一种消除起落架变形影响的飞机称重方法与流程

1.本发明属于飞机称重技术领域，具体涉及一种消除起落架变形影响的飞机称重方法。


背景技术：

2.飞机称重是确定飞机的实际重量重心位置、检验飞机重量重心理论值与实际值的符合性、根据特定的飞行要求配置所需的飞机重心的重要技术手段，对于小型飞机，目前常用的称重方法主要有机轮称重法、千斤顶称重法等。
3.机轮称重法是将飞机的前轮和主轮直接放置在秤面上或秤面的垫片上进行称重的一种飞机称重方法，根据称取的重量数据以及测量的几何尺寸，可选择作图法或解析法计算得到飞机重量和重心。该方法的优势在于称重所需设备及操作流程简单，重量及重心的计算可使用的方法较多。然而，飞机起落架因为承受飞机的重量会产生较大的变形，因此在飞机重心的计算时往往会产生较大的误差。
4.千斤顶称重法是一种使用千斤顶替代机轮支撑飞机进行称重的方法，根据称取的重量数据以及测量的几何尺寸，用解析法计算得到飞机重量和重心。相对机轮称重法的优势在于，千斤顶受力变形小，从而能够消除机轮称重法起落架变形的影响。然而要使用该方法进行称重，首先需要在结构设计和生产加工时预先设置好千斤顶的安装位置，这对许多已经完成生产的飞机的称重造成了极大的困难；其次是根据不同型号、不同尺寸的飞机需要专门设计称重用的千斤顶，而不称重时千斤顶便被闲置，从而造成资源浪费和成本增加；最后，由于千斤顶与飞机之间的接触并不采用固定件进行固定，因此采用千斤顶称重法进行称重时利用千斤顶调整飞机抬头和低头位置有较大风险。


技术实现要素：

5.发明目的：提供一种消除起落架变形影响的飞机称重方法，规避飞机称重过程中起落架受因承受重力产生变形造成的重心测量误差，完成飞机重量重心的有效测量。
6.技术方案：
7.一种消除起落架变形影响的飞机称重方法，包括：
8.在称重现场利用激光追踪器对飞机上的标准点进行测量，建立飞机称重坐标系o-xyz，并以坐标原点作为称重参考点；
9.在飞机某一侧的空地上竖直向上设置一根标杆，在标杆上设置a、b两个标准孔；
10.将前轮、左主轮和右主轮分别放置在三个称上，调整飞机俯仰角，获得至少两种俯仰状态；
11.选择两个俯仰状态，分别根据前秤读数w
forward
、左秤读数w
left
、右秤读数w
right
，以及单独测量的增装项wz和缺装项wq的读数，确定飞机的空重g；
12.在选择的两个俯仰状态下，分别利用激光追踪器测量前轮轮心坐标(x
前i
,y
前i
,z
前i
)、左主轮和右主轮连线中点坐标(x
主i
,y
主i
，z
主i
)、a点坐标(x
ai
,y
ai
,z
ai
)、b点坐标(x
bi
,y
bi
,zbi
)、c点坐标(x
ci
,y
ci
,z
ci
)、d点坐标(x
di
,y
di
,z
di
)，并确定重力和支持力向量、重力和支持力的力臂向量、飞机的俯仰角、前轮轮心所受支持力对坐标原点的力矩m
前i
、主轮轮心连线的中点所受支持力对机体坐标原点的力矩m
主i
、飞机重心处所受重力对机体坐标原点的力矩m
wi，
其中，i的取值对应某种俯仰状态，i＝1或2；
13.根据第一俯仰状态下的力矩平衡m
w1
＝m
前1
+m
主1
以及第一俯仰状态下的力矩平衡m
w2
＝m
前2
+m
主2
确定飞机重心坐标(xw，0，zw)。
14.进一步地，利用激光追踪器在称重现场建立飞机称重坐标系，具体包括：
15.利用飞机上的标准点对飞机称重坐标系进行修正、拟合，使得拟合后的飞机称重坐标系与飞机在三维数模中的机体坐标系重合。
16.进一步地，飞机上的标准点包括生产加工过程中按要求预留的供水平测量使用的标准孔。
17.进一步地，分别在各个俯仰状态下，根据前秤读数w
forward
、左秤读数w
left
以及右秤读数w
right
，以及单独测量的增装项wz和缺装项wq的读数，确定飞机的空重g，具体包括：
18.分别确定各个俯仰状态的空重g1和g2，在g1和g2的差值小于预定误差的情况下，将g1和g2的平均值作为飞机的空重g，其中，gi＝n
前i
+n
主i-w
zi
+w
qi
＝w
forwardi
+w
lefti
+w
righti-w
zi
+w
qi
。
19.进一步地，重力和支持力向量分别为：进一步地，重力和支持力向量分别为：其中，单位方向向量为：
20.其中，为前轮所受支持力向量，n
前i
为前轮所受支持力，为左右两个主轮轮心连线中点所受支持力向量，n
主i
为左右两个主轮轮心连线中点所受支持力，为飞机的重力向量，wi为飞机毛重，
21.进一步地，重力向量和支持力的力臂向量分别为：进一步地，重力向量和支持力的力臂向量分别为：其中，为前轮轮心的力臂向量，为左右两个主轮轮心连线中点的力臂向量，为飞机的重力力臂。
22.进一步地，飞机的俯仰角ai为：
23.进一步地，前轮轮心所受支持力对坐标原点的力矩m
前i
、主轮轮心连线的中点所受支持力对机体坐标原点的力矩m
主i
、飞机重心处所受重力对机体坐标原点的力矩m
wi
分别为：
[0024][0025][0026][0027]
有益效果：
[0028]
该方法采用建立机体坐标系的方式，不再将主轮轮心作为称重参考点，从而规避了起落架变形的影响，通过对包含重心坐标xw和zw的二元一次方程组求解获得重心坐标。
附图说明
[0029]
图1为向量点乘计算向量夹角的原理示意图；
[0030]
图2为称重现场通过激光追踪器建立的机体坐标系示意图。
具体实施方式
[0031]
本发明采用一种消除起落架变形影响的飞机称重方法，该方法使用激光追踪器在称重现场建立出飞机称重坐标系，如图2，该坐标系经过飞机上的标准点(生产加工过程中按要求预留的标准测量点，比如供水平测量使用的标准孔)的修正、拟合后与飞机在三维数模中的机体坐标系重合。称重过程中通过读取各称的读数以及实际增、缺装情况可计算出飞机的总重量。通过激光追踪器测量出前轮轮心、主轮轮心的坐标值，进而可确定轮心处所受支持力向量坐标以及轮心相对坐标原点的距离的坐标，采用空间向量点乘计算机轮轮心处支持力与机轮-称重参考点连线的夹角，计算出机轮轮心(前轮以及两个主轮轮心连线中点)处所受支持力相对称重参考点的力矩，根据相对坐标原点的力矩平衡公式建立关于飞机重心坐标xw和zw的二元一次方程，调整飞机俯仰角，可获得关于飞机重心坐标xw和zw的二元一次方程组，解方程获得飞机重心坐标(xw，zw)。
[0032]
具体如下：
[0033]
以某轻型运动飞机的称重为例，机体坐标系原点位于机头正前方。由向量点乘计算向量夹角的原理见图1：
[0034]
对于a点处所受的大小为f的力而言，其相对于点o的力矩m可表示为力在垂直于线段ao方向的投影与ao之间长度l的乘积，即：
[0035][0036]
而夹角a可以通过向量的点积与其模的商求的反余弦求得：
[0037][0038]
因此最终：
[0039][0040]
由此可知，只要确定力的向量和力臂向量的空间坐标便能计算力矩。
[0041]
1.建立称重的机体坐标系
[0042]
称重现场采用激光追踪器对飞机上标准点(例如预留的水平测量点)进行测量，通过测量值及其在三维数模中的坐标值的比对，从而在激光追踪器中重新建立一个空间坐标系o-xyz，该坐标系与飞机三维数模中机体坐标系重合。
[0043]
2.测量
[0044]
当飞机进行不同俯仰角进行称重时对应不同的称重状态，点c和点d是飞机水平放置时机身上处于同一水平线上的两个标准孔，用于计算飞机的俯仰角；称重时在飞机某一侧的空地上竖直向上立有一根标杆，测量过程中标杆位置不动，在标杆上设置有a、b两个标准孔，在不同称重状态下测量a、b的坐标以作为重力和支持力的方向向量。测量项目如下：
[0045]
表1重量测量记录表
[0046]
[0047][0048]
表2坐标测量记录表
[0049][0050][0051]
3.飞机重量重心计算
[0052]
选取两次状态(此处选择状态1和状态2进行说明)的数据进行处理。优选空重差值在误差范围内的两种状态。用i(i取1、2、3)表示称重状态，则前轮坐标为(x
前i
,y
前i
,z
前i
)，前
轮受支持力大小为n
前
，前轮轮心到坐标原点的距离为l
前i
；左、右主轮轮心连线中点(x
主i
,y
主i
,z
主i
)，受支持力大小为n
主i
(将左、右主轮受力的合力等效成其轮心连线的中点处所受的力)，左、右主轮轮心连线中点到坐标原点的距离为l
主i
。假设飞机重心点与机体坐标系原点的距离为lw，称取的飞机的毛重为wi，飞机空重为gi。由于重心坐标并不随称重状态的改变而变化，假定重心坐标为(xw，0，zw)。
[0053]
对于称重状态1：
[0054]n前1
＝w
forward1
[0055]n主1
＝w
left1
+w
right1
[0056]
w1＝n
前1
+n
主1
＝w
forward1
+w
left1
+w
right1
[0057]
g1＝n
前1
+n
主1-w
z1
+w
q1
＝w
forward1
+w
left1
+w
right1-w
z1
+w
q1
[0058]
重力和支持力的单位方向向量为：
[0059][0060]
重力向量和支持力向量为：
[0061][0062][0063][0064]
重力向量和支持力的力臂向量为：
[0065][0066][0067][0068]
d点到c点的向量为：
[0069][0070]
飞机俯仰角为：
[0071][0072]
前轮轮心所受支持力对机体坐标原点的力矩计算：
[0073][0074]
主轮轮心连线的中点所受支持力对机体坐标原点的力矩计算：
[0075][0076]
飞机重心处所受重力对机体坐标原点的力矩计算：
[0077][0078]
根据对坐标原点的力矩平衡，得到方程：
[0079]mw1
＝m
前1
+m
主1
(1)
[0080]
同理对称重状态2有：
[0081]n前2
＝w
forward2
[0082]n主2
＝w
left2
+w
right2
[0083]
w2＝n
前2
+n
主2
＝w
forward2
+w
left2
+w
right2
[0084]
g2＝n
前2
+n
主2-w
z2
+w
q2
＝w
forward2
+w
left2
+w
right2-w
z2
+w
q2
[0085]
重力和支持力的单位方向向量为：
[0086][0087]
重力向量和支持力向量为：
[0088][0089][0090][0091]
重力向量和支持力的力臂向量为：
[0092][0093]
[0094][0095]
d点到c点的向量为：
[0096][0097]
飞机俯仰角为：
[0098][0099]
前轮轮心所受支持力对机体坐标原点的力矩计算：
[0100][0101]
主轮轮心连线的中点所受支持力对机体坐标原点的力矩计算：
[0102][0103]
飞机重心处所受重力对机体坐标原点的力矩计算：
[0104][0105]
根据对坐标原点的力矩平衡，得到方程：
[0106]mw2
＝m
前2
+m
主2
(2)
[0107]
将称重数据(称的读数(kg))和测量数据(坐标)带入两个状态下的平衡方程(1)和方程(2)可得到包含重心坐标xw和zw二元一次方程组：
[0108][0109]
解以上方程组可求得飞机重心坐标(xw，0，zw)，由于方程组较为复杂，可以选用matlab软件进行求解。