飛機制造中基于無線傳感器的機輪轉速模擬檢測

康 達，張 卓

（南京航空航天大學經濟與管理學院，江蘇南京 211106）

無線傳感器網絡是一項潛力巨大和影響力頗深的關鍵技術。它包括無線通信技術、傳感器技術、微機電系統技術以及分布式信息處理等技術，無線傳感器將邏輯上的信息世界和客觀主義上的物理世界相融合，可以改變傳統飛機機輪轉速檢測的方式，在飛機制造業領域具有較高的應用價值[1]。無線傳感器具備較好的容錯性，具有檢測精度高、診斷便捷、維護方便等優勢，并且成本較低，適合大規模的發展[2-3]。無線網絡的重要任務是精確得到物理世界中具有價值性的信息[4]。無線傳感器利用節點的時間信息和位置信息，完成傳感器之間的協調控制，確保整個檢測過程的準確性與高效性[5]。但是，無線傳感器也面臨著計算數據量大、節點定位難度高和數據融合效果難以保持等問題。在飛機投入運行前，一定要全方位測試飛機的剎車性能，進而判斷飛機的安全性能是否達標。在地面測試實驗中，傳統基于速度模糊控制器的機輪轉速檢測方法，需借助模擬剎車系統為飛機機輪轉速信號的檢測提供數據信息，然而難度很大，機輪的轉速模擬檢測精度并不高，基于此，文中提出飛機制造中基于無線傳感器的機輪轉速模擬檢測方法。

1 無線傳感器模塊組成

無線傳感器的模塊組成包括物理層、數據融合層、網絡層[6]。無線傳感器模塊的具體結構如圖1所示。

圖1 無線傳感器模塊結構

1）物理層

物理層作為整個分層式結構模型的最底層，其工作職能是對數據進行調整、接收與發送，物理層的研究與設計直接影響到電路的復雜程度以及能耗量[7-9]。大致內容包括頻率的選取、載波的生成以及信號的探測，還有對復雜數據的加密以及調制解調等內容；物理層的功能包括數據幀的傳輸與沖突；節點間的控制信息交互；在其余節點進行數據傳輸時將本身的通信模塊切換到休眠狀態；借助鄰近節點構成虛擬群的方法，達到同步轉換休眠模式的目的。物理層的每個節點均不需要局部或者全局的節點參與，并且可以實時得到各個節點的運行狀態，判斷出各個節點的時間通道是否被占用[10-11]。各個節點間的鏈路包括固定頻率、不固定的隨機間隙，在無線網絡被使用時，物理層需要競爭通道資源，利用隨機喚醒機制能夠有效降低系統的功耗[12-13]。

2）數據融合層

無線傳感器網絡具有資源、計算、存儲方面的資源局限性，為盡可能降低節點在傳輸信息資源的浪費，需要最大限度得到被檢測對象的狀態信息。在無線傳感器網絡的分層協議中，數據融合層能夠起到該作用。數據融合層的功能是對檢測信息進行模擬和擴充，是針對每一個傳感器所檢測到信息的優化處理[14-15]。數據融合的主要技術包括模式的識別、決策、信息信號處理、最優化處理等。典型的數據融合方法是加權平均法，這是一種最簡單、最直接的數據融合方法[16]。

3）網絡層

網絡層在數據鏈路層中作為提供鄰近節點的數據幀傳送介質，深層次控制無線傳感器中的數據信息，把相關的數據信息從源節點通過多個中間節點傳遞到最終節點，進而達到檢測數據信息傳送的目的。主要內容包括虛擬電路的分組交互、數據信息的交替變換、選擇信息的控制等[17-18]。

2 機輪轉速模擬檢測

2.1 機輪轉速模擬檢測原理

在機輪轉速的模擬檢測中，需要借助工控機、人機交互界面、板卡、繼電器單元、伺服驅動器、伺服電機、輪速傳感器與特別的連接設備，采用特別連接設備使轉速傳感器和輪速傳感器相連接，并采用同軸連接的方式連接伺服電機和轉速傳感器，借助檢測電機的轉速信號達到檢測輪速傳感器的目的。伺服電機的編碼器會將轉速信號向伺服驅動器反饋。機輪轉速檢測原理圖如圖2 所示[19-20]。

圖2 機輪轉速檢測原理圖

2.2 檢測模塊

1）人機交互模塊：借助觸摸屏和有關支持電路構成檢測模塊中的人機交互模塊，其在檢測中的作用是負責對整個檢測過程的參數進行設定與記錄、進行信息數據的處理、檢測狀態的監控，以及輸入輸出數據的檢測等。

2）信息檢測模塊：由電流檢測模塊以及編碼器接口組成信息檢測模塊。其作用是將機輪運行時的寶貴信息采集存儲起來，通過對伺服電機相電流的檢測，將測量到的電流信號經過濾波、幅度變換、零點偏移等處理后，轉化為電壓信號，再傳送到相應的通道上，完成機輪運行時的相關信息檢測。信息檢測模塊中編碼器負責接收伺服電動機傳輸的磁極位置與電動機轉向信號，將上述信息作為機輪轉動的位置信息參數。

3）伺服電動機模塊：工作時，控制器將獲得的有關信息數據參數進行初處理，之后將處理的信息數據發送到伺服電動機，伺服電動機接收到已設定參數并進行運轉，將機輪運轉時設定的負角加速度進行輸出，并確保電子碼盤可以檢測到伺服電動機的轉速與負角加速度，同時把信號傳遞給控制器，由控制器計算分析相關數據后和輸入參數進行對比，獲得機輪轉動檢測的數據差值。之后調整伺服電動機的相關參數，使伺服電動機的輸出負角加速度嚴格根據已設定的參數運行，進而可以對不同標準下的機輪轉速進行檢測。

2.3 機輪轉速模擬檢測原則

1）在機輪轉速系統的檢測中需要保證檢測系統能夠單獨驅動4 個轉速傳感器的旋轉，該步驟用于保證飛機輪速能夠被精確模擬。

2）在機輪轉速模擬測試過程中，保證檢測裝置可以對其他設備傳輸的飛機速度信號進行接收，依據飛機速度可以對轉速傳感器的轉速進行相關解算。

3）確保轉速的穩態控制精度大于0.50%。

4）轉速范圍控制在0～3 600 r/min。

5）響應時間原則上不超過0.2 s。

6）電動機轉速要求可以進行五級調節，對轉速需進行單輪調速、多輪同步調速以及異步調速等控制。

2.4 機輪轉速模擬測試流程

2.4.1 單輪控制轉速測試

1）首先運行并且登錄“機輪轉速模擬系統”。

2）在系統模擬程序中選取“單輪模擬”模式。

3）通過拖動滑桿讀取機輪轉動速度，并啟動測試設備。

4）檢測主界面與機輪轉動速度的精度是否達標。

5）點擊“停止”按鈕，結束此次檢測。

2.4.2 四輪控制轉速測試

1）首先運行并登錄“機輪轉速模擬系統”。

2）在系統模擬程序中選取“四輪模擬”模式。

3）在使用拖動儀表盤指針對測試速度進行設定的同時啟動測試設備。

4）對主界面下側的實際速度能否達到精度標準進行檢測。

5）結束檢測過程的運行。

3 機輪轉速檢測參數整定算法

由電機運動方程得到的機輪轉速參數的整定算法如下：該算法對于機輪轉速測量提高了基礎支持，使測量精度增大：

其中，ωt表示在t時刻的轉速；Te、TL表示機輪轉動電機的兩種載重狀態的電磁轉矩；B表示磁通量。電磁轉矩Te的計算公式為：

其中，電機參數轉化為兩相靜止坐標系α-β中的電機參數，得到iα、iβ；然后通過Park 變換將兩相靜止坐標系中的參數轉化為兩相旋轉坐標系d、q中的參數，得到id、iq；Pn表示功率；φ表示定子磁鏈基值；Ld表示直軸電感；Lq表示交軸電感。

式中，表示坐標轉化下的選擇坐標參數；當利用的策略控制且電動機默認空載(TL=0)啟動時，能夠得出：

對比式（4）與式（5）能夠得到有功阻尼系數：

其中，β表示轉軸轉動角度。若借助PI 調節器，轉換轉速控制器的表達式為：

其中，Kpw表示比例放大系數；Kiw表示積分放大系數。所以確定：

4 實驗

對基于無線傳感器的機輪轉速模擬檢測方法與傳統的基于速度模糊控制器的機輪轉速模擬方法，進行機輪轉速測試精度對比實驗。

4.1 實驗參數設計

第一次實驗，采用時鐘同步方式檢測機輪轉速，并將此測量結果作為實際轉速結果，采用速度模糊控制器測量機輪轉速，并將其作為測量轉速結果；第二次實驗，同樣采用時鐘同步方式對機輪轉速進行檢測，并將檢測結果作為實際轉速，將無線傳感器測量的機輪轉速作為測量速度。

表1 機輪轉環選取參數

4.2 實驗結果

采用時鐘同步方式對機輪轉速進行檢測，并將檢測結果作為實際轉速，而將速度模糊控制器測量的機輪轉速作為測量轉速，實驗所得記錄如圖3所示。

圖3 基于速度模糊控制器機輪轉速檢測結果

圖3 線的擬合度顯示了基于速度模糊控制器機輪轉速檢測方法下測量的機輪轉速與實際轉速的擬合度，代表檢測精確度?；谒俣饶：刂破鳈C輪轉速檢測下的圖線擬合度并不高，說明精確度較差。

采用時鐘同步方式對機輪轉速進行檢測，將檢測結果作為實際轉速，將無線傳感器測量的機輪轉速作為測量轉速，實驗所得記錄如圖4 所示。

圖4 基于無線傳感器的機輪轉速模擬檢測

圖4 線的擬合度顯示了基于無線傳感器的機輪轉速檢測下測量的機輪轉速與實際轉速的擬合度，代表檢測精確度?；跓o線傳感器的機輪轉速檢測下的圖線擬合度較高，說明精確度較好。

5 結論

無線傳感器的模塊構成以及使用原則，顯示出無線傳感器的諸多優勢，如容錯性優良、能夠實現遠程監控等，在諸多領域，如智能機械制造、網絡制造、飛機制造中具有非常好的發展前景，但傳感器可能會存在延遲交換、交換頻率低等缺陷，所以要注重對無線傳感器性能的改善與提升。在飛機制造中，基于無線傳感器的機輪轉速系統性能更完善、相關模擬檢測系統的檢測水平也能進一步得以提高，比傳統基于速度模糊控制器方法的檢測精度更高。文中方法注重傳感器的應用原則與機輪轉速模擬檢測的檢測步驟，確保機輪轉速模擬測試能夠順利進行。