УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕСА С АЭРОДРОМНЫМ ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2007 года по МПК G01N19/02 

Изобретение относится к системам и устройствам для оценки состояния аэродромного покрытия.

Устройство предназначено для определения условий торможения авиационных пневматических колес на искусственных аэродромных покрытиях по величине коэффициента сцепления.

Для оценки состояния аэродромного покрытия на отечественных аэродромах используется деселерометр, который представляет собой переносной малогабаритный прибор. Он состоит из амортизированного воздухом маятника, соединенного со стрелкой, которая показывает отрицательное ускорение.

Для измерения коэффициента сцепления автомобиль разгоняется до установленной скорости, затем водитель нажимает на педаль тормоза. Маятник деселерометра вместе с фиксирующей стрелкой отклоняется в направлении движения. Считывается величина отрицательного ускорения. Путем несложных вычислений определяется коэффициент сцепления. Данное устройство имеет значительные погрешности в определении коэффициента сцепления (Устройство и работа деселерометра приведены в «Руководстве по эксплуатации гражданских аэродромов Российской Федерации». М., Изд. Воздушный транспорт, 1995 г.).

Другим известным устройством измерения коэффициента сцепления является «Аэродромная тормозная тележка» АТТ-2, которая представляет собой комплект, состоящий из тормозной тележки и блока регистрации. Коэффициент сцепления определяется в процессе движения. Оператор следит за показаниями микроамперметра и записывает его показания. Однако и данное устройство имеет значительные погрешности в определении числового значения коэффициента сцепления (Устройство и работа «Аэродромной тормозной тележки» приведены в «Руководстве по эксплуатации гражданских аэродромов Российской Федерации». М., Изд. Воздушный транспорт, 1995 г., стр.154-157).

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является «Устройство для измерения коэффициента сцепления колеса транспортного средства, имеющего постоянную степень скольжения с поверхностью взлетно-посадочной полосы», имеющее максимальное количество сходных существенных признаков с признаками заявленного устройства и поэтому принятого за прототип (Патент №2165610, RU 7 G01N 19/02). Известное устройство-прототип содержит блок регистрации 1 и датчик силы 2 (фиг.1). При этом блок регистрации 1 содержит: процессор 3, первую 4 и вторую 5 антенны, радиомодем 6, клавиатуру 7, приемник GPS 8, дисплей 9, контроллер 10, переносной накопитель информации 11, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12. При этом первая 4 антенна через радиомодем 6 подключена к первым входу/выходу процессора 3, к второму входу которого подключена клавиатура 7, а вторая 5 антенна через приемник GPS 8 подключена к третьему входу процессора 3. Второй выход процессора 3 соединен с дисплеем 9, а третий выход процессора 3 предусмотрен для подключения к персональной электронно-вычислительной машине. Четвертые вход и выход процессора 3 через контроллер 10 соединены с переносным накопителем информации 11. Датчик силы 2 кабелем соединяется с блоком регистрации 1 и через аналого-цифровой преобразователь 12 подключается к пятому входу процессора 3.

При этом радиомодемом 6 через первую антенну 4 осуществляется радиосвязь с аэродромными службами, а приемник GPS 8 через вторую антенну 5 принимает сигналы навигационных искусственных спутников Земли.

Работа известного устройства

Известное устройство используется в комплекте с Аэродромной тормозной тележкой, при этом блок регистрации 1 размещается в кабине транспортного средства, а датчик силы 2 - на тормозной тележке. Аэродромная тормозная тележка представляет собой полуприцеп с ведущим и измерительным колесами. Соотношение диаметров ведущего и измерительного колес обеспечивает движение измерительного колеса с проскальзыванием 11-17%. Вследствие проскальзывания измерительного колеса возникает продольная сила сцепления, которая зависит от состояния поверхности аэродромного покрытия. Продольная сила сцепления измерительного колеса воздействует на датчик силы 2. При измерении датчик силы 2 преобразует силу продольного сцепления измерительного колеса в напряжение, величина которого зависит от состояния аэродромного покрытия. Сигнал датчика силы 2 по кабелю поступает в блок регистрации 1, где цифроаналоговым преобразователем 12 преобразуется в цифровой код и поступает в процессор 3. В процессоре 3 в соответствии с сигналом датчика силы 2 и результатами тарирования устройства вычисляется коэффициент сцепления (Ксцп) измерительного колеса с аэродромным покрытием

Ксцп=Рг/Рв,

где Рг - продольная сила сцепления измерительного колеса, измеренная датчиком силы 2,

Рв - вертикальная сила, действующая на поверхность покрытия.

В то же время с приемника GPS 8 в процессор 3 поступают географические координаты, скорость движения и время.

В процессоре 3 формируется массив данных, состоящий из числовых величин: коэффициента сцепления, географических координат тормозной тележки, скорости движения и реального времени. Массив данных отображается на экране дисплея 9, записывается в переносной накопитель информации 11 и радиомодемом 6 передается в аэродромные службы.

Недостатком известного устройства является значительная погрешность в определении коэффициента сцепления при приеме и преобразовании сигналов с датчика силы 2. Длина соединительного кабеля датчика силы 2 с блоком регистрации 1 составляет 7 м, что неизбежно ослабляет полезный сигнал датчика 2. Измерение коэффициента сцепления осуществляется при наличии мощного электромагнитного излучения и при такой длине соединительного кабеля неизбежно появление посторонней помехи. Не учитывается температурная зависимость на точность измерений.

Целью предлагаемого устройства является увеличение точности измерения коэффициента сцепления путем изменения приема и преобразования сигналов датчика силы 2.

Поставленная цель в устройстве определения коэффициента сцепления колеса с аэродромным покрытием достигается тем, что в нем, как в прототипе, содержатся блок регистрации и датчик силы. При этом блок регистрации содержит процессор, первую и вторую антенны, радиомодем, клавиатуру, приемник глобальной навигационной системы (GPS) и дисплей. Первая антенна через радиомодем подключена к первым входу/выходу процессора, второй вход которого соединен с клавиатурой. Вторая антенна через приемник GPS подключена к третьему входу процессора, второй выход которого соединен с дисплеем, а третий выход процессора предусмотрен для подключения персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ). По информации приемника GPS определяется местоположение измерительного устройства, а радиомодемом обеспечивается передача результатов измерения.

Дополнительно в блок регистрации включены термопринтер, первый преобразователь интерфейса и блок памяти, а устройство дополнительно снабжено измерительным колесом и электромеханическим измерителем силы, который дополнительно содержит усилитель, первый и второй датчики температуры, микроконтроллер и второй преобразователь интерфейса. При этом в блоке регистрации блок памяти соединен с четвертыми входом и выходом процессора, пятый выход которого подключен к термопринтеру, а измерительное колесо устройства механически соединено с электромеханическим измерителем силы. Сила сцепления измерительного колеса с поверхностью аэродромного покрытия воздействует на датчик силы, который через усилитель подключен к первому входу микроконтроллера, к второму и третьему входам которого подключены соответственно первый и второй датчики температуры. Выход микроконтроллера через второй преобразователь интерфейса соединен с выходом электромеханического измерителя силы. Выход электромеханического измерителя силы кабелем соединен с входом блока регистрации, вход которого через первый преобразователь интерфейса подключен к пятому входу процессора.

В известных технических решениях признаков, сходных с отличительными признаками заявленного устройства, не обнаружено, вследствие чего можно считать, что предлагаемое устройство соответствует изобретательскому уровню.

Использование данного устройства и его реализация позволит повысить безопасность при посадке летательных аппаратов путем использования более достоверной информации о состоянии взлетно-посадочной полосы аэродрома.

Сущность предлагаемого устройства определения коэффициента сцепления поясняется чертежами, где представлены:

на фиг.1 - структурная схема прототипа;

на фиг.2 - структурная схема предлагаемого устройства;

на фиг.3 - алгоритм работы электромеханического измерителя силы;

на фиг.4 - алгоритм работы блока регистрации.

Предлагаемое устройство определения коэффициента сцепления колеса с аэродромным покрытием содержит блок регистрации 1 и датчик силы 2. При этом блок регистрации 1 содержит процессор 3, первую 4 и вторую 5 антенны, радиомодем 6, клавиатуру 7, приемник 8 глобальной навигационной системы (GPS) и дисплей 9. Первая 4 антенна через радиомодем 6 подключена к первым входу/выходу процессора 3, второй вход которого соединен с клавиатурой 7, а вторая 5 антенна через приемник GPS 8 подключена к третьему входу процессора 3, второй выход которого соединен с дисплеем 9, а третий выход процессора 3 предусмотрен для подключения персональной электронно-вычислительной машины. При этом по информации приемника GPS определяется местоположение измерительного устройства, а радиомодемом обеспечивается передача результатов измерений.

Дополнительно в блок регистрации 1 введены термопринтер 13, первый преобразователь интерфейса 14 и блок памяти 15. Устройство дополнительно снабжено измерительным колесом 16 и электромеханическим измерителем силы 17, который дополнительно содержит усилитель 18, первый 19 и второй 20 датчики температуры, микроконтроллер 21 и второй преобразователь интерфейса 22. При этом в блоке регистрации 1 блок памяти 15 соединен с четвертыми входом и выходом процессора 3, пятый выход которого подключен к термопринтеру 13, а в устройстве измерительное колесо 16 механически соединено с электромеханическим измерителем силы 17. Сила сцепления измерительного колеса 16 с поверхностью аэродромного покрытия воздействует на датчик силы 2, который через усилитель 18 подключен к первому входу микроконтроллера 21, к второму и третьему входам которого подключены соответственно первый 19 и второй 20 датчики температуры. Выход микроконтроллера 21 через второй преобразователь интерфейса 22 соединен с выходом электромеханического измерителя силы 17. Выход электромеханического измерителя силы 17 кабелем соединен с входом блока регистрации 1, вход которого через первый преобразователь интерфейса 14 подключен к пятому входу процессора 3.

Конструктивное исполнение предлагаемого устройства

Предлагаемое устройство содержит блок регистрации 1, измерительное колесо 16 и электромеханический измеритель силы 17.

Блок регистрации 1 представляет собой ударопрочную пластмассовую коробку с ручкой для переноски, стеклянной крышкой и клавиатурой 7 из восьми переключателей. Под крышкой располагается лицевая панель, на которой установлены дисплей 9, термопринтер 13, светодиоды и разъем для подключения персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ). На боковой стороне блока расположен разъем для подключения электромеханического измерителя силы 17. Процессор 3, радиомодем 6, приемник GPS 8 первый преобразователь интерфейса 14 и блок памяти 15 размещены на платах под лицевой панелью и обеспечены экранированием. Блок регистрации 1 имеет карман, в котором при переноске размещаются антенны 4 и 5 соответственно радиомодема 6 и приемника GPS 8.

Электромеханический измеритель силы 17 представляет собой металлическую конструкцию из нержавеющей стали с кабелем для подключения к блоку регистрации 1. Внутри металлической конструкции электромеханического измерителя силы 17 размещаются датчик силы 2, усилитель 18, первый 19 и второй 20 датчики температур, микроконтроллер 21 и второй преобразователь интерфейса 22.

Измерительное колесо 16 снабжено авиационной шиной.

Измерительно-вычислительный канал прелагаемого устройства представляет собой два последовательно соединенных канала: измерительно-вычислительного канала электромеханического измерителя силы 17 и вычислительного канала процессора 3.

Работа предлагаемого устройства

Перед вводом в эксплуатацию и с периодичностью, определяемой методическим указанием по эксплуатации, осуществляется тарирование устройства. Тарирование определяет зависимость величины кода на выходе электромеханического измерителя силы 17 от величины силы, действующей на датчик силы 2. Результаты тарирования запоминаются в блоке энергонезависимой памяти 15 блока регистрации 1.

В соответствии с программным обеспечением процессора 3 устройство работает в следующих режимах:

- тарирования и настройки устройства;

- ручного ввода исходной информации: дата и время проведения измерений, торец и позиция измерительного устройства на взлетной полосе, код оператора, проводившего измерения;

- автоматизированного измерения коэффициента сцепления, обработки результатов измерений, записи полученной информации в блок памяти 15 с привязкой результатов измерений к положению измерительного устройства на взлетной полосе и выдачи в реальном масштабе времени информации о состоянии летного поля в аэродромные службы;

- ручного ввода визуальной оценки состояния поверхности аэродромного покрытия;

- документальной регистрации результатов измерений коэффициента сцепления;

- контроля технического состояния устройства в процессе эксплуатации изделия или при подключении персональной электронно-вычислительной машины.

Перечисленные режимы включаются переключателями клавиатуры 7.

Предлагаемое устройство используется на базе тормозной тележки, имеющей постоянное проскальзывание измерительного колеса 16, с использованием цифрового банка данных аэродрома и спутниковой системы навигации. Предлагаемое устройство может использоваться с любым другим транспортным средством, в котором предусмотрено постоянное заданное проскальзывание измерительного колеса относительно поверхности покрытия. Вследствие проскальзывания измерительного колеса 16 возникает продольная сила сцепления. Величина силы сцепления зависит от состояния поверхности аэродромного покрытия. Указанная продольная сила сцепления измерительного колеса 16, приложенная к электромеханическому измерителю силы 17, вызывает деформацию датчика силы 2, который представляет собой тензометрический датчик. На выходе датчика силы 2 формируется непрерывный сигнал, пропорциональный приложенному к датчику 2 усилия. Усилитель 18 обеспечивает требуемое усиление сигнала датчика силы 2. Первым датчиком 19 температуры формируется температурный коэффициент датчика силы 2, а вторым датчиком 20 температуры - температурный коэффициент электрической схемы микроконтроллера 21. Принцип работы электромеханического измерителя силы 17 основан на равномерном во времени опросе 400 раз в секунду сигнала с выхода датчика силы 2. При этом микроконтроллер 21 преобразует сигналы датчика силы 2 и датчиков температуры 19 и 20 в цифровой код, осуществляет цифровую обработку сигналов с целью компенсации влияния окружающей среды, вычисляет среднеарифметическое значение сигнала датчика силы 2 за восемь циклов его опроса и выдает через второй преобразователь интерфейса 22 обработанную информацию в цифровом коде 50 раз в секунду. Алгоритм работы электромеханического измерителя силы 17 представлен на фиг.3. Цифровой код электромеханического измерителя силы 17 поступает на вход блока регистрации 1 и далее через первый преобразователь интерфейса 14 на вход процессора 3, где пришедший цифровой код сравнивается с тарировочной характеристикой, по которой определяется сила сцепления измерительного колеса 16 с поверхностью покрытия.

По полученным результатам вычисляется коэффициент сцепления (Ксцп) измерительного колеса с поверхностью покрытия

Ксцп=Рг/Рв,

где Рг - продольная сила сцепления измерительного колеса 16 с поверхностью аэродромного покрытия;

Рв - вертикальная сила, действующая на поверхность покрытия.

В то же время с приемника GPS 8 в процессор 3 поступает информация навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ): географические координаты, скорость движения и время. Географические координаты приемника GPS 8 определяют местоположение измерительного устройства на взлетно-посадочной полосе, такая информация необходима руководителю полетов.

В процессоре 3 блока регистрации 1 в соответствии с программным обеспечением каждую секунду осуществляется среднеарифметическое определение коэффициента сцепления по пятидесяти значениям информации от электромеханического измерителя силы 17. По полученной информации формируется пакет данных, который сохраняется в энергонезависимом блоке памяти 15. Пакет данных включает в себя следующую информацию: среднеарифметическое значение коэффициента сцепления за каждую секунду, коэффициент сцепления по третям взлетно-посадочной полосы, географические координаты и скорость движения, текущее время и сопроводительную информацию о режиме работы блок регистрации 1. Информация пакета данных может пополняться визуальной оценкой состояния поверхности взлетно-посадочной полосы, которая вводится в процессор 3 переключателями клавиатуры 7. Алгоритм работы блока регистрации 1 представлен на фиг.4.

Радиомодемом 6 осуществляют передачу информации пакета данных, которая поступает в наземные службы, обеспечивающие полеты, и в службы, контролирующие состояние взлетно-посадочной полосы. Накопленная информация с блока регистрации 1 доводится до аэродромных служб и в виде формуляра состояния летного поля на термочувствительной бумаге, полученного с помощью термопринтера 13, встроенного в лицевую панель блок регистрации 1 или путем непосредственного подключения блока регистрации 1 к персональной электронно-вычислительной машине. Информация о режиме работы предлагаемого устройства отображается на экране дисплея 9.

Отличительные особенности предлагаемого устройства

В прототипе и известных устройствах измерения коэффициента сцепления с датчиков силы снимаются аналоговые сигналы. Величина аналогового сигнала зависит от состояния поверхности покрытия. На поверхностях мокрых, грязных, покрытых льдом или снегом сила сцепления измерительного колеса с поверхностью покрытия небольшая и уровень полезного сигнала датчика силы становится соизмеримым с шумами передающего и приемного трактов измерения коэффициента сцепления. Малая величина аналогового сигнала датчика силы чувствительна к температуре и влажности, изменению диэлектрических свойств и сопротивления соединительного кабеля, качеству электромонтажных работ при его изготовлении, времени эксплуатации кабеля, потере его экранирующих свойств и загрязнению разъемов. Все это вызывает неконтролируемые ошибки при измерении силы сцепления измерительного колеса с поверхностью покрытия.

Использование электромеханического измерителя силы 17, обладающего лучшими характеристиками по точности и линейности с компенсацией влияния температуры окружающей среды, а также измерение и обработка сигнала датчика силы 2 цифровым способом, а затем передача сигнала цифровым кодом в блок регистрации 1, позволяют повысить точность измерения продольной силы сцепления (Рг) измерительного колеса с аэродромным покрытием, чем повышается точность вычисления коэффициента сцепления (Ксцп).

Предлагаемое устройство определения коэффициента сцепления колеса с аэродромным покрытием может быть реализовано следующим образом.

Процессор 3 - тип CPU188-5MX.

Радиомодем 6 - устройство обеспечения радиосвязи, тип РЗЗС-1, 1600/2400.

Приемник GPS 8 - приемник глобальной навигационной системы, тип LS-40ЕВ.

Дисплей 9 - жидкокристаллический дисплей, тип AC-204BYILY-18-H.

Термопринтер 13 - тип SAM 1245.

Первый 14 и второй 22 преобразователи интерфейса - микросхемы - ADM202.

Блок памяти 15 - микросхема энергонезависимой памяти фирмы ATMEL, тип MD2200-D16-X-PI.

Усилитель 18 - микросхема - тип AD8552.

Первый 19 и второй 20 датчики температуры - полупроводниковые датчики температуры с высокой точностью и линейностью, тип ТМР36.

Микроконтроллер 21 - микросхема, тип АDиС812.

Устройство содержит блок регистрации и датчик силы. Блок регистрации содержит процессор, первую и вторую антенны, радиомодем, клавиатуру, приемник глобальной навигационной системы GPS и дисплей. При этом первая антенна через радиомодем подключена к первым входу/выходу процессора, второй вход которого соединен с клавиатурой, а вторая антенна через приемник GPS подключена к третьему входу процессора. Второй выход процессора соединен с дисплеем, а третий выход процессора предусмотрен для подключения персональной электронно-вычислительной машины. Дополнительно в блок регистрации введены термопринтер, первый преобразователь интерфейса и блок памяти. Устройство дополнительно снабжено измерительным колесом и электромеханическим измерителем силы. Электромеханический измеритель силы содержит усилитель, два датчика температуры, микроконтроллер и второй преобразователь интерфейса. При этом в блоке регистрации блок памяти соединен с четвертыми входом и выходом процессора, пятый выход которого подключен к термопринтеру. Измерительное колесо устройства механически соединено с электромеханическим измерителем силы, сила сцепления измерительного колеса с поверхностью аэродромного покрытия воздействует на датчик силы, который через усилитель подключен к первому входу микроконтроллера. Второй и третий входы микроконтроллера соединены соответственно с первым и вторым датчиками температуры. Выход микроконтроллера через второй преобразователь интерфейса соединен с выходом электромеханического измерителя силы, выход которого соединен кабелем с входом блока регистрации. Вход блока регистрации через первый преобразователь интерфейса подключен к пятому входу процессора. 4 ил.

Устройство определения коэффициента сцепления колеса с аэродромным покрытием, содержащее блок регистрации и датчик силы, при этом блок регистрации содержит: процессор, первую и вторую антенны, радиомодем, клавиатуру, приемник глобальной навигационной системы (GPS) и дисплей, причем первая антенна через радиомодем подключена к первым входу/выходу процессора, второй вход которого соединен с клавиатурой, а вторая антенна через приемник GPS подключена к третьему входу процессора, второй выход которого соединен с дисплеем, третий выход процессора предусмотрен для подключения персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ), причем по информации приемника GPS определяется местоположение измерительного устройства, а радиомодемом обеспечивается передача результатов измерения, отличающееся тем, что в блок регистрации дополнительно введены термопринтер, первый преобразователь интерфейса и блок памяти, а устройство дополнительно снабжено измерительным колесом и электромеханическим измерителем силы, который дополнительно содержит усилитель, первый и второй датчики температуры, микроконтроллер и второй преобразователь интерфейса, при этом в блоке регистрации блок памяти соединен с четвертыми входом и выходом процессора, пятый выход которого подключен к термопринтеру, а измерительное колесо устройства механически соединено с электромеханическим измерителем силы, сила сцепления измерительного колеса с поверхностью аэродромного покрытия воздействует на датчик силы, который через усилитель подключен к первому входу микроконтроллера, к второму и третьему входам которого подключены соответственно первый и второй датчики температуры, а выход микроконтроллера через второй преобразователь интерфейса соединен с выходом электромеханического измерителя силы, выход электромеханического измерителя силы кабелем соединен с входом блока регистрации, вход которого через первый преобразователь интерфейса подключен к пятому входу процессора.