基于小波分析的直升机飞行载荷监控技术
时间：2020-11-02 10:49:01 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘要：飞行载荷实时监控是直升机新机研制试飞中飞行安全保障的必要手段。利用小波分析在时频两域都具有表征信号局部特征的特点，提取载荷数据中的特征信息，通过相关性分析可以实时检判试飞中关键部件载荷数据的异常现象，排除外界干扰影响，提高安全监控的准确性。
关键词：飞行载荷；
实时监控；
小波分析；
实时检判；
直升机 文献标识码：A
中图分类号：V212 文章编号：1009-2374（2017）11-0023-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.012
1 概述
新研制的直升机在原型机阶段都要开展性能、载荷等相关的飞行试验，以验证直升机是否满足研制要求规定的各项技术指标。新机在拓展性能包线及载荷测量的试飞过程中，存在着诸多不确定的风险因素，而与这些风险因素相关联的直升机配置、飞行状态、试飞环境、试飞员操纵等都会直接反映在直升机结构载荷水平的变化上。直升机部件的载荷大小直接影响到结构寿命的长短，对这些部件未知的载荷水平进行实时监控是保障新机飞行安全的重要手段之一。
实时监控的效果直接影响到对飞行安全的评判。现阶段常用的飞行载荷监控多采用监控载荷时域的方式，即在坐标系上预先设置1小时、5小时寿命等限制线，将飞行载荷中的静态量剔除后，以曲线的形式显示在坐标系内，这种以载荷波动是否超出预设限制值的监控方式，当信号存在突然而急剧的变化时，监控人员很难识别出信号异常的真实原因，这种信号突变的情况在试飞中一旦频繁发生，将大幅降低载荷监控的实时性和准确性。
将小波分析引入飞行载荷监控，结合直升机载荷的特性，从多方面解析飞行载荷时频特性，可以提高载荷实时监控的效果。
2 小波分析在载荷监控中的优势
直升机飞行时，旋翼系统桨叶在每转变化一次的气动环境中工作，由于旋翼工作转速Ω基本恒定，因而在桨叶上产生的持续启动激振力频率1Ω、2Ω、3Ω……（为旋翼转速的整数倍）基本恒定。正常情况下，桨叶上的响应载荷频率一般以前几阶为主，其他各阶谐波分量较小。如某型机旋翼的转速为A转/分，尾桨的转速为B转/分，其主桨叶对应的载荷频率一般以n*A/60Hz为主，尾桨叶的则以n*B/60Hz为主。
根据此类特征，载荷监控并不关注静载荷力，基于此目前监控方法多采用拓扑运算将静态量统一滤除，再进行载荷时域监控。但从实际应用情况看，载荷监控信号中经常存在各种未知因素导致的时域信号异常情况，如大机动、大过载飞行引起载和平水平的提高或者测试设备的突然损毁、遥测链路的噪声干扰正常信号等，这种异常经常使信号超过限制值，由于时域监控的方法并不能直观地展示此类信号异常的特点，评判异常信号是否为结构真实工作状态还是干扰，往往需要监控人员具有丰富的工程经验和一定的判断时间，一旦误判可能导致试飞错误终止，或是错失最佳处置时间导致危险。
小波分析作为一种时间—频率分析方法，它多分辨率分析的特点使其具备时、频两域表征信号局部特征的能力，其窗口大小固定不变，但形状可变，时间窗和频率窗都可以根据信号的具体形态动态调整，其在信号的低频部分频率分辨率高和时间分辨率低，在高频部分正好相反，可准确探测正常信号中夹带的瞬态干扰等反常现象并展示其成分，因此小波分析用于飞行载荷实时监控十分适合。
3 飞行载荷的小波分析
第一部分是x（t）在尺度空间的投影，它是x（t）的平滑逼近，分解系数称为离散平滑逼近；
第二部分是x（t）在小波空间的投影，它反映了邻近尺度2个平滑逼近的细节差异，也就是对x（t）所做的细节补充，分解系数称为离散细节信号，也就是小波变换系数。在实际信号分析中，J以下各尺度为高频细节的提取，J以上各尺度用于低频信号的近似。
小波分析时，可把信号根据采样率以及所需频率进行分层，把层级频率范围尽可能调整至不同激振力频率，以便观察。小波分析中，尺度与频率是反比的关系，确定尺度需要考虑采样频率的大小，采样频率的大小决定了其分析的频率，再确定分析的层级，即：
实际频率=小波中心频率*采样频率/尺度
在小波分解中，将信号中的最高频率成分看作是1，各层所占的具体频带为（三层分解）：
a1：0～0.5；
d1：0.5～1
a2：0～0.25；
d2：0.25～0.5
a3：0～0.125；
d3：0.125～0.25
利用小波变换方法，从1到6级用db4小波低频逐级细分，可以将整个1024采样频带分成128～256Hz、64～128Hz、32～64Hz、16～32Hz、8～16Hz、4～8Hz、0～4Hz共7个子频带，用7个子带滤波器对载荷信号进行分解与滤波后，得到子带滤波通道输出的信号序列（即小波分解系数）。
其中a6为包含的0～4Hz（即1Ω）频率分量系数，其也可以看成原始信号经过高频滤波后的信号，由于小波变换的特性，此种滤波时效性极好，由于该分量为此剖面的主要激振力频率分量，可以作为监控飞行载荷的主要特征系数。
载荷监控时通过小波多分辨率分析把數据信号分解到不同尺度上对信号进行时频分析，从不同尺度分解信号的分析中得到在原始信号中无法表达出的结构系统参数变化信息，从而在测试信号有异常时及时发出预警。
4 载荷监控应用实例
载荷实时监控的任务是判断飞行过程中，监控通道数据发生异变后，及时定位原因，采取相应的处置措施，载荷监控中经常出现的情况主要有三种：
4.1 飞行状态改变引起的载荷急剧变化
飞行员在飞行中快速提升总距后，阻尼器载荷成倍增大，观察小波分析分离的主要激振力频率分量，可以看出其随着原始信号同步增大，因此确认测量载荷反映的是正常的飞行操纵响应，此时仅需继续关注载荷时域信号是否超限，并监控载荷与飞行员操纵间的关联关系。
4.2 结构固有频率改变导致的载荷异常
某尾桨验证飞行正常阶段，尾桨叶扭矩的工作频率一直以4Ω为主，挥舞和摆振弯矩的频率以1Ω为主；
而在试验的第三阶段，通过小波分析后发现挥舞弯矩和扭矩的工作频率出现了变化，其中挥舞弯矩中的3Ω分量明显增大，扭矩频率由以4Ω为主转为以3Ω为主。不同飞行阶段挥舞弯矩的6阶谐波分量的变化情况。
核查该尾桨结构共振图，判断结构2阶挥舞固有频率和1阶扭转固有频率存在下降的可能，导致与3Ω激振力产生共振，后对结构进行检查后，发现尾桨叶根部连接区因磨损导致夹板和柔性梁出现连接异常情况，为此中止试飞，查找起因。
4.3 测试链路异常产生的干扰
可以看出时频信号变大的能量来自于d1高频系数中，a6相似系数并无变化，因此判断载荷变大为测试链路异常，监控时可根据飞行测试需求和安全监控要求决定是否继续飞行，避免数据无效或无法继续保障试飞的安全。
5 结语
利用小波分析对载荷信号特征提取，方便监控人员实时对信号不同频域的能量进行直观监控，判断飞行状态，进行飞行特征分析。
排除测试系统对载荷信号的干扰，优化数据特征，同时这也是对飞行数据的保护，实时掌控测试设备损毁情况，有效把握试飞进度，从根源上预防试飞后无数据可用的情况。
参考文献
[1] 胡南，乐秀皤.多N值Db小波多分辨分解的电压闪变检测[J].江苏电机工程，2010，（3）.
[2] 顾文标，喻溅鉴，邹静，潘春蛟.基于飞行载荷分析的直升机动部件故障识别研究[A].第22届全国直升机年会论文集[C].2010.
作者简介：罗毅（1984-），男，四川射洪人，中国直升机设计研究所工程师，研究方向：信号处理。
（责任编辑：黄银芳）
