СИСТЕМЫ АНАЛИЗА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

В настоящее время важной научно-технической задачей является высокоточное измерение параметров вибрации летательного аппарата в основных его режимах работы, в том числе в полете, для анализа его вибрационных свойств и характеристик, диагностики состояния его конструкции, прогнозирования появления и развития дефектов, а также предупреждения нарастания влияния и парирования влияния таких опасных явлений, как флаттер, бафтинг и др. Ниже представлены первичные результаты работ, выполняемых авторским коллективом в направлении построения системы, предназначенной для измерения этих параметров. Особенностью системы по сравнению с существующими аналогами является применение традиционных виброметрических способов измерения в сочетании с подходами, типичными для решений задач ориентации и навигации. В статье рассмотрены принципы построения системы измерения параметров вибрации элементов конструкции летательного аппарата на примере варианта такой системы для измерения вибраций крыла самолета с использованием микромеханических инерциальных измерительных блоков и технологии слияния сенсорной информации. Проведен краткий обзор существующих решений в предметной области и обоснована актуальность и целесообразность предложенного варианта системы. Представлены базовый состав и структура системы, включающие микромеханические инерциальные блоки, датчик перемещения, а также бортовой навигационный комплекс. Описаны основные принципы работы, основанные на использовании данных датчиков перемещения, инерциальных измерений и оптимального калмановского оценивания. Приведены основные алгоритмы работы системы, включая алгоритмы инерциальных измерений, оценивания и коррекции, а также собственно алгоритм вычисления параметров вибрации. Кроме того, представлены математические модели ошибок основных измерителей системы. Также показаны обнадеживающие результаты имитационного моделирования, демонстрирующие работоспособность системы и ее ожидаемые сравнительно высокие точностные характеристики, подтверждающие предполагаемую эффективность ее применения и перспективность выбранного направления исследований и разработок.

1. Eken S. Free vibration analysis of composite aircraft wings modeled as thin-walled beams with NACA airfoil sections // Thin-Walled Structures. – 2019. – Vol. 139. – P. 362–371.

2. Alvarez-Montoya J., Carvajal-Castrillon A., Sierra-Perez J. In-flight and wireless damage detection in a UAV composite wing using fiber optic sensors and strain field pattern recognition // Mechanical Systems and Signal Processing. – 2020. – Vol. 136. – P. 106526.

3. Simsiriwong J., Sullivan R.W. Experimental vibration analysis of a composite UAV wing // Mechanics of Advanced Materials and Structures. – 2012. – Vol. 19 (1–3). – P. 196–206.

4. Тиц С.Н. Контроль наличия повреждений авиационных конструкций из композиционных материалов по вибрационным характеристикам: автореф. дис. … канд. техн. наук. – Самара, 2009. – 20 с.

5. Идентификация дефектов летательных аппаратов по параметрам вибраций в процессе эксплуатации / В.А. Бернс, Е.А. Лысенко, Д.А. Маринин, А.В. Долгополов, Е.П. Жуков // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2015. – № 2 (27). – С. 24–42.

6. Косицын А.В., Шейников А.А. Диагностика повреждений узлов крепления крыла самолета по параметрам вибрации // Приборы и методы измерений. – 2013. – № 2 (7). – С. 103–108.

7. Pang Z.Y., Cesnik C.E., Atkins E.M. In-flight wing deformation measurement system for small unmanned aerial vehicles // 55th AIAA/ASMe/ASCE/AHS/SC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference 2014. – National Harbor, Maryland, 2014. – DOI: 10.2514/6.2014-0330.

8. MEMS accelerometers for mechanical vibrations analysis: a comprehensive review with applications / M. Varanis, A. Silva, A. Mereles, R. Pederiva // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2018. – Vol. 40 (11). – P. 527.

9. Kuntoji N, Kuppast D. Study of aircraft wing with emphasis on vibration characteristics // International Journal of Engineering Research and Application. – 2017. – Vol. 7 (4). – P. 1–8.

10. Vibration data acquisition and visualization system using MEMS accelerometer / I.A. Jamil, M.I. Abedin, D.K. Sarker, J. Islam // 2014 International Conference on Electrical Engineering and Information and Communication Technology. – IEEE, 2014. – P. 1–6.

11. Manning W.J., Plummer A.R., Levesley M.C. Vibration control of a flexible beam with integrated actuators and sensors // Smart Materials and Structures. – 2000. – Vol. 9 (6). – P. 932.

12. Investigation into the use of low cost MEMS accelerometers for vibration based damage detection / C. Ratcliffe, D. Heider, R. Crane, C. Krauthauser, M.K. Yoon, J.W. Gillespie Jr. // Composite Structures. – 2008. – Vol. 82 (1). – P. 61–70.

13. Use of a novel fiber optical strain sensor for monitoring the vertical deflection of an aircraft flap / G. Durana, M. Kirchhof, M. Luber, I.S. de Ocаriz, H. Poisel, J. Zubia, C. Vаzquez // IEEE Sensors Journal. – 2009. – Vol. 9 (10). – P. 1219–1225.

14. Fu G, Moosa A.G. An optical approach to structural displacement measurement and its application // Journal of Engineering Mechanics. – 2002. – Vol. 128 (5). – P. 511–520.

15. Маамо М.Ш. Система измерения параметров вибрации крыла самолета на основе микромеханических инерциальных измерительных блоков и технологии слияния сенсорной информации // Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов: сборник докладов I Международной научно-практической конференции: в 2 т. (Томск, 27–29 апреля 2021 г.). – Томск: Изд-во Том. политехн. ун-та, 2021. – Т. 1. – С. 173–177.

16. Godha S. Performance evaluation of low cost MEMS-based IMU integrated with GPS for land vehicle navigation application: M. Sc. University of Calgary. – Calgary, 2006. – 210 p.

17. Hall D.L., Llinas J. An introduction to multisensor data fusion // Proceedings of the IEEE. – 1997. – Vol. 85 (1). – P. 6–23.

18. Тювин А.В., Афонин А.А., Черноморский А.И. Об одной концепции векторных гравиметрических измерений // Авиакосмическое приборостроение. – 2005. – № 3. – С. 24–29.

19. Челноков Ю.Н. Кватернионные и бикватернионные модели и методы механики твердого тела и их приложения. Геометрия и кинематика движения. – М.: Физматлит, 2006. – 512 с.

20. Лурье А.И. Аналитическая механика. – М.: Физматгиз, 1961. – 824 с.

21. Ориентация и навигация подвижных объектов: современные информационные технологии / под общ. ред. Б.С. Алешина, К.К. Веремеенко, А.И. Черноморского. – М.: Физматлит, 2006. – 421 с.