航天電子設(shè)備多余物自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研制

陳可

摘要：本文就航天電子設(shè)備多余物自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的研制做了充分的探討，重點(diǎn)介紹了自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)。其中硬件部分由機(jī)械裝置、驅(qū)動(dòng)控制裝置以及加速器反饋裝置組成，而軟件設(shè)計(jì)部分主要介紹了該自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具體功能及算法實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：航天電子設(shè)備；多余物；自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)研制

中圖分類號(hào)：V443 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）01-0180-02

0 引言

電子設(shè)備在航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其可靠性直接影響航空器是否能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的。在設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中，受生產(chǎn)環(huán)境的影響，可能存在摻雜微粒等多余物遺留在設(shè)備密封殼內(nèi)，當(dāng)處于太空失重環(huán)境時(shí)，其內(nèi)部可移動(dòng)微粒可能會(huì)使電子設(shè)備短路，嚴(yán)重時(shí)造成電子設(shè)備被燒毀，引起嚴(yán)重的航天事故。因此，航天設(shè)備在其出廠時(shí)都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的多余物檢測(cè)，對(duì)內(nèi)部含有多余物的航天電子設(shè)備進(jìn)行識(shí)別并剔除。如何設(shè)計(jì)出可以準(zhǔn)確、迅速檢測(cè)出設(shè)備內(nèi)多余物的航天專用多余物自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，成了當(dāng)前制約航天事業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)亟待解決的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本航天電子設(shè)備多余物自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括工控機(jī)、控制電路、控制器、減速電機(jī)、制動(dòng)單元、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臺(tái)、隔音器、被測(cè)試件、加速傳感器、聲音傳感器、加速反饋電路、聲音信號(hào)調(diào)理電路、多通道同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集卡。其中工控機(jī)主要控制信號(hào)的發(fā)送；啟動(dòng)制動(dòng)單元通過(guò)迅速制動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，激活航天電子設(shè)備之中的多余物；控制器控制減速機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；而加速度、聲音傳感器用于設(shè)備內(nèi)部的加速度和聲音信號(hào)的檢測(cè)；采集卡用于調(diào)理后的加速度信號(hào)，聲音信號(hào)采集；工控機(jī)用于采集到的信號(hào)的計(jì)算和分析，同時(shí)控制輸入輸出設(shè)備。軟件部分則主要通過(guò)專用算法對(duì)設(shè)備內(nèi)是否存在多余物作出判斷，并可以進(jìn)一步進(jìn)行多余物性質(zhì)識(shí)別檢測(cè)，見(jiàn)圖1。

2 系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)

機(jī)械裝置主要由減速電機(jī)、皮帶輪、皮帶、傳動(dòng)軸、軸承、連桿、平板、工作臺(tái)、隔音器、圓盤(pán)、傳感器組成。

機(jī)械裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中有兩個(gè)皮帶輪和連桿構(gòu)成了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，工作時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)單向轉(zhuǎn)動(dòng)，主要靠傳動(dòng)機(jī)制來(lái)帶動(dòng)工作平臺(tái)進(jìn)行來(lái)回?cái)[動(dòng)，使放置在平臺(tái)上的被測(cè)設(shè)備產(chǎn)生加速度。減速比較大的皮帶輪將會(huì)產(chǎn)生裝置運(yùn)行不穩(wěn)，易對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生沖擊性干擾，故減速電機(jī)通常使用減速比較小的皮帶輪進(jìn)行傳動(dòng)，使裝置運(yùn)行更加平穩(wěn)，提高檢測(cè)精度。減速電機(jī)以及機(jī)械裝置在進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生劇烈的機(jī)械噪聲，嚴(yán)重影響到檢測(cè)的精度，對(duì)此可以采用在轉(zhuǎn)臺(tái)以及被測(cè)試件中間加入由橡膠制作而成的隔音器阻隔機(jī)械噪音傳輸，從而減小噪音對(duì)于測(cè)試精度帶來(lái)的影響。對(duì)于航天電子設(shè)備而言，通常存在體積較大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的問(wèn)題，而多余物微粒在設(shè)備內(nèi)部的分布存在隨機(jī)性，僅靠單一傳感器收集信息無(wú)法達(dá)到最佳檢測(cè)效果，我們采用增加傳感器的數(shù)量收集多路信號(hào)，并輔以算法配合，從整體上有效提升系統(tǒng)檢測(cè)的精度[5]。

驅(qū)動(dòng)控制主要包含控制電路、控制器、濾波單元、制動(dòng)單元幾個(gè)部分?？刂齐娐凡捎肅8051F020作為主控芯片，通過(guò)總線與工控機(jī)通信，接收上位機(jī)的信號(hào)，輸出電壓控制信號(hào)。電壓控制信號(hào)采取光耦達(dá)隔離后至分壓電路中，防止環(huán)境等因素的干擾?？刂破鹘邮辗謮盒盘?hào)，通過(guò)控制電阻變化調(diào)節(jié)減速機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。因控制器及電機(jī)在其工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波[6]，這些高頻干擾會(huì)反饋到電網(wǎng)，進(jìn)而影響后期的信號(hào)采集，為此需要設(shè)計(jì)專門(mén)的三級(jí)濾波單元，抑制高頻干擾，提高檢測(cè)精度。

國(guó)內(nèi)外基于轉(zhuǎn)臺(tái)航天電子設(shè)備普遍采用機(jī)械撞擊的方式來(lái)激活多余物，但這種方式存在明顯缺點(diǎn)，會(huì)使電機(jī)以及機(jī)械裝置的使用壽命大大降低，還會(huì)帶來(lái)巨大的安全隱患。因此采用電控制動(dòng)單元，方便更加精確的對(duì)制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制，通過(guò)選取合適的制動(dòng)參數(shù)，在滿足最小加速度閾值以保證多余物激活的同時(shí)，滿足系統(tǒng)安全這個(gè)大前提，并有效提高系統(tǒng)使用壽命[4]。

在多余物的檢測(cè)整個(gè)過(guò)程中[3]，機(jī)械裝置要給負(fù)載提供的一定加速度，才能達(dá)到最優(yōu)的效果，如果在加速度過(guò)低，就無(wú)法激活多余物進(jìn)行檢測(cè)。以往的檢測(cè)裝置通常采用的是電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，依靠轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制并不能精準(zhǔn)的控制被測(cè)試件中的加速度，因此本系統(tǒng)通過(guò)加速度閉環(huán)來(lái)精準(zhǔn)控制轉(zhuǎn)臺(tái)。加速度反饋電路用以實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝置的加速度閉環(huán)控制。首先加速度傳感器會(huì)采集機(jī)械裝置加速度，并通過(guò)反饋電路上傳至上位機(jī)，上位機(jī)經(jīng)過(guò)算法處理，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)加速度的閉環(huán)效果，見(jiàn)圖2。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要是對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在算法上進(jìn)行合理的優(yōu)化，通過(guò)多線程的方法實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)狀態(tài)，保證各部分可靠通信，以減小運(yùn)作時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析處理的結(jié)果實(shí)時(shí)繪制動(dòng)態(tài)曲線[2]。

上位機(jī)接收并處理到多余物信號(hào)、組件信號(hào)、傳感器背景噪音、環(huán)境噪聲以及傳導(dǎo)干擾五種信號(hào)。為保證檢測(cè)準(zhǔn)確度，可采用脈沖提取與傅里葉分析相結(jié)合的復(fù)合算法加以判斷。由于多余物的信號(hào)存在一定特征，其脈沖類似于一種震蕩信號(hào)，往往從信號(hào)的起始點(diǎn)迅速震蕩當(dāng)信號(hào)的最高點(diǎn)，接著再緩慢的衰竭到終止點(diǎn)，因此可采用脈沖提取算法進(jìn)行小波消噪，通過(guò)提取脈沖能量并比較，剔除干擾信號(hào)。但脈沖提取算法并不能對(duì)于剔除其中疊加的組件脈沖信號(hào)，為此還需信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉分析，通過(guò)二者在時(shí)域、頻域上所呈現(xiàn)的不同特征建立二維識(shí)別特征，然后再進(jìn)行比對(duì)，最后通過(guò)對(duì)于脈沖數(shù)量的統(tǒng)計(jì)判斷多余物是否存在[1]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)航天電子設(shè)備多余物自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了充分的探討，分別從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)工作過(guò)程，各部分的設(shè)計(jì)原理、軟件設(shè)計(jì)全方位的介紹了新型航天電子設(shè)備多余物自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。與以往的多余物檢測(cè)系統(tǒng)相比，通過(guò)硬件機(jī)械部分、電控部分的改進(jìn)和軟件部分復(fù)合算法的創(chuàng)新，系統(tǒng)檢測(cè)的準(zhǔn)確率有了大幅提高，數(shù)據(jù)分析更為簡(jiǎn)便、直觀，可以有效提高航天電子設(shè)備可靠性。

參考文獻(xiàn)

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[2] 徐冰，王世成，翟國(guó)富.航天電子裝置多余物自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].機(jī)電元件，2008， 28（2）：6-11.

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[6] 陳金豹，翟國(guó)富，王淑娟， et al.航天電子設(shè)備多余物檢測(cè)信號(hào)特性的影響因素分析[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2013，35（4）：42-46.

Abstract：This paper makes a full discussion on the development of the automatic detection system for the redundancy of aerospace electronic equipment， focusing on the hardware design and software design of the automatic detection system. The hardware part is composed of mechanical device， drive control device and accelerator feedback device， while the software design part mainly introduces the specific functions and algorithm realization of the automatic detection system.

Key words：development of aerospace electronic equipment， redundancy and automatic detection system