一种飞行器载荷测量方法及系统与流程

1.本发明涉及飞行器载荷测量技术领域，具体涉及一种飞行器载荷测量方法及系统。


背景技术：

2.飞行器在实际飞行的过程中，飞行结构的截面载荷(拉、压、弯、剪、扭)是结构设计的重要依据，载荷测量的精确度直接关系到飞行器结构设计的可靠性。飞行器在发射升空的过程中，承受着严酷、复杂的载荷工况。为优化飞行器结构的静态与动态特性，提升恶劣环境下飞行器的适应能力，需获取飞行器结构在飞行过程中的实时载荷分布情况。
3.目前，获取飞行载荷的主要途径是采用仿真计算，结合动力学模型，计算出飞行器各个截面的载荷，作为飞行器结构设计和强度校核的依据。该载荷数据符合理论，但是飞行器在真实飞行状态下的载荷大小需要进一步验证，且现有的载荷测试仪信号输入的通道数较少，物理量采集单一，且数据采集的精确度较低，通用性与灵活性较差。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种飞行器载荷测量方法及系统，能够灵活、准确地测量飞行器在飞行状态下飞行器结构承受的载荷。
5.本发明采用的具体技术方案如下:
6.一种飞行器载荷测量方法，包括：
7.在一个载荷测点周围布置四个应变贴片组成惠斯通全桥测点，测量飞行器的应变信号，其中，在测量飞行器的应变信号的同时测量飞行器的温度数据；
8.对所述应变信号进行放大处理，并对放大处理后的应变信号进行模数转换处理，获得应变数据；
9.根据所述温度数据对所述应变数据进行校准补偿，以校准补偿后的所述应变数据表征所述飞行器的载荷。
10.进一步地，根据所述温度数据对所述应变数据进行校准补偿，包括：
11.连续采集同一测点在同一受力、不同温度条件下的应变数据，将所述温度数据和应变数据代入预设算法中，以完成对所述应变数据进行校准补偿。
12.进一步地，对所述应变信号进行放大处理过程中，采用单片机控制所述应变信号放大过程中的直流偏置，以实现所述惠斯通全桥保持电桥平衡。
13.进一步地，对所述应变信号进行放大处理之后，还包括：
14.对放大处理后的应变信号进行滤波处理。
15.进一步地，获得应变数据之后，还包括：
16.对所述应变数据和所述温度数据进行数据存储，其中，采用乒乓并行模式进行数据存储，当一条存储链路进行数据存储时，另一条存储链路进行坏块检测。
17.一种飞行器载荷测量系统，包括：
18.信号测量模块，用于采用惠斯通全桥测量的方式测量飞行器的应变信号，并用于测量飞行器的温度数据；
19.信号处理模块，用于对所述应变信号进行放大处理并对放大处理后的应变信号进行模数转换处理，获得应变数据；
20.信号补偿模块，用于根据所述温度数据对所述应变数据进行校准补偿，以校准补偿后的所述应变数据表征所述飞行器的载荷。
21.进一步地，还包括：电桥平衡自调节模块，用于控制所述信号放大模块的直流偏置，以实现所述惠斯通全桥保持电桥平衡。
22.进一步地，还包括：信号滤波模块，用于对放大处理后的应变信号进行滤波处理。
23.进一步地，还包括：数据存储模块，用于对所述应变数据和所述温度数据进行数据存储，其中，采用乒乓并行模式进行数据存储，当一条存储链路进行数据存储时，另一条存储链路进行坏块检测。
24.进一步地，还包括：供电激励模块，用于向所述信号测量模块提供电信号激励，以完成信号测量；
25.主控模块，由单片机控制单元和可编程逻辑控制fpga单元组成，其中，所述单片机控制单元用于向电桥平衡自调节模块发送控制信号，所述fpga单元用于对所述应变数据和温度信号进行量化编码；
26.算法模块，用于采用并联解耦分析法获取飞行器的载荷，其中，先根据应变数据和温度数据构建校准矩阵，再根据所述校准矩阵计算获得所述载荷。
27.有益效果：
28.(1)本发明提供了一种飞行器载荷测量方法，通过在在一个载荷测点周围布置四个应变贴片组成惠斯通全桥测点，测量飞行器的应变信号，在测量飞行器的应变信号的同时测量飞行器的温度数据，根据温度数据补偿应变数据，可以最大限度的降低温度对测量的影响，并提高测量精度，确保小量程弯矩也能准确测量飞行器的载荷。
29.(2)通过单片机调整所述信号放大模块的直流偏执，控制电桥平衡自调节模块来保持惠斯通电桥的实时平衡，避免了传统的手动调节电位器的电桥平衡法调节困难，硬件结构容易损坏，调节不准确的问题，进一步提升了载荷测量的精度。
30.(3)对放大处理后的应变信号进行滤波处理，能够减少应变信号在采集过程中的噪声影响，使得最终的应变数据更为准确。
31.(4)采用乒乓并行模式进行数据存储，当一条存储链路进行数据存储时，另一条存储链路进行坏块检测，可以使得坏块检测与数据存储操作之间相互交替运行，以实现对信号数据的连续存储，提高存储速率，便于后续的数据计算处理。
32.(5)还设置算法模块，通过并联解耦分析法获取飞行器的载荷，可以进一步减少载荷测量的误差，提高准确度。
附图说明
33.图1是本发明的载荷测点布置示意图；
34.图2是本发明提供的飞行器载荷测量系统的结构框图；
35.图3是本发明的测量系统的电桥平衡自调节电路原理图。
具体实施方式
36.本发明提供了一种飞行器载荷测量方法，首先，在一个载荷测点周围布置四个应变贴片组成惠斯通全桥测点，测量飞行器的应变信号，其中，在测量飞行器的应变信号的同时测量飞行器的温度数据；之后，对应变信号进行放大处理，并对放大处理后的应变信号进行模数转换处理，获得应变数据；之后，根据所述温度数据对所述应变数据进行校准补偿，以校准补偿后的所述应变数据表征所述飞行器的载荷。可以在最大限度的降低温度对载荷测量影响的同时，提高载荷测量精度，确保小量程弯矩也能准确测量飞行器的载荷。
37.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
38.本发明首先提供了一种飞行器载荷测量方法，包括以下步骤：
39.步骤一、在一个载荷测点周围布置四个应变贴片组成惠斯通全桥测点，测量飞行器的应变信号，其中，在测量飞行器的应变信号的同时测量飞行器的温度数据；
40.不同于传统方法的只对一种物理量进行采集，在本发明的实施例中，在同一测点附近优选四个贴片位置，组成惠斯通全桥测点，并集成桥路补偿措施，增加温度测点，以最大限度的降低温度对测量的影响。
41.步骤二、对应变信号进行放大处理，并对放大处理后的应变信号进行模数转换处理，获得应变数据；
42.其中，根据温度数据和用于测量温度数据的温感电阻的阻值，获得温度与应变的对应关系，通过算法调节进而补偿所述应变信号。在本发明的实施例中，温度测量可以采用四线制铂电阻温度传感器完成，查表得出pt100阻值与温度的对应关系，进而得出阻值与电压的关系，通过调节增益电阻设置适合的放大倍数，使输出电压满足模数转换处理的要求。
43.为了使得载荷测量的结果更加准确，在本发明的实施例中，对应变信号进行放大处理之后，对放大处理后的应变信号进行滤波处理。
44.步骤三、根据温度数据对应变数据进行校准补偿，以校准补偿后的应变数据表征飞行器的载荷。
45.在本发明的实施例中，步骤二获得的应变数据可以直接表征飞行器的载荷，但是为了使得载荷测量更加准确，所以采用温度数据对应变数据进行补偿，在本发明具体实验过程中，通过连续采集同一测点在同一受力、不同温度条件下的应变数据，将温度数据和应变数据的代入预设算法中，以完成对应变数据进行校准补偿。其中，预设算法为传统的数学算法，通过数学算法对采集数据进行补偿处理，不是本发明的重点内容，这里不再详细描述，可以通过最小二乘法拟合温度数据与应变数据的对应关系，之后将实验过程中多次采集的温度数据和应变数据代入拟合关系式中，获取补偿参数，完成对实际测量过程中的应变数据的补偿；或者，还可以根据多次采集的温度数据和应变数据构建校准矩阵，通过校准矩阵对所述应变数据进行校准补偿，这里不做限制。
46.在本发明的实施例中，获得应变数据之后，还包括：对应变数据和温度数据进行数据存储，其中，采用乒乓并行模式进行数据存储，当一条存储链路进行数据存储时，另一条存储链路进行坏块检测。
47.在具体实施过程中，数据存储可以选用两片nand型flash进行应变与温度数据的存储，由于存储时首先要进行坏块的判断再进行数据的存储，为了提高存储速率，采用乒乓存储结构，即在flash_1进行数据存储时对flash_2进行坏块检测操作，使得两块flash在坏
块检测与数据存储操作之间相互交替运行，以实现对信号数据的连续存储。
48.根据上述飞行器载荷测量方法，本发明还提供了一种飞行器载荷测量系统，包括：信号测量模块，用于采用惠斯通全桥测量的方式测量飞行器的应变信号，并用于测量飞行器的温度数据；信号处理模块，用于对应变信号进行放大处理并对放大处理后的应变信号进行模数转换处理，获得应变数据；信号补偿模块，用于根据温度数据对应变数据进行校准补偿，以校准补偿后的应变数据表征飞行器的载荷。
49.在一具体实施例中，为了提高载荷测量精度，本发明提供的测量系统还包括：信号滤波模块，用于对放大处理后的应变信号进行滤波处理。
50.在一具体实施例中，本发明提供的测量系统还包括：电桥平衡自调节模块，用于控制信号放大模块的直流偏置，以实现惠斯通全桥保持电桥平衡。
51.在一具体实施例中，本发明提供的测量系统还包括：数据存储模块，用于对应变数据和温度数据进行数据存储，其中，采用乒乓并行模式进行数据存储，当一条存储链路进行数据存储时，另一条存储链路进行坏块检测。
52.在一具体实施例中，本发明提供的测量系统还包括：供电激励模块，用于向信号测量模块提供电信号激励，以完成信号测量；
53.主控模块，由单片机控制单元和可编程逻辑控制fpga单元组成，其中，单片机控制单元用于向电桥平衡自调节模块发送控制信号，fpga单元用于对应变数据和温度信号进行量化编码；
54.算法模块，用于采用并联解耦分析法获取飞行器的载荷，其中，先根据应变数据和温度数据构建校准矩阵，再根据校准矩阵计算获得载荷。
55.应变片在未发生形变的状态下会产生初始偏置电压，导致电桥发生偏移，为提高测量精度，需采用一定的方法驱使电桥平衡。传统的电位器法，调节方式较为困难，外部结构易损坏。本发明采用单片机控制dac输出，调节仪表放大器的vref引脚，进而调整仪表放大器的输出直流偏置。
56.在本发明的实施例中，算法模块可以通过上位机实现。
57.在一具体实施例中，本发明提供的测量系统还包括：电源模块，用于将飞行器输出电压转换为系统工作电压。
58.为了使得本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体地场景实施例进行阐述。
59.场景实施例一
60.图1是本发明的载荷测点布置示意图，如图1所示，在同一测点附近优选四个贴片位置，组成惠斯通全桥测点，并集成桥路补偿措施，增加温度测点，以最大限度的降低温度对测量的影响。
61.图2是本发明提供的飞行器载荷测量系统的结构框图，如图2所示，该测量系统包括：电源管理模块、主控模块即单片机控制和fpga逻辑控制、信号采集模块(对应上述实施例中的信号测量模块)即应变片和温度传感器组成的模块、信号调理模块(对应上述实施例中的信号处理模块、信号补偿模块和电桥平衡自调节模块等)、数据存储模块、供电激励模块即供桥激励和恒流源激励，以及通信模块和上位机等。
62.单片机控制和fpga逻辑控制组合形成系统主控模块；信号调理模块针对应变信号
与温度信号不同的信号特性分别设计；数据存储模块将数据进行存储；通过单片机控制rs422通信模块上传至上位机，上位机可发送指令至单片机，通过spi总线与fpga通信，实现对数据存储模块的擦除与读写。
63.传感器信号通过应变片与四线制铂电阻温度传感器获取应变数据与温度补偿数据；其中，应变数据为飞行器受到的载荷数据。
64.电源模块用于将飞行器输出电压转换为系统工作电压。
65.供电激励模块用于向应变片与温度传感器提供传感器所需激励。
66.信号调理模块，分为应变信号调理模块与温度信号调理模块。应变信号调理电路包括电桥平衡自调节部分、信号选通部分、信号放大部分、低通滤波部分、各通道应变片信号由模拟开关选通进入仪表放大器进行放大，信号通过低通椭圆滤波器进行滤波后，进入高精度a/d转换模块。采用8阶低通椭圆滤波器，根据调整滤波芯片外围的开关电容电路来控制噪声频率，其中，c表示滤波器的开关电容，pf表示开关电容的单位，f表示滤波频率。温度信号调理模块中，8通道的温度信号通过模拟开关选通进入放大器，查表得出pt100阻值与温度的对应关系，进而得出阻值与电压的关系，通过调节增益电阻设置适合的放大倍数，使输出电压满足ad采集转换的要求。信号采集模块用于对信号调理模块处理过的数据进行模数转换，经24位的adc转换，得到传感数据。
67.数据存储模块将fpga量化编码的数据进行存储；数据存储模块选用两片nand型flash进行应变与温度数据的存储，由于存储时首先要进行坏块的判断再进行数据的存储，为了提高存储速率，采用乒乓存储结构，即在flash_1进行数据存储时对flash_2进行坏块检测操作，使得两块flash在坏块检测与数据存储操作之间相互交替运行，以实现对信号数据的连续存储。
68.图3是本发明的测量系统的电桥平衡自调节电路原理图，如图3所示，展示了上述测量系统的信号调理模块的基本原理。应变片在未发生形变的状态下会产生初始偏置电压，导致电桥发生偏移，为提高测量精度，需采用一定的方法驱使电桥平衡。传统的电位器法，调节方式较为困难，外部结构易损坏。本发明采用单片机控制数模转换器dac输出，调节仪表放大器的vref引脚，进而调整仪表放大器的输出直流偏置。为了实现调节电桥正负偏移的功能，使用精密放大器与四个精密电阻组成减法运算电路。其中，ud为设置的dac输出电压，设置范围为0～4.096v；uc为参考电压源输出的电压，电压值为2.5v；ub为上述减法电路转换为的平衡电压；r1，r2，r3，r4为平衡电阻。假设精密放大器的正输入电压为u
+
，负输入电压为u-，根据“虚短”与“虚断”原理可知：
[0069][0070][0071][0072]
一般情况，r1＝r3,r2＝r4,在这个条件下能保证精密放大器的两个输入端对地电阻平衡，也可避免降低共模抑制比，整理上式得：
[0073][0074]
由上述分析得出，当dac输出电压为0v时，当dac输出电压为4.096v时，由此可知，上述减法电路可实现dac输出双极性电压，并且通过调整的值来调整电桥平衡电压的范围。
[0075]
为了使得载荷测量的结果更加准确，本发明在上位机中设置算法模块，其中算法模块中采用并联解耦分析法反向解算载荷，在算法模块中，并联解耦分析法选用最小二乘法进行校准矩阵的解算，该方法的误差项相对独立，可保证在满量程范围内的总体误差最小。首先根据c＝fu
t
(uu
t
)-1
将采集到的数据求取校准矩阵：然后利用校准矩阵根据f＝cu反解载荷数据。其中，f为广义力向量；c为校准矩阵；u为输出向量，u
t
为矩阵u的转至。
[0076]
综上，本发明提供了一种飞行器载荷测量方法及系统，其中，单片机与fpga组合形成系统主控模块。由于应变信号为瞬变信号，温度信号为缓变信号，针对应变信号与温度信号不同的信号特性分别设计了可靠的应变信号调理模块与温度信号调理模块。数据经信号调理模块进行数据处理，进入高精度a/d转换模块，经过fpga控制量化编码存入数据存储模块，通过单片机控制rs422通信模块上传至上位机，上位机可发送指令至单片机，通过spi总线与fpga通信，实现对数据存储模块的擦除与读写。
[0077]
本发明针对传统的多通道采集系统大多只对一种物理量进行采集，不能将多种传感器数据同时进行采集分析，且无法长时间存储这一问题分别设计了信号调理电路与数据存储电路。针对高精度采集需求，摒弃了传统的手动调节电位器的电桥平衡法，并通过单片机控制实现电桥平衡自调节；铂电阻温度传感器则采用四线制测量，且通过恒流源供电，可有效消除引线电阻的影响；加入滤波电路进一步提升数据采集的精确度。本发明也可实现温度数据与应变数据分节点采集、分别进行数据处理，减少不同载荷之间线缆束缚。
[0078]
本发明摒弃了传统的手动调节电位器的电桥平衡法，并通过单片机控制实现电桥平衡自调节，进一步提升数据采集精度；实现了8通道应变数据与8通道温度数据的实时采集与存储；校正矩阵的解算弥补了现有理论计算和仿真模拟的不足，大大提高了数据的精确度与可靠性。
[0079]
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种飞行器载荷测量方法，其特征在于，包括：在一个载荷测点周围布置四个应变贴片组成惠斯通全桥测点，测量飞行器的应变信号，其中，在测量飞行器的应变信号的同时测量飞行器的温度数据；对所述应变信号进行放大处理，并对放大处理后的应变信号进行模数转换处理，获得应变数据；根据所述温度数据对所述应变数据进行校准补偿，以校准补偿后的所述应变数据表征所述飞行器的载荷。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述温度数据对所述应变数据进行校准补偿，包括：连续采集同一测点在同一受力、不同温度条件下的应变数据，将所述温度数据和应变数据代入预设算法中，以完成对所述应变数据进行校准补偿。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述应变信号进行放大处理过程中，采用单片机控制所述应变信号放大过程中的直流偏置，以实现所述惠斯通全桥保持电桥平衡。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述应变信号进行放大处理之后，还包括：对放大处理后的应变信号进行滤波处理。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获得应变数据之后，还包括：对所述应变数据和所述温度数据进行数据存储，其中，采用乒乓并行模式进行数据存储，当一条存储链路进行数据存储时，另一条存储链路进行坏块检测。6.一种飞行器载荷测量系统，其特征在于，包括：信号测量模块，用于采用惠斯通全桥测量的方式测量飞行器的应变信号，并用于测量飞行器的温度数据；信号处理模块，用于对所述应变信号进行放大处理并对放大处理后的应变信号进行模数转换处理，获得应变数据；信号补偿模块，用于根据所述温度数据对所述应变数据进行校准补偿，以校准补偿后的所述应变数据表征所述飞行器的载荷。7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：电桥平衡自调节模块，用于控制所述信号放大模块的直流偏置，以实现所述惠斯通全桥保持电桥平衡。8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：信号滤波模块，用于对放大处理后的应变信号进行滤波处理。9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：数据存储模块，用于对所述应变数据和所述温度数据进行数据存储，其中，采用乒乓并行模式进行数据存储，当一条存储链路进行数据存储时，另一条存储链路进行坏块检测。10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：供电激励模块，用于向所述信号测量模块提供电信号激励，以完成信号测量；主控模块，由单片机控制单元和可编程逻辑控制fpga单元组成，其中，所述单片机控制单元用于向电桥平衡自调节模块发送控制信号，所述fpga单元用于对所述应变数据和温度信号进行量化编码；算法模块，用于采用并联解耦分析法获取飞行器的载荷，其中，先根据应变数据和温度
数据构建校准矩阵，再根据所述校准矩阵计算获得所述载荷。

技术总结
本发明公开了一种飞行器载荷测量方法及系统，首先，在一个载荷测点周围布置四个应变贴片组成惠斯通全桥测点，测量飞行器的应变信号，其中，在测量飞行器的应变信号的同时测量飞行器的温度数据；之后，对应变信号进行放大处理，并对放大处理后的应变信号进行模数转换处理，获得应变数据；之后，根据温度数据对应变数据进行校准补偿，以校准补偿后的应变数据表征飞行器的载荷。可以在最大限度的降低温度对载荷测量影响的同时，通过单片机控制电桥平衡自调节模块来保持惠斯通电桥的实时平衡，提高载荷测量精度，确保小量程弯矩也能准确测量飞行器的载荷。行器的载荷。行器的载荷。


技术研发人员：张超颖 李炜 马国轩 梁伟健 任婧怡 李多
受保护的技术使用者：陕西电器研究所
技术研发日：2022.09.08
技术公布日：2023/6/27