基于機體坐標系的油位測量方法
【專利摘要】本發明提出的一種基于機體坐標系的油位測量方法，旨在提供一種穩定、可靠，能夠提高測量精度的油位測量方法。本發明通過下述技術方案予以實現：建立姿態信息的燃油質量特性數據庫和一條垂直XY平面并稱之為虛擬傳感器的直線；然后將測量過程中各油量傳感器等效為直線，同時通過傳感器的安裝位置，建立基于機體坐標系的虛擬傳感器直線方程，再通過大于3個布置于不同部位的線性電容式油量傳感器測量浸油油面高度，結合油面角測量，獲取油面上三個點的坐標，得到油面姿態角和油面方程，采用油面方程和虛擬傳感器直線方程獲取線面的交點坐標，然后通過燃油質量特性數據庫表征油面高度、油面角與燃油量對應關系，最后經三維線性插值解算得到油量測量結果。
【專利說明】基于機體坐標系的油位測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種主要用于測量油箱橫截面相對較大的飛行器燃油量的方法。
【背景技術】
[0002] 現有技術為了描述飛機的運動狀態，必須選擇適當的坐標系。例如，飛機相對于地 面的位置，就必須采用地面坐標系；飛機的轉動用機體坐標系表示。固定在飛行器或者飛機 上的遵循右手法則的三維正交直角坐標系稱為機體坐標系，其原點位于飛行器的重心，0X 軸位于飛行器參考平面內平行于機身軸線并指向飛行器前方，0Y軸垂直于飛行器參考面并 指向飛行器右方，0Z軸在參考面內垂直于Χ0Υ平面，指向航空器上方。燃油量是飛行器最大 的可變重量，一般飛行器燃油量占全機重量的30%?60%之間，通過對飛行器中各個油箱 燃油量的精確測量，可以對燃油在各油箱的分布進行調整，實現飛行器重心控制，確保飛行 器重心保持在所允許范圍之內，而飛行器重心偏差對飛行性能影響巨大，輕則由于需要平 尾配平增加飛行阻力，增加油耗，影響經濟性，重則影響操穩，帶來安全性問題。另一方面， 精確的燃油量測量是實施科學飛行管理的需要。實時、準確測量油箱中的剩余油量可以精 確計算飛行器續航時間，保證飛行器安全飛行；飛行前必須根據飛行任務制定加油量，如果 油量測量誤差大（小型飛機一般會達到幾十公斤甚至上百公斤，大型民機一般會達到幾百 公斤甚至更多），為了保證飛行安全不得不增加加油量，對飛機而言，會降低其有效載重量， 航程和飛行半徑；對大型民機而言，會降低飛行器載重，影響飛行經濟性，據有關文獻報道， 燃油測量精度只要每提高〇. 5%，就可以至少增加2?3名乘客。
[0003] 目前，國內外最常見的飛行器燃油量測量方式為：首先依據油箱之間燃油的串通 性能及翼肋的密封性能對整個油箱進行分塊，各塊油量之和即為總油量；再對每塊通過遍 布于不同部位的線性電容式油量傳感器（以下簡稱油量傳感器）測量油面高度，然后查詢 表征油面高度、燃油量等對應關系的燃油油量曲線，最后經插值解算、信息后處理得到油量 測量結果。根據測量原理可知，油量高度和燃油油量曲線是獲取油量的主要依據。傳統的 測量方法中，油量高度是通過油量傳感器的浸油高度直接獲得的，燃油油量曲線主要是通 過地面試驗臺結合機上的實際情況進行加放油獲得。然后通過浸油高度查詢通過試驗獲得 的油量曲線得到實際油量。為了保證各種常見飛行姿態下通過油量傳感器獲得有效、穩定、 高精度的油面高度值，除了要提高油量傳感器本身可靠性和測量精度，確定合理的油箱內 油量傳感器布置方式以外，更重要的是需要一種合理準確的測量技術。綜上所述，現有技術 的油量測量通過地面試驗獲取數據庫精度較差，在飛行器有飛行姿態的情況下油量測量誤 差較大。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于針對現有技術的油量測量技術通過地面試驗獲取數據庫精度 較差，在飛行器有飛行姿態的情況下油量測量誤差較大的不足之處，提供一種穩定、可靠， 能夠提高飛行中油量測量的精度，基于機體坐標系下將油量傳感器數字化，查詢更為詳細 的數據庫，進而提高測量精度的油位測量方法。
[0005] 本發明的上述目的可以通過以下措施來達到，一種基于機體坐標系的油位測量方 法，其特征在于包括如下步驟：在計算機平臺中，建立包括姿態信息的燃油質量特性數據 庫，為簡化燃油質量特性數據庫，創建一條垂直于XY平面并稱之為虛擬傳感器的直線；然 后將測量過程中各個線性電容式油量傳感器（以下簡稱油量傳感器）等效為直線，同時通 過油量傳感器的安裝位置，建立基于機體坐標系的虛擬傳感器直線方程，再通過大于3個 布置于不同部位的油量傳感器測量浸油油面高度，結合油面角測量，獲取油面上三個點的 坐標，得到油面姿態角和油面方程，采用油面方程和虛擬傳感器直線方程獲取線面的交點 坐標，然后通過查詢已經建立的燃油質量特性數據庫表征油面高度、油面角與燃油量對應 關系，最后經三維線性插值解算得到油量測量結果，而獲得油箱內的油量。
[0006] 本發明相比于傳統的測量方法，具有如下有益效果： 1.獲取質量特性數據庫的成本較低。本發明通過油面方程和虛擬傳感器直線方程得到 線面的交點坐標，以此虛擬傳感器的浸油高度獲取油箱內的油量，經油量傳感器的高精度 以及合理的布置，可以準確的測量出油面高度和油面角信息。通過建立包括姿態信息的燃 油質量特性數據庫，并盡量的簡化數據庫使其數據量盡量小，可便于硬件實現。通過計算機 對油液模型進行小步長切片獲取一種狀態下的數據庫，可以減少地面的加放油試驗獲取油 量曲線的工作量，同時獲取數據庫的精度也會有較大提高，因為計算機獲取有效減小了加 放油試驗中各型計量設備的誤差。
[0007] 2.具有姿態修正功能。本發明通過遍布于不同部位的電容式油量傳感器測量油 面高度，結合油面角測量，然后查詢表征油面高度、油面角與燃油量對應關系的燃油質量特 性數據庫，最后經三維線性插值解算得到油量測量結果。在不同的飛行姿態下，三個或以上 的油量傳感器可以確定三個或三個以上的浸油高度，即至少可以確定油平面上三個點的坐 標，而基于這三個點的坐標就可以得到油平面的方程，通過此方程可以得到油面滾轉角和 俯仰角。然后根據計算出的參考高度、滾轉角、俯仰角作為查詢質量特性數據庫的輸入，通 過插值的方法可以計算出當前時刻的燃油油位信息，可有效大幅的提高飛行中油量測量的 精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008] 圖1是本發明基于機體坐標系的油位測量流程圖。
[0009] 圖2是本發明油量傳感器浸油高度示意圖。
[0010] 圖3是本發明油量傳感器與油平面相交示意圖。
[0011] 圖4是本發明三個油量傳感器確定燃油平面示意圖。
[0012] 圖5是本發明求取虛擬傳感器浸油高度示意圖。
[0013] 圖6是本發明油量測量三維線性插值算法原理示意圖。
【具體實施方式】
[0014] 參閱圖1。根據本發明，在計算機平臺中，首先建立一個包括姿態信息的燃油質量 特性數據庫。為簡化燃油質量特性數據庫，創建一條垂直于XY平面并稱之為虛擬傳感器的 直線；然后通過測量系統對油量傳感器進行采樣，得到油量傳感器的電容值，其次，解算圖 2所示油量傳感器的浸油高度，將測量過程中各個油量傳感器等效為直線，同時通過油量傳 感器的安裝位置和油位高度，建立基于機體坐標系的虛擬傳感器直線方程，再通過布置的 大于3個的油量傳感器浸油高度，通過油量傳感器的浸油高度可以得到圖3所示油量傳感 器與燃油平面的交點坐標和各個油量傳感器的坐標位置、油量傳感器與燃油平面的交點坐 標、油量傳感器浸油高度和虛擬傳感器的坐標位置作為燃油油位測量的基本輸入，從而獲 取油面上三個點的坐標。按圖4所示，通過計算機平臺結合三個油量傳感器與燃油平面的 交點坐標計算出油平面方程，得到油面姿態角和油面方程，通過油平面方程可以得到滾轉 角和俯仰角信息。采用油面方程和虛擬傳感器直線方程獲取線面的交點坐標。根據圖5所 示求取虛擬傳感器浸油高度，通過油量傳感器和虛擬傳感器的坐標位置，結合求取的油面 角信息將各個油量傳感器的浸油高度映射到虛擬傳感器的參考高度，這樣求得了參考高度 和油面角信息，查詢質量特性數據庫基本輸入已經具備，但是數據庫并不是連續的，根據基 本輸入不一定直接可以查到對應的油位信息。應用圖6所示油量測量三維線性插值算法原 理，在計算機平臺中使用三維的線性插值方法，查詢表征參考高度、油面角與燃油量對應關 系的燃油質量特性數據庫得到油位測量結果。通過查詢已經建立的燃油質量特性數據庫， 即可獲得油箱內的油量。
[0015] 參閱圖2。油量傳感器的基本原理是由兩根直徑不同的同心薄璧金屬管組成，因為 燃油與空氣的介電常數有較大差異，根據油量傳感器的輸出電容可以計算出其浸油高度。
[0016] 油量傳感器電容公式為：
【權利要求】
1. 一種基于機體坐標系的油位測量方法，其特征在于包括如下步驟：在計算機平臺 中，建立包括姿態信息的燃油質量特性數據庫，為簡化燃油質量特性數據庫，創建一條垂直 于XY平面并稱之為虛擬傳感器的直線；然后將測量過程中各油量傳感器等效為直線，同時 通過油量傳感器的安裝位置，建立基于機體坐標系的虛擬傳感器直線方程，再通過大于3 個布置于不同部位的油量傳感器測量浸油油面高度，結合油面角測量，獲取油面上三個點 的坐標，得到油面姿態角和油面方程，采用油面方程和虛擬傳感器直線方程獲取線面的交 點坐標，然后通過查詢已經建立的燃油質量特性數據庫表征油面高度、油面角與燃油量對 應關系，最后經三維線性插值解算得到油量測量結果，而獲得油箱內的油量。
2. 如權利要求1所述的基于機體坐標系的油位測量方法，其特征在于：通過油量傳感 器的浸油高度得到油量傳感器與燃油平面的交點坐標和各個油量傳感器的坐標位置、油量 傳感器與燃油平面的交點坐標、油量傳感器浸油高度和虛擬傳感器的坐標位置作為燃油油 位測量的基本輸入，從而獲取油面上三個點的坐標。
3. 如權利要求1所述的基于機體坐標系的油位測量方法，其特征在于：通過油量傳感 器和虛擬傳感器的坐標位置，結合求取的油面角信息將各個油量傳感器的浸油高度映射到 虛擬傳感器的參考高度，求得參考高度和油面角信息。
4. 如權利要求1所述的基于機體坐標系的油位測量方法，其特征在于：在計算機平臺 中使用三維的線性插值方法，查詢表征參考高度、油面角與燃油量對應關系的燃油質量特 性數據庫得到油位測量結果。
5. 如權利要求1所述的基于機體坐標系的油位測量方法，其特征在于：當油箱內有三 個及三個以上油量傳感器測量到有效油位時，則可得到三個油量傳感器與同一個燃油平面 的三個交點 A、B、C，這三個點坐標為 A (XI，Yl，Zl)、B (X2, Y2, Z2)、C (X3, Y3, Z3)。
6. 如權利要求1所述的基于機體坐標系的油位測量方法，其特征在于：根據油量傳感 器的浸油高度和長度，結合油量傳感器的直線方程，得到與油平面的交點為： Y _ XC\ ~ -V! rr , τaca ~ ^ 11 ^ < yCi :yc、yc2 Η + yC2 Zca =彳1 廣 H + zC2 式中：χα、ya、ζα-油量傳感器上端點坐標；Xc；2、yc； 2、ze2-油量傳感器下端點點坐標； xCA、ya、za-油量傳感器軸線與燃油油平面交點的坐標；Η-油量傳感器感應油面高度；L 一 油量傳感器長度。
7. 如權利要求1所述的基于機體坐標系的油位測量方法，其特征在于：實體油量傳感 器和虛擬傳感器和油平面都有一個交點，通過油面方程和虛擬傳感器的直線方程可求得當 虛擬傳感器于油平面的交點，即可得到虛擬傳感器的浸油高度。
8. 如權利要求1所述的基于機體坐標系的油位測量方法，其特征在于：在安裝多根油 量傳感器油箱中，依據每個實體油量傳感器的浸油高度求得虛擬傳感器的浸油高度，然后 求取該虛擬傳感器的平均浸油高度，即油面參考高度，當某個油量傳感器有故障時，則剔除 該油量傳感器。
9. 如權利要求1所述的基于機體坐標系的油位測量方法，其特征在于：為獲得準確獲 油量信息通過三維插值算法進行油量信息解算，燃油質量特性數據庫是一些離散點構成 的。
10. 如權利要求1所述的基于機體坐標系的油位測量方法，其特征在于：對于給定 一組油位高度h、油面俯仰角α、油面滾轉角β，β以（h，α，β)形式表示，在燃油質 量特性數據庫中能夠搜索到與其相鄰的8組數據，分別為（hi， ai，β)、（hi，ai+1，?^)、 (hj, ct j, β i+j) -> (hj, 〇 i+i, β i+i) -> (hj+j, 〇 i， β i) -> (hj+j, Q j+i， β j) > (hi+1, ct β i+1) > (hi+1，ai+1，i3i+1)，此8組數據是進行插值運算獲得油量測量值的輸入條件，且滿足條件 比彡h彡hi+1、a i彡α彡a i+1、β i彡β彡β i+1 ;i和（i+1)表示數據庫中第i和第（i+1) 個數據，并通過已得到的數據（h，α，β)逐個對比數據庫中的數據，計算出i值。
【文檔編號】G01F23/26GK104296829SQ201410523136
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2014年9月30日
【發明者】孫忠湖 申請人:四川泛華航空儀表電器有限公司