無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)as的研制

無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)as的研制

1飛行控制系統(tǒng)部件性能檢測標(biāo)準(zhǔn)試驗方案軍事飛機(jī)飛機(jī)將探測、實戰(zhàn)模擬和未來戰(zhàn)爭融為一體，將成為軍事演習(xí)、實戰(zhàn)模擬和未來戰(zhàn)爭的奇跡。飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)航電系統(tǒng)的核心部分,承擔(dān)了飛行控制、自主導(dǎo)航和任務(wù)控制多重職能,系統(tǒng)組成復(fù)雜,部件性能各異。飛行控制系統(tǒng)部件性能檢測的傳統(tǒng)測試方法,以人工操作為主,各部件分別對應(yīng)專用測試設(shè)備,通過實物面板的按鈕和開關(guān)切換測試項,手工記錄測試數(shù)據(jù),測試過程對測試者的專業(yè)素質(zhì)要求高,測試準(zhǔn)確性依賴測試者的經(jīng)驗。針對飛行控制系統(tǒng)部件性能檢測的被檢信號種類多、數(shù)量大、特性范圍寬的特點,本文應(yīng)用計算機(jī)(computer)、通訊(communicate)和控制(control)的3C技術(shù),研制了一臺具有自動化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化特點的高集成度自動檢測系統(tǒng)。下面結(jié)合某型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)自動檢測系統(tǒng)的研制過程,詳細(xì)闡述其組成構(gòu)架、工作原理、關(guān)鍵技術(shù),及其工程應(yīng)用結(jié)果。2自動檢測系統(tǒng)某型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備如圖1所示,由控制與導(dǎo)航計算機(jī)(簡稱飛控計算機(jī))、陀螺平臺TPW、速率陀螺TSZ、磁羅盤LP、GPS接收機(jī)、大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)XSC、舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)DCD2A/2B/2C組成。飛行控制系統(tǒng)性能測試要求主要包括二個面:①供電電源情況檢測:包括工作電壓、工作電流,啟動電流、啟動時間的檢測;②近400個通道的模擬/數(shù)字信號的輸入輸出特性參數(shù)的檢測。針對該型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)研制的自動檢測系統(tǒng)包括自動檢測設(shè)備(ATE)、接口適配器、各傳感器的激勵裝置三部分,如圖2所示。自動檢測設(shè)備是在PXI總線架構(gòu)上構(gòu)建的測試控制、數(shù)據(jù)采集、故障推理的裝置,包括8槽PXI機(jī)箱組件(PXI-1042),PXI-8106型零槽控制器、PXI-6722型DA卡、PXI-6220型AD卡、PXI-2567型繼電器控制卡、PXI-8431/8型串口通訊卡、PXI-4060型萬用表卡共6塊PXI型插卡;接口適配器由一臺集供電、濾波、驅(qū)動、電平轉(zhuǎn)換的綜合控制箱構(gòu)成。被測設(shè)備在激勵系統(tǒng)系統(tǒng)的激勵下,將響應(yīng)信號匯合到接口適配器,然后供自動檢測設(shè)備采集處理和分析顯示。飛行控制系統(tǒng)的故障關(guān)聯(lián)性強(qiáng),誘發(fā)因素多,難以建立適宜的數(shù)學(xué)模型。結(jié)合多個型號積累的研制和維護(hù)經(jīng)驗,和眾多診斷案例,將案例推理的故障診斷專家系統(tǒng)嵌入到高性能PC型PXI-8106零槽控制器中,為現(xiàn)場人員提供專家水平的維護(hù)保障。在現(xiàn)場節(jié)點服務(wù)系統(tǒng)的作用下,ATE上的檢測數(shù)據(jù)通過TCP/IP的方式傳輸至局域網(wǎng)內(nèi),供遠(yuǎn)程專家進(jìn)行分析。2.1飛行控制計算機(jī)模擬量的檢測數(shù)字式機(jī)載部件指的是以輸出弱功率數(shù)字信號為主的飛控機(jī)載部件,即飛控計算機(jī)、磁羅盤LP、導(dǎo)航GPS、安控GPS、大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)XSC。測試原理見圖3,PXI-6722型DA卡和PXI-6220型AD卡組成飛行控制計算機(jī)模擬量、離散量通道的激勵響應(yīng)閉環(huán)測試通路。PXI-8431/8型串口通訊卡實現(xiàn)飛行控制計算機(jī)串口通道的信號模擬,與飛控計算機(jī)性能自動測試過程的監(jiān)控與操作。導(dǎo)航GPS、安控GPS、磁航向LP、大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)XSC,其性能檢測電氣接口也是通過PXI-8431/8型串口通訊卡實現(xiàn)。在PXI-8431/8型多串口卡的硬件基礎(chǔ)上,應(yīng)用了并行測試技術(shù)完成一次檢測多個部件的功能,增加了單位時間內(nèi)被測件的數(shù)量,提高了系統(tǒng)的吞吐率。2.2ad卡式覆蓋函數(shù)的測試原理陀螺平臺、速率陀螺、舵機(jī)的檢測中,信號種類多,幅值范圍跨度大,從交流到直流,從電壓、電流、到電阻,輻值從數(shù)毫伏到數(shù)百伏,數(shù)毫安級到數(shù)安培級,幾歐姆到數(shù)千歐姆,若用AD卡測試這些信號,設(shè)計者就要按信號種類、功率、范圍設(shè)計眾多不同擋的功率、電流電壓、電阻電壓等變換電路,硬件結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜。本文設(shè)計用PXI-4060型卡式萬用表測試,完全省去了以上變換電路,并保證了寬范圍下信號的測試精度,其測試原理如圖4所示。以PXI總線型自動檢測設(shè)備為控制與處理核心,采用開關(guān)陣技術(shù),建立被測部件陀螺平臺、速率陀螺、電動舵機(jī)的被檢信號與開關(guān)陣間的映射拓?fù)淠Ｐ?被檢信號在測試過程中按程序自動地接入測試系統(tǒng),送入萬用表進(jìn)行測試。3主要技術(shù)的困難3.1測點電源開關(guān)映射拓勉庫的建立接口適配器是該套ATS的信號轉(zhuǎn)接樞紐和集線裝置,通過PXI-2567型控制卡,和開關(guān)驅(qū)動板組成的開關(guān)網(wǎng)絡(luò),電源信號、激勵信號、測試資源按程序要求自動匹配到對應(yīng)的被測端口。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)上百個功率開關(guān)控制的信號通路,電路特性各異,是強(qiáng)弱功率、數(shù)字模擬、離散連續(xù)、交直流多種信號特性的綜合。功率開關(guān)工作過程中,一旦切換對象、切換時間出現(xiàn)差錯,將出現(xiàn)不可預(yù)知的異?，F(xiàn)象,導(dǎo)致ATS系統(tǒng),甚至被測部件(UUT)的損毀。因此我們對開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制信號進(jìn)行建模,分別設(shè)計了三個控制模型:電源開關(guān)控制模型、測點測試開關(guān)控制模型和萬用表端子開關(guān)控制模型,每個控制模型用向量表示,向量元素映射為功率開關(guān)控制信號,控制信號的取值對應(yīng)開關(guān)通斷狀態(tài),“0”值代表開關(guān)斷開,“1”值代表接通。根據(jù)UUT和測點要求,依次對電源開關(guān)控制向量、測試開關(guān)控制向量、萬用表開關(guān)控制向量賦定值,建立測點與三類開關(guān)控制向量的映射拓樸庫。假設(shè)控制電源通路的開關(guān)共有20個(K1、K2、…、Ki、…、K20),建立一個20個元素的邏輯序列向量式Kp={Kp1、Kp2、…、Kpi、…、Kp20},需要接通的開關(guān)賦值“1”,不需要接通的開關(guān)賦值“0”。每個測試項目賦予一個索引編號i,第i項測試項目對應(yīng)的電源開關(guān)邏輯序列向量設(shè)為Kp(i),有多少測試項目,就有多少個電源開關(guān)邏輯序列向量,構(gòu)成測點電源開關(guān)映射拓樸庫。設(shè)全部測試項目設(shè)為30項,其開關(guān)映射拓樸庫為一個30×20的二維向量Kp[30×20],如式(1):Κp[30×20]=[ΚΡ11ΚΡ12ΚΡ13?ΚΡ120ΚΡ21ΚΡ22ΚΡ23?ΚΡ120?ΚΡi1ΚΡi2ΚΡi3?ΚΡi20?](1)系統(tǒng)對開關(guān)操作是通過操作開關(guān)編號來實現(xiàn)的。因此再建立一個開關(guān)KP1、KP2、…、KPi、…、KP20的操作編號向量Oper-P={Index1、…、Indexi、…、Index20}向量中操作編號的位置與電源開關(guān)邏輯序列向量元素位置一一對應(yīng)。同理建立一個測點開關(guān)邏輯序列向量,假設(shè)共有30個測試項目需要萬用表測試,建立一個30個元素邏輯序列向量Kt={Kt1、Kt2、…、Kti、…、Kt30},30個測試項目的開關(guān)映射拓樸庫為30×30的二維向量KT[30×30],以及測點開關(guān)的編號操作向量Oper-T={Index1、Index2、…Indexi、…、Index30}。卡式萬用表的電壓電阻檔共用一個測試端子,電流檔為另一個測試端子,分別用2個開關(guān)控制。對應(yīng)30個測試項目,萬用表端子映射拓?fù)鋷煸O(shè)為Kb,是一個30×2的二維向量。測試開始時,全部開關(guān)初始化成斷開狀態(tài)。在操作軟面板中選擇測試項目,ATS的CPU獲取該測試項目的索引編號i,從映射拓樸庫調(diào)出該測點對應(yīng)的電源、測點、測試端子的開關(guān)邏輯序列向量,使用循環(huán)方式,Kp[i×20]的20個元素值依次賦給Oper-P向量,Kt[i×20]的30個元素值賦給Oper-T向量,控制開關(guān)通斷,操作每個開關(guān)后,再延時10ms。最后操作對應(yīng)的卡式萬用表測試端子向量,將被檢信號送入萬用表進(jìn)行測試,圖5為測試流程。開關(guān)陣拓?fù)淠Ｐ蛢?yōu)化設(shè)計,有效地解決了強(qiáng)弱功率、數(shù)字模擬、離散連續(xù)、交直流多種信號綜合的可靠性難題,堅實了單臺測試系統(tǒng)集中多種設(shè)備性能檢測的技術(shù)基礎(chǔ),實現(xiàn)了檢測系統(tǒng)的小型化、緊湊化,以及開放性等特性。3.2電纜束的傳輸以信號傳輸為例該自動檢測系統(tǒng)是一個多信號的綜合系統(tǒng),電磁環(huán)境復(fù)雜,對自動檢測系統(tǒng)的電磁兼容性提出了較高要求。系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1)傳輸通道抑制:雙絞屏蔽電纜傳輸異步串行通訊信號,消除異步串行通訊信號上的差模干擾;屏蔽電纜傳輸模擬量信號,屏蔽體單端與外殼地、“大地”連接,信號線和回線一起被屏蔽。2)電氣隔離:ATS與UUT的被測信號間,使用光耦隔離設(shè)計,采用光方法切斷地環(huán)路,有效防止繼電器負(fù)載產(chǎn)生的大電流對UUT和ATS的沖擊干擾。3)連線冗余:電源線、重要信號線采用多點多線信號傳輸方式。4)連線分類傳輸:ATS的全部連線分成大電流電源線、一般模擬信號線、敏感模擬信號線、數(shù)字信號線,不同類型的連線分配到不同的電纜束。5)地環(huán)路干擾抑制:ATS系統(tǒng)中的數(shù)字電路,模擬電路分區(qū)域布線,各成回路,數(shù)字地、模擬地、信號地連接公共電源地時,采用0Ω電阻相接的單點接地方式,不同種類的地環(huán)路被隔離,切除了因公共地阻抗,不同類型地間相互調(diào)制通道,減少了串?dāng)_。多種干擾抑制技術(shù)有效地增加了自動檢測系統(tǒng)的可靠性。3.3仿真的功能電路貫徹“儀器即軟件”的思想,將信號發(fā)生、信號分析、信號處理、專業(yè)儀器面板等實物儀器,用應(yīng)用軟件實現(xiàn)。信號激勵軟件生成頻率波形可變的模擬量信號,模擬無人機(jī)的航姿信息,激勵飛控計算機(jī)的模擬量通道工作;生成數(shù)字IO型的離散量,激勵飛控計算機(jī)離散量通道工作;生成高速序列串口激勵信號,仿真飛行控制系統(tǒng)串口類機(jī)載傳感器的通訊量,激勵飛控計算機(jī)通訊量通道工作。信號處理軟件,則用軟件型數(shù)字濾波器取代硬件濾波電路。操作軟面板取代實物面板的旋鈕和開關(guān)。顯示軟面板取代示波器、電流、電壓、電阻、狀態(tài)燈等實物指示儀表。儀器軟件化技術(shù)的采用,最大限度地降低系統(tǒng)成本,簡化系統(tǒng)的體積結(jié)構(gòu),減少專用性,同時增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與配置的靈活性,提高可擴(kuò)展性。4外場驗收試驗的主要內(nèi)容本文設(shè)計的自動檢測系統(tǒng)要完成飛控計算機(jī)、陀螺平臺TPW、速率陀螺TSZ、磁羅盤LP、GPS接收機(jī)、大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)XSC、交流電動舵機(jī)DCD2A/2B/2C共7種部件的性能自動檢測功能。該套系統(tǒng)在通過出廠質(zhì)量評審后,交付使用方并在使用方進(jìn)行外場驗收試驗。由于該檢測系統(tǒng)功能強(qiáng)、幅值寬、信號種類多,在這里不可能一一介紹,本文給出外場驗收試驗的部分內(nèi)容,一是各類信號測試精度的標(biāo)定方法及其標(biāo)定結(jié)果;二是提供兩種具有代表性的部件性能檢測方法和結(jié)果,其中數(shù)字式機(jī)載部件以大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)為代表,模擬式機(jī)載部件以舵機(jī)為代表。4.1電流和電阻標(biāo)定該型自動檢測系統(tǒng)與已檢定的臺式F8840A和FLUKE的F87兩臺標(biāo)準(zhǔn)表同時對被測項進(jìn)行測試,電壓、電流、電阻測試精度的標(biāo)定原理如圖6所示,改變通路上可變電位器的阻值,被測通路的電流、電壓或電阻就發(fā)生變化。圖7表示的是15V直流電壓、2000Ω電阻、400mA交流電流標(biāo)定項,用自動檢測系統(tǒng)測試到的數(shù)據(jù)列,與F8840A和F87測試值間的誤差關(guān)系,最大誤差分別為±5mV、±2Ω、5mA。表1對系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果與研制要求進(jìn)行了對比,可以看出通常測試精度較低的交流小信號在本系統(tǒng)里也高于研制要求的6倍,其他信號的測試精度至少高于研制要求的10倍以上,高的達(dá)到300倍。圖7(a)(b)(c)中◆表示F8840A測試數(shù)據(jù)圖點,■表示F87測試數(shù)據(jù)圖點。4.2外場試驗檢測結(jié)果大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)的外部數(shù)據(jù)接口為RS422異步串行口,測試過程V/H激勵裝置模擬無人機(jī)在空中的大氣狀態(tài),大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)通過RS422輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)幀到PXI-8431卡的串口,PXI型自動檢測設(shè)備對數(shù)據(jù)幀解碼與處理,比較判斷輸出數(shù)據(jù)的合格性,同時將比較結(jié)果存儲在電子記錄表文件里。表2為外場驗收試驗的檢測結(jié)果。通過操作大氣機(jī)檢測軟件,就可以完成大氣機(jī)性能的自動測試,并且無需人工記錄測試數(shù)據(jù)。4.3外場驗收試驗舵機(jī)的性能檢測項包括:±15V輸入電壓、電位計電刷接觸性、鼓輪最大轉(zhuǎn)速、電磁離合器、激磁36V、測速電機(jī)輸出、電位計對稱性等,測試項多、信號種類多、幅值寬,測試要求復(fù)雜。在Labview8.2.1平臺上用多個并行線程開發(fā)了界面友好直觀的監(jiān)測控制平臺,應(yīng)用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ突乃枷?程序控制完成舵機(jī)的性能測試。表3為外場驗收試驗的舵機(jī)檢測結(jié)果。本文提供的舵機(jī)性能測試方法,完全摒棄了傳統(tǒng)的手工操作方式,測試流程清晰,測試數(shù)據(jù)實時顯示,特別是改人工監(jiān)聽和秒表計時的鼓輪轉(zhuǎn)速測試方法為計算機(jī)控制的自動測試方法,測試精度高。5測試系統(tǒng)的改進(jìn)和測試效率在高性能PXI型虛擬儀器總線技術(shù)的基礎(chǔ)上,采用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓樸優(yōu)化和儀器軟件化的設(shè)計思想,在一臺自動檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)了飛行控制系統(tǒng)全部機(jī)載部件性能參數(shù)的快速自動檢測要求,測試精度普遍提高了20