通用航空器警告系統(tǒng)改進(jìn)的研究

周彬

摘要：對中國民航飛行學(xué)院運(yùn)行的主流通用航空器的警告系統(tǒng)進(jìn)行故障統(tǒng)計(jì)，分析其存在的設(shè)計(jì)缺陷，針對通用航空器特點(diǎn)提出了語音警告模塊的可行改進(jìn)方案。完成模塊制作后，在PA-44-180型飛機(jī)上裝機(jī)驗(yàn)證其功能可靠。最后簡要論證了其適航性，對國內(nèi)通用航空器警告系統(tǒng)的改進(jìn)做出了初步探索。

關(guān)鍵詞：警告系統(tǒng);單片機(jī);ISD1760;通用航空器

伴隨我國低空開放政策的逐步實(shí)施，通用航空器在我國的保有量急劇增多，相應(yīng)帶來的航空安全壓力也日漸突顯。受限于制造及運(yùn)營成本，通用航空器自身的安全裕度比民用航空器更低。而在相對低成本運(yùn)行的前提下，對通用航空器特點(diǎn)的研究顯得尤為重要。在嚴(yán)格執(zhí)行廠家維護(hù)要求的基礎(chǔ)上，針對航空器使用特點(diǎn)及設(shè)計(jì)缺陷，運(yùn)營主體經(jīng)過充分論證，可提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，以提高機(jī)隊(duì)的安全裕度。本文研究了通用航空器警告系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷及優(yōu)化改進(jìn)方案，可將警告信息語音化并增加其冗余度，從而提高航空器的安全性。

1通用航空器警告系統(tǒng)簡介及缺陷分析

中國民航飛行學(xué)院擁有172R、PA44 180、TB-20、BELL206BIII、R4411以及S269C-1等多種型號的通用航空器。以中飛院的航空器資源為研究基礎(chǔ)，對分析國內(nèi)主流通用航空器警告系統(tǒng)具有一定普遍意義。警告系統(tǒng)用于向飛行員及維護(hù)人員提供機(jī)體與發(fā)動機(jī)的故障信息，其真實(shí)性、準(zhǔn)確性、有效性直接影響飛行員對航空器狀態(tài)的判斷，因此其對飛行安全至關(guān)重要。按照信號的輸出形式，警告系統(tǒng)可分為燈光警告和音響警告兩類。相對于民用航空器，通用航空器的警告系統(tǒng)功能單一，冗余度差。除BELL206BⅢ型直升機(jī)的重要警告具有冗余度外，多數(shù)通用航空器的警告系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為簡單，同一種警告信息僅以一種形式出現(xiàn)。當(dāng)飛行員處于高度緊張的狀態(tài)時，極易進(jìn)入“管道效應(yīng)”，而忽略形式單一的警告信息?？梢?，多數(shù)通用航空器的警告系統(tǒng)設(shè)計(jì)都存在一定不足，在系統(tǒng)故障或其他極端情況下可能導(dǎo)致飛行員無法接收航空器的警告信息。而根據(jù)中飛院新津分院近十年的故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，各主流機(jī)型的警告系統(tǒng)故障如表1所示?？梢娋嫦到y(tǒng)的故障占比在1%左右?？紤]到該系統(tǒng)對飛行安全的重要性，研究提升其可靠性的措施是十分必要的。

2改進(jìn)方案探討

本文提出一種語音警告模塊的設(shè)計(jì)方案，并將其交聯(lián)到現(xiàn)有的航空器警告系統(tǒng)，以提高其可靠性。該方案可解決現(xiàn)有警告系統(tǒng)冗余度不足、警告形式單一的缺陷。在改進(jìn)方案的設(shè)計(jì)中，語音警告模塊應(yīng)作為獨(dú)立功能的系統(tǒng)，在采集警告觸發(fā)信號源、輸出警告語音等方面都不干涉現(xiàn)有的警告方式。獨(dú)立設(shè)計(jì)的語音警告模塊加入飛機(jī)現(xiàn)有的電氣系統(tǒng)，其可靠性和實(shí)時性是被重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)?？煽啃员憩F(xiàn)在模塊能在地面及空中持續(xù)穩(wěn)定工作，并且不影響其他航電設(shè)備。作為提供警告信息的增強(qiáng)功能模塊，實(shí)時性決定了飛行員能否及時得到航空器故障的語音信息。整個硬件平臺可采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將所需完成的功能劃分入相應(yīng)的底層電路。各底層模塊由MCU綜合調(diào)度，可使硬件功能清晰，避免相互干涉。在模塊化的硬件平臺基礎(chǔ)上，軟件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循盡量簡化的原則，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3語音警告模塊設(shè)計(jì)

如前文所述，中飛院運(yùn)行的多數(shù)通用航空器的警告系統(tǒng)都可進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。本文以主訓(xùn)中教機(jī)PA-44-180為例，對兩個重要的警告信號：起落架警告及失速警告進(jìn)行改進(jìn)。參考PA-44-180飛機(jī)的電氣線路圖，該兩項(xiàng)重要警告信息均由蜂鳴器輸出。起落架警告蜂鳴器的負(fù)端與機(jī)體相連接地，正端與后部邏輯電路相連。在出現(xiàn)起落架警告觸發(fā)信號時，正端接通匯流條使蜂鳴器鳴響。失速警告蜂鳴器的正端與匯流條相連，負(fù)端與失速警告葉片相連。在航空器接近失速狀態(tài)時，失速警告葉片抬起接通內(nèi)部觸點(diǎn)，蜂鳴器負(fù)端接地從而鳴響。改進(jìn)方案設(shè)計(jì)的語音警告模塊，采集起落架警告及失速警告的觸發(fā)信號，經(jīng)過內(nèi)部邏輯判斷，輸出警告語音信息。模塊輸出端與航空器的音頻板交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)警告信號的語音化及冗余化。

3.1語音警告模塊硬件設(shè)計(jì)

硬件電路的核心功能是輸出語音信號，當(dāng)前可選的解決方案有兩種：一是單語音芯片解決方案，二是單片機(jī)+語音芯片解決方案。第一種方案使用語音芯片ISD1760作為電路核心，通過外圍電路將警告輸入信號轉(zhuǎn)換為語音芯片的播放觸發(fā)信號，控制語音芯片輸出警告語音至航空器音頻系統(tǒng)。第二種方案以AT89S52作為電路核心，配合隔離光耦采集警告輸入信號，通過內(nèi)部程序判斷，控制ISD1760的信號輸出。兩種解決方案存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如表2所示。

為保證語音警告模塊的硬件平臺在多個機(jī)型上的可移植性，考慮到修改軟件的成本更低及可行性更高，本文決定采用單片機(jī)AT89S52+語音芯片ISD1760的設(shè)計(jì)方式。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，按照其功能可分為：電源管理模塊、警告信號輸入模塊、中央處理模塊以及人機(jī)交互模塊。

1）電源管理模塊

當(dāng)發(fā)電機(jī)正常工作時，PA-44-180飛機(jī)的電源系統(tǒng)電壓為14.5V左右;當(dāng)僅由機(jī)載電瓶供電時，電壓為12V左右。AT89S52以及ISD1760的正常工作電壓都為5V。電源管理模塊的主要功能在于穩(wěn)定地將航空器的電源供電轉(zhuǎn)化為硬件電路所需的直流電壓。嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與電源管理模塊電壓輸出的穩(wěn)定性有密切關(guān)系。本文設(shè)計(jì)的電源管理模塊以穩(wěn)壓芯片AMS1117-5為核心。通過串聯(lián)二極管將飛機(jī)的電源電壓從（ 12～14.5V）降至（ 8.5～11V），滿足AMS1117-5穩(wěn)壓芯片輸入端的電壓要求。AMS1117-5輸入及輸出端均采用并聯(lián)10μF鉭電容的方式進(jìn)行穩(wěn)壓及濾波，以保證核心電路得到可靠的5V電壓供應(yīng)。

2）警告信號輸入模塊

警告信號輸入模塊如圖2所示，選用521-2低速光耦作為電氣隔離元件。光耦的輸入端（發(fā)光二極管）連接航空器的14V警告觸發(fā)信號，而光耦的輸出端（光敏二極管）連接電源模塊提供的5V電源。采用該設(shè)計(jì)后，隔絕了航空器的警告觸發(fā)信號與核心電路之間的電氣聯(lián)系，杜絕了通過觸發(fā)信號引入干擾的可能。同時該隔離電路還完成了電壓轉(zhuǎn)換的功能。

3）中央處理模塊

中央處理模塊由AT89S52和ISD1760組成。ISD1760是華邦公司的專利產(chǎn)品，該芯片采取了直接存儲模擬信號的方式，使語音音質(zhì)相對于上一代產(chǎn)品有較大提高。單片機(jī)AT89S52通過IO口模擬SPI總線邏輯完成對語音芯片ISD1760的控制。在錄音模式下，通過Analn接口將警告語音錄入ISD1760存儲。在放音模式下，通過SP+和AGND接口與機(jī)載的GMA340音頻板交聯(lián)，將ISD1760的音頻輸出作為音頻板的COM3輸入信號，從而完成語音警告模塊交聯(lián)進(jìn)入航空器音頻系統(tǒng)的功能。

4）人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊由按鍵輸入及LED指示輸出構(gòu)成。主要用于語音模塊調(diào)試階段的控制信號輸入和運(yùn)行狀態(tài)的顯示。

3.2語音警告模塊軟件設(shè)計(jì)

整個語音警告模塊的硬件平臺搭建完成后，軟件的設(shè)計(jì)就直接關(guān)系系統(tǒng)運(yùn)行的效率及可靠性。本文將軟件分為調(diào)試軟件和運(yùn)行軟件兩部分。調(diào)試軟件用于錄制警告音頻，在該軟件運(yùn)行狀況下，AT89S52完成初始化后一直等待按鍵輸入信號。當(dāng)檢測到K0或K1按鍵信號后，通過SPI串口，發(fā)送錄音指令至ISD1760，將Analn接口的音頻（起落架警告語音或失速警告語音）分別錄入到地址為0x010——0x0FF或0x100——0x1EF的存儲空間內(nèi)。Analn接口的音頻輸入信號由PC機(jī)的耳機(jī)插口提供。調(diào)試軟件的流程如圖3所示。

在完成ISD1760的錄音后，調(diào)試軟件即失去意義。聯(lián)機(jī)擦除調(diào)試軟件，重新下載運(yùn)行軟件至AT89S52后，語音警告模塊即可裝機(jī)使用。對應(yīng)于底層硬件的模塊化設(shè)計(jì)，運(yùn)行軟件的底層驅(qū)動也分為：LED指示模塊、警告信號采集模塊和語音播放功能模塊。系統(tǒng)核心在多個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號可能為警告觸發(fā)、外界干擾、程序邏輯。在各狀態(tài)運(yùn)行過程中，通過調(diào)用底層驅(qū)動程序，操控硬件完成相應(yīng)的功能。運(yùn)行軟件的流程如圖4所示。

AT89S52負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算，不斷循環(huán)檢測警告信號輸入模塊的信號。當(dāng)航空器出現(xiàn)相應(yīng)警告時，調(diào)用底層函數(shù)播放ISD1760指定地址段的語音音頻至GMA340。之后繼續(xù)檢測警告輸入信號，當(dāng)警告信號未消失時，中央處理模塊將一直循環(huán)播放警告語音。同時為避免外部電氣干擾對處理器的影響，AT89S52打開了內(nèi)部硬件看門狗。一旦出現(xiàn)程序“跑飛”的情況，看門狗將自動重啟AT89S52，在初始化程序的控制下，完成對整個系統(tǒng)的復(fù)位。該功能極大地提高了系統(tǒng)面對故障的自恢復(fù)能力。

4適航性論證

4.1安裝位置與重量平衡分析

考慮到裝機(jī)后的抗干擾性，本文將語音警告系統(tǒng)電路安裝于一個8cm×10cm的鋁盒內(nèi)。在充分考慮PA-44-180型飛機(jī)已有機(jī)載設(shè)備安裝位置的基礎(chǔ)上，同時兼顧后期使用中的維護(hù)，最終決定將其安裝于尾部電氣設(shè)備艙（SAT160，WS16）處，電氣設(shè)備安裝平臺上。完成語音警告系統(tǒng)的加裝后，根據(jù)飛行手冊第六章，需要對飛機(jī)縱向重心進(jìn)行修訂。其對重心參數(shù)的影響如表3所示。完成加裝后，依據(jù)該表修訂相應(yīng)飛機(jī)的重心數(shù)據(jù)并核對其是否在包絡(luò)線范圍內(nèi)。

4.2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

安裝語音警告模塊時需要在尾艙的平臺上加工4個安裝孔。為保證安裝結(jié)構(gòu)能夠?qū)友b的部件提供足夠的約束，需要對飛機(jī)的原有結(jié)構(gòu)和加裝部件強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。參考中飛院已完成的多項(xiàng)加裝工作及《GDL90 Installation Manual》，可采用靜力實(shí)驗(yàn)的方式對加裝位置的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。固定翼飛機(jī)的靜力實(shí)驗(yàn)載荷系數(shù)如表4所示。

靜力實(shí)驗(yàn)的完成方式可參考圖5進(jìn)行，采用經(jīng)過校驗(yàn)的彈簧秤對各向施加相應(yīng)的力，3秒鐘內(nèi)應(yīng)不產(chǎn)生損傷和永久變形。

4.3電氣負(fù)載分析

完成語音警告模塊設(shè)計(jì)后，經(jīng)過實(shí)測其在待機(jī)狀態(tài)下的所需電流為30mA，在放音狀態(tài)下所需電流為80mA?？稍趦x表板上加裝1A斷路器作為其供電保護(hù)。按照極限工作狀態(tài)，完成加裝工作后，飛機(jī)電源系統(tǒng)增加的負(fù)載僅為80mA。相對于PA-44-180飛機(jī)兩個發(fā)電機(jī)120A的電流輸出能力，其增加的負(fù)載可忽略不計(jì)。

5總結(jié)

首先統(tǒng)計(jì)了中飛院運(yùn)行的主流通用航空器警告系統(tǒng)故障情況。分析現(xiàn)有通用航空器該系統(tǒng)存在的設(shè)計(jì)缺陷，并提出改進(jìn)方案。以PA-44-180飛機(jī)為例，設(shè)計(jì)了兼容原飛機(jī)系統(tǒng)的語音警告模塊。該改進(jìn)方式能極大提高通用航空器重要警告的冗余度和可靠性。在完成設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文簡單論證了其裝機(jī)的適航性。該語音警告模塊具有很強(qiáng)的可移植性，通過修改警告信號輸入電路及上層應(yīng)用程序，即可兼容多種機(jī)型的警告系統(tǒng)。本文論述的觀點(diǎn)可作為通用航空器警告系統(tǒng)語音化及冗余化的初步探索，為實(shí)際裝機(jī)使用完成了主要的基礎(chǔ)性工作。

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