無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)as的研制

無(wú)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(cè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方案軍事飛機(jī)飛機(jī)將探測(cè)、實(shí)戰(zhàn)模擬和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)融為一體，將成為軍事演習(xí)、實(shí)戰(zhàn)模擬和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的奇跡。飛行控制系統(tǒng)是無(wú)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(cè)的傳統(tǒng)測(cè)試方法,以人工操作為主,各部件分別對(duì)應(yīng)專用測(cè)試設(shè)備,通過(guò)實(shí)物面板的按鈕和開(kāi)關(guān)切換測(cè)試項(xiàng),手工記錄測(cè)試數(shù)據(jù),測(cè)試過(guò)程對(duì)測(cè)試者的專業(yè)素質(zhì)要求高,測(cè)試準(zhǔn)確性依賴測(cè)試者的經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)飛行控制系統(tǒng)部件性能檢測(cè)的被檢信號(hào)種類多、數(shù)量大、特性范圍寬的特點(diǎn),本文應(yīng)用計(jì)算機(jī)(computer)、通訊(communicate)和控制(control)的3C技術(shù),研制了一臺(tái)具有自動(dòng)化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化特點(diǎn)的高集成度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。下面結(jié)合某型無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研制過(guò)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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)某型無(wú)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(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱飛控計(jì)算機(jī))、陀螺平臺(tái)TPW、速率陀螺TSZ、磁羅盤LP、GPS接收機(jī)、大氣數(shù)據(jù)計(jì)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(cè)試要求主要包括二個(gè)面:①供電電源情況檢測(cè):包括工作電壓、工作電流,啟動(dòng)電流、啟動(dòng)時(shí)間的檢測(cè);②近400個(gè)通道的模擬/數(shù)字信號(hào)的輸入輸出特性參數(shù)的檢測(cè)。針對(duì)該型無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)研制的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)包括自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備(ATE)、接口適配器、各傳感器的激勵(lì)裝置三部分,如圖2所示。自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備是在PXI總線架構(gòu)上構(gòu)建的測(cè)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(wàn)用表卡共6塊PXI型插卡;接口適配器由一臺(tái)集供電、濾波、驅(qū)動(dòng)、電平轉(zhuǎn)換的綜合控制箱構(gòu)成。被測(cè)設(shè)備在激勵(lì)系統(tǒng)系統(tǒng)的激勵(lì)下,將響應(yīng)信號(hào)匯合到接口適配器,然后供自動(dòng)檢測(cè)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(gè)型號(hào)積累的研制和維護(hù)經(jīng)驗(yàn),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(chǎng)人員提供專家水平的維護(hù)保障。在現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)服務(wù)系統(tǒng)的作用下,ATE上的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)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(jì)算機(jī)模擬量的檢測(cè)數(shù)字式機(jī)載部件指的是以輸出弱功率數(shù)字信號(hào)為主的飛控機(jī)載部件,即飛控計(jì)算機(jī)、磁羅盤LP、導(dǎo)航GPS、安控GPS、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)XSC。測(cè)試原理見(jiàn)圖3,PXI-6722型DA卡和PXI-6220型AD卡組成飛行控制計(jì)算機(jī)模擬量、離散量通道的激勵(lì)響應(yīng)閉環(huán)測(cè)試通路。PXI-8431/8型串口通訊卡實(shí)現(xiàn)飛行控制計(jì)算機(jī)串口通道的信號(hào)模擬,與飛控計(jì)算機(jī)性能自動(dòng)測(cè)試過(guò)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(jì)算機(jī)XSC,其性能檢測(cè)電氣接口也是通過(guò)PXI-8431/8型串口通訊卡實(shí)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(cè)試技術(shù)完成一次檢測(cè)多個(gè)部件的功能,增加了單位時(shí)間內(nèi)被測(cè)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(cè)試原理陀螺平臺(tái)、速率陀螺、舵機(jī)的檢測(cè)中,信號(hào)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(jí)到數(shù)安培級(jí),幾歐姆到數(shù)千歐姆,若用AD卡測(cè)試這些信號(hào),設(shè)計(jì)者就要按信號(hào)種類、功率、范圍設(shè)計(jì)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(jì)用PXI-4060型卡式萬(wàn)用表測(cè)試,完全省去了以上變換電路,并保證了寬范圍下信號(hào)的測(cè)試精度,其測(cè)試原理如圖4所示。以PXI總線型自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備為控制與處理核心,采用開(kāi)關(guān)陣技術(shù),建立被測(cè)部件陀螺平臺(tái)、速率陀螺、電動(dòng)舵機(jī)的被檢信號(hào)與開(kāi)關(guān)陣間的映射拓?fù)淠Ｐ?被檢信號(hào)在測(cè)試過(guò)程中按程序自動(dòng)地接入測(cè)試系統(tǒng),送入萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)試。3主要技術(shù)的困難3.1測(cè)點(diǎn)電源開(kāi)關(guān)映射拓勉庫(kù)的建立接口適配器是該套ATS的信號(hào)轉(zhuǎn)接樞紐和集線裝置,通過(guò)PXI-2567型控制卡,和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)板組成的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò),電源信號(hào)、激勵(lì)信號(hào)、測(cè)試資源按程序要求自動(dòng)匹配到對(duì)應(yīng)的被測(cè)端口。開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)上百個(gè)功率開(kāi)關(guān)控制的信號(hào)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(hào)特性的綜合。功率開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中,一旦切換對(duì)象、切換時(shí)間出現(xiàn)差錯(cuò),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(cè)部件(UUT)的損毀。因此我們對(duì)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制信號(hào)進(jìn)行建模,分別設(shè)計(jì)了三個(gè)控制模型:電源開(kāi)關(guān)控制模型、測(cè)點(diǎn)測(cè)試開(kāi)關(guān)控制模型和萬(wàn)用表端子開(kāi)關(guān)控制模型,每個(gè)控制模型用向量表示,向量元素映射為功率開(kāi)關(guān)控制信號(hào),控制信號(hào)的取值對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)通斷狀態(tài),“0”值代表開(kāi)關(guān)斷開(kāi),“1”值代表接通。根據(jù)UUT和測(cè)點(diǎn)要求,依次對(duì)電源開(kāi)關(guān)控制向量、測(cè)試開(kāi)關(guān)控制向量、萬(wàn)用表開(kāi)關(guān)控制向量賦定值,建立測(cè)點(diǎn)與三類開(kāi)關(guān)控制向量的映射拓樸庫(kù)。假設(shè)控制電源通路的開(kāi)關(guān)共有20個(gè)(K1、K2、…、Ki、…、K20),建立一個(gè)20個(gè)元素的邏輯序列向量式Kp={Kp1、Kp2、…、Kpi、…、Kp20},需要接通的開(kāi)關(guān)賦值“1”,不需要接通的開(kāi)關(guān)賦值“0”。每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目賦予一個(gè)索引編號(hào)i,第i項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的電源開(kāi)關(guān)邏輯序列向量設(shè)為Kp(i),有多少測(cè)試項(xiàng)目,就有多少個(gè)電源開(kāi)關(guān)邏輯序列向量,構(gòu)成測(cè)點(diǎn)電源開(kāi)關(guān)映射拓樸庫(kù)。設(shè)全部測(cè)試項(xiàng)目設(shè)為30項(xiàng),其開(kāi)關(guān)映射拓樸庫(kù)為一個(gè)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(duì)開(kāi)關(guān)操作是通過(guò)操作開(kāi)關(guān)編號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此再建立一個(gè)開(kāi)關(guān)KP1、KP2、…、KPi、…、KP20的操作編號(hào)向量Oper-P={Index1、…、Indexi、…、Index20}向量中操作編號(hào)的位置與電源開(kāi)關(guān)邏輯序列向量元素位置一一對(duì)應(yīng)。同理建立一個(gè)測(cè)點(diǎn)開(kāi)關(guān)邏輯序列向量,假設(shè)共有30個(gè)測(cè)試項(xiàng)目需要萬(wàn)用表測(cè)試,建立一個(gè)30個(gè)元素邏輯序列向量Kt={Kt1、Kt2、…、Kti、…、Kt30},30個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的開(kāi)關(guān)映射拓樸庫(kù)為30×30的二維向量KT[30×30],以及測(cè)點(diǎn)開(kāi)關(guān)的編號(hào)操作向量Oper-T={Index1、Index2、…Indexi、…、Index30}?？ㄊ饺f(wàn)用表的電壓電阻檔共用一個(gè)測(cè)試端子,電流檔為另一個(gè)測(cè)試端子,分別用2個(gè)開(kāi)關(guān)控制。對(duì)應(yīng)30個(gè)測(cè)試項(xiàng)目,萬(wàn)用表端子映射拓?fù)鋷?kù)設(shè)為Kb,是一個(gè)30×2的二維向量。測(cè)試開(kāi)始時(shí),全部開(kāi)關(guān)初始化成斷開(kāi)狀態(tài)。在操作軟面板中選擇測(cè)試項(xiàng)目,ATS的CPU獲取該測(cè)試項(xiàng)目的索引編號(hào)i,從映射拓樸庫(kù)調(diào)出該測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電源、測(cè)點(diǎn)、測(cè)試端子的開(kāi)關(guān)邏輯序列向量,使用循環(huán)方式,Kp[i×20]的20個(gè)元素值依次賦給Oper-P向量,Kt[i×20]的30個(gè)元素值賦給Oper-T向量,控制開(kāi)關(guān)通斷,操作每個(gè)開(kāi)關(guān)后,再延時(shí)10ms。最后操作對(duì)應(yīng)的卡式萬(wàn)用表測(cè)試端子向量,將被檢信號(hào)送入萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)試,圖5為測(cè)試流程。開(kāi)關(guān)陣拓?fù)淠Ｐ蛢?yōu)化設(shè)計(jì),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(hào)綜合的可靠性難題,堅(jiān)實(shí)了單臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)集中多種設(shè)備性能檢測(cè)的技術(shù)基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)系統(tǒng)的小型化、緊湊化,以及開(kāi)放性等特性。3.2電纜束的傳輸以信號(hào)傳輸為例該自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)多信號(hào)的綜合系統(tǒng),電磁環(huán)境復(fù)雜,對(duì)自動(dòng)檢測(cè)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(jì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(hào),消除異步串行通訊信號(hào)上的差模干擾;屏蔽電纜傳輸模擬量信號(hào),屏蔽體單端與外殼地、“大地”連接,信號(hào)線和回線一起被屏蔽。2)電氣隔離:ATS與UUT的被測(cè)信號(hào)間,使用光耦隔離設(shè)計(jì),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(duì)UUT和ATS的沖擊干擾。3)連線冗余:電源線、重要信號(hào)線采用多點(diǎn)多線信號(hào)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(hào)線、敏感模擬信號(hào)線、數(shù)字信號(hào)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(hào)地連接公共電源地時(shí),采用0Ω電阻相接的單點(diǎn)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(dòng)檢測(cè)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(hào)發(fā)生、信號(hào)分析、信號(hào)處理、專業(yè)儀器面板等實(shí)物儀器,用應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)。信號(hào)激勵(lì)軟件生成頻率波形可變的模擬量信號(hào),模擬無(wú)人機(jī)的航姿信息,激勵(lì)飛控計(jì)算機(jī)的模擬量通道工作;生成數(shù)字IO型的離散量,激勵(lì)飛控計(jì)算機(jī)離散量通道工作;生成高速序列串口激勵(lì)信號(hào),仿真飛行控制系統(tǒng)串口類機(jī)載傳感器的通訊量,激勵(lì)飛控計(jì)算機(jī)通訊量通道工作。信號(hào)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(shí)物面板的旋鈕和開(kāi)關(guān)。顯示軟面板取代示波器、電流、電壓、電阻、狀態(tài)燈等實(shí)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(jiǎn)化系統(tǒng)的體積結(jié)構(gòu),減少專用性,同時(shí)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(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)的主要內(nèi)容本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)要完成飛控計(jì)算機(jī)、陀螺平臺(tái)TPW、速率陀螺TSZ、磁羅盤LP、GPS接收機(jī)、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)XSC、交流電動(dòng)舵機(jī)DCD2A/2B/2C共7種部件的性能自動(dòng)檢測(cè)功能。該套系統(tǒng)在通過(guò)出廠質(zhì)量評(píng)審后,交付使用方并在使用方進(jìn)行外場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)。由于該檢測(cè)系統(tǒng)功能強(qiáng)、幅值寬、信號(hào)種類多,在這里不可能一一介紹,本文給出外場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)的部分內(nèi)容,一是各類信號(hào)測(cè)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(cè)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(jì)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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)與已檢定的臺(tái)式F8840A和FLUKE的F87兩臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)表同時(shí)對(duì)被測(cè)項(xiàng)進(jìn)行測(cè)試,電壓、電流、電阻測(cè)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(cè)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(xiàng),用自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試到的數(shù)據(jù)列,與F8840A和F87測(cè)試值間的誤差關(guān)系,最大誤差分別為±5mV、±2Ω、5mA。表1對(duì)系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果與研制要求進(jìn)行了對(duì)比,可以看出通常測(cè)試精度較低的交流小信號(hào)在本系統(tǒng)里也高于研制要求的6倍,其他信號(hào)的測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)圖點(diǎn),■表示F87測(cè)試數(shù)據(jù)圖點(diǎn)。4.2外場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的外部數(shù)據(jù)接口為RS422異步串行口,測(cè)試過(guò)程V/H激勵(lì)裝置模擬無(wú)人機(jī)在空中的大氣狀態(tài),大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)通過(guò)RS422輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)幀到PXI-8431卡的串口,PXI型自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備對(duì)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(shí)將比較結(jié)果存儲(chǔ)在電子記錄表文件里。表2為外場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)操作大氣機(jī)檢測(cè)軟件,就可以完成大氣機(jī)性能的自動(dòng)測(cè)試,并且無(wú)需人工記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。4.3外場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)舵機(jī)的性能檢測(cè)項(xiàng)包括:±15V輸入電壓、電位計(jì)電刷接觸性、鼓輪最大轉(zhuǎn)速、電磁離合器、激磁36V、測(cè)速電機(jī)輸出、電位計(jì)對(duì)稱性等,測(cè)試項(xiàng)多、信號(hào)種類多、幅值寬,測(cè)試要求復(fù)雜。在Labview8.2.1平臺(tái)上用多個(gè)并行線程開(kāi)發(fā)了界面友好直觀的監(jiān)測(cè)控制平臺(tái),應(yīng)用開(kāi)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(cè)試。表3為外場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)的舵機(jī)檢測(cè)結(jié)果。本文提供的舵機(jī)性能測(cè)試方法,完全摒棄了傳統(tǒng)的手工操作方式,測(cè)試流程清晰,測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示,特別是改人工監(jiān)聽(tīng)和秒表計(jì)時(shí)的鼓輪轉(zhuǎn)速測(cè)試方法為計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)測(cè)試方法,測(cè)試精度高。5測(cè)試系統(tǒng)的改進(jìn)和測(cè)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(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓樸優(yōu)化和儀器軟件化的設(shè)計(jì)思想,在一臺(tái)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)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(dòng)檢測(cè)要求,測(cè)試精度普遍提高了20