Система передачи мониторинговой информации с винта вертолёта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Викулов Виктор Михайлович

• Викулов Виктор Михайлович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Викулов Виктор Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Система сбора мониторинговой информации с движущихся частей вертолёта

Введение

1.1 Описание принципов построения системы диагностики

1.1.1 Первичный преобразователь

1.1.2 Вторичный преобразователь

1.2 Постановка задачи

1.3 Укрупнённый алгоритм работы системы диагностики

1.4 Оценка пропускной способности канала с колонки НВ и достоверности передачи

Выводы по главе

ГЛАВА 2. Характеристики канала радиосвязи «Колонка НВ - фюзеляж вертолёта»

Введение

2.1 Выбор рабочей частоты

2.2 Влияние конструкции вертолёта и вращения винтов на распространение радиосигнала

2.3 Оценка многолучевого распространения сигнала

2.4 Математическая модель канала

2.5 Адаптивная коррекция канала

Выводы по главе

ГЛАВА 3. Организация радиоканала «колонка НВ - фюзеляж вертолёта»

Введение

3.1 Облик системы передачи данных

3.2 Антенны на фюзеляже вертолёта (приёмные)

3.3 Протокол информационного взаимодействия

3.4 Аппаратные решения

3.4.1 Схемотехника передающей части на колонке НВ

3.4.2 Блок на борту вертолёта

3.5 Синхронизация

3.5.1 ЦОР протокол

3.6 Макетирование предложенных решений

Выводы по главе

ГЛАВА 4. Моделирование компонентов системы передачи мониторинговой информации и системы в целом

Введение

4.1 Изготовление и испытание приёмных антенн

4.1.1 Результаты испытаний в безэховой камере

4.2 Моделирование передающих антенн

4.2.1 Одиночный вибратор с противовесом

4.2.2 Дипольная антенна

4.2.3 Рамочная антенна

4.3 Лабораторные образцы антенн

4.4 Методика экспериментального определения КСВ в линии передачи по напряжению

4.5 Лабораторный эксперимент

4.6 Применение гибких антенн

4.7 Моделирование системы передачи мониторинговой информации

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Приложение А

А. 1 Текст программы моделирования частотного отклика при многолучевом распространении канала 2.4 ГГц

А.2 Текст программы моделирования частотного отклика при многолучевом распространении канала 5 ГГц

Приложение Б

Б. 1 Акт внедрения в работы ООО НИЦ «ИРТ»

Б.2 Акт внедрения в работы АО «Камов»

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

HUMS - Health and Usage Monitoring Systems

MIMO - Multiple Input Multiple Output

MTP - Media transfer protocol

OSI - Open systems interconnection

PCB - Printed circuit board

PoE - Power Over Ethernet

SNR - Signal-to-noise ratio

SPI - Serial peripheral interface

TCP/IP - Transmission Control Protocol / Internet Protocol

UART - Universal asynchronous receiver-transmitter

UDP - User datagram protocol

VCSEL - Vertical-cavity surface-emitting laser

АРУ - Автоматическая регулировка усиления

АФ - Адаптивный фильтр

АФУ - Антенно-фидерное устройство

АЧХ - Амплитудно-частотная характеристика

ВАК - Высшая аттестационная комиссия

ВБР - Волоконная брэгговская решётка

ВВФ - Внешние воздействующие факторы

ВК - Весовые коэффициенты

ВОД - Волоконно-оптический датчик

ВЧ - Высокие частоты

ДН - Диаграмма направленности

ИХ - Импульсная характеристика

КБ - Конструкторское бюро

КВ - Короткие волны

КМ - Композитный материал

КПД - Коэффициент полезного действия

КСВ - Коэффициент стоячей волны

МВЗ - Московский вертолётный завод

НВ - Несущий винт

Научно-исследовательская и опытно-

НИОКР

конструкторская разработка

Объединённая система связи, обмена данными,

ОСНОД

навигации и опознавания

ПЛИС - Программируемая логическая интегральная схема

САПР - Система автоматического проектирования

СВЧ - Сверхвысокие частоты

СПД - Система передачи данных

С/Ш - Сигнал/шум

УВД - Управление воздушным движением

УКВ - Ультракороткие волны

ЧПУ - Числовое программное управление

ШРС - Широкополосной радиолинии связи

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система передачи мониторинговой информации с винта вертолёта»

ВВЕДЕНИЕ

За последние три десятка лет произошёл существенный скачок в использовании материалов, применяемых при производстве разного рода движимой и недвижимой техники. Ещё совсем недавно сложно было представить, что металл при изготовлении фюзеляжа и корпусов машин почти полностью заменят композитными материалами (КМ), ничем не уступающими в прочностных характеристиках, но дающими огромный выигрыш по массогабаритным параметрам.

Особенное распространение подобные материалы, а точнее сочетание подобных материалов с металлическими конструкциями, получило в авиационной технике, где вопрос уменьшение массы стоит особо остро. Ведь, уменьшая массу летательного аппарата при неизменной мощности силовых агрегатов, можно получить выигрыш сразу по нескольким направлениям: экономии топлива, увеличения веса полезного груза, улучшения манёвренности и скоростных характеристик.

С ростом сложности разрабатываемых конструкций возможности средств мониторинга, особенно если речь идёт о диагностике в режиме реального времени, существенно отстают. Так, например, нет единой методологии контроля повреждений элементов конструкций из КМ, широко применяемых в современной военной технике. Вероятность разрушения таких конструкций, несмотря на осуществление периодического стационарного осмотра, во многом зависит от качества исходных компонентов материала и технологии изготовления изделия. Особенно высока непредсказуемость поведения при многоцикловой усталости композитных агрегатов, узлов и конструкций, доля которых в составе образцов военной техники с каждым годом увеличивается.

Например, современные методы контроля вертолётной техники в РФ регламентируют лишь периодический осмотр деталей, а замена или починка определяется фиксированным сроком налёта. Такой вариант себя зарекомендовал

на образцах вертолётов, которые уже не один десяток лет находятся в эксплуатации, претерпевая лишь небольшие изменения в конструкции, так как на большой выборке произведённых единиц и при детальном разборе каждой поломки или аварии можно установить регламентные ремонтные работы по каждому узлу вертолёта.

Такая практика отлично применяется, например, на вертолёте Ми-8 производства «МВЗ имени М.Л. Миля», разработанном ещё в начале 60-х годов прошлого столетия. Из открытых источников известно, что на данный момент произведено более 12 тысяч единиц вертолёта в различных модификациях.

Однако для новых вертолётов такой вариант оценки живучести конструкций по налёту достаточной статистики по каждому агрегату не представляется экономически выгодным, особенно в условиях современного темпа научно-технического прогресса. Особенно важно отслеживать фактическое состояние принципиальных узлов лётной техники на всех этапах жизненного цикла, что позволит делать своевременные выводы об износе той или иной детали.

Таким образом, потребность в новых методах и системах контроля технического состояния конструкций лётной техники в режиме реального времени в авиации очень велика, что влечёт за собой необходимость решения большого набора научных и технических задач.

Это доказывается огромным количеством научных статей, публикаций и патентов по всему миру.

Основными направлениями этих разработок и исследований являются:

❖ непрерывный мониторинг и контроль технического состояния изделий в сборках, состоящих из нескольких составных частей (элементов конструкций);

❖ сигнализация об уровне опасности повреждений отдельных изделий в сборке относительно уровня предельно допустимых эксплуатационных нагрузок в процессе нестационарного нагружения изделия и воздействия на него различных эксплуатационных факторов;

❖ передача данных непрерывного контроля состояния изделия на внешние устройства и системы по заданному протоколу и в заданном формате.

В результате патентно-технических исследований было установлено, что наиболее интенсивные разработки в изучаемой области проводятся в США, Великобритании. В других промышленно развитых странах также ведутся некоторые разработки в исследуемой области (например, в Германии).

В РФ данная тематика находится на начальном этапе.

Рассматривая разработки, зарегистрированные в США, следует отметить, что в стране проводятся широкомасштабные исследования в области системы контроля деформированного состояния вращающихся элементов с помощью датчиков и организации канала передачи данных. Среди фирм-патентообладателей следует отметить Boeing c патентом (US2017203838 [1]), Sikorsky Aircraft corp. (W02019066800 [2], US2013092786 [3], US9482595 [4], W02015191144 [5], US2013304400 [6], US2010219987 [7], US2013274989 [8], US6693548 [9]), имеющих целый ряд запатентованных разработок.

В Российской Федерации зарегистрирован один патент на устройство для контроля деформированного состояния на вращающихся элементах с помощью датчиков (RU2013135204А [10]).

Схожие разработки ведутся также в Великобритании (GB2464929 [11]), Китае (CN103344432 [12], CN103693211 [13]) и ряде других стран.

Помимо патентов обнаружено большое количество публикаций, которые описывают разработки в области схожих систем. Отдельно стоит отметить публикации, касающиеся применения радиоканала и способа передачи данных с движущихся частей лётной техники [14, 15, 16, 17, 18].

Особняком стоит система HUMS (англ. Health and Usage Monitoring Systems) [19], которая на протяжении 20 лет устанавливается на серийные образцы лётной техники. HUMS - бортовые системы контроля и диагностики, включающие в себя комплекс диагностических систем, следящих в режиме реального времени за состоянием деталей и принципиальных узлов воздушных судов. Благодаря HUMS производители лётной техники ведут регистрацию эксплуатационных данных в режиме реального времени, что позволяет производить обслуживание по реальному состоянию детали. Подобная возможность позволяет достичь

положительного эффекта как в безопасности эксплуатантов лётной техники, так и в экономике предприятий производителей.

Как было сказано ранее, в РФ подобные системы и, в целом, подобный подход только начинает развиваться. Уже сейчас ведётся большое количество НИОКР для создания отечественного аналога HUMS и внедрения подобных систем в серийные образцы летательных аппаратов. Наиболее далеко в этом вопросе продвинулось АО «Вертолёты России», которое поставило задачу своим конструкторским бюро (КБ) к 2020 году провести лётные испытания для апробации эффективности систем. По итогам испытаний будет принято решение о присвоении литеры «О1» и включении системы как штатной для определённых типов вертолётов.

Основная сложность разработки подобной системы для вертолёта представляет тот факт, что большое количество технически важных узлов располагается на вращающейся части воздушного судна - колонке несущего винта (НВ). Пристального внимания требуют такие детали, как: ползуны, качалки, тяги управления, лопасти и т.д. На рисунке 1 приведён вид колонки соосной схемы винта, демонстрирующий загрузку колонки НВ механизмами, требующими контроля целостности и ресурса.

Несмотря на большое количество предложенных научно-технических решений, отсутствует комплексная система диагностики деталей и узлов колонки НВ вертолёта.

В данной диссертационной работе приводится новый подход к построению систем передачи мониторинговой информации с колонки НВ.

Рисунок 1 - Колонка НВ

Цель исследования

Разработка принципов и создание облика цельной системы передачи мониторинговой информации о состоянии деталей и узлов движущихся частей вертолёта для контроля ресурсных характеристик. Задачи диссертационного исследования

1. Исследование радиоканала «колонка НВ - фюзеляж вертолёта».

2. Выработка предложений по использованию частотного диапазона канала «колонка НВ - фюзеляж вертолёта» для всей разрабатываемой вертолётной техники в РФ.

3. Выработка научно-технических предложений по организации антенного тракта для приёмной и передающей части радиоканала «колонка НВ - фюзеляж вертолёта».

4. Выработка предложений по организации форматов передачи и функционирования системы в целом.

5. Аналитическая и экспериментальная оценка скорости и достоверности передачи информации в канале.

Научная новизна

1. Впервые предложена цельная система передачи мониторинговой информации с движущихся частей вертолёта, которая подходит для всей линейки вертолётной техники, разрабатываемой в РФ.

2. Предложена математическая и программная модель системы передачи «колонка НВ - фюзеляж вертолёта».

3. Впервые предложена организация разнесённого (сдвоенного) приёма в локальном радиоканале вертолёта.

4. Впервые предложено использование несколько антенн на колонке НВ при передаче для нивелирования эффекта радиотени от лопастей и конструкций колонки.

5. Впервые предложено использование алгоритм наискорейшего спуска со сглаживанием шумовой оценки градиента для адаптивной фильтрации сигнала на приёмном конце в вертолёте.

6. Впервые предложена модификация беспроводного интерфейса IEEE 802.11 для организации локального канала передачи на вертолёте.

Практическая значимость

1. Создание цельной системы передачи мониторинговой информации, которая подходит для всей линейки вертолётной техники, разрабатываемой в РФ.

2. Разработка подхода, позволяющего отказаться от контактной передачи информационных сигналов на колонку НВ, что позволяют увеличить количество линий информационного обмена.

3. Практическая значимость исследований доказывается внедрением материалов диссертации на этапе технического проекта составной части опытно-конструкторской работы в АО «Камов» и ООО НИЦ «ИРТ».

Положения, выносимые на защиту

1. Применение радиоканала для передачи мониторинговой информации позволяет отказаться от контактного метода передачи информации на колонку НВ для всей вертолётной техники, производимой в РФ.

2. Радиоканал «колонка НВ - фюзеляж вертолёта» обладает сложной структурой, вызванной множественными переотражениями при распространении, что требует специальных аппаратно-программных методов коррекции в линии связи:

• разнесённый приём;

• адаптивная фильтрация;

• уплотнения сеансов связи.

3. Алгоритм адаптивного приёма информации в канале «колонка НВ -фюзеляж вертолёта» позволяет проводить коррекцию сигнала с учётом частоты вращения винта вертолёта.

4. Использование нескольких передающих антенн на колонке НВ и двух приёмных на фюзеляже в канале связи позволяет нивелировать радиотень, вызванную лопастями и движением передатчика.

Апробация

1. Международная конференция «РадиоИнфоКом» (Москва, 2015 г.).

2. Международная конференция «РадиоИнфоКом» (Москва, 2017 г.).

3. Международная конференция «РадиоИнфоКом» (Москва, 2019 г.).

4. Международная конференция «Системы компьютерной математики» (Смоленск, 2015 г.).

5. Международная конференция «Системы компьютерной математики» (Смоленск, 2016 г.).

6. Международная конференция «Системы компьютерной математики» (Смоленск, 2017 г.).

7. Международная конференция «Системы компьютерной математики» (Смоленск, 2018 г.).

Публикации по теме диссертации

Всего по теме диссертации опубликовано 9 статей, из них:

• 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ;

• 5 статей в периодических научно-технических изданиях;

• 2 статье в иностранных журналах, индексируемых в международной научной базе данных «Scopus».

Методы исследования

Использованы методы технической электродинамики, теории передачи цифровой информации, теории антенн и компьютерного моделирования.

Достоверность

Результаты моделирования канала связи не противоречат научно подтверждённым фактам и физическим представлениям.

В предельных случаях исследования приходят к известным результатам.

Подтверждается результатами математического моделирования всей системы передачи и её отдельных частей.

Работы по написанию данной диссертации проводилась при финансовой поддержке Минобранауки России (соглашение о предоставлении субсидии № 14.579.21.0150, идентификационный номер проекта RFMEFI57917X0150).

Соответствие паспорту специальности

Область научного исследования соответствует пунктам № 6 «Исследование и разработка радиотехнических систем и устройств передачи информации, в том числе радиорелейных и телеметрических, с целью повышения их пропускной способности и помехозащищенности» и № 8 «Создание теории синтеза и анализа, а также методов моделирования радиоэлектронных устройств» паспорта специальности 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения. По совокупности представленных решений и основных положений диссертационная работы соответствует технической отрасли науки.

ГЛАВА 1. Система сбора мониторинговой информации с движущихся частей вертолёта

Введение

В первой главе будет описан принцип организации системы сбора мониторинговой информации с движущихся частей вертолёта.

Описание принципа позволит установить требования к пропускной способности канал и достоверности передачи.

1.1 Описание принципов построения системы диагностики

Для формулировки задач, решаемых в диссертационной работе в целом, имеет смысл отдельно описать состав системы диагностики, в которую входит канал передачи информации. Это позволит провести оценку информационного объёма канала передачи и определить основные научно-технические проблемы системы.

Любая система диагностики состоит из первичного и вторичного преобразователей информации.

1.1.1 Первичный преобразователь

Первичным преобразователем в разрабатываемой системе является волоконно-оптический датчик (ВОД) на базе решёток Брэгга.

В настоящее время датчики на волоконных брэгговских решётках (ВБР) широко применяются для мониторинга различных внешних воздействий на детали зданий и сооружений, авиационные конструкции и др. [20].

Принцип работы ВБР основывается на обратном отражении проходящего через неё света на брэгговской длине волны, которая зависит от периода записанной решётки и эффективного показателя преломления [21]. Оба эти параметра линейно зависят от изменений температуры и деформации, которые

воздействую на волокно. Отслеживание в спектральной области данных брэгговской длины волны решётки позволяет реализовать датчики внешних воздействий, такие как датчики температуры и деформации [22]. Схематично ВБР представлена на рисунке 2, где показана периодическая структуру решётки Брэгга, являющаяся чувствительным элементом, которая претерпевает растяжение (сжатие) при условии внешних воздействий: деформация, температура.

Рисунок 2 - Вид ВБР

Измерение деформаций и температуры в критических точках различных конструкций как строительных, так и авиационных, является важным элементом мониторинга их состояния. Применение датчиков на основе ВБР [23] в данном случае имеет ряд преимуществ перед датчиками, основанными на тензо- или пьезоэффектах.

❖ малые габариты;

❖ отсутствие чувствительности к электромагнитным помехам;

❖ высокая стойкость к агрессивным средам;

❖ высокая чувствительность.

1.1.2 Вторичный преобразователь

Вторичный преобразователь - устройство сбора первичной информации и преобразования её в вид удобный для дальнейшей работы с ней.

и

ЧудстЁительный элемент_

Волоконная Врэггобская решетка

В разрабатываемой системе вторичным преобразователем является некий функциональный блок, который проводит опрос, сбор, обработку и передачу информации от первичного преобразователя.

Основная задача вторичного преобразователя в данной системе - перевод оптической информации в цифровой вид для последующей обработки [24]. Для этого собирается оптико-электронная схема. На рисунке 3 приведена схема, предназначенная для опроса одного оптического канала. При увеличении количества каналов количество схем пропорционально увеличивается.

Рисунок 3 - Схема опроса ВБР

Устройство управления и обработки, имеющее ПЛИС в качестве центрального элемента, управляет перестройкой лазера (например, VCSEL [25]), который засвечивает ВБР. Обратный оптический сигнал от ВБР регистрируется и преобразуется фотоприёмником, который отправляет информацию на устройство управления и регистрации в виде электрического сигнала.

Таким образом, происходит постоянная регистрация изменений оптического спектра обратного сигнала во времени, в зависимости от этого можно сделать выводы об изменении физических параметров контролируемой точки (детали, конструкции).

В зависимости от количества каналов и назначения вид вторичного преобразователя может меняться.

1.2 Постановка задачи

Исходя из задачи регистрации мониторинговой инфомрации на колонке НВ, встаёт вопрос о передаче информации в накопитель, находящийся внутри фюзеляжа вертолёта. Есть два принципиальных подхода:

1. Передача информации по каналам токосъёмника. В идеальном варианте это было бы отличным решением, но, так как задача, в том числе, стоит оснастить системой уже существующие виды вертолётов, то приходится принять тот факт, что все сигнальные шпильки токосъёмника уже заняты штатными системами, такими как система отстрела лопастей, система обогрева лопастей и т.д.

2. Создание локального радиоканала в рамках вертолёта для передачи информации в режиме реального времени. Данное решение отлично подходит для вертолётов, так как снимается вопрос адаптации системы под каждый тип вертолёта в части передачи информации.

В данной главе будет описан принцип создание радиоканала для передачи мониторинговой информации с колонки НВ в режиме реального времени.

Данная система разрабатывается применительно к вертолётам марки Ка, производства АО «Камов», для отработки технических принципов, что позволит в дальнейшем упростить адаптацию системы на других вертолётах.

1.3 Укрупнённый алгоритм работы системы диагностики

Общий алгоритм работы системы передачи информации о напряжённо-деформированном состоянии деталей и агрегатов колонки НВ приведён ниже на рисунке 4.

Рисунок 4 - Блок-схема общего алгоритма работы системы

Частоты съёма данных с датчиков закладывается равной не менее 500 Гц.

Это требуется для апостериорной наземной обработки данных. По данным с каждого датчика строятся графики зависимости деформации от времени, которые подвергаются спектральному анализу для выявления регулярных составляющих в спектре деформаций и оценки влияния той или иной составляющей на жизненный

цикл и состояния детали колонки. Высокая частота съёма данных позволяет с большим разрешением проводить послеполётный анализ. Более детальный расчёт требуемой скорости передачи информации приведён в следующей главе.

1.4 Оценка пропускной способности канала с колонки НВ и достоверности передачи

Требования по количеству информации, проходящей через каждый подканал, предъявляется исходя из потребности обработки информации, а именно частоты опроса датчиков Fonp не менее 500 Гц. Требование именно такой частоты определяется дальнейшей спектральной обработкой полученных результатов, где требуется ширина полосы не менее 200 Гц, что объясняется возможным резонансными частотами деталей и узлов на колонке НВ.

В соответствии с количеством блоков (4 шт. на винт) и количеством опрашиваемых датчиков каждым блоком (не более 16 шт.) общее количество каналов информации пканалов = 64 шт., где под каналом понимается информация с одного датчика.

Передаваемую телеметрическую информацию допускается представлять 16-разрядными отсчётами, при этом погрешность квантования информации оказывается вполне удовлетворительной. Этот вопрос вполне исследован и не является предметом изучения настоящей работы.

Исходя из вышеприведённых данных, несложно подсчитать минимально возможную скорость передаваемой информации, приходящийся на один подканал системы связи с учётом необходимого объёма.

бит

Мканал = Пеналов * ^ бит * ^р = 512 000— « 0,5 Мбит/с

Стандарт IEEE 802.11 поддерживает пакетный обмен данными, в связи с чем, добавляется избыточность для контроля подлинности пакетов и сервисных команд. С учётом избыточности на один подканал передачи приходится М2х каналов = 1 Мбит/с. Тогда, полный объём информации при передаче в условиях нормальной работы Мобщее = 2 Мбит/с.

Из расположения на колонке НВ соосной схемы винтов следует, что причинами перекрытия линии прямой видимости от передающей антенны до приёмной будет выступать нижний винт, так как блоки расположены над ним, а также сама колонка НВ, периодически перекрывающая эту линию при вращении НВ.

Перекрытие лопастями обуславливается тем, что материал, из которого изготавливаются лопасти, - карбон (углеродное волокно). Известно, что в зависимости от марки и структуры волокна данный материал может иметь удельное объёмное электрическое сопротивление от 210-3 до 106 Ом/см.

Частоты вращения винтов /вр могут находиться в диапазоне 3.. .5 Гц [26] в зависимости от типа вертолёта. Для проведения аналитической оценки был взят худший случай - 5 Гц, так как чем чаще вращается винт, тем чаще происходят перекрытия.

С учётом расположения передающей части, которая вращается с частотой, аналогичной /Вр, выходит, что время нахождения в «слепой» зоне относительно приёмной части составляет примерно половину. Так как изначально предложен вариант оценки худшего случая, то не будем учитывать возможность передачи данных по задним лепесткам ДН передающих антенн, возьмём только условие прямой видимости.

В аналитическом расчёте будет учтено два случая оценки:

> передающий блок под винтом (отсутствие перекрытия лопастями, аналог классической схемы колонки НВ);

> передающий блок над винтом (с учётом перекрытия лопастями).

Для лучшей иллюстрации поведения сигнала на приёмном конце на рисунке 5 приведена зависимость амплитуда огибающей тестового сигнала от времени при постоянном вращении.

Рисунок 5 - График изменения амплитуды от времени на приёмном конце Время видимости сигнала на приёмном конце - твид. Для подсчёта твид для общего случая возьмём формулу:

к

Лвид

т = -—

^ вид г >

Увр

(1)

где ^вид - коэффициент видимости, который показывает долю времени, в которой передатчик и приёмник находятся в условиях прямой видимости.

К =

Лвид 360° '

(2)

где - угол, при котором передатчик и приёмник находятся в условии прямой видимости (рисунок 6).

Рисунок 6 - Угол прямой видимости В условии расположения винта под винтом вертолёта выходит:

^вид = 0,5

Это связано с тем, что помехой прямой видимости будет выступать только расположение блока с тыльной стороны колонки НВ (рисунок 7).

- место расположения переЭоющей части место расположения приемной части

Рисунок 7 - Условие перекрытия прямой видимости колонкой НВ

При условии /вр = 5 Гц, получается твид = 0,1 с.

В условии расположении блока над винтом (рисунок 8) время нахождения в прямой видимости будет меняться исходя из количества винтов.

Рисунок 8 - Перекрытие прямой видимости лопастями Угол видимости будет рассчитываться:

^вид = — , (4)

где п - количество винтов.

У современных вертолётов:

п= 3 ... 8 (5)

Тогда, исходя из формулы 2, получим:

1 360°

К = - • --(6)

Лвид 360° п

1

*вид = - (7)

Основываясь на полученных данных, следует скорректировать расчёт пропускной способности канала.

Очевидно, что в случае вращения колонки НВ с передатчиком связь будет устанавливаться в условиях прямой видимости, что, исходя из расчёта, составляет не более 50% от общего времени работы:

^вид < 0,5 (8)

Для оптимизации условий передачи и приёма информации предлагается программно реализовать схему, которая будет устанавливать сеансы связи по превышению порога амплитуд (ЭДС в антенне) на приёмном конце (рисунок 9).

Рисунок 9 - Схема оптимизации условий приёма

В предложенном варианте объём передаваемой информации, требуемой для передачи за время твид, рассчитывается исходя из формулы (9).

N = ^вид К

рас

вид

бит

(9)

где Мвид - объём информации, которые нужно передавать за т

вид

%ас - расчётный объём информации, требуемый для передачи.

Как следует из формулы, объём информации будет увеличен, что важно учесть при подборе интерфейса передачи.

Учитывая объём, требуемый для исследуемой системы (более подробно будет описан в следующих главах), получим, что в условии передачи информации с нижнего винта (перекрытие винтами):

п = 3

1

3

Яввд = - « 0,33

(10)

%ас = 0,5

Мбит

с

с

Мбит

0,5

^ = 0,33 * 1'52

Для верхнего винта (отсутствие перекрытия):

^вид - 0,5

%ас - 0,5

Мбит

^ (11) Мбит

^вв - 05 - 1 ' вид 0,5 1

Из характеристик выбранного стандарта [27], следует, что объём информации возможен для передачи.

В дальнейшем можно отказаться от амплитудного детектора, запускающего сеансы связи, а синхронизировать приёмник и передатчик при помощи привязки к данным об актуальной частоте вращения.

При оценке достоверности передачи в канале принимается достаточным значение БЕЯ = 10-4, что считается хорошим значением для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок (перемежение, кодирование). В части передачи телеметрических данных подобного значения битовой ошибки необходимо и достаточно.

Выводы по главе

В данной главе намечены основные требования и принципы построения системы передачи мониторинговой информации на примере укрупнённого алгоритма.

Основные научно-практические выводы:

1. Приведён алгоритм работы системы, который позволяет провести оценку требований в части организации канала передачи.

2. Проведена оценка пропускной способности канала в условиях расположения передатчика на движущейся части колонки НВ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Викулов Виктор Михайлович, 2021 год

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Патент № US2017203838, 19.01.2016. Rotorcraft and associated rotor blade position monitoring system and method // Патент США №2 US 15000179. 2016. / BOEING CO.

2. Патент № W02019066800, 27.09.2017. Use of fiber optic strain sensors to monitor fastener damage in structures // Патент США № US2017053666, 2017. / SIKORSKY AIRCRAFT CORPORATION.

3. Патент № US2013092786, 13.10.2011. Interferometric strain field sensor system for measuring rotor state // Патент США № US2013092786, 2011. / SIKORSKY AIRCRAFT CORPORATION.

4. Патент № US9482595, 05.02.2014. Rotor state sensor system // Патент США № US1414173374, 2014. / SIKORSKY AIRCRAFT CORPORATION.

5. Патент № WO2015191144, 02.04.2014. Rotor wireless load and motion monitoring sensor network // Патент США № US201461974124P, 2014. / SIKORSKY AIRCRAFT CORPORATION.

6. Патент № US2013304400, 10.05.2012. System and method of determining rotor loads and motion // Патент № US201213468698, 2012. / SIKORSKY AIRCRAFT CORP.

7. Патент № US2010219987, 28.02.2010. Rotor system health monitoring using shaft load measurements and virtual monitoring of loads // Патент США № US20100714527, 2010. / SIKORSKY AIRCRAFT CORP.

8. Патент № US2013274989, 22.06.2011. Method and system for detecting pushrod faults // Патент США № US13805719, 2011. / SIKORSKY AIRCRAFT CORP.

9. Патент №2 US6693548, 08.08.2001. Structural monitoring system for helicopter rotor components // Патент США № US20010924909, 2001. / SIKORSKY AIRCRAFT CORP.

10.Патент № RU2013135204A, 29.07.2013. Система контроля технического состояния конструкций летательного аппарата // Патент РФ № RU20130135204, 2013. / ООО НИЦ "ИРТ".

11.Патент № GB2464929, 29.10.2008. Measuring strain on a helicopter rotor blade using multiple sensors // Патент Великобритании №2 GB0819777, 2008. / INSENSYS LTD.

12.Патент № CN103344432, 04.06.2013. Method for detecting fiber Bragg grating acoustic emission of helicopter bearing fault // Патент Китай № CN2013102195673А, 2013. / AVIAT ACADEMY OF PLA UNIV BEIHANG.

13.Патент № CN103693211, 25.12.2013. test method for helicopter rotating part signal and wireless collecting device therefor // Патент Китай № CN20131724310, 2013. / BEIJING AEROSPACE MEASUREMENT & CONTROL TECHNOLOGY CO LTD.

14. S. Gao. Airborne wireless sensor networks for airplane monitoring system / X. D., Y. Hang, Y. Guo, Qian Ji // Wireless Communications and Mobile Computing. - 2018. - С. 1 - 18.

15. C. Sbarufatti. Application of structural health monitoring over a critical helicopter fuselage component / A. Manes, M. Giglio, U. Mariani, R. Molinaro // 2nd International HELI World Conference 2010.

16. A. S. Ramirez, R. Loendersloot, T. Tinga. Helicopter rotor blade monitoring using autonomous wireless sensor network // Proceedings of The Tenth International Conference on Condition Monitoring and Machinery Failure Prevention Technologies - CM/MFPT 2013. - 2013. - С. 775 - 782.

17.E. Mendoza. Energy harvesting, wireless fiber optic sensor (WiFOS™) structural health monitor system for helicopter rotors / C. Kempen, Y. Esterkin, S. Sun // AIAC16 Sixteenth Australian International Aerospace Congress. -2014.

18. A. Mironov. Structural health monitoring of rotating blades on helicopters / P. Doronkin, A. Priklonsky, I. Kabashkin // AVIATION. - 2016. - № 20(3). - С. 110 - 112.

19.Health and Usage Monitoring Systems (HUMS) Toolkit. - International Helicopter Safety Team (IHST), 2013. - 50 с.

20. A. Othonos, K. Kalli. Fiber Bragg Gratings: Fundamentals and Applications in Telecommunications and Sensing. USA: Artech House Print on Demand, 1999. - 433 p.

21.С.В. Варжель. Волоконные брэгговские решётки. - СПб: Университет ИТМО, 2015. - 65 с.

22.Ю.В. Гуляев, С.А. Никитов, В.Т. Потапов, Ю.К. Чаморовский. Волоконно-оптические технологии, устройства, датчики и системы // Спецвыпуск «ФОТОН-ЭКСПРЕСС». - 2005. - №6. - С. 114-127.

23.L.A. Delov, V.M. Vikulov, M.Y. Gavrikov, N. L. Lvov, S.S. Khabarov. Research of data processing algorithms from fiber optic sensors // International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE). Volume-9 Issue-1S, November 2019 - 456-461 cc.

24. V.M. Vikulov, A.V. Todorov, A.V. Faustov, N.L. Lvov. Selection of the optimal FBG length for use in stress-strain state diagnostic systems // Civil Engineering Journal (C.E.J). - Issue #12, Vol. 5, December 2019 - 2700-2707 cc.

25.F. Koyama. Recent Advances of VCSEL Photonics // Journal of Lightwave Technology, 2006. - № 24(12). - с. 4502 - 4513.

26. Конструкция вертолётов: Учебник для авиационных техникумов / Ю. С. Богданов, Р. А. Михеев, Д. Д. Скулков. — М.: Машиностроение, 1990. — 272 с.

27.M. Gast. 802.11 Wireless Networks: The Definitive Guide, Second Edition -O'Reilly Media, Inc., 2005. - 630 с.

28.Вишневский В. М., Ляхов А. И., Портной С. Л., Шахнович И. Л., Широкополосные беспроводные сети передачи информации. - М.: Техносфера, 2005.

29. Rice M, Jensen M. Wideband Multipath Propagation for Helicopter-to-Ground Telemetry Links // Defense Technical Information Center, 2011.

30.А. Гилат. MATLAB. Теория и практика. - М.: ДМК Пресс, 2016. - 416 с.

31. Джиган В.И. Адаптивная фильтрация сигналов: теория и алгоритмы. - М. : Техносфера, 2013. - 528 с.

32.Парамонов А.А. Методы приёма дискретных сигналов с взаимной связью между символами: диссертация доктора технических наук. Московский институт радиотехники, электроники и автоматики, Москва, 1993 г.

33.Скляр Б. // Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Пер. с англ. Второе издание. — М.: Изд. Дом "Вильямс", 2003. — 1104 c.

34.Проксс Дж. Цифровая связь. М.: Радио и связь, 2000. - 800 с.

35.Ипатов В.П. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов, М.: Техносфера, 2007. - 488 стр.

36.Шахнович И. В. Современные технологии беспроводной связи. Издание второе, исправленное и дополненное - М.: Техносфера, 2006. - 288 стр.

37. S. Maniktala. Power Over Ethernet Interoperability Guide. - McGraw Hill Professional, 2013. - c. 480.

38.C. A. Balanis. Modern antenna handbook. - John Wiley & Sons, Inc., 2008. -с. 1704.

39.T.A. Milligan // Modern antenna design. - 2nd ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2005.

40.A. Ittipiboon, I. Bahl, P. Bhartia, R. Garg // Microstrip Antenna Design Handbook. Morwood: Artech House, Inc, 2000 - 845 c.

41.Forouzan, B.A. TCP/IP: Protocol Suite, 1st ed. - New Delhi, India: Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, 2000. - с. 979.

42.Патент № US007664872B2, 16.02.2010. Media transfer protocol // Патент США № US7664872B2, 2010. / DIVX, Inc.

43.В. М. Викулов, А. А. Парамонов. Система передачи мониторинговой информации с винта вертолёта. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2019. № 10. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/oct19/9/text.pdf DOI 10.30898/1684-1719.2019.10.9

44.В.М. Викулов. Организация радиоканала передачи данных с винта вертолёта. Сборник научных статей по материалам IV Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» («Радиоинфоком-2019»), г. Москва, РТУ МИРЭА: сборник научных статей. - М.: МИРЭА - Российский технологический университет, 2019. - с. 70-73

45. T. A. Milligan. Modern antenna design. Second Edition. - A John Wiley & Sons, INC., 2005. - c. 614.

46.Банков С.Е., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств и антенн с Ansoft HFSS. - М., 2009. - с. 736.

47.Банков С.Е., Курушин А.А. Расчет антенн и СВЧ структур с помощью HFSS Ansoft - М, ЗАО «НПП «РОДНИК», 2009, 256 с.

48.Викулов В.М., Парамонов А.А. Модель коммуникационного компонента внутриофисной сети // Системы компьютерной математики и их приложения. Материалы XVIII международной научной конференции. Смоленск, - 2017. Выпуск 18, с. 5-7.

49.Викулов В.М., Парамонов А.А. Электродинамическое моделирование антенных систем для интернета вещей // Системы компьютерной математики и их приложения. Материалы XVIV международной научной конференции. Смоленск, - 2018. Выпуск 19, с. 22-28.

50.Викулов В.М., Парамонов А.А. Теоретическое и экспериментальное исследование электромагнитного излучения печатных проводников // СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем». Часть I. М. - 2017. с. 162-168.

51.Костин М.С., Викулов В.М., Тамбовский С.С. Формовременная динамика субнаносекундных радиоимпульсов при распространении в гетерогенных средах // Радиотехника и электроника, 2019. М. Том 64, №2, с. 116-123.

52. Костин М.С., Викулов В.М., Парамонов А.А. Побочные электромагнитные излучения цифровых систем в режиме импульсного возбуждения коннекторных элементов печатной топологии // Радиотехника и электроника, 2019. М. Том 64, №2, с. 123-127.

53.Никольский В. В. Электродинамика и распространение радиоволн: учебное пособие для вузов / В. В. Никольский, Т. И. Никольская. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1989. - 544 с.

54.Никольский В. В. Антенны: учеб. пособие / В. В. Никольский. - М.: Связь, 1966. - 368 с.

55.Технологии в производстве электроники. Часть III. Гибкие печатные платы / Под общ. ред. А.М. Медведева и Г.В. Мылова - М.: «Группа ИДТ», 2008. - 488 с.

56.B. Mielczarek, W. Krzymien. Flexible channel feedback quantization in multiple antenna systems // IEEE 61st Vehicular Technology Conference, Stockholm, 2005. - 620-624 сс. Vol. 1.

57.Marzetta, T., Larsson, E., Yang, H., Ngo, H. Fundamentals of Massive MIMO. Cambridge: Cambridge University Press, 2016. - 220 с.

Приложение А

А.1 Текст программы моделирования частотного отклика при многолучевом распространении канала 2.4 ГГц

clear all; clc;

Fd = 1e12; %частоты дискретизации T = 0:1/Fd:1e-7;

FftL = 2Л18; %количество линий Фурье

N_scale = 64; %коэффициент масштабирования спектра, кратен 2лп PulseWidth = 1e-10;

t_main = 33e-9;

t_ch1 = 35e-9; %луч от лопасти A_ch1 = 0.2;

t_ch2 = 47e-9; %луч от вертикального стабилизатора

A_ch2 = 0.4; t_ch3 = 4 0e-9; %луч от поверхности фюзеляжа A_ch3 = 0.8;

pulse = rectpuls(T - t_main, PulseWidth) + A_ch1*rectpuls(T - t_ch1, PulseWidth) + A_ch2*rectpuls(T - t_ch2, PulseWidth) + A_ch3*rectpuls(T - t_ch3, PulseWidth); %pulse = rectpuls(T - t_main, PulseWidth);

figure;

plot(T, pulse, 'r' grid on;

title('Импульсное воздействие при многолучёвости'); xlabel('t, с'); ylabel('S(t)');

fft_pulse = fft(pulse, FftL);

fft_pulse = 2*fft_pulse./FftL; %нормировка БПФ fft_pulse(1) = fft_pulse(1)/2;

F1 = 0:Fd/FftL:Fd/2 - 1/FftL;

figure;

subplot(2,1,1), plot(F1(1:length(Fl)/N_scale), abs(fft_pulse(1:length(F1)/N_scale)) , 'r') grid on;

title('Частотный отклик'); xlabel('f, Гц'); ylabel('S(f)'); axis([2e9 3e9 0 2e-3]); subplot(2,1,2), plot(F1(1:length(F1)/N_scale), abs(fft_pulse(1:length(F1)/N_scale)) , 'r') grid on;

title('Частотный отклик в окрестности несущей частоты');

xlabel('f, Гц');

ylabel('S(f)');

axis([2.4e9 2.5e9 0 2e-3]);

А.2 Текст программы моделирования частотного отклика при многолучевом распространении канала 5 ГГц

clear all; clc;

Fd = 1e12; %частоты дискретизации T = 0:1/Fd:1e-7;

FftL = 2Л18; %количество линий Фурье

N_scale = 64; %коэффициент масштабирования спектра, кратен 2лп PulseWidth = 1e-10;

t_main = 33e-9;

t ch1 = 35e-9; %луч от лопасти

A_ch1 = 0 t_ch2 = 47e-9 A_ch2 = 0 t_ch3 = 40e-9 A_ch3 = 0

pulse = rectpuls(T - t_main, PulseWidth) + A_ch1*rectpuls(T - t_ch1, PulseWidth) + A_ch2*rectpuls(T - t_ch2, PulseWidth) + A_ch3*rectpuls(T - t_ch3, PulseWidth); %pulse = rectpuls(T - t_main, PulseWidth);

figure;

plot (T, pulse, 'r' grid on;

title('Импульсное воздействие при многолучёвости'); xlabel('t, с'); ylabel('S(t)');

fft_pulse = fft(pulse, FftL);

fft_pulse = 2*fft_pulse./FftL; %нормировка БПФ fft_pulse(1) = fft_pulse(1)/2;

F1 = 0:Fd/FftL:Fd/2 - 1/FftL;

figure;

plot(F1(1:length(F1)/N_scale), abs(fft_pulse(1:length(F1)/N_scale)), 'r') grid on; title('АЧХ'); xlabel('f, Гц'); ylabel('S(f)');

axis([5.17e9 5.9e9 0 1.5e-3]);

%луч от вертикального стабилизатора 4;

%луч от поверхности фюзеляжа 8;

Приложение Б

Б.1 Акт внедрения в работы ООО НИЦ «ИРТ»

Б.2 Акт внедрения в работы АО «Камов»

КАМОВ

ХОЛДИНГ ВЕРТОЛЕТЫ РОССИИ

Акционерное общество «Камов»

рп. Томилино, городской округ Люберцы Московская обл.

АКТ

о внедрении материалов диссертационного исследования Викулова

Комиссия в составе:

Директора программы «Вертолеты ВМФ» - P.M. Гаджиева; Главного конструктора - С.И. Пыжова;

Главного специалиста КБ-6.5 по средствам бортовых измерений - Ю.М. Румянцева,

рассмотрела материалы диссертационной работы Викулова В.М. «Система передачи мониторинговой информации с винта вертолёта» и установила, что результаты теоретических и экспериментальных исследований в области организации радиоканала с движущейся части колонки несущего винта вертолёта, применялись при разработке «Бортовой системы контроля технического состояния агрегатов колонки несущего винта вертолета» в рамках ОКР «Минога», на этапе технического проекта выполненного АО «Камов» по Государственному контракту

№1619187323071452209000431 от 15.12.2016г. в интересах Минобороны

Виктора Михайловича в ОКР «Минога»

России.

Директор программы «Вертолеты ВМФ»

Главный специалист КБ-6.5

Главный конструктор