開發(fā)由振動(dòng)能量收集驅(qū)動(dòng)的直升機(jī)轉(zhuǎn)子HUM系統(tǒng)

摘要
直升機(jī)傳輸健康和使用監(jiān)測(cè)已經(jīng)成熟，并在許多直升機(jī)上運(yùn)行。目前正在注意改進(jìn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，以便1）通過早期發(fā)現(xiàn)早期故障進(jìn)一步提安全性，2）通過最小化或最終取代高頻飛機(jī)轉(zhuǎn)子部件檢查來減輕維護(hù)負(fù)擔(dān)。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，轉(zhuǎn)子監(jiān)控需要超越基于機(jī)身振動(dòng)測(cè)量的傳統(tǒng)軌道和平衡管理，并且一種方法是對(duì)轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行更多的局部感測(cè)。AgustaWestland目前正在根據(jù)其Rotorcraft技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃進(jìn)行兩階段研究，評(píng)估自供電無線傳感技術(shù)。首先，AgustaWestland對(duì)由LORD-MicroStrain傳感系統(tǒng)開發(fā)的單個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的AW139直升機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，該傳感器位于主轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)斜盤上 - 這已被證明是振動(dòng)能量收集和低功率/低功率的關(guān)鍵技術(shù)推動(dòng)者范圍從轉(zhuǎn)子到機(jī)身的射頻數(shù)據(jù)傳輸。第二階段將是開發(fā)一個(gè)多節(jié)點(diǎn)主旋翼監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其傳感器安裝在選定的轉(zhuǎn)子控制部件上，在節(jié)點(diǎn)中嵌入數(shù)據(jù)處理以表征非旋轉(zhuǎn)軸承中的間隙，并減少數(shù)據(jù)傳輸量。將技術(shù)推向服務(wù)實(shí)施的計(jì)劃將側(cè)重于持續(xù)開發(fā)磨損特征檢測(cè)和狀態(tài)指示器，設(shè)計(jì)研究以在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)內(nèi)集成傳感器節(jié)點(diǎn)，以及驗(yàn)證/驗(yàn)證。

1.術(shù)語
ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，AW AgustaWestland，CAA（英國(guó)）民航局，CI狀態(tài)指示器，EASA歐洲航空安全局，GPS全球定位系統(tǒng)，HM健康監(jiān)測(cè)，HUM / S健康和使用監(jiān)測(cè)/系統(tǒng)，IEEE電氣和電子工程師學(xué)會(huì)，kts Knots，L-MS LORD-MicroStrain傳感系統(tǒng)，mW毫瓦，PC個(gè)人計(jì)算機(jī)，PCL間距控制鏈路，RAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，研發(fā)研發(fā)，RF射頻，RSSI無線電信號(hào)強(qiáng)度指示器，RTD電阻溫度計(jì)檢測(cè)器，RTVP旋轉(zhuǎn)電子技術(shù)驗(yàn)證程序，SCV超級(jí)電容器電壓，STA同步時(shí)間平均值，VDC伏特直流電流，VEH振動(dòng)能量收集器，WSDA無線傳感器數(shù)據(jù)聚合器，WSN無線傳感器節(jié)點(diǎn)

2.引言
直升機(jī)健康和使用監(jiān)測(cè)（HUM）的主要重點(diǎn)是傳輸系統(tǒng)，以至于傳輸振動(dòng)監(jiān)測(cè)在當(dāng)今使用的許多直升機(jī)類型上運(yùn)行，以增強(qiáng)安全性并協(xié)助維護(hù)人員。
迄今為止，通過對(duì)轉(zhuǎn)子1 /轉(zhuǎn)振動(dòng)和葉片位置的機(jī)身進(jìn)行測(cè)量，轉(zhuǎn)子HUM，或更具體地說是轉(zhuǎn)子的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，主要限于后期維護(hù)和定期評(píng)估/控制軌道和平衡。隨著時(shí)間的推移，通過服務(wù)經(jīng)驗(yàn)得出1 / rev的高次諧波與某些轉(zhuǎn)子部件的狀態(tài)之間的關(guān)系。維護(hù)手冊(cè)通常包含組件清單，用于表示機(jī)身振動(dòng)超過基于經(jīng)驗(yàn)的限制。

當(dāng)然，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)還通過目視檢查和磨損測(cè)量進(jìn)行常規(guī)的飛機(jī)上和飛機(jī)外狀態(tài)檢查。與其他飛機(jī)系統(tǒng)相比，飛機(jī)上的機(jī)制通常具有相對(duì)較高的周期性，并且通常對(duì)飛機(jī)可用性具有不成比例的影響。

現(xiàn)在正在注意改進(jìn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)HUM，以增強(qiáng)安全性并減少維護(hù)負(fù)擔(dān)。2008年，英國(guó)民航局（CAA）報(bào)告對(duì)Rotor HUM進(jìn)行了審查[1]并得出結(jié)論：
  - 盡管[直升機(jī)]事故發(fā)生率正在下降，但最近一些引人注目的案例已經(jīng)證明主轉(zhuǎn)子故障檢測(cè)和尾槳故障檢測(cè)仍有顯著的安全優(yōu)勢(shì)。
  - 對(duì)于許多轉(zhuǎn)子故障，改進(jìn)的檢測(cè)不太可能來自現(xiàn)有的固定框架振動(dòng)測(cè)量，應(yīng)該研究旋轉(zhuǎn)框架技術(shù)。

2010年，英國(guó)航空事故調(diào)查處關(guān)于主旋翼葉片主軸故障的報(bào)告[2]包括安全建議2010-027，“EASA應(yīng)在CAA的協(xié)助下，對(duì)擴(kuò)大HUMS檢測(cè)范圍的選項(xiàng)進(jìn)行審查進(jìn)入直升機(jī)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)“。隨后，EASA向英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)頒發(fā)了一份研究合同，以審查改進(jìn)內(nèi)部齒輪箱部件和轉(zhuǎn)子監(jiān)測(cè)的技術(shù)。

在同一時(shí)間框架內(nèi)，AgustaWestland（AW）確定了聚焦轉(zhuǎn)子狀態(tài)監(jiān)測(cè)在組件級(jí)提供降級(jí)條件預(yù)警方面的可能優(yōu)勢(shì)，初始成本/效益研究表明通過減少或最終取代部分轉(zhuǎn)子的相對(duì)高頻率和破壞性的飛機(jī)維修制度。AW還發(fā)現(xiàn)傳感技術(shù)基礎(chǔ)已發(fā)展到自供電轉(zhuǎn)子HUMS值得評(píng)估的程度。

本文描述了一個(gè)AgustaWestland研究和開發(fā)計(jì)劃，用于將自供電無線傳感器節(jié)點(diǎn)（WSN）技術(shù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)子上的HUM，LORD-MicroStrain傳感系統(tǒng)（L-MS）正在為此提供實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本文首先概述了AW的轉(zhuǎn)子HUM計(jì)劃和方法，然后描述了WSN技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)要素的風(fēng)險(xiǎn)降低飛行試驗(yàn)。接下來，概述了多節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的后續(xù)飛行演示計(jì)劃，并總結(jié)了對(duì)將技術(shù)推向在役應(yīng)用的預(yù)期計(jì)劃的思考。

3. AW-ROTOR HUM計(jì)劃和方法

3.1 On-Rotor HUM R＆D計(jì)劃概述
AW在其Rotorcraft技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃（RTVP）中正在尋求轉(zhuǎn)子HUM，這是一項(xiàng)為期四年的轉(zhuǎn)子技術(shù)研究和示范計(jì)劃，由英國(guó)政府的技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)支持，該計(jì)劃始于2010。

On-Rotor HUM計(jì)劃的總體目標(biāo)是展示可以推廣到特定產(chǎn)品應(yīng)用的通用技術(shù)。該計(jì)劃的結(jié)構(gòu)如下：
  - 需求捕獲
  - 技術(shù)審查和選擇
  - 旋轉(zhuǎn)控制磨損功能開發(fā)
  - 基于實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)評(píng)估
  - 第1階段：?jiǎn)蝹€(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)降低試驗(yàn)。
  - 階段2：代表性多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的開發(fā)/試驗(yàn)。
  - 特定于應(yīng)用程序的開發(fā)的路線圖。

AW選擇英國(guó)布里斯托爾大學(xué)航空航天工程系作為他們的學(xué)術(shù)合作伙伴，他們領(lǐng)導(dǎo)了技術(shù)評(píng)審，實(shí)驗(yàn)室演示和軸承磨損檢測(cè)測(cè)試和分析活動(dòng)。
AW選擇L-MS作為實(shí)驗(yàn)性飛行試驗(yàn)的技術(shù)提供者，因?yàn)樗麄冊(cè)谥鄙龣C(jī)無線傳感和能量收集方面擁有專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

3.2轉(zhuǎn)子上HUM方法
AW的On-Rotor HUM方法由需求捕獲和技術(shù)審查活動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

需求捕獲活動(dòng)由AW進(jìn)行，涉及審查國(guó)際民事事故/事故統(tǒng)計(jì)和內(nèi)部研討會(huì)。這項(xiàng)活動(dòng)的結(jié)論是：
  - 大多數(shù)轉(zhuǎn)子故障發(fā)生在主轉(zhuǎn)子而不是尾部轉(zhuǎn)子以及轉(zhuǎn)子輪轂和控制器而不是葉片。
  - 轉(zhuǎn)子上的HUM好處來自于受磨損的機(jī)械部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，特別是軸承，例如斜盤雙軸承，俯仰控制桿軸承，旋轉(zhuǎn)剪刀軸承，阻尼球面軸承。
  - 加速度和應(yīng)變將是狀態(tài)監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)，但也需要考慮溫度和剛度。
  - 最初，應(yīng)該解決主旋翼，因?yàn)榕c尾部旋翼相比，這將顯示出最大的益處并且更容易做到。
  - 不需要通過組件級(jí)別感測(cè)進(jìn)行使用情況監(jiān)測(cè)，這主要是因?yàn)槠渌谶M(jìn)行的關(guān)于飛行操作飛機(jī)使用頻譜記錄的AW計(jì)劃預(yù)計(jì)將改善部件壽命跟蹤。
  - 轉(zhuǎn)子上監(jiān)控需要自供電，而不是通過電動(dòng)滑環(huán)或電池為飛機(jī)提供動(dòng)力。

由于沒有進(jìn)行使用監(jiān)測(cè)，從這一點(diǎn)來看，主題系統(tǒng)被稱為轉(zhuǎn)子間健康監(jiān)測(cè)（HM）。

技術(shù)審查是通過文獻(xiàn)和產(chǎn)品搜索進(jìn)行的，并確定：
  - 振動(dòng)或應(yīng)變能量收集是直升機(jī)當(dāng)?shù)仉娏?yīng)有希望的手段，但需要特定應(yīng)用的實(shí)施。
  - 然而，對(duì)于安裝在轉(zhuǎn)子上的實(shí)用尺寸/質(zhì)量的收割機(jī)，可用功率不可能超過幾十毫瓦（mW），因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有低的功率要求。
  - IEEE 802.15.4無線電類型可以說是適用于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，因?yàn)樗幕拘问交诘凸β?低范圍操作，并且它被使用。然而，無線電數(shù)據(jù)傳輸可能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中耗電的過程。
  - 現(xiàn)有幾種適用的低功耗微控制器。
  - 需要評(píng)估新型低功耗傳感技術(shù)，尤其是應(yīng)變。

因此，AW推出的On-Rotor HM系統(tǒng)方法如下：
  - 它將由多個(gè)獨(dú)立的無線傳感器節(jié)點(diǎn)（WSN）組成，這些節(jié)點(diǎn)通過基于IEEE 802.15.4的無線電協(xié)議在星形網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行，并在機(jī)身中設(shè)有數(shù)據(jù)采集器（最終是中央HUMS）。
     不需要自配置網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，   并且在任何情況下都會(huì)增加復(fù)雜性和增加的功率要求。
  - WSN將由內(nèi)部振動(dòng)能量采集器（VEH）供電，最多從3-4個(gè)傳感器獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行狀態(tài)指示器（CI）生成的初始數(shù)據(jù)處理，并且僅定期傳輸CI以減小音量/ 
     數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧α俊?br/>   - 數(shù)據(jù)采集將遵循典型傳輸振動(dòng)監(jiān)測(cè)的窗口“快照”方法，因?yàn)楣β氏拗品恋K了連續(xù)實(shí)時(shí)采集（注意，這也有效地排除了
     通常需要連續(xù)數(shù)據(jù)采集的使用監(jiān)控）。
  - CI閾值檢查將由中央HUMS執(zhí)行，并將命令WSN在超過閾值時(shí)傳輸原始采集數(shù)據(jù)，并偶爾按計(jì)劃進(jìn)行傳感器檢查和數(shù)據(jù)庫。

3.3 RTVP On-Rotor HM評(píng)估方法
RTVP On-Rotor HM活動(dòng)旨在評(píng)估/演示關(guān)鍵的“通用”技術(shù)元素，作為在決定采用完全實(shí)現(xiàn)的特定類型轉(zhuǎn)子HM實(shí)施之前的風(fēng)險(xiǎn)降低步驟。

為了簡(jiǎn)化評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施，決定：
  - 該系統(tǒng)將獨(dú)立于其他飛機(jī)系統(tǒng)，包括中央HUMS。
  - 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將安裝在旋轉(zhuǎn)斜盤上，因?yàn)樗峁┝舜蟮淖杂煽臻g，并且通過現(xiàn)有螺栓便于連接。
  - 傳感器將位于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的外部，以便靈活地將它們定位在目標(biāo)轉(zhuǎn)子組件上; 將傳感器連接到WSN的需求被視為可接受的折衷方案。
  - 該系統(tǒng)將是自主的，無需機(jī)組人員干預(yù)。

AW正在采用兩階段評(píng)估方法。

第1階段是關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)降低步驟，旨在使用安裝在旋轉(zhuǎn)斜盤上的單個(gè)WSN和傳感器來證明振動(dòng)能量收集和旋轉(zhuǎn)到固定幀RF數(shù)據(jù)通信。選擇兩個(gè)加速度計(jì)和電阻溫度計(jì)檢測(cè)器（RTD）溫度傳感器作為代表性類型，但是選擇它們的目的和位置以便能夠展示W(wǎng)SN的功能。

第2階段將構(gòu)建一個(gè)多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，以演示On-Rotor HM系統(tǒng)的所有基本要素，使用安裝在組件上的相關(guān)傳感器監(jiān)控候選轉(zhuǎn)子組件，并將數(shù)據(jù)處理/減少添加到WSN。

第1階段和第2階段的飛行試驗(yàn)正在指定給RTVP的AW的AW139原型飛機(jī)中進(jìn)行。這具有典型的直升機(jī)主旋翼和轉(zhuǎn)子控制配置，因此它提供了“通用”測(cè)試臺(tái)，因此正在研究的On-Rotor HM技術(shù)最終應(yīng)該適用于其他類型的直升機(jī)。

4.實(shí)驗(yàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

4.1要求
AW簽約L-MS，提供具有飛行性的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，作為評(píng)估On-Rotor HM系統(tǒng)。AW規(guī)定了一系列操作，功能和設(shè)計(jì)要求，包括：
  - 能量收集性能
  - 具有防數(shù)據(jù)丟失的手段的低功率無線數(shù)據(jù)傳輸
  - 多節(jié)點(diǎn)同步
  - 網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性
  - 可配置的操作設(shè)置。
  - 小的重量和體積
  - 一開始就具有耐久性/可靠性，因?yàn)樾枰L(zhǎng)期“安裝即忘”的服務(wù)使用

AW還規(guī)定了從DO160F和MIL-STD-810F中選擇的實(shí)驗(yàn)安全飛行要求。

L-MS為該計(jì)劃開發(fā)了一種新的振動(dòng)能量收集裝置，因?yàn)樗鼈兊默F(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)不可用。然而，L-MS為無線On-Rotor HM系統(tǒng)的其他元件量身定制并重新打包了現(xiàn)有的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)。

本節(jié)的其余部分介紹了無線系統(tǒng)。第5節(jié)和第6節(jié)介紹了在AW139主旋翼上的安裝。

4.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
系統(tǒng)概念是WSN的“星形”網(wǎng)絡(luò)，它與數(shù)據(jù)收集器獨(dú)立通信。由節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)被無線傳輸?shù)轿挥跈C(jī)身中的數(shù)據(jù)收集器，該數(shù)據(jù)收集器存儲(chǔ)飛行后下載的數(shù)據(jù)。對(duì)于技術(shù)評(píng)估，網(wǎng)絡(luò)完全獨(dú)立于其他飛機(jī)系統(tǒng)，以簡(jiǎn)化實(shí)施和飛行安全審批。最后，對(duì)于任何最終實(shí)施例，將需要決定是否將附加功能集成到現(xiàn)有中央HUMS中以實(shí)現(xiàn)權(quán)重和數(shù)據(jù)管理優(yōu)勢(shì)，或者將其作為獨(dú)立的單獨(dú)使用以降低實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性/成本。

4.3無線傳感器節(jié)點(diǎn)
WSN架構(gòu)如圖1所示.WSN與兩個(gè)壓電充電模式加速度計(jì)和一個(gè)RTD溫度傳感器連接。在通過高速16位ADC讀取之前，加速度計(jì)輸入通過單獨(dú)的電荷放大器和低通抗混疊濾波器。在通過12位ADC采樣之前，RTD輸入經(jīng)過放大級(jí)。符合IEEE 802.15.4的2.4 GHz無線電為節(jié)點(diǎn)提供與數(shù)據(jù)收集器的雙向無線通信。如4.6節(jié)所述對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和傳輸。

圖1.用于振動(dòng)
和溫度監(jiān)測(cè)的能量收集無線傳感器節(jié)點(diǎn)框圖。

電子設(shè)備由超級(jí)電容器供電，該超級(jí)電容器由諧振磁感應(yīng)振動(dòng)能量收集器（VEH）充電，調(diào)諧到目標(biāo)直升機(jī)的葉片通過頻率。選擇超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置而不是可充電電池，因?yàn)殡m然它在沒有供電時(shí)不會(huì)保持電荷，但它的功率密度高，壽命長(zhǎng)，能夠承受多的充電/放電循環(huán)。快的充電時(shí)間，好的能力，以滿足所需電流的快速變化，在寬的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，沒有飛行安全問題。

無線傳感器電子元件，VEH和超級(jí)電容器安裝在一個(gè)堅(jiān)固的外殼內(nèi)，如圖2所示。這還包括兩個(gè)用于加速度計(jì)輸入的密封微點(diǎn)連接器和一個(gè)用于鉑RTD輸入的Glenair連接器，以及一個(gè)單獨(dú)的Glenair連接器，用于連接備用9V DC電源和數(shù)據(jù)下載。天線嵌入位于外殼頂部的模制件中。

圖2.用于振動(dòng)和溫度
監(jiān)測(cè)的能量收集無線傳感器節(jié)點(diǎn)。

4.4振動(dòng)能量收集器（VEH）
在直升機(jī)主旋翼上可以看到以葉片通過頻率（轉(zhuǎn)子1 /轉(zhuǎn)乘以葉片數(shù)量）為中心的振動(dòng)，并且先前由AW量化。這種振動(dòng)提供了為安裝在轉(zhuǎn)子上的低至中等工作循環(huán)WSN供電的機(jī)會(huì)。

L-MS利用具有磁感應(yīng)能量產(chǎn)生元件的共振彈簧 - 質(zhì)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了VEH（圖4）。

圖4：
振動(dòng)器初步測(cè)試期間顯示的振動(dòng)能量采集器（VEH）。

VEH調(diào)整到AW139直升機(jī)的主旋翼葉片通過頻率（5R）。動(dòng)態(tài)質(zhì)量平行于轉(zhuǎn)子軸線移動(dòng)并且包括線圈，而磁體被固定以避免由于附近的鐵質(zhì)材料引起的阻尼并且減小由于渦流引起的阻尼。電流從線圈通過彈簧傳導(dǎo)到固定的PC板; 使用DC-DC降壓升壓轉(zhuǎn)換器對(duì)電壓進(jìn)行整流，升壓或降壓，然后用于為超級(jí)電容充電。當(dāng)超級(jí)電容器達(dá)到3.6VDC以保護(hù)WSN電子器件時(shí)，控制充電，并在電壓降至3.5VDC時(shí)重新啟動(dòng)（以提供一些滯后）。

由AW提供的AW139直升機(jī)的穩(wěn)定水平速度范圍的振動(dòng)數(shù)據(jù)用于設(shè)計(jì)和調(diào)整VEH的尺寸，并用于振動(dòng)搖床上的收割機(jī)的初步測(cè)試。VEH的輸出功率范圍為2.0mW，80kts穩(wěn)定水平前進(jìn)速度，150kW時(shí)為8.5mW，帶寬為±1Hz（圖5），在指定的工作溫度范圍內(nèi)僅有2％的共振偏移（圖6） ）。

圖5：振動(dòng)能量收集器輸出功率與輸入振動(dòng)頻率的關(guān)系。

圖6：溫度對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量收集器的共振頻率的影響。

4.5無線傳感器數(shù)據(jù)聚合
器來自L-MS現(xiàn)有產(chǎn)品系列的“無線傳感器數(shù)據(jù)聚合器”（WSDA）用作此應(yīng)用的數(shù)據(jù)收集器（圖3）。

圖3. MicroStrain無線傳感器數(shù)據(jù)聚合器

WSDA收集由WSN傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在本地，以便通過以太網(wǎng)端口下載到PC上（WSDA也可以配置為將數(shù)據(jù)直接推送到云或中央HUMS）。WSDA提供周期性的“信標(biāo)”廣播，以便將網(wǎng)絡(luò)中的WSN與其自己的時(shí)間源同步，該時(shí)間源與GPS同步。信標(biāo)也可以作為WSN的指標(biāo)，是時(shí)候開始監(jiān)控了。當(dāng)WSDA未通電或信標(biāo)被禁用時(shí)，WSN將知道保持低功率“睡眠”狀態(tài)。除了作為時(shí)間源之外，GPS還提供與傳感器數(shù)據(jù)同步的位置和高度數(shù)據(jù)時(shí)間。

4.6操作模式和設(shè)置
WSN自動(dòng)運(yùn)行到一系列預(yù)先配置的操作，當(dāng)超級(jí)電容器電壓（SCV）高于節(jié)點(diǎn)'喚醒'閾值3.2VDC時(shí)開始，當(dāng)SCV高于2.7VDC的激活閾值時(shí)繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)SCV低于此值時(shí)，“睡覺”。兩個(gè)閾值之間的差異提供滯后，以允許WSN在輸入到超級(jí)電容器的功率邊緣時(shí)進(jìn)行某些活動(dòng)的時(shí)間。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行是所需數(shù)據(jù)量與振動(dòng)能量采集器可用功率之間的平衡。為了確定轉(zhuǎn)子部件振動(dòng)的有價(jià)值信息，必須以高速率（幾kHz）對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行采樣。然而，連續(xù)高速采樣將需要比實(shí)際尺寸的VEH大的連續(xù)功率，因此采樣只能在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。
因此，操作順序包括兩個(gè)基本過程：a）溫度傳感器和SCV的連續(xù)低速采樣; b）加速度計(jì)的高速采樣的周期性“突發(fā)”，隨后是高速率數(shù)據(jù)和在先前和當(dāng)前突發(fā)之間收集的低速率數(shù)據(jù)的RF傳輸?！氨l(fā)”方法給出了振動(dòng)環(huán)境的周期性快照，這與傳輸振動(dòng)監(jiān)測(cè)的方法類似。注意，雖然突發(fā)之間的設(shè)定時(shí)間段對(duì)于實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)是有利的，但是在完全實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)中，將根據(jù)“加窗”飛行器操作條件（例如發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩或空氣速度）來要求爆發(fā)。
關(guān)鍵操作參數(shù)是可配置的，如下表1所示，但是L-MS根據(jù)VEH和WSN功耗的預(yù)期功率輸入定義了默認(rèn)設(shè)置。首先，爆發(fā)之間的時(shí)間是10分鐘。其次，加速度計(jì)的高速采樣設(shè)置為4千樣本/秒，持續(xù)2秒。最后，連續(xù)低速率溫度和SCV采樣每10秒設(shè)置為1個(gè)樣本; 溫度變化緩慢，SCV從功率平衡的角度衡量整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)。

表1.無線傳感器節(jié)點(diǎn)的可配置設(shè)置

在每次突發(fā)采樣事件之后，數(shù)據(jù)以固定大小的數(shù)據(jù)包以每秒1-2個(gè)數(shù)據(jù)包的慢速率傳輸?shù)綗o線數(shù)據(jù)聚合器（WSDA）幾分鐘。數(shù)據(jù)傳輸是WSN流程中最“耗電”的，因此傳輸速率需要較低，以便分散能耗，使能量采集器能夠提供比長(zhǎng)期消耗更大的功率。

4.7同步和可擴(kuò)展性
WSDA廣播每秒廣播無線信標(biāo)數(shù)據(jù)包。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用此信標(biāo)對(duì)傳感器采樣進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記并調(diào)度傳輸。通過定期重新同步，單獨(dú)的WSN能夠?qū)⒉蓸邮录降奖舜说?/- 30 us內(nèi)（盡管第1階段僅實(shí)施了單個(gè)WSN）。隨著時(shí)間作為統(tǒng)一因素，可以直接比較來自單獨(dú)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

信標(biāo)協(xié)議還允許傳輸調(diào)度（時(shí)分多址 - TDMA），大大增加了可以在相同的無線電頻帶上通信而不會(huì)相互干擾的節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。使用上述操作模式，節(jié)點(diǎn)僅需要1.56％的可用無線電帶寬?？梢钥s放網(wǎng)絡(luò)以包括配置有不同操作設(shè)置的其他無線節(jié)點(diǎn)。

4.8無損數(shù)據(jù)傳輸
無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議旨在盡可能地提通信成功率，即使在旋翼機(jī)的惡劣環(huán)境中，多徑，移動(dòng)部件和其他異常情況也會(huì)帶來重大挑戰(zhàn)。這是通過使用緩沖，確認(rèn)和重傳來實(shí)現(xiàn)的，而不會(huì)損害設(shè)備的能量約束性質(zhì)。

節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)都帶有時(shí)間戳，并將其推入高速RAM緩沖區(qū)及其相應(yīng)的時(shí)間戳。數(shù)據(jù)從該緩沖區(qū)中提取，并由WSN以先進(jìn)先出的方式在數(shù)據(jù)包中傳輸。WSDA在收到每個(gè)數(shù)據(jù)包后向WSN發(fā)送確認(rèn)消息。WSN等待確認(rèn)，但如果沒有收到，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)包最多5次，如果仍未收到，則將“丟失”數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在其非易失性存儲(chǔ)器中，以便以后檢索。

4.9功率分析
對(duì)于默認(rèn)的突發(fā)配置，平均WSN功耗為1.5mW。上面4.4中概述的VEH性能表明，VEH的功率輸出應(yīng)足以滿足飛行中的不間斷運(yùn)行。
功耗在平均值附近顯著變化。圖7顯示了在L-MS鑒定測(cè)試期間記錄的固定VEH功率輸出的超級(jí)電容器電壓（SCV）的典型曲線。由于來自VEH的輸入功率和WSN操作的消耗功率，這表示W(wǎng)SN整體的功率平衡。在突發(fā)數(shù)據(jù)采集和傳輸期間，當(dāng)瞬時(shí)消耗遠(yuǎn)高于平均值時(shí)，平衡通常是負(fù)的，然后在僅進(jìn)行低功率低速率采樣的時(shí)間段期間為正（同時(shí)注意上部'鋸齒'）由于超級(jí)電容器電壓限制/滯后而導(dǎo)致的輪廓。

4.10資格測(cè)試
WSN通過分析和測(cè)試符合AW的功能和實(shí)驗(yàn)飛行安全要求，包括：
  - VEH疲勞測(cè)試：對(duì)VEH臨界彈簧元件的耐久性，VEH動(dòng)態(tài)組件有信心（無在5R工作頻率下，對(duì)其進(jìn)行全運(yùn)動(dòng)范圍疲勞試驗(yàn)，飛行時(shí)間超過6000小時(shí)。
     對(duì)動(dòng)態(tài)質(zhì)量施加穩(wěn)定的  側(cè)向載荷以表示W(wǎng)SN / VEH在主旋翼上經(jīng)受的向心力。在此測(cè)試期間未發(fā)生故障。
  - 對(duì)DO-160F的振動(dòng)第8節(jié)- 加速到MIl-STD-810F 
  - 沖擊并撞到MIL-STD-810F第7節(jié)。
  - 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 - 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)接口和外殼的靜態(tài)和疲勞分析。
  - 溫度符合MIL-STD-810F章節(jié)501.4,502.4,503.4。
  - MIL-STD-810F的濕度第507.4節(jié)
  - EMI / EMC- 分別對(duì)DO-160F第20和21節(jié)的易感性和輻射發(fā)射。
  - 磁干擾 - 與DO-160F的羅盤安全距離第15節(jié)。

5.第1階段風(fēng)險(xiǎn)減少飛行試驗(yàn)
AW在AW139旋轉(zhuǎn)斜盤上設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了WSN的安裝，與L-MS的WSN開發(fā)并行。AW還在直升機(jī)機(jī)艙的現(xiàn)有儀表架上安裝了WSDA數(shù)據(jù)聚合器。這兩個(gè)裝置都是為實(shí)驗(yàn)飛行而設(shè)計(jì)和認(rèn)證的。

然后在2014年3月至6月期間在RTVP AW139原型直升機(jī)上測(cè)試了WSN。

5.1 WSN和WSDA安裝
WSN通過現(xiàn)有螺栓連接在斜盤體上的鋁制支架安裝在旋轉(zhuǎn)斜盤上，如圖8所示。

圖8：AW139旋轉(zhuǎn)斜盤上的WSN安裝

支架的設(shè)計(jì)是為了將未經(jīng)修改的斜盤上的垂直5R振動(dòng)傳遞給WSN。在支架加WSN組件上執(zhí)行正常模式分析。這表明最低固有頻率為363Hz，遠(yuǎn)高于5R頻率。

為第一階段試驗(yàn)選擇的傳感器是兩個(gè)壓電加速度計(jì)，用于測(cè)量與轉(zhuǎn)子軸平行和徑向的振動(dòng)，以及一個(gè)RTD1000型溫度傳感器。雖然第一階段安裝的傳感器的主要驅(qū)動(dòng)因素是運(yùn)用WSN功能并且易于安裝，但加速度計(jì)及其位置也可用于提供WSN VEH的5R振動(dòng)激勵(lì)的“快照”。它們也是斜盤雙軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)的候選位置，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以對(duì)此進(jìn)行早期評(píng)估。請(qǐng)注意，由于試驗(yàn)直升機(jī)目前沒有主旋翼的儀表滑環(huán)，因此無法安裝獨(dú)立的加速度計(jì)進(jìn)行連續(xù)振動(dòng)測(cè)量。

溫度傳感器也安裝在靠近加速度計(jì)的支架頂部。這提供了局部空氣溫度，以與航空電子設(shè)備測(cè)量的外部空氣溫度（OAT）進(jìn)行比較。最終溫度傳感器可用于監(jiān)控超前滯后阻尼器和斜盤軸承狀況。

WSDA獨(dú)立數(shù)據(jù)聚合器安裝在機(jī)艙內(nèi)的儀表架上，并提供直升機(jī)28VDC電源。

5.2 WSN操作設(shè)置
如上面4.6所述，WSN操作參數(shù)是可配置的，對(duì)于Phase1試驗(yàn)，WSN設(shè)置為默認(rèn)1每10秒低速率采樣，10分鐘突發(fā)周期，高速采樣4ksamples /秒為2秒。

5.3地面測(cè)試活動(dòng)
在飛行前進(jìn)行地面測(cè)試活動(dòng)，確定WSDA天線的位置，測(cè)試RF通信，配置節(jié)點(diǎn)，測(cè)試節(jié)點(diǎn)執(zhí)行任務(wù)并驗(yàn)證基站中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。這是通過維護(hù)連接器連接到節(jié)點(diǎn)的9VDC電池為WSN供電，以及由外部28VDC接地電源裝置驅(qū)動(dòng)的直升機(jī)28VDC系統(tǒng)的WSDA。

通過在機(jī)艙中的不同位置執(zhí)行的RSSI（無線電信號(hào)強(qiáng)度指示器）測(cè)量來確定基站天線的安裝。對(duì)于每個(gè)天線位置，通過以60度為單位旋轉(zhuǎn)主旋翼來評(píng)估RSSI，從與直升機(jī)機(jī)頭對(duì)齊的WSN開始，并使用L-MS的Node Commander?軟件在每個(gè)角度執(zhí)行范圍測(cè)試。

天線的位置被確定為副駕駛上部透明度。這對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有暢通無阻的視線，但優(yōu)于機(jī)艙中的任何其他位置，其中屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)和主齒輪箱的存在導(dǎo)致顯著的信號(hào)衰減。通過選擇的天線安裝（使用3米長(zhǎng)的低損耗RF電纜將天線連接到基站），測(cè)得的RSSI介于最大-57 dBm和最小-63 dBm之間，具體取決于轉(zhuǎn)子方位角周圍的WSN。L-MS建議至少-72dBm可以保證沒有丟包，但是，雖然需要一些數(shù)據(jù)包重傳，但這些都是成功的，沒有數(shù)據(jù)包丟失。

通過允許節(jié)點(diǎn)在多個(gè)突發(fā)周期內(nèi)采樣和傳輸數(shù)據(jù)，并通過Node Commander?實(shí)時(shí)檢查時(shí)間間隔和傳輸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確認(rèn)了正確執(zhí)行配置的任務(wù)。通過以太網(wǎng)連接分析從基站下載的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證數(shù)據(jù)時(shí)間戳和內(nèi)容。通過使用另一個(gè)基站作為信標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)嗅探器來測(cè)試由WSDA生成的用于同步WSN的信標(biāo)的存在。

5.4飛行測(cè)試活動(dòng)
WSN的性能在擴(kuò)展的飛行測(cè)試活動(dòng)中進(jìn)行了評(píng)估，該活動(dòng)涵蓋了直升機(jī)的整個(gè)使用范圍。在其他計(jì)劃的試驗(yàn)期間，無線電通信網(wǎng)絡(luò)被允許在直升機(jī)上運(yùn)行超過兩個(gè)月，而不是將測(cè)試限制在某些專用機(jī)動(dòng)中：這種“乘坐”方法確保了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在一套飛行中進(jìn)行了測(cè)試條件和直升機(jī)配置（重量，重心，工具包），并提供有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)直升機(jī)操作的代表性模擬。

兩個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)過飛行測(cè)試，第一個(gè)遭受了VEH線圈的過早故障，第二個(gè)已經(jīng)適合大多數(shù)測(cè)試。他們一起在22個(gè)航班上共計(jì)飛行了19個(gè)小時(shí)。
在沒有對(duì)旋轉(zhuǎn)斜盤上的振動(dòng)進(jìn)行獨(dú)立連續(xù)測(cè)量的情況下，從中央HUMS收集相關(guān)的直升機(jī)飛行參數(shù)數(shù)據(jù)（真空速，氣壓高度，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)子速度），以提供5R振動(dòng)的定性相關(guān)性。 WSN表現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和直升機(jī)數(shù)據(jù)都具有基于GPS的時(shí)間戳，因此它們可以對(duì)齊和重疊。

結(jié)果如下所示，以顯示W(wǎng)SN如何實(shí)現(xiàn)其振動(dòng)能量收集和RF數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵功能。首先，給出了SCV和飛行參數(shù)的曲線圖，因?yàn)镾CV曲線給出了VEH的操作和WSN的整體操作的良好視圖。還提供了RF數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

WSN加速度計(jì)和溫度數(shù)據(jù)在情況下均符合預(yù)期，并證明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)按規(guī)定進(jìn)行了采樣。但是，由于數(shù)據(jù)本身對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行性能沒什么興趣，因此不再對(duì)它們進(jìn)行介紹或討論。

5.5飛行測(cè)試結(jié)果 - 電力收集
WSN在大多數(shù)航班上運(yùn)行，表明VEH的運(yùn)行大部分符合預(yù)期。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在那些具有長(zhǎng)時(shí)間高速/扭矩的飛行中穩(wěn)定地進(jìn)行爆破操作，其中斜盤上的5R振動(dòng)無疑高。在22個(gè)航班中的14個(gè)航班中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在1到9次突發(fā)中進(jìn)行，其中12次在最初喚醒后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在飛行期間持續(xù)爆發(fā)10分鐘的時(shí)間表。

WSN沒有醒來的8個(gè)航班中有3個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī)故障測(cè)試，其特點(diǎn)是起飛/著陸的延長(zhǎng)序列和靠近地面的機(jī)動(dòng)，預(yù)計(jì)振動(dòng)較低，轉(zhuǎn)子的變化比通常高速度很明顯。這些飛行不代表任何正常任務(wù)，這種飛行很少發(fā)生，持續(xù)時(shí)間短得多。WSN未喚醒的其他5個(gè)航班處于中速/低速扭矩，5R振動(dòng)可再次預(yù)期為低。其中兩次飛行重復(fù)進(jìn)行，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠喚醒并進(jìn)行一些收購和傳輸。這些飛行都表明在低振動(dòng)條件下VEH性能很差。

從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)起飛到第一次爆發(fā)的平均時(shí)間是19分鐘，但是進(jìn)行的航班范圍從2到36分鐘不等。

在所有航班中，SCV剖面和爆發(fā)時(shí)間與飛行條件剖面定性良好相關(guān) - 這通過以下示例顯示。

圖9顯示了連續(xù)WSN操作的一個(gè)例子，用于測(cè)試活動(dòng)的第一次飛行 - 這是在TAS范圍從90到150 Kts并且大多數(shù)在大約1500m的固定高度進(jìn)行的。SCV（圖中頂部的深藍(lán)色點(diǎn)）和選定的飛行參數(shù)（黑色 - 結(jié)的TAS，紅色 - 氣壓高度，以公里為單位，天藍(lán)色 - Engine1Torque以％表示）與GPS時(shí)間相對(duì)應(yīng); 三角形顯示了WSN的高速率數(shù)據(jù)采樣/傳輸突發(fā)的開始。

圖9：WSN SCV與TAS，ALT和Eng Tq，13/03/14

圖9顯示W(wǎng)SN在大約145kts的爬升期間醒來，大約在09:23:03最后一次起飛后2分鐘。隨后，WSN在沒有中斷的情況下在剩余的飛行中保持活動(dòng)狀態(tài)，因?yàn)樗械谋l(fā)間隔10分鐘。根據(jù)飛行參數(shù)推斷，可以看到SCV剖面像振動(dòng)一樣大致上升和下降。突發(fā)期間的丟棄持續(xù)約3分鐘，這是完成數(shù)據(jù)傳輸操作的預(yù)期持續(xù)時(shí)間。
圖10顯示了來自同一航班的第4次突發(fā)周圍的SCV剖面圖，其中識(shí)別了突發(fā)間重新充電和密鑰突發(fā)活動(dòng)。再充電階段線性，意味著振動(dòng)水平穩(wěn)定; 這也可以從這段時(shí)間內(nèi)飛行條件的穩(wěn)定性推斷出來（圖9）。對(duì)于這個(gè)電荷恢復(fù)周期，估計(jì)VEH功率輸出為3.4mW，這與WSN在前一次爆發(fā)和相同飛行條件下獲得的斜盤5R振動(dòng)的預(yù)期功率相關(guān)。與圖7中顯示的L-MS實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的SCV曲線相比，特征是相同的，而水平和斜率是不同的，反映了兩種情況下不同的VEH功率輸入。

圖10：突發(fā)期間的超級(jí)電容電壓詳細(xì)信息

圖11顯示了直升機(jī)在大部分時(shí)間以高速/高扭矩飛行的飛行中的WSV剖面圖。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大約17分鐘后醒來（起飛后和高速初始爬升，然后以40 kts增加到Vh的水平飛行），然后在整個(gè)飛行中保持活躍狀態(tài)。

對(duì)于大部分飛行，SCV在最大極限處飽和，表明高VEH功率輸出和推斷，高5R斜盤振動(dòng)。每10分鐘發(fā)生一次突發(fā)采樣和數(shù)據(jù)傳輸，每次持續(xù)3分鐘。在8:33和8:53的兩次突發(fā)的特征在于信標(biāo)獲取期間SCV的小幅下降，然后在數(shù)據(jù)傳輸期間增加SCV，表明該節(jié)點(diǎn)仍然在收集比在數(shù)據(jù)傳輸期間消耗的更多的功率。相反，08:43的數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)致SCV深度下降，表明VEH輸出較低; 可以看到真空速和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的相應(yīng)減小。

圖11：WSN SCV與TAS，ALT和Eng Tq，24/04/14

圖12顯示了WSN的間歇性行為。在低TAS /中高扭矩的初始階段，WSN在早期爆發(fā)時(shí)表現(xiàn)出足夠的振動(dòng)，但WSN在接下來的10分鐘內(nèi)處于“睡眠”模式，在80-130kts時(shí)振動(dòng)將是低得多。節(jié)點(diǎn)在步進(jìn)速度范圍結(jié)束時(shí)重新喚醒，能夠在隨后的高速飛行期間進(jìn)行兩次爆發(fā)，然后在飛行期間短暫地再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)，大約120kts。在低速/高扭矩的短時(shí)間飛行之后不久發(fā)生最后的重新喚醒，這表明超級(jí)電容器在睡眠期間沒有完全放電并且SCV接近3.2V激活閾值。

圖12：WSN SCV與TAS，ALT和Eng Tq，29/04/14

雖然飛行的不同類型飛行航班的首次爆發(fā)時(shí)間存在差異，但圖13顯示了類似飛行剖面的VEH性能的一致性。在這里，第一次爆發(fā)的時(shí)間是起飛后18到19分鐘之間，對(duì)于三次飛行，其特征是初始定位飛行到高速/扭矩高度，然后是速度范圍步長(zhǎng); 請(qǐng)注意，有干預(yù)的航班有完全不同的檔案。

圖13：3次類似航班的第一次突發(fā)時(shí)間

5.6飛行測(cè)試結(jié)果 - 射頻數(shù)據(jù)傳輸
基于802.15.4的無線通信已被證明可靠。

圖14顯示，將所有航班的所有傳輸結(jié)合在一起，RSSI平均值為-60dBm，標(biāo)準(zhǔn)偏差約為7dBm，范圍為-44至-84dBm。對(duì)于單個(gè)飛行，平均RSSI和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別在-58到-63dBm和5到9dBm之間，表明一致的特性。這種形式的傳播和偏斜的RSSI分布是典型的RF通信，其中沒有直接的現(xiàn)場(chǎng)線路，并且接收的信號(hào)由反射的RF支配。

圖14：RSSI直方圖

RSSI范圍大多高于-72dBm的“無損耗”值，其中一些低于此值，但是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)沒有丟失單個(gè)數(shù)據(jù)包，并且數(shù)據(jù)包重傳的數(shù)量為7％左右。

飛行RSSI結(jié)果與靜態(tài)主旋翼的地面測(cè)試活動(dòng)期間測(cè)量結(jié)果類似，表明主旋翼和飛行機(jī)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)對(duì)RF通信的影響小。

5.7
第1階段結(jié)論第1階段的目標(biāo)是證明振動(dòng)能量收集器技術(shù)和旋轉(zhuǎn)固定幀無線電數(shù)據(jù)傳輸。

總體而言，飛行試驗(yàn)活動(dòng)已經(jīng)證明，VEH根據(jù)飛行參數(shù)曲線上預(yù)期的斜盤5R振動(dòng)產(chǎn)生能量，中速除外，其中5R振動(dòng)最低，VEH性能似乎是微不足道的。

發(fā)現(xiàn)WSN默認(rèn)的“突發(fā)”配置在VEH性能和“采樣和傳輸”周期的實(shí)際能量需求方面是一個(gè)很好的平衡。這種配置為斜盤上具有高前進(jìn)速度和高5R振動(dòng)的飛行提供了一致的操作。應(yīng)該注意的是，WSN早先進(jìn)行的飛行條件和/或多的突發(fā)是主導(dǎo)AW139聚合在線使用頻譜的那些。

但是，VEH需要進(jìn)行優(yōu)化，以提在較低的斜盤5R振動(dòng)水平下運(yùn)行的可能性，并縮短首次爆破的時(shí)間，因?yàn)閷?duì)于未來生產(chǎn)的On-Rotor HM系統(tǒng)，每次采集數(shù)據(jù)的概率高。飛行。設(shè)置第1階段VEH，使其在“設(shè)計(jì)點(diǎn)”振動(dòng)激勵(lì)水平下有效地運(yùn)行。它在較高或較低振動(dòng)水平下的操作效率較低，其結(jié)果是有效地存在低振動(dòng)閾值，低于該閾值時(shí)不會(huì)產(chǎn)生能量。通過將VEH設(shè)計(jì)重新配置為較低的“設(shè)計(jì)點(diǎn)”振動(dòng)水平，可以提VEH在低振動(dòng)激勵(lì)水平下的性能，從而在這些條件下產(chǎn)生額外的功率。在高振動(dòng)條件下，

第1階段試驗(yàn)還證實(shí)，RF數(shù)據(jù)傳輸是消耗大部分能量的WSN操作，因此預(yù)計(jì)通過實(shí)施本地處理和生成條件指標(biāo)可以減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量 - 這應(yīng)該可以減少突發(fā)周期性和/或增加的采樣率/體積。

從轉(zhuǎn)子到機(jī)身的RF數(shù)據(jù)傳輸好，幾乎不需要開發(fā)。

在其他方面，WSN的操作符合AW的指定要求。

這一成功的降低風(fēng)險(xiǎn)的步驟使AW有信心進(jìn)入第二階段系統(tǒng)演示。

第1階段測(cè)試活動(dòng)還表明，通過連續(xù)測(cè)量斜盤5R振動(dòng)，可以好地了解VEH性能，在邊際中速條件下，這將被添加到第2階段試驗(yàn)中。

6. RTVP第2階段

6.1基本原理
第1階段已經(jīng)證明了無線轉(zhuǎn)子HM的關(guān)鍵推動(dòng)因素。階段2將把它們構(gòu)建成更具代表性的HM系統(tǒng)，包括：
  - 具有優(yōu)化的VEH的多個(gè)WSN。
  - 監(jiān)控1個(gè)螺距控制連桿（PCL），1個(gè)旋轉(zhuǎn)剪刀和斜盤雙工軸承作為示例部件。
  - 每個(gè)受監(jiān)控組件上的低功率加速度計(jì)和應(yīng)變傳感器。
  - 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)處理/ CI生成，旨在本地檢測(cè)異常情況并降低整體WSN功耗。

關(guān)于VEH，第2階段將允許AW和L-MS確定在當(dāng)前的自供電概念中是否可以實(shí)現(xiàn)足夠的性能改進(jìn)，并預(yù)測(cè)可能的概念變化。

該系統(tǒng)將于2015年初在AW139試驗(yàn)飛機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，其中包含上述轉(zhuǎn)子部件的磨損和新實(shí)例，以評(píng)估候選CI的性能并為其持續(xù)開發(fā)提供傳感器數(shù)據(jù)集。

目的是展示On-Rotor HM系統(tǒng)的通用關(guān)鍵元素，而不是AW139飛機(jī)類型的完全指定系統(tǒng)。

6.2多節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)子HM安裝
多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)安裝的設(shè)計(jì)正在進(jìn)行中，基于以下概念（圖15）：
  - 3個(gè)WSN，分別用于俯仰控制鏈路，旋轉(zhuǎn)剪刀和斜盤雙工軸承。
  - 振動(dòng)和應(yīng)變傳感器安裝在三個(gè)轉(zhuǎn)子控制組件中的每一個(gè)上。
  - 安裝在旋轉(zhuǎn)斜盤上的可變磁阻速度傳感器，為WSN提供通用1 /轉(zhuǎn)輸入以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖15：Phase2多節(jié)點(diǎn)On-Rotor HM安裝

對(duì)于應(yīng)變傳感器，傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變計(jì)消耗過多的功率，因此將試用適形壓電容型，因?yàn)檫@些是本質(zhì)上的低功率器件。

從第1階段試驗(yàn)中可以看出，“儀表”加速度計(jì)將添加到一個(gè)WSN安裝板上，作為單獨(dú)的儀表包的一部分，安裝在試驗(yàn)飛機(jī)上用于RTVP的其他方面。這將直接了解VEH如何對(duì)抗其5R振動(dòng)激勵(lì)，以確認(rèn)對(duì)第2階段WSN的VEH進(jìn)行的改進(jìn)。

6.3嵌入式數(shù)據(jù)處理
除了經(jīng)過修改的傳感器接口和優(yōu)化的VEH之外，WSN的功能還將通過添加數(shù)據(jù)處理，在數(shù)據(jù)采樣之后和數(shù)據(jù)傳輸之前進(jìn)行操作來增強(qiáng)第2階段的功能。目的是探索總功耗可以如何縮短突發(fā)周期和/或增加采樣率/持續(xù)時(shí)間。基準(zhǔn)測(cè)試表明，與常規(guī)傳輸所有原始數(shù)據(jù)相比，在WSN中進(jìn)行分析以將獲取的原始數(shù)據(jù)減少到條件指標(biāo)指標(biāo)，然后通常傳輸CI，可以將總體突發(fā)功耗降低多達(dá)80％。因此，具有一系列復(fù)雜性/大小和功率要求的候選數(shù)據(jù)處理軟件例程將被加載到WSN微控制器，以允許評(píng)估功率關(guān)系。

6.4狀態(tài)指示器開發(fā)
除了數(shù)據(jù)采集方法外，狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能通過驗(yàn)證異常部件狀態(tài)檢測(cè)方法來完全實(shí)現(xiàn)。
因此，AW的On-Rotor HM程序還評(píng)估了特征提取方法和狀態(tài)指示器，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子部件機(jī)械元件的磨損，特別是間隙。目標(biāo)有兩個(gè)：a）確定適合未來發(fā)展的初始候選方法，b）針對(duì)一系列流程復(fù)雜性，探索針對(duì)內(nèi)部功率預(yù)算進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的WSN能力的界限。

對(duì)其在球面軸承中具有一系列磨損/間隙的一組PCL進(jìn)行鉆機(jī)測(cè)試 - 應(yīng)用正弦和飛行代表軸向載荷，并從安裝在PCL和試驗(yàn)機(jī)上的加速度計(jì)和應(yīng)變傳感器獲取數(shù)據(jù)。這表明兩種量化均可顯示球面軸承的間隙，但安裝在PCL上的加速度計(jì)可能會(huì)給出清晰的圖像（圖16）。

圖16：PCL軸承間隙測(cè)試

此外，從STA導(dǎo)出的簡(jiǎn)單CI（例如峰值峰值，均方根和峰度）似乎是磨損/反沖檢測(cè)的良好初始候選者，并且將作為測(cè)試數(shù)據(jù)處理方法包含在STA中以加載到階段2 WSN。

還分析和比較了帶有磨損軸頸軸承的旋轉(zhuǎn)剪刀的應(yīng)變數(shù)據(jù)，以及更換的新剪刀（在幾年前由AW進(jìn)行的直升機(jī)飛行載荷測(cè)量計(jì)劃期間收集）。

圖17顯示了在50kts級(jí)別飛行（左圖對(duì)）和Vne（右圖對(duì)）的磨損（上圖對(duì)）和未磨損（下圖對(duì)）剪刀的時(shí)間應(yīng)變的STA的示例，其中每個(gè)圖具有兩個(gè)值的輪廓在同一重心（CG）處的全部質(zhì)量（AUM）。來自一系列空速，高度和AUM / CG的數(shù)據(jù)體表現(xiàn)出比PCL更復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，似乎有望用于檢測(cè)PCL軸承磨損的更簡(jiǎn)單的指標(biāo)不足以區(qū)分磨損和磨損。未經(jīng)磨損的旋轉(zhuǎn)剪刀。因此，目前正在研究數(shù)據(jù)處理方法基礎(chǔ)，并且因?yàn)橹C波之間的關(guān)系似乎值得探索，所以計(jì)劃在第2階段WSN數(shù)據(jù)處理套件中包括FFT算法。
盡管RTVP活動(dòng)將為可能的方法提供有用的起點(diǎn)，并且了解WSN功能中的約束，但顯然需要進(jìn)一步的工作來開發(fā)和驗(yàn)證適當(dāng)?shù)奶卣魈崛》椒?。這還需要考慮其他類型的部件，特別是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中彈性體軸承的日益普及需要基于原位傳感器的剛度監(jiān)測(cè)方法。

7.前端研發(fā)活動(dòng)RTVP研發(fā)活動(dòng)是正在進(jìn)行的AgustaWestland計(jì)劃中實(shí)現(xiàn)On-Rotor HM的第一步，它提供了從轉(zhuǎn)子系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的支持技術(shù)。將其演變?yōu)橥耆珜?shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的后續(xù)步驟包括：
  - 進(jìn)一步的成本/收益研究，以確認(rèn)On-Rotor HM的商業(yè)案例。
  - 繼續(xù)評(píng)估完整AW139原型車隊(duì)的第2階段系統(tǒng)，提供WSN的長(zhǎng)期評(píng)估和持續(xù)開發(fā)，CI的開發(fā)和測(cè)試，以及主要   
     轉(zhuǎn)子部件狀態(tài)趨勢(shì)數(shù)據(jù)。
  - 審查轉(zhuǎn)子部件監(jiān)測(cè)要求和相關(guān)技術(shù)（例如，用于監(jiān)測(cè)彈性軸承，高速率/低功率無線電，如超寬帶）。
  - 持續(xù)開發(fā)/測(cè)試/驗(yàn)證檢測(cè)異常組件狀況和相關(guān)CI的方法 - 這可能是具挑戰(zhàn)性的活動(dòng)。
  - 與適航當(dāng)局就從“無危害 - 無信用”安全增強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)閎）維護(hù)
     信用的認(rèn)證方法和流程進(jìn)行討論并達(dá)成協(xié)議   。
  - 設(shè)計(jì)研究，用于集成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳感器和轉(zhuǎn)子組件，并根據(jù)需要擴(kuò)展尾部轉(zhuǎn)子技術(shù)。
  - 產(chǎn)品特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，資格認(rèn)證和受控的服務(wù)介紹，無論是改型還是新型。

預(yù)計(jì)這個(gè)正在進(jìn)行的程序?qū)⑿枰?到5年才能完成第一個(gè)On-Rotor HM系統(tǒng)的部署，這個(gè)時(shí)間尺度的驅(qū)動(dòng)因素是開發(fā)和驗(yàn)證磨損檢測(cè)方法和CI以及WSN到轉(zhuǎn)子中的集成。

8.結(jié)論
改進(jìn)的直升機(jī)旋翼健康和使用監(jiān)測(cè)可能提供安全性和操作可用性以及成本效益。AgustaWestland正在研究在其研發(fā)旋翼機(jī)技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃（RTVP）中實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)的技術(shù)，目前正專注于使用安裝在主旋翼斜盤上的自供電無線傳感器節(jié)點(diǎn)（WSN）對(duì)機(jī)械主旋翼部件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

剛剛在AW139直升機(jī)上完成了單個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的第一階段風(fēng)險(xiǎn)降低試驗(yàn)，并且已經(jīng)證明了振動(dòng)能量收集的關(guān)鍵推動(dòng)因素，用于通過無線電向無人機(jī)艙內(nèi)的數(shù)據(jù)收集器提供無線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電和數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，基于實(shí)驗(yàn)室的工作已經(jīng)評(píng)估了WSN中的數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)傳輸之間的WSN功耗權(quán)衡。此外，已經(jīng)確定了非旋轉(zhuǎn)軸承的候選磨損檢測(cè)指標(biāo)，來自槳距控制鏈接裝置測(cè)試的數(shù)據(jù)分析和旋轉(zhuǎn)剪刀的飛行載荷測(cè)量。

第2階段活動(dòng)將試驗(yàn)一個(gè)多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)三個(gè)選定的轉(zhuǎn)子控制組件，并將數(shù)據(jù)處理添加到WSN。這旨在展示轉(zhuǎn)子健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的所有關(guān)鍵通用元素。

將需要一個(gè)持續(xù)發(fā)展的計(jì)劃來使On-Rotor HM成為現(xiàn)實(shí)。關(guān)鍵活動(dòng)將是成本/效益研究，以確認(rèn)On-Rotor HM的有用性，以及用于指示異常組分狀況的方法/指標(biāo)的開發(fā)和驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)
[1] CAA論文2008/05，“HUMS擴(kuò)展到轉(zhuǎn)子健康監(jiān)測(cè)”，2008年12月，ISBN 978 0 11792 127 6 
[2] UK-AAIB飛機(jī)事故報(bào)告7/2010，“關(guān)于Aerospatiale事故的報(bào)告（歐洲直升機(jī)公司） ）AS332L Super Puma于2006年10月13日在蘇格蘭阿伯丁機(jī)場(chǎng)注冊(cè)G-PUMI'，2010年11月23日，EW / C2006 / 10/06

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致謝
AgustaWestland承認(rèn)英國(guó)政府技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)提供的Rotorcraft技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃的財(cái)務(wù)支持。

AgustaWestland承認(rèn)對(duì)RTVP的貢獻(xiàn)，特別是本文第6.3和6.4節(jié)中總結(jié)的工作，由S Burrow博士，CS Ling，L Clare博士，J Bowden，D Hewitt和L Penrose共同完成，航空航天工程系在布里斯托大學(xué)。

AgustaWestland感謝CAA在RTVP Rotor HUM項(xiàng)目期間提供的指導(dǎo)，并獲得CAA論文2008/05的引用許可。

最后，AgustaWestland承認(rèn)運(yùn)輸部授予的一般許可，以從英國(guó)AAIB的飛機(jī)事故報(bào)告中提取。