通用無人機(jī)仿整機(jī)自動測試系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

王怡蘋，文天柱，劉 勇

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺264001）

隨著航空技術(shù)、電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)也不斷進(jìn)步，其性能越來越好，實(shí)現(xiàn)的功能日益豐富。

無人機(jī)具有不懼傷亡，隱蔽性好，生命力強(qiáng)，滯空時間長等特點(diǎn)[1]，不僅能在戰(zhàn)場上與有人戰(zhàn)斗機(jī)并肩作戰(zhàn)，而且能在某些情況下替代有人機(jī)，遂行作戰(zhàn)任務(wù)，毋庸置疑，在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，無人機(jī)將逐漸成為奪取制空權(quán)的主力軍[2-4]。

與此同時，無人機(jī)系統(tǒng)各機(jī)載設(shè)備的安全性、可靠性日益引起人們的關(guān)注[5-7]，如何高效而精確地檢測、模擬無人機(jī)各種機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生的信號，已越來越重要且急迫。

無人機(jī)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，除了機(jī)載計算機(jī)，還配備多種航電設(shè)備，如各類舵機(jī)、發(fā)動機(jī)以及各種傳感器，要完成對無人機(jī)系統(tǒng)準(zhǔn)確且可靠的測試，就要對整個無人機(jī)設(shè)備產(chǎn)生的模擬輸入信號、模擬輸出信號、數(shù)字I/O信號、大氣信號及各類通信信號進(jìn)行全面的模擬與測試[8]。

1 設(shè)計思想

目前，無人機(jī)的測試方法主要有無人機(jī)整機(jī)測試和分機(jī)測試2種。整機(jī)測試可完成一個完整無人機(jī)的測試，測試過程中可對各機(jī)載設(shè)備間的信號與信息交互實(shí)現(xiàn)檢測。但其局限性在于，所需的測試場所空間要大，且對于無人機(jī)的可測試性設(shè)計要求較高。分機(jī)測試是每次只能對某一無人機(jī)機(jī)載設(shè)備的功能和性能進(jìn)行檢測。其局限性在于，該機(jī)載設(shè)備與機(jī)載計算機(jī)間的時序要求、反應(yīng)時間等性能不能進(jìn)行精確的檢測，且被測機(jī)載設(shè)備與其他機(jī)載設(shè)備間的信號交聯(lián)也無法完成。

機(jī)載計算機(jī)作為飛行控制系統(tǒng)的核心，對整個無人機(jī)系統(tǒng)起著至關(guān)重要的影響。本文提出一種將機(jī)載計算機(jī)作為自動測試系統(tǒng)組成部分的無人機(jī)仿整機(jī)測試系統(tǒng)的設(shè)計方法。機(jī)載計算機(jī)既作為被測對象，又是測試系統(tǒng)的組成部分。測試時，通過機(jī)載計算機(jī)控制其他機(jī)載設(shè)備工作，充分發(fā)揮機(jī)載計算機(jī)本身與其他機(jī)載設(shè)備的數(shù)據(jù)交聯(lián)功能，實(shí)時采集、判斷各機(jī)載設(shè)備的輸出信號，復(fù)現(xiàn)無人機(jī)整機(jī)實(shí)裝的BIT自檢和正常工作過程。

測試過程中，若無人機(jī)的某個機(jī)載設(shè)備未接入測試系統(tǒng)中，則由測試系統(tǒng)中的測試資源模擬該機(jī)載設(shè)備的功能與輸出信號，完成其與機(jī)載計算機(jī)的信號交聯(lián)和通信，保證無人機(jī)的BIT 自檢和正常工作過程的執(zhí)行成功，完整檢測被測無人機(jī)機(jī)載設(shè)備的性能與功能。即無人機(jī)自動測試系統(tǒng)既可完成無人機(jī)的測試，也可模擬多型無人機(jī)機(jī)載設(shè)備的功能[9-12]。

2 測試系統(tǒng)的構(gòu)成

通用無人機(jī)仿整機(jī)自動測試系統(tǒng)，由測控計算機(jī)、測試資源集、陣列接口、機(jī)型測試適配器、測試電纜和無人機(jī)組件集組成。其中，測控計算機(jī)內(nèi)置管理程序、測試程序、測試資源驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)管理模塊。管理程序是面向用戶的頂層設(shè)計；測試程序根據(jù)具體型號的無人機(jī)測試需求完成；測試資源驅(qū)動程序是測試資源集的控制代碼；數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)測試結(jié)果的顯示、保存與打印功能。

2.1 系統(tǒng)硬件組成

測試系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。測控計算機(jī)是整個自動測試系統(tǒng)的控制與信息采集中心，可實(shí)現(xiàn)測試資源的控制、測試結(jié)果的顯示、測試過程中與操作人員的交互等功能[13-15]。

圖1 測試系統(tǒng)硬件組成Fig.1 Hardware structure of test system

測試資源集包括直流電源、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字示波器、數(shù)字多用表、微波信號源、串口通信模塊、DA模塊、大氣參數(shù)測試儀、程控電阻模塊和開關(guān)模塊。陣列接口是測試資源的輸入/輸出信號的匯總端[16-17]；機(jī)型測試適配器包括多型無人機(jī)的機(jī)型測試適配器，每個機(jī)型測試適配器面向某一型號的無人機(jī)，它是測試資源集輸入/輸出信號與測試電纜的轉(zhuǎn)接裝置，可完成測試系統(tǒng)與被測無人機(jī)機(jī)載設(shè)備間信號的轉(zhuǎn)接；測試電纜包括多型無人機(jī)測試電纜，測試電纜用于無人機(jī)機(jī)載設(shè)備與機(jī)型測試適配器、被測無人機(jī)機(jī)載設(shè)備之間的連接；無人機(jī)組件集包括多型被測試無人機(jī)的機(jī)載計算機(jī)，機(jī)載計算機(jī)可完成與測試系統(tǒng)、被測機(jī)載設(shè)備的控制與數(shù)據(jù)交聯(lián)。

各測試資源的功能分別為：

1）直流電源提供無人機(jī)機(jī)上電源所需的輸入電壓；

2）函數(shù)發(fā)生器輸出一個正弦信號，通過變換該信號的頻率，模擬發(fā)動機(jī)的不同轉(zhuǎn)速信號；

3）數(shù)字示波器測量機(jī)載計算機(jī)和被測機(jī)載設(shè)備指定針腳的輸出信號屬性；

4）數(shù)字多用表完成各路電壓的測試；

5）微波信號源模擬外部干擾信號，完成無人機(jī)的導(dǎo)引頭測試；

6）串口通信模塊模擬氣壓高度/空速傳感器、任務(wù)設(shè)備、GPS、導(dǎo)引頭、三軸磁力計與機(jī)載計算機(jī)機(jī)間的串口通信信號，實(shí)現(xiàn)測控計算機(jī)與機(jī)載計算機(jī)的通信；

7）DA 模塊輸出多路不同的電壓，模擬發(fā)動機(jī)的溫度和各路舵機(jī)信號（垂直陀螺、左右升降舵、前輪、左右方向舵、風(fēng)門等）；

8）大氣參數(shù)測試儀模擬氣壓高度/空速傳感器輸出到機(jī)載計算機(jī)的信號；

9）程控電阻輸出不同的電阻值，模擬發(fā)動機(jī)的缸溫；

10）開關(guān)模塊用于完成測試過程中的信號轉(zhuǎn)接，并模擬機(jī)載計算機(jī)輸出的對外部分機(jī)及部件的控制信號，如停車控制、開傘等。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

以LabWindows/CVI作為測試開發(fā)環(huán)境，LabWindows/CVI 是NI公司開發(fā)的基于C 語言的測試開發(fā)環(huán)境。其交互式編程方法和豐富的函數(shù)面板，使用測試開發(fā)人員能高效地編寫測試程序[18]。使用LabWindows/CVI SQL ToolKit作為數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具。NI公司提供的SQL ToolKit 包含了一套簡單易用的函數(shù)工具，使用戶能快速連接本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，并且無需進(jìn)行結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）編程就可以執(zhí)行諸多常用的數(shù)據(jù)庫操作。可以方便地連接各種常用數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of system software

管理程序可完成以下功能：①實(shí)現(xiàn)對測試程序的管理，保證在同一時刻只有一個測試程序運(yùn)行；②通過對機(jī)型測試適配器中識別電阻的測量，自動調(diào)用對應(yīng)的無人機(jī)測試程序；③調(diào)用數(shù)據(jù)管理模塊，實(shí)現(xiàn)測試結(jié)果數(shù)據(jù)文件的顯示和打印等功能。

無人機(jī)測試程序可完成以下功能：①實(shí)現(xiàn)對測試資源的調(diào)用；②根據(jù)測試流程，完成各個測試項(xiàng)目；③對測試結(jié)果的正確與否進(jìn)行判斷，并完成測試結(jié)果的記錄和保存。

在自動測試系統(tǒng)設(shè)計中，采用了儀器可互換技術(shù)，避免當(dāng)一臺/塊測試資源發(fā)生故障時，由于沒有同型號的測試資源代替，而導(dǎo)致整個測試系統(tǒng)無法工作或需修改測試程序才可以工作的情況。即測試程序調(diào)用儀器類驅(qū)動程序，由儀器可互換內(nèi)核根據(jù)系統(tǒng)配置文件內(nèi)容，調(diào)用具體型號的物理儀器驅(qū)動程序。以示波器為例，若測試系統(tǒng)中的示波器型號更換后，只需編寫新型號的示波器物理儀器驅(qū)動程序，更新到系統(tǒng)軟件中，并將配置文件中示波器的型號及驅(qū)動指向更新后型號和軟件，無需更改測試程序，即可完成無人機(jī)的測試。

通用無人機(jī)仿整機(jī)自動測試系統(tǒng)的測試步驟如圖3所示。

圖3 無人機(jī)自動測試流程Fig.3 Test flow chart of UAV

步驟1：啟動管理程序；

步驟2：通過對當(dāng)前接入測試系統(tǒng)的機(jī)型測試適配器指定針腳連接的識別電阻進(jìn)行測量，判斷當(dāng)前連接到測試系統(tǒng)的無人機(jī)的型號，并調(diào)用相應(yīng)的測試程序；

步驟3：根據(jù)檢測電纜內(nèi)部的識別電阻，測試系統(tǒng)判斷當(dāng)前連接到系統(tǒng)的無人機(jī)機(jī)載設(shè)備的數(shù)量與類型；

步驟4：測試程序發(fā)送指令，機(jī)載計算機(jī)啟動整機(jī)工作狀態(tài)下的BIT 自檢或某機(jī)載設(shè)備的功能檢測，實(shí)現(xiàn)對所有實(shí)物狀態(tài)和仿真狀態(tài)機(jī)載設(shè)備的通信控制、信號交聯(lián)和數(shù)據(jù)實(shí)時采集，對于未接入測試系統(tǒng)的無人機(jī)機(jī)載設(shè)備，由測試系統(tǒng)中的測試資源集模擬其功能；

步驟5：對測試結(jié)果進(jìn)行處理、顯示和保存。

3 測試示例

以垂直陀螺為例，無人機(jī)仿整機(jī)測試中有關(guān)垂直陀螺的測試內(nèi)容如表1所示。

表1 與垂直陀螺相關(guān)的測試內(nèi)容Tab.1 Test about vertical gyro

以表1中檢測類型1和檢測類型2為例，其測試流程分別如圖4的左半部分、右半部分所示。

垂直陀螺為實(shí)物狀態(tài)時，無人機(jī)BIT 測試過程中垂直陀螺被測步驟為：

1）垂直陀螺置于俯仰角0°，傾斜角0°的測試夾具上測試；

2）垂直陀螺置于俯仰角30°（抬頭為正），傾斜角0°的測試夾具上測試；

3）垂直陀螺置于俯仰角0°，傾斜角30°（右傾為正）的測試夾具上測試；

4）垂直陀螺置于俯仰角15°（抬頭為正），傾斜角-30°（右傾為正）的測試夾具上測試。

垂直陀螺為仿真狀態(tài)時，無人機(jī)BIT測試過程中，分別由2 路DA 模擬通道輸出不同的電壓值，模擬垂直陀螺被測角度對應(yīng)的輸出電壓值，各步驟對應(yīng)的電壓值分別為：①俯仰角0 V、傾斜角0 V；②俯仰角6.0 V、傾斜角0 V；③俯仰角0 V、傾斜角輸出電壓-6.0 V；④俯仰角3.0 V、傾斜角6.0 V。

在測試過程中，機(jī)載計算機(jī)不考慮當(dāng)前接入測試系統(tǒng)的垂直陀螺是實(shí)物狀態(tài)，還是仿真狀態(tài)，只需測量垂直陀螺與其連接的針腳間的電壓值，從而完成相應(yīng)角度值的換算，由串口總線上報給測控計算機(jī)，進(jìn)行測試結(jié)果的判斷。即無論垂直陀螺的狀態(tài)如何，在仿整機(jī)的通用無人機(jī)自動測試系統(tǒng)中，機(jī)載計算機(jī)都能完整執(zhí)行其BIT或正常工作流程。

圖4 垂直陀螺BIT測試流程Fig.4 BIT test flow of vertical gyro

4 結(jié)論

本文提出的通用無人機(jī)仿整機(jī)自動測試系統(tǒng)與其他無人機(jī)自動測試相比，具有以下3個顯著優(yōu)點(diǎn)：

1）無人機(jī)仿整機(jī)自動測試系統(tǒng)，對接入測試系統(tǒng)中被測無人機(jī)機(jī)載設(shè)備的數(shù)量要求更靈活。將無人機(jī)的機(jī)載計算機(jī)集成到檢測系統(tǒng)中，并利用系統(tǒng)中的測試資源模擬未接入的無人機(jī)機(jī)載設(shè)備的功能，以保持檢測設(shè)備與實(shí)際裝備信號環(huán)境一致。

2）通用無人機(jī)仿整機(jī)自動測試系統(tǒng)充分發(fā)揮機(jī)載計算機(jī)本身與無人機(jī)其他機(jī)載設(shè)備的數(shù)據(jù)交聯(lián)功能，復(fù)現(xiàn)無人機(jī)整機(jī)實(shí)裝的BIT 自檢和正常工作過程。使經(jīng)過維修檢測后的無人機(jī)機(jī)載設(shè)備，重新安裝到無人機(jī)實(shí)裝中“即插即用”，保證無人機(jī)的正常工作，有效提高了維修可靠性，提升了無人機(jī)的戰(zhàn)斗力。

3）配備不同型號無人機(jī)的機(jī)型測試適配器、測試電纜、機(jī)載計算機(jī)，并編寫相應(yīng)的測試程序，可完成不同型號的無人機(jī)仿整機(jī)測試，測試系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

基于本文設(shè)計思想研發(fā)的通用無人機(jī)仿整機(jī)自動測試系統(tǒng)已交付使用，在內(nèi)場維修環(huán)境中完成三型無人機(jī)的整機(jī)和機(jī)載設(shè)備聯(lián)調(diào)檢測，有效提高了檢測設(shè)備的通用性和利用率，提升了無人機(jī)維修可靠性。