无人机飞行控制系统as的研制

无人机飞行控制系统as的研制

1飞行控制系统部件性能检测标准试验方案军事飞机飞机将探测、实战模拟和未来战争融为一体，将成为军事演习、实战模拟和未来战争的奇迹。飞行控制系统是无人机航电系统的核心部分,承担了飞行控制、自主导航和任务控制多重职能,系统组成复杂,部件性能各异。飞行控制系统部件性能检测的传统测试方法,以人工操作为主,各部件分别对应专用测试设备,通过实物面板的按钮和开关切换测试项,手工记录测试数据,测试过程对测试者的专业素质要求高,测试准确性依赖测试者的经验。针对飞行控制系统部件性能检测的被检信号种类多、数量大、特性范围宽的特点,本文应用计算机(computer)、通讯(communicate)和控制(control)的3C技术,研制了一台具有自动化、通用化、标准化特点的高集成度自动检测系统。下面结合某型无人机飞行控制系统自动检测系统的研制过程,详细阐述其组成构架、工作原理、关键技术,及其工程应用结果。2自动检测系统某型无人机飞行控制系统机载设备如图1所示,由控制与导航计算机(简称飞控计算机)、陀螺平台TPW、速率陀螺TSZ、磁罗盘LP、GPS接收机、大气数据计算机XSC、舵机执行机构DCD2A/2B/2C组成。飞行控制系统性能测试要求主要包括二个面:①供电电源情况检测:包括工作电压、工作电流,启动电流、启动时间的检测;②近400个通道的模拟/数字信号的输入输出特性参数的检测。针对该型无人机飞行控制系统研制的自动检测系统包括自动检测设备(ATE)、接口适配器、各传感器的激励装置三部分,如图2所示。自动检测设备是在PXI总线架构上构建的测试控制、数据采集、故障推理的装置,包括8槽PXI机箱组件(PXI-1042),PXI-8106型零槽控制器、PXI-6722型DA卡、PXI-6220型AD卡、PXI-2567型继电器控制卡、PXI-8431/8型串口通讯卡、PXI-4060型万用表卡共6块PXI型插卡;接口适配器由一台集供电、滤波、驱动、电平转换的综合控制箱构成。被测设备在激励系统系统的激励下,将响应信号汇合到接口适配器,然后供自动检测设备采集处理和分析显示。飞行控制系统的故障关联性强,诱发因素多,难以建立适宜的数学模型。结合多个型号积累的研制和维护经验,和众多诊断案例,将案例推理的故障诊断专家系统嵌入到高性能PC型PXI-8106零槽控制器中,为现场人员提供专家水平的维护保障。在现场节点服务系统的作用下,ATE上的检测数据通过TCP/IP的方式传输至局域网内,供远程专家进行分析。2.1飞行控制计算机模拟量的检测数字式机载部件指的是以输出弱功率数字信号为主的飞控机载部件,即飞控计算机、磁罗盘LP、导航GPS、安控GPS、大气数据计算机XSC。测试原理见图3,PXI-6722型DA卡和PXI-6220型AD卡组成飞行控制计算机模拟量、离散量通道的激励响应闭环测试通路。PXI-8431/8型串口通讯卡实现飞行控制计算机串口通道的信号模拟,与飞控计算机性能自动测试过程的监控与操作。导航GPS、安控GPS、磁航向LP、大气数据计算机XSC,其性能检测电气接口也是通过PXI-8431/8型串口通讯卡实现。在PXI-8431/8型多串口卡的硬件基础上,应用了并行测试技术完成一次检测多个部件的功能,增加了单位时间内被测件的数量,提高了系统的吞吐率。2.2ad卡式覆盖函数的测试原理陀螺平台、速率陀螺、舵机的检测中,信号种类多,幅值范围跨度大,从交流到直流,从电压、电流、到电阻,辐值从数毫伏到数百伏,数毫安级到数安培级,几欧姆到数千欧姆,若用AD卡测试这些信号,设计者就要按信号种类、功率、范围设计众多不同挡的功率、电流电压、电阻电压等变换电路,硬件结构庞大复杂。本文设计用PXI-4060型卡式万用表测试,完全省去了以上变换电路,并保证了宽范围下信号的测试精度,其测试原理如图4所示。以PXI总线型自动检测设备为控制与处理核心,采用开关阵技术,建立被测部件陀螺平台、速率陀螺、电动舵机的被检信号与开关阵间的映射拓扑模型,被检信号在测试过程中按程序自动地接入测试系统,送入万用表进行测试。3主要技术的困难3.1测点电源开关映射拓勉库的建立接口适配器是该套ATS的信号转接枢纽和集线装置,通过PXI-2567型控制卡,和开关驱动板组成的开关网络,电源信号、激励信号、测试资源按程序要求自动匹配到对应的被测端口。开关网络上百个功率开关控制的信号通路,电路特性各异,是强弱功率、数字模拟、离散连续、交直流多种信号特性的综合。功率开关工作过程中,一旦切换对象、切换时间出现差错,将出现不可预知的异常现象,导致ATS系统,甚至被测部件(UUT)的损毁。因此我们对开关网络的控制信号进行建模,分别设计了三个控制模型:电源开关控制模型、测点测试开关控制模型和万用表端子开关控制模型,每个控制模型用向量表示,向量元素映射为功率开关控制信号,控制信号的取值对应开关通断状态,“0”值代表开关断开,“1”值代表接通。根据UUT和测点要求,依次对电源开关控制向量、测试开关控制向量、万用表开关控制向量赋定值,建立测点与三类开关控制向量的映射拓朴库。假设控制电源通路的开关共有20个(K1、K2、…、Ki、…、K20),建立一个20个元素的逻辑序列向量式Kp={Kp1、Kp2、…、Kpi、…、Kp20},需要接通的开关赋值“1”,不需要接通的开关赋值“0”。每个测试项目赋予一个索引编号i,第i项测试项目对应的电源开关逻辑序列向量设为Kp(i),有多少测试项目,就有多少个电源开关逻辑序列向量,构成测点电源开关映射拓朴库。设全部测试项目设为30项,其开关映射拓朴库为一个30×20的二维向量Kp[30×20],如式(1):Κp[30×20]=[ΚΡ11ΚΡ12ΚΡ13⋯ΚΡ120ΚΡ21ΚΡ22ΚΡ23⋯ΚΡ120⋮ΚΡi1ΚΡi2ΚΡi3⋯ΚΡi20⋮](1)系统对开关操作是通过操作开关编号来实现的。因此再建立一个开关KP1、KP2、…、KPi、…、KP20的操作编号向量Oper-P={Index1、…、Indexi、…、Index20}向量中操作编号的位置与电源开关逻辑序列向量元素位置一一对应。同理建立一个测点开关逻辑序列向量,假设共有30个测试项目需要万用表测试,建立一个30个元素逻辑序列向量Kt={Kt1、Kt2、…、Kti、…、Kt30},30个测试项目的开关映射拓朴库为30×30的二维向量KT[30×30],以及测点开关的编号操作向量Oper-T={Index1、Index2、…Indexi、…、Index30}。卡式万用表的电压电阻档共用一个测试端子,电流档为另一个测试端子,分别用2个开关控制。对应30个测试项目,万用表端子映射拓扑库设为Kb,是一个30×2的二维向量。测试开始时,全部开关初始化成断开状态。在操作软面板中选择测试项目,ATS的CPU获取该测试项目的索引编号i,从映射拓朴库调出该测点对应的电源、测点、测试端子的开关逻辑序列向量,使用循环方式,Kp[i×20]的20个元素值依次赋给Oper-P向量,Kt[i×20]的30个元素值赋给Oper-T向量,控制开关通断,操作每个开关后,再延时10ms。最后操作对应的卡式万用表测试端子向量,将被检信号送入万用表进行测试,图5为测试流程。开关阵拓扑模型优化设计,有效地解决了强弱功率、数字模拟、离散连续、交直流多种信号综合的可靠性难题,坚实了单台测试系统集中多种设备性能检测的技术基础,实现了检测系统的小型化、紧凑化,以及开放性等特性。3.2电缆束的传输以信号传输为例该自动检测系统是一个多信号的综合系统,电磁环境复杂,对自动检测系统的电磁兼容性提出了较高要求。系统电磁兼容性设计主要体现在以下几个方面:1)传输通道抑制:双绞屏蔽电缆传输异步串行通讯信号,消除异步串行通讯信号上的差模干扰;屏蔽电缆传输模拟量信号,屏蔽体单端与外壳地、“大地”连接,信号线和回线一起被屏蔽。2)电气隔离:ATS与UUT的被测信号间,使用光耦隔离设计,采用光方法切断地环路,有效防止继电器负载产生的大电流对UUT和ATS的冲击干扰。3)连线冗余:电源线、重要信号线采用多点多线信号传输方式。4)连线分类传输:ATS的全部连线分成大电流电源线、一般模拟信号线、敏感模拟信号线、数字信号线,不同类型的连线分配到不同的电缆束。5)地环路干扰抑制:ATS系统中的数字电路,模拟电路分区域布线,各成回路,数字地、模拟地、信号地连接公共电源地时,采用0Ω电阻相接的单点接地方式,不同种类的地环路被隔离,切除了因公共地阻抗,不同类型地间相互调制通道,减少了串扰。多种干扰抑制技术有效地增加了自动检测系统的可靠性。3.3仿真的功能电路贯彻“仪器即软件”的思想,将信号发生、信号分析、信号处理、专业仪器面板等实物仪器,用应用软件实现。信号激励软件生成频率波形可变的模拟量信号,模拟无人机的航姿信息,激励飞控计算机的模拟量通道工作;生成数字IO型的离散量,激励飞控计算机离散量通道工作;生成高速序列串口激励信号,仿真飞行控制系统串口类机载传感器的通讯量,激励飞控计算机通讯量通道工作。信号处理软件,则用软件型数字滤波器取代硬件滤波电路。操作软面板取代实物面板的旋钮和开关。显示软面板取代示波器、电流、电压、电阻、状态灯等实物指示仪表。仪器软件化技术的采用,最大限度地降低系统成本,简化系统的体积结构,减少专用性,同时增强系统的功能与配置的灵活性,提高可扩展性。4外场验收试验的主要内容本文设计的自动检测系统要完成飞控计算机、陀螺平台TPW、速率陀螺TSZ、磁罗盘LP、GPS接收机、大气数据计算机XSC、交流电动舵机DCD2A/2B/2C共7种部件的性能自动检测功能。该套系统在通过出厂质量评审后,交付使用方并在使用方进行外场验收试验。由于该检测系统功能强、幅值宽、信号种类多,在这里不可能一一介绍,本文给出外场验收试验的部分内容,一是各类信号测试精度的标定方法及其标定结果;二是提供两种具有代表性的部件性能检测方法和结果,其中数字式机载部件以大气数据计算机为代表,模拟式机载部件以舵机为代表。4.1电流和电阻标定该型自动检测系统与已检定的台式F8840A和FLUKE的F87两台标准表同时对被测项进行测试,电压、电流、电阻测试精度的标定原理如图6所示,改变通路上可变电位器的阻值,被测通路的电流、电压或电阻就发生变化。图7表示的是15V直流电压、2000Ω电阻、400mA交流电流标定项,用自动检测系统测试到的数据列,与F8840A和F87测试值间的误差关系,最大误差分别为±5mV、±2Ω、5mA。表1对系统的标定结果与研制要求进行了对比,可以看出通常测试精度较低的交流小信号在本系统里也高于研制要求的6倍,其他信号的测试精度至少高于研制要求的10倍以上,高的达到300倍。图7(a)(b)(c)中◆表示F8840A测试数据图点,■表示F87测试数据图点。4.2外场试验检测结果大气数据计算机的外部数据接口为RS422异步串行口,测试过程V/H激励装置模拟无人机在空中的大气状态,大气数据计算机通过RS422输出相应数据帧到PXI-8431卡的串口,PXI型自动检测设备对数据帧解码与处理,比较判断输出数据的合格性,同时将比较结果存储在电子记录表文件里。表2为外场验收试验的检测结果。通过操作大气机检测软件,就可以完成大气机性能的自动测试,并且无需人工记录测试数据。4.3外场验收试验舵机的性能检测项包括:±15V输入电压、电位计电刷接触性、鼓轮最大转速、电磁离合器、激磁36V、测速电机输出、电位计对称性等,测试项多、信号种类多、幅值宽,测试要求复杂。在Labview8.2.1平台上用多个并行线程开发了界面友好直观的监测控制平台,应用开关网络拓扑模型化的思想,程序控制完成舵机的性能测试。表3为外场验收试验的舵机检测结果。本文提供的舵机性能测试方法,完全摒弃了传统的手工操作方式,测试流程清晰,测试数据实时显示,特别是改人工监听和秒表计时的鼓轮转速测试方法为计算机控制的自动测试方法,测试精度高。5测试系统的改进和测试效率在高性能PXI型虚拟仪器总线技术的基础上,采用开关网络拓朴优化和仪器软件化的设计思想,在一台自动检测系统中实现了飞行控制系统全部机载部件性能参数的快速自动检测要求,测试精度普遍提高了20