周督異 朱毅誠 白鍇迪 張 迪

(中國民航大學(xué),天津300000)

1 概述

由于機(jī)體結(jié)構(gòu)和電子電氣設(shè)備的原因，飛機(jī)存在附加磁場即飛機(jī)磁場，飛機(jī)磁羅盤系統(tǒng)測量的磁航向存在的誤差即為羅差。為滿足適航要求，飛機(jī)磁羅盤需要定期進(jìn)行校驗(yàn)和調(diào)節(jié)。由于磁羅盤中包含的可旋轉(zhuǎn)的零散部件較多，同時(shí)也存在著較大的機(jī)械誤差，因此在實(shí)際的飛機(jī)磁羅盤校驗(yàn)、檢測與維修工作中，會(huì)出現(xiàn)磁羅盤使用率過高、重復(fù)操作性變差等問題，從而導(dǎo)致航材件受到不同程度的損傷。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)與真實(shí)系統(tǒng)航材件基本組成、功能、外形、接口信號(hào)一致的飛機(jī)磁羅盤系統(tǒng)實(shí)物仿真平臺(tái)。能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)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(jī)體結(jié)構(gòu)和電子電氣設(shè)備以及羅盤自身旋轉(zhuǎn)所帶來的機(jī)械誤差，并在很大程度上解決重復(fù)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(shè)計(jì)

實(shí)物仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)部分：用于測量磁羅盤誤差的校驗(yàn)儀、飛機(jī)備用磁羅盤仿真實(shí)物、轉(zhuǎn)臺(tái)以及飛機(jī)模型。其中，飛機(jī)模型用于模擬實(shí)際飛行過程中，飛機(jī)上的航空材料以及其零部件所形成的磁干擾環(huán)境，同時(shí)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(yàn)儀。模型下方安裝了可由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的轉(zhuǎn)臺(tái)，通過編寫程序語言，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的數(shù)字化智能控制，從而能夠真實(shí)地還原飛機(jī)偏航動(dòng)作的全過程。同時(shí)，飛機(jī)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(dòng)作，同時(shí)能對(duì)硬鐵磁場和軟鐵磁場所產(chǎn)生的干擾進(jìn)行補(bǔ)正，再經(jīng)過主控制器模塊通過已經(jīng)編寫完畢的最小二乘法橢圓擬合對(duì)羅差進(jìn)行修正，輸出到顯示屏上。同時(shí)為了模擬真實(shí)的飛機(jī)磁場環(huán)境，還要將磁羅盤誤差校驗(yàn)儀放置在模型上對(duì)所得出的數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 平臺(tái)的搭建

為適配飛機(jī)備用磁羅盤及誤差校驗(yàn)儀，需首先精確其尺寸大小，從而設(shè)計(jì)一個(gè)比例尺合適、同時(shí)造型美觀的簡易飛機(jī)模型。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的飛機(jī)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(yàn)中所用材料本身不會(huì)對(duì)備用磁羅盤和誤差校驗(yàn)儀造成磁干擾而影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

備用磁羅盤放置在飛機(jī)模型前端可供安裝的位置，誤差校驗(yàn)儀放置在飛機(jī)模型后部可供固定安裝和隨時(shí)拆卸的位置，并保證飛機(jī)模型在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中能夠維持整體穩(wěn)定性。

模型下方安有轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)以步進(jìn)電機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而沒有累積誤差，可以依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和停止位置只取決于電脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，不受負(fù)載變化的影響。并且能夠進(jìn)行開環(huán)位置控制，即輸入一個(gè)脈沖信號(hào)就可以得到一個(gè)規(guī)定的位置增量，而這樣的所謂增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比,其成本明顯有所降低，且?guī)缀醪槐卦龠M(jìn)行系統(tǒng)性調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)線性轉(zhuǎn)化。在試驗(yàn)中，對(duì)電機(jī)施加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則會(huì)帶動(dòng)整體模型轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，從而良好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)模型的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)角度和停止位置的數(shù)字化智能控制，為進(jìn)一步的備用磁羅盤的航向測量與羅盤誤差校驗(yàn)儀的檢驗(yàn)校正工作奠定了基礎(chǔ)。

圖1

3.2 校驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的校驗(yàn)儀有兩種工作模式：第一種工作模式與機(jī)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(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)顯示界面和控制面板的基本樣式和操作方法一致。

校驗(yàn)儀內(nèi)部處理器模塊中的ARM開發(fā)板通過接收儀器外部羅盤轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕、觀察窗轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕、磁航向游標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕以及觀察窗鎖定按鍵所發(fā)出的控制電信號(hào)，將其解析編碼并生成USB串行通信數(shù)據(jù)信號(hào)，傳輸至儀器內(nèi)部的樹莓派模塊。樹莓派模塊能夠控制儀器外側(cè)的電子顯示器羅盤、觀察窗、磁航向游標(biāo)圖形的轉(zhuǎn)動(dòng)以及觀察窗與羅盤之間的鎖定。通過接收、解析和計(jì)算磁傳感器傳輸?shù)臄?shù)字電信號(hào)，可以得出當(dāng)前模型所處實(shí)驗(yàn)環(huán)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(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)并指向當(dāng)前環(huán)境下的準(zhǔn)確磁北方向，同時(shí)以此作為校驗(yàn)儀第二種工作模式下（慣導(dǎo)系統(tǒng)）的磁北方向信息；通過接收、解析和計(jì)算水平角度傳感器輸出的數(shù)字電信號(hào)，可得出相對(duì)于0?位置的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)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(hào)，將磁傳感器傳輸?shù)漠?dāng)前磁北信息作為水平角度傳感器的0?位置；接收復(fù)位開關(guān)的控制信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)ARM開發(fā)板程序的初始化。

3.3 電子式磁傳感器的設(shè)計(jì)

飛機(jī)備用磁羅盤仿真實(shí)物的主體分為傳感器模塊，數(shù)字調(diào)理模塊，主控制器模塊和顯示模塊四個(gè)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(shù)分別為L33 x W27 x H8(mm)，啟動(dòng)延遲50ms以內(nèi)，其具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)航向精度1.0 o，分辨率0.1o，傾斜范圍±5.0o的試驗(yàn)要求，同時(shí)能進(jìn)行硬鐵校準(zhǔn)和軟鐵校準(zhǔn)，可以及時(shí)的對(duì)于模擬出的磁環(huán)境所造成的外界誤差做簡單的校正，對(duì)外界磁場產(chǎn)生的干擾進(jìn)行二維校準(zhǔn)。傳感器模塊輸出信號(hào)進(jìn)入數(shù)字調(diào)理模塊后，在主控制器模塊進(jìn)行數(shù)字濾波、誤差補(bǔ)償以及航線角計(jì)算。誤差補(bǔ)償采用了橢圓擬合算法。采用橢圓擬合算法是因?yàn)殡娮哟帕_盤在工作時(shí)很容易受到軟鐵磁力的影響，故磁場的形狀會(huì)近似一個(gè)橢圓，所謂橢圓擬合就是指當(dāng)橢圓輪廓上的點(diǎn)數(shù)大于最小測量點(diǎn)數(shù)5時(shí)，近似通過所得到的橢圓來對(duì)磁場的形狀大小進(jìn)行估算。主控制器內(nèi)部會(huì)將得到的數(shù)據(jù)通過最小二乘法確定測量值與真實(shí)值之間的誤差系數(shù)，對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)正。這種方法對(duì)于程序編譯以及改動(dòng)的要求較低，對(duì)于硬件的要求較高。補(bǔ)正后的數(shù)據(jù)會(huì)儲(chǔ)存在主控制器模塊中的儲(chǔ)存器內(nèi)，并結(jié)合硬件的操作輸出在顯示屏上。

3.3.1 磁羅盤的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目所涉及的磁羅盤以真實(shí)的飛機(jī)備用羅盤系統(tǒng)理論基礎(chǔ)為依托，將構(gòu)建完成的備用磁羅盤固定安裝在飛機(jī)模型上，通過控制帶有角度尺的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)來模擬飛機(jī)的偏航狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)磁航向的測量功能，同時(shí)模擬磁羅盤產(chǎn)生的不同羅差的變化規(guī)律，進(jìn)而通過誤差校驗(yàn)儀實(shí)現(xiàn)飛機(jī)備用磁羅盤的校驗(yàn)工作。

本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的飛機(jī)備用磁羅盤通過高精度電子磁傳感器和單片機(jī)所構(gòu)建。

飛機(jī)備用磁羅盤具體結(jié)構(gòu)如下圖：

圖2

3.3.2 單片機(jī)的構(gòu)成

項(xiàng)目中所使用的單片機(jī)是一種高集成性的電路芯片系統(tǒng)，體積小，并且能兼容多種外部硬件設(shè)備，利用其中的中央處理器以及集成儲(chǔ)存器來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的接收、處理、輸出。

3.4 單片機(jī)內(nèi)部軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Keil So ftw are公司出品的單片機(jī)C語言軟件。開發(fā)系統(tǒng)KeilC51-uVision2開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編程。單片機(jī)的主要功能是對(duì)外部的硬件進(jìn)行主動(dòng)的識(shí)別和控制，對(duì)上文所提到的磁傳感器所傳出的信號(hào)進(jìn)行采集和處理，并且依據(jù)采集的信號(hào)進(jìn)行航向角的計(jì)算、誤差的補(bǔ)償與校正，同時(shí)還能兼顧對(duì)磁傳感器得到的數(shù)據(jù)的輸出，以及對(duì)磁羅盤開關(guān)，輸出數(shù)據(jù)格式的控制。在設(shè)計(jì)時(shí)，軟件能同時(shí)做到對(duì)數(shù)據(jù)的采集、響應(yīng)、處理、輸出，以及對(duì)外部硬件的人機(jī)交互操作做出響應(yīng)，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)磁羅盤的開關(guān)、對(duì)輸出數(shù)據(jù)的簡單存儲(chǔ)以及對(duì)電子轉(zhuǎn)臺(tái)在計(jì)算機(jī)控制下轉(zhuǎn)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(diǎn)，將以步進(jìn)電機(jī)為核心制作的水平轉(zhuǎn)臺(tái)放置于該測量點(diǎn)；將鋁制飛行器結(jié)構(gòu)水平放置于轉(zhuǎn)臺(tái)中心位置，并將組裝、調(diào)試完備的校驗(yàn)儀與飛機(jī)備用磁羅盤水平固定在飛機(jī)縱軸位置；通過計(jì)算機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)控制，觀察磁羅盤角度變化與轉(zhuǎn)臺(tái)角度變化之差，通過調(diào)節(jié)誤差校驗(yàn)儀，使角度之差逐漸趨向于0?。

5 結(jié)論

在針對(duì)飛機(jī)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(shè)計(jì)的飛機(jī)磁羅盤系統(tǒng)實(shí)物仿真平臺(tái)，體積適中、方便拆裝、操作簡易、便于維護(hù)，基本上解決了機(jī)械式磁羅盤不易拆卸、維護(hù)困難等問題，通過試驗(yàn)表明：該設(shè)備能夠模擬出飛機(jī)磁羅盤受磁場的影響，實(shí)現(xiàn)航向的測量與校正，能夠計(jì)算并消除羅差，可以良好地應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)研究當(dāng)中。