航模飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究

陳聰　鄧國鴻　王麗平

摘 要 航模飛機的應用日益廣泛，但目前航模飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研究尚處于起步階段。本文構(gòu)建了航模飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的模型，利用溫度傳感器和電壓傳感器采集飛行器的實時性能參數(shù)，通過無線傳輸裝置實現(xiàn)數(shù)據(jù)下傳，以數(shù)據(jù)采集卡完成信號接收，并通過LABVIEW編制狀態(tài)監(jiān)控界面，實現(xiàn)航模飛機實時狀態(tài)監(jiān)控，并依據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)制定故障報警。

關鍵詞 航模飛機 狀態(tài)監(jiān)控 故障 報警

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A

0引言

隨著我國航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，航模飛機也受到了越來越多的關注，因為航模飛機具有低成本、低損耗、零傷亡、可重復使用等諸多優(yōu)點，因此航模飛機的應用目前也在不斷增加。當對航模飛機的需求增多時，也會出現(xiàn)對航模飛機的維修問題。航模飛機的結(jié)構(gòu)相比于大型飛機的結(jié)構(gòu)簡單得多，但是其部分結(jié)構(gòu)仍然錯綜復雜，各種部件極其之多，需要檢測的數(shù)據(jù)會很多，航模飛機出現(xiàn)的故障也會多種多樣，所以我們需要對航模飛機本身的狀態(tài)和它飛行區(qū)域進行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)問題，以免出現(xiàn)故障降低航模飛機的壽命和使用性。

航模飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是采集航模飛機典型部件的一些關鍵性能參數(shù)，并且對其進行處理分析，由此來監(jiān)控航模飛機的健康狀態(tài)。本文將航模飛機的電池作為研究對象，研究航模飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)模型的可行性。

1航模飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設計與研發(fā)的方案

1.1 航模飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架

航模飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)分為傳感器模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊四個層次，如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)

圖2為航模飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)模型的組成方案。整個方案依照圖2系統(tǒng)模型總體框架設計思路。數(shù)據(jù)采集模塊的主要硬件組成為：航模飛機、溫濕度傳感器、電壓傳感器、視頻采集模塊、無線接收模塊、數(shù)據(jù)采集卡。

其中數(shù)據(jù)采集模塊由數(shù)據(jù)采集卡控制各傳感器對航模進行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)模型針對航模的鋰電池進行監(jiān)控。因為鋰電池工作的周圍溫度過高或過低都會影響其性能和使用壽命，濕度過大易導致水汽進入電池，從而產(chǎn)生相應的化學反應并腐蝕相關接觸部件，導致電池使用效率下降，所以本文利用溫濕度傳感器監(jiān)測鋰電池工作的周圍環(huán)境溫度與濕度。而電壓更是表示電池性能的一個重要參數(shù)，所以本文監(jiān)測了鋰電池工作的電壓變化情況。系統(tǒng)模型對數(shù)據(jù)采集模塊收集的數(shù)據(jù)傳輸，采用串口通信以及WIFI通信的形式，可以說明多種通信方式實現(xiàn)的可能性，及數(shù)據(jù)的發(fā)射與接收可以采取一對多的形式，本系統(tǒng)中的串口收發(fā)模塊可實現(xiàn)一對一、一對多、多對多的組網(wǎng)形式，而視頻采集模塊的視頻數(shù)據(jù)通過WIFI發(fā)送，可以在計算機和Pad等多臺設備觀看實時圖像。其中，視頻采集模塊可實時監(jiān)測航模飛機的周圍飛行環(huán)境。未來的航模飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的發(fā)射與接收應該是一對多的形式，當航模飛機飛行時，地面人員可以利用機載電腦對數(shù)據(jù)進行處理，更快速地了解航模飛機的即時狀態(tài)，省去了地面監(jiān)測端反饋這一環(huán)節(jié)，使信息傳遞更快捷；地面監(jiān)測端也可以接收相關的監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理、分析系統(tǒng)監(jiān)控飛機運行狀態(tài)，以及建立一個詳盡的監(jiān)控數(shù)據(jù)庫，利用大數(shù)據(jù)模式，對飛機進行系統(tǒng)化的健康管理。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊是基于Labview建立的仿真處理界面，對收集的溫濕度、電壓等數(shù)據(jù)進行處理，以圖表形式輸出，并且具有警報功能，例如航模電池工作環(huán)境溫度過高，界面會進行提示。圖3即為航模飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)模型實物圖。

1.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)節(jié)

在一個傳感器網(wǎng)絡中，通常只有一個采集卡用于接收傳感器節(jié)點采集的信息，并且將這些信息進行實時顯示并發(fā)送給監(jiān)控端PC。當有傳感器向采集卡發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)采集卡會對數(shù)據(jù)進行處理并通過無線收發(fā)模塊的串口通信發(fā)送至地面監(jiān)控端。監(jiān)控端的基于LABVIEW仿真處理界面會將這些數(shù)據(jù)進行二次處理，并實時顯示。

1.4軟件系統(tǒng)

此次系統(tǒng)選取的編程開發(fā)平臺為LABVIEW。LABVIEW是一種圖形化開發(fā)語言，它可以用來進行數(shù)據(jù)的采集和控制、數(shù)據(jù)的分析和數(shù)據(jù)的表達。LABVIEW可以簡化程序的開發(fā)工作，可對順利完成工作提供了很大幫助。圖4為航模飛機的監(jiān)控系統(tǒng)工作界面，包含旋鈕、刻度盤、開關、圖表、圖形和其他界面工具，用戶可以通過鍵盤或鼠標直接獲取數(shù)據(jù)顯示結(jié)果。溫濕度監(jiān)測儀前面板設置， 選擇“控件|新式|圖形|波形圖表”，作為溫濕度的顯示器。選中該控件，單擊鼠標右鍵，對其屬性進行設置，如根據(jù)被顯示的文字工具，顯示器橫（時間）、縱（溫濕度）坐標的刻度重新設置。用于顯示溫度波形圖。選擇 “控件|新式|數(shù)值|數(shù)值顯示控件”，可以顯示溫度和濕度數(shù)值。選擇“控件| 新式|布爾|圓形指示燈”，用于報警。

每一個程序的前面板都會對應著一段程序框圖，程序框圖是利用 LABVIEW 圖形編程語言來編寫的， 通常把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。流程圖中包括前面板上控件的連線端子，函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等一些前面板上沒有顯示，但是在編程時必不可少。在程序框圖窗口放置節(jié)點、圖標等，按照相關原則用連線工具將端口、節(jié)點、圖標依次相連。其中實現(xiàn)程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)的是端口，實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用的是節(jié)點，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令是圖框，而代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流的是連線，定義框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從源頭到目的終點的流向。

此次編程使用的是狀態(tài)機模式。狀態(tài)機模式是LABVIEW程序設計中最常用的設計模式之一，它可以用來清晰地實現(xiàn)任何以狀態(tài)圖描述的算法，它的每一種狀態(tài)對應一種相應的操作。狀態(tài)機常用在決策算法中例如診斷、監(jiān)測和控制等。LABVIEW標準狀態(tài)機主要由一個While循環(huán)和一個Case結(jié)構(gòu)構(gòu)成，并利用移位寄存器來實現(xiàn)狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)為了方便編程，可采用Typedef來實現(xiàn)狀態(tài)枚舉值，這樣當需要修改程序狀態(tài)時，只需要改變Typedef就可以改變所有的枚舉變量。

2數(shù)據(jù)處理

在進行實際測量中，采用的是一四軸航模一個電機進行測試，為使實驗數(shù)據(jù)更具有可靠行，每次航模飛行過程中均是將油門推至中檔進行飛行的。數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù)分析和飛手的大量經(jīng)驗可以推斷出電池電壓的臨界值為3.7V，所以本文將電池的報警電壓設置為3.7V，當電池電壓達到3.7V時系統(tǒng)便會出現(xiàn)報警信號。在航模飛機飛行過程中，同時也實時檢測了電池工作環(huán)境的溫濕度狀況，表2顯示的是1個電池單元串聯(lián)的（下轉(zhuǎn)第134頁）（上接第130頁）電池周圍環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)變化，圖6為溫濕度隨時間變化的折線圖。航模電池工作的環(huán)境溫度應該不高于60攝氏度，在實際飛行測試中，環(huán)境溫度沒有超過60攝氏度，所以沒有出現(xiàn)報警現(xiàn)象。

3結(jié)語

本文是以航模飛機為研究對象，通過傳感器、攝像頭模塊、數(shù)據(jù)采集卡以及無線收發(fā)模塊將飛機的飛行狀態(tài)參數(shù)及影像實時傳輸?shù)降孛?，利用計算機仿真軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理，從而建立起航模飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。航模飛機在自主飛行時對其數(shù)據(jù)進行采集，此次研究不僅采集了航模本身的數(shù)據(jù)，還以視頻的形式對外界環(huán)境進行了實時接收。

當今國內(nèi)的航模飛機狀態(tài)監(jiān)控研究還處于起步階段。建立航模飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，可以及時發(fā)現(xiàn)問題，做出故障預測。航模飛機在未來市場有很大發(fā)展空間，所以研究航模飛機有很大的意義。

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