，如此循環(huán)直到將機(jī)載托架平臺(tái)調(diào)平（各個(gè)方向在誤差范圍內(nèi)）為止。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

選擇兩架同型號(hào)、同批次的飛機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象，利用傳統(tǒng)的機(jī)載托架校準(zhǔn)方法對(duì)一架飛機(jī)的慣導(dǎo)托架進(jìn)行調(diào)平校準(zhǔn)，采用新設(shè)計(jì)的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)另一架飛機(jī)的慣導(dǎo)托架進(jìn)行校準(zhǔn)，直到托架平臺(tái)各方向的安裝誤差都在校準(zhǔn)精度0.87mrad（即3’）范圍內(nèi)為止，記錄各個(gè)方向的安裝誤差和拆卸托架添加墊片的次數(shù)，對(duì)兩個(gè)慣導(dǎo)托架平臺(tái)進(jìn)行上述50 組試驗(yàn)，隨機(jī)抽取部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)，具體信息如表1 所示。

由表1 可知，傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法的校準(zhǔn)精度較自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)低，且添加墊片的次數(shù)比自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)多。本文提出的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)不僅提高了機(jī)載托架平臺(tái)調(diào)平的精度，也大大提高了調(diào)平效率。

3 結(jié)論

運(yùn)用“循環(huán)多次”最高點(diǎn)不動(dòng)調(diào)平方法建立機(jī)載托架靜力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用VC 與Matlab 的COM 接口混合編程技術(shù)編制了高精度、穩(wěn)定性較好的系統(tǒng)程序，并設(shè)計(jì)了信息齊全、操作簡(jiǎn)單的人機(jī)交互界面。由試驗(yàn)結(jié)果可知，本文所設(shè)計(jì)的機(jī)載托架自動(dòng)校準(zhǔn)方法無(wú)論是在調(diào)平精度還是調(diào)平效率方面都有很大的提高，更適合于飛機(jī)裝配時(shí)對(duì)機(jī)載托架的校準(zhǔn)。

圖5 自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)界面

表1 隨機(jī)抽取部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比信息