飞机燃油测量传感器优化布局技术

２ ）求 传感 器 最 低 油 平 面 与 地 面坐 标 系 轴 的交点 ， 按 交点 位 置从 低 到高 依 次 将 传感 器 重 新 编 号为 １ ， ２ ， …， ｎ ， ｎ为 传 感 器 数 量 ， 如图 １ ０（ ｂ ）
所示．
百
读取 燃 油实体 模 型及 传感 器位 置
摘
要 ：实 时、 准 确 地测 量 出飞机 各 油箱 的剩余 油量 ， 对 飞机 飞行 安 全 十分 重 要． 为
了提高 飞机 燃 油 的测 量精 度 ， 设 计 了一种基 于 粒 子群 算 法 （ Ｐ Ｓ Ｏ） 的燃 油 测量 传 感器 优 化 布 局
方法． 首先 ， 引入 燃 油实体 的概 念 ， 建 立 了某 机 翼 复 杂、 带 隔 断 多腔 油 箱 Ｃ Ａ Ｄ模 型及 箱 内燃 油
２ ０ ３ ９
区域 即 为 对 应 传 感 器 的 测 量 范 围 ， 如图 １ ０（ ａ ）
所示．
油可 测 区数值 ， 然后 再取 它们 的最 小值 ． 本文 基于
Ｕ Ｇ软件 的二次 开发 实 现 了对 油 箱 最 大 燃 油 可测 区数 值 的计算 ， 具体 的计 算 流程如 图 １ １所示 ．
区数 值 ． 优化 布局 过程 中 ， 计 算 油 箱 最 大燃 油 可 测 区
如果检查 燃油 测量 连续 ， 则 最 终 可 得 一 根
由所 有 传 感 器 合 并 而 成 的 虚 拟 传 感 器 ， 此 传 感
器 对 应 的最 高 油 平 面 和最 低 油 平 面 即 为 此 姿 态
国 内在 飞 机燃油 传感 器优 化 布局技 术上 主要
针 对 的是军 用 飞机 ， 主 要 有 ３种 方 法 ： 第 １ 种 采 用
量传 感 器优化 算法 ， 可 以实 现多 根传感 器 的布局 ，
在保 证 飞行姿 态 变 化 时燃 油测 量 连 续 的 情况 下 ，
的是 实体 剖分 法 ； 第 ２种采 用 多 次 计 算 优化 目
求各 姿态 下 的最 大燃油 可测 区数 值 的最小值
亚
Ｉ 竺
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图１ １ 油 箱 最 大 燃 油 可 测 区数 值 计 算 流 程 图
Ｆｉ ｇ ． １ １ Ｆ ｌ ｏ ｗｃ ｈ ａ ｒ ｔ ｏ ｆ ｃ ａ ｌ ｃ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｍａ ｘ ｉ ｍｕ ｍ ｍｅ ａ ｓ ｕｒ ａ ｂ ｌ ｅ ｆ ｕ ｅ ｌ ａ ｒ ｅ ａ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ
２ ０ １ ５年 １ １ 月
北 京 航 空 航 天 大 学 学 报
Ｎｏ ｖ ｅ ｍｂｅ ｒ ２ ０１ ５
第４ １ 卷 第１ １ 期
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ａ ｓ ｔ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ
遗传 算法 对传 感器 进行 优化 布局 ．
在 国外 ， 主要 是 利用 智 能 算 法 对 传感 器 进 行
优化 布局 ， 如文献 ［ ８ ］ 开 发 了基 于 遗 传 算 法 的燃 油体 积测 量传 感 器 优 化 布局 算 法 并 申请 了专 利 ；
文献 ［ ９ － １ １ ］ 使 用 了神经 网络 的方法 来进 行燃 油体
量连 续 ， 则 先把 它们 的测 量范 围合 并 ， 用一 根编 号
求 能与 传感 器相 交 的 最高 和最 低油 平 面 ｆ 检 查连 续性 ）
为 １ ２的虚拟传感 器替代 １ 、 ２号 传 感 器， 如 图１ ０ （ Ｃ ） 所示． 然后 ， 用同样的方法检查 １ ２号 传 感器 与３号传 感 器 的测 量 范 围 是 否 有 交 集 ， 当 传 感器 数量 ｎ大于 ３时也 采 用 这 种 方 法 ， 直 到所 有
Leabharlann Baidu
目标进 行传 感器 优 化布 局 ； 最后， 引入 可设置 边 界 距 离 因子 （ Ｂ Ｄ Ｆ ） ， 解 决 了传 感 器 布 局 时 与油
箱壁 距 离过近 的 问题． 结 果表 明， 该 方 法实现 了 多根 燃 油 传感 器 的布 局 ， 可 以不 受油 箱形 状 和
大小 的 限制 ， 有 效避 开 了油 箱 内部 的 干涉 区域 ， 保 证 不 同飞 行姿 态 下 油 量测 量 的连 续性 ， 并 使
飞 机 燃 油 测 量 传 感 器 优 化 布 局 技 术
袁 梅 “一，何 一 强 ，董 韶 鹏 ，牛 奔
（ １ ．北 京 航 空 航 天 大 学 自动 化 科 学 与 电 气 工 程 学 院 ， 北京 １ ０ ０ １ ９ １ ； ２ ．先 进 航 空 发 动 机 协 同创 新 中心 ，北 京 １ ０ ０ １ ９ １ ３ ．北 京 航 空航 天大 学 航 空科 学 与技 术 国家 实 验 室 ，北 京 １ ０ ０ １ ９ １ ）
传感 器都 完成 检查 和合 并 ．
机 体坐 标 系ｚ
亚
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设 置油 箱最 大燃 油 可测 区值 为０
分 别过 最低 和最 高 油 平面 切割 油箱
机 体坐 标 系ｚ
求最大燃油可测区数值 Ｉ Ｉ 以一定步长
（ 被切割 实 体中 间 部分 ）ｌ ｌ 增 加姿 态角
在 飞机 飞行 过程 中 ， 实时 、 准确 地测 量 出各个
器布 局 的边界 效 应加 以考 虑 ； 第 ３种 采 用 改进 的
油 箱 的剩余 油量 ， 对 保证 飞行 安全 十分 重要 ． 有利
于 燃油 系统 的综 合 管 理 ， 确 保 飞 机 的 重 心保 持 在 飞 机所 需要 的飞行范 围内 ， 改 善飞行 品质 … ． 燃 油测 量传 感器 优化 布局 设计 是提 高燃 油测 量 精度 的一 个重 要手 段 ． 目前 ， 飞机 油量 测量 大多
使得 燃 油 的可测 范 围达 到 较高 水 平 ， 同时 提 高 了
标 选 取 最 佳 值 的方 法
， 但 研 究 中 没 有 对 传 感
优化 布 局 的速度 和燃油 测量 的准 确性 ．
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ ． １ ２ － ０ １ ；录 用 日期 ： ２ ０ １ ４ ． １ ２ － ２ ６；网 络 出版 时 间 ： ２ ０ １ ５ ０３ － ０３ － １ Ｏ： ０ ８
３ ）先 检查 １号 传感 器 能测 到 的最 高 油 平 面
是 否 高于 ２号传 感 器 的最 低 油平 面 ， 若 是则 说 明
两根传 感 器测 量范 围有 交集 ， 测量 连续 ， 否 则判 断
初始化姿态角信息
由姿 态角 求油平 面 方 向
测量 不连 续 ， 停 止计 算 ， 并设 置油 箱 的最大 可测 区 数值 为 ０ ， 用 以表 示不 连 续． 如果 １ 、 ２号传 感 器 测
数值 占用 的运 行 时 间较 长 ， 如何 优 化 该 部 分 的程 序， 缩短 其运 行 时 间 ， 是 优化 布局 程序 的关 键 ． 本文 在 计 算 最 大 可 测 区 数 值 时 没 有 使 用 Ｕ Ｇ Ｏ Ｐ Ｅ Ｎ提 供 的 Ａ Ｐ Ｉ 函数 （ 如求线面交点） ， 因 为这
首先 ， 读取 燃油 实体 模型及 传感 器位 置 ， 根据
（ Ｃ ） 合 并 传感 器 １ 、２ （ ｄ ） 合 并传 感 器１ ２ 、３
姿 态 角 信 息 求 出 燃 油 平 面 的 法 方 向． 然 后 根 据
图１ ０ 程 序 中检 查 不连 续 方 法 示 意 图
Ｆｉ ｇ． １ ０ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｏ ｆ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ ｏ ｆ ｃ ｈ ｅ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ
内容 ， 但 关 于传感 器优 化布 局 的内容却 涉及 甚少 ． 本 文基 于三 维 实体 造 型技 术 ， 建 立 了燃 油 实
体模 型 ， 并提 出 了 一种 基 于 粒 子 群算 法 的燃 油 测
量 失 去 连 续 性 ． 这 就 要 求 传 感 器 的 布 局 要 保
证 测 量 的连续 性并尽 可 能地增 加 测量 范 围．
数 采用 电容 式 油位 传 感 器 ， 当飞 行 姿 态 发 生变 化
时， 可 能会 使得 传 感 器 全 部浸 没 在 油 中或 全部 暴 露 在 空气 中 ， 从 而感 受不 到油 面信 号 的变化 ， 使测
积计 算 ； 但这 两种算 法 都具有 运行 时 间长 、 收敛速
度慢 的问题 ． 文献 ［ １ ２ ］ 中有 关 于燃 油 系统 的设计
得飞机 燃 油 的可测 范 围达 到 较高水 平 ．
关 键 词 ：飞机 燃 油测量 ； 飞机 油 箱建模 ； 燃 油传 感器 优 化布局 ； 燃 油体 积解 算 ； 粒 子
群算法（ Ｐ Ｓ Ｏ）
中图分 类号 ： Ｔ Ｐ ２ ９ ； Ｖ ２ ２ ８ ． １
文 献标 识码 ： Ａ
文章 编号 ：１ ０ ０ １ — ５ ９ ６ ５ （ ２ ０ １ ５ ） １ １ — ２ ０ ３ ６ ． ０ ８
Ａ ｅ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ａ ｓ ｔ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ， ２ ０ １ ５， ４ １ ｆ 】 １ ）： ２ ０ ３ ６ － ２ ０ ４ ３（ ｉ ｎ Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ） ．
第１ １ 期
袁梅 ， 等： 飞 机 燃 油 测 量 传 感 器 优 化 布 局 技 术
实体模 型 ； 其次 ， 基于 Ｕ ｎ ｉ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｉ ｃ ｓ Ｎ Ｘ（ Ｕ Ｇ） 二次 开发 ， 完成 了飞 机不 同姿 态下 、 复 杂不规 则 多腔 油箱燃 油体 积 的解 算 ； 再次 ， 提 出 了飞 机 油箱 最大 燃 油可 测 区（ Ｌ ＭＲ） 的概念 ， 并 以此作 为优 化
Ｖｏ １ ． ４１ Ｎｏ ． １１
ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｂ ｈ ｘ ｂ ． ｂ ｕ ａ ａ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
ｊ ｂ ｕ ａ ａ ＠ｂ ｕ ａ ａ ． ｅ ｄ ｕ ． ａ ｎ
ＤＯＩ ：１ ０． １ ３ ７ ０ ０ ／ ｊ ． ｂ ｈ ． １ ０ ０ １ — ５ ９ ６ ５ ． ２ ０ １ ４． ０ ７ ４ ５
网 络 出版 地 址 ：Ｗ Ｗ Ｗ． ｅ ｎ ｋ ｉ ． ｎ ｅ ｔ ／ ｋ ｃ ｍ ｓ ／ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ／ １ １ ． ２ ６ ２ ５ ． Ｖ． ２ ０ １ ５ ０ ３ ０ ３ ． １ ０ ０ ８ ． ０ ０ ２ ． ｈ ｔ ｍ ｌ
通 讯作 者 ：袁 梅 （ １ ９ ６ ７ 一） ， 女， 江苏泰州人 ， 副教授 ， ｙ ｕ ａ ｎ ｍ＠ ｂ ｕ ａ ａ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ， 主 要 研 究 方 向 为 检 测 技 术 及 自动 化 装 置 、 计算机测 控系统 、 先进传感技术、 虚 拟仪 器 技术 、 复 杂 系统 健 康 监 测 技 术 ． 引用 格式 ：袁 梅 ，何 一 强 ，董 韶鹏 ，等． 飞机燃 油 测 量 传感 器 优 化 布局 技术 ｆ Ｊ Ｊ ．北 京 航 空航 天 大 学 学报 ， ２ ０ １ ５， ４ １ ｆ ｌ １ ）： ２ ０ ３ ６ ． ２ ０ ４ ３ ． Ｙ ｕ ａ ｎ Ｍ， Ｈ ｅ Ｙ Ｑ， Ｄ ｕ ｎ ｇ Ｓ Ｐ， ｅ ｔ ａ １ ．Ａ ｉ ｒ ｃ ｒ ａ ｆ ｔ ｆ ｕ ｅ ｌ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍａ ｌ ｌ ａ ｙ ｏ ｕ ｔ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ［ Ｊ ］ ．Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ
ｄ ｉ ｓ ｃ ｏ ｎ ｔ ｉ ｎ ｕｏ ｕ ｓ ｉ ｎ ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍ
第２ ． ３ 节 的方 法 检 查 燃 油 测 量 的连 续 性 ， 并 计 算 在此 姿态 下所 有传感 器 可测 得 的最高油 平 面和最 低油 平 面 ， 从 而求 出在 此 姿 态下 的最 大 燃 油 可测