飞机制造中基于无线传感器的机轮转速模拟检测

康 达，张 卓

（南京航空航天大学经济与管理学院，江苏南京 211106）

无线传感器网络是一项潜力巨大和影响力颇深的关键技术。它包括无线通信技术、传感器技术、微机电系统技术以及分布式信息处理等技术，无线传感器将逻辑上的信息世界和客观主义上的物理世界相融合，可以改变传统飞机机轮转速检测的方式，在飞机制造业领域具有较高的应用价值[1]。无线传感器具备较好的容错性，具有检测精度高、诊断便捷、维护方便等优势，并且成本较低，适合大规模的发展[2-3]。无线网络的重要任务是精确得到物理世界中具有价值性的信息[4]。无线传感器利用节点的时间信息和位置信息，完成传感器之间的协调控制，确保整个检测过程的准确性与高效性[5]。但是，无线传感器也面临着计算数据量大、节点定位难度高和数据融合效果难以保持等问题。在飞机投入运行前，一定要全方位测试飞机的刹车性能，进而判断飞机的安全性能是否达标。在地面测试实验中，传统基于速度模糊控制器的机轮转速检测方法，需借助模拟刹车系统为飞机机轮转速信号的检测提供数据信息，然而难度很大，机轮的转速模拟检测精度并不高，基于此，文中提出飞机制造中基于无线传感器的机轮转速模拟检测方法。

1 无线传感器模块组成

无线传感器的模块组成包括物理层、数据融合层、网络层[6]。无线传感器模块的具体结构如图1所示。

图1 无线传感器模块结构

1）物理层

物理层作为整个分层式结构模型的最底层，其工作职能是对数据进行调整、接收与发送，物理层的研究与设计直接影响到电路的复杂程度以及能耗量[7-9]。大致内容包括频率的选取、载波的生成以及信号的探测，还有对复杂数据的加密以及调制解调等内容；物理层的功能包括数据帧的传输与冲突；节点间的控制信息交互；在其余节点进行数据传输时将本身的通信模块切换到休眠状态；借助邻近节点构成虚拟群的方法，达到同步转换休眠模式的目的。物理层的每个节点均不需要局部或者全局的节点参与，并且可以实时得到各个节点的运行状态，判断出各个节点的时间通道是否被占用[10-11]。各个节点间的链路包括固定频率、不固定的随机间隙，在无线网络被使用时，物理层需要竞争通道资源，利用随机唤醒机制能够有效降低系统的功耗[12-13]。

2）数据融合层

无线传感器网络具有资源、计算、存储方面的资源局限性，为尽可能降低节点在传输信息资源的浪费，需要最大限度得到被检测对象的状态信息。在无线传感器网络的分层协议中，数据融合层能够起到该作用。数据融合层的功能是对检测信息进行模拟和扩充，是针对每一个传感器所检测到信息的优化处理[14-15]。数据融合的主要技术包括模式的识别、决策、信息信号处理、最优化处理等。典型的数据融合方法是加权平均法，这是一种最简单、最直接的数据融合方法[16]。

3）网络层

网络层在数据链路层中作为提供邻近节点的数据帧传送介质，深层次控制无线传感器中的数据信息，把相关的数据信息从源节点通过多个中间节点传递到最终节点，进而达到检测数据信息传送的目的。主要内容包括虚拟电路的分组交互、数据信息的交替变换、选择信息的控制等[17-18]。

2 机轮转速模拟检测

2.1 机轮转速模拟检测原理

在机轮转速的模拟检测中，需要借助工控机、人机交互界面、板卡、继电器单元、伺服驱动器、伺服电机、轮速传感器与特别的连接设备，采用特别连接设备使转速传感器和轮速传感器相连接，并采用同轴连接的方式连接伺服电机和转速传感器，借助检测电机的转速信号达到检测轮速传感器的目的。伺服电机的编码器会将转速信号向伺服驱动器反馈。机轮转速检测原理图如图2 所示[19-20]。

图2 机轮转速检测原理图

2.2 检测模块

1）人机交互模块：借助触摸屏和有关支持电路构成检测模块中的人机交互模块，其在检测中的作用是负责对整个检测过程的参数进行设定与记录、进行信息数据的处理、检测状态的监控，以及输入输出数据的检测等。

2）信息检测模块：由电流检测模块以及编码器接口组成信息检测模块。其作用是将机轮运行时的宝贵信息采集存储起来，通过对伺服电机相电流的检测，将测量到的电流信号经过滤波、幅度变换、零点偏移等处理后，转化为电压信号，再传送到相应的通道上，完成机轮运行时的相关信息检测。信息检测模块中编码器负责接收伺服电动机传输的磁极位置与电动机转向信号，将上述信息作为机轮转动的位置信息参数。

3）伺服电动机模块：工作时，控制器将获得的有关信息数据参数进行初处理，之后将处理的信息数据发送到伺服电动机，伺服电动机接收到已设定参数并进行运转，将机轮运转时设定的负角加速度进行输出，并确保电子码盘可以检测到伺服电动机的转速与负角加速度，同时把信号传递给控制器，由控制器计算分析相关数据后和输入参数进行对比，获得机轮转动检测的数据差值。之后调整伺服电动机的相关参数，使伺服电动机的输出负角加速度严格根据已设定的参数运行，进而可以对不同标准下的机轮转速进行检测。

2.3 机轮转速模拟检测原则

1）在机轮转速系统的检测中需要保证检测系统能够单独驱动4 个转速传感器的旋转，该步骤用于保证飞机轮速能够被精确模拟。

2）在机轮转速模拟测试过程中，保证检测装置可以对其他设备传输的飞机速度信号进行接收，依据飞机速度可以对转速传感器的转速进行相关解算。

3）确保转速的稳态控制精度大于0.50%。

4）转速范围控制在0～3 600 r/min。

5）响应时间原则上不超过0.2 s。

6）电动机转速要求可以进行五级调节，对转速需进行单轮调速、多轮同步调速以及异步调速等控制。

2.4 机轮转速模拟测试流程

2.4.1 单轮控制转速测试

1）首先运行并且登录“机轮转速模拟系统”。

2）在系统模拟程序中选取“单轮模拟”模式。

3）通过拖动滑杆读取机轮转动速度，并启动测试设备。

4）检测主界面与机轮转动速度的精度是否达标。

5）点击“停止”按钮，结束此次检测。

2.4.2 四轮控制转速测试

1）首先运行并登录“机轮转速模拟系统”。

2）在系统模拟程序中选取“四轮模拟”模式。

3）在使用拖动仪表盘指针对测试速度进行设定的同时启动测试设备。

4）对主界面下侧的实际速度能否达到精度标准进行检测。

5）结束检测过程的运行。

3 机轮转速检测参数整定算法

由电机运动方程得到的机轮转速参数的整定算法如下：该算法对于机轮转速测量提高了基础支持，使测量精度增大：

其中，ωt表示在t时刻的转速；Te、TL表示机轮转动电机的两种载重状态的电磁转矩；B表示磁通量。电磁转矩Te的计算公式为：

其中，电机参数转化为两相静止坐标系α-β中的电机参数，得到iα、iβ；然后通过Park 变换将两相静止坐标系中的参数转化为两相旋转坐标系d、q中的参数，得到id、iq；Pn表示功率；φ表示定子磁链基值；Ld表示直轴电感；Lq表示交轴电感。

式中，表示坐标转化下的选择坐标参数；当利用的策略控制且电动机默认空载(TL=0)启动时，能够得出：

对比式（4）与式（5）能够得到有功阻尼系数：

其中，β表示转轴转动角度。若借助PI 调节器，转换转速控制器的表达式为：

其中，Kpw表示比例放大系数；Kiw表示积分放大系数。所以确定：

4 实验

对基于无线传感器的机轮转速模拟检测方法与传统的基于速度模糊控制器的机轮转速模拟方法，进行机轮转速测试精度对比实验。

4.1 实验参数设计

第一次实验，采用时钟同步方式检测机轮转速，并将此测量结果作为实际转速结果，采用速度模糊控制器测量机轮转速，并将其作为测量转速结果；第二次实验，同样采用时钟同步方式对机轮转速进行检测，并将检测结果作为实际转速，将无线传感器测量的机轮转速作为测量速度。

表1 机轮转环选取参数

4.2 实验结果

采用时钟同步方式对机轮转速进行检测，并将检测结果作为实际转速，而将速度模糊控制器测量的机轮转速作为测量转速，实验所得记录如图3所示。

图3 基于速度模糊控制器机轮转速检测结果

图3 线的拟合度显示了基于速度模糊控制器机轮转速检测方法下测量的机轮转速与实际转速的拟合度，代表检测精确度。基于速度模糊控制器机轮转速检测下的图线拟合度并不高，说明精确度较差。

采用时钟同步方式对机轮转速进行检测，将检测结果作为实际转速，将无线传感器测量的机轮转速作为测量转速，实验所得记录如图4 所示。

图4 基于无线传感器的机轮转速模拟检测

图4 线的拟合度显示了基于无线传感器的机轮转速检测下测量的机轮转速与实际转速的拟合度，代表检测精确度。基于无线传感器的机轮转速检测下的图线拟合度较高，说明精确度较好。

5 结论

无线传感器的模块构成以及使用原则，显示出无线传感器的诸多优势，如容错性优良、能够实现远程监控等，在诸多领域，如智能机械制造、网络制造、飞机制造中具有非常好的发展前景，但传感器可能会存在延迟交换、交换频率低等缺陷，所以要注重对无线传感器性能的改善与提升。在飞机制造中，基于无线传感器的机轮转速系统性能更完善、相关模拟检测系统的检测水平也能进一步得以提高，比传统基于速度模糊控制器方法的检测精度更高。文中方法注重传感器的应用原则与机轮转速模拟检测的检测步骤，确保机轮转速模拟测试能够顺利进行。