機場跑道摩擦系數(shù)測試車標定裝置研究

1、機場跑道摩擦系數(shù)測試車標定裝置研究第16卷第3期2009年6月工程設計journalofengineeringdesignvoi.16no.3jun.2009機場跑道摩擦系數(shù)測試車標定裝置研究邢志偉,孫劍光,王立文(1.中國民航大學航空自動化學院,天津300300;2.中國民航地面特種設備研究基地,天津300300)摘要:根據(jù)摩擦車力傳感器標定需要,提出一種機場跑道摩擦車標定方法.分析了摩擦車和標定系統(tǒng)的標定原理和標定方法,選用pc104模塊作為控制核心,設計控制系統(tǒng)完成標定實驗,針對標定裝置中測力傳感器的非線性問題,應用基于分段最dx-乘法擬合的數(shù)據(jù)處理方法.實驗結果驗證了算法的有效性.關鍵

2、詞:摩擦車;標定裝置;力傳感器;非線性;最/b-乘法中圖分類號:tp23文獻標識碼:a文章編號:1006754x(2009)03022304researchoncalibrationdeviceoftestingvehicleforfrictioncoefficientofrunwayxingzhiwei,sunjianguang,wangliwed(1.aeronauticalautomationcollege,civilaviationuniversityofchina,tianjin300300,china;2.aviationgroundsupportequipmentsresearc

3、hbase,civilaviationadministrationofchina,tianjin300300,china)abstract:accordingtothecalibratingrequirementsofforcesensoronfrictionvehicle,acalibra-tingmethodforrunwayfrictionvehiclewasproposedandthecalibratingprincipleandmethodwasanalyzed.pc104modulewasselectedasthecontrolcoretocompletecalibratingex

4、periments.aimingatthenonlinearityofforcesensor,thesegmentleastsquare(lsq)wasadoptedtofitdataandtheresultsofexperimentvalidateditsefficiency.keywords:frictionvehicle;calibrationdevice;forcesensornonlinear;lsq機場跑道摩擦車是機場用于測量飛機跑道摩擦系數(shù)的專用設備,所測量的數(shù)據(jù)是用來決定跑道是否適合飛機的正常起降以及是否需要對跑道進行維護的重要根據(jù).摩擦車中的測力傳感器是保證測量數(shù)據(jù)有效的關鍵

5、部件,傳感器因為生產(chǎn)與使用中環(huán)境和自身性能的影響,存在溫漂,零漂以及非線性等誤差,需要對摩擦車的傳感器進行定期標定.為了滿足機場摩擦車標定的需要,本文對某型號的摩擦車標定裝置的標定原理與數(shù)據(jù)處理進行了研究.1摩擦車的工作原理1某型摩擦車采用普通轎車改裝,由液壓加載系統(tǒng)與車載控制系統(tǒng)組成,可在跑道上行駛,自動完成摩擦系數(shù)的測量與記錄.它的傳動結構如圖1所示,工作原理如下:測試車在跑道上以規(guī)定的速度行駛,控制系統(tǒng)對油缸加壓,測量輪放下,垂直力傳感器8安裝在油缸上端,可測得活塞對測量輪的壓力,活塞壓力與測量的重力之和為測量輪工作時對道面的壓力,與圖1中的n相等.差動器在后輪的驅動下,通過鏈輪3,4,

6、5,11帶動測量輪轉動,由于差速器的作用,測量輪與后輪存在一個速度差,測量輪在道面上處于滑動與滾動共存的狀態(tài),在壓力作用下,產(chǎn)生摩擦力,.張緊輪接觸的鏈條所受到兩個拉力為f,f,兩力的合力為f,設鏈條的包角(即上述兩個力的夾角)為a,測量輪半徑為r,鏈輪11的節(jié)圓半徑為r,由力與力矩平衡原理,可知摩擦力為:f=fr2cos(a/2)r收稿日期:20080912.基金項目:國家自然科學基金委員會與中國民用航空總局聯(lián)合資助項目(60672177).作者簡介:邢志偉(1970一),男,遼寧沈陽人,副研究員,博士,從事民航特種設備與系統(tǒng),民航特種機器人研究,email:zhiweixingyahoo.

7、cn.工程設計第16卷式中:為張緊輪所受的壓力,由水平力傳感器7測量.在廠與n已知的情況下,道面摩擦系數(shù)計算公式為:一f.(2)l一轎車后輪;2一差動器;3,4,5,ll一鏈輪;6一張緊輪;7一水平力傳感器;8一垂直力傳感器;9一油缸;lo一測量輪;l2一地面圖1摩擦車傳動結構簡圖fig.1structurediagramoftransmissionmechanism2標定的原理在明確傳感器輸入輸出變換對應關系的前提下,利用某種標準或標準器具對傳感器進行標度稱之為標定.標定的基本方法是利用一種標準設備產(chǎn)生的已知非電量,作為輸入量,輸入至待標定的傳感器中,得到傳感器的輸出量,從而得到傳感器的輸出

8、量與輸入量之問的對應關系.有時,輸入的標準量是利用一標準傳感器檢測而得,這時的標定實質上是待標定傳感器與標準傳感器之間的比較.為標定摩擦車的垂直與水平力傳感器,提出的標定裝置采用多點線性校準法.被標定的摩擦車力傳感器工作在分段的線性區(qū),輸入量i與輸出量y之間存在以下的對應關系:ylei+b.(3)知道兩組(i,y),(j,y)的值即可確定式(3)中憊與b的值,得到一個區(qū)問(,j.)內(nèi)與y的線性關系.同理,由另外兩組數(shù)據(jù)(r,y2),(i,y3)可以得到區(qū)間(ia,j.)內(nèi),與y的線性關系.采用多點線性校準,增加變量取值范圍內(nèi)的區(qū)間個數(shù),可以提高校準精度,同時也會增加控制計算機的計算工作量,實際

9、應用中需綜合考慮.本裝置的標定過程中選兩段區(qū)間.標定裝置結構如圖3所示,在方鋼與托盤之間布置3個垂直力傳感器(圖中用3個小方框表示),標定分為垂直力標定與水平力標定.垂直力由摩擦車液壓系統(tǒng)通過測量輪提供,測量輪作用到托盤上的壓力由3個垂直力傳感器測量,加載過程中摩擦車自帶的標定程序判斷圖1中傳感器8的電流值分別達到,j,j.時,停止加載,將兩位置對應的標定裝置的垂直力(分別為1o,50,70kg左右)輸入車載計算機,其中j,.是摩擦車標定程序預先設置的.水平力由標定裝置提供,進行水平力標定時,摩擦車控制測量輪下降,對托盤產(chǎn)生140kg的正壓力,標定計算機控制步進電機,驅動蝸輪蝸桿機構拉緊彈簧,

10、鋼絲,鋼絲一端固定在蝸輪上,隨蝸輪的轉動而繞緊或放松,以控制托盤的水平拉力,此拉力由傳感器8測量,水平力達到1okg,電機停轉,按摩擦車水平力標定按鈕,摩擦車計算機自動記錄此時圖1傳感器7的電流值j,步進電機繼續(xù)加載,控制水平力分別達到50,7okg,電機停轉,按標定按鈕,記錄對應的傳感器7的電流值j,j.,標定結束.標定原理如圖3所示.1一測量輪;2,4,73個垂直力傳感器;3一托盤;5一軸承;6一導軌;8一水平力傳感器;9一彈簧;lo一滑輪;1l一蝸輪蝸桿傳動機構;l2一步進電機;l3一方鋼圖2標定裝置結構簡圖fig.2calibrationdevicestructurediagram圖3

11、標定原理fig.3clalibrationprinciplediagram3控制系統(tǒng)的實現(xiàn)根據(jù)國際民航組織相關規(guī)定,跑道摩擦系數(shù)的測試誤差應控制在5以內(nèi),標定裝置的測量精度按高于摩擦車一個數(shù)量級進行設計,本文提出的標定裝置的測量誤差控制在0.5以內(nèi).根據(jù)標定裝置的測量精度與使用需用,有3個可選的控制系統(tǒng)方案:普通工業(yè)計算機,plc,pc104工控機.普通工業(yè)計算機有很強的擴展功能,專為工業(yè)控制的環(huán)境而設計,但機箱體積較大,不適用于標定裝置這種使用過程中需要移動的情況,另外標定裝置需要實現(xiàn)的功能相對較少,工控機不能得到充分利用.plc第3期邢志偉,等:機場跑道摩擦系數(shù)測試車標定裝置研究?225?

12、控制比較可靠,但操作界面不如計算機界面豐富直觀,也不適合實現(xiàn)較復雜的算法.綜合考慮,選擇了兼容普通計算機軟件,適合工業(yè)控制的pc104工控機為核心的控制系統(tǒng),所選模塊如下:pcm337o,pcm3724,pcm3718,pcm3780.垂直力傳感器為tedeahuntleigh力傳感器,型號為355s,量程為100kg,精度等級c3.水平力傳感器為mettlertoledo力傳感器型號為tsc一200,量程200kg,準確度等級0.02.步進電機是北京四通的86byg450,步距角為0.9.,以及配套的sh一20503細分驅動器.控制系統(tǒng)的結構如圖4所示.pcm37l8a/d模塊pcm3370

13、cpu模塊pcm378o時鐘模塊pcm3742i/0模塊鍵盤,lf電源il其他顯示器ll模塊ll按鈕圖4控制系統(tǒng)結構簡圖fig.4controlsystemstructurechartpcm3718是研華公司生產(chǎn)的符合pc104總線接口的高速數(shù)據(jù)采集模塊,提供16個單端或8個雙端,每個端口12位的a/d(模擬量/數(shù)字量)轉換接口和16位的開關量輸入輸出接口.本裝置的4個力傳感器輸出的010v的電壓信號分別接pcm3718的一個a/d通道,采用單端輸入接法,在100khz的采樣頻率下,a/d模塊的轉換精度達到輸入信號滿量程的0.01(對于01ov的電壓信號,轉換精度為1mv),轉換誤差為1lsb

14、(1eastsignificantbit),即a/d模塊轉換通道的實際輸出數(shù)字量和理論上的數(shù)字輸出量的相對誤差小于最低位的一個字.轉換得到的傳感器數(shù)據(jù)輸入pcm3370cpu模塊,cpu控制pcm378o輸出pwm信號到細分驅動器,控制步進電機的啟停與轉速.步進電機每轉過一個步距角,通過圖3中蝸輪蝸桿傳動機構11引起的彈簧9的長度改變量是一定的,彈簧給予托盤3水平拉力的控制精度,通過改變彈簧的倔強系數(shù)來實現(xiàn),實驗中選擇倔強系數(shù)合適的彈簧,可以實現(xiàn)電機每轉動一個步距角,水平力改變0.02kg.水平力傳感器量程為200kg,加載精度達到0.013,滿足控制系統(tǒng)的精度要求.基于pc104的pcm33

15、70工控機兼容普通pc,利用cpu模塊的接口,可與普通pc的鍵盤,顯示器聯(lián)接,通過pcm3724與一些手動,調(diào)試按鈕相連,增強了系統(tǒng)調(diào)試,操作的靈活性.這里使用windows98操作系統(tǒng),用visualc+6.0作為程序開發(fā)環(huán)境.4實驗數(shù)據(jù)處理與分析針對引起誤差較明顯的傳感器的非線性,這里應用分段最小二乘法.進行數(shù)據(jù)處理.實驗條件是在16的室溫下,使用規(guī)格為1,5,10kg的標準砝碼作為外加力源,對三個垂直力傳感器分別依次標定.pcm3718模塊選用12位a/d轉換器,測量得到的傳感器數(shù)據(jù)的范圍是04095,是無量綱的數(shù)據(jù).所得實驗數(shù)據(jù)如表1所示.表1垂直力傳感器測量數(shù)據(jù)table1verti

16、calforcesensormeasuredata載荷/kg1#垂直力2#垂直力3#垂直力11563124676237779331o1o表1中數(shù)據(jù)是間隔10min,對每個傳感器相同加載條件下采集到的兩組數(shù)據(jù)求平均值,以1#垂直力傳感器數(shù)據(jù)為例,對表中第2列數(shù)據(jù)用matlab軟件中的最小二乘法擬合函數(shù)lsqcurvefit進行處理,設傳感器工作于線性區(qū),擬合的目標函數(shù)為:y一kx+m,(4)式中:x為傳感器的數(shù)據(jù);y,為所加載荷的指示值;k,m為待定系數(shù).擬合結果為:是一0.064,一一0.073,擬合殘差為0.050kg,其中擬合殘差為函數(shù)擬合值與測量點所加標準砝碼重量的差.觀察測量數(shù)據(jù),傳感

17、器在測量范圍內(nèi)整體線性較好,但在加載4okg以上時非線性比較明顯,所以采用分段擬合,在04okg范圍內(nèi)(x<623),擬合函數(shù)為式(4),其他情況,擬合函數(shù)為:y2一nx告+6x+c.(5)對1#垂直力傳感器數(shù)據(jù)按上述加載范圍分為兩組用(4),(5)兩式分別擬合,結果為:k一0.064,m一一0.053.a一一0.010,b=0.0650,c一一0.137,最大殘差為一0.044kg.可見分段擬合方法可將殘差從單純線性擬合的0.050kg減小到分眈m姍姍;630637km弘釘0工程設計第16卷段擬合的0.044kg.分段擬合曲線如圖4所示.0匿懂7060200400600800l000l

18、200傳感器數(shù)據(jù)圖5擬合曲線fig.5fitcurve根據(jù)上述的擬合方法,考慮不同的傳感器在相同的載荷下測量數(shù)據(jù)分布規(guī)律不同,對2#垂直傳感器,使用公式(6):yax.+bx+c.(6)和公式(4)分段擬合,主要參數(shù)為:k一0.150,m=一1.964,n一0,b一0.152,f一一2.167,最大殘差0.059kg.結果顯示這個傳感器的測量數(shù)據(jù)具有分段線性的規(guī)律.3#垂直力傳感器的測量數(shù)據(jù)具有明顯的線性規(guī)律,采用公式(4)擬合,主要參數(shù)為:是一0.150,m一一3.768,最大殘差為一0.069kg.對水平力傳感器也采用式(4)和式(5)分段擬合,結果如表2所示.表2水平力傳感器測量數(shù)據(jù)ta

19、ble2horizonta1forcesensormeastiredata加載力/kg傳感器數(shù)據(jù)擬合殘差/kg主要參數(shù)為:k一0.131,m一一15.8,a一一0.005,60.131,c一一15.843,最大殘差0.219kg.綜合殘差數(shù)據(jù),水平力傳感器在加2okg砝碼時產(chǎn)生的擬合殘差最大為0.219kg,因為水平傳感器的量程為200kg,所以擬合誤差為:0.219/200100一0.11<0.5,滿足標定精度要求.通過上述方法得到每個傳感器對應的y1,與x的函數(shù)關系.對垂直力載荷的測量值取3個垂直力傳感器的擬合數(shù)據(jù)的和_5;對水平力載荷,測量值直接取水平力傳感器的擬合數(shù)據(jù).實驗結果表

20、明,提出的摩擦車標定裝置測量精度<o.5,滿足實際應用的要求.5誤差分析與結論本文給出了一種實用的摩擦車標定裝置,為了確保標定精度,應盡量保持摩擦車的標定狀態(tài)與工作狀態(tài)一致,但從以上敘述可以看到:測量輪在工作狀態(tài)時與地面接觸,標定時與托盤接觸,托盤離地面還有距離,標定狀態(tài)下的鏈輪包角大于工作時的a,由(1)式可知,經(jīng)過標定,摩擦力,的測量值偏大,為了減小這個誤差,盡量減小托盤離地高度,這里托盤離地面lomm.標定裝置的工作溫度隨季節(jié)變化很大,溫度變化引起的傳感器的溫漂,傳感器自身的零漂,蠕變以及非線性都會對測量結果造成明顯影響.為減小這方面的誤差,本裝置采用的分段lsq擬合的數(shù)據(jù)處理方法

21、是一種有效的方法,但也有需要改進的方面,比如擬合區(qū)間的劃分,擬合函數(shù)的選擇現(xiàn)在主要靠經(jīng)驗,以后還需要作進一步的研究.載荷較大時,傳感器非線性產(chǎn)生的機理還需作進一步分析.參考文獻:1史艷紅,王立文.機場跑道摩擦系數(shù)測試實驗數(shù)據(jù)分析j.中國民航學院,2006(1):2527;shiyanhong,wangliwen.dataanalysisofairportrunwayfrictioneoeffiicienttestexperimentj.journalofcivilaviationuniversityofchina,2006(1):2527.2fl慶鵬,宋開臣,陳鷹.基于分段最小二乘擬合的瞬時頻率估計方法口.農(nóng)業(yè)機械,2006,37(11):204206.k0ngqing-peng.songkai-chen,chenying.instantaneousfrequencymeasuringmethodbasedontheleastsquareprinciplej.transactionsoft