專利名稱：一種監(jiān)測直升機完好性與使用狀態(tài)的系統(tǒng)及其監(jiān)測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及自動化控制領域中的直升機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術，尤其涉及一種監(jiān)測直升機完好性與使用狀態(tài)的系統(tǒng)及其監(jiān)測方法。
背景技術：
直升機在飛行過程中，起降次數(shù)多，發(fā)動機使用功率變化頻繁，傳動部件多、結構 復雜，旋翼和尾槳引起的結構振動大，動力傳動部件易受損傷，以及直升機的飛行環(huán)境復雜等因素為直升機飛行安全保障和日常使用維修增加了難度，使得安全性與維護性問題日益突出。傳統(tǒng)的直升機維護方法是定時維修與事件觸發(fā)維修相結合，這樣做的結果是不僅耗時多、維護成本高，更重要的是無法對直升機的多工況運行狀態(tài)進行監(jiān)控，不能及時發(fā)現(xiàn)直升機關鍵壽命部件的潛在安全隱患，對直升機飛行安全造成了威脅。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種監(jiān)測直升機完好性與使用狀態(tài)的系統(tǒng)(Health andUsage Monitoring System,簡稱HUMS),該系統(tǒng)是以視情維護為主的維修方式，對影響直升機安全的關鍵部件進行監(jiān)測，提高對影響直升機安全的關鍵部件診斷、健康管理的監(jiān)測、準確能力及降低虛警率，建立直升機部件及飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫；對直升機需要維護保障的設備進行綜合，組成自主保障維護系統(tǒng)替代原有定期維護方式。解決本發(fā)明技術問題的技術方案如下一種監(jiān)測直升機完好性與使用狀態(tài)的系統(tǒng)，系統(tǒng)由機載部分和地面部分組成，所述機載部分包括振動傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、軌跡傳感器、發(fā)動機傳感器、HUMS監(jiān)測計算機、機載顯示器；所述振動傳感器分別設置在旋翼、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、機體，通過各自位置上的振動傳感器導線與HUMS監(jiān)測計算機上的相應接口連通；所述轉(zhuǎn)速傳感器分別設置在主旋翼、尾槳、尾傳動軸，通過各自位置上的轉(zhuǎn)速傳感器導線與HUMS監(jiān)測計算機上的相應接口連通；所述軌跡傳感器設置在主旋翼，通過旋翼軌跡傳感器導線與HUMS監(jiān)測計算機上的相應接口連通；所述發(fā)動機傳感器設置在發(fā)動機系統(tǒng)上，通過發(fā)動機傳感器導線與HUMS監(jiān)測計算機上的相應接口連通；所述HUMS監(jiān)測計算機對發(fā)動機參數(shù)、旋翼參數(shù)、振動參數(shù)、轉(zhuǎn)速參數(shù)、加速參數(shù)等信號進行采集、處理和分析，同時將原始數(shù)據(jù)及分析后的結論性數(shù)據(jù)傳送至機載顯示器，顯不并存儲； 所述機載顯示器安裝在直升機駕駛艙內(nèi)，顯示接收到的機載采集器在飛行過程中的參數(shù)測量信息，并存儲所有信息及數(shù)據(jù)文件由地面軟件進行顯示回放；所述地面部分包括快取記錄卡、地面處理系統(tǒng)；所述快取記錄卡通過以太網(wǎng)接收機上記錄信息；所述地面處理系統(tǒng)包括電源模塊、信調(diào)模塊、采集處理及監(jiān)測告警模塊和總線模塊，地面處理系統(tǒng)通過讀取快取記錄卡信息獲得機上數(shù)據(jù)，并將處理分析結果生成數(shù)據(jù)報表。進一步，本發(fā)明所述機載部分還包括一個機載接線盒，將HUMS監(jiān)測計算機與傳感器交聯(lián)轉(zhuǎn)接。進一步HUMS監(jiān)測計算機設有電源板一塊其中電源濾波器及蓄電電容安裝在殼體上；信調(diào)板三塊；采集處理器及監(jiān)測告警板一塊；總線模塊一塊；底板一塊；電源板、信調(diào)板、采集處理及監(jiān)測告警板、總線模塊板都安裝于底板之上，電源板為其它電路板提供所需電能一種監(jiān)測直升機完好性與使用狀態(tài)的系統(tǒng)的監(jiān)測方法，包括如下步驟步驟I)通過振動傳感器獲取旋翼、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、機體的振動狀態(tài)，轉(zhuǎn)速 傳感器獲取主旋翼、尾槳和傳動軸的轉(zhuǎn)速參數(shù)，軌跡傳感器獲取主旋翼揮舞和擺振角度，發(fā)動機傳感器獲取發(fā)動機參數(shù)，并將所有獲取的狀態(tài)參數(shù)信息傳送至HUMS監(jiān)測計算機。步驟2)數(shù)據(jù)采集器對發(fā)動機參數(shù)、旋翼參數(shù)、振動參數(shù)、轉(zhuǎn)速參數(shù)、加速參數(shù)等信號進行采集、處理和分析，進行超限判斷及告警輸出。步驟3)顯示器顯示接收到的機載采集器在飛行過程中的參數(shù)測量信息，發(fā)送告警指示(注意級)提醒駕駛員保障直升機飛行安全；步驟4)快取記錄卡通過以太網(wǎng)接收機上記錄信息；步驟5)地面處理系統(tǒng)通過讀取快取記錄卡信息獲得機上數(shù)據(jù)，并將處理分析結果生成數(shù)據(jù)報表。進一步，步驟2的轉(zhuǎn)速參數(shù)的處理方法為步驟I)由轉(zhuǎn)速信調(diào)板對主旋翼、尾槳轉(zhuǎn)速信號進行限壓和整形處理；步驟2 )再將差分電壓信號變成方波信號；步驟3)根據(jù)傳感器分辨率及方波個數(shù)計算出速度值。進一步，步驟2中加速參數(shù)信號的測量方法，包括步驟I)振動信調(diào)板對加速度信號進行降噪；步驟2)再經(jīng)低通濾波；步驟3)同步平均；步驟4)提取特征值；步驟5)由HUMS監(jiān)測計算機進行數(shù)據(jù)處理；步驟6)出現(xiàn)異常時，在機載顯示器上顯示；所述步驟5)中，數(shù)據(jù)處理包括閾值判斷和專家系統(tǒng)診斷。所述步驟2的振動信號處理方法為首先經(jīng)過高通濾波、程控放大、抗混跌濾波、電壓跟隨和隔直、數(shù)字重采樣，然后同步平均。所述步驟步驟2的旋翼軌跡信號是一個脈沖信號，帶有滯回作用的電壓比較器，將幅值和周期都在變化的正弦波或類正弦波調(diào)理成方波信號進行的測量。本系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速信號采用經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換后采集信號并且進行數(shù)據(jù)處理的方法，再發(fā)送到機載顯示器上顯示。機載顯示器將接收的發(fā)參模塊的數(shù)據(jù)，存入后綴為.fc的數(shù)據(jù)文件中；將接收的VM模塊的數(shù)據(jù)，存入后綴為.vm的數(shù)據(jù)文件中；將接收到的RVM模塊數(shù)據(jù)存儲入后綴為.rvm的數(shù)據(jù)文件中；按下功率檢查按鍵，將相關數(shù)據(jù)存入后綴為.pow數(shù)據(jù)文件中；將飛行過程中的參數(shù)測量信息存儲由地面站軟件進行顯示回放；存儲卡上預先存儲的超限參數(shù)的閾值，文件為yuzhi. yz ;預先存儲的配置文件,文件為config. pz。機載系統(tǒng)實時監(jiān)測直升機使用狀態(tài)參數(shù)(如發(fā)動機參數(shù)、飛行參數(shù)等)以及關鍵部件的健康參數(shù)(如發(fā)動機、機體、傳動系統(tǒng)、旋翼等)，對使用狀態(tài)參數(shù)以及健康參數(shù)通過預處理后實現(xiàn)機上告警并通知駕駛員返航以及地面做好維護準備工作；地面系統(tǒng)下載機上采集的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)故障的判斷、定位，給出維護建議，并與后勤保障支持系統(tǒng)協(xié)同工作，實現(xiàn)“計劃維護”向“視情維護”。本發(fā)明系統(tǒng)具有保障直升機的飛行安全、提高維護性，提升任務成功率及使用效能等具有重要作用。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。圖I是本發(fā)明直升機完好性與使用監(jiān)測系統(tǒng)(HUMS)不意圖； 圖2是本發(fā)明的HUMS監(jiān)測計算機內(nèi)部結構示意圖；圖3是本發(fā)明的數(shù)字重采樣實現(xiàn)框圖；圖4是本發(fā)明的電源電路原理框圖；圖5是本發(fā)明的信號信調(diào)部分原理圖；圖6是本發(fā)明的采集處理及監(jiān)測告警板硬件設計框圖；圖7是本發(fā)明的總線接口板硬件設計圖；圖8數(shù)據(jù)采集器結構圖；圖9是本發(fā)明的HUMS監(jiān)測計算機軟件設計；圖10是本發(fā)明的HUMS監(jiān)測計算機外觀圖。附圖標記說明I 一電源板2—轉(zhuǎn)速信調(diào)板3—振動信調(diào)板 4 一軌跡信調(diào)板5—采集處理及監(jiān)測告警板 6—總線接口板 7—網(wǎng)口 I 8—網(wǎng)口 29—RS422 接口 10—1553B 接口
實施例如圖I所示，為本發(fā)明的HUMS系統(tǒng)連接框圖，系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)采集、存儲和顯示，存儲的機載數(shù)據(jù)用于地面分析。其組成包括機載部分(傳感器、數(shù)據(jù)采集器、顯示器、HUMS監(jiān)測計算機)和地面分析處理系統(tǒng)等兩大部分。如圖2和圖10所示，為本發(fā)明的HUMS監(jiān)測計算機內(nèi)、外部結構示意圖。HUMS監(jiān)測計算機殼體的設計主要從重量、散熱、電磁兼容性以及抗振動方面考慮，由于使用方在重量和外形尺寸上面要求較嚴格，所以在結構設計中既要滿足其裝機要求，還要滿足其外形尺寸的要求。HUMS監(jiān)測計算機采用有底板插槽式結構，提高了調(diào)試效率和系統(tǒng)維修的靈活性。HUMS監(jiān)測計算機采裝有電源板I 一塊其中電源濾波器及蓄電電容安裝在殼體上；轉(zhuǎn)速信調(diào)板2、振動信調(diào)板3、軌跡信調(diào)板4各一塊；采集處理器及監(jiān)測告警板5 —塊；總線接口板6 —塊，還設有兩個網(wǎng)口 7、8，RS422接口 9，1553B接口 10。首先，來自機上的轉(zhuǎn)速信號、振動信號和旋翼軌跡信號分別接入轉(zhuǎn)速、振動、軌跡信號信調(diào)板。其中，轉(zhuǎn)速信號接入信調(diào)板后首先做限壓處理，再將差分電壓信號變成方波信號，進而根據(jù)傳感器分辨率及方波個數(shù)計算出速度值。振動信號首先經(jīng)過高通濾波、程控放大、抗混跌濾波、電壓跟隨和隔直、數(shù)字重采樣，然后同步平均。旋翼軌跡信號是一個脈沖信號，本發(fā)明采用帶有滯回作用的電壓比較器，將幅值和周期都在變化的正弦波或類正弦波調(diào)理成方波信號進行的測量。采集處理器及監(jiān)測告警板5采集到上述三種包括27路振動、5路轉(zhuǎn)速和I路軌跡信號后，分別做相應的算法處理、閾值判別和告警判斷，有關配置信息、發(fā)動機參數(shù)信息、自檢信息通過RS422接口 9從總線接口獲得。振動信號的處理算法包括專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡。采集、處理、超限監(jiān)測及告警判斷結果，通過與總線接口板6間的網(wǎng)絡、串口等進行數(shù)據(jù)通信和傳輸?？偩€接口板6主要實現(xiàn)RT功能單通道雙冗余1553B總線通信，以太網(wǎng)通信，串行 通信，與采集處理及監(jiān)測告警板5間的數(shù)據(jù)傳輸，自檢等。總線接口模塊采用MPC8270處理器，監(jiān)控電路由MAX706和FPGA實現(xiàn)，主要功能包括電源監(jiān)控功能、復位輸出功能，看門狗功能?？偩€接口模塊提供16位寬度32MB的程序FLASH，用于存儲CPU模塊引導程序、PUBIT測試程序、FLASH在板編程程序、網(wǎng)口操作系統(tǒng)、用戶程序等?？偩€接口模塊提供2路10M/100M以太網(wǎng)接口，一路用于和采集板進行數(shù)據(jù)通信，一路用于調(diào)試下載和外部設備交聯(lián)復用。該接口由MPC8270處理器的FCC控制器和DP83848芯片實現(xiàn)。HUMS地面支持系統(tǒng)(GSS)包括地面分析系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，該系統(tǒng)通過快取記錄卡(QAR)下載數(shù)據(jù)，支持對實測記錄數(shù)據(jù)的維護分析。同時采用維護診斷系統(tǒng)和專家數(shù)據(jù)庫支持系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的處理分析，實現(xiàn)對旋翼、傳動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和機體等機械系統(tǒng)狀態(tài)趨勢分析。通過飛行狀態(tài)參數(shù)識別，進行載荷分析，實現(xiàn)有壽件壽命的監(jiān)控。形成各類數(shù)據(jù)報表，經(jīng)過數(shù)據(jù)接口，給“地面維修與綜合保障信息系統(tǒng)”提供數(shù)據(jù)源。如圖3所示，為本發(fā)明的數(shù)字重采樣實現(xiàn)框圖。采用時域同步平均技術可在拾取的原始信號中消除其它噪聲的干擾，提取出所檢測對象的有效信號，然而通常采用時域同步平均方法時需要采用相應的轉(zhuǎn)速計以及鎖相電路來控制采樣頻率，若對傳動系統(tǒng)的每根軸都進行時域同步平均則大大增加了硬件的設計難度。在此采用數(shù)字重采樣方法實現(xiàn)各軸的時域同步平均。如圖4所示，為本發(fā)明的電路原理框圖，機上電源+28V直流電源供電，HUMS監(jiān)測計算機的電源特性應滿足GJB 181A-2003《飛機供電特性》中規(guī)定的相關要求。同時需要為27個振動傳感器、5個轉(zhuǎn)速傳感器、I個軌跡傳感器、信調(diào)板、采集處理板及總線接口板提供電源。表I電源輸出電壓要求
權利要求
1.一種監(jiān)測直升機完好性與使用狀態(tài)的系統(tǒng)，系統(tǒng)由機載部分和地面部分組成，其特征在于，所述機載部分包括振動傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、軌跡傳感器、發(fā)動機傳感器、HUMS監(jiān)測計算機、機載顯示器； 所述振動傳感器分別設置在旋翼、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、機體上，通過各自位置上的振動傳感器導線與HUMS監(jiān)測計算機上的相應接口連通； 所述轉(zhuǎn)速傳感器分別設置在主旋翼、尾槳、尾傳動軸上，通過各自位置上的轉(zhuǎn)速傳感器導線與HUMS監(jiān)測計算機上的相應接口連通； 所述軌跡傳感器設置在主旋翼上，通過旋翼軌跡傳感器導線與HUMS監(jiān)測計算機上的相應接口連通； 所述發(fā)動機傳感器設置在發(fā)動機系統(tǒng)上，通過發(fā)動機傳感器導線與HUMS監(jiān)測計算機上的相應接口連通； 所述HUMS監(jiān)測計算機對發(fā)動機參數(shù)、旋翼參數(shù)、振動參數(shù)、轉(zhuǎn)速參數(shù)、加速參數(shù)等信號進行采集、處理和分析，同時將原始數(shù)據(jù)及分析后的結論性數(shù)據(jù)傳送至機載顯示器，顯示并存儲； 所述機載顯示器安裝在直升機駕駛艙內(nèi)，顯示接收到的HUMS監(jiān)測計算機在飛行過程中的參數(shù)測量信息，并存儲所有信息及數(shù)據(jù)文件由地面軟件進行顯示回放； 所述地面部分包括快取記錄卡、地面處理系統(tǒng)； 所述快取記錄卡通過以太網(wǎng)接收機上記錄的信息； 所述地面處理系統(tǒng)讀取快取記錄卡信息獲得機上數(shù)據(jù)，并將處理分析結果生成數(shù)據(jù)報表。
2.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述機載部分還包括一個將HUMS監(jiān)測計算機與傳感器交聯(lián)轉(zhuǎn)接的機載接線盒。
3.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述HUMS監(jiān)測計算機采用有底板插槽式結構，裝有 電源板一塊其中電源濾波器及蓄電電容安裝在殼體上； 轉(zhuǎn)速信調(diào)板、振動信調(diào)板、軌跡信調(diào)板各一塊； 采集處理器及監(jiān)測告警板一塊； 總線模塊一塊。
4.根據(jù)權利要求I所述一種監(jiān)測直升機完好性與使用狀態(tài)的系統(tǒng)的監(jiān)測方法，包括如下步驟 步驟I)通過振動傳感器獲取旋翼、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、機體的振動狀態(tài)，轉(zhuǎn)速傳感器獲取主旋翼、尾槳和傳動軸的轉(zhuǎn)速參數(shù)，軌跡傳感器獲取主旋翼揮舞和擺振角度，發(fā)動機傳感器獲取發(fā)動機參數(shù)，并將所有獲取的狀態(tài)參數(shù)信息傳送至HUMS監(jiān)測計算機； 步驟2) HUMS監(jiān)測計算機對發(fā)動機參數(shù)、旋翼參數(shù)、振動參數(shù)、轉(zhuǎn)速參數(shù)、加速參數(shù)信號進行采集、處理和分析，進行超限判斷及告警輸出； 步驟3)顯示器顯示接收到的HUMS監(jiān)測計算機上的機載采集器在飛行過程中的參數(shù)測量信息，發(fā)送告警指示提醒駕駛員保障直升機飛行安全； 步驟4)快取記錄卡通過以太網(wǎng)接收機上記錄信息； 步驟5)地面處理系統(tǒng)通過讀取快取記錄卡信息獲得機上數(shù)據(jù)，并將處理分析結果生成數(shù)據(jù)報表。
5.根據(jù)權利要求4所述的監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟2的轉(zhuǎn)速參數(shù)的處理方法為 步驟I)由轉(zhuǎn)速信調(diào)板對主旋翼、尾槳轉(zhuǎn)速信號進行限壓和整形處理； 步驟2)再將差分電壓信號變成方波信號； 步驟3)根據(jù)傳感器分辨率及方波個數(shù)計算出速度值。
6.根據(jù)權利要求4所述的監(jiān)測方法，其特征在于所述步驟2的加速參數(shù)信號的測量方法，包括 步驟I)由振動信調(diào)板對加速度信號進行降噪； 步驟2)再經(jīng)低通濾波； 步驟3)同步平均； 步驟4)提取特征值； 步驟5)由HUMS監(jiān)測計算機進行數(shù)據(jù)處理； 步驟6)出現(xiàn)異常時，在機載顯示器上顯示； 所述步驟5)中，數(shù)據(jù)處理包括閾值判斷和專家系統(tǒng)診斷。
7.根據(jù)權利要求4所述的使用方法，其特征在于所述步驟2的振動信號處理方法為首先經(jīng)過高通濾波、程控放大、抗混跌濾波、電壓跟隨和隔直、數(shù)字重采樣，然后同步平均。
8.根據(jù)權利要求4所述的使用方法，其特征在于所述步驟步驟2的旋翼軌跡信號是一個脈沖信號，帶有滯回作用的電壓比較器，將幅值和周期都在變化的正弦波或類正弦波調(diào)理成方波信號進行的測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種監(jiān)測直升機完好性與使用狀態(tài)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由機載部分跟地面部分組成，機載系統(tǒng)實時監(jiān)測直升機使用狀態(tài)參數(shù)(如發(fā)動機參數(shù)、飛行參數(shù)等)以及關鍵部件的健康參數(shù)(如發(fā)動機、機體、傳動系統(tǒng)、旋翼等)，對使用狀態(tài)參數(shù)以及健康參數(shù)通過預處理后實現(xiàn)機上告警并通知駕駛員返航以及地面做好維護準備工作；地面系統(tǒng)下載機上采集的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)故障的判斷、定位，給出維護建議，并與后勤保障支持系統(tǒng)協(xié)同工作，實現(xiàn)“計劃維護”向“視情維護”。本發(fā)明保障直升機的飛行安全、提高維護性，提升任務成功率及使用效能等具有重要作用。
文檔編號B64D45/00GK102963533SQ201210545610
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權日2012年12月14日
發(fā)明者莫固良, 沈勇, 汪慧云 申請人:中國航空工業(yè)集團公司上海航空測控技術研究所