基于激光跟蹤儀的民用飛機風標式攻角傳感器零位誤差測量數據分析

馬明 李啟明 丁玲

【摘 要】攻角傳感器的準確性、可靠性直接關系到飛行安全。本文分析比較了兩種數據分析方法對風標式攻角傳感器零位誤差測量的誤差敏感性。線與線夾角方法比面與面夾角方法對隨機測量誤差的敏感性更小。在隨機誤差區間值相同時，線與線夾角方法能減小測量結果誤差22%。使用線與線夾角方法分析了民用飛機攻角傳感器實際測量數據，得到攻角傳感器零位誤差。方法可行性得到驗證。

【關鍵詞】風標；攻角傳感器；零位誤差；激光跟蹤儀

中圖分類號： TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）18-0024-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.010

【Abstract】The accuracy and reliability of angle-of-attack sensor are directly related to flight safety. In this paper， the error sensitivity of two data analysis methods measuring the zero error of wind-vane angle-of-attack sensor is compared. The angle-between-two-lines method is less sensitive to random measurement errors than the angle-between-two-faces method.When random error interval values are the same， the angle-between-two-lines method reduces measuring error by 22%.The actual measurement data of the angle-of-attack angle sensor of commercial airplane is analyzed by the superior method. The zero error is obtained. The feasibility of the method is verified.

【Key words】Wind vane；Angle-of-attack sensor；Zero error；Laser tracker

0 引言

攻角傳感器是民用飛機大氣數據傳感器的重要組成部分[1]。攻角數據的準確性、可靠性直接關系到飛行安全[2]。風標式攻角傳感器在民用飛機中得到廣泛應用[3]。通常，風標式攻角傳感器包括風標、轉軸、角度變換器等部分。風標上下表面對稱。當攻角為零時，風標上下表面受到相同大小空氣動力，風標靜止。此時風標位于零位。當攻角不為零時，風標上下表面產生壓差，風標發生偏轉。角度變換器將風標繞轉軸轉動的角度信號變換成電信號。電信號通過飛機大氣數據系統計算分析后得到飛機攻角。

攻角傳感器零位誤差是指攻角傳感器位于零位時，攻角信號指示的攻角。攻角傳感器零位誤差由攻角傳感器安裝誤差、攻角傳感器自身誤差、大氣數據傳感器計算分析誤差等疊加而成。

失速較準試飛科目要求對攻角傳感器的零位誤差進行檢測。直接的測量方法是將攻角傳感器置于零位后，測量攻角信號。然而，攻角傳感器裝機后，由于受到工裝安裝定位精度限制，在特定時間段內，攻角傳感器的精確零位不容易確定。如果不將攻角傳感器置于零位，難以直接測量其零位誤差。一種可行的解決方案是使用激光跟蹤儀建立全機坐標系，隨后對攻角傳感器風標進行測量，從而確定零位。

激光跟蹤儀常用于飛機外形上待測點的高精度測量[4]。測量原理為：利用球坐標系下待測點距離原點的距離、水平角度、垂直角度來確定直角坐標系下待測點坐標。其中距離可利用激光干涉儀測得，水平角和垂直角由角度編碼器得到[5]。

本文分析比較了兩種數據分析方法對隨機誤差的敏感性。發現線與線夾角方法能減小數據分析過程中對隨機誤差的傳播和放大。運用線與線夾角方法分析了民用飛機攻角傳感器零位誤差測量數據，證實方法可行。

1 測量原理

由于工程中直接將攻角傳感器置于零位存在困難，利用角度變換器線性工作原理，通過測量不同實際偏轉角度下攻角傳感器的攻角信號角度，擬合攻角信號角度相對于實際偏轉角度的變化曲線，得到攻角傳感器實際偏轉角度為零時，攻角信號角度，如圖1所示。攻角傳感器實際偏轉角度通過激光跟蹤儀測量風標下表面得到。

2 測量方法

2.1 激光跟蹤儀建立全機坐標系

頂升、調平飛機。對飛機上基準點進行測量。利用基準點的相對位置關系，建立全機坐標系。此時基準點實測高度差與理論值誤差在±0.5mm以內。由此確定飛機構造水平面。根據飛機后機身下零縱點及左右機翼基準點中點連線在構造水平面上投影確定X軸方向。高度由左右機翼基準點兩點連線中點的理論高度確定。由此得到全機坐標系。

2.2 風標式攻角傳感器測量

a）測量風標式攻角傳感器底座上的四個定位點A1、A2、A3、A4。

b）利用工裝將攻角傳感器依次初步偏轉-8°、0°、8°附近。測量風標下表面上五點D1、D2、D3、D4、D5如圖2所示。

c）記錄此時攻角信號角度。記錄所使用激光跟蹤儀球頭半徑rLT。

3 數據分析方法

3.1 理論外形特征提取

數據分析過程中需要使用攻角傳感器理論外形特征，包括風標上、下表面交線到風標轉軸距離lPaPb，以及風標上、下表面夾角αMbMc。風標上下表面是對稱的。

3.2 面與面夾角方法

面與面夾角數據分析方法按照下列步驟，如圖5所示。

a）連接攻角傳感器水平方向上定位孔測量點P1、P2，得到線段L1。

b）連接攻角傳感器垂直方向上定位孔測量點P3、P4，得到線段L2。

c）過L1作平行于L1、L2的平面M1，得到與攻角傳感器底座平行的平面M1。

d）取L1中點P5，即轉軸與平面M1交點。

e）在平面M1上，以P5為圓心，以lPaPb為半徑作靠近后機身方向的半圓弧C1。

f）以攻角傳感器葉片下表面實際測量的五點作平面M2。

g）平行于平面M2，在M2上方距離M2平面rLT（激光跟蹤儀球頭半徑）作平面M3。

h）沿M1方向拉伸C1得到曲面S1。

i）M3與S1相交于L4。

j）以L3為轉軸，向上偏轉M3角度α，得到M4。

k）過P5作平面M1的垂線L3。

l）過L1、L3作平面M5。

m）測量M4與M5夾角，得到攻角傳感器實際偏轉角度。

3.3 線與線夾角方法

按照以下步驟確定實際偏轉角度，如圖6所示。

a）連接攻角傳感器水平方向上定位孔測量點P1、P2，得到線段L1。

b）連接攻角傳感器垂直方向上定位孔測量點P3、P4，得到線段L2。

c）過L1作平行于L1、L2的平面M1，得到與攻角傳感器底座平行的平面M1。

d）取L1中點P5，即轉軸與平面M1交點。

e）在平面M1上，以P5為圓心，以lPaPb為半徑作靠近后機身方向的半圓弧C1。

f）以攻角傳感器葉片下表面實際測量的五點作平面M2。

g）平行于平面M2，在M2上方距離M2平面rLT作平面M3。

h）平面M3與圓弧C1相交于P6點。

i）連接P5、P6點得到線段L3。

j）測量L1與L3 夾角，得到攻角傳感器實際偏轉角度。

4 誤差敏感性分析

為了選取對隨機測量誤差敏感性小的數據分析方法，利用風標理論外形，對兩種方法進行誤差敏感性分析。風標位于理論零位時，在攻角傳感器定位孔測量點以及下表面5點的理論值上增加不同區間大小的隨機誤差，比較兩種方法的角度偏差，如表1所示。

兩種方法對隨機誤差敏感性如圖7所示。在同樣隨機誤差區間下，線與線夾角方法比面與面夾角方法誤差結果小22%。

5 運用實例

使用線與線夾角方法分析民用飛機攻角傳感器實測數據。當實際偏轉角度為零時，攻角信號角度偏差小于0.01°，滿足工程使用要求。

6 結論

a）線與線夾角方法比面與面夾角方法對隨機誤差的敏感性更小。

b）在隨機誤差區間值相同時，線與線夾角方法能減小測量結果誤差22%。

c）使用線與線夾角方法分析民用飛機攻角傳感器實際測量數據，得到攻角傳感器零位誤差，驗證方法可行。

需要指出的是，在數據分析過程中，測量誤差會存在傳播和放大。為了進一步減小測量誤差對測量結果的影響，可拆卸式精確定位工裝的設計具有工程實用價值。

【參考文獻】

[1]陳功，李秋捷.民用飛機迎角傳感器及靜壓探測器布局驗證方法[J].民用飛機設計與研究，2016（2）：75-81.

[2]趙克良，周峰，張淼.民用飛機攻角傳感器安裝定位研究[J].空氣動力學學.2015（33）：421-426.

[3]居后鴻，曾慶化，陸辰，萬駿煒.攻角傳感器的應用與分析[J].航空計算技術.2013（143）：118-121.

[4]王鉦云.基于激光跟蹤儀的飛機方向舵零位測量實踐，科技視界[J]，2017（4）：311.

[5]喻世臣，康曉峰，翟南，李鋒.基于激光跟蹤儀、iGPS的飛機水平測量技術研究[J].數字化裝配檢測技術.2015（21）：119-121.