通过颤振监控来检测角传感器性能退化的方法

专利名称：通过颤振监控来检测角传感器性能退化的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测移动运输工具平台以及静止平台中流动角测量装置内的角传感器性能退化的方法。更具体地，本发明涉及一种计算机系统和方法，其利用在流动角测量装置中的传感器颤振动作来检测由于损坏或退化的传感器机械部件的动态响应变化所导致的工作性能退化。
背景技术：
诸如飞行器迎角和侧滑角测量装置的流动角测量装置遭受到多种因素造成的退化和损坏，诸如外物损坏(“F0D")、雷击引起的内部电弧、环境湿度影响或外物侵入。这些情况，如果未检测到，那么可影响这些装置的静态和动态角度测量精度。传统上，这些误差必须通过传感器的手动检查或者该传感器与平台上安装的其它传感器的对比进行检测。 在一些平台应用中，现有方法的主要限制在于，仅在平台位于地面上或者处于非使用状态时才可执行手动检查，并且仅在通过一些其它方法识别到问题之后才执行手动检查。在运行中可以使用的传感器交叉比较方法通常只能够检测粗略的不准确性，并且可能易受到共模问题的影响。通过提供一种在使用状态下且定期地检测装置内退化和损坏的方法，本发明解决了这些限制，无需依赖外部监控。

发明内容
为了检测如上所述的流动角测量装置的退化和损坏，本发明涉及一种计算机系统和方法，其利用在流动角测量装置中的传感器颤振的连续动作来检测由于损坏或退化的机械部件的动态响应变化造成的工作性能退化。根据一个示例性实施例，本发明提供一种方法，其用于在正常工作过程中，不依赖外监控的情况下，自动、定期地检测流动角测量传感器中的损坏和/或退化。本发明优选地利用角传感器动态特征的实时分析来检测损坏和/或退化。相反，现有技术依赖于手动检查或者与安装在平台上的类似传感器的对比。根据一个示例性实施例，且在一个方面，本发明涉及一种用于检测流动角测量装置中角传感器性能退化的方法，该方法包括输入当前平台数据和判断当前平台数据是否在预定限值内的步骤。如果当前平台数据在预定限值内，则检测角传感器的当前叶片角度并存储在叶片角度阵列中。接着，计算当前平台环境的平均值以获得速度数据阵列，所述当前平台环境优选地包括空气速度、高度和温度。下一步骤包括基于计算的当前平台数据的平均值来查找角度过滤系数和颤振阈值的对应值，和使用角度过滤系数来过滤叶片角度阵列以计算颤振阵列。其后，计算颤振阵列的噪音水平值，其中噪音水平值优选地是叶片输出颤振振幅和频率的特征。然后，基于所计算的颤振阵列的噪音水平，执行关于当前叶片运行是否超出颤振阈值的判断。如果判断出当前叶片运行超出颤振阈值，则表示为失效输出；或者如果判断出当前叶片运行未超出颤振阈值，则表示为合格输出。


参照下述本发明的示例性实施例的详细描述，结合附图可理解本发明的目的和特征，其中图1是可与本发明某些实施例一起使用的计算机系统的框图；图2是本发明的示例性实施例中飞行器头部的俯视图，其示出安装在机身侧部的流动角传感器的位置；图3是本发明的示例性实施例中飞行器头部的侧视图，其示出安装在机身左侧的流动角传感器的位置；图4是本发明的示例性实施例中的涡流脱落图，其示出流动角传感器的俯视图和自由进入的空气流的气流方向，以及脱落过程中的涡流分量；和图5是用于执行角度性能退化检测的流程图，其示出本发明计算机方法中所包括的步骤。
具体实施例方式现参照附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的示例性实施例。本发明不以任何方式受限于所示出的实施例，原因是示出的下文所述的实施例仅是示例性的，如本领域技术人员所理解，其能够以各种形式体现。因此，应当理解，本文所公开的任何结构性和功能性细节并不能解释为限制本发明，而是提供作为用于教导本领域技术人员的一种或多种执行本发明的方法的代表性实施例。此外，本文使用的术语和短语并非旨在限制，而是提供本发明的可理解描述。另外，相同的附图标记应理解为表示相同的元件。应当理解，如下文所讨论的本发明实施例可以并入，从而作为存在于固件内和/ 或计算机可用介质(包括软件模块和浏览器插件)上的软件算法、程序或代码，其具有用于使得在具有计算机处理器的计算机系统上执行的控制逻辑。这类计算机系统通常包括配置成提供计算机算法或程序执行输出的存储装置。也应理解并认识到，计算机系统可设置在具有角传感器(例如，流动角测量装置)的运输工具(例如飞行器或水运工具)上，角传感器是本发明的主题以用于通过颤振监控来检测角传感器性能退化。然而，还应理解和认识到，上述计算机系统也可设置在上述运输工具的外部。在示出计算机系统100的图1中以框图示出了示例性计算机系统。虽然系统100 在本文中表示为独立系统，但是并非限于此，而是可经由网络(未示出)连接到其它计算机系统或者可包含下文描述的其它实施例。系统100优选地包括外部接口 105、处理器110(诸如数字数据处理器)和存储器115。存储器115是用于存储数据和适用于控制处理器100 的运行的指令的存储器。存储器115装置可包括随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器和只读存储器(ROM)或这些组件中的任一者。存储在存储器115中的组件之一是程序120。程序120包括用于控制处理器110的指令。程序120可作为单个模块或者相互协作运行的多个模块来执行。程序120拟作为表示下文描述的方法200的软件实施例。外部接口 105可包括输入装置，诸如键盘、触摸屏、输入板、API网络服务接口、语音识别子系统或外部通信网络，以用于使得用户将信息和命令选择通信到处理器110。外部接口 105也可包括诸如显示器或打印机的输出装置。就触摸屏而言，由相同的结构提供输入和输出功能。诸如鼠标、跟踪球或操纵杆的光标控制器允许用户在显示器上运行光标以将其它信息和命令选择通信到处理器110。在本发明的预期可供选择的实施例中，程序120 在无需用户输入或其它命令的情况下可完全执行，其基于编程或自动访问其它系统的数据信号流，由于其它原因可能需要或不需要用户接口。虽然程序120指示为已装载在存储器115中，但是其可配置在存储介质125上以随后装载入存储器115中。存储介质125可以是任何传统存储介质，诸如磁带、光学存储介质、光盘、软盘、基于硅的存储装置等。或者，存储介质125可以是设置在远端存储系统上的随机存取存储器或者其它类型的电子存储，诸如传送在用户装置上安装和启动的程序120 的服务器。本文所述的方法500已结合图5中所示的流程图进行表示以便于本发明的示例性实施例的主要进程的一般描述；然而，某些块能够以任意次序进行调用，诸如当结果驱动诸如定向对象的程序的程序流时。相应地，流程图应理解为实例流程且块可以不同于所示的次序进行调用。图1旨在提供对示例性和/或合适的示例性环境的简洁、一般描述，在所述合适的示例性环境中可执行下文描述的本发明的实施例。图1是合适的环境的实例，且并非旨在建议对本发明实施例的结构、使用范围或功能进行任何限制。具体环境不应解释为具有涉及示例性工作环境所示部件的任何一个或组合的任何依赖或要求。例如，在某些情况下，环境的一个或多个要素可视为非必要的且可省略的。在其它情况下，一个或多个其它要素可视为是必要的且是可增加的。在下文描述中，某些实施例可参照由一个或多个计算装置(诸如图1中的计算系统环境)来执行的动作和运行的符号表征进行描述。因此，应当理解，这些有时称为计算机执行的动作和运行包括由表示结构形式数据的电信号的计算机处理器执行的操纵。该操纵转换数据或将其保持在计算机存储器系统中的位置，其以本领域的技术人员所了解的方式重新配置或者其它方式改变了计算机的运行。保持数据的数据结构是存储器的物理位置， 其具有数据格式所界定的具体属性。然而，虽然在上文中描述了一个实施例，但是并非意味着限制，本领域的技术人员应当理解，下文描述的动作和运行也可在硬件中来执行。实施例可以描述为由计算机系统100执行的一般情况下的计算机可执行指令，诸如程序模块120。一般来说，程序模块120包括例行程序、程序、对象、组件、数据结构等，其执行具体任务或执行具体抽象数据类型。实施例也可在分布式计算环境下进行实践，其中任务由通过通信网络链接的远端处理装置来执行。在分布式计算环境中，程序模块120可设置在包括存储装置的本地和远程计算机存储介质中。结合上文描述的计算机系统100，并根据示例性实施例，现参照图2-5，本发明监控角度流体流动测量装置10的振动特征。最佳如图2和3所示，角度流体流动测量装置10 示出为安装在飞行器头部12的任一侧上。应当认识和理解，本发明不应理解为受限于该角度流体流动测量装置10，而是可包括多种用于测量诸如飞行器迎角的参数的角度流动测量装置，和/或可包括侧滑角测量装置。由本发明监控的上述振动通常称为“颤振”，如图4所示，是由暴露于流动的部分角传感器10的涡流脱落造成的。参照图4，箭头14示出未受到干扰的自由空气流；箭头 16表示涡流脱落引发的振动动作方向；且箭头18表示已从叶片脱落的一系列涡流，也称为“卡门涡街(Karman Vortex Street)”。颤振由振动的振幅和频率进行界定，而且这些特征在具体工作条件下是可重复的。通过参照传感器颤振特征，本发明的系统和方法能够判断传感器10是否在正常限值内运行。应当理解，上述参考的颤振特征现象取决于装置10的具体工作条件。由于该相关性，系统100的程序模块120中的计算机程序算法优选地接受装置10提供的作为输入的平台运行数据，并判断适当验收标准应该是什么。验收标准水平建立在基于时间的角度信号内检测到的颤振水平的基础上。现参照图5，其根据本发明的示例性实施例示出了描述计算机执行的方法500的流程图，方法500示出了在计算机系统100内执行计算机程序算法的步骤，其基于流动角传感器10的颤振导致的涡流脱落用于检测角度流动退化。在步骤510开始，系统100将当前平台(例如飞行器)环境数据(例如空气速度、 高度、温度、迎角、滚速等)与这些参数的预定和存储值(“测试包”)相比较以判断，执行用于判断角传感器性能退化的测试是否必要。接着，在步骤520，系统优选地执行一个决定， 或继续检测算法(经由程序模块120)，或在平台数据不属于预定测试包的情况下基于步骤 510做出的比较而重新开始(步骤510)。因而，在步骤520的决定判断为“否”时，那么进程进入到存储先前循环(步骤510至520)数据的步骤530，该数据不再有效，导致从系统100 清除。然而，如果步骤520的系统判断是“是”，那么进程进入到步骤M0，其中，引用自步骤510的平台数据存储在适当的阵列集内(例如，当前平台数据存储在平台数据阵列中且当前叶片角度存储在叶片角度阵列中，优选地存储在系统100的存储器中)。应当理解并认识到，叶片角度阵列优选地是检测出的叶片角度值的时间序列，据此当收集到足够数量的数据点时，则认为叶片角度阵列是完全的。接着，进程进入到步骤550，其中，系统100判断用于执行性能退化的评估的数据是否足够。如果“否”，意味着数据集不完整，则系统100的进程返回到开始以优选地从装置 10收集更多数据。如果“是”，意味着叶片角度阵列的数据集是完全的且完整的，则进程进入到步骤560，其中，基于空气速度、高度和温度的输入时间序列值，系统100计算当前平台环境、速度数据阵列的平均值。系统100执行了步骤560的计算之后，进程进入到步骤570，其中，基于步骤560中判断的计算，系统100的进程优选地在系统100中的查找表或类似组件中执行角度过滤系数和颤振阈值的对应值的查找。应当理解并认识到，颤振阈值是特征噪音水平，其判断叶片是正常或异常地运行，据此，超出颤振阈值的水平认为是异常的。应进一步理解和认识到， 可以使用固定过滤器或者类似方法，而不是查找角度过滤系数的对应值。系统100中的进程然后进入到步骤580，其中，基于步骤570中判断的角度过滤系数，可选带通滤波器应用于叶片角度阵列以计算使用角度过滤系数来过滤叶片角度阵列的颤振阵列。进程然后进入到步骤590，其中，系统100计算颤振阵列的噪音水平值。应当理解和认识到，噪音水平值是叶片输出颤振振幅和频率的特征。进程然后进入到步骤592，其中，系统100使用步骤570中所判断的颤振阈值来判断通过噪音水平(颤振水平值)测量到的当前叶片运行是否超出颤振阈值。如果“是”，那么系统100报告失效输出(步骤594)，其将性能退化监控器BIT设定为失效，然后优选地清除所有数据，且上述进程返回到开始。如果“否”(通过噪音水平(颤振水平值)测量到的当前叶片运行未超出颤振阈值)，那么系统100报告合格输出(步骤596)，其将性能退化监控器BIT设定为合格条件，然后优选地清除数据，并且上述进程返回到开始。应当理解，上述本发明的计算机系统和方法提供的一些优点包括为依赖于流体流动角测量装置的运载工具提供增加的安全性，至少由于未检测到该流体流动角测量装置的潜在故障的较低可能性。另外，还提供了上述运载工具的增加安全性的裕量，这是由于是运行中的故障检测而不是依据非运行期间的评估。另外，通过消除运载工具在潜在损坏诱发环境中(诸如对流天气)运行之后对维修人员的物理检查的需求，以及还由于需要更少的装置移除和无性能退化的装置返回，提供了减少的维修成本。还应认识和理解，根据至少示例性实施例描述的本发明可结合作为运载工具上任何自由移动装置的部件来使用，所述运载工具包括用于检测空气以外的流体的角度流动的装置。如本文所用，术语“进程”意味着与可位于主计算机(例如系统100)的处理器中的任何代码或程序同义，无论是在硬件、固件中执行，或者作为应用在磁盘、存储装置上的软件计算机产品，或下载自远端机器。本文描述的实施例包括用于执行上述等式、关系和算法的该等软件。本领域的技术人员基于上述实施例将理解本发明的其它特征和优点。因此， 本发明并非受限于已具体示出和描述的内容，除非在所附权利要求书另有指明。本文引用的所有出版物和参考文献全文以引用的方式明确并入本文。本发明的可选实施例也可以说存在于本文所提及或指明的部分、要素和特征，单独地或共同地，两个或多个部分、要素和特征的任何或所有组合，而且其中，本文提及的特定整体在本发明所属领域中具有已知等同物，这些已知等同物视为如单独陈述的那样并入本文。虽然已描述了本发明的示例性实施例，但是应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，本领域的技术人员可进行各种改变、替换和变更。本领域的技术人员易于认识到，在属于权利要求书所界定的本发明范围的前提下，可对本发明做出其它大量的调整和修改。此外，本发明的范围旨在包括参照附图进行描述的元件、结构和方法步骤的所有可预见的等同物。因此，本发明仅受限于权利要求书和这些等同物的范围。
权利要求
1.一种用于检测流动角测量装置中角传感器性能退化的方法，其包括以下步骤输入当前平台数据，并判断所述当前平台数据是否在预定的限值内；如果当前平台数据在预定限值内，则检测所述角传感器上的当前叶片角度并存储在叶片角度阵列中；计算所述当前平台环境的平均值以获得速度数据阵列，所述当前平台环境包括下列参数中的至少一个，所述参数是空气速度、高度或温度，基于计算的所述当前平台数据的平均值来查找角度过滤系数和颤振阈值的对应值，并使用角度过滤系数来过滤所述叶片角度阵列以计算颤振阵列；计算所述颤振阵列的噪音水平值，其中所述噪音水平值是叶片输出颤振振幅和频率的特征；基于所计算的所述颤振阵列的噪音水平，判断所述当前叶片运行是否超出所述颤振阈值；如果判断出所述当前叶片运行超出所述颤振阈值，则报告失效输出；和如果判断出所述当前叶片运行未超出所述颤振阈值，则报告合格输出。
2.一种用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化的计算机执行的方法，所述方法包括以下步骤监控计算机处理器中流体流动测量装置的振动特征；和基于所述流体流动测量装置的参考传感器颤振特征来判断所述流体流动测量装置是否被物理地损坏，所述参考传感器颤振特征是由计算机处理器基于流体流动测量装置的所监控的振动特征而确定的。
3.根据权利要求2所述的用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化的计算机执行的方法，其中所述流动角测量装置连接至飞行器且从该飞行器延伸出。
4.根据权利要求3所述的用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化的计算机执行的方法，其中所述流动角测量装置的功能在于判断流体相对于主平台的角度。
5.根据权利要求2所述的用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化的计算机执行的方法，其中所述流动角测量装置连接至水运工具且从该水运工具延伸出。
6.根据权利要求2所述的用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化的计算机执行的方法，进一步包括以下步骤将所述流体流动测量装置的实时平台数据输入至所述计算机处理器以判断所述实时平台数据是否在预定限值内。
7.根据权利要求6所述的用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化的计算机执行的方法，进一步包括以下步骤检测所述流体流动角测量装置的实时叶片角度，并将所述检测出的实时叶片角度存储在存储器中。
8.根据权利要求7所述的用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化的计算机执行的方法，进一步包括以下步骤使用所述流体流动角测量装置的实时平台环境的电脑处理器计算平均值以获得速度数据阵，所述平台环境可包括空气速度、高度和温度。
9.根据权利要求8所述的用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化的计算机执行的方法，进一步包括以下步骤基于所述当前平台数据的计算平均值，由所述计算机处理器在存储器中查找角度过滤系数和颤振阈值的对应值。
10.根据权利要求9所述的用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化的计算机执行的方法，进一步包括以下步骤由所述计算机处理器来计算颤振阵列，所述计算机处理器使用所述角度过滤系数来过滤所述流体流动角测量装置数据的叶片角度阵列。
11.根据权利要求10所述的用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化的计算机执行的方法，进一步包括以下步骤为所述计算的颤振阵列计算所述计算机处理器中的噪音水平值，其中所述噪音水平值是叶片输出颤振振幅和频率的特征。
12.根据权利要求11所述的用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化的计算机执行的方法，进一步包括以下步骤基于计算的所述颤振阵列的噪音水平，由所述计算机处理器判断当移动穿过所述流体流时，所述当前角测量装置叶片运行是否超出所述颤振阈值。
13.根据权利要求12所述的用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化的计算机执行的方法，进一步包括以下步骤如果所述计算机处理器判断出所述当前叶片运行超出所述颤振阈值，则由所述计算机处理器指示所述流体流动角测量装置的损坏情况。
14.一种包括计算机可用介质的计算机程序产品，其具有存储在其中的控制逻辑以用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化，所述控制逻辑包括计算机可读程序装置， 以用于使计算机监控所述流体流动测量装置的振动特征，并判断所述流体测量装置是否被物理地损坏，其根据是所述流体流动测量装置的参考传感器颤振特征和所述流体流动测量装置的监控振动特征。
15.根据权利要求14所述的包括计算机可用介质的计算机程序产品，其具有存储在其中的控制逻辑以用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化，其中所述控制逻辑进一步促使所述计算机可读程序装置，来使得所述计算机来检测所述流体流动角测量装置的实时叶片角度并将所述检测的实时叶片角度存储在存储器中。
16.根据权利要求15所述的包括计算机可用介质的计算机程序产品，其具有存储在其中的控制逻辑以用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化，其中所述控制逻辑进一步促使所述计算机可读程序装置来计算所述流体流动角测量装置的实时平台环境的平均值以确定速度数据阵列，所述平台环境可包括空气速度、高度和温度。
17.根据权利要求16所述的包括计算机可用介质的计算机程序产品，其具有存储在其中的控制逻辑以用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化，其中所述控制逻辑进一步促使所述计算机可读程序装置基于所述当前平台数据的计算平均值在存储器中来查找角度过滤系数和颤振阈值的对应值。
18.根据权利要求17所述的包括计算机可用介质的计算机程序产品，其具有存储在其中的控制逻辑以用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化，其中所述控制逻辑进一步促使所述计算机可读程序装置来计算颤振阵列，其使用所述角度过滤系数过滤所述流体流动角测量装置的叶片角度，并使用计算的所述流体流动角测量装置的颤振阵列。
19.根据权利要求18所述的包括计算机可用介质的计算机程序产品，其具有存储在其中的控制逻辑以用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化，其中所述控制逻辑进一步促使所述计算机可读程序装置基于计算的所述颤振阵列的噪音水平来判断，当移动穿过流体流时，所述当前角测量装置叶片运行是否超出所述颤振阈值。
20.根据权利要求19所述的包括计算机可用介质的计算机程序产品，其具有存储在其中的控制逻辑以用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化，其中所述控制逻辑进一步促使所述计算机可读程序装置在判断出所述当前叶片运行超出所述颤振阈值的情况下， 指示所述流体流动角测量装置的损坏情况。
21.根据权利要求14所述的包括计算机可用介质的计算机程序产品，其具有存储在其中的控制逻辑以用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化，其中所述流动角测量装置连接到主平台且从该主平台延伸出。
22.根据权利要求14所述的包括计算机可用介质的计算机程序产品，其具有存储在其中的控制逻辑以用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化，其中所述主平台是飞行器。
23.根据权利要求14所述的包括计算机可用介质的计算机程序产品，其具有存储在其中的控制逻辑以用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化，其中所述主平台是水运工具。
24.根据权利要求14所述的包括计算机可用介质的计算机程序产品，其具有存储在其中的控制逻辑以用于检测流体流动角测量装置中传感器性能退化，其中所述主平台是静止的。
全文摘要
本发明涉及一种在诸如飞行器和水运工具的移动平台以及静止平台的流动角测量装置中用于检测角传感器性能退化的方法。流动角测量装置中的传感器颤振用于检测由于损坏或退化的机械部件所导致的动态响应变化造成的所述传感器的工作性能退化。
文档编号G01C25/00GK102252693SQ20111011371
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月29日 优先权日2010年4月30日
发明者B·B·纳斯隆德, J·R·辛格尔顿, R·A·库姆斯 申请人:罗斯蒙特航天公司