基于虛擬儀器技術(shù)的飛機駕駛桿檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

潘慶國， 周章勇， 彭雪娟， 章 寧

(國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007)

飛機駕駛桿是飛機上用來傳遞操縱指令[1]、驅(qū)動舵面[2]運動的多個裝置總和，其上配置有多個用于自動控制系統(tǒng)、軍械系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)和飛行姿態(tài)調(diào)整的扳機/按鈕，用于飛行控制和武器控制。駕駛員通過操縱飛機的駕駛桿來發(fā)送操縱指令，傳感器[3-4]將指令以各種電信號的形式傳遞給執(zhí)行機構(gòu)以實現(xiàn)飛行狀態(tài)[5]控制，因此駕駛桿是飛機的飛行控制系統(tǒng)和武器控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，它的工作性能是否良好正常，直接影響著飛機的飛行安全和戰(zhàn)斗力。駕駛桿外形如圖1所示。

圖1 飛機駕駛桿模型圖

在某型駕駛桿定期維修時須更換各類扳機/按鈕以及與其交聯(lián)的線束、航空插頭，由于維修工作量大、交聯(lián)關(guān)系復雜，易產(chǎn)生各類修理問題，因此對其進行性能檢測就顯得尤為重要。

在維修中，針對駕駛桿力的原位[6-7]和離位[8-9]檢測，已有研究闡述了基于虛擬儀器技術(shù)的駕駛桿力測試方法，可使用專用測試設(shè)備和工裝來保證維修的可靠性。但還沒有針對該型駕駛桿各類扳機/按鈕以及交聯(lián)線束、插頭的專用檢測設(shè)備[10-12]，僅靠人工對線路的導通性進行檢查，無法對各類操縱扳機/按鈕的性能進行檢查。尤其是光標控制按鈕，需要對其測試不同施力情況下的壓電轉(zhuǎn)換性能、零位輸出特性等，現(xiàn)有手段無法滿足測試需要。一種針對飛機駕駛桿線束的綜合測試設(shè)備[13]可滿足線束的導通性手動定性測量，但其測試效率不高，且無法定量精密測量各扳機/按鈕的接觸電阻和光標控制開關(guān)的性能，而開關(guān)的性能直接關(guān)系到駕駛桿的操縱靈敏度。

為此，針對目前飛機駕駛桿維修現(xiàn)狀與不足，迫切需要研究飛機駕駛桿的自動化測試方法，設(shè)計基于虛擬儀器技術(shù)的飛機駕駛桿檢測系統(tǒng)，并對其組成、功能、關(guān)鍵性設(shè)計以及軟件編制等內(nèi)容進行研究論述，以滿足飛機駕駛桿的自動檢測需要，保障飛行安全和部隊戰(zhàn)斗力。

1 系統(tǒng)功能分析

飛機駕駛桿檢測系統(tǒng)須具有較高的自動化檢測能力，以滿足對被測駕駛桿力學和電學測試的需求。采用四線法測試接觸電阻，優(yōu)化電阻連續(xù)測試和采集判斷算法，滿足對各開關(guān)接觸電阻不穩(wěn)定故障的捕獲能力。系統(tǒng)具備對測試數(shù)據(jù)記錄、統(tǒng)計和分析的功能，兼具完善的自檢自校準功能和安全防護能力，主要功能如下。

① 具備駕駛桿各類扳機/按鈕的絕緣性能和抗電性能的檢測和自動判斷能力，并可將測試結(jié)果與被測對象的設(shè)計指標比較，給出測試結(jié)論。

② 對光標控制按鈕可按規(guī)定施加測試力，并對其輸出信號進行采集，完成零位信號和輸出信號線性度測試。

③ 對光標控制按鈕力測試范圍為0～15 N，誤差≤0.1 N。

④ 絕緣電阻測試電壓：直流50 V、500 V；測試精度：±1%rdg。

⑤ 接觸電阻測試：不大于0.3 Ω；測試精度：±0.0035%。

⑥ 系統(tǒng)自檢功能，能對整個設(shè)備的測試儀器資源和測試通道進行自檢，給出自檢通過或不通過的結(jié)論。

⑦ 測試時間不超過15 min。

2 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

自動測試硬件平臺主要由機柜、工控機、程控電源、三用表、絕緣抗電測試儀、高壓矩陣開關(guān)模塊、接口適配面板、駕駛桿夾持和施力裝置、測試電纜、配套附件等組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動測試硬件平臺系統(tǒng)架構(gòu)

程控可調(diào)電源主要實現(xiàn)直流工作電壓0～27 V可調(diào)功能。

三用表使用四線法，消除測試回路的阻抗影響，實現(xiàn)觸點接觸電阻的高精度測試。

絕緣抗電測試儀實現(xiàn)對線路絕緣和抗電性能的測試。

矩陣開關(guān)模塊需要實現(xiàn)測試資源的切換和被測線路的切換，由于測試項目包括500 V(有效值)的抗電擊穿試驗，因此信號切換模塊要求具有不低于625 V的抗電性能。

主要測試線路切換原理如圖3所示。每一個線路交叉黑點代表一個切換繼電器。

矩陣開關(guān)模塊為6個高壓矩陣開關(guān)模塊組合的八線四線混合型的矩陣開關(guān)，通過R1～R8對測試源進行選擇，通過C1～C64(本測試需要使用56點，其余點作為可擴展預留余量)對被測線路進行選擇。

圖3 測試線路原理圖

由于測試項目中有部分測試點(16點)有測試接觸電阻的需求，按四線制測試要求，共設(shè)計了32路的測試點為八線式，保證測試資源可滿足全部測試需求。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件設(shè)計

3.1 駕駛桿夾持和施力裝置設(shè)計

駕駛桿夾持和施力裝置應可滿足對駕駛桿的可靠固定和夾持，并將駕駛桿上的光標控制按鈕定位于施力裝置的中心點，可按技術(shù)要求對光標控制按鈕進行4個方向上的推/拉力測試，主要技術(shù)要求如下。

① 外部輸入電壓：220 V，50 Hz；

② 推/拉力范圍：0～15 N；

③ 推/拉力誤差：±1%；

④ 推/拉力最小可調(diào)值：0.1 N；

⑤ 整機功率：不超過1 kW；

⑥ 使用環(huán)境溫度：-10～50 ℃。

駕駛桿夾持和施力裝置組成包括電機水平支架、電機豎直支架、電機正交轉(zhuǎn)化機構(gòu)、承載平臺、工作平臺、直線電機組件、推拉力測試U型夾具、手柄固定和調(diào)整機構(gòu)、微調(diào)轉(zhuǎn)臺等部分。原理如圖4所示。

按照駕駛桿的特殊形狀，經(jīng)過測繪制作出的駕駛桿固定和調(diào)整機構(gòu)，可使待測試的光標控制按鈕平行于直線電機軌道面，以便U型夾具作用于按鈕而不產(chǎn)生偏差。駕駛桿調(diào)整機構(gòu)置于一個可轉(zhuǎn)動也可鎖死的轉(zhuǎn)臺上，可以微調(diào)光標控制開關(guān)平面與電機軌道夾角，以保持兩者平行。

圖4 夾持和施力裝置

測試時，采用直線電機推力控制模式，將測試需要產(chǎn)生的力，按直線電機推力與電流的關(guān)系公式同時疊加上系統(tǒng)因子換算成相應電流，計算公式為

F=10I-X

(1)

式中，F(xiàn)為測試需要產(chǎn)生的力；I為電機電流；X為損耗因子，根據(jù)直線電機軸向與水平夾角和滑塊重量測得。電機工作時，運動控制卡根據(jù)實時推拉力反饋情況，可即刻調(diào)整電機控制電流，持續(xù)產(chǎn)生設(shè)定的力。將U型測試夾具安裝固定在滑塊上，夾具間距略大于光標控制開關(guān)直徑。通過U型滑塊作用于光標控制按鈕兩邊，利用電機正反轉(zhuǎn)，可使規(guī)定的力按設(shè)定的值作用于開關(guān)上。施力方向為直線電機直線移動方向，通過旋轉(zhuǎn)電機正交轉(zhuǎn)化機構(gòu)，可帶動直線電機及U型夾具以光標開關(guān)中軸線為軸心進行0°～180°旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對光標開關(guān)各個方向上力的施加。

與普通步進電機加力傳感器組成的力學測試機構(gòu)相比，本設(shè)計的力學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、定位精度高、靈敏度高、隨動性好，且由于摩擦損耗低，所以工作可靠性高、壽命長。

3.2 高壓矩陣開關(guān)模塊的設(shè)計

高壓矩陣開關(guān)模塊在本系統(tǒng)中實現(xiàn)各類測試資源和駕駛桿被測通道之間的程控互聯(lián)，由于需要進行絕緣和耐壓測試，該模塊需要耐500 V以上高壓。由于目前耐500 V以上高壓的繼電器及相應成品板卡較少，故本研究中需要自行設(shè)計。

高壓矩陣開關(guān)模塊采用統(tǒng)一標準接口，與上位機采用RS232串口通信，模塊之間采用并行數(shù)據(jù)傳輸和擴展通路數(shù)，單個模塊的設(shè)計通路為4×16路。模塊電源采用外部輸入，主要包括+5 V和+12 V兩路。

電路設(shè)計方面主要包括3個部分，如圖5所示，第1部分是外圍接口電路，采用了驅(qū)動器對信號進行了驅(qū)動和轉(zhuǎn)換，同時包括狀態(tài)顯示電路，用于指示處理電路部分產(chǎn)生的狀態(tài)信號；第2部分為通信和處理電路，采用了兩片可編程邏輯器件EPM7128器件，內(nèi)部包括了與上位機通信的串口電路、繼電器開關(guān)譯碼信號產(chǎn)生電路以及狀態(tài)輸出信號對比監(jiān)控模塊；第3部分為繼電器陣列模塊，是模塊的執(zhí)行機構(gòu)。

圖5 高壓矩陣模塊結(jié)構(gòu)框圖

高壓繼電器擬選用Pickering公司生產(chǎn)的119型高壓繼電器，該繼電器采用12 V電壓控制，具有1000 V/1 A的開關(guān)切換能力，開關(guān)壽命高達109次，絕緣強度高達1010Ω，即使500個繼電器并聯(lián)也可保證20 MΩ的系統(tǒng)絕緣強度。

4 軟件開發(fā)

駕駛桿檢測系統(tǒng)自動測試軟件(以下簡稱測試軟件)用于檢測駕駛桿上各類扳機/按鈕的力學和電氣特性，軟件使用LabWindows/CVI 2015進行開發(fā)，具有交互式自動測試和手動測試的功能，具備人機界面友好、圖形化的測試界面、測試速度快的優(yōu)點，并能將測試結(jié)果以Excel表格的形式保存和調(diào)閱。軟件平臺總體結(jié)構(gòu)分為硬件自檢模塊、自動測試模塊、手動測試模塊、測試記錄管理模塊、啟動登陸和自檢模塊，功能框架如圖6所示。

圖6 測試軟件功能框架圖

4.1 自檢模塊

自檢模塊完成檢測系統(tǒng)中的絕緣抗電儀、數(shù)字多用表、程控直流電源、矩陣開關(guān)模塊和駕駛桿施力裝置等功能的自動檢測。利用測試電纜連接檢測系統(tǒng)和自檢電路，測試軟件自檢模塊根據(jù)測試邏輯，控制矩陣開關(guān)模塊自動切換，將系統(tǒng)的測試資源連接到自檢電路的標準測量源上，對標準測量源進行測量，根據(jù)測量結(jié)果和標準數(shù)據(jù)的比對，判定各測試資源、矩陣模塊通路的完好性，最終輸出自檢結(jié)論。

4.2 自動測試模塊

自動測試模塊完成駕駛桿各類扳機/按鈕的絕緣性能、抗電性能、壓電轉(zhuǎn)換性能、接觸電阻、零位電阻等性能的測試要求，輸出測試結(jié)論。同時在測試前還應將飛機信息、產(chǎn)品信息、操作者信息等數(shù)據(jù)正確錄入在測試界面的產(chǎn)品信息區(qū)，以便將測試數(shù)據(jù)正確傳入測試數(shù)據(jù)管理模塊進行數(shù)據(jù)記錄和分析。

4.3 手動測試模塊

手動測試模塊用于用戶針對某一測試項目的重復性測試，便于駕駛桿的故障排除定位和不穩(wěn)定故障的復現(xiàn)。由于抗電測試存在對駕駛桿電氣性能造成損傷的風險，所以手動測試模塊中未將抗電性能測試納入。

4.4 測試數(shù)據(jù)管理模塊

測試數(shù)據(jù)管理模塊可以完成測試數(shù)據(jù)顯示與存儲、測試數(shù)據(jù)分析、測試故障統(tǒng)計和健康預測等功能。

4.5 用戶登錄和自檢模塊

用戶登錄和自檢模塊可以完成用戶注冊和登錄管理、用戶權(quán)限管理、儀器配置、各測試儀器初始化信息返回值的讀取和判斷等功能。

4.6 測試流程

軟件測試流程如圖7所示。

圖7 軟件測試流程圖

5 功能驗證

目前已基于該測試系統(tǒng)，成功對某型飛機駕駛桿進行了檢測，檢測系統(tǒng)如圖8所示。

5.1 自動測試

測試過程中的測試項目和測試結(jié)果將會在界面中“測試結(jié)果顯示”表格中顯示，如圖9所示。

圖8 測試應用圖

圖9 自動測試界面

軟件按照測試邏輯，分步驟進行測試，當前進行的測試項目內(nèi)容和理論指標分別在“測試項目”和“理論值范圍”列中顯示，測試結(jié)果在“實際測試值”列中顯示，軟件自動根據(jù)實測值與理論值范圍比較的結(jié)果，給出當前步驟測試是否合格的結(jié)論，顯示在“結(jié)果判定”列中。若某測試項目不合格，該行對應結(jié)果將顯示“不合格”并標記為紅色。

測試過程中的一些提示性信息，顯示在表格下方“測試過程信息”文本框中。本項測試全部結(jié)束后，該文本框中還將顯示該項測試中故障的總數(shù)，便于用戶快速了解測試結(jié)果。

5.2 手動測試

手動測試界面按照測試項目內(nèi)容分為絕緣電阻、接觸電阻、光標控制按鈕壓電轉(zhuǎn)換性能、光標控制按鈕電阻特性測試等部分，如圖10所示。用戶可通過單擊各面板名稱前的單選按鈕，單次選擇其中的一項內(nèi)容進行手動測試。當某項測試被選中時，該項測試相關(guān)的面板控件將被激活，可以使用其余面板的控件將被屏蔽，以避免用戶誤操作帶來的可能風險。

圖10 手動測試界面

5.3 測試記錄管理

本模塊可實現(xiàn)測試記錄的管理、查閱和比對等功能，如圖11所示。

圖11 測試記錄管理界面

5.4 系統(tǒng)自檢

系統(tǒng)自檢的相應信息顯示在面板左側(cè)的采集表中，軟件根據(jù)預設(shè)數(shù)據(jù)自行判斷相應儀器是否工作正常，若測試不合格，將直接在面板右側(cè)的記錄表中列出具體故障儀器，如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)自檢面板

5.5 驗證結(jié)論

試驗結(jié)果表明，本文提出的飛機駕駛桿自動測試方法切實可行，基于該方法設(shè)計的駕駛桿檢測系統(tǒng)可滿足某型飛機駕駛桿的快速測試需求。

6 結(jié)束語

本文以工業(yè)控制計算機為資源核心，研制了飛機駕駛桿檢測系統(tǒng)硬件，設(shè)計了駕駛桿電學測試硬件平臺、矩陣開關(guān)模塊以及夾持和施力裝置，其測試資源靈活豐富，便于擴展升級；測試軟件具有模板化、可視化以及人機交互友好等特點，通用性強。經(jīng)過對某型飛機駕駛桿測試結(jié)果驗證，結(jié)果表明本系統(tǒng)可實現(xiàn)對飛機駕駛桿的快速測試和故障診斷，其效率高，可靠性和經(jīng)濟性強，有效解決了飛機駕駛桿維修難題。