飞机磁罗盘系统实物仿真平台的设计

周督异 朱毅诚 白锴迪 张 迪

(中国民航大学,天津300000)

1 概述

由于机体结构和电子电气设备的原因，飞机存在附加磁场即飞机磁场，飞机磁罗盘系统测量的磁航向存在的误差即为罗差。为满足适航要求，飞机磁罗盘需要定期进行校验和调节。由于磁罗盘中包含的可旋转的零散部件较多，同时也存在着较大的机械误差，因此在实际的飞机磁罗盘校验、检测与维修工作中，会出现磁罗盘使用率过高、重复操作性变差等问题，从而导致航材件受到不同程度的损伤。

本项目设计了一个与真实系统航材件基本组成、功能、外形、接口信号一致的飞机磁罗盘系统实物仿真平台。能够实现飞机备用罗盘半圆罗差、圆周罗差和象限罗差的消除操作。从而能够减小机体结构和电子电气设备以及罗盘自身旋转所带来的机械误差，并在很大程度上解决重复操作性差以及使用率过大所造成的部件损坏失效等问题。

2 总体设计

实物仿真平台的设计主要分为以下几个部分：用于测量磁罗盘误差的校验仪、飞机备用磁罗盘仿真实物、转台以及飞机模型。其中，飞机模型用于模拟实际飞行过程中，飞机上的航空材料以及其零部件所形成的磁干扰环境，同时模型本身大小适中，便于安装和拆卸，可以放置备用磁罗盘和罗盘误差校验仪。模型下方安装了可由计算机进行控制的转台，通过编写程序语言，即可实现对转台的数字化智能控制，从而能够真实地还原飞机偏航动作的全过程。同时，飞机备用磁罗盘中的高精度磁传感器能够敏锐的捕捉到这些动作，同时能对硬铁磁场和软铁磁场所产生的干扰进行补正，再经过主控制器模块通过已经编写完毕的最小二乘法椭圆拟合对罗差进行修正，输出到显示屏上。同时为了模拟真实的飞机磁场环境，还要将磁罗盘误差校验仪放置在模型上对所得出的数进行校验。

3 硬件设计

3.1 平台的搭建

为适配飞机备用磁罗盘及误差校验仪，需首先精确其尺寸大小，从而设计一个比例尺合适、同时造型美观的简易飞机模型。本项目设计的飞机模型利用DY28-01A型线棒铝型材（直径28.0 mm、厚度1.7 mm）、T型槽线棒铝型材及多种连接件所搭建而成，可保证在试验中所用材料本身不会对备用磁罗盘和误差校验仪造成磁干扰而影响实验数据的准确性。

备用磁罗盘放置在飞机模型前端可供安装的位置，误差校验仪放置在飞机模型后部可供固定安装和随时拆卸的位置，并保证飞机模型在转动过程中能够维持整体稳定性。

模型下方安有转台，转台以步进电机为核心进行设计。由于步进电机只有周期性的误差而没有累积误差，可以依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩，将电脉冲信号转变为角位移或线位移。在非超载的情况下，电机的转动速度和停止位置只取决于电脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响。并且能够进行开环位置控制，即输入一个脉冲信号就可以得到一个规定的位置增量，而这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流控制系统相比,其成本明显有所降低，且几乎不必再进行系统性调整，即可实现线性转化。在试验中，对电机施加一个脉冲信号，电机则会带动整体模型转过一个步距角，从而良好地实现了对飞机模型的转动速度、转动角度和停止位置的数字化智能控制，为进一步的备用磁罗盘的航向测量与罗盘误差校验仪的检验校正工作奠定了基础。

图1

3.2 校验仪的设计

本项目设计的校验仪有两种工作模式：第一种工作模式与机械式罗差方位仪的样式和操作方法一致；第二种工作模式与机载惯性导航系统显示界面和控制面板的基本样式和操作方法一致。

校验仪内部处理器模块中的ARM开发板通过接收仪器外部罗盘转动旋钮、观察窗转动旋钮、磁航向游标转动旋钮以及观察窗锁定按键所发出的控制电信号，将其解析编码并生成USB串行通信数据信号，传输至仪器内部的树莓派模块。树莓派模块能够控制仪器外侧的电子显示器罗盘、观察窗、磁航向游标图形的转动以及观察窗与罗盘之间的锁定。通过接收、解析和计算磁传感器传输的数字电信号，可以得出当前模型所处实验环境下的磁北信息，从而使电子显示器第一种工作模式下（罗差方位仪）的菱形磁北指针发生转动并指向当前环境下的准确磁北方向，同时以此作为校验仪第二种工作模式下（惯导系统）的磁北方向信息；通过接收、解析和计算水平角度传感器输出的数字电信号，可得出相对于0˚位置的顺时针转动的角度；通过接收水平角度传感器定向按键输出的控制信号，将磁传感器传输的当前磁北信息作为水平角度传感器的0˚位置；接收复位开关的控制信号，可以实现ARM开发板程序的初始化。

3.3 电子式磁传感器的设计

飞机备用磁罗盘仿真实物的主体分为传感器模块，数字调理模块，主控制器模块和显示模块四个部分，其中传感器模块采用了迈克传感旗下的SCM225高精度传感器长宽高参数分别为L33 x W27 x H8(mm)，启动延迟50ms以内，其具有精度高、抗干扰能力强等优点，能够实现航向精度1.0 o，分辨率0.1o，倾斜范围±5.0o的试验要求，同时能进行硬铁校准和软铁校准，可以及时的对于模拟出的磁环境所造成的外界误差做简单的校正，对外界磁场产生的干扰进行二维校准。传感器模块输出信号进入数字调理模块后，在主控制器模块进行数字滤波、误差补偿以及航线角计算。误差补偿采用了椭圆拟合算法。采用椭圆拟合算法是因为电子磁罗盘在工作时很容易受到软铁磁力的影响，故磁场的形状会近似一个椭圆，所谓椭圆拟合就是指当椭圆轮廓上的点数大于最小测量点数5时，近似通过所得到的椭圆来对磁场的形状大小进行估算。主控制器内部会将得到的数据通过最小二乘法确定测量值与真实值之间的误差系数，对此进行补正。这种方法对于程序编译以及改动的要求较低，对于硬件的要求较高。补正后的数据会储存在主控制器模块中的储存器内，并结合硬件的操作输出在显示屏上。

3.3.1 磁罗盘的设计

本项目所涉及的磁罗盘以真实的飞机备用罗盘系统理论基础为依托，将构建完成的备用磁罗盘固定安装在飞机模型上，通过控制带有角度尺的转盘转动来模拟飞机的偏航状态，从而实现对飞机磁航向的测量功能，同时模拟磁罗盘产生的不同罗差的变化规律，进而通过误差校验仪实现飞机备用磁罗盘的校验工作。

本项目所设计的飞机备用磁罗盘通过高精度电子磁传感器和单片机所构建。

飞机备用磁罗盘具体结构如下图：

图2

3.3.2 单片机的构成

项目中所使用的单片机是一种高集成性的电路芯片系统，体积小，并且能兼容多种外部硬件设备，利用其中的中央处理器以及集成储存器来实现对数据的接收、处理、输出。

3.4 单片机内部软件设计

系统采用Keil So ftw are公司出品的单片机C语言软件。开发系统KeilC51-uVision2开发平台进行编程。单片机的主要功能是对外部的硬件进行主动的识别和控制，对上文所提到的磁传感器所传出的信号进行采集和处理，并且依据采集的信号进行航向角的计算、误差的补偿与校正，同时还能兼顾对磁传感器得到的数据的输出，以及对磁罗盘开关，输出数据格式的控制。在设计时，软件能同时做到对数据的采集、响应、处理、输出，以及对外部硬件的人机交互操作做出响应，也能实现对磁罗盘的开关、对输出数据的简单存储以及对电子转台在计算机控制下转过的微小角度的记录。

图3

4 仪器使用

在地面上选择水平位置作为测量点，将以步进电机为核心制作的水平转台放置于该测量点；将铝制飞行器结构水平放置于转台中心位置，并将组装、调试完备的校验仪与飞机备用磁罗盘水平固定在飞机纵轴位置；通过计算机对转台进行转动控制，观察磁罗盘角度变化与转台角度变化之差，通过调节误差校验仪，使角度之差逐渐趋向于0˚。

5 结论

在针对飞机磁罗盘的研究和校正工作中有诸多限制和不足的背景下，本文中所设计的飞机磁罗盘系统实物仿真平台，体积适中、方便拆装、操作简易、便于维护，基本上解决了机械式磁罗盘不易拆卸、维护困难等问题，通过试验表明：该设备能够模拟出飞机磁罗盘受磁场的影响，实现航向的测量与校正，能够计算并消除罗差，可以良好地应用到实践教学研究当中。