,， ，志宇

(1.南京航空航天大學(xué) 中小型無人機(jī)先進(jìn)技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016；2.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 10016)

基于586-Driver的無人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)智能檢測(cè)系統(tǒng)研制

高艷輝1,肖莉萍1，李強(qiáng)2，李志宇1

(1.南京航空航天大學(xué)中小型無人機(jī)先進(jìn)技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016；2.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京10016)

傳統(tǒng)無人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)檢測(cè)以人工操作為主，操作繁瑣、數(shù)據(jù)量大、易受人為因素影響，導(dǎo)致測(cè)試效率低、結(jié)果主觀性強(qiáng)、安全性不足;提出基于信號(hào)門限自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的飛控計(jì)算機(jī)一鍵式全功能檢測(cè)方案;以586-Driver板卡為核心，設(shè)計(jì)了接口板、電源板、信號(hào)調(diào)理板和檢測(cè)板，研制了智能檢測(cè)系統(tǒng);模塊功能包括底層驅(qū)動(dòng)、時(shí)序控制、上電控制與電流檢測(cè)、功能檢測(cè)等模塊，實(shí)現(xiàn)了在全程無人干預(yù)情況下對(duì)飛控計(jì)算機(jī)按預(yù)設(shè)時(shí)序邏輯的自動(dòng)測(cè)試;采用人為注入故障測(cè)試方式進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，結(jié)果表明：該系統(tǒng)滿足某型飛控計(jì)算機(jī)的檢測(cè)需求，提高了飛控計(jì)算機(jī)檢測(cè)效率，具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

飛控計(jì)算機(jī)；586-Driver；自動(dòng)檢測(cè)；信號(hào)門限檢測(cè)

0 引言

隨著航空技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)越來越先進(jìn)，無人機(jī)機(jī)載電子設(shè)備也越來越復(fù)雜，使得無人機(jī)出現(xiàn)故障的概率越來越高。因此，無人機(jī)這一復(fù)雜系統(tǒng)的維護(hù)保障已經(jīng)提升到了和無人機(jī)研制同等重要的地位[1]。飛控計(jì)算機(jī)是無人機(jī)關(guān)鍵設(shè)備，不管在研制期間，還是在交付使用后都必須對(duì)其進(jìn)行大量的地面檢測(cè)[2]，以保證無人機(jī)系統(tǒng)的安全性和可靠性。

傳統(tǒng)的飛控計(jì)算機(jī)檢測(cè)以人為操作為主，通過測(cè)試人員手動(dòng)切換測(cè)試項(xiàng)并手動(dòng)添加激勵(lì)，觀察測(cè)試現(xiàn)象并記錄結(jié)果。但由于飛控計(jì)算機(jī)性能測(cè)試的被測(cè)信號(hào)具有種類多、特性范圍寬、判據(jù)復(fù)雜的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的測(cè)試方法既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，還會(huì)影響無人機(jī)的試驗(yàn)進(jìn)度。

本文利用信號(hào)門限檢測(cè)技術(shù)，基于586-Driver研制了一套自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化的飛控計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)測(cè)試過程中操作繁瑣、數(shù)據(jù)量大、易受人為因素影響的問題。

1 信號(hào)門限檢測(cè)技術(shù)原理

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)集合了功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟硬件和測(cè)量設(shè)備，將所有檢測(cè)步驟通過軟件控制，直接產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)，解析測(cè)量特性，得出測(cè)量結(jié)果[3]。信號(hào)門限檢測(cè)技術(shù)對(duì)于自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)來說是一種基本但有效的故障檢測(cè)方法，具體方法如下[4]：

對(duì)被測(cè)信號(hào)設(shè)置上限ymax和下限ymin，在任一時(shí)刻t，信號(hào)的測(cè)量值y(t)正常的取值范圍是：

ymin≤y(t)≤ymax

(1)

當(dāng)被測(cè)信號(hào)的測(cè)量值超出該范圍達(dá)到一定次數(shù)或一定時(shí)間時(shí)，則說明系統(tǒng)處于故障狀態(tài)，需排查故障。引進(jìn)標(biāo)記：

|Δy(t)|<α

(2)

根據(jù)被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)不同，門限檢測(cè)的規(guī)則也會(huì)發(fā)生變化，有些被測(cè)信號(hào)只需檢驗(yàn)上限或下限，有些則必須滿足某一定值，表達(dá)式如下：

y(t)≤ymax或y(t)≥ymin

(3)

y(t)=y*

(4)

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 一鍵式全功能檢測(cè)方案

被測(cè)飛控計(jì)算機(jī)具有檢測(cè)內(nèi)容多、檢測(cè)時(shí)間短以及檢測(cè)結(jié)果務(wù)必準(zhǔn)確的特點(diǎn)，要求自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)必須具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和較快的運(yùn)行速度，以便能夠在規(guī)定的任務(wù)周期內(nèi)完成所有的檢測(cè)任務(wù)。本系統(tǒng)采用一鍵式全功能檢測(cè)方案，包括上電、電流監(jiān)測(cè)、功能檢測(cè)、正常斷電以及應(yīng)急斷電保護(hù)等均要求由系統(tǒng)按時(shí)序邏輯控制自動(dòng)完成。自動(dòng)檢測(cè)流程設(shè)計(jì)如下：

1)上電控制。待測(cè)飛控計(jì)算機(jī)供電時(shí)序如圖1所示。為了保證供電安全，在對(duì)待測(cè)飛控計(jì)算機(jī)供電的同時(shí)，需對(duì)4路供電電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)，并在電流異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行斷電處理。

圖1 供電時(shí)序

2)飛控計(jì)算機(jī)功能測(cè)試。本系統(tǒng)包括了對(duì)飛控計(jì)算機(jī)的串口、SSD卡、DI、DO、A/D、D/A功能的檢測(cè)。為了獲取可靠的檢測(cè)結(jié)果，排除各功能間的交叉影響，采取了各功能依次測(cè)試的方法。每種功能的檢測(cè)步驟為：586-Driver發(fā)出測(cè)試信號(hào)，等待規(guī)定時(shí)間后采集并解析測(cè)量值，將測(cè)量結(jié)果與對(duì)應(yīng)門限值進(jìn)行比較得出檢測(cè)結(jié)果。

3)待機(jī)狀態(tài)。系統(tǒng)全自動(dòng)檢測(cè)完成后進(jìn)入了待機(jī)狀態(tài)，等待測(cè)試人員發(fā)出下一步的檢測(cè)指令。測(cè)試人員可以根據(jù)檢測(cè)結(jié)果選擇再次全自動(dòng)檢測(cè)，也可以針對(duì)某一功能進(jìn)行單項(xiàng)檢測(cè)。

2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

飛控計(jì)算機(jī)智能檢測(cè)系統(tǒng)的主要思想是以586-Driver為核心模擬飛控計(jì)算機(jī)所需的信息，通過串口、I/O、D/A等通道將信息傳遞給飛控計(jì)算機(jī)，并監(jiān)測(cè)、檢測(cè)飛控計(jì)算機(jī)的返回信息，對(duì)飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行全方位的功能檢測(cè)與故障診斷。智能檢測(cè)系統(tǒng)的總體框架如圖2所示。

圖2 無人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)智能檢測(cè)系統(tǒng)總體框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)586-Driver板卡特點(diǎn)以及串口擴(kuò)展卡與其他電路的應(yīng)用需求，基于易于拆卸、維護(hù)方便的原則，智能檢測(cè)系統(tǒng)采用堆棧式構(gòu)架，將整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)分為4個(gè)部分：586-Driver及其接口板、電源板、信號(hào)調(diào)理板和檢測(cè)板。

3.1 主控芯片選型及資源分配

在綜合考慮了對(duì)處理性能、片上資源、穩(wěn)定性以及成本的多重要求后，本文選擇TERN公司的586-Driver板卡作為主控芯片。586-Driver是基于AMD Elan SC520微處理器的核心板卡，集成了32位的AMD586中央處理器以及高性能硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)[5]。586-Driver板卡資源分配情況如表1所示。

表1 586-Driver板卡資源分配表

3.2 擴(kuò)展串口選型及資源分配

串口擴(kuò)展卡選用高性能的基于PC104總線的UR8M。UR8M是TERN公司的8路異步串口擴(kuò)展卡，可以與586-Driver連接使用，無需多余的硬件接口設(shè)計(jì)。該卡提供RS232、RS485、RS422多種串口工作方式。每個(gè)通道FIFO高達(dá)64字節(jié)，可以減小CPU的中斷數(shù)量并降低軟件開銷，滿足系統(tǒng)需求。

3.3 信號(hào)變換與調(diào)理模塊

586-Driver上的D/A單元LT2600用于輸出5路模擬信號(hào)來模擬陀螺平臺(tái)(θ俯仰角、γ滾轉(zhuǎn)角)和速率陀螺(ωx滾轉(zhuǎn)角速率、ωz俯仰角速率、ωy偏航角速率)的信息。該信號(hào)需進(jìn)信號(hào)調(diào)理后，輸出至飛控計(jì)算機(jī)。

信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)思路是將輸入信號(hào)進(jìn)行電平平移、放大或縮小，然后再進(jìn)行低通濾波處理，除去高頻噪聲，以保證轉(zhuǎn)換后的信號(hào)平滑穩(wěn)定。本系統(tǒng)選用OP497FS高性能4運(yùn)放芯片作為信號(hào)調(diào)理電路的核心芯片，選用REF43芯片為電平平移電路提供+2.5 V的電壓參考進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.4 電流測(cè)量與供電控制

待測(cè)飛控計(jì)算機(jī)需要4路電源：1路115 V交流電源和3路+27 V直流電源。電流檢測(cè)與供電控制電路要實(shí)現(xiàn)對(duì)供電電源的通斷控制并且實(shí)時(shí)檢測(cè)電流大小，以保證飛控計(jì)算機(jī)的供電安全。

以+27 V電源為例，電流檢測(cè)與供電控制電路設(shè)計(jì)如圖3所示。586-Driver通過DO端口控制電磁繼電器，進(jìn)而控制+27 V電源是否接入飛控計(jì)算機(jī)，同時(shí)由A/D通道實(shí)時(shí)采集霍爾電流傳感器的測(cè)量結(jié)果，其反饋電壓一旦超出了預(yù)定范圍，系統(tǒng)將自動(dòng)控制DO端口停止對(duì)飛控計(jì)算機(jī)供電，達(dá)到保護(hù)飛控計(jì)算機(jī)的目的。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的時(shí)序控制、上電控制、自動(dòng)檢測(cè)等策略都是通過軟件最終實(shí)現(xiàn)。軟件開發(fā)環(huán)境為Paradigm C++ TERN Edition，采用C語言編程。軟件工程采用模塊化設(shè)計(jì)，由初始化模塊、硬件底層接口模塊、時(shí)序控制模塊、上電控制與電流檢測(cè)模塊、功能檢測(cè)模塊以及待機(jī)管理等組成。

圖3 電流檢測(cè)與供電控制電路

初始化模塊完成系統(tǒng)硬件、控制參數(shù)、軟件變量的初始化工作。

硬件底層接口模塊完成以下功能：

1)時(shí)鐘中斷模塊：定時(shí)產(chǎn)生10 ms時(shí)鐘中斷，用于系統(tǒng)周期運(yùn)行時(shí)間間隔基準(zhǔn)；2)AD采樣模塊：實(shí)現(xiàn)AD通道的電壓信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣；3)DA輸出模塊：實(shí)現(xiàn)DA通道的電壓信號(hào)實(shí)時(shí)刷新；4)串行通訊模塊：采用定時(shí)方式，實(shí)現(xiàn)串行數(shù)字量信息的發(fā)送和接收處理；5)數(shù)字量接口模塊：利用中斷或查詢方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字離散量的接收，同時(shí)根據(jù)任務(wù)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的高低電平輸出。

4.1 時(shí)序控制模塊

為了實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制，預(yù)先對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)每一步操作之間的時(shí)間間隔進(jìn)行分析并以數(shù)組的形式儲(chǔ)存、固化在軟件中。軟件運(yùn)行后，根據(jù)運(yùn)行時(shí)間控制自動(dòng)檢測(cè)的進(jìn)程。

4.2 上電控制與電流檢測(cè)模塊

上電控制與電流檢測(cè)模塊的程序流程圖如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)為飛控計(jì)算機(jī)供電時(shí)，開始進(jìn)行電流檢測(cè)。電流需進(jìn)行門限檢測(cè)判斷，若其超過門限范圍，則將電流異常征兆次數(shù)i加1，當(dāng)測(cè)量值連續(xù)n次(本文取5)超過門限值時(shí)，認(rèn)為供電電流存在異常，需要進(jìn)行斷電處理并報(bào)警。

圖4 上電控制與電流檢測(cè)流程

4.3 功能檢測(cè)模塊

功能測(cè)試模塊是智能檢測(cè)系統(tǒng)的核心功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛控計(jì)算機(jī)硬件接口、板卡的檢測(cè)，單項(xiàng)功能檢測(cè)流程如圖5所示。首先初始化變量i、j，i表示檢測(cè)次數(shù)，j表示故障發(fā)生的次數(shù)。然后系統(tǒng)發(fā)出檢測(cè)信號(hào)，實(shí)時(shí)接收或延時(shí)接收返回值，再將返回值與門限值進(jìn)行比較。由于單次檢測(cè)存在一定偶然性，所以每項(xiàng)功能都要檢測(cè)多次。當(dāng)返回值超出門限值時(shí)，則將故障次數(shù)加1，當(dāng)故障發(fā)生次數(shù)大于n次時(shí)，則認(rèn)為發(fā)生故障并記錄。

圖5 功能檢測(cè)流程

5 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為驗(yàn)證自動(dòng)檢測(cè)和故障診斷的功能，本文采用人為注入故障的方法進(jìn)行測(cè)試。智能飛控計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)某型飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試的接線關(guān)系示意如圖6所示。經(jīng)過多次測(cè)試后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖6 系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試接線關(guān)系

表2 故障注入測(cè)試數(shù)據(jù)記錄

由表2可以看出，飛控計(jì)算機(jī)注入的故障都能被智能檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確定位，且單次的檢測(cè)時(shí)長都在3 min以內(nèi)。而如果要人工進(jìn)行相同的測(cè)試項(xiàng)目，單次檢測(cè)時(shí)長都在6 min以上。

經(jīng)過系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試表明：系統(tǒng)各項(xiàng)功能表現(xiàn)良好，能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)對(duì)飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)期的全部功能需求。

6 結(jié)束語

飛控計(jì)算機(jī)則是飛控系統(tǒng)的大腦，因此對(duì)飛控計(jì)算機(jī)的功能進(jìn)行全自動(dòng)檢測(cè)、排除故障是無人機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障。本文設(shè)計(jì)的基于586-Driver的無人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)智能檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)飛控計(jì)算機(jī)出現(xiàn)信號(hào)異?；蚬收蠒r(shí)，能夠進(jìn)行全功能、自動(dòng)快速檢測(cè)，滿足某型飛控計(jì)算機(jī)的檢測(cè)需求，極大地節(jié)省了時(shí)間、解放了人力，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的實(shí)際效果。

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DevelopmentofUAVFlightControlComputerAutomaticDetectionSystemBasedon586-Driver

Gao Yanhui1, Xiao Liping1, Li Qiang2, Li Zhiyu1

(1.Ministerial Key Laboratory of Unmanned Aerial Vehicle Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, China; 2.Department of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

The most traditional detection of flight control computer of unmanned aerial vehicle (UAV)is manual operation, with cumbersome operation, large amount of data, vulnerable to human factors, resulting in low test efficiency, the results of subjective, lack of security.A one-button full-function detection scheme for flight control computer based on signal threshold automatic detection technology isproposed. A smart system of automatic detection is developed with 586-Driver board as the core. The interface board, power board, signal conditioning board and detection board are designed.Module function include the underlying drive, timing control, power control and current detection, functional testing, which realizes the sequential testing of the flight control computer without manual operation. The system test was carried out by using man-made fault test method. The test result shows: the system meets the requirement of detection,the efficiency of detection of UAV flight control computer is improved.

flight control computer; 586-Driver; automatic detection; signal threshold detection

2017-02-14；

2017-03-10。

高艷輝(1976-)，男，河北辛集人，碩士，助理研究員，主要從事無人機(jī)飛控系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)10-0004-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.002

V249

A