автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Диагностика эксплуатационного состояния поверхности ВС и влияние дополнительного сопротивления на расход топлива

\ ' ; /МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ■ КиевскиЯ институт инженеров гражданской пвлапии

На правах рука; : «и

РУДШСЛ Василий Евсгафьеьи.,

ДИАГНОСТИКА ЭКШУАТЛЩЮННОП) СОСТОЯНИЙ ПОВЕРХНОСТИ ВС И ВЛИЯНИЕ ДШОЛКТЕЛЫЮГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА РАСХОД ПОПЛИНА.

Специальность: 0o.I3.0I. - упраилеш-е в тонических системах;

05.07.01. - аэродинамики и процессы теплообмена

Автореферат ^ диссертации нч соискание ученой стелен*: кандидата тохничес^х наук

Киев КНИГА 1992

с

Работа выполнена на кафедре аэромеханики и дянкшпсиполвга летательных аппаратов Киевского института инженеров гражданской авиации. . Г !.

Научные руководители - Заслуженный доят <ль науки УССР, ;

доктор технических и&ук, профессор

A.М,Мхигарях, ' ! *•„ ,.'

кандидат технических каук, доцент

B.К.Антонов.

Официальные оппоненты- доктор физико»-математических наук, профессор Ю.И.Шмаков, .доктор технических клук, профессор . В.М.Зеилянский

Задув*« организация - указана в решении специализированного совета

Защита состоится " " 199 р. в часов

на заседании специализированного совета К.072.04.02 в Киевском институте инженеров гражданской авиации по адресу:

252СЭ1, Киев-58, ГСП, пр.Космонавтз Комарова; I, корп. 9.

С .'>,№<сертацией можно ознакомиться в библиотеке КНИГА. Автореферат разослан " " • 1992 г.

Ученый секретарь специализированного

совета. К.072.04.02

кандидат технических наук, доцзнт I

А.Г.Еаскакова

- ОБ^Я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Повышение о^ективнссти испольсования зоэ'-цушных судов (ВС) является важнейшей задачей гражданской авиаций.' В ссязи с этим вопросы обеспечения высокой ¡эффективности ВС, осЙди-ни«я показателями"которой являются безопасность, регулярность й экономичность полетов, приобретая? первостепенное значение.

Тема диссзргациокяой работы яалязтся актуальной, пос.чолЬ;^ работа направлена на ооверсенствование автоматизации контроля эксплуатационного состояния поверхности самолета с применением коордй-натно-чувствительных фотопрпеьашков и мияро-ЭВМ различного типа, отличающихся достаточной оперативностью, высокой скорости обработки информации, позволяющей в реальном масатабе времени контролировать контур поверхности. Проблема автоматизации аэродинамических измерений является важной еще и потому, что по мере усложнений юстироолшя ВС становятся более острой.

Достижения в электронной технологии привели к созданию эффек-гивнкх и недорогсстоящих свдЪси контроля и диагностики пэродиняш-гесхого состояния, более адекватно соответствующих процессам летной жсплуатации. Эти факторы обусловливаэт рост интереса к активный «етоцам диагностики состояния ВС и появлегою технологических сбраз-109, работающих в р-зал&шх полетай условиях.

Цель работы. Цель» диссертационной работы является разработка ют о да и системы контроля эксплуатационного состояния геометрии теаией поверхности ВС при аэродинамических исследованиях модели I трубе и полета ВС, исслздоваиия влияния дополнительного сспротиз-ения от состояния геомзтрии поверхности на расход топлива и диаг-ястики критических нарусений исходной поверхности.

В соответствии с поставленной цельа определяются следующие эа-ачи работа:

- разработка метода бинарного оконтуривания и его аппаратурной еализации для контроля формы и других характеристик поверхностей;

- контроль не раз рушащих поверхностей;

- оценка и расчэт влияния дополнительного сопротивления на асход топлива з зависимости от изменения формы и шероховатости эверхности;

- разработка дистанционного метода контроля контура поверх-эсти и шероховатости поверхности частей ВС;

- построение физической модели системы для автоматизированное з способа съеиа ценных, поступающих от поверхности БС в виде оп-

тичаского сигнала, который преобразуется вцяфровой коди обрабатываема,-на микро-ЭВМ; г

.-■■создание рабочей базовой опто-ыеханической ?хемыизмерителя; ,-.дез работка лабораторного стенда для проведения экспериментальных; исследований;

исследование характеристик натурных элементов конструкции ВС; ;. - '.'.'"■

.— составление алгоритма и программ для обработки эксперимен- . тадьных исследований;

- разработка структуры и алгоритмов функционирования бортового измерителя поверхности.

Научная новизна. В работе разработаны метод и устройство, позволяющие в определенном масштабе времени производить контроль поверхности ВС, определять отклонение поверхности от исходного состояния и оценивать его влияние на перерасход топлива в процессе полета. '

Практическое значение. Разработан новый метод контроля поверхности ВС, экспериментально проверена его работоспособность. Проведено сравнение разработанного метода с известными существующими и показана его эффективность при построении бортовых измерителей ,. .формы ВС.

Внедрение результатов. Результаты исследований получены и внедрены в процессе выполнения ряда научно-исследовательских работ. Разработанное устройство прошло промышленные испытания, во время которых подтверждена его эффективность и работоспособность при.определении формы поверхности ВС в реальных условиях эксплуатации. Разработанный метод внедрен в производство в СКТБ "Изолятор" г.Славянок. Проведены испытания лабораторной установки на 410 заводе ГА. В результате успеиных лабораторных и промышленных испытаний измеритель внедрен в серийное производство.

Апробация заботы. Основные положения работы докладывались на НТК молодых ученых КНИГА - Киев, 1985 г.; на научном семинаре СКТБ "Изолятор" г.Славянск, 1968 г. lío теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, получено авторское свидетельстве на изобретение SU I6I9I4 3 Al, '

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит 165 страниц, из них 46 - рисункои. ' . •

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки метода автоматизированной диагностики изменения формы частей ВС ь реальном масштабе времени и оптико-электронной системы для ее аппаратурной реализации. Излагается структура диссертационной работы.

В первой главе описаны существующие методы и методики контроля обводов самолета с помощью шаблонов накладными»приборами. Рассмотрены различные типы систем для контроля обводов самолета бесконтактным методом. В частности, проанализированы преимущества и недостатки лазерных измерительных систем, использующих фотоэлет-раческие и телевизионные методы. Рассмотрены методы контроля состояния поверхности ВС.

Обоснованы преицупества оптических бесконтактных методов контроля геометрических факторов поверхности. Приведен обзор современных теоретических основ оптических методов измерений и методов последующей обработки информация.

С учетом результатов анализа известных методов и аппаратурных средств измерений, а также информационно-патентного поиска выбрана бесконтактная измерительная система, принятая в качестве прототипа.

Рассмотрены особенности работы опго-элзктронных систем в активном и пассивном режиме.

• Во второй главе изложен предлагаемый метод оконтуривания. Представлены алгоритмы его имитационного моделирования.

Изображение подсвечиваемого объекта проецируется с помощь» объектива на диск чувствительных элементов, подобно тому как ого имэет место э телекамере. Блок чувствительных элементов представляет собой прибор зарядовой связи (ПЗС), с которого электрический сигнал с помощью электронной схемы преобразуется в цифровой код, поступавший на вход микро-ЭВМ, синхронизированной с измеряемыми сигналами.

Преимущество ПЗС заключается в конструктивной и технологической простоте, малых габаритных размерах и массе, значительной долговечности и надежности.

В работе также предложен новый бинарный метод оконтуривания. Сущность его состоит в том, что на приборах с зарядовой связью фзобраэуют теневую проекцию в видеоимпульс, по положению фронта шдеоимпульса определяют путем интерполяции координаты Хс, Ус гра-мцы теневой проекции на плоскости фотопреобразователя по формулам V - X. * Хж - и - У> * У.

— г—»

где Х^, У^ - координаты, соответствующие началу фронта видеоимпульса; Х<5» У £ - координаты, соответствующие коше фронта и видеоимпульса. • • . .? '

Но координатам Хс, Ус определяют, используя известные соот-нопения геометрической оптики, координаты поверхности, сравнивают полученные значения координат поверхности с рассчитанными заранее их эталонными значениями в реперных точках, по результатам сравнения осуществляют диагностику.

От других методов, рассматриваемых в работе, бинарный метод ' отличается простотой реализации, ему не присущи трудности, связанные с выбором мощности источника излучения, что обеспечивает более низкий уровень требований по чувствительности приемного тракта. Положительный аффект обеспечивается тем, что. вначале по положению фронта импульса определяют путем-интерполяции координаты границы теневой проекции на плоскости фотопрэобразовагеля, которые затеи пересчитывают в координаты поверхности, что позволяет обойтись без измерения его амплитуды.

При реализации бинарного мзтода поверхность ВС разбиваем на ряд зон, в которых заранее на основе летных экспериментов и численных расчетов на ЭВМ предполагается измерение контура профиля (рис.1,2). Выбирается одна'критическая зона и в дальнейшем следим за поверхностью только в этой зоне. -

Блок-схема физической модели бинарного метода представлена на рис.3. •

Устройство содержит длиннофокусный объектив I, расположенные вдоль его оптической оси светофильтр 2 и фотопреобраэователь 3, установленный в плоскости изображения объектива I, последовательно соединенные видеоусилитель 4, входом подключенный к фотопреобразо-пателю 3, блок 5 выборки и хранения, усилитель 6, вычислитель 7 координат, интерфейс 8, блок 9 вычислений, генератор 10 тактовых импульсов и блок II выдачи команд, выходы которого соединены соответственно со вторыми входами кнтед^йса 8 и блока 9 вычислений, а выходы генератора 10 тактовых импульсов соединены соответственно с управляющими входами фотопреобразователя. 4, блока 5 выборки и хранения и вычислителя 7 координат.

Устройство работает следующим образом.

Теневое изображение границ исследуемой поверхности 12 проецируется длиннофокусным объективом I на оптический вход фотопреобразователя 3 через светофильтр 2. Светофильтр 2 пропускает проецируемое изображение об исследуемой поверхности на заданной длине

6 •

Рис, I. Измерение конгура профиля '

волны. Световой поток, содержащий в себе информацию о координатах ." исследуемой поверхности 12, попадая на фотопреобрааоватеЛь 3, выполненный, например, на ШС, преобразуется в электрический сигнал - зарядовый пакет. Управление выходным сигналом с фотопреобразователя 3 осуществляется генератором 10 тактовых импульоов, который позволяет регулировать длительность имт/льсных сигналов, одновременно и'в равной степени сохраняя все канальные и межканальные соотношения путем изменения лишь одного параметра. Электрический сигнал снимается с выходного регистра фотопреобразователя 3 и после усиления видеоусилителем.4 поступает в блок 5.выборки и хранения^., который служит для выделения и хранения полезного сигнала.

Далее сигнал усиливается усилителем 6 и подается на вычисли-. гель 7 координат, который преобразует информационный сигнал, соответствующий определенно^ номеру ячейки ПЗС фотопреобразовател.я 3, вычисленный по'формуле (I), в двоичный код. Сигнал с вычислителя 7 координат через интерфейс 8 поступает в блок 9 вычислений, выполненный, например, на основе процессора типа "Электроника-60", где происходит сравнение преобразованных величин реальных координат исследуемой поверхности с эталонными значениями координат теорети-' ' ческого профиля, рассчитанными заранее и заложенными в память блока 9 вычислений. Блок II выдачи команд согласует работу блока 9 '-вычислений с остальными элементами устройства.

Таким образом, определение положения фронта видеоимпульса с помощью интерполяции по формулам (I) позволяет исключить из процесса диагностики операции интегрирования и измерения амплитуды видеоимпульса, что, в конечном итоге, приводит к повышения точности определения координат исследуемой поверхности и повышения производительности диагностики. Способ позволяет также осуществить в устройстве, его реализующем (на основе ЭВМ)-, измерение координат поверхности в реальном масштабе времени. -

В микро-ЭВМ производится программная обработка сигнала, представляющего собой видеоимпульс. С целью выделения сигнала, содержащего информацию о границе наблюдаемого объекта, в' микро-ЭВМ производится его обработка. При этом сравнивается значение сигнала из области, заведомо принадлежащей области изображения объекта с текущими значениями при сканировании. При подсвечивании объекта переход сканирующей точки за границу его изображения сопровождается скачкообразным изменением сигнала. Условие скачка служит для опрэ-деления границы сечения изображения объекта. Однако в процессе' ' ■ . 8

Риз. 3. Блок-схема физической модели бинарного метода

¡канироваяия возникают флуктуации сигнала, обусловленные неодно-хэдностьг» поверхности объекта, изменением условий освещения и декретноетьи считывания информации. Для уменьшения их влияния производится дополнительная обработка переднего фронта сигнала, го есть ого фильтрация. Фильтрация осуществляется с помощью программно реализованного интегратора.

В основу предложенного метода положен метод, заключающийся в зьщелении контура изображения объекта и получении-тоневой проекции 1редмета на расположенном в плоскости изображения объектива сканирующем фотопреобразователек на приборе с зарядовой евпзыэ и преобразованием теневой поверхности в видеоимпульс.

Положение фронта видеоимпульса определяется положением соответствующего засвеченного элемента, при этом засвеченным считается гот элемент, амплитуда которого превышает уровень, выбранный с учетом соотношения полезного сигнала и шумового и график будет изображать собой видеоимпульс на линейном фогопреобразователе.

При интегральной оценке положения координаты на оси X берется интервал, начало которого является началом фронта Хн, а длительность Т несколько больше длительности фронта, при этом координата Хг» Хн + Т Хк. Проинтегрируем видеоимпульс в пределах длительности интервала Т.и зозьмем отношение полученного интеграла к амплитуде Площадь интегрирования на' рис. 4 показана штриховкой. Она равна площади прямоугольника с высотой и некоторой шириной (ХГ1).Уср ), которая служит мерой положения кромки предмета

г V А, А, ■ (2)

г

Т

Рис. 4.

Из уравнения (2) получаем координату кромки: Х<р, = Хк -

А1

< з )

где (Г , X-зависимость освещенности предмета в плоскости изображения; А| - амплитуда видеосигнала; Хн - начало фронта видеоимпульса; Хк - конец фронта видеоимпульса.

Величина интеграла в выражении (3) при неизменной форме и ,,доительности фронта Т - величина постоянная и, следовательно, смещение кромки на величину йХ приведет к такому же смещению X» и X,,,.

Как видно из уравнения (3), координата Яр не зависит от цли-, тельности интервалов Т. V' : "/

При изменении освещенности все координаты Г00 изменяются в ^И ,. цаз.. т.е._/Ч.^00=£(Х) соответственно » А*. Начало и конец фрон-, та, а также длительность интервалов остаются неизменными. Тогда Я*

X -X У «X (45

Таким образом, координата не зависит от освещенности амплиту-л. ды видеоимпульса.

Как видно из уравнения ( 2 ), получение интегральной оценки , связано с определением координаты Хн, поскольку необходимо выбрать ,, предварительно действительное начало фронта, т.к. значение Л(*) до начала фронта равно 0. Можно начало интегрирования определято по уровню отсечки, например,3(0) в точке 0, т.е. = X« . Если уровень отсечки брать пропорционально амплитуде А^, то при ее изменении кривая пересечения уровня отсечки Д», кривой (X) в точке будет не той же координате Х0. При этом все рассужде- , ния и полученные формулы остаются справедливыми, только вместо Хн следует брать значение Х0 и от него следует отсчитывать интервал . Т.

Далее в птой же главе рассматривается математическая модель. ; .контроля состояния поверхности бинарным но то дом. ■

; Математическое описание модели разделено на 2 этапа. На пер. вом оценивается точность и погрешности, связанные с оптическим блоком формирования изображения и световым каналом. На втором у-обрабатывается видеосигнал с ПЗС, взятый в виде дискретных выборок-

• В методе рассматривается суммарная интенсивность светового"' поля объекта, отнесенного к заданному моменту Ь , независимо от спектрального состава, т.е.

где А —амплитуда, X, У - координаты,-^ - длина, Ь - момент времени, - начальный момент, I - интенсивность.

Предлагаются и анализируются два способа нахождения пространственных координат элементов изображения поверхности ВС. В зависимости от класса решаемой задачи изменение положения элемента изображения в фотоприемной плоскости 5Ш на Г!ЗС может проподиться путем выбора адреса фотоприемной ячейки или информационным способом.

В основу конструкции предлагаемого устройства положен иибор адреса ячейки, не требующий программной обработки на специальной ЭВМ и легко реализуемый аппаратным схемным путем (рис.5).

Рис. 5.' Блок-схема определения координаты измеряемой точки плоскости

Тактовые импульсы, управления одной из фаз выходного -тистра

поступай? на вход делителя частоты 1/2 и через коммутатор к выходу счетчика элементов строки Сц, и ¿Vi импульс синхронизации стро-. ки СС производит сброс счетчиков в 0.

После этого, при отсутствии сигнала со схемы выделения оги-' баюсцей СВН, происходит счет импульсов фазы. При появлении сигнала со схзмы выделения огибающей СВО осуществляется запись кода числа элементов строки, соответствующих координате X в регистр хранения ■ Рх и происходит переключзние частоты. После окончания сигнала огибающей происходит переключение частоты, а также запись в регистры Рх и Р..с. Коды с выходов регистров Pxj, Рх2» Рхс поступают на дальнейшею обработку. Аналогичным образом определяются координаты У|, У 2* Ус, только в этом случае происходит счет синхроимпульсов строки СС.'

В третьей главе описывается экспериментальное исследование метода оконтурквания.

Разработана методика проведения факторных экспериментов для определения влияния на характеристики дистанционного метода следующих факторов: « . ■ ~

- расстояние до различных сечений плоскости;

- изменение стреловидности крыла;

- изменение базы;

. - вид покрытия плоскости;

- различная степень износа поверхности;

- различная освещенность.

Основная серия факторных исследований проводилась ка реальном образце крыла самолета 'iy-134 с различной степенью износа поверхности и различных углах видения. Во всех лабораторных экспериментах использовался только один приемный канал. Расстояние до исследуемой поверхности было выбрано 3 м, что обусловлено размерами лаборатории.

В качестве меры для оценки работы оптического приемника, ко-ординатно-чувстьительного приемника взята величина

6 = д^- 4т1 ' < 6 >

rta

где ÜÜ) - полоса частоты пропускания тракта в мкг. Мощность сигнала р„/Рш = 10 - отношение к шуму сигнала. Р_п - средняя мощ-

¿ ■ ■ су

ность toлучения.

Далее рассчитывается разрешающая способность устройства. Затем рассматривается программа аппроксимации снятых точек с поверх-

носги. Математическая суть,программы сводится к тому, что на известную плоскость проецируется кривая произвольно ориентированных в пространстве координат и восстанавлизается пространственное преобразование координаты.

Четвертая глава посвящена вопросам разработки устройства, реализующего методы оконтуривания.

Сформулированы обоснованные исходные данные для разработки технического задания ка создание образца по определен™ форм профиля, его неровностей, трещин, выпуклостей, нивелировки самолета.

Описывается принцип действия созданного образца контроля поверхности.

Для хранения данных первичной и выходной информации, ее обработки и выдачи в'удобном виде на дисплей, АЦПУ или графопостроитель используется микро-ЭВМ. •

Измеритель состоит из следующих элементов:

- приемной опто-электронной головки на базе фото-ПЗС приемника;

- блока предварительной обработки;

- микро-ЭВМ;

- кабеля информационного;

- объектива "1!ндустар 61".

Эффективность использование данного устройства в значительной степени зависит от программного обеспечения. Программное обеспечение денного устройства соответствует следующим требованиям:

а) возможна адаптация к программно управляемым аппаратным блокам устройства;

б) реализован диалоговый режим работы, позволяющий оперативно измерять и координировать описание процесса анализа сигналов, что особенно важно при подготовке и отладке рновь создаваемых программ;

- в) организованы различные режимы обмена информации ЭВМ с аппаратурой (безусловный, условный и по прерыванию);

г) использована микро-ЭВМ, имеющая магистральную структуру интерфейса с аппаратной реализацией функции ввода-вывода информации. Программы реализованы на языках -ФОРТРАН, ЬЫЖИК, АССЕМУЕР.

В работе рассмотрены принципы организации ПО устройства. Далее приведены данные влияния качества поверхности ВС, разбаланси-ровки его подвижных управляемых поверхностей на перерасход топлива.

Приведена блок-схемапрограмш,покоторой проводился рас-• чет. •

' В приложении представлены программы и результаты эксперимент <

тальккх заводских испытаний.

В заключении сформулированы основные результат и выводы по ч { диссертационной работе: , '"-.'

1. Обобщен опыт научно-исследовательской работы по разработ- . ке и исследованию оптических методов и систем контроля качества ;

^'.'■•поверхности. '"'■''.'' •

2. Проведен экспериментальный анализ погрешностей при измерз-кии гоометрии поверхности ВС.

3. Разработанный способ,, основанный на опто-электроншх мето-. ■ дах, позволяет осуществлять контроль эксплуатационного состояния .

" . , геометрии поверхности с последующим перерасчетом на перерасход топ- ■ '. лива. ■ • . ■,

4. Для увеличения заданного быстродействия при обработке ли- ' , , нэйных изображений был разработан аппаратный способ нахождения ко-

■ ' ординаты точки, обеспечивающий заданное быстродействие при быстром'-, , считывании предъявляемой информации.в виде цифрового кода с послед . '. дующей математической обработкой на ЭВМ. .

Ь, Результаты, полученные в диссертации, позволяют эффективно разрабатывать мероприятия, оптимальным образом защищающие и повышающие качество обработки информации на борту с последующей экономией авиационного топлива, повышением безопасности полетов.

6. Р&чработай образец измерителя контроля качества поверх.-. ности, прошедший заводские испытания для серийного производства.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Удавка В.Е. Моделирование бинарного метода оконтуривания профилей воздушных судов // Математические и электронные модели сложных систем и динамических процессов^ - Киев: КНИГА, 1989. -

С. 43-47.

2. Удавка В.Е. Определение остаточной деформации частей ВС при летной эксплуатации // Моделирование полета и аэродинамические исследования. - Киев: КНИГА, 1988. - С. 43-4Г>.

3. Руда в ;с а В.Е. Метод контроля эксплуатационного состояния геометрии поверхности самолета бесконтактным способом // Вопросы" ■эксплуатационной аэродинамики. - Киев: КНИГА, 1989. - С. 114-116.

4. ГУдавка В.Е. Генератор тактового питания приборов зарядовой связи // Математические и электронные модели сложных систем и динамических процессов, - Киев: КНИГА, 1989. - С. 43-45.

! 5. Удавка В.Е. Эффективность технического обслуживания авиационной наземной техники. Тезисы докладов научно-технической конференции молодых ученых КИИГА "Диагностика состояния поверхности ВС". - Киев: КНИГА; 1985. - С. 30.

6. 1Удавка З.Е., Измеритель качества поверхности // Завод 410 ГА. Акт испытаний лабораторного.стенда. - Киев: 1987.

7. {удавка В.Е. Разработка олектронно-оптического метода и установки по определению качества поверхности // СКТР по изоляторам и арматуре ВП0 "Совзэлектросетьизоляция". Акт внедрения результатов научно-исследовательской работы. - Славянск, Донецкой обл., 1987 г.

8. ¡^гдавка В.Е., Прнтула А. Д. Оптический способ диагностирования состояния исследуемой поверхности. Авторское свидетельство № 066272, заявка № 4233463.

9. ГУцавка в.Е., Захаров А.Д. Контроль неразрушавщих поверхностей. Акт гподрения образца. - Славянск\ До^цкой обл., 1991.