夏清鷹,鐘學(xué)敏,任培武,龍良剛,李卓隆,朱杰

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán)）有限責(zé)任公司,四川 成都 610091）

0 引言

著陸滑行燈是飛機(jī)著陸及滑行過(guò)程中安全措施系統(tǒng)的重要組成部分[1],尤其是執(zhí)行夜間任務(wù)時(shí),著陸滑行燈工作狀態(tài)的好壞直接影響飛行員執(zhí)行相關(guān)著陸及滑行操作的效果以及塔臺(tái)讀取飛機(jī)著陸及滑跑狀態(tài)有效信息的準(zhǔn)確性[2],因此保證著陸滑行燈工作狀態(tài)符合要求具有重要意義。安裝飛機(jī)的著陸滑行燈時(shí),飛機(jī)處于與地面水平的狀態(tài),將著陸滑行燈照射方向的中心位置調(diào)整至位于飛行員正前方90 m處的地面上,這一過(guò)程通常被稱為“校靶”。由于光的發(fā)散性,著陸滑行燈在90 m處形成的光斑很大,再加上周圍雜散光的影響,導(dǎo)致完成校靶操作非常困難。且目前國(guó)內(nèi)的校靶工作大多采用人工測(cè)量方式,工作效率低、測(cè)量誤差大、重復(fù)性較差,無(wú)法滿足對(duì)著陸滑行燈的高準(zhǔn)確度校準(zhǔn)要求,亟需研究具有自動(dòng)定位功能的校準(zhǔn)系統(tǒng)來(lái)代替純?nèi)斯ば?zhǔn)[3-4]。

目前激光測(cè)距技術(shù)的應(yīng)用已較為成熟[5-12],并已有采用激光測(cè)距技術(shù)的裝置應(yīng)用于著陸滑行燈校靶領(lǐng)域[13-14],在一定程度上提升了校準(zhǔn)的便利性,但這些方法仍然需要進(jìn)行較多人工操作,自動(dòng)化程度有待進(jìn)一步提高[15]。針對(duì)上述問(wèn)題,本文研究并提出了一套飛機(jī)著陸滑行燈自動(dòng)化校靶系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)的工作原理、裝置組成、關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹,并開展實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性,為著陸滑行燈數(shù)字化、自動(dòng)化檢測(cè)提供重要技術(shù)支撐。

1 飛機(jī)著陸滑行燈校準(zhǔn)分析

1.1 著陸滑行燈校準(zhǔn)要求

飛機(jī)前起落架雙著陸滑行燈的安裝如圖1所示,為保證著陸滑行燈的照明效果,需對(duì)滑行燈進(jìn)行裝機(jī)光學(xué)調(diào)校。兩個(gè)滑行燈的安裝中軸線即飛機(jī)的中軸線,在偏航方向上兩燈之間的夾角為4°,且照射方向中心對(duì)稱。在俯仰方向上兩燈照射角度為0.5°,在設(shè)置的10 m測(cè)試距離處滑行燈的照度值應(yīng)不低于700 lx,并保證燈光照射距離達(dá)到90 m。

圖1 著陸滑行燈安裝校準(zhǔn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of landing taxi light installation and calibration

1.2 著陸滑行燈校準(zhǔn)方法分析

飛機(jī)著陸滑行燈校準(zhǔn)示意圖如圖2所示,幾何關(guān)系圖如圖3所示。機(jī)頭千斤頂頂塊安裝中心點(diǎn)與著陸滑行燈發(fā)光面距離d0=3.262 m,實(shí)際滑行燈高度設(shè)為H0,照射最遠(yuǎn)距離為90 m,測(cè)試時(shí)靶板距離L0=10 m,靶板高度設(shè)為H1。

圖2 著陸滑行燈校準(zhǔn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of landing taxi light calibration

圖3 著陸滑行燈校準(zhǔn)幾何關(guān)系圖Fig.3 Geometry diagram of landing taxi lights calibration

根據(jù)幾何關(guān)系,有

著陸滑行燈校準(zhǔn)時(shí)的主要操作方法為:

1)將簡(jiǎn)易激光夾具安裝在前起落架雙著陸滑行燈的燈殼散熱片上,保證簡(jiǎn)易激光夾具激光出光面的中心點(diǎn)與滑行燈的中心出光面重合,如圖4所示。

圖4 激光夾具校準(zhǔn)安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of laser fixture calibration and installation

2)利用鉛錘分別對(duì)飛機(jī)雙進(jìn)氣道基準(zhǔn)點(diǎn)作投影,于地面形成投影點(diǎn)a1,a2。

3)在地面用標(biāo)記筆將a1,a2連線成線段L1。

4)利用鉛錘得到機(jī)頭千斤頂頂塊安裝中心點(diǎn)對(duì)地面的投影參考點(diǎn)a3,并用標(biāo)記筆作出標(biāo)示。

5)過(guò)a3點(diǎn)作一條垂直于L1的射線L2,在L2射線上測(cè)量得出L0-d0長(zhǎng)度的端點(diǎn)o,使得|oa3|=L0-d0;過(guò)o點(diǎn)作相交于L2的垂線L3,在L3上放置簡(jiǎn)易靶板,使簡(jiǎn)易靶板鉛直中軸線在地面的投影與L2重合。

6)測(cè)量得出滑行燈中心出光面相對(duì)地面的高度H0。

7)校準(zhǔn)找平簡(jiǎn)易靶板。調(diào)校簡(jiǎn)易靶板水平中軸線至離地投影點(diǎn)距離為8/9H0的高度H1,再用鉛錘得到簡(jiǎn)易靶板水平軸線兩端對(duì)地投影點(diǎn)b1,b2,并測(cè)量得出投影點(diǎn)b1,b2到靶板水平軸線的鉛錘線長(zhǎng)度d1,d2;對(duì)比d1,d2的大小,若不相等,則需要重新調(diào)校靶板,使d1,d2近似相等,同時(shí)保證高度H0基本不變。

8)調(diào)校雙著陸滑行燈俯仰及偏航角度,使用卷尺測(cè)量激光夾具投射在簡(jiǎn)易靶板上的激光點(diǎn)到簡(jiǎn)易靶板鉛直中軸線的距離c1,c2,比較c1與c2的相差值K1是否不大于2 cm的允差;測(cè)量得出激光點(diǎn)到簡(jiǎn)易靶板水平軸線的距離e1,e2,比較e1與e2的相差值K2是否大于1.5 cm的允差。

9)校準(zhǔn)找平完成后,關(guān)掉環(huán)境燈光,使用照度計(jì)測(cè)量簡(jiǎn)易靶板激光點(diǎn)位置上滑行燈光照強(qiáng)度Q是否大于700 lx,若不滿足要求,重復(fù)步驟6)～步驟8),直到滿足校準(zhǔn)要求。

2 自動(dòng)化校靶原理

2.1 滑行燈靶板中心位置的激光指示

在飛機(jī)前腹千斤頂頂塊正下方設(shè)置一臺(tái)激光定位小車,利用光學(xué)坐標(biāo)獲取飛機(jī)中軸面作為基準(zhǔn)面,基準(zhǔn)面通過(guò)激光投影至靶板。激光定位系統(tǒng)位于飛機(jī)機(jī)頭千斤頂正下方,激光定位系統(tǒng)中三軸激光儀(如圖5所示)可發(fā)射三束互相垂直的準(zhǔn)直激光,即鉛錘激光a、水平激光b和天頂激光c。激光a投射在機(jī)腹上,與飛機(jī)中軸線重合,同時(shí)衍射到靶板上;激光b投射在靶板平面上,作為靶板垂直的參考基準(zhǔn)線;激光c對(duì)準(zhǔn)千斤頂支撐位置的中心。

圖5 三軸激光儀示意圖Fig.5 Schematic diagram of three-axis laser instrument

為了實(shí)現(xiàn)不開燈調(diào)校著陸滑行燈的效果,在燈具測(cè)距/校準(zhǔn)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了激光儀(如圖6所示),使該激光儀的激光標(biāo)記點(diǎn)在10 m外的測(cè)試靶板上與滑行燈的光斑中心處重合,以便在測(cè)試時(shí)用該激光標(biāo)記點(diǎn)代替滑行燈的中心光強(qiáng)點(diǎn)。

圖6 激光標(biāo)記點(diǎn)位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of the position of the laser marking point

2.2 飛機(jī)中軸面與靶板的對(duì)準(zhǔn)

在靶板上設(shè)置感光傳感器、水平傳感器檢測(cè)靶板位置,保證靶板既垂直于飛機(jī)中軸面又垂直于水平面,如圖7所示。

圖7 靶板面與飛機(jī)中軸面相互垂直Fig.7 The surface of the target board and the medial surface of the airplane are perpendicular to each other

在飛機(jī)中軸面與靶板面相互垂直的條件下,通過(guò)觀察激光標(biāo)記點(diǎn)在靶板上的投影,將左右兩個(gè)著陸滑行燈調(diào)校至以飛機(jī)中軸面為中心對(duì)稱,且水平高度一致的狀態(tài)。

為保證靶板面和被測(cè)飛機(jī)的中軸面相互垂直,運(yùn)用平面與平面垂直的判定定理進(jìn)行判定,如圖8所示。如果一個(gè)平面α經(jīng)過(guò)另一個(gè)平面β的一條垂線a,那么這兩個(gè)平面互相垂直。

圖8 平面α與平面β相互垂直Fig.8 Planeαand planeβare perpendicular to each other

本文中,使三軸激光儀的垂直激光線與飛機(jī)中軸線重合,該垂直激光線和飛機(jī)前方10 m處的靶板(可將靶板面看作平面β)相交,通過(guò)電機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)將靶板面校準(zhǔn)為與激光線垂直,此時(shí),可以判定包含了該垂直激光線的飛機(jī)中軸面(可將飛機(jī)中軸面看作平面α)和靶板面相互垂直。

2.3 靶板自動(dòng)化調(diào)平

電子靶板(如圖9所示)擺放在距離激光定位系統(tǒng)6.732 m的位置上,平移靶板,使靶板上的光源強(qiáng)度感應(yīng)傳感器與激光a相對(duì)重合。

圖9 電子靶板示意圖Fig.9 Schematic diagram of electronic target board

開啟控制單元的電源,靶板系統(tǒng)復(fù)位結(jié)束后,點(diǎn)擊控制單元上的校準(zhǔn)開始按鍵。電子靶板驅(qū)動(dòng)氣缸(如圖10所示)可驅(qū)動(dòng)靶版自動(dòng)調(diào)整其水平、前后、俯仰三個(gè)方向的狀態(tài)。靶板上的雙軸角位移傳感器檢測(cè)靶板水平、俯仰的角度值,并傳送給控制單元,控制單元發(fā)送校正指令給水平、俯仰伸縮氣缸,使靶板完成水平、俯仰狀態(tài)的調(diào)整。靶板上的光源強(qiáng)度傳感器感應(yīng)激光a的光源強(qiáng)度,當(dāng)光源強(qiáng)度不是最大值時(shí),其發(fā)送指令給控制單元,控制單元控制靶板前后伸縮氣缸,使靶板完成前后偏轉(zhuǎn),直到光源強(qiáng)度傳感器感應(yīng)激光a的光源強(qiáng)度為最大值,靶板完成前后狀態(tài)調(diào)整工作。

圖10 電子靶板驅(qū)動(dòng)氣缸設(shè)計(jì)Fig.10 Design of cylinder driven by electronic target board

安裝在滑行燈上的激光對(duì)地測(cè)距儀測(cè)量滑行燈中心出光面相對(duì)地面的垂直高度,并將高度信號(hào)傳送給靶板控制單元;控制單元發(fā)送指令給靶板的高度升降伺服電機(jī),使靶板執(zhí)行高度調(diào)整(調(diào)整至數(shù)值為0.89倍的著陸滑行燈出光面中心出光線對(duì)地高度值)。靶板上安裝有水準(zhǔn)儀,用于驗(yàn)證靶板的水平、俯仰度。

3 基于激光測(cè)距的自動(dòng)化校靶系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電子靶板系統(tǒng)

電子靶板系統(tǒng)由飛機(jī)著陸滑行燈測(cè)距/校準(zhǔn)系統(tǒng)(含激光筆)、靶板校準(zhǔn)系統(tǒng)、激光定位系統(tǒng)、照度計(jì)、附件箱等組成,整體實(shí)物如圖11所示。電子靶板系統(tǒng)依據(jù)定位系統(tǒng)的激光信號(hào)、水平距離數(shù)據(jù)和燈具對(duì)地高度數(shù)據(jù)進(jìn)行自我調(diào)整,使靶板平面既垂直于飛機(jī)中軸面,又垂直于水平面。靶板內(nèi)置的陀螺儀使靶板具有感知水平位置的能力,本系統(tǒng)根據(jù)陀螺儀的反饋參數(shù)自動(dòng)精確調(diào)整自身的水平度。靶板的鈑金材料設(shè)計(jì)方式,使其受環(huán)境風(fēng)速和地面平整度的影響很小,適合外場(chǎng)燈光調(diào)校。

圖11 電子靶板系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.11 Image of electronic target system

3.2 激光定位系統(tǒng)

激光定位系統(tǒng)由定位器、三軸激光儀、離靶板水平測(cè)距感應(yīng)面組成,如圖12所示,其主要功能是將飛機(jī)中軸面通過(guò)激光坐標(biāo)系統(tǒng)可視化,并向靶板提供光能量和距離測(cè)量點(diǎn)。

圖12 激光定位系統(tǒng)Fig.12 Laser positioning system

三軸激光儀射出2條十字垂直交叉的綠光線(1條垂直、1條水平)和1條豎直的紅色激光線,其中紅色激光線用于對(duì)準(zhǔn)飛機(jī)前腹千斤頂中心位置(即飛機(jī)中軸線的起始位置),十字垂直綠色激光線用于對(duì)準(zhǔn)飛機(jī)軸線和靶板中心垂直線。

水平測(cè)距儀安裝在離靶板水平測(cè)距感應(yīng)面的靶板下方處。測(cè)距感應(yīng)面作為水平測(cè)距儀射出的激光線截止面,用于測(cè)量靶板到飛機(jī)千斤頂中心點(diǎn)的距離。

圖13 激光測(cè)距儀Fig.13 Laser rangefinder

為便于操作人員將三軸激光儀中的向上豎直紅色激光線對(duì)準(zhǔn)飛機(jī)前腹的千斤頂中心基準(zhǔn)點(diǎn),設(shè)計(jì)了一組微動(dòng)調(diào)節(jié)平臺(tái),可使激光儀沿X、Y方向進(jìn)行微小移動(dòng),實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)。

3.3 滑行燈指示系統(tǒng)

著陸滑行燈夾具設(shè)計(jì)如圖14所示,其主要包括對(duì)地測(cè)量?jī)x、激光筆限位夾具、限位擋塊和鎖緊條塊等部分。對(duì)地測(cè)量?jī)x用來(lái)測(cè)量滑行燈中心出光面距離地面的高度值,激光筆用來(lái)模擬滑行燈中心出光面,并通過(guò)激光筆限位夾具使激光筆中心點(diǎn)與滑行燈出光面齊平。系統(tǒng)整體通過(guò)著陸滑行燈背部散熱片固定,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證了激光指示筆的射出點(diǎn)距離地面的高度即為被測(cè)燈具距離地面的高度。

圖14 著陸滑化燈夾具設(shè)計(jì)圖Fig.14 Design drawing of sliding landing lamp fixture

激光筆夾具如圖15所示。激光筆安裝入夾具后,其射出的激光光線向下與水平線呈0.5°夾角,與飛機(jī)滑行燈的出光角度一致。激光筆的激光標(biāo)記點(diǎn)在10 m外的測(cè)試靶板上與滑行燈的光斑中心處重合。

圖15 滑行燈出光角度示意圖Fig.15 Schematic diagram of the light emitting angle of the taxi light

滑行燈對(duì)地測(cè)距儀用于測(cè)量滑行燈相對(duì)地面的距離。通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)及加工保證測(cè)距儀起始點(diǎn)與滑行燈的燈帶水平高度一致,并通過(guò)電纜將測(cè)距數(shù)據(jù)傳輸至靶板校準(zhǔn)系統(tǒng)。

4 自動(dòng)化校靶系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)述

基于激光測(cè)距的自動(dòng)校準(zhǔn)靶板系統(tǒng)由1～2人操作,定位校準(zhǔn)時(shí)間不超過(guò)1 h,設(shè)備整體可收納為一個(gè)整體箱,便于搬運(yùn)和使用。在調(diào)校過(guò)程中,將激光測(cè)距自動(dòng)化校準(zhǔn)靶板系統(tǒng)安裝到位后,靶板系統(tǒng)利用自身陀螺儀自動(dòng)找平,通過(guò)配備的兩軸水平儀驗(yàn)證靶板系統(tǒng)的X軸與Y軸的水平度。自動(dòng)化校準(zhǔn)靶板系統(tǒng)操作流程如下:

1)飛機(jī)中軸面對(duì)準(zhǔn)

將激光定位系統(tǒng)置于飛機(jī)前腹千斤頂頂塊中心點(diǎn)正下方進(jìn)行軸線定位,使十字光標(biāo)的垂直線與飛機(jī)軸線重疊。

2)初調(diào)電子靶板

利用靶板中心定位激光傳感器將靶板置于6.732 m處,并結(jié)合滑軌處旋鈕微調(diào)的方式,將靶板的中線與三軸激光儀的垂直激光線對(duì)齊。

3)著陸滑行燈夾具安裝與調(diào)整

將著陸滑行燈夾具安裝在著陸滑行燈的散熱片上。啟動(dòng)自動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)備,開機(jī)提示開始工作并自動(dòng)檢測(cè)X軸、Y軸的角度參數(shù)和高度參數(shù)H0。若X軸、Y軸的角度大于5°或H0的值不符合匹配范圍,系統(tǒng)會(huì)提示并停止校準(zhǔn),待調(diào)整好之后再啟動(dòng)。

4)著陸滑行燈校準(zhǔn)

①接收著陸滑行燈夾具對(duì)地測(cè)距儀的高度數(shù)據(jù),然后校準(zhǔn)靶板的高度使零刻度線位于H1(H1=H0-0.13 m)處。

②靶板根據(jù)雙軸傳感器的角度數(shù)值自行校準(zhǔn),使靶板面垂直于地平面,且靶板整體水平平行于地平面。

③靶板接收激光垂直光線,通過(guò)對(duì)比光照的最大值,校準(zhǔn)靶板與飛機(jī)的中軸截面相互垂直。

4.2 實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比

分別采用傳統(tǒng)的燈光校靶方法和本文提出的自動(dòng)化校靶方法對(duì)同一套飛機(jī)著陸滑行燈進(jìn)行校靶,比較兩種方法的實(shí)際應(yīng)用效果,如表1所示。

表1 傳統(tǒng)燈光校靶方法和自動(dòng)化校靶方法效果對(duì)比Tab.1 Comparison of effects between traditional light calibration method and automatic calibration method

由表1可知,相較傳統(tǒng)的燈光校靶方法方法,本文提出的自動(dòng)化校靶方法的校準(zhǔn)準(zhǔn)確度提升了80%,操作效率提升了60%,極大地降低了校準(zhǔn)工作耗時(shí),且不易受環(huán)境風(fēng)速等因素的影響。

5 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)飛機(jī)著陸滑行燈校準(zhǔn)方法測(cè)量準(zhǔn)確度低、操作復(fù)雜、需要耗費(fèi)大量人力物力的缺陷,本文研制了一套基于激光測(cè)距的自動(dòng)化靶板校準(zhǔn)系統(tǒng),詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的工作原理、裝置組成、操作方法,并開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。結(jié)果表明,相較傳統(tǒng)方法,使用該系統(tǒng)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度及操作效率均明顯提升,極大地減少了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。該系統(tǒng)可有效滿足飛機(jī)著陸類燈具校準(zhǔn)需求,為航空燈具數(shù)字化、自動(dòng)化檢測(cè)打下了良好基礎(chǔ),為保障飛機(jī)著陸滑行的安全性提供了重要技術(shù)支撐。