小型無人機(jī)地面式發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司，西安 710065; 西北工業(yè)大學(xué) 365所，西安 710072)

0 引言

靶機(jī)是無人機(jī)中最早的應(yīng)用領(lǐng)域，英、美等西方國家早在1922年就開始研制靶機(jī)，是靶機(jī)技術(shù)水平最高也是產(chǎn)量最大的地區(qū)。當(dāng)代軍用航空發(fā)展領(lǐng)域中，靶機(jī)作用一是新型對空武器的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，二是戰(zhàn)巡的假想目標(biāo)，靶機(jī)需要具有更高的性能，才可以模擬目標(biāo)的基本特征。

靶機(jī)的飛行保障是靶機(jī)的重要內(nèi)容，地面保障盡可能的做到簡便，快速陣地布置；為適應(yīng)多機(jī)編隊(duì)和協(xié)同任務(wù)的靶試也將成為科研和戰(zhàn)訓(xùn)的內(nèi)容，采用一站多機(jī)的地面保障裝置將有利于靶機(jī)的集群供靶的需要；安?？刂?。靶機(jī)一般在靶場內(nèi)飛行，對安全區(qū)域需要有嚴(yán)格的限定，必須裝訂安全邊界；靶機(jī)的各航段和航點(diǎn)均可在起飛前預(yù)先裝訂；靶機(jī)的密集編隊(duì)和協(xié)同任務(wù)式靶機(jī)應(yīng)用的發(fā)展趨勢，因此“一站多機(jī)”的控制技術(shù)日益重要；同時(shí)靶機(jī)的集結(jié)需要在盡量短的時(shí)間間隔內(nèi)依次起飛[1-3]。

因此，本文提出一種地面式發(fā)射控制系統(tǒng)，對多架次無人機(jī)靶機(jī)進(jìn)行地面保障，控多機(jī)模式，進(jìn)行航線和安全邊界的裝訂，靶機(jī)發(fā)射前的指令檢測，發(fā)動(dòng)機(jī)控制，發(fā)射控制，以及多靶機(jī)的狀態(tài)顯示反饋。實(shí)現(xiàn)一對多式的靶機(jī)地面式發(fā)射系統(tǒng)。本文采用發(fā)控方艙的形式，節(jié)省成本，在地面測控站展開前，通過有限串口實(shí)現(xiàn)地面保障全套流程，直到發(fā)射，即滿足要求又節(jié)省成本，適合靶機(jī)的高效作業(yè)特性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

地面發(fā)控系統(tǒng)設(shè)備包括艙內(nèi)設(shè)備和艙外設(shè)備，艙內(nèi)設(shè)備由監(jiān)控柜、通信設(shè)備、配電設(shè)備和環(huán)控設(shè)備構(gòu)成，監(jiān)控柜包括一個(gè)指揮控制柜和4個(gè)發(fā)射控制柜。艙外設(shè)備包括地面啟動(dòng)箱、氣瓶組和配套電纜及管路。地面發(fā)控方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足功能需求的實(shí)現(xiàn)，地面發(fā)控設(shè)備的組成如圖1所示。

圖1 地面發(fā)射控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

地面發(fā)射控制系統(tǒng)工作原理是，通過四組RS422串行接口，每組串行接口數(shù)據(jù)分別為無人機(jī)遙控遙測數(shù)據(jù)，無人機(jī)通過該串口將遙控遙測數(shù)據(jù)包發(fā)送給對應(yīng)的發(fā)射控制計(jì)算機(jī)，地面操作人員通過該串口發(fā)送遙控指令給其串口連接的無人機(jī)；地面啟動(dòng)箱的遙控?cái)?shù)據(jù)，操縱人員在發(fā)控艙中發(fā)送啟動(dòng)箱的控制指令；接收硬指令盤的指令狀態(tài)，同時(shí)發(fā)控軟件發(fā)送數(shù)據(jù)，控制硬指令盤的LED燈亮滅的狀態(tài)數(shù)據(jù)包。同時(shí)系統(tǒng)每個(gè)發(fā)射控制計(jì)算機(jī)還包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，發(fā)控計(jì)算機(jī)將對應(yīng)無人機(jī)的遙控遙測數(shù)據(jù)包，通過該網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)發(fā)送至指揮控制軟件，進(jìn)行全系統(tǒng)多架飛機(jī)狀態(tài)顯示。

1.1 設(shè)計(jì)布局

地面發(fā)控系統(tǒng)硬件將指揮控制、發(fā)射監(jiān)控、指揮通信進(jìn)行綜合一體化設(shè)計(jì)。地面方艙內(nèi)設(shè)置一個(gè)指揮控制柜、4個(gè)發(fā)射控制柜和揚(yáng)聲單機(jī)。

發(fā)控方艙內(nèi)左側(cè)安裝5個(gè)機(jī)柜，中間為指揮控制柜，兩側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)發(fā)射控制柜，機(jī)柜右側(cè)是設(shè)備柜，上方安裝網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和UPS，下方為抽屜。

1.2 信息傳輸

信息傳輸以串口和網(wǎng)絡(luò)為主要依托，通過網(wǎng)絡(luò)電纜將發(fā)控方艙各設(shè)備相連接，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，與靶機(jī)和地面啟動(dòng)箱的連接使用串口連接，每架靶機(jī)使用一路串口進(jìn)行通信。如圖2所示。

圖2 地面發(fā)控方艙信息傳輸原理圖

地面發(fā)控系統(tǒng)通過RS422串口與靶機(jī)連接，發(fā)送靶機(jī)的控制指令并接收靶機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過RS422串口與地面啟動(dòng)箱連接，控制地面啟動(dòng)箱的工作，串口與發(fā)射車內(nèi)的發(fā)控計(jì)算機(jī)相連接，各臺發(fā)控計(jì)算機(jī)將各架靶機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給指控計(jì)算機(jī)進(jìn)行匯總顯示。

1.3 接口設(shè)計(jì)

外部接口主要為RS422串口，如圖3所示。這些串口通過信號壁盒引出。

圖3 地面發(fā)控方艙外部接口圖

內(nèi)部接口為地面發(fā)控方艙內(nèi)部各個(gè)設(shè)備工作的數(shù)據(jù)交換接口。包括串口電纜、網(wǎng)絡(luò)電纜。數(shù)據(jù)主要為靶機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制指令數(shù)據(jù)。內(nèi)部詳細(xì)信號流如圖4所示。

圖4 地面發(fā)控方艙內(nèi)部信號流圖

內(nèi)部信號傳輸包括網(wǎng)絡(luò)傳輸和串口傳輸兩種方式，發(fā)控計(jì)算機(jī)和指控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)電纜連接，硬指令盤與發(fā)控計(jì)算機(jī)通過串口連接。

1)網(wǎng)絡(luò)傳輸方式：內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接構(gòu)成，。無人機(jī)狀態(tài)信號通過外部接口發(fā)送給發(fā)控計(jì)算機(jī)，發(fā)控計(jì)算機(jī)接收并顯示無人機(jī)狀態(tài)，同時(shí)發(fā)控計(jì)算機(jī)將靶機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)匯總到指控計(jì)算機(jī)，指控計(jì)算機(jī)將各無人機(jī)狀態(tài)匯總顯示，

2)串口傳輸方式：硬指令盤的按鍵指令通過串口發(fā)送給發(fā)控計(jì)算機(jī)。硬指令盤和發(fā)控計(jì)算機(jī)之間采用RS-232串行接口通信；地面發(fā)控方艙內(nèi)各計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)之間采用網(wǎng)絡(luò)接口通信；

2 系統(tǒng)的發(fā)射控制

發(fā)射控制柜實(shí)現(xiàn)無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)視、航路的裝訂和靶機(jī)的發(fā)射控制功能。具體包括：參數(shù)顯示、航路、安控區(qū)裝定、系統(tǒng)自檢、控制指令反饋、供電控制及發(fā)射控制。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

發(fā)射控制功能控制在地面發(fā)控系統(tǒng)的發(fā)射控制柜的發(fā)射控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行。由于發(fā)射控制計(jì)算機(jī)需要外界4個(gè)串口，因此采取擴(kuò)展擴(kuò)展串口板卡，進(jìn)行串口擴(kuò)展，才能滿足需求。

采用CPCI加固計(jì)算機(jī)，功能電路分為：主板模塊、液晶模塊、電源模塊、鍵盤模塊、存儲(chǔ)模塊、接口模塊。供電輸入為AC220 V。因此，電源轉(zhuǎn)換方案選定ZIPPY公司生產(chǎn)的P1A-6301P電源，該電源模塊工作穩(wěn)定，可靠性高。計(jì)算機(jī)對屏幕、主板等力學(xué)薄弱環(huán)節(jié)重點(diǎn)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

2.2 發(fā)射控制軟件實(shí)現(xiàn)

發(fā)射控制軟件采用VC++6.0開發(fā)，運(yùn)行于Windows XP操作系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)靶機(jī)的發(fā)射控制。發(fā)射控制軟件可實(shí)時(shí)監(jiān)視靶機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)，為靶機(jī)裝訂飛行航路，提供安全提示以及安全告警，提供靶機(jī)發(fā)射控制指令按鍵并實(shí)時(shí)匯報(bào)發(fā)送的指令。發(fā)送控制軟件在靶機(jī)發(fā)射流程進(jìn)行時(shí)可對流程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行全程記錄。

發(fā)射控制軟件的功能模塊包括：系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)視模塊；航路上傳、狀態(tài)顯示；安全提示、告警模塊；按鍵指令模塊；指令回報(bào)模塊；數(shù)據(jù)記錄模。下面針對其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行具體介紹，

1)航路上傳：使用txt文件處理方式為靶機(jī)裝訂飛行航路。

使用CStdioFile的open[4]打開上級的航路文件，文件包括“航路信息”、“飛行邊界”、“安控區(qū)域”，

ReadString讀取數(shù)據(jù)后，寫入上行控制數(shù)據(jù)；

SendMessage消息模式觸發(fā)串口發(fā)送消息，完成航線裝訂。

2)狀態(tài)顯示：通過多媒體定時(shí)器觸發(fā)，使用回調(diào)函數(shù)OnTimerEventOfTmcom()[5]觸發(fā)串口時(shí)間，采用pcomm控件實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的接收[6-7]，使用Ontimer對軟件參數(shù)進(jìn)行文本和圖形顯示。

使用Photoshop的高像素表盤圖片和指針圖片，加載至MFC下的對話框[5]，操作指針圖片尋轉(zhuǎn)角都實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖形顯示。

3)控制指令，接收硬指令盤和地面啟動(dòng)箱的串口指令，解碼后通過串口轉(zhuǎn)換為上行控制數(shù)據(jù)，sio_write函數(shù)發(fā)送至響應(yīng)的無人機(jī)。為了滿足擴(kuò)展串口的同步性，使用MOXA公司的PCOMM插件進(jìn)行串口的讀取操作。串口發(fā)送端的數(shù)據(jù)周期小于20毫秒，使用微軟自帶的定時(shí)器周期精度較差，平均可達(dá)到100MS，因此，軟件采取多媒體定時(shí)器，使用回調(diào)函數(shù)進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的處理，函數(shù)具體如下：

void CALLBACK OnTimerEventOfTMcom()

//飛機(jī)參數(shù)串口數(shù)據(jù)處理

void CALLBACK OnTimerEventOfYZLcom()

//硬質(zhì)令盤串口數(shù)據(jù)處理

在程序初始化中，將回調(diào)函數(shù)和定時(shí)器進(jìn)行綁定，具體如下：

// 飛機(jī)參數(shù)回調(diào)函數(shù)初始化

TimeOfTMcom = timeSetEvent

(20,1,(LPTIMECALLBACK)OnTimerEventOfTMcom, 0, TIME_PERIODIC);

// 硬質(zhì)令盤回調(diào)函數(shù)初始化

TimeOfYZLcom = timeSetEvent

(40,1,(LPTIMECALLBACK)OnTimerEventOfYZLcom, 0, TIME_PERIODIC);

軟件將接收的遙測串口數(shù)據(jù)進(jìn)行文本和圖形顯示；將硬指令盤的串口數(shù)據(jù)解碼翻譯后，按照協(xié)議組成控制數(shù)據(jù)包，通過飛機(jī)串口發(fā)送給飛機(jī)；地面發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)指令發(fā)送至啟動(dòng)箱串口。

4)數(shù)據(jù)記錄，使用malloc函數(shù)開辟內(nèi)存數(shù)組buffer，將實(shí)時(shí)下行數(shù)據(jù)寫入buffer，然后分時(shí)按照十六進(jìn)制寫入本地.data文件中。she

3 系統(tǒng)的指揮控制

指揮控制柜主要承擔(dān)靶機(jī)的發(fā)射監(jiān)控任務(wù)。指揮控制柜上部安裝一臺一體化加固計(jì)算機(jī)，用于監(jiān)控各架無人機(jī)的狀態(tài)和參數(shù)。

3.1 指揮控制軟件

指揮控制軟件采用VC++6.0開發(fā)，運(yùn)行于Windows XP操作系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)發(fā)射過程中的監(jiān)視與指揮功能。指揮控制軟件可實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的狀態(tài)，同時(shí)提供安全提示以及安全告警，另外還可以讀取飛機(jī)上裝訂的飛行航路。指揮控制軟件在發(fā)射流程進(jìn)行時(shí)可對流程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行全程記錄。

3.2 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1)使用UDP組播形式[8]，接收各個(gè)無人機(jī)的下行數(shù)據(jù)Data1，Data2，Data3，Data4。

2)數(shù)據(jù)顯示方式，采取MFC(Microsoft fundament class)中的不同的Dialog中加載相同的類[9]，快速將軟件從一機(jī)擴(kuò)展至四機(jī)。如圖5所示。

圖5 指揮控制軟件

4 系統(tǒng)中的其他設(shè)備

4.1 硬指令盤

硬指令盤利用嵌入式微處理器的I/O端口采集指令按鍵的電平信號，利用按鍵編碼對按鍵指令進(jìn)行識別，生成控制指令數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送控制數(shù)據(jù)。具體包括左盤、直飛、右盤、爬升、平飛、俯沖、大馬力、中馬力和小馬力這9個(gè)指令按鍵。

為了便于靶機(jī)地面檢測，特別針對飛機(jī)的飛前檢查，需要對飛機(jī)的飛行指令進(jìn)行驗(yàn)證，以及航電傳感器進(jìn)行檢查，確保飛行安全。使用硬指令盤，進(jìn)行飛行指令檢測。方便飛前檢測，同時(shí)使用線纜連接飛行指令檢查人員和發(fā)射控制操作人員可以同時(shí)開展準(zhǔn)備工作，提高展開效率。

硬指令盤由殼體、控制器板、指令按鍵、鑰匙開關(guān)、電源開關(guān)、指示燈和連接器構(gòu)成。

硬指令盤利用嵌入式微處理器的I/O端口采集指令按鍵的電平信號，利用按鍵編碼對按鍵指令進(jìn)行識別，生成控制指令數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送控制數(shù)據(jù)便攜式發(fā)控計(jì)算機(jī)與一套硬指令盤相連接，硬指令盤可通過按鍵發(fā)送舵面控制指令和發(fā)動(dòng)機(jī)控制指令，同時(shí)應(yīng)指令盤還可控制靶機(jī)的發(fā)射及取消發(fā)射。

硬指令盤主要由于檢測和發(fā)射控制功能。硬指令盤面板上設(shè)置一組飛行測試指令和發(fā)射控制指令，

飛行測試指令用于發(fā)射前測試飛機(jī)控制系統(tǒng)和作動(dòng)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作情況；發(fā)射控制指令用于執(zhí)行靶機(jī)的發(fā)射控制。硬指令盤按鍵和開關(guān)布局。

4.2 供電系統(tǒng)

UPS選用APC SRC3000XLICH型在線式UPS不間斷電源，該電源最大輸出功率為2100 W，輸出電壓AC 230 V，輸出頻率50 Hz，機(jī)身尺寸為175 mm*432 mm*457 mm(高*寬*深)，配置為機(jī)架式，高度為4 U，主機(jī)凈重為34 kg，滿負(fù)載效率89%。1 200 W負(fù)載時(shí)可維持運(yùn)行15 min。

5 系統(tǒng)的可靠性模型和分析

建立地面發(fā)控方艙系統(tǒng)的可靠性模型，根據(jù)地面發(fā)控方艙的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行歸整，以機(jī)柜為單元，把地面發(fā)控方艙劃分為配電箱、地面啟動(dòng)箱、硬指令盤、指揮控制柜、發(fā)射控制柜柜以及相關(guān)的軟件。通過對各個(gè)單元的建立與分析，充分考慮軟件因素，可靠性模型如圖6所示。

圖6 地面發(fā)控方艙系統(tǒng)可靠性模型

系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間[10]：

MTBF=1/λ，λ=λ1+λ2+λ3+λ4，

λi：設(shè)備可靠性

表1 基本可靠性預(yù)計(jì)表

根據(jù)計(jì)算，MTBF預(yù)計(jì)值為 284小時(shí)，滿足指標(biāo)要求。

6 結(jié)束語

某基地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，展開普通地面控制站進(jìn)行的地面保障和本文的發(fā)控系統(tǒng)地面保障，兩種系統(tǒng)的保障時(shí)間和流程對比見表2所示，其中A代表地面控制站的保障活動(dòng)，B代表地面發(fā)射控制艙的保障活動(dòng)。

其中，

TA1=TB1

(1)

TA2>TB2

(2)

TA3=TB3

(3)

進(jìn)行指令檢測時(shí)，地面發(fā)控系統(tǒng)進(jìn)行飛行動(dòng)力檢測的同時(shí)，數(shù)據(jù)鏈展開通信，接著進(jìn)行鏈路檢測:

TA4=TB4

(4)

表2 A和B保障活動(dòng)對比明細(xì)

TSUNA=TA1+TA2+TA3+TA4

(5)

TSUNB=TB1+TB2+TB3+TB4

(6)

結(jié)論如下，

TSUNA>TSUNB

(7)

因此總體展開時(shí)間B方案優(yōu)勢明顯。經(jīng)過使用和實(shí)際飛行，由指揮控制、發(fā)射監(jiān)控、指揮通信進(jìn)行綜合一體化設(shè)計(jì)的地面式發(fā)射控制系統(tǒng)，可進(jìn)行系統(tǒng)自身的發(fā)控流程自檢；可進(jìn)行地面供電控制；裝訂航路和安控區(qū)、發(fā)送射前檢查指令并回顯反饋數(shù)據(jù)；可發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)的開車指令；可發(fā)送火箭點(diǎn)火指令；可隨時(shí)發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)停車指令、靶機(jī)斷電指令等，終止發(fā)射流程。可以短時(shí)連續(xù)發(fā)送多架次無人機(jī)，節(jié)省地面保障人員、無人機(jī)發(fā)射時(shí)間和地面設(shè)備的保障成本，極大提高了發(fā)射效率。

在艦載多靶機(jī)實(shí)驗(yàn)任務(wù)中，適應(yīng)場地和人員的需求。極大的精簡了設(shè)備和操縱人員，采用硬質(zhì)令盤和發(fā)控軟件同時(shí)操作的模式，同時(shí)展開地面保障工作，極大地體現(xiàn)了系統(tǒng)的優(yōu)越性。在部隊(duì)使用過程中，操作流程簡化、展開時(shí)間短、通用性強(qiáng)，這些特點(diǎn)極大地方便了人員操作和空防試驗(yàn)。