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(jī)是一種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、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(diǎn),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(jī)也在向著智能化、用途多元化不斷發(fā)展。

無人機(jī)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(jī)系統(tǒng)的核心,主要由機(jī)載計(jì)算機(jī)、測(cè)量設(shè)備、伺服設(shè)備和供電設(shè)備等組成[1]。文中針對(duì)航空電子分系統(tǒng)中的電子電氣設(shè)備進(jìn)行研究,提出了一種檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。由于電子電氣設(shè)備的可靠性是無人機(jī)飛行安全的重要保證,設(shè)計(jì)目的在于設(shè)計(jì)出一套智能化、自動(dòng)化程度高的測(cè)試設(shè)備,以滿足和提高無人機(jī)的智能檢測(cè)和診斷水平。

1 檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 電子電氣設(shè)備組成及功能

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

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

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)組成及原理

文中設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分:①支持PC104總線的主控計(jì)算機(jī);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(hào)調(diào)理電路、驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)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(cè)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)檢測(cè)原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控計(jì)算機(jī)

主控計(jì)算機(jī)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(gè)串口、4個(gè)USB口、1個(gè)并口、在板DOM、1個(gè)小硬盤接口,可支持2個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器,1個(gè)10/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口,同時(shí)提供擴(kuò)充用的標(biāo)準(zhǔn)PC/104接口?？紤]到攜帶方便,檢測(cè)系統(tǒng)采用了640×480分辨率的液晶觸摸屏,并且將4個(gè)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(yùn)行提供環(huán)境。由于PC104/SD-840體積小巧,功能和穩(wěn)定性很強(qiáng),并且工作溫度范圍較寬,能夠滿足復(fù)雜環(huán)境下的檢測(cè)需求,所以設(shè)計(jì)中選用該款主板作為主控計(jì)算機(jī)。

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(chǎng)、實(shí)驗(yàn)室和嵌入式設(shè)備等多種場(chǎng)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(hào)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(jī)信號(hào)特點(diǎn)和檢測(cè)系統(tǒng)需要,設(shè)計(jì)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(cè)試系統(tǒng)需求。AD板的主要作用是將測(cè)量設(shè)備的電壓信號(hào)(如角速率陀螺的俯仰角速率信號(hào))、伺服設(shè)備的舵偏角反饋信號(hào)(如左副翼舵偏角信號(hào))以及3路電源電壓等信號(hào)采集回來,為主控計(jì)算機(jī)的處理提供依據(jù)。

DA板型號(hào)為SD-1824,具有8路DA通道,建立時(shí)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(jì)算機(jī)模擬飛控機(jī)的指令,向?qū)?yīng)的飛機(jī)電纜發(fā)送開關(guān)指令,舵機(jī)會(huì)根據(jù)指令做出相應(yīng)的動(dòng)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(shí)要要設(shè)置啟動(dòng)方式,啟動(dòng)方式分為軟件啟動(dòng)、定時(shí)啟動(dòng)和外觸發(fā)啟動(dòng)3種,文中使用軟件啟動(dòng)。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(cè)試過程中,要不斷地有信號(hào)在主控計(jì)算機(jī)和測(cè)試設(shè)備之間交互,在此過程中有的信號(hào)(如傾斜角速率、偏航角速率和油量等信號(hào))可以不經(jīng)過變換直接進(jìn)入數(shù)據(jù)采集板后送主控計(jì)算機(jī),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(hào)(如3路供電電源信號(hào))會(huì)大于AD板的輸入電壓允許范圍-5～+5 V,因此,要將信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,以保護(hù)AD通道不被損壞,文中采用電位器將3路供電電源信號(hào)分別分壓后給CD4051芯片,然后送AD轉(zhuǎn)換通道。

主控計(jì)算機(jī)模擬開關(guān)指令時(shí),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(shí)等開關(guān)量信號(hào)的需求,所以要對(duì)TTL信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)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(hào)送給對(duì)應(yīng)的整機(jī)電纜。

缸溫的檢測(cè)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(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸頭溫度。文中設(shè)計(jì)了恒流源發(fā)生電路,用以模擬飛控機(jī)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(hào)讀取給主控計(jì)算機(jī)。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量原理是通過檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生交流電的頻率來測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,具體的測(cè)量方法是:將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電經(jīng)過電阻限流,然后進(jìn)入光耦隔離器件,將輸出的脈沖送入計(jì)數(shù)器,對(duì)其計(jì)數(shù),從而可以計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

垂直陀螺的供電需要±8 V電壓,但是測(cè)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(shí)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(shí)現(xiàn),使得電壓的調(diào)節(jié)比較靈活。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)在Windows2000操作系統(tǒng)下運(yùn)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(cè)系統(tǒng)的工作流程描述如下:首先開機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)自檢,啟動(dòng)程序后,進(jìn)行界面初始化,然后進(jìn)行測(cè)試模式選擇,測(cè)試模式包括自動(dòng)測(cè)試和交互測(cè)試2個(gè)部分,自動(dòng)測(cè)試能夠無需人工干預(yù)自動(dòng)完成測(cè)試功能,交互測(cè)試可以提供交互界面逐步完成測(cè)試功能,接著選擇要測(cè)試的項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試,最后將測(cè)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(cè)系統(tǒng)的測(cè)試內(nèi)容主要包括測(cè)量設(shè)備檢測(cè)、伺服設(shè)備檢測(cè)和供電設(shè)備檢測(cè)3個(gè)部分。以伺服設(shè)備中的左副翼舵機(jī)檢測(cè)為例,介紹系統(tǒng)的檢測(cè)過程。首先,測(cè)試主機(jī)的DA板向左副翼舵機(jī)發(fā)送電壓控制信號(hào) U1,左副翼動(dòng)作,用測(cè)試主機(jī)的一路AD采集左副翼舵機(jī)的反饋信號(hào) U2,計(jì)算 Δ U=|U1-U2|,如 果 Δ U 在誤差允許范圍內(nèi),則認(rèn)為舵機(jī)工作正常,否則舵機(jī)工作異常,子程序流程圖如圖3所示。

檢測(cè)系統(tǒng)界面顯示的內(nèi)容主要包括飛機(jī)的狀態(tài)參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)參數(shù)、機(jī)載供電電源的參數(shù)、各個(gè)舵機(jī)反饋電壓參數(shù)以及開關(guān)量信號(hào)的狀態(tài),檢測(cè)完畢后,系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果以報(bào)表的形式呈現(xiàn),最終的測(cè)試結(jié)果可以導(dǎo)出并保存。

4 結(jié)束語

上述設(shè)計(jì)了地面便攜式檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分,在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上開發(fā)了地面檢測(cè)系統(tǒng)軟件,并且進(jìn)行了與實(shí)際裝備的聯(lián)機(jī)調(diào)試,完成了對(duì)測(cè)量、伺服和供電設(shè)備的檢測(cè),經(jīng)過研究與調(diào)試工作,所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)雖滿足了性能技術(shù)指標(biāo),但在實(shí)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(jìn)和完善。

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