(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，四川 成都 610091)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是利用集成在結(jié)構(gòu)中的各類傳感元件獲取能夠反映出結(jié)構(gòu)健康狀況的性能參數(shù)(如應(yīng)力、應(yīng)變、振動等)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集、信號處理技術(shù)，提取出結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，感知結(jié)構(gòu)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康自診斷，并對結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行評估與預(yù)測[1-4]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)Υ笮徒Y(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時檢測和診斷監(jiān)控，評估其安全性并預(yù)測結(jié)構(gòu)性能變化，并在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5-9]。

1979年，美國NASA啟動了智能蒙皮計劃，Claus等人首次將光纖傳感器埋入碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮中，使材料具有感知能力和判斷損傷能力，這是世界上第一次關(guān)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的初步嘗試。此后美國針對F-18、F-22和JSF等飛行器都進(jìn)行了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究[10]。NASA德萊頓飛行研究中心最新研究了基于光纖光柵傳感器的飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[11]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)也被應(yīng)用在歐洲聯(lián)合研制的Eurofight 2000戰(zhàn)機(jī)中，并進(jìn)行了一系列的飛行載荷監(jiān)測試驗(yàn)?？湛凸狙兄屏嘶趬弘娫慕Y(jié)構(gòu)疲勞裂紋監(jiān)測系統(tǒng)并將其應(yīng)用于對A340-600上結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的監(jiān)測[12]。

在高強(qiáng)度的飛行要求和復(fù)雜的外界環(huán)境下，無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)各種損傷，并給機(jī)體結(jié)構(gòu)造成安全隱患。為此，在無人機(jī)現(xiàn)有的飛行參數(shù)采集記錄系統(tǒng)平臺的基礎(chǔ)上，設(shè)計一套結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，對無人機(jī)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與評估。結(jié)合無人機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度和動響應(yīng)分析，確定系統(tǒng)主要監(jiān)測內(nèi)容和系統(tǒng)主要功能，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，系統(tǒng)需具備對結(jié)構(gòu)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行測量、采集、傳輸、記錄、還原以及對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評估等功能。綜合分析，無人機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸與記錄子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理及還原子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估子系統(tǒng)組成，可完成對無人機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件的應(yīng)力應(yīng)變、振動過載的監(jiān)測與結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估。無人機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 無人機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

其中，傳感器子系統(tǒng)包括應(yīng)變傳感器、加速度傳感器和視頻攝像儀，可完成對結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時測量；數(shù)據(jù)采集傳輸與記錄子系統(tǒng)包括測試采集器和快取記錄器，可完成對數(shù)據(jù)的采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換以及對數(shù)據(jù)的實(shí)時記錄；數(shù)據(jù)處理與還原子系統(tǒng)可完成對數(shù)據(jù)的處理及還原。結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估子系統(tǒng)結(jié)合對測試數(shù)據(jù)的分析對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行安全預(yù)估。

2 子系統(tǒng)設(shè)計

2.1 傳感器子系統(tǒng)

根據(jù)無人機(jī)的飛行要求和外界環(huán)境影響，結(jié)合對無人機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和動響應(yīng)分析，確定結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力點(diǎn)、振動響應(yīng)部位以及主要的攝像監(jiān)測區(qū)域。應(yīng)變和振動監(jiān)測部位集中在發(fā)動機(jī)、油箱等重點(diǎn)區(qū)域，視頻攝像組件監(jiān)測部位集中在對起落架、機(jī)翼結(jié)構(gòu)以及全機(jī)的監(jiān)測[13-15]。整機(jī)的傳感器網(wǎng)絡(luò)布局如圖2所示。

選用三花應(yīng)變片和單向應(yīng)變片，采用全橋電路形成多通道的應(yīng)變測試；選用三軸過載傳感器和單軸過載傳感器形成多通道的振動測試；選用多路攝像儀形成視頻監(jiān)測。傳感器配置表如表1所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集傳輸與記錄子系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要包括測試采集器和快取記錄器。測試采集器主要完成數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換，包括對應(yīng)變測試數(shù)據(jù)、振動測試數(shù)據(jù)以及整機(jī)視頻數(shù)據(jù)的采集與壓縮；快取記錄器主要完成測試參數(shù)數(shù)據(jù)記錄、測試視頻

圖2 無人機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)布局

序號監(jiān)測參量傳感器類型量程采樣頻率分辨率1應(yīng)變單向應(yīng)變片±105με5kHz—2應(yīng)變?nèi)☉?yīng)變片±105με5kHz—3振動單軸加速度傳感器±100g64Hz—4振動三軸加速度傳感器±100g64Hz—5視頻攝像儀—120f/s1280×720

數(shù)據(jù)記錄以及測試采集器與快取記錄器狀態(tài)信息記錄。此外，在系統(tǒng)上電后，測試采集器和快取記錄器同時具有自檢測功能。

測試采集器以64 Hz采樣率進(jìn)行應(yīng)變信號的采集，以5 kHz采樣率進(jìn)行振動、過載信號的采集，并通過PAL信號接收整機(jī)攝像儀傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)。測試采集器定時將測試采集器及快取記錄器的周期自檢信息進(jìn)行組包發(fā)送給快取記錄器。

此外，測試采集器通過RS422廣播實(shí)時向快取記錄器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，也對飛參數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行授時，因此保證了監(jiān)測系統(tǒng)中記錄的數(shù)據(jù)包時標(biāo)與飛行參數(shù)采集記錄器的數(shù)據(jù)包時標(biāo)保持一致，進(jìn)而將結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)與無人機(jī)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)相統(tǒng)一，為后續(xù)對無人機(jī)的全機(jī)狀態(tài)評估提供保障。

2.3 數(shù)據(jù)處理與還原子系統(tǒng)

通過快取卡實(shí)現(xiàn)機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)測試數(shù)據(jù)的卸載，將機(jī)載測試數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)處理站中的數(shù)據(jù)處理與還原子系統(tǒng)。通過地面數(shù)據(jù)處理軟件對記錄的測試監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與還原的同時，也對飛參數(shù)據(jù)進(jìn)行還原，由此可以將無人機(jī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息與飛機(jī)的狀態(tài)信息相結(jié)合，由此判斷結(jié)構(gòu)的應(yīng)變振動與無人機(jī)的狀態(tài)是否一致。

本系統(tǒng)采用Visual Studio作為開發(fā)工具，設(shè)計了無人機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)平臺。系統(tǒng)的可視化界面主要完成對傳感器采集到的多參量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理與還原，并顯示出所有的參量監(jiān)測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

2.4 結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估子系統(tǒng)

根據(jù)地面數(shù)據(jù)處理與還原系統(tǒng)得到的參數(shù)信息，對無人機(jī)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行評估。

① 由于機(jī)載設(shè)備系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了飛參數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)和視頻的時標(biāo)統(tǒng)一，地面處理終端的數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)了對飛參數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)和視頻的聯(lián)合處理。由此可以將無人機(jī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息與飛機(jī)的狀態(tài)信息相結(jié)合，更精準(zhǔn)地定位機(jī)體結(jié)構(gòu)的異常狀態(tài)，大大提高了數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，降低了人工分析的難度與出錯率。

② 根據(jù)對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析和動力學(xué)仿真研究，為各個監(jiān)測參量設(shè)定告警閾值，監(jiān)測各傳感區(qū)域的參數(shù)狀態(tài)，當(dāng)有異常出現(xiàn)時，系統(tǒng)能自動告警，并及時對其做出故障判斷。

3 系統(tǒng)集成測試及驗(yàn)證

3.1 應(yīng)變、振動數(shù)據(jù)的可視化

通過安裝在無人機(jī)上的應(yīng)變和加速度傳感器可以判斷出無人機(jī)結(jié)構(gòu)所受到的載荷、應(yīng)變及相關(guān)狀態(tài)。其中數(shù)據(jù)處理軟件對應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行了零位自動校準(zhǔn)。通過自動統(tǒng)計系統(tǒng)上電后采集的前50個應(yīng)變平均值，后續(xù)再用應(yīng)變減去平均值即可完成應(yīng)變的零位校準(zhǔn)。軟件零位自動校準(zhǔn)代替了數(shù)據(jù)分析過程中人工執(zhí)行零位校準(zhǔn)操作，減少了數(shù)據(jù)分析的工作量，優(yōu)化了應(yīng)變數(shù)據(jù)分析流程。應(yīng)變數(shù)據(jù)和振動數(shù)據(jù)的可視化監(jiān)測界面如圖3和圖4所示。

圖3 應(yīng)變數(shù)據(jù)監(jiān)測界面

圖4 振動數(shù)據(jù)監(jiān)測界面

在地面處理終端的可視化界面中，采集到的所有參數(shù)信息存儲在預(yù)管理模塊中，根據(jù)監(jiān)測需求，可以選擇查看相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)信息，以及各參數(shù)隨時間的實(shí)時變化曲線。

3.2 數(shù)據(jù)時統(tǒng)與聯(lián)合處理

數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)了對飛參數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)和視頻的聯(lián)合處理。由于在數(shù)據(jù)采集階段實(shí)現(xiàn)了對測試數(shù)據(jù)和飛參數(shù)據(jù)的時統(tǒng)，由此在同一界面中對多種參數(shù)信息進(jìn)行同步監(jiān)測。多參量數(shù)據(jù)信息監(jiān)測界面如圖5所示。

圖5 多參量數(shù)據(jù)信息監(jiān)測界面

3.3 測試結(jié)果分析

3.3.1 應(yīng)變測試結(jié)果

根據(jù)采集得到的測試數(shù)據(jù)，對飛機(jī)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，得到單向應(yīng)變片、三花應(yīng)變片提取局部數(shù)據(jù)的應(yīng)變-時間歷程曲線，分別如圖6(a)和圖6(b)所示。

圖6 無人機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變-時間歷程曲線

通過對監(jiān)測系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測的應(yīng)變值計算出的應(yīng)力均小于材料破壞應(yīng)力，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度未產(chǎn)生影響。

3.3.2 振動測試結(jié)果

根據(jù)采集得到的測試數(shù)據(jù)，對飛機(jī)的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取受振動影響較大部分的振動傳感器測點(diǎn)數(shù)據(jù)，得到的加速度-時間歷程曲線，如圖7所示。

圖7 無人機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)加速度-時間歷程曲線

通過對監(jiān)測系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，結(jié)構(gòu)過載延續(xù)時間為毫秒量級并迅速衰減。結(jié)合應(yīng)變測量結(jié)果和振動監(jiān)測結(jié)果可以看出，無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)損傷。

4 結(jié)論

本文研制了一套針對無人機(jī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，主要完成了以下工作：

① 完成了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計，結(jié)合結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度分析和動響特性，確定了結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵監(jiān)測區(qū)域。

② 通過傳感器配置及布局構(gòu)建了傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集傳輸及記錄技術(shù)，完成了對傳感數(shù)據(jù)信息的采集及記錄。

③ 搭建了基于Visual Studio的可視化監(jiān)測平臺，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的處理與還原功能，并通過可視化界面進(jìn)行顯示。

④ 對系統(tǒng)進(jìn)行了集成測試及驗(yàn)證，通過應(yīng)變、振動等參量對無人機(jī)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行了評估，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的數(shù)字化管理。