飛機飛行測試傳統(tǒng)上耗資巨大且耗時，需要復(fù)雜的硬件設(shè)計和集成以及廣泛的操作測試團隊來解決飛機停機時間，以便進行儀表維護和校準。

Dan O'Neil，  LORDMicroStrain?

波士頓軍用飛機Steve Low 

背景

飛機飛行測試傳統(tǒng)上是昂貴且耗時的，需要完成復(fù)雜的硬件設(shè)計和集成以及運營測試團隊來解決飛機問題儀表維護和校準，飛行操作和飛行后數(shù)據(jù)的停機時間處理和評估。

最近，波音軍用飛機飛行試驗和LORD MicroStrain共同合作對波音S-100自主旋翼機進行飛行載荷，振動和熱測量使用一套LORD MicroStrain無線傳感器和慣性設(shè)備。這個計劃其中自動旋翼機飛行測試程序利用同步網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的無線傳感器來收集感興趣的飛行數(shù)據(jù)。

除了成功收集數(shù)據(jù)外，波音團隊還能夠通過利用現(xiàn)成技術(shù)，大幅降低費用，加快飛行測試計劃的進度無線技術(shù)。相對實惠的技術(shù)的無線性質(zhì)允許微型集成到飛行器上，以及LORD SensorCloud?分析使一支由有限人員組成的團隊能夠根據(jù)近乎實時的情況做出決定/不做決定數(shù)據(jù)評估。這種方法提供了增強的決策效率，加速了飛行通過允許多個每日出動和并發(fā)數(shù)據(jù)分析來測試執(zhí)行。

介紹

S-100 Camcopter平臺是一種無人駕駛的垂直起降（VTOL）飛機由奧地利的Schiebel制作（圖1）。這種旋翼機能夠飛行50公斤載荷，可達6時，服務(wù)上限為5400米。經(jīng)營者可以通過地面控制站實時控制飛機，或飛機可以飛行預(yù)編程任務(wù)無操作員干預(yù)。波音梅薩是目前在美國的經(jīng)銷商，它為S-100進行了好的飛行測試計劃理解并描述對飛行關(guān)鍵動態(tài)和結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的影響。

圖1：波音S-100飛行試驗車

波音梅薩的測試團隊設(shè)定了執(zhí)行飛行應(yīng)變，振動和熱量的目標表征程序使用集中測試和分析方案。波音預(yù)計會有一個內(nèi)部團隊管理飛行測試的各個方面，從最初的計劃和調(diào)度到進行飛行和后續(xù)數(shù)據(jù)分析。設(shè)計測試的部分挑戰(zhàn)飛行器的設(shè)備在有限的空間和重量限制下該平臺。固有地，重型儀表系統(tǒng)被添加到飛機的后部將車輛重心（CG）進一步向后移動。權(quán)重添加到前向有效負載創(chuàng)造了類似的CG問題。儀表的案例是分布式模塊化系統(tǒng)無需在機身上添加壓載物進行CG校正。盡量減少侵入性安裝，減少飛機停機時間，提供訪問，并直接在現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)著陸后，波音梅薩向LORD MicroStrain傳感系統(tǒng)尋求使用它一系列2.4GHz無線傳感器，數(shù)據(jù)聚合器和用于飛行測試的SensorCloud分析支持。

飛行測試結(jié)果

在本文發(fā)表時，波音公司共進行了25次地面和飛行試驗測試團隊，每個代表一個特定的飛行包線測試點。在測試之間，工程師利用SensorCloud中提供的可視化和分析工具查看飛行測試數(shù)據(jù)在每個測試點完成時，在測試現(xiàn)場。這個工具使工程師使用不到20分鐘或以上的數(shù)據(jù)做出推進測試計劃的決定如果需要多數(shù)據(jù)，重復(fù)測試點。數(shù)據(jù)以校準的工程單位查看，從而能夠授權(quán)后續(xù)飛行。重要的是，它允許工程師評估飛行異常并在他們前進時調(diào)整安全控制。這個飛行測試計劃，因為一個小型的集中人員團隊完成了該計劃沒有大的組織支持。此外，飛行測試數(shù)據(jù)通道都是使用無線傳感器，數(shù)據(jù)可在飛機著陸后幾分鐘內(nèi)進行評估，并且?guī)缀鯇崟r地使用飛行數(shù)據(jù)來確定安全性和適航性在同一天進行多次飛行測試。

在整個測試計劃中，團隊沒有重復(fù)單次測試或因時間而丟失無線儀表故障。飛行測試計劃的執(zhí)行期限是由于板載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和評估工具是其中的一部分，因此減少了50％SensorCloud套件。這種特定的飛機繼續(xù)飛行并收集飛行測試數(shù)據(jù)利用無線技術(shù)的成本和時間節(jié)省優(yōu)勢。具體來說，這次飛行測試程序為波音公司提供了對負載和振動環(huán)境的深入了解該平臺允許證明產(chǎn)品改進的資源分配，載荷整合標準，從長遠來看，是發(fā)展的比較基礎(chǔ)健康和使用情況監(jiān)測改進。

使用無線系統(tǒng)的好

硬件成本

無線儀器的成本包括自定義硬件更改，刀片通過計數(shù)器定制設(shè)計，尾槳傳動軸（TRDS）定制設(shè)計和平衡，現(xiàn)場工程支持和SensorCloud /MathEngine?訪問不到70,000美元?；蛘?，如果一個被認為是具有兩個航空級滑環(huán)的傳統(tǒng)測量裝置組件，組件的成本為數(shù)量級，不包括記錄儀設(shè)備，儀表時間（硬線），機身修改，時間和支持人員添加數(shù)據(jù)分析。

使用已知應(yīng)變計技術(shù)修改飛機部件的成本是相同的, 無論LORD系統(tǒng)的無線特性如何，所使用的典型方法都是如此。

安排壓縮

原計劃該計劃預(yù)定15張飛行卡計劃完成，每天分配一天飛行，一天后進行數(shù)據(jù)分析。這種模式不包括緊急問題如天氣或飛機維修，分配連續(xù)30天的飛行和數(shù)據(jù)分析。使用LORD MicroStrain的技術(shù)和分析平臺，完成了飛行測試，包括14天內(nèi)飛機維修和其他緊急問題所需的時間。這個飛行測試時間表略微提了50％。

飛行器整合的好

包含較大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各個部件的小外形允許a數(shù)據(jù)收集套件這種強的實際安裝在飛機內(nèi)。典型的記錄器是太大而無法安裝在飛機本身內(nèi)，并且需要對機身進行修改利用外部安裝規(guī)定。

由于傳感器套件是模塊化的，因此分配了各個組件的總重量整個飛機，防止由于不可避免地出現(xiàn)的典型的船尾CG問題飛機負載修改。單元化的自包含節(jié)點和WSDA?組件沒有需要的包裝。

需要兩個復(fù)雜，嘈雜和維護密集的滑環(huán)被否定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線性。一個簡單的主旋翼頭支持兩個無線LORD旋轉(zhuǎn)參考系中的MicroStrain V-Link?-LXRS?節(jié)點取代了對a的需求設(shè)計的32通道滑環(huán)。從技術(shù)角度來看，不考慮飛機所提供的小空間內(nèi)滑環(huán)整合的復(fù)雜性無價。更換較大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可疑或有缺陷的組件防止測試延誤。單個單一化數(shù)據(jù)記錄中任何一個通道的故障系統(tǒng)會導(dǎo)致整個測試計劃的延遲。

由于能夠定位，所以與傳統(tǒng)方法相比，布線都被最小化節(jié)點發(fā)射器靠近儀表組件。LORD無線的設(shè)計組件允許使用已知的應(yīng)變計技術(shù)和實驗室校準，這提供了一個在可靠性和數(shù)據(jù)完整性方面具有高的舒適性。

數(shù)據(jù)檢索和分析

允許在飛機在附近時監(jiān)控工程單位中的通道的能力飛行測試工程師的實時前瞻授權(quán)。因為主節(jié)點發(fā)出信號正在監(jiān)測，不需要額外的信號傳輸設(shè)備來允許對峙監(jiān)控。此外，直接以工程單位下載記錄數(shù)據(jù)允許接近實時分析和判斷繼續(xù)測試，沒有次要的耗時任務(wù)比特到工程單位轉(zhuǎn)換。

SensorCloud分析工具允許交叉比較數(shù)據(jù)通道并且直觀地識別交感神經(jīng)的相互依賴性。再加上那種能力就是數(shù)據(jù)通道與整個航空器收集的飛機慣性數(shù)據(jù)之間毫不費力的相關(guān)性在堅固耐用的無線傳感器數(shù)據(jù)聚合器中通過機載GPS功能進行飛行（WSDA-RGD）（圖2）。關(guān)聯(lián)任何數(shù)據(jù)通道對飛機的響應(yīng)這種強大的能力可以實現(xiàn)機動。

圖2：來自www.SensorCloud.com的飛行測試SensorCloud?接口

地面和飛行測試

運行測試從地面啟動開始，以觀察飛機和傳感器性能。傳感器數(shù)據(jù)由WSDA網(wǎng)絡(luò)記錄，并通過無線鏈接實時監(jiān)控發(fā)動機啟動期間的地面站，以及從地面怠速到滿的發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升壓功率。地面運行表現(xiàn)出的傳感器性能，增加了起落架的負載和地面效應(yīng)中的操作造成的系統(tǒng)機械，并證明是增量飛行試驗車輛風險降低。圖3顯示了典型的地面運行數(shù)據(jù)集在車輛結(jié)賬時收集。應(yīng)該注意的是對機載的任何修改傳感器套件在任何飛行操作之前通過地面運行進行驗證。

圖3：標準化地面運行桅桿襟翼和TRDS扭矩

經(jīng)過工程團隊和安全專家的安全審查，測試車輛是已完成飛行測試操作。通常在現(xiàn)場后一天內(nèi)進行一次以上的飛行試驗工程師查看并批準了針對特定測試點收集的數(shù)據(jù)。這種方法也在測試卡完成后，在測試現(xiàn)場進行小型安全審查。該在繼續(xù)測試程序之前，工程師很容易審查以前的飛行數(shù)據(jù)。典型的標準化飛行試驗數(shù)據(jù)如下圖4所示。傳統(tǒng)的飛行試驗監(jiān)控旋轉(zhuǎn)框架中的負載將要求使用機電滑環(huán)，該飛行測試使用能夠傳輸數(shù)據(jù)的平衡旋轉(zhuǎn)無線載荷對固定框架感興趣。消除對滑環(huán)的要求允許打火機具有飛行價值的機身并降低了測量系統(tǒng)的復(fù)雜性。

圖4：標準化的S-100起飛數(shù)據(jù)

在飛行測試期間，只需要一名儀表工程師進行設(shè)計，安裝，配置和操作板載傳感器套件。這是通過（A）易于移除來促進的模塊化傳感器節(jié)點，如果檢測到問題則替換它們，以及（B）最小化傳感器和應(yīng)變儀之間的接線。測試飛行和初始禁止數(shù)據(jù)評估由五名人員進行，包括飛行員和維修技師。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向的飛機總線通電為WSDA單元提供電力被配置為喚醒相關(guān)節(jié)點并啟動同步傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過這種方式，飛機總線通電等于數(shù)據(jù)收集的開始。該然后，儀表工程師可以使用LORD MicroStrain基站來“監(jiān)聽”傳感器節(jié)點開啟并在地面上傳輸數(shù)據(jù)。一旦節(jié)點都清醒了考慮到并且飛行測試開始，儀表工程師可以繼續(xù)在節(jié)點因節(jié)點退出之前監(jiān)視傳感器網(wǎng)絡(luò)幾百英尺從節(jié)點到基站的擴展范圍。但是，節(jié)點繼續(xù)傳輸時間在飛行期間將數(shù)據(jù)同步到飛機上的WSDA單元。后來在飛行中測試程序中，WSDA電源被轉(zhuǎn)移到單獨的電池中以進一步簡化傳感器網(wǎng)絡(luò)電源開/關(guān)。

飛行測試主要在佛羅倫薩軍事預(yù)備區(qū)進行亞利桑那。這架飛機是從一個預(yù)先設(shè)置的嚴苛控制設(shè)施上演并飛行的佛羅倫薩山脈。

利用無線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通道

眾所周知，用有線傳感器改裝現(xiàn)有機身的成本和儀器儀表高。由于載荷空間有限，相關(guān)成本，損壞風險有線系統(tǒng)，以及系統(tǒng)之間運行電線固有的額外重量，無線與有線系統(tǒng)相比，傳感器具有許多優(yōu)勢[1]。這些考慮促使人們無所畏懼用于S-100飛行試驗計劃的傳感器數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。

已經(jīng)在這個平臺上飛行了幾種不同的無線配置，但復(fù)雜涉及三個WSDA網(wǎng)絡(luò)，管理37個無線信道和十個板載慣性通道。數(shù)據(jù)收集在三個單獨的之間分解網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)在2.4GHz開放頻段內(nèi)以自己的頻率運行。WSDA通過數(shù)據(jù)包緩沖實現(xiàn)平臺無損通信架構(gòu)，重傳和確認。同時提供十個連續(xù)監(jiān)測

在慣性通道中，WSDA-RGD還提供了GPS同步定時信標，并依次提供收集的時間戳數(shù)據(jù)同步到+/- 30微秒[2]。在此時論文寫作，WSDA-1000已被WSDA-1500取代。

圖5：鼻部WSDA?-1000

關(guān)于測試車輛上的傳感器位置，網(wǎng)絡(luò)被分解為各自的部分。鼻子部分裝有WSDA-1000并記錄了鼻架和起落架彎矩，起落架連桿軸向載荷和飛機上的振動數(shù)據(jù)（圖5）。該中心部分在外部安裝了WSDA-RGD并記錄了主旋翼的彎曲和扭轉(zhuǎn)，主旋翼葉片通過次數(shù)，主旋翼桅桿彎曲和扭轉(zhuǎn)，振動和熱數(shù)據(jù)（圖6）。尾梁部分裝有WSDA-1000并記錄了尾梁彎曲TRDS兩個位置的扭轉(zhuǎn)，振動和溫度（圖7）。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件測量使用來自LORD的標準現(xiàn)成無線節(jié)點MicroStrain（圖8）。傳感器陣列由六個V-Link，一個SG-Link?和四個組成G-Link?裝置，用于監(jiān)控板上應(yīng)變橋差速器（多通道或單通道）熱電偶（溫度）和加速度分別。兩個定制無線電子產(chǎn)品包使用SG-Link OEM節(jié)點開發(fā)測試方案：刀片傳感器和TRDS扭矩傳感器。

圖6：中心部分WSDA?-RGD

圖7：尾巴WSDA?-1000

圖8：飛行器網(wǎng)絡(luò)中使用的線程節(jié)點

儀表部件采用傳統(tǒng)方式應(yīng)用的傳統(tǒng)應(yīng)變橋。實驗室儀表部件的校準產(chǎn)生了相關(guān)的每個橋的斜率和偏移值對工程單位的敏感性。得到的mV / V靈敏度校準系數(shù)值然后進入為相應(yīng)測量選擇的每個節(jié)點的配置位置，使儀表工程師能夠“無視”地進行無線傳輸在進行飛行前結(jié)賬時的工程單位。相反地輸入斜率和偏移值進入WSDA-1000和RGD模塊，將工程單位轉(zhuǎn)換應(yīng)用于批量數(shù)據(jù)在每次飛行結(jié)束時下載。

刀片傳感器

葉片傳感器簡單地檢測到連接到轉(zhuǎn)子桅桿的旋轉(zhuǎn)磁鐵（霍爾效應(yīng)傳感器）。傳感器電子設(shè)備在磁鐵通過前面時記錄了一個峰值傳感元件，從而指示桅桿的一個完整旋轉(zhuǎn)和兩個葉片通過事件（圖9）。與網(wǎng)絡(luò)中的其他傳感器一樣，這些事件以無線方式傳遞給WSDARGD。

圖9：刀片通過數(shù)據(jù)

尾部轉(zhuǎn)子傳動軸

LORD工程師提供了一個設(shè)計和構(gòu)建的節(jié)點，應(yīng)用于標準S-100個驅(qū)動軸用于測量扭轉(zhuǎn)應(yīng)變。測得的應(yīng)變值為通過靜態(tài)徑向載荷實驗室校準與扭矩相關(guān)。增加了TRDS儀表包給現(xiàn)有的驅(qū)動軸引入了系統(tǒng)中的動態(tài)不平衡這對于安全飛行操作來說是不可接受的。為了減輕這些影響，包裹是最初設(shè)計為靜態(tài)平衡系統(tǒng)，重心與軸線對齊輪換。

為了實現(xiàn)動態(tài)平衡，調(diào)整套環(huán)的制造和安裝在兩端和兩端軸的中心位置，這是實現(xiàn)三個平面的必要節(jié)點位置對柔性轉(zhuǎn)子進行不平衡校正，并通過其第一臨界速度進行平衡。什么時候TRDS安裝在飛機上，通過一個提供定心的中央保險杠軸承支撐在驅(qū)動軸上，減少操作過程中的過度偏轉(zhuǎn)。

動態(tài)平衡工作沒有使用中心支持，這提供了額外的水平保守性，因為這種長度的無支撐傳動軸將經(jīng)歷其臨界速度較低的頻率，從而在最壞的情況下實現(xiàn)平衡。這個努力通過第一臨界速度和最高速度平衡僅在其端部支撐的傳動軸約為其預(yù)期運行速度的60％。傳感器引起的殘余不平衡儀器最小化到工廠指定限值的約30％，兩個使用三個平衡校正平面進行動態(tài)平衡的演變。TRDS儀表包顯示在平衡夾具中，并收集了典型的數(shù)據(jù)痕跡在圖10中的一個地面 - 地面（GAG）循環(huán)期間。

圖10：TRDS平衡設(shè)置，集成，數(shù)據(jù)

主轉(zhuǎn)子頭

主旋翼頭經(jīng)過檢測，可提供襟翼和襟翼的操作彎矩橫軸和主轉(zhuǎn)子扭矩。主旋翼頭也用于連接結(jié)構(gòu)支持兩個V-Link節(jié)點，為轉(zhuǎn)子頭和主機提供八個差分通道

轉(zhuǎn)子葉片測量（圖11）。全速時，主旋翼頭達到1178 RPM。傳統(tǒng)要求將規(guī)定用于信號傳輸?shù)?2通道滑環(huán)。安裝轉(zhuǎn)子頭的無線節(jié)點無需傳統(tǒng)的滑環(huán)組件。

來自V-Link發(fā)射器的信號由外部安裝的WSDA-RGD接收在船的左側(cè)。采用高頻突發(fā)采樣。

圖11：主轉(zhuǎn)子頭集成，數(shù)據(jù)

主轉(zhuǎn)子葉片

主旋翼葉片裝有應(yīng)變橋，用于襟翼，弦彎曲和根端葉片扭轉(zhuǎn)（圖12）。采用高頻突發(fā)采樣。收到了信號并由安裝在左側(cè)外部載荷上的WSDA-RGD匯總。

圖12：主轉(zhuǎn)子葉片集成，數(shù)據(jù)

鼻架儀表

應(yīng)用于上部和上部的應(yīng)變計測量橫向和垂直彎矩飛機兩側(cè)的下鼻架關(guān)節(jié)。高頻突發(fā)采樣是采用。信號由安裝在機頭艙中的WSDA 1接收并匯總（圖13）。

圖13：鼻子框架集成，數(shù)據(jù)

起落架儀表

主起落架梁和起落架連桿裝有彎曲橋梁和軸向橋。采用中頻連續(xù)采樣。收到了信號并由鼻子部分的WSDA 1匯總（圖14）。

圖14：起落架和起落架鏈路集成，數(shù)據(jù)

尾臂儀表

應(yīng)用應(yīng)變計測量橫向和垂直彎矩和扭轉(zhuǎn)尾梁的外表面。采用高頻突發(fā)采樣。信號是由安裝在輔助載荷艙中的WSDA 3接收和匯總（圖15）。

圖15：尾臂儀表，數(shù)據(jù)

加速度計集成

四個G-Links（10 G型號）用于累積鼻子中的振動數(shù)據(jù)，輔助載荷艙，主載荷艙和尾部。采用高頻突發(fā)采樣。來自鼻子的信號由鼻子部分的WSDA 1接收并匯總。信號來自主要有效載荷艙的是由WSDA-RGD接收和匯總的。來自的信號WSDA 3收到并匯總了輔助有效載荷艙和尾梁段（圖16）。

圖16：加速度計集成，數(shù)據(jù)

溫度調(diào)查

G-Link節(jié)點的機載能力用于記錄主有效載荷中的溫度托架，輔助有效載荷艙和尾梁。由于采用了高頻突發(fā)采樣用于加速通道的既定采樣率。來自尾部的溫度信號繁榮是低速連續(xù)的，由G-Link提供從板載熱電偶傳輸一個通道（圖17）。

結(jié)論

S-100計劃的飛行測試工作取得了圓滿成功，并得到了COTS的推動LORD MicroStrain的無線產(chǎn)品。該計劃經(jīng)歷了精簡的飛行時間表，不僅節(jié)省了時間和金錢，而且還提供了良好的數(shù)據(jù)及時測試工程師。波音工程師利用從中收集的數(shù)據(jù)飛行測試點為其客戶提供飛機運行性能反饋評估直接影響飛行安全的飛行安全范圍和飛機配置。用于該程序的飛行試驗車今天仍在飛行并且經(jīng)常攜帶幾個不同的無線傳感器配置

參考

[1] Wilson，W.，Atkinson，G。航空航天應(yīng)用的無線傳感機會。美國宇航局蘭利

研究中心，2009年。

[2] DiStasi等。用于旋翼機監(jiān)控的可擴展，無級無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。AIAC

論壇15，澳大利亞墨爾本，2013年。