本发明涉及直升机旋翼运动参数测量技术领域，具体涉及一种基于UTD的直升机旋翼运动参数解算方法。
背景技术：
旋翼作为直升机的重要组成，为直升机的飞行提供升力和推进力，而旋翼桨叶的动力学特性直接影响到直升机的性能。大尺寸旋转旋翼由于结构尺寸大，在飞行过程中承受着巨大的气动、振动载荷，会产生比普通尺寸旋翼更大的的弹性变形，这就对旋翼运动参数测量提出了更加迫切的需求。对旋翼运动参数的测量和分析，可以为大尺寸旋翼系统设计提供可靠的试验数据；另外，实时测量桨叶挥舞、摆振等运动参数，也可以实现对直升机旋翼运动状态的实时监测，提高直升机的安全性和使用效率。
目前国内外对旋翼桨叶运动参数的测量方法主要有3种：
(1)应变测量法，优点为技术成熟、试验设备简单、成本低，缺点是存在静态标定过程复杂，动态测量与静态标定环境一致性对测量结果影像较大等不足；
(2)光栅投影法，优点为使用设备数量少，无需在桨叶表面上布置大量应变片，是一种非接触式测量方法，缺点是存在对测试环境、光栅投影安装位置精确度要求高，且桨尖测量结果较差等不足；
(3)激光动态测量法，也是一种非接触式测量方法，优点为具有测试精度高，体积和功耗小、抗干扰能力强，缺点是存在可测量参数少、三叉件结构对飞行机动性能造成影响等不足。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于UTD的直升机旋翼运动参数解算方法，基于大尺寸旋翼桨毂结构的特点，通过对旋翼进行运动仿真，采用UTD传感器对桨叶的相对运动进行测量，建立相对运动参数和旋翼运动参数的数学关系，并开发解算软件，得到直升机在不同运动姿态下的旋翼运动参数。
本发明基于UTD的直升机旋翼运动参数解算方法，主要包括以下步骤：
步骤一、在直升机上安装UTD，使所述UTD的视场扫在直升机桨叶上；
步骤二、测量或获知UTD安装位置到旋翼主轴的水平距离、UTD安装角、UTD内部两个光学传感器的夹角、从桨毂中心沿桨叶方向到反射标记的距离、UTD感受的桨叶翼弦宽度以及第j片桨叶与第j+1片桨叶通过UTD的时间间隔；
步骤三、计算UTD感受位置到UTD安装位置的垂直距离；
步骤四、根据等腰三角形原理计算每片桨叶的UTD反光标记到UTD安装位置的垂直距离，即绝对挥舞值；
步骤五、选取某片桨叶作为基准桨叶，其它桨叶的绝对挥舞值与其相减，得到直升机旋翼锥体挥舞值数据；
步骤六、根据第j片桨叶与第j+1片桨叶通过UTD的时间间隔计算出各片相邻桨叶的实际夹角；
步骤、选取某片桨叶作为基准桨叶，计算其它桨叶与基准桨叶的相对夹角，即摆动值。
优选的是，在步骤一中，设置所述UTD的位置，使所述UTD在桨叶上的反光标记位置距旋转中心的距离为桨叶长度的60％～80％。
优选的是，所述UTD在桨叶上的反光标记位置距旋转中心的距离为桨叶长度的70％。
优选的是，在步骤一中，设置所述UTD的位置，使所述UTD偏离水平面50°～70°。
优选的是，在步骤一中，所述UTD偏离水平面60°。
本发明的技术效果：传统方法法普遍存在测量精度低，易受到环节条件制约等情况，本发明采用的光学传感器UTD测量旋翼运动参数，省事省力且精度更高，能够实现自动测量，甚至单驾驶操作，且测量精度与操作员水平、天气、直升机的复杂程度无关。
附图说明
图1为按照本发明基于UTD的直升机旋翼运动参数解算方法的一优选实施例的UTD传感器示意图。
图2为本发明图1所示实施例UTD在机上安装示意图。
图3为本发明图1所示实施例的UTD传感器测量原理示意图。
图4为本发明图1所示实施例的UTD传感器工作原理示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，例如“顺时针”、“逆时针”、“向上”、“向下”等，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以下通过具体实施例对本发明做进一步解释。
本发明的目的：提供一种基于UTD的直升机旋翼运动参数测量和解算方法，采用本技术方案测量，可以大大提高挥舞角、摆振角和扭转角的测量精度。UTD传感器见图1。
UTD传感器是一种专用旋翼轨迹测量传感器，依靠感受桨叶遮挡环境光的变化测量高度，即用三角法测量高度，需要方位转速传感器配合使用，通常在白天使用。
在UTD中有2个光电感应器件，安装角度固定为11°，当某片桨叶扫过UTD的视场时，UTD输出3个电脉冲信号。以某片桨叶为例，在UTD的两个夹角为11°的区域内，如图4所示，当桨叶前沿与第1束光线相交时，UTD输出第1个电脉冲，当桨叶前沿与第2束光线相交时，UTD输出第2个电脉冲，当桨叶后沿与第2束光线相交时，UTD输出第3个电脉冲，以此类推。其它桨叶也相应的对应3个输出电脉冲，配合使用的方位转速传感器则用来确定对应桨叶。这里的方位传感器采用光电传感器。
对于挥舞测量，其原理参考图3，UTD采用三角法原理进行测量，图中给出了UTD的安装参数，由此可以计算出旋翼锥体数值。图中O点为UTD安装点，A点为UTD感受的桨叶位置，B点为旋翼主轴中心，D点为桨叶靶标，即反射标记。
已知或获取的参数：
L0—UTD安装位置到旋翼主轴的水平距离(m)；
α—UTD安装角(°)；
11°—UTD内部两个光学传感器的夹角(°)；
R—沿桨叶方向，从桨毂中心到反射标记的距离(m)；
X—UTD感受的桨叶翼弦宽度(m)；
H表示反光标记到UTD安装位置的垂直距离；
h表示感受位置到UTD安装位置的垂直距离。
其中，参考图2，D点选取的依据为：沿桨叶长度方向，自旋转中心到D点的距离为桨叶长度的60％-80％，优选为70％。
本实施例中，根据D点确定UTD安装位置，使α为50-70°，优选为60°。
由图3右侧UTD感光截面图得：
由图3左侧图形得：
由(1)(2)得：
式中X为桨叶扫过UTD感光区域的弦长，旋转中心与桨叶和两个区域的交点形成一个等腰三角形，顶角即桨叶扫过的角度为ωT。取桨毂中心到三角形对边的距离为r,则有：
由图3可知：
由(4)(5)得：
由(3)(6)得：
求解得：
由图3得：
求解得：
由(8)(10)得：
计算得到桨叶的绝对挥舞值H,以某片桨叶作为基准桨叶，其它桨叶的绝对挥舞值与其做减法，这就是直升机旋翼锥体数据。
对于摆振测量，继续参考图4，UTD输出脉冲信号的时间参数T1、T2、T3、T4与桨叶的位置关系如下：
T1—桨叶前沿与第一区域#1相交的时刻；
T2—该桨叶前沿与第二区域#2相交的时刻；
T3—该桨叶离开第二区域#2的时刻；
T4—下片桨叶前沿与第一区域#1相交的时刻。
由此，我们可以得到三个时间参数，如下所示：
T1—T2时间段：桨叶扫过UTD两个夹角为11°区域的时间。当桨叶降低时，时间缩短。本参数反应了桨叶的挥舞高度，即桨叶的绝对挥舞量，通过与基准桨叶比较，可以得出旋翼的锥体数据。
T2—T3时间段：桨叶弦向宽度扫过UTD第二区域#2的时间，由于桨叶弦向宽度是已知量，比T1—T2时间段的情况多出一个参数，可以检测UTD的安装角度和安装位置是否合适。
T1—T4时间段：相邻两片桨叶到达UTD第一区域#1的时间，与各片桨叶的摆动大小对应，即桨叶在旋转平面内的摆动量。这是同类功能设备频闪仪无法测量的参数。
由于时间参数TLi是相邻两片桨叶扫过同一位置的时间间隔，已知旋翼转速是Ω，旋翼角速度ω＝Ωπ/30，相邻两片桨叶的夹角φ＝TL_i×Ωπ/30。依次计算出各片相邻桨叶的实际夹角。以某片桨叶作为基准桨叶，桨叶按旋翼旋转方向依次编号，可以计算其它桨叶与基准桨叶的实际夹角。
假设被测量直升机的桨叶数量为N，第i片桨叶与基准桨叶的相对夹角为θ_i＝2π/N×(i-1)。将实际夹角与该相对夹角相减，得到桨叶在靶标处的实际偏差，即桨叶摆动值。摆动值的正负体现了旋翼桨叶的超前或滞后情况。
本发明的技术效果：传统方法法普遍存在测量精度低，易受到环节条件制约等情况，本发明采用的光学传感器UTD测量旋翼运动参数，省事省力且精度更高，能够实现自动测量，甚至单驾驶操作，且测量精度与操作员水平、天气、直升机的复杂程度无关。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。