一種飛機磁羅盤校準設備的製作方法

2023-08-11 16:08:31 3

專利名稱：一種飛機磁羅盤校準設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及測量設備領域，特別是對飛機磁羅盤的航向校準的設備設施。
技術背景飛機磁羅盤是利用地磁場水平分量作定向基準測量飛機磁航向的儀表，與 地平表和高度表一起被稱為飛機上最重要的三大儀表系統。 一般飛機的應急磁羅盤要求精度在士4。之間，陀螺磁羅盤要求精度在1—1.5°之間。山於ya上 的金屬；件會對磁羅盤產生磁幹擾，為了確保飛機磁羅盤的要求精度，必須在 安裝K機磁羅盤後定期進行航向校準，山於飛機磁羅盤必須排除自身安裝位置 的磁幹擾，所以其校準一般要求裝在飛機上進行，這造成磁羅盤的校準標定一 直是飛機飛行儀表標定中最麻煩也是必不可少的一項工作。為了保證飛機磁羅盤的精度，磁羅盤的校準設備需提供磁方位基準且要求其精度在0.3。之內。目 前在航空航天工業部部頒批准《飛機磁羅盤校準的一般要求》(HB6627-92))中 對飛機磁羅盤的航向校準的方法及設備設施中公布了的磁羅盤地面校準方法主 要有方位標記法、觀測羅盤法、定向儀法、經緯儀法等方法，目前較常採用的 觀測羅盤法、定向儀法中使用的磁方位基準都是利用最原始的指北針原理，使 用一根磁化的指針架在一個寶石軸承上，感應地磁方向，來實現磁羅盤的校準 標定。但這樣的校準儀使用過程存在如下難以克服的技術問題1) 機械式校準儀事實上就是一個指北針，利用最原始的方式找出磁北，存 在機械摩擦、加工精度、配重等一系列需要機加工工藝解決的問題。2) 機械式校準儀為刻度盤和指針指示方位值，而人的肉眼視覺差異造成的讀值誤差就在0.5。左右，並且這樣的讀值方法與測試人員的經驗相關，存在測 試上的人為主觀因素，增加了測量精度的不確定性。3) 機械式校準儀指針為寶石軸承支架結構，必須安裝在水平範圍內，這對 測試設備的安裝提出了更高的要求，同時存在無法克服的指針晃動問題。4) 在測試大型飛機的時候，要求將校準儀安裝在磁幹擾最小的地方， 一般 是在飛機機背垂尾附近，這就要求測試人員在幾米高的光滑機背上跟著飛機一 起轉動同時觀察機械式校準儀的指示，增加了測試人員的不安全因素及測試成 本。5) 當進行定向儀法進行羅盤校準時，定向儀的對準工作直接影響測量精度， 此工作由定向儀上的類似步槍準星的瞄準器進行對準，對準精度不高，存在一 定人為主觀因素而導致測量精度存在不確定性。6) 如果飛機上安裝使用的是數字羅盤，用機械式校準儀校驗無法實現自動 的羅差校準，只能用人工核對誤差的方法進行。由於上述飛機磁羅盤校準設備存在測量精度、核對誤差等難以克服的技術 難題，難以滿足目前對飛機磁羅盤的校準設備的使用要求，嚴重影響了一般飛 機的安全飛行，尤其在國家大力發展航空器背景下，各種飛機的羅盤校準精度、 校準速度直接影響飛行安全。 ' 發明內容採用地面校準方法對飛機磁羅盤校準時，因現行的飛機磁羅盤校準設備主 要為機械式校準儀，存在機械摩擦、加工精度、讀值誤差、指針晃動等諸多無 法克服的技術難題。本發明提供一種採用分體式結構，通過三軸磁通門傳感器 和二軸加速度傳感器，利用捷聯磁航向算法，以數位化的方式提供磁北方位基 準的工作原理製作的飛機磁羅盤的校準設備，來解決通過地面校準方法校準飛機磁羅盤時的存在的上述技術難題。因此本發明的第一目的，專門針對飛機磁羅盤校準過程中測試人員人身安 全的問題，採用分體式結構，免除測試人員在機身上隨飛機轉動過程中存在的 危險。本發明的第二目的，以數位化的形式為飛機磁羅盤校準提供更為精確的磁 北基準，利用捷聯磁航向算法進行數字修正，解決機械式校準儀的機加工加工 誤差問題，提高校準設備的校準精度。本發明的第三目的，使用數字濾波、數字顯示，解決讀值誤差、指針晃動 等技術難題。本發明的第四目的，使用提供內準星、更為準確的瞄準鏡，提高校準儀的定向精度，使用本發明可按《飛機磁羅盤校準的一般要求》(HB6627-92)中的 經緯儀法進行羅盤校準，提供了更多的測量方法。本發明的第五目的，採用二軸加速度傳感器為本發明提供數字水平基準， 解決現有飛機磁羅盤校準設備必須嚴格水平安裝的技術難題。本發明的第六目的，因為採用全數位化的形式提供磁北基準，並且提供了 對外的數字接口，為快速校準數字羅盤提供了可能性。本發明的第七目的，其中傳感器部件可脫離手操器部件完全單獨使用，從 而從形式和功能上完全與機械校準儀相同，適合一部分小型飛機用戶的使用習 慣。本發明為解決上述技術問題，採用的技術方案是1、本發明採用一體式的，由傳感器部件和手操器部件組成，但為解決測試 人員安全問題及便於操作，本發明也可採用分體式設計，由傳感器部件和手操器 部件兩個可相互分離的部件組成。其中傳感器部件完成地磁、重力加速度信號採集功能；手操器部件完成磁方位的解算、顯示和存儲。通過分別設在手操器 部件及傳感部部件上的無線數傳模塊來實現兩大部件間的數據通訊的無線數據 傳輸，，解決了外場測試時的不便。2、 為達到高精度的磁方位測量需採用精度、可靠性高的磁傳感器。在傳感 部部件中採用的三軸磁通門傳感器因為測量精度高、不受磁化、重複性好等特 點適合本發明。 >3、 為了方便用戶測試，擺脫調平的麻煩，採用了三軸磁通門傳感器，對三 個軸向的磁場強度進行測量，同時用二軸加速度傳感器為三軸磁通門傳感器建 立水平基準，使磁場強信號在水平面信號上投影，從而測出正確的磁方位。4、 為對磁場強信號進行數位化，用三軸磁通門傳感器專用信號調理電路對 磁場強信號進行調理，變化為可供A/D採樣電路採集的直流電壓信號，採集後 的場強數字量通過無線傳輸模塊發送給手操器部件。5、 為保證計算精度及實時性，手操器上配備微處理器，通過捷聯算法計算 出磁方位，微處理器可採用32位微處理器，提高運算及控制能力。6、 為將測量結果量化的顯示出來，手操器部件上配備液晶顯示器，顯示設 備工作狀態和磁方位值；傳感器部件上也配有簡單的液器顯示器及鍵盤，方便 用戶進行設置。本發明的硬體配置為1、傳感器部件主要由三軸磁通門傳感器、二軸加速度傳感器、信號調理電 路、多路採樣電路、微處理器、無線數傳模塊、接口轉換電路、液晶顯示器及 鍵盤、電池及電源管理電路組成。其中三軸磁通門傳感器和二軸加速度傳感器同時依次接入信號調理電路、 多路釆樣鬼路、微處理器；微處理器同時通過無線數傳模塊與手操器部件進行數據交換；接口轉換電路可與手操器部件聯接，也可為外部提供數字磁場強度 和水平信號。2、手操器部件主要由液晶顯示器、鍵盤、微處理器、存儲器、無線數傳模 塊、電池及電源管理電路、接口轉換電路。其中的手操器部件中的無線數傳模塊接受來自傳感器部件的數位訊號後通 過手操器的微處理器實時計算出磁方位角送液晶顯示器顯示。擴展接口可與傳 感器部件聯接，也可為外部數字羅盤提供自動檢測接口。本發明的有益效果本發明專用於飛機磁羅盤校準，目的是提供一種更為精確的磁北基準且使磁羅盤校準工作更為安全、提高校準精度及避免讀值誤差、 在安裝飛機磁羅盤校準設備時不用再精確調整水平且體積小、重量輕、功耗低 的校準設備，同時本發明簡化了飛機磁羅盤的校準過程、極大減少了校準過程 的人力及物力投入，大大提高了飛機磁航向儀表的校準效率，具有很高的技術 含量及經濟價值，促進了我國航空事業的發展。


-圖l本發明的電路方塊圖；圖2本發明的實施例手操器部件主視圖；圖3本發明的實施例手操器左視圖(帶剖面)；圖4本發明的實施例手操器俯視圖；圖5本發明的實施例手操器仰視圖；圖6本發明的實施例手操器45。立體視圖；圖7本發明的實施例傳感器正視圖(帶剖面)；圖8本發明的實施例傳感器左視圖(帶剖面)圖9本發明的實施例傳感器俯視圖；圖10本發明的實施例傳感器仰視圖；圖ll本發明的實施例傳感器45。立體視圖(帶剖面)；圖中，l.手操器外殼、2.液晶顯示屏、3.鍵盤、4.手操器線路板、5. 電源管理及充電電路、6.接口轉換電路、7.無線數傳模塊、8.電池、9. 存儲器、IO.充電接口、 ll.傳感器外殼、12.微處理器及無線數傳模塊、13.信 號調理及採樣模塊、14.瞄準鏡支架、15.瞄準鏡、16.三軸磁通門傳感器、17. 接口轉換電路、18.二軸加速度傳感器、19.電池、20.編碼器、21.雲臺、22.液 晶屏、23.鍵盤；具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細描述 如圖1所示，本發明由手操器部件與傳感器部件組成。其中傳感器部件主 要由三軸磁通門傳感器、二軸加速度傳感器、編碼器、瞄準鏡、信號調理電路、 採樣電路、微處理器、無線數傳模塊、接口轉換電路、液晶顯示器及鍵盤、電 池、電源管理電路及充電電路組成。各部件的具體連接關係及工作過程為三軸磁通門傳感器的磁北方向軸和二軸加速度傳感器的水平方向軸重合安裝，垂直於地平面方向軸和重力方向軸 重合安裝。三軸磁通門傳感器感應與磁北方向平行、垂直於地平面、垂直於磁 北方向同時平行於地平面的三個軸向的地磁分量，而二軸加速度傳感器感應地 球重力加速度方向。因為兩個傳感器輸出的信號均為高頻正弦信號並且非常微 弱，所以三軸磁通門傳感器和二軸加速度傳感器同時依次接入信號調理電路、採樣電路、微處理器；通過信號調理電路將信號放大並調整為可供A/D (模擬/ 數字)轉換電路採樣的直流線性電壓信號，再通過採樣電路採集為數位訊號後 發送給微處理器；瞄準鏡通過三角架或其他機械連接裝置固定在傳感器部件上，並與編碼器(也可叫光電編碼器)連接，在用三角架或其它方法固定傳感器部 件後，通過瞄準鏡對飛機軸線、遠處目標的瞄準可改變編碼器的轉動角度，從 而得到磁方位、遠處目標、飛機軸向間的相對夾角，該夾角從編碼器中輸出時
就為數字量，可由用戶通過液晶顯示器及鍵盤操作控制微處理器採集、處理； 微處理器負責整個傳感器的工作管理，包括顯示、鍵盤輸入、數據採樣、通訊 控制、充電控制等；微處理器接收到數位化後的磁信號、地平信號和編碼器信 號後，通過無線數傳模塊或接口轉換電路(由用戶設置決定，接口轉換可以為 RS422、 RS485或RS232等)發送到手操器模塊或其它外部設備(如外接的數字 羅盤)。也可通過外接數字羅盤等方式為外部提供標準的數字磁場強度和水平信 號。
傳感器部件上可配有液晶顯示器及鍵盤，方便用戶進行設置。
採樣電路可採用多路A/D採樣電路。
採樣電路和微處理器可安裝在同一 電路板上。
手操器部件主要由液晶顯示器、鍵盤、微處理器、存儲器、無線數傳模塊、 電池及電源管理電路、接口轉換電路組成。
手操器中的微處理器負責整個手操器的工作管理，包括顯示、鍵盤輸入、 數據接收、磁方位計算、存儲器管理、數字校準、通訊控制、充電控制等。手 操器部件中的無線數傳模塊接受來自傳感器部件中的無線數傳模塊傳送的數字 信號後輸入手操器部件中的微處理器，微處理器利用二軸加速度傳感器測量出 傳感器部件與地球重力加速度軸向之間的夾角對三軸磁通門傳感器的磁信號進 行修正，同時加入校準修正量值後計算(捷聯算法)出正確的水平磁場強度， 進一步計算出磁方位角，最後通過液晶顯示器顯示。所有數據還可通過用戶設 置記錄在存儲器中或由接口轉換電路(由用戶設置決定，接口轉換可以為RS422、RS485或RS232等)發送到數字羅首盤等其它外部設備。最後手操器部件完成磁 方位角的解算、顯示和存儲。
採樣電路和微處理器可做成一體的。
如圖2、 3、 4、 5、 6所示的是手操器的實施例，飛機磁羅盤校準設備可採 用分體式，傳感器部件和手操器部件可自由分離為各自獨立的兩個部件，其中 手操器部件為手操器，手操器主要由外殼、液晶屏、鍵盤、線路板、電源管理 及充電電路、接口轉換電路、無線數傳模塊、電池、存儲器、充電接口組成。
在手操器的內部設置線路板，微處理器、電源管理電路、接口轉換電路、 存儲器、無線數傳模塊、液晶屏、鍵盤、電池、充電接口是設置或通過線路板 完成各自的連接，其中主要部件的具體連接為無線數傳模塊將從傳感器部件 發送的數位訊號接收後送入微處理器，微處理器將收到的數位訊號經運算後將 運算結果送入液晶顯示器，由液晶屏顯示。
液晶屏可採用0LED寬溫顯示器。
接口轉換電路可與傳感器部件聯接，也可為外部數字羅盤提供自動檢測接□。
編碼器可採用絕對值編碼盤。
信號調理電路及採樣電路可合併為信號調理及採樣模塊。 如圖7、 8、 9、 10、 11所示是傳感器的實施例。飛機磁羅盤校準設備可採 用分體式，傳感器部件和手操器部件可自由分離為各自獨立的兩個部件，其中 傳感器部件為傳感器，傳感器由傳感器外殼、微處理器及無線數傳模塊、信號 調理及採樣模塊、瞄準鏡支架、瞄準鏡、三軸磁通門傳感器、接口轉換電路、 二軸加速度傳感器、電池、編碼器、雲臺、液晶屏、鍵盤組成。
各部件的具體連接及工作過程為三軸磁通門傳感器和二軸加速度傳感器同時依次接入信號調理電路、採樣電路、微處理器；通過信號調理電路將信號 放大並調整為直流線性電壓信號後再通過採樣電路採集為數位訊號後發送給微 處理器；瞄準鏡通過三角架固定在傳感器部件上並與編碼器連接，逋過瞄準鏡 對飛機軸線、遠處目標的瞄準可改變編碼器的轉動角度，從而得到磁方位、遠 處目標、飛機軸向間的相對夾角，該夾角從編碼器中輸出時就為數字量，可由 用戶通過液晶顯示器及鍵盤操作控制微處理器採集、處理；微處理器接收到數 字化後的磁信號、地平信號和編碼器信號後，通過無線數傳模塊或接口轉換電 路發送到手操器模塊或其它外部設備(如外接的數字羅盤)。也可通過外接數字 羅盤等方式為外部提供數字磁場強度和水平信號，完成地磁、重力加速度信號 的採集、輸出。
信號調理及採樣模塊中包括信號調理電路、採樣電路。
瞄準鏡與傳感器上部殼體聯接，雲臺與傳感器下部殼體聯接，上部殼體與 下部殼體通過編碼器(也可叫光電編碼器)可相對轉動。. 存儲器可造用滿足使用要求的大容量存儲器。 電池可選用鋰電池。
權利要求
1、一種飛機磁羅盤校準設備，其特徵在於，飛機磁羅盤校準設備由主要完成地磁、重力加速度信號採集的傳感器部件與主要完成磁方位的解算、顯示和存儲的手操器部分構成，傳感器部件與手操器部件之間通過無線數傳模塊進行數據交換，其中傳感器包括三軸磁通門傳感器，二軸加速度傳感器、信號調理電路、採樣電路、微處理器、無線數傳模塊、電池及電源管理電路；三軸磁通門傳感器和二軸加速度傳感器同時依次接入信號調理電路、採樣電路、微處理器，微處理器將採集的數據經無線數傳模塊傳輸給手操器部件；手操器部件包括液晶顯示器、鍵盤、微處理器、存儲器、無線數傳模塊、電池及電源管理電路；其中手操器部件中的無線數傳模塊接受來自傳感器部件的數位訊號後能通過手操器的微處理器解算出磁方位送液晶顯示器顯示。
2、 根據權利要求1所述的飛機磁羅盤校準設備，其特徵在於，飛機磁羅盤 校準設備可採用分體式，手操器部件和傳感器部件為兩個可自由分離的兩部分， 其中手操器部件為手操器，傳感器部件為傳感器，手操器和傳感器之間通過無 線數傳模塊完成數據的交換。
3、 根據權利要求1所述的飛機磁羅盤校準設備，其特徵在於，飛機磁羅盤 校準設備的傳感器部件上設置有瞄準鏡和編碼器，瞄準鏡與編碼器連接，瞄準 鏡得到的磁方位、遠處目標、飛機軸向間的相對夾角數據可通過與其連接的編 碼器處理為數字量後送傳感器部件內的微處理器採集、處理。
4、 根據權利要求1或3所述的飛機磁羅盤校準設備,其特徵在於，飛機磁 羅盤校準設備的傳感器部件上設置的編碼器可採用絕對值編碼盤。
5、 根據權利要求1所述的飛機磁羅盤校準設備,其特徵在於，飛機磁羅盤 校準設備上設置有接口轉換電路，傳感器部件中的微處理器可將收到的數位化 後的磁信號、地平信號和編碼器信號經接口轉換電路傳輸到外接設備。
6、 根據權利要求1或5所述的飛機磁羅盤校準設備，其特徵在於，飛機磁 羅盤校準設備的接口轉換電路中的接口轉換可以為RS422、 RS485或RS232。
7、 根據權利要求1所述的飛機磁羅盤校準設備，其特徵在於，飛機磁羅盤 校準設備的手感器部件的內部設置有線路板，手感器部件內的微處理器、電源 管理電路、接口轉換電路、存儲器、無線數傳模塊、液晶屏、鍵盤、電池、充 電接口可設置或連接在線路板上，完成手感器部件內的微處理器與電源管理電 路、接口轉換電路、存儲器、無線數傳模塊、液晶屏、鍵盤、電池、充電接口 的連接。
8、 根據權利要求1所述的飛機磁羅盤校準設備，其特徵在於，飛機磁羅盤 校準設備中的採樣電路可與信號調理電路設置在一體，組成信號調理及採樣模 塊。
9、 根據權利要求1或8所述的飛機磁羅盤校準設備，其特徵在於，飛機磁 羅盤校準設備中的採樣電路可與微處理器設置成一體，製成微處理器及採樣電 路。
全文摘要
本發明是一種飛機磁羅盤校準設備。其由主要完成地磁、重力加速度信號的採集的傳感器部件和主要完成磁方位的解算、顯示和存儲的手操器部件組成，傳感器部件與手操器部件之間通過無線數傳模塊進行數據交換。本發明通過數位化的形式為飛機磁羅盤校準提供更為精確的磁北基準，解決了常規校準設備存在的機械摩擦、加工精度、讀值誤差、指針晃動等技術問題且體積小、重量輕、功耗低的校準設備，簡化了飛機磁羅盤的校準過程、減少了校準過程的人力及物力投入，提高了飛機磁航向儀表的校準效率及精確度。
文檔編號G01C17/00GK101532837SQ20091002221
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月28日 優先權日2009年4月28日
發明者劉明偉, 陽 楊, 謝春華 申請人:寶雞市博遠信航電子科技有限責任公司