適用于特種飛機(jī)及無(wú)人機(jī)多任務(wù)管理計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者/李德，中電科（德陽(yáng)廣漢）特種飛機(jī)系統(tǒng)工程有限公司

引言

1.機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)理念

由于特種飛機(jī)任務(wù)載荷系統(tǒng)比較復(fù)雜，因此當(dāng)出現(xiàn)同一架飛機(jī)同時(shí)執(zhí)行多種任務(wù)而安裝多任務(wù)載荷時(shí)，其具體的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

對(duì)于一般的任務(wù)載荷來(lái)講，其主要由航空相機(jī)、多功能雷達(dá)以及激光熒光探測(cè)器等任務(wù)載荷和相應(yīng)的顯控設(shè)備組成，但由于數(shù)據(jù)鏈路帶比較寬，因此使得其自身具有一定的局限性，只能傳輸一兩種任務(wù)載荷的目標(biāo)信息。針對(duì)此問(wèn)題，就需要采用機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)來(lái)完成這一功能。與此同時(shí)，對(duì)機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)還有五個(gè)方面的需求。第一是由于任務(wù)載荷的輸出接口與機(jī)載數(shù)據(jù)的終端接口會(huì)存在不匹配的狀況，需要利用機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)對(duì)其接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換。第二是在飛機(jī)同時(shí)搭載多種任務(wù)載荷時(shí)，就需要利用機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)對(duì)不同任務(wù)載荷進(jìn)行調(diào)度以及綜合管理，使得飛機(jī)可以有效地執(zhí)行任務(wù)[1]。第三是機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)要對(duì)飛機(jī)上設(shè)置的機(jī)載監(jiān)視器提供一個(gè)統(tǒng)一的輸出接口，使其能夠順利地完成對(duì)不同任務(wù)載荷目標(biāo)信息的監(jiān)視工作。第四是當(dāng)飛機(jī)上設(shè)置的控制設(shè)備在完成各個(gè)任務(wù)載荷的控制指令以后，為其提供對(duì)應(yīng)的輸入接口。最后就是其自身需要具備對(duì)任務(wù)載荷目標(biāo)數(shù)據(jù)記錄以及讀取的功能。

圖1 機(jī)載任務(wù)系統(tǒng)組成

2.機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理

機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)的內(nèi)部由各個(gè)數(shù)據(jù)的模塊組成，主要包括有計(jì)算機(jī)主板模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及電源模塊等，而計(jì)算機(jī)模塊是系統(tǒng)的主要控制模塊，是通過(guò)高速串行總線(xiàn)來(lái)與其他的模塊進(jìn)行通信的。具體的工作原理圖如圖2所示。

3.機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 載荷數(shù)據(jù)接口模塊的設(shè)計(jì)

載荷數(shù)據(jù)接口模塊主要是完成對(duì)任務(wù)載荷目標(biāo)數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)也包括對(duì)其狀態(tài)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。此模塊主要由三個(gè)部分組成，分別是FPGA、接口轉(zhuǎn)換以及DDR。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸接口模塊的設(shè)計(jì)

對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸接口模塊主要是與機(jī)載數(shù)據(jù)終端的直接接口連接在一起，接收并轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)載荷目標(biāo)的數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的狀態(tài)信息，同時(shí)對(duì)來(lái)自機(jī)載數(shù)據(jù)終端的載荷控制指令進(jìn)行相應(yīng)的處理[2]。其自身的硬件框圖如圖3所示。

圖2 機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)工作原理框圖

圖3 數(shù)據(jù)傳輸接口模塊系統(tǒng)框圖

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)

對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要是對(duì)Pcle總線(xiàn)的任務(wù)載荷目標(biāo)數(shù)據(jù)以及狀態(tài)信息進(jìn)行儲(chǔ)存，其需要使用計(jì)算機(jī)主板的USB3.0接口對(duì)儲(chǔ)存在SSD硬盤(pán)里的載荷數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息進(jìn)行讀取，具體的硬件框圖如圖4所示。

3.4 VPX計(jì)算機(jī)主板的設(shè)計(jì)

對(duì)于VPX計(jì)算機(jī)主板，在接收數(shù)據(jù)接口模塊的任務(wù)載荷目標(biāo)數(shù)據(jù)以及狀態(tài)信息的同時(shí)，還要對(duì)載荷的控制指令進(jìn)行接收處理。另外也需要對(duì)任務(wù)載荷顯控軟件進(jìn)行運(yùn)行，使其可以有效地對(duì)任務(wù)實(shí)施的過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。而計(jì)算機(jī)模塊的ASTA通道需要對(duì)已經(jīng)儲(chǔ)存到存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行中轉(zhuǎn)，通過(guò)其USB接口來(lái)將已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，圖5為VPX計(jì)算機(jī)主板的硬件框圖。

圖4 存儲(chǔ)模塊硬件框圖

圖5 計(jì)算機(jī)主板硬件框圖

圖6 VPX背板硬件框圖

3.5 VPX背板的設(shè)計(jì)

VPX計(jì)算機(jī)主板為機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中所有模塊的連接提供了物理通道，同時(shí)也將模塊的對(duì)外接口與轉(zhuǎn)接板上的航頭插頭利用柔性電路板進(jìn)行連接。由于計(jì)算機(jī)主板本身的USB2.0接口和USB3.0接口只有一路，但是對(duì)外輸出時(shí)卻需要兩路接口，因此就需要利用背板將一路USB2.0接口和SB3.0接口進(jìn)行擴(kuò)展，使其變成兩路來(lái)滿(mǎn)足對(duì)外的輸出要求[4]。另外由于計(jì)算機(jī)主板也只有一路1000M網(wǎng)絡(luò)接口，可是同理在對(duì)外輸出上仍然需要兩路，因此就需要將其進(jìn)行擴(kuò)展。在VPX背板上有兩個(gè)預(yù)留的模塊槽位，但由于只剩下了一路接口，所以也需要進(jìn)行擴(kuò)展來(lái)滿(mǎn)足要求。對(duì)于VPX背板的硬件框圖如圖6所示。

3.6 機(jī)箱電源的模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于機(jī)箱電源，主要是將電源提供給硬件系統(tǒng)中的模塊，由于計(jì)算機(jī)主板消耗的電量過(guò)大，因此需要使用單獨(dú)的電源模塊器，而其他的模塊主要是通過(guò)另外一個(gè)電源模塊器進(jìn)行供電。為了保護(hù)電源，需要將保險(xiǎn)絲設(shè)在電源的輸入端。同時(shí)在輸入端還要為專(zhuān)用的電源濾波器以及瞬態(tài)保護(hù)模塊預(yù)留位置，以使得其能滿(mǎn)足要求，對(duì)于系統(tǒng)電源模塊的硬件框圖如圖7所示。

查閱文獻(xiàn)[1-3]可知，塑料打包帶(繩)的成分主要有聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

4.機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 主控軟件模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于主控軟件，在編寫(xiě)的過(guò)程中主要是使用Windows QT標(biāo)準(zhǔn)的C++語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，然后通過(guò)Pcle

總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒂脩?hù)的操作指令發(fā)送到FPGA的Pcle總線(xiàn)接口程序，而FPGA總線(xiàn)則將自己接收到的命令下發(fā)到內(nèi)部的其他程序接口，來(lái)讓主控軟件和FPGA軟件進(jìn)行相互通信。而對(duì)于軟件的設(shè)計(jì)也是按照功能塊進(jìn)行劃分然后設(shè)計(jì)的，對(duì)于系統(tǒng)的功能組成框圖如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)電源模塊硬件框圖

圖8 主控軟件組成

4.2 FPGA軟件模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于FPCA軟件的模塊設(shè)計(jì)，主要是讓其完成對(duì)各類(lèi)型視頻數(shù)據(jù)的輸入處理、轉(zhuǎn)換處理以及輸出處理。

5.機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)的通用化、系列化以及組合化設(shè)計(jì)

對(duì)于即在機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)的“三化”進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要是根據(jù)其功能特性以及電氣特性進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)，以方便對(duì)系統(tǒng)的故障進(jìn)行檢測(cè)和隔離。另外其可以直接對(duì)不同的任務(wù)載荷的數(shù)據(jù)進(jìn)行互換，大大地縮短了具體的維修時(shí)間。而系統(tǒng)的主控模塊部分應(yīng)用的性能需要進(jìn)行再次升級(jí)，直接將原來(lái)的VPX計(jì)算機(jī)主板更換為更高性能的主板就可以有效地實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊中使用的SSD硬盤(pán)，如果需要提升硬盤(pán)的存儲(chǔ)容量，直接更換硬盤(pán)即可。因?yàn)樽陨聿捎玫氖悄K化的設(shè)計(jì)，所以可根據(jù)各功能模塊不同的要求來(lái)對(duì)其進(jìn)行靈活的升級(jí)，因此對(duì)于同種模塊也可設(shè)計(jì)出多種性能指標(biāo)來(lái)對(duì)其原有的性能進(jìn)行再次的優(yōu)化，另外也可以對(duì)其進(jìn)行重組來(lái)制造出性能更好的配件，以幫助特種飛機(jī)更好地實(shí)現(xiàn)任務(wù)。

6.針對(duì)機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)“六性”的設(shè)計(jì)

對(duì)于機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)的六性，主要是可靠性、安全性、維修性、測(cè)試性、保障性以及環(huán)境適應(yīng)性。以下是對(duì)其逐一的介紹：

6.1 可靠性

機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)是采用成熟的技術(shù)和工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在各模塊的電路中均采用的是低功率的器件來(lái)對(duì)其進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。另外在各個(gè)模塊均安裝有散熱蓋，對(duì)其均有良好的散熱作用，其次是機(jī)箱利用其自身的鎖緊裝置連接到了托盤(pán)的機(jī)殼地，可有效地防止靜電。而對(duì)于之前的制造工藝上的缺陷也進(jìn)行了優(yōu)化提升，進(jìn)一步提升了其在使用過(guò)程中的可靠性。

6.2 安全性

針對(duì)機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)的安全性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中均采用的是低壓數(shù)字以及模擬電路，并不會(huì)對(duì)使用人的人身安全造成影響。

6.3 維修性

機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)在已經(jīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的情況下，其相應(yīng)的部件都采用的是模塊化的設(shè)計(jì)，可以使得各個(gè)模塊之間有效地通過(guò)插件進(jìn)行連接，當(dāng)模塊發(fā)生故障時(shí)，可以快速對(duì)其進(jìn)行更換。

6.4 測(cè)試性

各模塊在設(shè)計(jì)時(shí)均有其狀態(tài)指示燈，因此在器件的使用過(guò)程中可以有效地對(duì)其功能進(jìn)行測(cè)試，而且在使用前系統(tǒng)會(huì)有自檢的功能，當(dāng)自身檢查未通過(guò)時(shí)，系統(tǒng)就不會(huì)進(jìn)行工作，而自檢的結(jié)果也會(huì)通過(guò)人機(jī)交互界面顯示出來(lái)，可以幫助相關(guān)人員及時(shí)的對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行排查。

6.5 保障性

在對(duì)設(shè)備進(jìn)行安裝前都會(huì)對(duì)其相關(guān)的部件進(jìn)行調(diào)試，另外在安裝完成之后還有備件，在用戶(hù)使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以及時(shí)對(duì)其進(jìn)行處理。

6.6 環(huán)境適應(yīng)性

對(duì)于環(huán)境適應(yīng)性在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對(duì)任務(wù)裝置的高低溫進(jìn)行設(shè)計(jì)，其次是對(duì)其抗鹽霧、霉菌以及濕熱進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后由于特種飛機(jī)的特殊性，也需對(duì)其抗振動(dòng)、沖擊以及加速度進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保其在投入使用以后能更好地適應(yīng)各種環(huán)境。

7.結(jié)束語(yǔ)

由于特種飛機(jī)以及無(wú)人機(jī)的性能不斷地在改進(jìn)，而國(guó)家也不斷地在進(jìn)行新型無(wú)人機(jī)的研制，因此在多任務(wù)管理計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方面還存在的諸多的問(wèn)題。所以在未來(lái)的社會(huì)發(fā)展中，一定要根據(jù)需要繼續(xù)提升無(wú)人機(jī)的性能，以推動(dòng)國(guó)家在科技上的發(fā)展。

* [1]皮祖成,王誠(chéng),陳文.某型無(wú)人機(jī)機(jī)載任務(wù)管理計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)[J].航空工程進(jìn)展 ,2016,7(4)∶464—470.

* [2]胡文娟,張翔,陳俊杰.無(wú)人機(jī)監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào),2017,28(3)∶5—8.

* [3]羅澤勇.一種小型無(wú)人機(jī)的機(jī)載計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].東北師大學(xué)報(bào) (自然科學(xué) ),2015,47(1)∶64—70.

* [4]路靜,曹晨,LUJing,等.無(wú)人特種飛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2016,11(3)∶223—228.