飛行試驗(yàn)遙測(cè)監(jiān)控語音播報(bào)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：對(duì)于每一型新機(jī)試飛，或者是重大的研究性試飛和驗(yàn)證試飛，都必須實(shí)施遙測(cè)監(jiān)控?，F(xiàn)基于TTS（Text To Speech）語音合成技術(shù)，結(jié)合飛行試驗(yàn)遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的不足，利用TTS引擎在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)監(jiān)控語音播報(bào)軟件。在飛機(jī)的系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生改變或出現(xiàn)故障時(shí)，除了以原有形式顯示實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)外，該軟件可同時(shí)播報(bào)出系統(tǒng)工作狀態(tài)或故障信息的內(nèi)容，使飛行指揮員及地面試飛工程師能立即了解飛機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)處置，從而有效保證飛行安全，提高遙測(cè)監(jiān)控效率。

關(guān)鍵詞：飛行試驗(yàn)遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)；TTS；LabVIEW

中圖分類號(hào)：TN912.33；V217? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）09-0041-04

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.012

0? ? 引言

飛行試驗(yàn)，指的是在真實(shí)飛行環(huán)境條件下對(duì)飛機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)的過程。飛行試驗(yàn)是一項(xiàng)投資成本大、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高、測(cè)試周期長的綜合性試驗(yàn)項(xiàng)目，為保證飛行試驗(yàn)的安全進(jìn)行，必須對(duì)飛行試驗(yàn)的全過程實(shí)施遙測(cè)監(jiān)控。開展遙測(cè)監(jiān)控是確保飛行試驗(yàn)安全、提高試驗(yàn)效率、縮短試驗(yàn)周期的重要措施[1]，也是確保試飛安全和各試飛科目順利進(jìn)行的基本前提[2]。長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)表明，遙測(cè)監(jiān)控對(duì)飛行試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響和促進(jìn)作用。

隨著飛行指揮員及地面試飛工程師對(duì)試飛要求的不斷提高，他們對(duì)遙測(cè)監(jiān)控軟件的功能也提出了更高的要求。

1? ? 需求分析

目前，飛行指揮員及地面試飛工程師使用的遙測(cè)監(jiān)控軟件大部分是在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)的，且實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)以數(shù)值、曲線、狀態(tài)燈和告警燈等形式進(jìn)行顯示。

飛機(jī)在飛行試驗(yàn)過程中需要飛行指揮員及地面試飛工程師始終關(guān)注遙測(cè)監(jiān)控軟件界面，但在實(shí)際飛行試驗(yàn)過程中，由于試飛時(shí)間往往長達(dá)幾個(gè)小時(shí)，監(jiān)控參數(shù)又多達(dá)幾千個(gè)，飛行指揮員及地面試飛工程師難免會(huì)出現(xiàn)注意力不集中的情況，當(dāng)飛機(jī)的系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生改變或出現(xiàn)故障時(shí)，如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就容易影響飛行試驗(yàn)的安全。

基于此，本文介紹了一種基于TTS語音合成技術(shù)的飛行試驗(yàn)遙測(cè)監(jiān)控語音播報(bào)軟件。在飛機(jī)的系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生改變或出現(xiàn)故障時(shí)，除了以原有形式顯示實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)外，該軟件可同時(shí)播報(bào)出系統(tǒng)工作狀態(tài)或故障信息的內(nèi)容，使飛行指揮員及地面試飛工程師能立即了解飛機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)并做出相應(yīng)處置，在最大程度上保證試飛安全。

2? ? TTS語音合成技術(shù)

TTS是Text To Speech的縮寫，即“從文本到語音”，是將文字信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)語音信息，并通過計(jì)算機(jī)聲卡說出來。

TTS語音合成技術(shù)由語言學(xué)處理、韻律處理和聲學(xué)處理三個(gè)模塊組成，其中的聲學(xué)處理是最核心的模塊，主要功能是根據(jù)韻律處理的結(jié)果，從原始語音庫中取出相應(yīng)的聲音樣本，利用語音合成技術(shù)對(duì)聲音樣本進(jìn)行韻律特性的調(diào)整和修改，最終使合成的語音清晰自然和富有感染力。TTS語音合成技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3? ? 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1? ? 遙測(cè)監(jiān)控語音播報(bào)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，由實(shí)時(shí)信號(hào)處理服務(wù)器和遙測(cè)監(jiān)控客戶端組成。實(shí)時(shí)信號(hào)處理服務(wù)器主要將遙測(cè)地面接收天線接收的被測(cè)飛機(jī)發(fā)射的遙測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檫b測(cè)PCM信號(hào)，再將遙測(cè)PCM信號(hào)進(jìn)行PCM反變換，包括進(jìn)行碼同步、幀同步、信號(hào)下變頻、調(diào)制解調(diào)、物理量轉(zhuǎn)換等一系列的實(shí)時(shí)變換處理后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至遙測(cè)監(jiān)控客戶端，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)監(jiān)控軟件的調(diào)度和數(shù)據(jù)顯示[3]。飛行指揮員及地面試飛工程師由此實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行試驗(yàn)過程的遙測(cè)監(jiān)控。飛行試驗(yàn)遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文設(shè)計(jì)的遙測(cè)監(jiān)控語音播報(bào)軟件在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下利用Microsoft speech SDK語音開發(fā)包提供的TTS語音合成引擎接口進(jìn)行開發(fā)，由實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊和語音播報(bào)模塊兩個(gè)模塊組成。實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊通過讀取遙測(cè)監(jiān)控客戶端數(shù)據(jù)通信接口發(fā)出的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)判斷，當(dāng)飛機(jī)的系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生改變或出現(xiàn)故障時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)除了以原有的形式顯示外，還同時(shí)觸發(fā)語音播報(bào)模塊播報(bào)出系統(tǒng)工作狀態(tài)或故障信息的內(nèi)容，使飛行指揮員及地面試飛工程師能立即了解飛機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)，在最大程度上保證飛行安全。

為了在遙測(cè)監(jiān)控軟件中實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)的同時(shí)不影響實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊中監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的接收，必須使實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊和語音播報(bào)模塊并行運(yùn)行，即雙線程并行運(yùn)行，否則，軟件會(huì)等待語音播報(bào)完畢后再繼續(xù)接收實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)的數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生延遲，嚴(yán)重影響遙測(cè)監(jiān)控軟件的實(shí)時(shí)性。

3.2? ? 實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

實(shí)時(shí)信號(hào)處理服務(wù)器通過UDP協(xié)議廣播/組播的方式，將需要實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)的物理量發(fā)送到遙測(cè)監(jiān)控客戶端，再由客戶端實(shí)現(xiàn)遙測(cè)監(jiān)控軟件的調(diào)度和數(shù)據(jù)顯示。針對(duì)遙測(cè)監(jiān)控客戶端與遙測(cè)監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)通信接口，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊。

實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊可實(shí)現(xiàn)當(dāng)飛機(jī)的系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生改變或出現(xiàn)故障時(shí)，相應(yīng)指示燈亮起，同時(shí)該指示燈的值同步傳遞至語音播報(bào)模塊。主要實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）在LabVIEW環(huán)境下，單擊函數(shù)→編程→數(shù)組→索引數(shù)組；

（2）在該控件的左側(cè)“索引”連線分支單擊右鍵，選擇創(chuàng)建→常量，輸入需要實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)的索引號(hào)；

（3）依次單擊函數(shù)→編程→數(shù)值→轉(zhuǎn)換→轉(zhuǎn)換為無符號(hào)長整型控件、數(shù)值至布爾數(shù)組轉(zhuǎn)換；

（4）同（1）步驟創(chuàng)建索引數(shù)組，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)中的狀態(tài)或故障信息所在的數(shù)據(jù)位輸入索引號(hào)；

（5）在該控件右側(cè)與“索引號(hào)”相對(duì)應(yīng)的“元素”連線分支單擊右鍵，選擇創(chuàng)建→顯示控件，即創(chuàng)建指示燈控件；

（6）右鍵單擊（5）中創(chuàng)建的指示燈控件，選擇創(chuàng)建→局部變量，并轉(zhuǎn)換為讀取。

實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊部分程序框圖如圖3所示。

3.3? ? 語音播報(bào)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

語音播報(bào)模塊主要功能由“布爾值轉(zhuǎn)換”、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊中顯示飛機(jī)系統(tǒng)工作狀態(tài)或故障信息的局部變量和TTS子VI實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)顯示飛機(jī)系統(tǒng)工作狀態(tài)或故障信息的指示燈以“局部變量”的形式傳至該模塊時(shí)，可通過“布爾值轉(zhuǎn)換”對(duì)該“局部變量”的值加以判斷，確認(rèn)其狀態(tài)由“false-true”即“從無到有”變化時(shí)，觸發(fā)“TTS子VI”，從而實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)的功能。此外，在語音播報(bào)模塊中另創(chuàng)建與顯示飛機(jī)系統(tǒng)工作狀態(tài)或故障信息的指示燈相對(duì)應(yīng)的開關(guān)按鈕?？赏ㄟ^開關(guān)按鈕選擇單獨(dú)關(guān)閉某一個(gè)語音播報(bào)程序。

其中，TTS語音合成子VI的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）在Windows操作系統(tǒng)下安裝Microsoft Speech SDK；

（2）在LabVIEW環(huán)境下，單擊函數(shù)→互連接口→ActiveX→打開自動(dòng)化，即打開聲音引擎；

（3）右鍵單擊該控件的左側(cè)“自動(dòng)化引用句柄”連線分支，選擇ActiveX類→SpechLib.ISpeechVoice；

（4）繼續(xù)在該控件的右側(cè)“自動(dòng)化引用句柄”連線分支單擊右鍵，選擇創(chuàng)建→SpeechLib.ISpeechVoice類的方法→Speak，調(diào)用方法節(jié)點(diǎn)；

（5）在（3）中調(diào)用方法節(jié)點(diǎn)控件的“Text”連線分支單擊右鍵，選擇創(chuàng)建→輸入控件，即可將語音告警的文本信息輸入到該輸入控件中；

（6）繼續(xù)在（3）中調(diào)用方法節(jié)點(diǎn)控件的“引用輸出”連線分支單擊右鍵，選擇ActiveX選板→關(guān)閉引用，即關(guān)閉聲音引擎。

TTS子VI前面板如圖4所示，TTS子VI程序框圖如圖5所示。

語音播報(bào)模塊主要實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）在LabVIEW環(huán)境下，單擊函數(shù)→信號(hào)處理→逐點(diǎn)→其他函數(shù)→布爾值轉(zhuǎn)換；

（2）在該控件的左側(cè)“輸入”連線分支單擊左鍵，與實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊中顯示飛機(jī)系統(tǒng)工作狀態(tài)或故障信息的局部變量連接；

（3）繼續(xù)在該控件的左側(cè)“方向”連線分支單擊右鍵，選擇創(chuàng)建→常量，選擇“false-true”；

（4）單擊函數(shù)→布爾→與；

（5）在該控件的左側(cè)“x”連線分支單擊右鍵，選擇創(chuàng)建→輸入控件；

（6）繼續(xù)在該控件的左側(cè)“y”連線分支單擊左鍵，與（1）中創(chuàng)建控件的右側(cè)“轉(zhuǎn)換”連線分支連接；

（7）單擊函數(shù)→編程→結(jié)構(gòu)→條件結(jié)構(gòu)；

（8）在該控件的左側(cè)“分支選擇器”連線分支單擊左鍵，與（4）中創(chuàng)建的“與”控件的右側(cè)“x=y？”連線分支連接；當(dāng)分支為真時(shí)，運(yùn)行TTS子VI，當(dāng)分支為假時(shí)，不運(yùn)行TTS子VI。

語音播報(bào)模塊部分程序框圖如圖6所示。

4? ? 軟件的應(yīng)用效果

目前，該軟件已經(jīng)成功地應(yīng)用于某型教練機(jī)飛行試驗(yàn)的遙測(cè)監(jiān)控中，飛行試驗(yàn)遙測(cè)監(jiān)控語音播報(bào)軟件的用戶界面如圖7所示。在飛行試驗(yàn)的過程中，如出現(xiàn)“起落架收起” “飛控系統(tǒng)故障”或“發(fā)動(dòng)機(jī)不工作”等狀態(tài)，遙測(cè)監(jiān)控軟件中相應(yīng)的指示燈亮起，同時(shí)語音播報(bào)出“起落架收起” “飛控系統(tǒng)故障”或“發(fā)動(dòng)機(jī)不工作”。

5? ? 結(jié)語

將TTS語音合成技術(shù)引入飛行試驗(yàn)遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，可以使飛行指揮員及地面試飛工程師在第一時(shí)間了解飛機(jī)的系統(tǒng)工作狀態(tài)或故障信息的內(nèi)容，做出相應(yīng)處置，尤其是在高風(fēng)險(xiǎn)的飛行試驗(yàn)科目中，能起到及時(shí)提醒飛行指揮員及地面試飛工程師飛機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)的作用，相對(duì)于僅有數(shù)值、曲線、狀態(tài)燈和告警燈等顯示形式的傳統(tǒng)遙測(cè)監(jiān)控軟件，大大提高了遙測(cè)監(jiān)控的效率，有效保證了試飛安全、順利地進(jìn)行。此外，在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下開發(fā)的語音播報(bào)軟件具有開發(fā)實(shí)用性好、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)。根據(jù)飛行指揮員及地面試飛工程師的需求，后續(xù)還可修改或增加飛機(jī)的其他系統(tǒng)狀態(tài)或故障信息，以便更好地完成飛行試驗(yàn)任務(wù)。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2023-01-16

作者簡(jiǎn)介：葉錫濤（1990—），男，江西南昌人，工程師，研究方向：飛行試驗(yàn)遙測(cè)監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理。