研究人员开发新数学工具可简化飞机传感器选择和放置位置

研究人员开发出新数学工具可简化飞机传感器的选择和放置位置

在2019年波音737 Max坠机事故中,黑匣子暗示压力传感器故障导致反失速系统反复迫使飞机机头朝下。事故中189人遇难。此事件引发了关于传感器选择,数量和位置的更大争论,以防止此类悲剧再次发生。

德州农工大学的研究人员现已开发出一个全面的数学框架,可以帮助工程师做出明智的决定,以决定使用哪种传感器以及它们在飞机和其他机器中的位置。

航空航天工程系副教授Raktim Bhattacharya博士说:“在任何控制系统的早期设计阶段,都必须做出关键决策,以决定使用哪种传感器以及将传感器放置在何处,以便对系统进行优化以测量特定的物理量。” “借助我们的数学公式,工程师可以为模型提供需要感知精度信息,并且模型的输出将是所需最少的传感器及其精度。”

研究人员在6月出版的《电气电子工程师学会控制系统快报》中详细介绍了他们的数学框架

无论是汽车还是飞机,复杂的系统都有需要测量内部属性。例如,在一架飞机中,用于角速度和加速度的传感器被放置在特定位置以估计速度。

传感器也可以具有不同的精度。用技术术语来说,精度是通过传感器测量中的噪声或摆动来测量的。这种噪声影响内部特性的预测准确度。但是,精度可能会因系统和应用程序而有所不同。例如,某些系统可能要求预测中的噪声不超过特定值,而其他系统可能需要噪声的平方尽可能小。在所有情况下,预测精度都会直接影响传感器成本。

Bhattacharya说:“如果要获得两倍的传感器精度,则成本可能会增加一倍以上。” “此外,在某些情况下,甚至不需要很高的精度。例如,不需要昂贵的用于检测物体的4K HD车载摄像头,因为首先,不需要精细的功能来将人与其他汽车区分开,其次,对数据的处理需要高清晰度。高清摄像机成为一个问题。”

Bhattacharya补充说,即使传感器非常精确,知道放置传感器的位置也是至关重要的,因为可能会将昂贵的传感器放置在错误位置。因此,他说,理想的解决方案通过优化传感器的数量及其位置来平衡成本和精度。

为了检验这一原理,Bhattacharya和他的团队使用描述了F-16飞机模型的一组方程式设计了数学模型。在他们的研究中,研究人员的目标是估计这架飞机的前进速度、相对于飞机的风角方向(攻角)、飞机指向的地方与地平线之间的角度(俯角)和俯仰率。他们可以使用飞机上通常用于测量加速度,角速度,俯仰速率,压力和迎角的传感器。此外,还为模型提供了每个传感器的预期精度。

模型表明,并不需要所有传感器来精确估计前进速度。角速度传感器和压力传感器的读数就足够了。而且,这些传感器足以估计其他物理状态,例如迎角,从而无需额外的迎角传感器。实际上,这些传感器尽管是测量迎角的替代物,但具有在系统中引入冗余的效果,从而提高了系统的可靠性。

Bhattacharya说,数学模型的设计使得它总是能指出所需的最少的传感器,即使提供给它一个可供选择的传感器库。

他说:“让设计人员将每种类型的传感器都放置在任何地方。我们的数学模型的妙处在于,它会剔除不必要的传感器,为您提供所需的最少的传感器及其位置。”

此外,研究人员指出,尽管该研究是从航空航天工程的角度进行的,但他们的数学模型是通用的,并且也会影响其他系统。

Bhattacharya说:“随着工程系统变得越来越大和越来越复杂,将传感器放置在何处的问题变得越来越困难。” “因此,例如,如果您要建造一个非常长的风力涡轮机叶片,则需要使用传感器来评估系统的某些物理特性,这些传感器需要放置在最佳位置,以确保结构不会失败。这是非同小可的,这就是我们数学框架的用武之地。”

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