王 偉 林德福 王錄強

1.北京理工大學宇航學院 北京 100081

2 西北工業(yè)集團有限公司 陜西西安 710043

飛行器測試技術之課程拓展

王 偉1林德福1王錄強2

1.北京理工大學宇航學院 北京 100081

2 西北工業(yè)集團有限公司 陜西西安 710043

測試技術是工科學生需要掌握的一門技術。以提高學生的測試技術為出發(fā)點，將實際工程中旋轉(zhuǎn)飛行器轉(zhuǎn)速測量問題作為教學案例，設計出了六加計測試系統(tǒng)和兩加計一陀螺測試系統(tǒng)兩種方案，解決了旋轉(zhuǎn)飛行器轉(zhuǎn)速測量問題。詳細介紹了測試系統(tǒng)的設計思路及工作原理，并通過仿真對設計方案進行了驗證。

飛行器；測試系統(tǒng)；系統(tǒng)設計；課程拓展

能夠準確測量飛行器的各種姿態(tài)參數(shù)對于飛行器相關專業(yè)的學生而言，是一項必須掌握的技術，這項技術有利于其在未來工作中解決實際問題?，F(xiàn)在有各種類型的傳感器可供選擇使用。在一般情況下，能夠?qū)︼w行器的許多參數(shù)進行準確測量。但是在某些特殊情況下，單一類型的傳感器很難測量出準確的飛行器相關參數(shù)。例如，飛行器的相關參數(shù)在某段時間內(nèi)會超出絕大多數(shù)傳感器的測量范圍；再如工作環(huán)境惡劣，使得傳感器很難正常工作[1]。在面對這些特殊情況時，還沒有專門系統(tǒng)的課程教授學生相應的應對方法，使其能夠應付各種特殊情況。所以為了培養(yǎng)高質(zhì)量的畢業(yè)生，需要對相關課程的設置和教學方法進行各種創(chuàng)新和嘗試[2,3]。

本文提出了一種培養(yǎng)學生設計測試系統(tǒng)思路的能力，即以實際工程中遇到的實際問題為教學案例，為學生詳細講解測試系統(tǒng)的設計思路與方法以及系統(tǒng)驗證手段，確實達到提高學生解決實際問題的能力。本文中采用的教學案例是利用MEMS IMU測量旋轉(zhuǎn)飛行器轉(zhuǎn)速，選擇這個問題作為教學案例有以下三方面的原因。(1)旋轉(zhuǎn)飛行器的轉(zhuǎn)速測量問題一直是一個比較棘手的工程實際問題，這個案例緊密結合工程實際。(2)MEMS IMU以其低成本、小體積、輕質(zhì)量越來越受到歡迎，這個案例有利于學生掌握MEMS IMU的使用方法。(3)旋轉(zhuǎn)飛行器屬于一類特殊飛行器，通過案例可以提高學生應對特殊問題的能力。

1 測試系統(tǒng)的設計原理與思路

炮彈、火箭還有迫彈都屬于旋轉(zhuǎn)類飛行器。在對這類飛行器進行設計時，往往都需要設計一套測試系統(tǒng)，測試其轉(zhuǎn)速。這類飛行器的一大特點是，在工作初始段，飛行體的旋轉(zhuǎn)速度很高，會超出一般的角速率陀螺測量范圍，利用角速率陀螺直接測量這類飛行體的旋轉(zhuǎn)速度非常困難；另外一個特點是，此類飛行器的載荷環(huán)境非常惡劣，對傳感器的工作有不利影響。下面介紹利用MEMS 器件設計測試系統(tǒng)，對這類飛行器的轉(zhuǎn)速進行準確測量。

旋轉(zhuǎn)飛行體上由于旋轉(zhuǎn)運動的存在，任意點的加速度都不同。任意點的加速度，都會受到飛行體質(zhì)心加速度、飛行體旋轉(zhuǎn)角速率以及其與質(zhì)心相對位置的影響[4]?；谶@一點，可以設計測試系統(tǒng)。其設計思路是：利用加計測量出任意已知位置點的加速度，再根據(jù)其與飛行體轉(zhuǎn)速的關系，可以解算出飛行體的轉(zhuǎn)速?；谶@一設計思路，設計出了兩套測試系統(tǒng)，具體方案如下。

1.1 六加計轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)方案

六加計轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)方案如圖1所示，Aa，Ab，Ac，Ad，Ae，Af分別表示6個不同位置的MEMS加計測量輸出，x，y，z分別表示飛行體的三個慣性主軸，Δx，Δy，Δz表示測試系統(tǒng)中心相對于飛行體質(zhì)心的位置。根據(jù)六個加速度計的輸出以及它們相對于飛行體質(zhì)心的位置，可以解算出飛行體的轉(zhuǎn)速。解算公式如式(1)所示。

圖1 六加計方案示意圖

在式(1)中，ω1表示飛行體的轉(zhuǎn)速，C1，C2，C3是與加計測量值以及加計相對質(zhì)心位置有關的量，其計算公式如式(2)所示，在式(2)中，xa，xb，xc，xd，xe，xf分別表示MEMS加計的安裝位置。

1.2 兩加計一陀螺轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)方案

圖2 兩加計一陀螺方案示意圖

2 設計方案仿真與驗證

前文已經(jīng)給出了飛行體轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)的設計思路和方法以及其工作原理，接下來將通過仿真手段驗證設計方案的正確性。在仿真過程中，設定飛行體轉(zhuǎn)速曲線如圖3所示，考慮加速度計零漂為0.1 m/s2，陀螺零漂為0.000 05 rad/s。

圖3 飛行體實際轉(zhuǎn)速曲線

圖4和圖5分別給出了六加計組合測試系統(tǒng)和兩加計一陀螺測試系統(tǒng)的測量誤差曲線，由圖4及圖5可以看出，兩種組合測量系統(tǒng)均能夠準確測量出飛行體的轉(zhuǎn)速。六加計組合測量系統(tǒng)，巧妙地利用了飛行體上不同位置的加速度與轉(zhuǎn)速的關系，只需要使用加計一種器件就達到了測量轉(zhuǎn)速的目的，另外加計還具有適應惡劣過載環(huán)境的優(yōu)勢，但器件數(shù)量較多，對系統(tǒng)可靠性有一定影響；兩加計一陀螺組合測量系統(tǒng)減少了器件的數(shù)量，但增加了器件的種類，陀螺適應惡劣過載環(huán)境的能力要遜于六加計，但此系統(tǒng)巧妙地避開了直接用角速率陀螺測量飛行器的轉(zhuǎn)速，而是通過一個陀螺測量其他軸的角速率，達到最終測量轉(zhuǎn)速的目的[5]。

圖4 六加計組合測量系統(tǒng)誤差曲線

圖5 兩加計一陀螺組合測量系統(tǒng)誤差曲線

3 結束語

本文以實際工程中的實際問題為教學案例，給出了兩套不同測試系統(tǒng)設計方案。并對兩套方案的設計思路及系統(tǒng)機理進行了詳細的分析，使學生理解了測試系統(tǒng)設計的基本思路和方法。對于工科學生而言，僅僅會使用基本傳感器是遠遠不夠的，還必須掌握利用基本傳感器設計測試系統(tǒng)的能力，為未來的工作打下堅實基礎。

[1]周生國.機械工程測試技術[M].北京:北京理工大學出版社,1993.

[2]黃建民.培養(yǎng)高質(zhì)量軍工領域工程碩士人才之實踐[J].北京理工大學學報:社會科學版,2009,10(5):108-110.

[3]謝安邦.構建合理的研究生教育課程體系[J].高等教育研究,2003(5):68-72.

[4]梁昆淼.力學[M].北京:高等教育出版社,1995.

[5]秦永元.慣性導航[M].北京:科學出版社,2006.

Curriculum Development of Aircraft Testing Technology

Wang Wei1,Lin Defu1,Wang Luqiang2
1.School of Aerospace Science,Beijing Institute of Technology,Beijing,100081,China
2.Northwest Industries Group Co.LTD, Xi'an,710043,China

Testing technology is a technology that engineering students need to master,The objective of this paper is to take the improvement of students' testing technology,The rotation speed of rotating aircraft measurement problem in practical engineering is taken as a teaching case,Two schemes that six additional test system and two plus one gyro test system are designed,In order to solve the problem of measurement rotating speed of rotating aerocraft,And teach the students in detail the design method of the test system and working principle.Finally,the design is veri fi ed by simulation.

aerocraft;test system;system design;curriculum development

王偉，碩士，實驗師。

北京理工大學教改項目。