飞行器测试技术之课程拓展

王 伟 林德福 王录强

1.北京理工大学宇航学院 北京 100081

2 西北工业集团有限公司 陕西西安 710043

飞行器测试技术之课程拓展

王 伟1林德福1王录强2

1.北京理工大学宇航学院 北京 100081

2 西北工业集团有限公司 陕西西安 710043

测试技术是工科学生需要掌握的一门技术。以提高学生的测试技术为出发点，将实际工程中旋转飞行器转速测量问题作为教学案例，设计出了六加计测试系统和两加计一陀螺测试系统两种方案，解决了旋转飞行器转速测量问题。详细介绍了测试系统的设计思路及工作原理，并通过仿真对设计方案进行了验证。

飞行器；测试系统；系统设计；课程拓展

能够准确测量飞行器的各种姿态参数对于飞行器相关专业的学生而言，是一项必须掌握的技术，这项技术有利于其在未来工作中解决实际问题。现在有各种类型的传感器可供选择使用。在一般情况下，能够对飞行器的许多参数进行准确测量。但是在某些特殊情况下，单一类型的传感器很难测量出准确的飞行器相关参数。例如，飞行器的相关参数在某段时间内会超出绝大多数传感器的测量范围；再如工作环境恶劣，使得传感器很难正常工作[1]。在面对这些特殊情况时，还没有专门系统的课程教授学生相应的应对方法，使其能够应付各种特殊情况。所以为了培养高质量的毕业生，需要对相关课程的设置和教学方法进行各种创新和尝试[2,3]。

本文提出了一种培养学生设计测试系统思路的能力，即以实际工程中遇到的实际问题为教学案例，为学生详细讲解测试系统的设计思路与方法以及系统验证手段，确实达到提高学生解决实际问题的能力。本文中采用的教学案例是利用MEMS IMU测量旋转飞行器转速，选择这个问题作为教学案例有以下三方面的原因。(1)旋转飞行器的转速测量问题一直是一个比较棘手的工程实际问题，这个案例紧密结合工程实际。(2)MEMS IMU以其低成本、小体积、轻质量越来越受到欢迎，这个案例有利于学生掌握MEMS IMU的使用方法。(3)旋转飞行器属于一类特殊飞行器，通过案例可以提高学生应对特殊问题的能力。

1 测试系统的设计原理与思路

炮弹、火箭还有迫弹都属于旋转类飞行器。在对这类飞行器进行设计时，往往都需要设计一套测试系统，测试其转速。这类飞行器的一大特点是，在工作初始段，飞行体的旋转速度很高，会超出一般的角速率陀螺测量范围，利用角速率陀螺直接测量这类飞行体的旋转速度非常困难；另外一个特点是，此类飞行器的载荷环境非常恶劣，对传感器的工作有不利影响。下面介绍利用MEMS 器件设计测试系统，对这类飞行器的转速进行准确测量。

旋转飞行体上由于旋转运动的存在，任意点的加速度都不同。任意点的加速度，都会受到飞行体质心加速度、飞行体旋转角速率以及其与质心相对位置的影响[4]。基于这一点，可以设计测试系统。其设计思路是：利用加计测量出任意已知位置点的加速度，再根据其与飞行体转速的关系，可以解算出飞行体的转速。基于这一设计思路，设计出了两套测试系统，具体方案如下。

1.1 六加计转速测试系统方案

六加计转速测试系统方案如图1所示，Aa，Ab，Ac，Ad，Ae，Af分别表示6个不同位置的MEMS加计测量输出，x，y，z分别表示飞行体的三个惯性主轴，Δx，Δy，Δz表示测试系统中心相对于飞行体质心的位置。根据六个加速度计的输出以及它们相对于飞行体质心的位置，可以解算出飞行体的转速。解算公式如式(1)所示。

图1 六加计方案示意图

在式(1)中，ω1表示飞行体的转速，C1，C2，C3是与加计测量值以及加计相对质心位置有关的量，其计算公式如式(2)所示，在式(2)中，xa，xb，xc，xd，xe，xf分别表示MEMS加计的安装位置。

1.2 两加计一陀螺转速测试系统方案

图2 两加计一陀螺方案示意图

2 设计方案仿真与验证

前文已经给出了飞行体转速测试系统的设计思路和方法以及其工作原理，接下来将通过仿真手段验证设计方案的正确性。在仿真过程中，设定飞行体转速曲线如图3所示，考虑加速度计零漂为0.1 m/s2，陀螺零漂为0.000 05 rad/s。

图3 飞行体实际转速曲线

图4和图5分别给出了六加计组合测试系统和两加计一陀螺测试系统的测量误差曲线，由图4及图5可以看出，两种组合测量系统均能够准确测量出飞行体的转速。六加计组合测量系统，巧妙地利用了飞行体上不同位置的加速度与转速的关系，只需要使用加计一种器件就达到了测量转速的目的，另外加计还具有适应恶劣过载环境的优势，但器件数量较多，对系统可靠性有一定影响；两加计一陀螺组合测量系统减少了器件的数量，但增加了器件的种类，陀螺适应恶劣过载环境的能力要逊于六加计，但此系统巧妙地避开了直接用角速率陀螺测量飞行器的转速，而是通过一个陀螺测量其他轴的角速率，达到最终测量转速的目的[5]。

图4 六加计组合测量系统误差曲线

图5 两加计一陀螺组合测量系统误差曲线

3 结束语

本文以实际工程中的实际问题为教学案例，给出了两套不同测试系统设计方案。并对两套方案的设计思路及系统机理进行了详细的分析，使学生理解了测试系统设计的基本思路和方法。对于工科学生而言，仅仅会使用基本传感器是远远不够的，还必须掌握利用基本传感器设计测试系统的能力，为未来的工作打下坚实基础。

[1]周生国.机械工程测试技术[M].北京:北京理工大学出版社,1993.

[2]黄建民.培养高质量军工领域工程硕士人才之实践[J].北京理工大学学报:社会科学版,2009,10(5):108-110.

[3]谢安邦.构建合理的研究生教育课程体系[J].高等教育研究,2003(5):68-72.

[4]梁昆淼.力学[M].北京:高等教育出版社,1995.

[5]秦永元.惯性导航[M].北京:科学出版社,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

王伟，硕士，实验师。

北京理工大学教改项目。