飛機磁羅盤系統實物仿真平臺的設計

周督異 朱毅誠 白鍇迪 張 迪

(中國民航大學,天津300000)

1 概述

由于機體結構和電子電氣設備的原因，飛機存在附加磁場即飛機磁場，飛機磁羅盤系統測量的磁航向存在的誤差即為羅差。為滿足適航要求，飛機磁羅盤需要定期進行校驗和調節。由于磁羅盤中包含的可旋轉的零散部件較多，同時也存在著較大的機械誤差，因此在實際的飛機磁羅盤校驗、檢測與維修工作中，會出現磁羅盤使用率過高、重復操作性變差等問題，從而導致航材件受到不同程度的損傷。

本項目設計了一個與真實系統航材件基本組成、功能、外形、接口信號一致的飛機磁羅盤系統實物仿真平臺。能夠實現飛機備用羅盤半圓羅差、圓周羅差和象限羅差的消除操作。從而能夠減小機體結構和電子電氣設備以及羅盤自身旋轉所帶來的機械誤差，并在很大程度上解決重復操作性差以及使用率過大所造成的部件損壞失效等問題。

2 總體設計

實物仿真平臺的設計主要分為以下幾個部分：用于測量磁羅盤誤差的校驗儀、飛機備用磁羅盤仿真實物、轉臺以及飛機模型。其中，飛機模型用于模擬實際飛行過程中，飛機上的航空材料以及其零部件所形成的磁干擾環境，同時模型本身大小適中，便于安裝和拆卸，可以放置備用磁羅盤和羅盤誤差校驗儀。模型下方安裝了可由計算機進行控制的轉臺，通過編寫程序語言，即可實現對轉臺的數字化智能控制，從而能夠真實地還原飛機偏航動作的全過程。同時，飛機備用磁羅盤中的高精度磁傳感器能夠敏銳的捕捉到這些動作，同時能對硬鐵磁場和軟鐵磁場所產生的干擾進行補正，再經過主控制器模塊通過已經編寫完畢的最小二乘法橢圓擬合對羅差進行修正，輸出到顯示屏上。同時為了模擬真實的飛機磁場環境，還要將磁羅盤誤差校驗儀放置在模型上對所得出的數進行校驗。

3 硬件設計

3.1 平臺的搭建

為適配飛機備用磁羅盤及誤差校驗儀，需首先精確其尺寸大小，從而設計一個比例尺合適、同時造型美觀的簡易飛機模型。本項目設計的飛機模型利用DY28-01A型線棒鋁型材（直徑28.0 mm、厚度1.7 mm）、T型槽線棒鋁型材及多種連接件所搭建而成，可保證在試驗中所用材料本身不會對備用磁羅盤和誤差校驗儀造成磁干擾而影響實驗數據的準確性。

備用磁羅盤放置在飛機模型前端可供安裝的位置，誤差校驗儀放置在飛機模型后部可供固定安裝和隨時拆卸的位置，并保證飛機模型在轉動過程中能夠維持整體穩定性。

模型下方安有轉臺，轉臺以步進電機為核心進行設計。由于步進電機只有周期性的誤差而沒有累積誤差，可以依靠氣隙磁導的變化來產生電磁轉矩，將電脈沖信號轉變為角位移或線位移。在非超載的情況下，電機的轉動速度和停止位置只取決于電脈沖信號的頻率和脈沖數，不受負載變化的影響。并且能夠進行開環位置控制，即輸入一個脈沖信號就可以得到一個規定的位置增量，而這樣的所謂增量位置控制系統與傳統的直流控制系統相比,其成本明顯有所降低，且幾乎不必再進行系統性調整，即可實現線性轉化。在試驗中，對電機施加一個脈沖信號，電機則會帶動整體模型轉過一個步距角，從而良好地實現了對飛機模型的轉動速度、轉動角度和停止位置的數字化智能控制，為進一步的備用磁羅盤的航向測量與羅盤誤差校驗儀的檢驗校正工作奠定了基礎。

圖1

3.2 校驗儀的設計

本項目設計的校驗儀有兩種工作模式：第一種工作模式與機械式羅差方位儀的樣式和操作方法一致；第二種工作模式與機載慣性導航系統顯示界面和控制面板的基本樣式和操作方法一致。

校驗儀內部處理器模塊中的ARM開發板通過接收儀器外部羅盤轉動旋鈕、觀察窗轉動旋鈕、磁航向游標轉動旋鈕以及觀察窗鎖定按鍵所發出的控制電信號，將其解析編碼并生成USB串行通信數據信號，傳輸至儀器內部的樹莓派模塊。樹莓派模塊能夠控制儀器外側的電子顯示器羅盤、觀察窗、磁航向游標圖形的轉動以及觀察窗與羅盤之間的鎖定。通過接收、解析和計算磁傳感器傳輸的數字電信號，可以得出當前模型所處實驗環境下的磁北信息，從而使電子顯示器第一種工作模式下（羅差方位儀）的菱形磁北指針發生轉動并指向當前環境下的準確磁北方向，同時以此作為校驗儀第二種工作模式下（慣導系統）的磁北方向信息；通過接收、解析和計算水平角度傳感器輸出的數字電信號，可得出相對于0?位置的順時針轉動的角度；通過接收水平角度傳感器定向按鍵輸出的控制信號，將磁傳感器傳輸的當前磁北信息作為水平角度傳感器的0?位置；接收復位開關的控制信號，可以實現ARM開發板程序的初始化。

3.3 電子式磁傳感器的設計

飛機備用磁羅盤仿真實物的主體分為傳感器模塊，數字調理模塊，主控制器模塊和顯示模塊四個部分，其中傳感器模塊采用了邁克傳感旗下的SCM225高精度傳感器長寬高參數分別為L33 x W27 x H8(mm)，啟動延遲50ms以內，其具有精度高、抗干擾能力強等優點，能夠實現航向精度1.0 o，分辨率0.1o，傾斜范圍±5.0o的試驗要求，同時能進行硬鐵校準和軟鐵校準，可以及時的對于模擬出的磁環境所造成的外界誤差做簡單的校正，對外界磁場產生的干擾進行二維校準。傳感器模塊輸出信號進入數字調理模塊后，在主控制器模塊進行數字濾波、誤差補償以及航線角計算。誤差補償采用了橢圓擬合算法。采用橢圓擬合算法是因為電子磁羅盤在工作時很容易受到軟鐵磁力的影響，故磁場的形狀會近似一個橢圓，所謂橢圓擬合就是指當橢圓輪廓上的點數大于最小測量點數5時，近似通過所得到的橢圓來對磁場的形狀大小進行估算。主控制器內部會將得到的數據通過最小二乘法確定測量值與真實值之間的誤差系數，對此進行補正。這種方法對于程序編譯以及改動的要求較低，對于硬件的要求較高。補正后的數據會儲存在主控制器模塊中的儲存器內，并結合硬件的操作輸出在顯示屏上。

3.3.1 磁羅盤的設計

本項目所涉及的磁羅盤以真實的飛機備用羅盤系統理論基礎為依托，將構建完成的備用磁羅盤固定安裝在飛機模型上，通過控制帶有角度尺的轉盤轉動來模擬飛機的偏航狀態，從而實現對飛機磁航向的測量功能，同時模擬磁羅盤產生的不同羅差的變化規律，進而通過誤差校驗儀實現飛機備用磁羅盤的校驗工作。

本項目所設計的飛機備用磁羅盤通過高精度電子磁傳感器和單片機所構建。

飛機備用磁羅盤具體結構如下圖：

圖2

3.3.2 單片機的構成

項目中所使用的單片機是一種高集成性的電路芯片系統，體積小，并且能兼容多種外部硬件設備，利用其中的中央處理器以及集成儲存器來實現對數據的接收、處理、輸出。

3.4 單片機內部軟件設計

系統采用Keil So ftw are公司出品的單片機C語言軟件。開發系統KeilC51-uVision2開發平臺進行編程。單片機的主要功能是對外部的硬件進行主動的識別和控制，對上文所提到的磁傳感器所傳出的信號進行采集和處理，并且依據采集的信號進行航向角的計算、誤差的補償與校正，同時還能兼顧對磁傳感器得到的數據的輸出，以及對磁羅盤開關，輸出數據格式的控制。在設計時，軟件能同時做到對數據的采集、響應、處理、輸出，以及對外部硬件的人機交互操作做出響應，也能實現對磁羅盤的開關、對輸出數據的簡單存儲以及對電子轉臺在計算機控制下轉過的微小角度的記錄。

圖3

4 儀器使用

在地面上選擇水平位置作為測量點，將以步進電機為核心制作的水平轉臺放置于該測量點；將鋁制飛行器結構水平放置于轉臺中心位置，并將組裝、調試完備的校驗儀與飛機備用磁羅盤水平固定在飛機縱軸位置；通過計算機對轉臺進行轉動控制，觀察磁羅盤角度變化與轉臺角度變化之差，通過調節誤差校驗儀，使角度之差逐漸趨向于0?。

5 結論

在針對飛機磁羅盤的研究和校正工作中有諸多限制和不足的背景下，本文中所設計的飛機磁羅盤系統實物仿真平臺，體積適中、方便拆裝、操作簡易、便于維護，基本上解決了機械式磁羅盤不易拆卸、維護困難等問題，通過試驗表明：該設備能夠模擬出飛機磁羅盤受磁場的影響，實現航向的測量與校正，能夠計算并消除羅差，可以良好地應用到實踐教學研究當中。