無人機機載電子電氣設(shè)備檢測系統(tǒng)設(shè)計

朱安石,路 平,邱金剛,蔚建斌

(軍械工程學(xué)院,河北石家莊050003)

0 引言

無人機是一種動力驅(qū)動、無人駕駛的航空器。由于其體積小、重量輕、隱蔽性好和零傷亡等特點,在軍事上的用途越來越廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異,無人機也在向著智能化、用途多元化不斷發(fā)展。

無人機系統(tǒng)是一種不同學(xué)科、不同專業(yè)綜合在一起的復(fù)雜系統(tǒng)。主要由任務(wù)設(shè)備分系統(tǒng)、指揮控制分系統(tǒng)和航空電子分系統(tǒng)等組成。其中航空電子分系統(tǒng)是無人機系統(tǒng)的核心,主要由機載計算機、測量設(shè)備、伺服設(shè)備和供電設(shè)備等組成[1]。文中針對航空電子分系統(tǒng)中的電子電氣設(shè)備進行研究,提出了一種檢測系統(tǒng)設(shè)計方案。由于電子電氣設(shè)備的可靠性是無人機飛行安全的重要保證,設(shè)計目的在于設(shè)計出一套智能化、自動化程度高的測試設(shè)備,以滿足和提高無人機的智能檢測和診斷水平。

1 檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 電子電氣設(shè)備組成及功能

機載電子電氣設(shè)備是無人機系統(tǒng)的重要組成部分,在無人機的飛行控制中起到非常重要的作用,主要包括測量設(shè)備、伺服設(shè)備和供電設(shè)備3個部分。

測量設(shè)備主要由陀螺和傳感器組成,其功能是完成無人機飛行過程中重要參數(shù)(如飛機姿態(tài)角、飛行航向角等)的實時采集,反饋給飛控計算機和地面控制系統(tǒng)。伺服設(shè)備主要由包括升降舵機、副翼舵機和方向舵機在內(nèi)的各種舵機組成,是飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。主要功能是:根據(jù)飛控機的指令,按規(guī)定的靜態(tài)和動態(tài)的要求,實現(xiàn)對無人機的飛行控制。供電設(shè)備主要由交流發(fā)電機、直流穩(wěn)壓電源和逆變器等組成,其功能是為無人機全系統(tǒng)供電,以保障整個系統(tǒng)正常工作。

1.2 檢測系統(tǒng)組成及原理

文中設(shè)計的檢測系統(tǒng)主要包括3個部分:①支持PC104總線的主控計算機;②具有AD/DA轉(zhuǎn)換功能及可編程數(shù)字IO功能的通用性模塊;③由信號調(diào)理電路、驅(qū)動變換電路等組成的自研調(diào)理模塊[2]。其中通用性模塊支持PC104總線技術(shù),能夠直接通過插拔與主控計算機連接,自研調(diào)理板插在母版上,通用性模塊通過排線與母版相連。系統(tǒng)檢測原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)檢測原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控計算機

主控計算機采用嵌入式工業(yè)主板PC104/SD-840。該款主板集成了低功耗的AMD GEODE-LX PROCESSOR功能的CPU。板上具有CRT/LCD/LVDS顯示接口,支持4個串口、4個USB口、1個并口、在板DOM、1個小硬盤接口,可支持2個硬盤驅(qū)動器,1個10/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口,同時提供擴充用的標(biāo)準(zhǔn)PC/104接口?？紤]到攜帶方便,檢測系統(tǒng)采用了640×480分辨率的液晶觸摸屏,并且將4個USB端口引到后面板,使得系統(tǒng)既可以用鼠標(biāo)和鍵盤操作,也可以用觸摸屏操作。由于CF卡容量有限,所以操作系統(tǒng)采用簡裝版的Windows2000,并且在該操作系統(tǒng)中安裝Microsoft Visual C++,為軟件調(diào)試、運行提供環(huán)境。由于PC104/SD-840體積小巧,功能和穩(wěn)定性很強,并且工作溫度范圍較寬,能夠滿足復(fù)雜環(huán)境下的檢測需求,所以設(shè)計中選用該款主板作為主控計算機。

2.2 通用性模塊

通用性模塊主要包括AD板和DA板。AD板采用PC104總線數(shù)據(jù)采集板SD161P,SD161P是一塊PC104總線的多功能數(shù)據(jù)采集板,適用于工業(yè)現(xiàn)場、實驗室和嵌入式設(shè)備等多種場合,具有16路A/D轉(zhuǎn)換通道、1路D/A通道和24路可編程開關(guān)量輸入輸出,也可根據(jù)用戶需要選配功能,節(jié)約工程成本。A/D轉(zhuǎn)換通道輸入信號范圍是:0～10 V、-5～+5 V和-10～+10 V,3種范圍通過跳線可選,根據(jù)無人機信號特點和檢測系統(tǒng)需要,設(shè)計中選用了-5～+5 V。此外,12 BIT的輸入精度和24路可編程開關(guān)量輸入輸出能夠滿足測試系統(tǒng)需求。AD板的主要作用是將測量設(shè)備的電壓信號(如角速率陀螺的俯仰角速率信號)、伺服設(shè)備的舵偏角反饋信號(如左副翼舵偏角信號)以及3路電源電壓等信號采集回來,為主控計算機的處理提供依據(jù)。

DA板型號為SD-1824,具有8路DA通道,建立時間為10 μ s,DA轉(zhuǎn)換分辨率為12位,電壓范圍為0～5 V、0～10 V、-5～+5 V和-10～+10 V可選,文中選用-5～+5 V,此外,該板卡還有電平方式為TTL的開關(guān)量,有8路輸入通道數(shù)和8路輸出通道數(shù),工作溫度為溫度范圍為-40～70℃,能夠滿足寬溫的需求。由于AD板的開關(guān)量有限,所以DA板的8路輸入和8路輸出開關(guān)量也被應(yīng)用于電路,其主要功能是:由主控計算機模擬飛控機的指令,向?qū)?yīng)的飛機電纜發(fā)送開關(guān)指令,舵機會根據(jù)指令做出相應(yīng)的動作。

值得注意的是,在使用AD板和DA之前,首先要為二者分別設(shè)置不同的基地址,以免沖突。板卡在使用時要要設(shè)置啟動方式,啟動方式分為軟件啟動、定時啟動和外觸發(fā)啟動3種,文中使用軟件啟動。使用板卡之前應(yīng)軟件開啟板卡,退出程序前應(yīng)該關(guān)閉設(shè)備。

2.3 自研調(diào)理模塊

測試過程中,要不斷地有信號在主控計算機和測試設(shè)備之間交互,在此過程中有的信號(如傾斜角速率、偏航角速率和油量等信號)可以不經(jīng)過變換直接進入數(shù)據(jù)采集板后送主控計算機,但是為了節(jié)省AD通道的使用,文中使用了多路模擬選通開關(guān)CD4051芯片。而有的信號(如3路供電電源信號)會大于AD板的輸入電壓允許范圍-5～+5 V,因此,要將信號進行調(diào)理,以保護AD通道不被損壞,文中采用電位器將3路供電電源信號分別分壓后給CD4051芯片,然后送AD轉(zhuǎn)換通道。

主控計算機模擬開關(guān)指令時,通過DA板輸出TTL高電平,但是TTL電平不能滿足停車、開傘和延時等開關(guān)量信號的需求,所以要對TTL信號進行驅(qū)動變換。文中采用的方法是:首先DA板輸出TTL電平,送MC1413P芯片,然后經(jīng)過光耦隔離芯片,最終將模擬的開光量信號送給對應(yīng)的整機電纜。

缸溫的檢測采用恒流源技術(shù),根據(jù)鉑電阻阻值在一定溫度范圍內(nèi)隨溫度線性變化的原理測量發(fā)動機氣缸頭溫度。文中設(shè)計了恒流源發(fā)生電路,用以模擬飛控機中恒流源,給鉑電阻供電,然后通過AD通道將電阻兩端的電壓信號讀取給主控計算機。

發(fā)動機轉(zhuǎn)速的測量原理是通過檢測發(fā)動機產(chǎn)生交流電的頻率來測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速,具體的測量方法是:將發(fā)電機產(chǎn)生的交流電經(jīng)過電阻限流,然后進入光耦隔離器件,將輸出的脈沖送入計數(shù)器,對其計數(shù),從而可以計算出發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

垂直陀螺的供電需要±8 V電壓,但是測試系統(tǒng)的供電電壓為±13 V,所以需要將±13 V轉(zhuǎn)換為±8 V電壓,具體的實現(xiàn)方法是:利用TL431,通過設(shè)置RA和RK端口之間的阻值的比值調(diào)節(jié)輸出端電壓,文中采用電位器實現(xiàn),使得電壓的調(diào)節(jié)比較靈活。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

文中設(shè)計的檢測系統(tǒng)在Windows2000操作系統(tǒng)下運行,應(yīng)用Microsoft Visual C++6.0作為開發(fā)環(huán)境[4],編程語言采用面向?qū)ο蟮腃++。

檢測系統(tǒng)的工作流程描述如下:首先開機進行系統(tǒng)自檢,啟動程序后,進行界面初始化,然后進行測試模式選擇,測試模式包括自動測試和交互測試2個部分,自動測試能夠無需人工干預(yù)自動完成測試功能,交互測試可以提供交互界面逐步完成測試功能,接著選擇要測試的項目進行測試,最后將測試結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中[5],系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程

圖3 子程序流程

檢測系統(tǒng)的測試內(nèi)容主要包括測量設(shè)備檢測、伺服設(shè)備檢測和供電設(shè)備檢測3個部分。以伺服設(shè)備中的左副翼舵機檢測為例,介紹系統(tǒng)的檢測過程。首先,測試主機的DA板向左副翼舵機發(fā)送電壓控制信號 U1,左副翼動作,用測試主機的一路AD采集左副翼舵機的反饋信號 U2,計算 Δ U=|U1-U2|,如 果 Δ U 在誤差允許范圍內(nèi),則認(rèn)為舵機工作正常,否則舵機工作異常,子程序流程圖如圖3所示。

檢測系統(tǒng)界面顯示的內(nèi)容主要包括飛機的狀態(tài)參數(shù)、發(fā)動機的狀態(tài)參數(shù)、機載供電電源的參數(shù)、各個舵機反饋電壓參數(shù)以及開關(guān)量信號的狀態(tài),檢測完畢后,系統(tǒng)檢測結(jié)果以報表的形式呈現(xiàn),最終的測試結(jié)果可以導(dǎo)出并保存。

4 結(jié)束語

上述設(shè)計了地面便攜式檢測系統(tǒng)的硬件部分,在硬件平臺的基礎(chǔ)上開發(fā)了地面檢測系統(tǒng)軟件,并且進行了與實際裝備的聯(lián)機調(diào)試,完成了對測量、伺服和供電設(shè)備的檢測,經(jīng)過研究與調(diào)試工作,所設(shè)計的檢測系統(tǒng)雖滿足了性能技術(shù)指標(biāo),但在實際工程應(yīng)用中還存在一些不足,需要在后續(xù)研究工作中加以改進和完善。

[1]祝小平.無人機設(shè)計手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007:1-5.

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[3]何立民.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1998:254-305.

[4]孫 鑫,余安萍.V C++深入詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006:219-307.

[5]張 揚,陳魯漢,寧 波.基于1553B總線的航空電子設(shè)備的檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2008,31(4):110-112.

[6]LIPPMAN S B,LAJOIE J,MOO B E.C++PRIME中文版[M].北京:人民郵電出版社,2010:367-400.