一种飞机航电设备安装的校准辅助方法与流程

1.本发明涉及飞机装配技术领域，特别是涉及一种飞机航电设备安装的校准辅助方法。


背景技术：

2.飞机航电设备的安装位姿校准工作，对于其效能的发挥至关重要。目前的安装位姿校准工作通常采用测量与调整多轮重复、逐次迭代的方法进行。每次迭代需要先安装校准工装、再观察准直望远镜中的十字刻线中心在靶圆上的位置，然后分析计算航电设备的偏转角度，接着拆卸工装、调整垫圈，最后再安装工装、观察直望远镜中的十字刻线中心在靶圆上的位置。
3.其主要工作内容包括：（1）偏航角校准调整工人通过轻微移动设备底座，观察准直望远镜中十字中心在靶圆的位置，最终将十字中心调节至靶圆中心附近，划线标记航电设备底座调整位置，完成航向的调整。
4.（2）俯仰与横滚校准调整俯仰与横滚调整难度较高，工人通过观察校准工装上准直望远镜十字中心在靶圆的位置，将校准工装拆卸下，结合经验以及对偏转角度的分析尝试在不同调整点增减不同厚度的垫圈，再恢复安装校准工装，继续观察十字中心的位置变化，如此反复拆卸装校准工装并调整垫圈数量和厚度，最终将俯仰角与横滚角调整至技术指标内。
5.调整垫圈是指根据分析计算航电设备的偏转角度、按照经验在不同调整点增减不同规格的垫圈。调整点位于设备安装底座上，a、b、c为三个调整点。垫圈厚度通常为0.1、0.2、0.5或0.8毫米。目前的方法需多次迭代，肉眼观测误差、操作者经验不足等问题导致迭代次数不可控，工作效率低。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提出了一种飞机航电设备安装的校准辅助方法，通过自动计算调整点的模拟位姿坐标和求解调整点的垫圈规格选型，能有效解决效率低、劳动强度大和人为误差大的问题。
7.本发明是通过采用下述技术方案实现的：一种飞机航电设备安装的校准辅助方法，其特征在于：包括以下步骤：a. 安装校准工装；b. 读取俯仰角ω和横滚角λ；c. 通过基于俯仰角和横滚角的航电设备模拟位姿坐标解算，计算调整点的模拟位姿坐标；d. 利用计算得到的调整点的模拟位姿坐标，通过位姿调整优化，求解调整点的垫圈规格选型最优方案；
e. 拆卸校准工装，按最优方案实施垫圈调整。
8.所述步骤c具体包括：c1. 将安装底座上的三个调整点a、b和c进行连线确定成平面abc，根据俯仰角ω和横滚角λ对平面abc的法向量进行求解，求得平面abc的法向量；c2.令b调整点位于坐标原点，y轴方向为飞机航向方向，令x
c
=x
b
=0；c3. 即b=（x
b
，y
b
，z
b
）=（0，0，0），c=（x
c
，y
c
，z
c
）=（0，y
c
，z
c
），a=（x
a
，y
a
，z
a
），则有方程组：，其中，a、b均为已知量，a分别为调整点a与调整点b、调整点a与调整点c之间的距离平方，b为调整点b与调整点c之间的距离平方，单位为mm2；c4. 具体方程如下：，根据该方程解出一组满足条件的a、c坐标值，即b=（0，0，0）以及求解得到的a=（x
a
，y
a
，z
a
）、c=（0，y
c
，z
c
）。
9.所述步骤c1具体包括：c
11
. 将安装底座抽象为平面abc，所述俯仰角为平面abc的法向量在飞机坐标下yoz面的投影与z轴夹角ω，所述横滚角为平面abc的法向量在飞机坐标下xoz面的投影与z轴夹角λ；c
12
. 做辅助平面α，α垂直平面yoz且与z轴夹角ω，平面α方程为：y
‑
z
·
tanω=0，法向量；c
13
. 做辅助平面β，β垂直平面xoz且与z轴夹角λ，平面β方程为：x
‑
z
·
tanλ=0，法向量；c
14
. 平面abc的法向量为平面α与平面β的交线方向，求得平面abc的法向量。
10.所述步骤d具体包括以下步骤：d1. a、b、c调整点调整量的求解；d2. 最小垫圈组合数求解。
11.所述步骤d1具体包括：d
11
. 根据调整点的模拟位姿坐标，即：a=（x
a
，y
a
，z
a
）、b=（0，0，0）、c=（0，y
c
，z
c
），其中c点为靠近机头侧调整点坐标，加垫圈调整后坐标如下：a
′
=(x
a
′
，y
a
′
，z
a
′
)=（x
a
，y
a
，z
a
+t
a
），
b
′
=(x
b
′
，y
b
′
，z
b
′
)=（0，0，t
b
），c
′
=(x
c
′
，y
c
′
，z
c
′
)=（0，y
c
，z
c
+t
c
），其中，t
a
、t
b
、t
c
分别为a、b、c三点的调整量，每个调整点的调整量小于3mm，令t
a
=0.1k1，t
b
=0.1k2，t
c
=0.1k3，且k1、k2、k3为不大于30的非负整数；d
12
. 建立目标函数：，其中，，z
a
′
=z
a
+0.1k1，z
b
′
=0.1k2，z
c
′
=z
c
+0.1k3，代入得到关于变量k1、k2、k3的目标函数；d
13
. 设定约束条件： ；其中，m=
‑
x
a
，n=y
c
‑
y
a
，p=
‑
x
a
，q=
‑
y
a
，x
a
、y
a
、z
a
、y
c
和z
c
值已知，h
a
′
b
′
=z
a
‑
z
b
+0.1(k1‑
k2)，h
a
′
c
′
=z
a
–
z
c
+0.1(k1‑
k3)，代入到约束条件中，得到关于变量k1、k2、k3的约束函数；d
14
. 根据约束条件，求解目标函数的最优解。
12.所述步骤d
14
具体包括：step1： 给定s2设定初值s
20
=1000；step2：遍历k1、k2、k3=int，0≤k1、k2、k3＜30的所有取值代入约束条件，共遍历303种情况；其中，int指取整；step3：判断取得的k1、k2、k3是否使所有约束成立，若成立，将此时k1、k2、k3的值代入目标函数，进入下一步，否则继续循环；step4：判断是否s
2i
＜s
2i
‑1，若成立，目标函数赋值为s
2i
，否则继续循环，遍历所有k1、k2、k3取值后，最终得到使得目标函数最小的k1、k2、k3整数取值。
13.所述步骤d2中最小垫圈组合数求解具体包括：d
21
. 根据步骤d1中求解得到的各调整点的调整量，即t
a
=0.1k1=t1，t
b
=0.1k2=t2，t
c
=0.1k3=t3；d
22
. 令：t1=0.1a1+0.2b1+0.5c1+0.8d1，t2=0.1a2+0.2b2+0.5c2+0.8d2，t3=0.1a3+0.2b3+0.5c3+0.8d3，其中，a
i
、b
i
、c
i
、d
i
，i=1、2、3，参数代表不同调整点各规格垫圈的数量，所述0.1、
0.2、0.5、0.8分别为垫圈规格；d
23
. 建立目标函数：g
i
=min(a
i
+b
i
+c
i
+d
i
)，i为调整点；d
24
. 设定约束条件：t
i
=0.1a
i
+0.2b
i
+0.5c
i
+0.8d
i
；d
25
. 根据约束条件，求解目标函数的最优解。
14.所述步骤d
25
的求解方法如下：step1：a
i
=int(t
i
/0.8)；step2：判断μ1=mod（t
i
/0.8）是否为零，若为零，则g
i
=a
i
，否则进入下一步；step3：b
i
=int(μ1/0.5)；step4：判断μ2=mod（μ1/0.5）是否为零，若为零，则g
i
=a
i
+b
i
，否则进入下一步；step5：c
i
=int(μ2/0.2)；step6：判断μ3=mod（μ2/0.2）是否为零，若为零，则g
i
=a
i
+b
i
+c
i
，否则进入下一步；step7：d
i
=int(μ3/0.1)，则g
i
=a
i
+b
i
+c
i
+d
i
，从而求得各调整点不同规格垫圈数量；其中，int指取整：两数相除所得结果的整数部分，mod为取余量：两数相除所得结果的小数部分乘以除数。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：1、本辅助方法，通过自动计算，能够快速形成最优的垫圈调整方案，指导位姿校准作业，使其单次调整即满足安装技术指标要求，不需要多次迭代，效率更高，并且能有效解决肉眼观测误差、操作者经验不足等导致迭代次数不可控的问题。
16.2、根据设备加垫调整量的实际情况建立了精准的最优化数学模型，通过遍历节点的方法对最优化方程进行求解，可在合理的计算代价下找到全局最优解。
17.3、本方法中，以最少资源配置为目的，根据垫圈规格与调整量的约束关系，建立最优化模型，通过垫圈规格先大后小的原则进行最优垫圈配置全局最优方案求解。
18.4、本方法中，根据已读取的俯仰角ω、横滚角λ来确定调整点a与b、c的一组坐标，用以模拟航电设备底座的位姿，进而为后续的垫圈调整方法案提供基础数据，数据来源更加准确，保证后续计算结果的准确性。
19.5、本方法中，通过平面abc的法向量给出一组安装底座姿态的模拟坐标，能有效解决无法得到调整点相对于飞机坐标系的具体坐标的问题。
20.6、本方法中，垫圈调整算法具体包括求解调整垫的调整量和求解最小垫圈组合数，使得结果更加精确。
附图说明
21.下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：图1为本发明的流程示意图；图2为本发明中模拟坐标系及各调整点示意图；图3为本发明中确定平面abc法向量的示意图。
具体实施方式
22.实施例1
作为本发明基本实施方式，本发明包括一种飞机航电设备安装的校准辅助方法，包括以下步骤：a. 安装校准工装。
23.b. 观察准直望远镜中的十字刻线中心在靶圆上的位置，读取俯仰角ω和横滚角λ；所述俯仰角为航电设备底座所在平面的法向量在飞机坐标下yoz面的投影与z轴夹角ω；所述横滚角为航电设备底座所在平面的法向量在飞机坐标下xoz面的投影与z轴夹角λ。
24.c. 通过基于俯仰角和横滚角的航电设备模拟位姿坐标解算，计算调整点的模拟位姿坐标。
25.d. 利用计算得到的调整点的模拟位姿坐标，通过位姿调整优化，求解调整点的垫圈规格选型最优方案。
26.e. 拆卸校准工装，按最优方案实施垫圈调整，完成校准。
27.实施例2作为本发明最佳实施方式，本发明包括一种飞机航电设备安装的校准辅助方法，参照说明书附图1，包括以下步骤：a. 安装校准工装。
28.b. 读取俯仰角ω和横滚角λ。
29.c. 通过基于俯仰角和横滚角的航电设备模拟位姿坐标解算，计算调整点的模拟位姿坐标。具体如下：c1. 参照说明书附图2和说明书附图3，将安装底座上的三个调整点a、b和c进行连线确定成平面abc，（其中：a点不一定在平面xoy上；由于偏航角已校准完成，此时c点在yoz平面内，但不一定在y轴上）。根据俯仰角ω和横滚角λ对平面abc的法向量 进行求解，用以描述安装底座的空间状态，具体为：c
11
. 将安装底座抽象为平面abc，所述俯仰角为平面abc的法向量在飞机坐标下yoz面的投影与z轴夹角ω，所述横滚角为平面abc的法向量在飞机坐标下xoz面的投影与z轴夹角λ；c
12
. 做辅助平面α，α垂直平面yoz且与z轴夹角ω，根据俯仰角定义，可得平面α方程为：y
‑
z﹒tanω=0，法向量；c
13
. 做辅助平面β，β垂直平面xoz且与z轴夹角λ，根据横滚角定义，可得平面β方程为：x
‑
z﹒tanλ=0，法向量；c
14
. 平面abc的法向量为平面α与平面β的交线方向，求得平面abc的法向量。
30.c2. a、b、c为安装底座上的三个调整点，由于无法得到调整点相对于飞机坐标系的具体坐标，但可以通过平面abc的法向量给出一组安装底座姿态的模拟坐标。此时可令b调整点位于坐标原点，y轴方向为飞机航向方向，由于此时偏航角已通过轻微晃动调整完毕，所以近似x
c
=x
b
=0。
31.c3. 该坐标系与飞机坐标系保持一致，仅坐标原点发生平移。令b=（x
b
，y
b
，z
b
）=（0，0，0），c=（x
c
，y
c
，z
c
）=（0，y
c
，z
c
），a=（x
a
，y
a
，z
a
），则有方程组：
ꢀ
，其中，a、b均为已知量，a分别为调整点a与调整点b、调整点a与调整点c之间的距离平方，b为调整点b与调整点c之间的距离平方，单位为mm2。
32.c4. 具体方程如下：，根据该方程解出一组满足条件的a、c坐标值，即b=（0，0，0）以及求解得到的a=（x
a
，y
a
，z
a
）、c=（0，y
c
，z
c
）。
33.d. 利用计算得到的调整点的模拟位姿坐标，通过位姿调整优化，求解调整点的垫圈规格选型最优方案。具体包括以下步骤：d1. a、b、c调整点调整量的求解；d2. 最小垫圈组合数求解。
34.其中，所述步骤d1求解算法如下：模型目标：通过增加调整点垫圈厚度将航电设备尽可能调至水平；模型约束：每个调整点的调整量小于3毫米；调整后的俯仰角、横滚角满足设计给定的要求，即调整后的俯仰角、偏航角小于3
′
。
35.具体包括：d
11
. 根据调整点的模拟位姿坐标，即：a=（x
a
，y
a
，z
a
）、b=（0，0，0）、c=（0，y
c
，z
c
），其中c点为靠近机头侧调整点坐标，为保证后续求得的平面abc法向量方向指向平面xoy上方，加垫圈调整后坐标如下：a
′
=(x
a
′
，y
a
′
，z
a
′
)=（x
a
，y
a
，z
a
+t
a
），b
′
=(x
b
′
，y
b
′
，z
b
′
)=（0，0，t
b
），c
′
=(x
c
′
，y
c
′
，z
c
′
)=（0，y
c
，z
c
+t
c
），其中，t
a
、t
b
、t
c
分别为a、b、c三点的调整量，由于最小的垫圈厚度为0.1mm，每个调整点的调整量小于3mm，令t
a
=0.1k1，t
b
=0.1k2，t
c
=0.1k3，且k1、k2、k3为不大于30的非负整数。
36.d
12
. 根据模型目标抽象出目标函数为：，其中，，，约束条件为：（1）k1、k2、k3=int，均为非负整数，且0≤k1、k2、k3＜30；其中，int指取整；
（2）技术要求调整后俯仰、横滚角小于3
′
，即∣ω∣＜η，∣λ∣＜η，η=3
′
，具体约束条件的最终数学表达求解如下： ， ，令
‑
x
a
=m，y
c
‑
y
a
=n，z
c
‑
z
a
+t
c
‑
t
a
=h
a
′
c
′
，
‑
x
a
=p，
‑
y
a
=q，
‑
z
a
+t
b
‑
t
a
=h
a
′
b
′
，其中，m、n、p、q为已知常数，h
a
′
b
′
=z
a
‑
z
b
+0.1(k1‑
k2)，h
a
′
c
′
=z
a
–
z
c
+0.1(k1‑
k3)，平面abc的法向量： ，在平面yoz的投影为，向量与z轴夹角即为俯仰角 ，在平面xoz的投影为 ，向量与z轴夹角即为横滚角，根据技术要求有∣ω∣＜η，∣λ∣＜η，η=3
′
。
37.最终将垫片的调整问题抽象为以下优化问题：目标函数：，其中，z
a
′
=z
a
+0.1k1，z
b
′
=0.1k2，z
c
′
=z
c
+0.1k3，代入得到关于变量k1、k2、k3的目标函数；d
13
. 设定约束条件： ；其中，m=
‑
x
a
，n=y
c
‑
y
a
，p=
‑
x
a
，q=
‑
y
a
，x
a
、y
a
、z
a
、y
c
和z
c
值已知，h
a
′
b
′
=z
a
‑
z
b
+0.1(k1‑
k2)，h
a
′
c
′
=z
a
–
z
c
+0.1(k1‑
k3)，代入到约束条件中，得到关于变量k1、k2、k3的约束函数。
38.d
14
. 根据约束条件，求解目标函数的最优解，具体步骤如下：step1： 给定s2设定初值s
20
=1000；step2：遍历k1、k2、k3=int，0≤k1、k2、k3＜30的所有取值代入约束条件，共遍历303种情况；其中，int指取整；step3：判断取得的k1、k2、k3是否使所有约束成立，若成立，将此时k1、k2、k3的值代入目标函数，进入下一步，否则继续循环；step4：判断是否s
2i
＜s
2i
‑1，若成立，目标函数赋值为s
2i
，否则继续循环，遍历所有k1、k2、k3取值后，最终得到使得目标函数最小的k1、k2、k3整数取值。
39.其中，所述步骤d2中最小垫圈组合数求解具体包括：d
21
. 根据步骤d1中求解得到的各调整点的调整量，即t
a
=0.1k1=t1，t
b
=0.1k2=t2，t
c
=0.1k3=t3；d
22
. 令：t1=0.1a1+0.2b1+0.5c1+0.8d1，t2=0.1a2+0.2b2+0.5c2+0.8d2，t3=0.1a3+0.2b3+0.5c3+0.8d3，其中，a
i
、b
i
、c
i
、d
i
，i=1、2、3，参数代表不同调整点各规格垫圈的数量，所述0.1、0.2、0.5、0.8分别为垫圈规格，如下表所述：d
23
. 建立目标函数：g
i
=min(a
i
+b
i
+c
i
+d
i
)，i为调整点；d
24
. 设定约束条件：t
i
=0.1a
i
+0.2b
i
+0.5c
i
+0.8d
i ；d
25
. 根据约束条件，求解目标函数的最优解，具体求解方法如下：step1：a
i
=int(t
i
/0.8)；step2：判断μ1=mod（t
i
/0.8）是否为零，若为零，则g
i
=a
i
，否则进入下一步；step3：b
i
=int(μ1/0.5)；step4：判断μ2=mod（μ1/0.5）是否为零，若为零，则g
i
=a
i
+b
i
，否则进入下一步；step5：c
i
=int(μ2/0.2)；step6：判断μ3=mod（μ2/0.2）是否为零，若为零，则g
i
=a
i
+b
i
+c
i
，否则进入下一步；step7：d
i
=int(μ3/0.1)，则g
i
=a
i
+b
i
+c
i
+d
i
，从而求得各调整点不同规格垫圈数量。其中，int指取整：两数相除所得结果的整数部分，mod为取余量：两数相除所得结果的小数部分乘以除数。
40.e. 拆卸校准工装，按最优方案实施垫圈调整。
41.综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。