基于STM32的無人機(jī)雪橇式減震器監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

師 卓，金大海

(西安工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，西安 710048)

基于STM32的無人機(jī)雪橇式減震器監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

師 卓，金大海

(西安工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，西安 710048)

為了能夠?qū)︼w機(jī)雪橇式減震器的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)保存，設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103ZET6的雪橇式減震器檢測系統(tǒng);利用壓力傳感器和光柵尺完成減震器壓力與壓縮距離的采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以C#軟件平臺(tái)開發(fā)的作為上位機(jī)采集，處理壓力數(shù)據(jù)，借助圖形用戶接口控件實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)和曲線的顯示，借助SQL數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，便于管理員讀取;上位機(jī)與下位機(jī)的傳輸利用WIFI信號(hào)進(jìn)行;測試結(jié)果表明：雪橇式減震器監(jiān)測系統(tǒng)精度達(dá)到0.01%。

C#;SQL;壓力采集;最小二乘法

0 引言

對(duì)飛機(jī)減震器的質(zhì)量評(píng)估有兩種方式：一種動(dòng)態(tài)載荷方式，即落震試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)將飛機(jī)的減震器通過從高處快速墜落的方式到壓力傳感器的方式采集減震器所能承受的最大壓力，如果質(zhì)量不合格的減震器會(huì)在一次落震試驗(yàn)后直接變?yōu)閺U品；另一種是靜態(tài)載荷方式，即對(duì)減震器慢慢施加壓力來壓縮減震器的行程量，通過減震器隨著壓力的變化與對(duì)應(yīng)距離的改變曲線來評(píng)估減震器所能承載的最大靜載荷，從而評(píng)價(jià)出減震器的質(zhì)量是否合格。第二種方式的實(shí)驗(yàn)更有助于研發(fā)人員在研發(fā)階段對(duì)減震器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并保證飛機(jī)著陸時(shí)保持平衡可靠[1]。由于雪橇式減震器不適用于落震試驗(yàn)，所以還沒有相關(guān)的負(fù)載檢測手段，國內(nèi)迫切的需要一種更加新型的、全面的、可靠的、安全的監(jiān)控測試減震器的試驗(yàn)平臺(tái)或者儀器[2]。為此，本文針對(duì)雪橇式減震器的監(jiān)測，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套新型的、方便的實(shí)時(shí)監(jiān)測并保存數(shù)據(jù)的設(shè)備。

1 減震器的載荷分析

雪橇式減震器屬于油氣型減震器的一種，這種類型的減震器由外筒、活塞內(nèi)筒、反沖閥、阻尼孔組成，里面充滿空氣或氮?dú)夂陀鸵?。減震器的工作行程是指減震器的最大長度與最小長度之差(標(biāo)準(zhǔn))，分為壓縮行程和拉伸形成[3]。

圖1 最大靜載荷曲線

圖1是靜態(tài)載荷行程關(guān)系曲線圖。曲線AC表示在等溫條件下的靜態(tài)壓縮曲線，而AD表示在相同條件下的動(dòng)態(tài)多變化壓縮曲線，即最大動(dòng)態(tài)壓縮曲線。Fe、Fc、Fsy、Fn分別表示活塞桿處于全伸展、靜態(tài)全壓縮狀態(tài)時(shí)的載荷和使用載荷與最大(限制)載荷，S表示別是活塞干的最大行程[4]，起點(diǎn)A和終點(diǎn)C是根據(jù)停機(jī)載荷和兩個(gè)壓縮比確定。D點(diǎn)所表示形成和載荷需要滿足減震器結(jié)構(gòu)、最大(限制)載荷系數(shù)的要求，又要滿足吸收最大功率的設(shè)計(jì)要求。

某無人機(jī)設(shè)計(jì)的一款滑撬式起落架，質(zhì)量為250 kg，著陸時(shí)最大的垂直速度為5 m/s，緩沖器最大型成為150 mm。起落架設(shè)計(jì)要求是當(dāng)整機(jī)以一定速度著陸時(shí)，起落架的強(qiáng)度合格且整機(jī)的垂直過載ny小于2[5]。

首先設(shè)起落架接觸地面的瞬時(shí)動(dòng)能為T，重力勢能為V，飛機(jī)觸地速度為v，當(dāng)起落架的形變達(dá)到最大的時(shí)候，飛機(jī)速度為0。減震器著陸后的壓縮行程量為H，動(dòng)能與勢能變?yōu)?。

計(jì)算飛機(jī)重力勢能、動(dòng)能改變量的公式為：

V=mgH

(1)

(2)

其中：m為飛機(jī)的質(zhì)量，等于250 kg；v為著陸速度，取v=5 m/s；H為活塞桿的壓縮行程，取H=150 mm。

按照機(jī)械能量守恒定律，不考慮其他能量產(chǎn)生與消耗的情況下，飛機(jī)的單獨(dú)一個(gè)起落架的動(dòng)力勢能和重力勢能等于傘降升力所做的功和起落架的變形能，即：

(3)

由上式可得起落架的最大靜載荷量為23.28 kN。

2 起落架的檢測平臺(tái)設(shè)計(jì)

如圖2所示。在試驗(yàn)臺(tái)架固定端側(cè)面布置上壓力傳感器，壓力通過被測件傳遞到壓力傳感器，從而可以測得被測件在壓縮過程中壓力隨位移的變化。將位移傳感器布置在試驗(yàn)臺(tái)架臺(tái)面上，記錄推送桿在每一時(shí)刻的推送距離，從而可以獲得最大的壓縮量與最大壓力之間的線性關(guān)系。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)

起落架通過銷子裝在支持夾具的試驗(yàn)臺(tái)上，夾具應(yīng)能模擬出機(jī)身與起落架之間的真實(shí)連接情況。應(yīng)該保證試驗(yàn)臺(tái)上的夾具有足夠的強(qiáng)度、剛度及安全壽命，以提高試驗(yàn)平臺(tái)的可靠性，以保證靜載荷試驗(yàn)安全可靠的完成[6]。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

減震器壓力監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測終端和PC機(jī)兩部分組成，每個(gè)監(jiān)測終端可連接1個(gè)壓力傳感器，傳感器采集到壓力信號(hào)并完成信號(hào)的處理，將處理后的數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)，顯示和制作成報(bào)表并保存。整個(gè)系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)初始化的時(shí)候，給所有遠(yuǎn)程的終端配置4個(gè)字節(jié)的地址，上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，第一個(gè)字為對(duì)應(yīng)的終端地址，當(dāng)相應(yīng)的終端發(fā)現(xiàn)與自己的地址一致時(shí)才與上位機(jī)建立通信[7]。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測終端的硬件框圖如圖3所示。傳感器感知壓力信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器后輸入芯片；光柵尺通過施密特觸發(fā)器傳入到芯片內(nèi)部[8]，調(diào)理并轉(zhuǎn)化后通過SPI協(xié)議接口將轉(zhuǎn)換結(jié)果交給STM32F103ZET4處理，最后通過無線傳輸發(fā)送給PC機(jī)，并在PC端顯示出曲線圖和保存數(shù)據(jù)。

圖3 監(jiān)測終端硬件框圖

3.2 采集單元

經(jīng)過前面的計(jì)算，得知監(jiān)測系統(tǒng)需要承受24±4 kN的壓力，所以在壓力傳感器的選型上，只能夠選擇承受30 kN的，且精度高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單的傳感器。壓阻式壓力傳感器的誤差大部分來源于溫度的影響，溫度系數(shù)能引起壓力傳感器的靈敏度漂移和零點(diǎn)漂移，目前主要采用補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ杏布蛙浖?，硬件電路溫度補(bǔ)償一般采用熱敏電阻給予溫度補(bǔ)償，但從實(shí)際工況來說，不宜保持恒溫，存在調(diào)試?yán)щy、精度低、通用性差等缺點(diǎn)；軟件補(bǔ)償方法操作簡便、誤差小、精度高等特點(diǎn)，并可直接數(shù)字顯示測量結(jié)果，因此本系統(tǒng)采用軟件補(bǔ)償壓力的溫漂誤差[9]。

光柵尺輸出的兩路位相差為90度的方波信號(hào)，由于這兩個(gè)方波信號(hào)由內(nèi)部集電極開路輸出，抗干擾能力差，且其中一路通過中斷成為邏輯信號(hào)，進(jìn)入兩個(gè)外部中斷接口；另一路進(jìn)入到IO口，實(shí)現(xiàn)辨向功能。為了提高精度，消除干擾，采用D觸發(fā)器。中斷服務(wù)函數(shù)通過辨向信號(hào)的電平對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行操作，在使用四細(xì)分對(duì)方波進(jìn)行采樣，光柵尺以最大速度0.5米/秒移動(dòng)，輸出頻率為50 Hz，最后通過施密特觸發(fā)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形。為了區(qū)分移動(dòng)方向，把信號(hào)的上升沿和下降沿送至中斷計(jì)數(shù)，即實(shí)現(xiàn)二細(xì)分，結(jié)合另一路電平即可實(shí)現(xiàn)四細(xì)分[10-11]。

3.3 無線傳輸模塊

減震器檢測儀測控系統(tǒng)的工作現(xiàn)場面積較小，在全自動(dòng)的情況下，需要選擇最優(yōu)的無線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)。很多人在無線傳輸模塊選擇了藍(lán)牙或者Zigbee技術(shù)，然而藍(lán)牙的通信協(xié)議相當(dāng)復(fù)雜，所以在處理協(xié)議的時(shí)候會(huì)消耗大量的功率，且價(jià)格高昂，對(duì)傳輸距離有一定要求，不能滿足在一個(gè)廠房內(nèi)的無干擾傳輸?shù)囊?；Zigbee有良好的抗干擾功能，但是代價(jià)太大且不方便安裝。因此綜合功率和傳輸范圍的比較，本文提出一種基于NRF24L01的無線傳輸方式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的傳輸。

NRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段，內(nèi)置CRC檢錯(cuò)、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能的單片無線收發(fā)器，具有直接模式(DirectMode)和突發(fā)模式(ShockBurs Mode)兩種模式可供選擇，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線通信。本例采用突發(fā)模式，其工作速率可達(dá)到1 Mbps。

在發(fā)送端，NRF24L01通過SPI接口與STM32連接，可以非常方便的通過軟件對(duì)SPI接口進(jìn)行控制；在接收端，將通過STC12C5A60S2與NRF24L01通信，接收來自客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)，再通過UART串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)[12]。

4 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測終端的軟件框圖如圖4所示。最底層的是硬件平臺(tái)，向上依次是硬件驅(qū)動(dòng)層，操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)組成的軟件平臺(tái)，頂層是由多任務(wù)組成的應(yīng)用層[13]。

圖4 監(jiān)測終端軟件框圖

傳感器標(biāo)定：

傳感器是能夠?qū)⒈粶y量的信息并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的元器件，為了與實(shí)際計(jì)量單位相對(duì)應(yīng)，需要對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定，標(biāo)定是為了找出傳感器探測到的信號(hào)與電信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.下位機(jī)收到的信號(hào)都有微弱的低頻信號(hào)，外界的干擾有的時(shí)候的幅度能夠超過被測量的信號(hào)，對(duì)采集到的電壓值進(jìn)行處理，因此只有標(biāo)定后的傳感器才可以確認(rèn)它所輸出的信號(hào)是否正常，得到ADC的輸出信號(hào)與系統(tǒng)參照物變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即傳感器的標(biāo)定方程.根據(jù)公式(1)和公式(2)即可算出標(biāo)定系數(shù)。

(4)

(5)

5 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

減震器檢測儀上位機(jī)軟件系統(tǒng)使用模塊化方法進(jìn)行的軟件編程，該軟件主要包含五大功能模塊：權(quán)限管理、采集處理、傳感器標(biāo)定、顯示及保存查詢模塊，每一個(gè)模塊都有執(zhí)行各自命令的子程序，除了數(shù)據(jù)的采集處理模塊，其他的模塊都有對(duì)應(yīng)的用戶界面，在系統(tǒng)的主界面上，根據(jù)按鈕事件使能或者禁止每個(gè)模塊功能。

5.1 權(quán)限管理

系統(tǒng)的上位機(jī)程序負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、處理、存儲(chǔ)等功能，設(shè)計(jì)時(shí)整個(gè)系統(tǒng)要保證數(shù)據(jù)的保密安全性，滿足采集信息精度高速度快，存儲(chǔ)信息的完整性。系統(tǒng)登錄模塊與數(shù)據(jù)庫中的用戶信息表相關(guān)聯(lián)，用來驗(yàn)證用戶在登錄減震器檢測儀數(shù)據(jù)處理主界面時(shí)的合法性，而且要滿足不同的權(quán)限用戶管理的需要。設(shè)計(jì)時(shí)，在登錄按鈕事件添加數(shù)據(jù)庫查詢類，程序?qū)斎氲挠脩裘兔艽a進(jìn)行驗(yàn)證，判斷該用戶所屬權(quán)限組，通過判斷后對(duì)用戶配置相應(yīng)的權(quán)限設(shè)置并完成系統(tǒng)的登錄過程。

5.2 系統(tǒng)主窗體

當(dāng)確認(rèn)用戶組的權(quán)限后，就進(jìn)入了系統(tǒng)的主窗體。主窗體集成減震器檢測儀上位機(jī)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)及查詢等模塊。主窗體中分兩部分，串口連接設(shè)置與當(dāng)前數(shù)據(jù)采集頁面，如圖5所示。按鈕事件“button”控件一個(gè)來打開“歷史數(shù)據(jù)查詢”和“當(dāng)前數(shù)據(jù)采集”Form，主界面顯示“數(shù)據(jù)表格顯示”、“數(shù)據(jù)曲線顯示”和“通道標(biāo)定”模塊。主窗體控件屬性設(shè)置如表1所示。

圖5 監(jiān)測上位機(jī)軟件框圖

5.3 數(shù)據(jù)采集模塊

減震器檢測系統(tǒng)上位機(jī)系統(tǒng)核心部分是數(shù)據(jù)采集模塊，也是系統(tǒng)的首要工作。數(shù)據(jù)采集模塊的關(guān)鍵是獲取下位機(jī)的通過UART串口傳送來自STC12C5A60S2與NRF24L01的通信，該通信接收來自客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的數(shù)據(jù)，所采集到數(shù)據(jù)精確度直接影響數(shù)據(jù)處理、圖表顯示等各個(gè)功能模塊的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)硬件采集裝置通過5個(gè)通道接收來自5個(gè)下位機(jī)采集的減震器在壓縮過程中壓力和位移變化量。根據(jù)用戶要求，可以自定義采集間隔、采樣通道等參數(shù)，采集間隔的實(shí)現(xiàn)是通過C#中的Timer控件完成的，設(shè)置Timer1控件的Interval屬性，與采集間隔時(shí)間相聯(lián)系，讀取串口數(shù)據(jù)。

啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集的操作是：在“當(dāng)日數(shù)據(jù)采集”選項(xiàng)卡里設(shè)定“采樣間隔”，單擊“開始采樣”按鈕，則采集程序開始進(jìn)行，并按照預(yù)先設(shè)定的采樣間隔獲取從減震器里面讀取從下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，同時(shí)“采集數(shù)據(jù)”按鈕變成“停止采集”按鈕，停止采集的方式有兩種：直接手動(dòng)點(diǎn)擊“停止采集”按鈕，通過人工操作結(jié)束數(shù)據(jù)采集；或者是在減震器壓縮至最大行程，下位機(jī)會(huì)自動(dòng)停止采集，并將減震器緩慢恢復(fù)至初始狀態(tài)。本系統(tǒng)的默認(rèn)采樣間隔為1秒，由于減震器在試驗(yàn)時(shí)候不是突然開始?jí)嚎s狀態(tài)，如若調(diào)整壓縮的速度，可以通過上位機(jī)的設(shè)置來加快壓縮速度和縮短采樣間隔。

為保證通信有條不紊的進(jìn)行，通信協(xié)議約定如下：

(1)上、下位機(jī)的波特率為9 600 bps。

(2)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)格式見表1。

表1 數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)格式

5.4 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件系統(tǒng)中采用C#環(huán)境開發(fā)，能夠?yàn)?Net框架提供數(shù)據(jù)者有兩大類[14]，一類是SQL型，另一類是OleDb型。它們涉及到的命名空間分別為System.Data.SqlClient和System.Data.OleDb。由于程序使用SQL Server數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)提供者，所以運(yùn)用的對(duì)象應(yīng)為SQL類型的[15]。

上位機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)，用曲線圖的形式顯示在zedGraph控件當(dāng)中[16]，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SQL，以便日后對(duì)某一減震器進(jìn)行查詢.SQL記錄表分為用戶信息表和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表，其中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表里面分4個(gè)表段，如表2所示。

5.5 數(shù)據(jù)顯示模塊

為了方便用戶直觀的察看每個(gè)減震器在壓縮過程中各參數(shù)的變化過程，設(shè)計(jì)了設(shè)備與數(shù)據(jù)信息的顯示模塊，數(shù)據(jù)信息顯示包括了數(shù)據(jù)曲線和數(shù)據(jù)表格兩種形式，具體分為歷史與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的曲線顯示和表格顯示。

表2 監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄表

在圖形顯示區(qū)域，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的表格顯示采用DataGridView控件，這個(gè)控件的主要功能是以網(wǎng)格的形式顯示多個(gè)字符串。曲線顯示采用ZedGraph控件，它是一個(gè)非常優(yōu)秀的開源的作圖控件，提供了用戶控件和web控件，創(chuàng)建2D的線性圖、條形圖和餅形圖，利用ZedGraph可以快速、簡單、方便的實(shí)現(xiàn)多維數(shù)據(jù)的可視化。

6 系統(tǒng)測試

監(jiān)測終端連接一路傳感器，對(duì)壓力進(jìn)行采集并分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，在壓力傳感器量程為200 kg時(shí)，精度可達(dá)到0.01 kg。同時(shí)，在連續(xù)5天的測量中，最大測量值為124.39，最小測量值為124.29，時(shí)間漂移量為：0.1 kg,相對(duì)漂移量為：0.08%，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

7 結(jié)論

本系統(tǒng)從效率上提高監(jiān)測的實(shí)時(shí)性、便捷性和穩(wěn)定性，使得雪橇式減震器可以批量、快捷的進(jìn)行檢測.上位機(jī)數(shù)據(jù)的保存使得人機(jī)交互操作解決了數(shù)據(jù)人工記錄和數(shù)據(jù)保存不善的問題，便于PC機(jī)與PC機(jī)之間存取、交換數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)雪橇式減震器數(shù)據(jù)采集記錄保存的實(shí)驗(yàn)。

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Design of Embedded Sled Type Shock Absorber Monitoring System Based on STM32

Shi Zhuo,Jin Dahai

( Engineering Training Center,Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China)

In order to real-time monitor pressure of UAV’s shock absorber and save data, a new embedded shock absorber pressure monitoring system based on STM32F103ZET6 is introduced. The pressure sensor and linear encoder is applicated for complete shock absorber pressure and range acquisition and converted into digital signal. The C# software platform as a upper monitor, the data and curves are shown with the graphical user interface widget, with SQL to save pressure data, which help administrator refer to. Data is transmitted to PC through WIFI module. The test results are shown that the accuracy of shock absorber pressure monitoring system reached 0.01%.

C#; SQL; pressure monitor; least square method

2016-11-24；

2017-02-06。

師 卓(1987-)，男，陜西西安人，西安工程大學(xué)、助理工程師，主要從事機(jī)械電子制造方向的研究。

1671-4598(2017)07-0143-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.036

TP3

A