民航新型飛機MAS模擬系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

王俊楠 張 迪 肖智強 楊石霖

(中國民航大學,天津300000)

維護感知系統(tǒng)MAS可以提供與適航性和系統(tǒng)信息有關的信息,對提高飛機維護效率有著重要意義。這個系統(tǒng)包括狀態(tài)信息界面、維護數(shù)據(jù)界面、維護控制界面。維護感知系統(tǒng)需要與眾多的電子系統(tǒng)之間完成信息交換,數(shù)據(jù)的形式包括三種:ARINC429形式、模擬信號的形式或者離散信號的形式。

我們據(jù)此完成一套模擬MAS的系統(tǒng)并且實現(xiàn)以上功能,要根據(jù)飛機維護手冊AMM、部件維修手冊CMM和線路圖手冊WDM,完成飛機電子設備信息交互實現(xiàn),模擬維護與管理技術,實現(xiàn)界面上的操作。

1 總體設計

項目劃分為MAS系統(tǒng)的模擬[1]、BIT測故障信號部分:

MAS系統(tǒng)的模擬需要完成轉換信號輸入輸出的電路。我們需要模擬飛機系統(tǒng)故障信號,經(jīng)過該部分的轉換傳輸至主機部分。經(jīng)過這樣的過程實現(xiàn)一個完整的電子系統(tǒng)維護與監(jiān)控功能。通過外圍數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(ARINC429),將傳感器獲得的數(shù)據(jù)傳輸給ARM,ARM傳輸給ADIRU,再使用樹莓派傳輸至DU模塊。

軟件部分使用python編程實現(xiàn),載入BIT檢測算法對各部件數(shù)據(jù)進行處理,在信號處理的過程中對于故障信號或健康信號的輸出應由編程中的算法來決定。通過外置電路模擬故障情況,通過BIT檢測查出故障并在DU界面顯示。

圖1 系統(tǒng)設計框圖

2 ADIRS模擬系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

ADIRS模擬系統(tǒng),它完成的功能主要是模擬飛機電子系統(tǒng)測量所得的數(shù)據(jù)信號的輸入。我們這里設計通過一系列傳感器測量,如:溫度傳感器、加速度計、壓力傳感器等。它們測得的相關大氣數(shù)據(jù)分為兩路傳輸。一路通過信號轉化,也就是滿足美國航空標準的ARINC429協(xié)議來進行信號編碼(這里通過PIN A和PIN B兩條路傳輸后相減得到雙極性歸零碼傳輸,以克服傳輸過程中的干擾),轉化后就可以通過示波器等觀察波形是否正確；另一路經(jīng)處理器后傳入DPC實物仿真件,在下面將詳細展開。

ADIRS是飛機上重要的導航系統(tǒng),它是大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)與慣性基準系統(tǒng)的綜合,主要有兩個功能:大氣數(shù)據(jù)基準功能(ADR)和慣性基準功能(IR)。ADR功能主要是計算空速和氣壓高度。IR功能主要計算姿態(tài)、當前位置、地速、航向等數(shù)據(jù),利用二者的數(shù)據(jù),IR功能還可以提供風向、風速以及航跡、待飛時間、待飛距離等參數(shù)。

民航飛機中每個ADIRU使用三個加速度計和三個激光陀螺來計算慣性基準數(shù)據(jù)(IRD)。送往ADIRU的初始當前位置信息來自ISDU,或來自飛行管理計算機系統(tǒng)(FMCS)。兩個ADIRU計算并利用ARINC429數(shù)據(jù)總線為相關系統(tǒng)傳送大氣數(shù)據(jù)和慣性基準信息。每個ADIRU有兩部分:一部分是大氣數(shù)據(jù)基準(ADR)部分,另一部分是慣性基準(IR)部分。IRS主告誡組件向駕駛艙主告誡系統(tǒng)發(fā)送故障離散信號。

3 BIT測故障信號系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

回繞檢測BIT接口與設備接口成對存在,設計在同一功能單元中。檢測接口輸入與輸出模塊組成回繞檢測BIT結構,當回繞檢測BIT不工作時,設備接口輸入與輸出模塊正常連接外部設備；當回繞檢測BIT工作時,設備接口輸入與輸出模塊分別與檢測接口輸出與輸入模塊連接,屏蔽外部設備通道,組成一對回路通道,進行接口功能檢測[2]。

根據(jù)接口模塊特性和外部設備連接需求,當兩組接口無法同時連接同一設備時,使用回繞結構的切換開關,屏蔽接口功能。考慮到組合模型解析余度BIT方法在線飛行狀態(tài)時對RX模塊、A/D模塊和D/A模塊的故障檢測,回繞檢測結構的設計考慮其他模塊,如TX模塊,D/I和D/O模塊如何能夠有效進行故障檢測[3]。

開關量與模擬量接口特性類似,但是元件級聯(lián)數(shù)小,結構簡單,因此其回繞檢測結構如圖2所示。開關量接口同樣分為設備連接狀態(tài)與回繞檢測狀態(tài),根據(jù)開關量接口特性,D1接口同時輸入至設備和D2接口,D/I接口通過雙余度DIO單元輸入比較和回繞檢測進行故障檢測。

圖2 回繞檢測BIT

4 DPC實物仿真系統(tǒng)與DU界面的設計與實現(xiàn)

DPC實物仿真件,它有兩個方面的作用:第一,使用編程完成四個界面的設計；第二,編程對信號數(shù)據(jù)進行計算處理并判斷是否故障,進而在顯示器中設計的顯示界面中顯示。目前計劃使用四個DPC實物仿真件對四個界面進行管理。

我們使用3代B+型Raspberry Pi 3b開發(fā)板作為計算機的主板,它的核心SOC為Broadcom BCM2837,CPU類型為64Bite-1.2 Ghz四核,支持Bluetooth4.1 ,可以設計為802.11 n無線連接最高支持2.4 Ghz速率,也可以使用有線10/100Mb/s以太網(wǎng),不支持以太網(wǎng)供電,主板重量為43g,同等條件功耗測試為1.32 A,同等條件溫度測試為85℃,電源管理IC模塊需要SASC LAN9514。此板參數(shù)上的配置安全滿足我們的使用要求,在主板的基礎上通過端口連接外拓并編程將其設計成我們需要的DPC實物仿真件。

DU實物仿真器,實質為顯示組件,這一部分需要將DPC實物仿真件中編程設計的界面與傳來的判斷后的數(shù)據(jù)都顯示出來。同時也需要有必要的控制面板虛擬仿真件,這一部分主要交與DPC來進行設計配合實現(xiàn),顯示界面的詳細布局與顯示內容如下。

關于顯示界面及顯示內容的設計,也就是DPC實物仿真件和DEU實物仿真件組成的MDS維護顯示系統(tǒng),在DPC的編程中我們根據(jù)B737MAX的顯示器界面來進行布局,分為PFD類的姿態(tài)數(shù)據(jù)顯示與ND類的航向數(shù)據(jù)顯示,其布局如圖3所示。關于維護告知系統(tǒng)的各個界面之間的關系,如圖4所示。

圖3 實際顯示器布局

圖4 維護告知系統(tǒng)界面之間的切換

5 實驗與測試

將模擬系統(tǒng)的MAS界面同真實MAS界面目視比對,經(jīng)仔細飛機電子模擬系統(tǒng)的MAS界面與真實MAS界面一致。

測試模擬系統(tǒng)航向精度,測試水平桌面上放好方位尺度圖,將姿態(tài)傳感器置于方位尺度圖正中央,每次垂直于桌面手動旋轉90度,根據(jù)上位機顯示記錄航向轉角與實際轉向角作比較。陀螺儀(姿態(tài)傳感器)所測得的航向與方位標尺誤差小于1°符合精度要求。