無人機結(jié)冰探測器仿真研究

熊海霞，袁冬莉，張正明

（西北工業(yè)大學 自動化學院，陜西 西安 710129）

結(jié)冰探測器為無人機環(huán)境控制系統(tǒng)的重要組成部分，其主要是用來為無人機提供結(jié)冰告警信號。特定氣象條件下，在飛機的升力表面（如機翼、螺旋槳和旋翼、發(fā)動機進氣道、擋風玻璃、外露傳感器等）迎風表面會產(chǎn)生水分凝結(jié)成冰的現(xiàn)象。當發(fā)生輕度結(jié)冰時，會使飛機升阻比大幅下降，進而造成飛行姿態(tài)控制困難，嚴重結(jié)冰時可能造成飛機操縱翼面發(fā)生失效[1]。所以在飛機上安裝結(jié)冰探測器為飛機結(jié)冰情況提供預警信號，具有重要意義。

在無人機的開發(fā)過程中，往往是硬件和軟件設計并向進行，這樣可以大大縮減研制周期。而在軟件的開發(fā)過程中又需要硬件的接口數(shù)據(jù)，這就要求在硬件成形之前就要有數(shù)據(jù)輸出，建模仿真為此提供了很好的解決方法。文中建立了無人機結(jié)冰探測器的數(shù)學模型，為無人機控制軟件的設計與調(diào)試提供了重要的數(shù)據(jù)，縮短了飛機的開發(fā)周期。

1 結(jié)冰探測器介紹

結(jié)冰探測器探測飛機的結(jié)冰情況，對結(jié)冰速率進行實時解算，輸出結(jié)冰告警信號、結(jié)冰速率信號和結(jié)冰探測器故障信號。

結(jié)冰探測器由敏感部件、解算部件組成。解算部件給敏感部件提供激勵信號，敏感部件的探頭在激勵信號和位于敏感部件上的電磁系統(tǒng)作用下，產(chǎn)生穩(wěn)定的振動即工作頻率。當有冰沉積到敏感部件的探頭上時，其質(zhì)量變化，從而使工作頻率降低。解算部件根據(jù)頻率的變化，判定探頭上已有冰層的厚度，解算結(jié)冰速率。

結(jié)冰探測器具有自身加熱除冰的功能，輸出結(jié)冰速率信號后，自身電加熱除冰。圖1給出了結(jié)冰探測器的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 結(jié)冰探測器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the icing probe

為了建模方便需要對結(jié)冰探測器的物理框圖進行簡化，如圖2所示，將結(jié)冰探測器的數(shù)學模型簡化為4部分：結(jié)冰模擬、探頭頻率模擬、加熱模擬、結(jié)冰厚度解算。模型的輸出為結(jié)冰速率信號、結(jié)冰告警信號、結(jié)冰探測器故障信號。

圖2 結(jié)冰探測器簡化框圖Fig.2 Simplified structure diagram of the icing prob

2 結(jié)冰探測器模型

2.1 結(jié)冰模擬模塊模型

該模塊模擬結(jié)冰過程，其中rate模擬當前環(huán)境中探頭的結(jié)冰速率，heating模擬加熱除冰過程，thick模擬結(jié)冰厚度。當結(jié)冰厚度達到1 mm或結(jié)冰厚度達到0.5 mm超過60 s時，heating為1，模擬給探頭加熱除冰。探頭結(jié)冰厚度初始值為0，結(jié)冰厚度后面的飽和環(huán)節(jié)設置了結(jié)冰厚度的限定值，當前設置的上限值為2.5 mm （由于在探頭厚度達到1 mm后，探頭即加熱除冰，且探頭加熱功率達到300 W，因此探頭處的結(jié)冰厚度并不會達到2.5 mm），下限值為0 mm。如圖3所示為結(jié)冰模擬模塊結(jié)構(gòu)。

圖3 結(jié)冰模擬模塊Fig.3 Structure diagram of icing

2.2 加熱模塊模型

該模塊在符合要求的條件下模擬給探頭加熱除冰，其中iceThick為輸入模擬結(jié)冰厚度，heat為輸出模擬加熱功能。加熱10 s后，若結(jié)冰厚度仍超過0.5 mm且持續(xù)60 s或結(jié)冰厚度達到1 mm，則對探頭繼續(xù)加熱，否則，結(jié)束加熱。如圖4所示。

圖4 加熱模塊Fig.4 Structure diagram of heating

2.3 探頭頻率模擬模塊模型

該模塊模擬結(jié)冰探測器探頭對應不同結(jié)冰厚度下的輸出頻率[2]，其中frequency為輸出模擬探頭頻率。如圖5所示。

圖5 探頭頻率模擬模塊Fig.5 Structure diagram of the probe

2.4 解算結(jié)冰速率模塊模型

該模塊模擬根據(jù)不同輸出頻率解算結(jié)冰厚度，同時該模塊實現(xiàn)以下功能：

1）探頭處結(jié)冰厚度達到0.5 mm時，輸出結(jié)冰告警信號；

2）達到1 mm后輸出結(jié)冰速率信號；

3）加熱結(jié)束后60 s內(nèi)結(jié)冰厚度未達到0.5 mm，告警信號結(jié)束，告警信號結(jié)束的同時不再輸出結(jié)冰速率信號。

圖6為解算結(jié)冰速率模塊結(jié)構(gòu)，其中frequency和heat為輸入，thickness、icewarn、iceRate為輸出分別代表解算出的結(jié)冰厚度、結(jié)冰告警和解算出的結(jié)冰速率。iceRateTest模塊模擬解算結(jié)冰速率后的輸出裝置。

3 模型仿真實現(xiàn)

當初始結(jié)冰速率為0.8 mm/s并在400 s時結(jié)冰速率轉(zhuǎn)換為2 mm/s，仿真曲線如圖7所示。

圖7中，當結(jié)冰速率為0.8 mm/s時，結(jié)冰63 s后，結(jié)冰厚度達到0.5 mm，此時結(jié)冰探測器告警信號變?yōu)?，發(fā)出結(jié)冰告警信號。但由于此時結(jié)冰厚度未達到1 mm，所以未輸出結(jié)冰速率信號。在123 s時，結(jié)冰厚度達到0.5 mm以上已經(jīng)持續(xù)60 s，此時結(jié)冰探測器開始加熱除冰。在126 s時，結(jié)冰厚度下降到0.5 mm以下，結(jié)冰告警信號并未立即消失，而是在186 s即60 s后消失。在400 s時，結(jié)冰速率由0.8 mm/s變?yōu)? mm/s。由于結(jié)冰厚度達到1 mm，所以當結(jié)冰速率為2 mm/s時，輸出結(jié)冰速率信號為2 mm/s。在421.5 s時，結(jié)冰厚度在加熱后降為0.5 mm以下，但當478 s時，結(jié)冰厚度又達到了0.5 mm以上，由于時間間隔未到60 s，所以結(jié)冰告警信號一直未消失。同時由于結(jié)冰速率增大，結(jié)冰加快，所以結(jié)冰探測器加熱頻率增快。

4 實時仿真

4.1 實時仿真平臺組成

結(jié)冰探測器仿真系統(tǒng)包括：兩臺PC機、兩臺工控機[3-4]。一臺PC機運行LabVIEW[5]控制界面，另一臺PC機運行LabV IEW顯示界面。一臺工控機運行結(jié)冰探測器模型，另一臺工控機運行實現(xiàn)控制功能的軟件，這兩臺工控機的操作系統(tǒng)均為VxWorks。實時仿真系統(tǒng)的具體構(gòu)成如圖8所示。

圖6 解算結(jié)冰速率模塊結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure diagram of icing rate

圖7 結(jié)冰探測器仿真曲線Fig.7 Simulation results of the icing probe

圖8 實時仿真系統(tǒng)Fig.8 Real-time simulation system of the icing probe

兩臺PC機在XP系統(tǒng)下分別運行LabVIEW編寫的控制界面和顯示界面，控制界面用來輸入控制指令，這些控制指令通過以太網(wǎng)傳輸?shù)絻膳_工控機中；顯示界面用來顯示模型的運算結(jié)果，顯示界面可以查看模型結(jié)果是否符合預期要求。兩臺工控機均搭載VxWorks操作系統(tǒng)，分別為模型機和控制軟件機，模型機上運行的是在Simulink環(huán)境下建立的并經(jīng)過RTW下載技術生成的結(jié)冰探測器數(shù)學模型可執(zhí)行代碼；控制軟件機運行的是對模型進行控制和故障處理的軟件。

4.2 文件配置

由于軟件需要與多個外部系統(tǒng)進行收發(fā)數(shù)據(jù)的交互，故該仿真平臺采用UDP通信實現(xiàn)兩臺PC機與兩臺工控機間的數(shù)據(jù)通信。

為了能夠?qū)⒔⒑玫姆抡婺Ｐ晚樌D(zhuǎn)化為可加載的目標文件，需要對RTW以及Tornado做相應的設置，不同MATLAB版本的配置過程可能會略有區(qū)別，本文使用的是MATLAB R2012a版本，配置過程見參考文獻[6]。

5 結(jié) 論

本文通過對無人機結(jié)冰探測器功能和部分實驗數(shù)據(jù)的分析，建立了結(jié)冰探測器的Simulink模型能夠較好的模擬出無人機結(jié)冰探測器的工作特性。以搭載由VxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)的ARK-5260工控機和XP操作系統(tǒng)的PC機為仿真平臺，并利用RTW下載技術將建立的Simulink模型下載到工控機中實現(xiàn)了對無人機結(jié)冰探測器的實時仿真，其仿真結(jié)果在LabVIEW顯示界面中進行實時顯示，此仿真平臺很好的模擬了結(jié)冰探測器的功能，為類似仿真提供了一定的參考。

[1]蔣天俊.結(jié)冰對飛機飛行性能影響的研究[M].南京:南京航空航天大學，2008.

[2]王穎.壓電諧振式結(jié)冰傳感器數(shù)學模型研究 [M].武漢:華中科技大學，2006.

[3]鮑泳林，袁冬莉，張宇坤.某型飛機燃油系統(tǒng)交輸供油功能實時仿真[J].科學技術與工程，2012，20（25）:6390－6394.BAO Yong-lin，YUAN Dong-li，ZHANG Yu-kun.Real-time simulation of the cross-feed function of one aircraft fuel system[J].Science Technology and Engineering，2012，20（25）:6390－6394.

[4]張正明，袁冬莉，呂鵬.某型無人機液冷裝置的實時仿真[J].電子設計工程，2013，21（15）:1－3.ZHANG Zheng-ming，YUAN Dong-li，LV Peng.Real-time simulation of the liquid cooling system of one UAV[J].Electronic Design Engineering，2013，21（15）:1－3.

[5]楊樂平.LabVIEW高級程序設計[M].北京:清華大學出版社，2003.

[6]張正明.無人機燃油、環(huán)控系統(tǒng)仿真與機電軟件設計[M].西安:西北工業(yè)大學，2014.