基于STM32的無人機雪橇式減震器監測系統設計

師 卓，金大海

(西安工程大學 工程訓練中心，西安 710048)

基于STM32的無人機雪橇式減震器監測系統設計

師 卓，金大海

(西安工程大學 工程訓練中心，西安 710048)

為了能夠對飛機雪橇式減震器的壓力進行實時監測和數據保存，設計了一種基于STM32F103ZET6的雪橇式減震器檢測系統;利用壓力傳感器和光柵尺完成減震器壓力與壓縮距離的采集并轉換為數字信號，以C#軟件平臺開發的作為上位機采集，處理壓力數據，借助圖形用戶接口控件實現壓力數據和曲線的顯示，借助SQL數據庫實現將數據保存在數據庫中，便于管理員讀取;上位機與下位機的傳輸利用WIFI信號進行;測試結果表明：雪橇式減震器監測系統精度達到0.01%。

C#;SQL;壓力采集;最小二乘法

0 引言

對飛機減震器的質量評估有兩種方式：一種動態載荷方式，即落震試驗，實驗將飛機的減震器通過從高處快速墜落的方式到壓力傳感器的方式采集減震器所能承受的最大壓力，如果質量不合格的減震器會在一次落震試驗后直接變為廢品；另一種是靜態載荷方式，即對減震器慢慢施加壓力來壓縮減震器的行程量，通過減震器隨著壓力的變化與對應距離的改變曲線來評估減震器所能承載的最大靜載荷，從而評價出減震器的質量是否合格。第二種方式的實驗更有助于研發人員在研發階段對減震器結構進行改進，并保證飛機著陸時保持平衡可靠[1]。由于雪橇式減震器不適用于落震試驗，所以還沒有相關的負載檢測手段，國內迫切的需要一種更加新型的、全面的、可靠的、安全的監控測試減震器的試驗平臺或者儀器[2]。為此，本文針對雪橇式減震器的監測，設計開發了一套新型的、方便的實時監測并保存數據的設備。

1 減震器的載荷分析

雪橇式減震器屬于油氣型減震器的一種，這種類型的減震器由外筒、活塞內筒、反沖閥、阻尼孔組成，里面充滿空氣或氮氣和油液。減震器的工作行程是指減震器的最大長度與最小長度之差(標準)，分為壓縮行程和拉伸形成[3]。

圖1 最大靜載荷曲線

圖1是靜態載荷行程關系曲線圖。曲線AC表示在等溫條件下的靜態壓縮曲線，而AD表示在相同條件下的動態多變化壓縮曲線，即最大動態壓縮曲線。Fe、Fc、Fsy、Fn分別表示活塞桿處于全伸展、靜態全壓縮狀態時的載荷和使用載荷與最大(限制)載荷，S表示別是活塞干的最大行程[4]，起點A和終點C是根據停機載荷和兩個壓縮比確定。D點所表示形成和載荷需要滿足減震器結構、最大(限制)載荷系數的要求，又要滿足吸收最大功率的設計要求。

某無人機設計的一款滑撬式起落架，質量為250 kg，著陸時最大的垂直速度為5 m/s，緩沖器最大型成為150 mm。起落架設計要求是當整機以一定速度著陸時，起落架的強度合格且整機的垂直過載ny小于2[5]。

首先設起落架接觸地面的瞬時動能為T，重力勢能為V，飛機觸地速度為v，當起落架的形變達到最大的時候，飛機速度為0。減震器著陸后的壓縮行程量為H，動能與勢能變為0。

計算飛機重力勢能、動能改變量的公式為：

V=mgH

(1)

(2)

其中：m為飛機的質量，等于250 kg；v為著陸速度，取v=5 m/s；H為活塞桿的壓縮行程，取H=150 mm。

按照機械能量守恒定律，不考慮其他能量產生與消耗的情況下，飛機的單獨一個起落架的動力勢能和重力勢能等于傘降升力所做的功和起落架的變形能，即：

(3)

由上式可得起落架的最大靜載荷量為23.28 kN。

2 起落架的檢測平臺設計

如圖2所示。在試驗臺架固定端側面布置上壓力傳感器，壓力通過被測件傳遞到壓力傳感器，從而可以測得被測件在壓縮過程中壓力隨位移的變化。將位移傳感器布置在試驗臺架臺面上，記錄推送桿在每一時刻的推送距離，從而可以獲得最大的壓縮量與最大壓力之間的線性關系。

圖2 試驗臺機械結構

起落架通過銷子裝在支持夾具的試驗臺上，夾具應能模擬出機身與起落架之間的真實連接情況。應該保證試驗臺上的夾具有足夠的強度、剛度及安全壽命，以提高試驗平臺的可靠性，以保證靜載荷試驗安全可靠的完成[6]。

3 系統結構及原理

減震器壓力監測系統主要由監測終端和PC機兩部分組成，每個監測終端可連接1個壓力傳感器，傳感器采集到壓力信號并完成信號的處理，將處理后的數據上傳至PC機，顯示和制作成報表并保存。整個系統采用分布式結構，在系統初始化的時候，給所有遠程的終端配置4個字節的地址，上位機發送數據的時候，第一個字為對應的終端地址，當相應的終端發現與自己的地址一致時才與上位機建立通信[7]。

3.1 硬件設計

監測終端的硬件框圖如圖3所示。傳感器感知壓力信號并轉換為電壓信號，經過濾波電路、模數轉換器后輸入芯片；光柵尺通過施密特觸發器傳入到芯片內部[8]，調理并轉化后通過SPI協議接口將轉換結果交給STM32F103ZET4處理，最后通過無線傳輸發送給PC機，并在PC端顯示出曲線圖和保存數據。

圖3 監測終端硬件框圖

3.2 采集單元

經過前面的計算，得知監測系統需要承受24±4 kN的壓力，所以在壓力傳感器的選型上，只能夠選擇承受30 kN的，且精度高、體積小、結構簡單的傳感器。壓阻式壓力傳感器的誤差大部分來源于溫度的影響，溫度系數能引起壓力傳感器的靈敏度漂移和零點漂移，目前主要采用補償的方法有硬件和軟件，硬件電路溫度補償一般采用熱敏電阻給予溫度補償，但從實際工況來說，不宜保持恒溫，存在調試困難、精度低、通用性差等缺點；軟件補償方法操作簡便、誤差小、精度高等特點，并可直接數字顯示測量結果，因此本系統采用軟件補償壓力的溫漂誤差[9]。

光柵尺輸出的兩路位相差為90度的方波信號，由于這兩個方波信號由內部集電極開路輸出，抗干擾能力差，且其中一路通過中斷成為邏輯信號，進入兩個外部中斷接口；另一路進入到IO口，實現辨向功能。為了提高精度，消除干擾，采用D觸發器。中斷服務函數通過辨向信號的電平對計數器進行操作，在使用四細分對方波進行采樣，光柵尺以最大速度0.5米/秒移動，輸出頻率為50 Hz，最后通過施密特觸發器對信號進行整形。為了區分移動方向，把信號的上升沿和下降沿送至中斷計數，即實現二細分，結合另一路電平即可實現四細分[10-11]。

3.3 無線傳輸模塊

減震器檢測儀測控系統的工作現場面積較小，在全自動的情況下，需要選擇最優的無線數據通訊技術。很多人在無線傳輸模塊選擇了藍牙或者Zigbee技術，然而藍牙的通信協議相當復雜，所以在處理協議的時候會消耗大量的功率，且價格高昂，對傳輸距離有一定要求，不能滿足在一個廠房內的無干擾傳輸的要求；Zigbee有良好的抗干擾功能，但是代價太大且不方便安裝。因此綜合功率和傳輸范圍的比較，本文提出一種基于NRF24L01的無線傳輸方式，對數據進行點對多點的傳輸。

NRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段，內置CRC檢錯、晶體振蕩器、調制器等功能的單片無線收發器，具有直接模式(DirectMode)和突發模式(ShockBurs Mode)兩種模式可供選擇，可以實現點對點的無線通信。本例采用突發模式，其工作速率可達到1 Mbps。

在發送端，NRF24L01通過SPI接口與STM32連接，可以非常方便的通過軟件對SPI接口進行控制；在接收端，將通過STC12C5A60S2與NRF24L01通信，接收來自客戶端發送的數據，再通過UART串口傳輸到上位機[12]。

4 下位機軟件設計

監測終端的軟件框圖如圖4所示。最底層的是硬件平臺，向上依次是硬件驅動層，操作系統、文件系統組成的軟件平臺，頂層是由多任務組成的應用層[13]。

圖4 監測終端軟件框圖

傳感器標定：

傳感器是能夠將被測量的信息并轉換為電信號的元器件，為了與實際計量單位相對應，需要對傳感器進行數據標定，標定是為了找出傳感器探測到的信號與電信號之間的對應關系.下位機收到的信號都有微弱的低頻信號，外界的干擾有的時候的幅度能夠超過被測量的信號，對采集到的電壓值進行處理，因此只有標定后的傳感器才可以確認它所輸出的信號是否正常，得到ADC的輸出信號與系統參照物變化的對應關系，即傳感器的標定方程.根據公式(1)和公式(2)即可算出標定系數。

(4)

(5)

5 上位機軟件設計

減震器檢測儀上位機軟件系統使用模塊化方法進行的軟件編程，該軟件主要包含五大功能模塊：權限管理、采集處理、傳感器標定、顯示及保存查詢模塊，每一個模塊都有執行各自命令的子程序，除了數據的采集處理模塊，其他的模塊都有對應的用戶界面，在系統的主界面上，根據按鈕事件使能或者禁止每個模塊功能。

5.1 權限管理

系統的上位機程序負責對數據進行管理、處理、存儲等功能，設計時整個系統要保證數據的保密安全性，滿足采集信息精度高速度快，存儲信息的完整性。系統登錄模塊與數據庫中的用戶信息表相關聯，用來驗證用戶在登錄減震器檢測儀數據處理主界面時的合法性，而且要滿足不同的權限用戶管理的需要。設計時，在登錄按鈕事件添加數據庫查詢類，程序對輸入的用戶名和密碼進行驗證，判斷該用戶所屬權限組，通過判斷后對用戶配置相應的權限設置并完成系統的登錄過程。

5.2 系統主窗體

當確認用戶組的權限后，就進入了系統的主窗體。主窗體集成減震器檢測儀上位機數據的采集、處理、存儲及查詢等模塊。主窗體中分兩部分，串口連接設置與當前數據采集頁面，如圖5所示。按鈕事件“button”控件一個來打開“歷史數據查詢”和“當前數據采集”Form，主界面顯示“數據表格顯示”、“數據曲線顯示”和“通道標定”模塊。主窗體控件屬性設置如表1所示。

圖5 監測上位機軟件框圖

5.3 數據采集模塊

減震器檢測系統上位機系統核心部分是數據采集模塊，也是系統的首要工作。數據采集模塊的關鍵是獲取下位機的通過UART串口傳送來自STC12C5A60S2與NRF24L01的通信，該通信接收來自客戶端發送的數據，傳輸到上位機的數據，所采集到數據精確度直接影響數據處理、圖表顯示等各個功能模塊的實現。本系統硬件采集裝置通過5個通道接收來自5個下位機采集的減震器在壓縮過程中壓力和位移變化量。根據用戶要求，可以自定義采集間隔、采樣通道等參數，采集間隔的實現是通過C#中的Timer控件完成的，設置Timer1控件的Interval屬性，與采集間隔時間相聯系，讀取串口數據。

啟動數據采集的操作是：在“當日數據采集”選項卡里設定“采樣間隔”，單擊“開始采樣”按鈕，則采集程序開始進行，并按照預先設定的采樣間隔獲取從減震器里面讀取從下位機上傳的數據，同時“采集數據”按鈕變成“停止采集”按鈕，停止采集的方式有兩種：直接手動點擊“停止采集”按鈕，通過人工操作結束數據采集；或者是在減震器壓縮至最大行程，下位機會自動停止采集，并將減震器緩慢恢復至初始狀態。本系統的默認采樣間隔為1秒，由于減震器在試驗時候不是突然開始壓縮狀態，如若調整壓縮的速度，可以通過上位機的設置來加快壓縮速度和縮短采樣間隔。

為保證通信有條不紊的進行，通信協議約定如下：

(1)上、下位機的波特率為9 600 bps。

(2)數據包數據格式見表1。

表1 數據包數據格式

5.4 數據庫的設計

上位機軟件系統中采用C#環境開發，能夠為.Net框架提供數據者有兩大類[14]，一類是SQL型，另一類是OleDb型。它們涉及到的命名空間分別為System.Data.SqlClient和System.Data.OleDb。由于程序使用SQL Server數據庫作為數據提供者，所以運用的對象應為SQL類型的[15]。

上位機將采集到的數據，用曲線圖的形式顯示在zedGraph控件當中[16]，并將數據存儲到SQL，以便日后對某一減震器進行查詢.SQL記錄表分為用戶信息表和數據存儲表，其中數據存儲表里面分4個表段，如表2所示。

5.5 數據顯示模塊

為了方便用戶直觀的察看每個減震器在壓縮過程中各參數的變化過程，設計了設備與數據信息的顯示模塊，數據信息顯示包括了數據曲線和數據表格兩種形式，具體分為歷史與實時數據的曲線顯示和表格顯示。

表2 監測數據記錄表

在圖形顯示區域，實時數據、歷史數據的表格顯示采用DataGridView控件，這個控件的主要功能是以網格的形式顯示多個字符串。曲線顯示采用ZedGraph控件，它是一個非常優秀的開源的作圖控件，提供了用戶控件和web控件，創建2D的線性圖、條形圖和餅形圖，利用ZedGraph可以快速、簡單、方便的實現多維數據的可視化。

6 系統測試

監測終端連接一路傳感器，對壓力進行采集并分析，實驗結果如表3所示，在壓力傳感器量程為200 kg時，精度可達到0.01 kg。同時，在連續5天的測量中，最大測量值為124.39，最小測量值為124.29，時間漂移量為：0.1 kg,相對漂移量為：0.08%，滿足設計要求。

表3 實驗結果

7 結論

本系統從效率上提高監測的實時性、便捷性和穩定性，使得雪橇式減震器可以批量、快捷的進行檢測.上位機數據的保存使得人機交互操作解決了數據人工記錄和數據保存不善的問題，便于PC機與PC機之間存取、交換數據，并實現了無人機雪橇式減震器數據采集記錄保存的實驗。

[1] 徐冬苓，李玉忍.飛機起落架緩沖器數學模型研究[J].系統仿真學報.2005, 17(4):831-833.

[2] 安紅輝.飛機起落架落震試驗技術研究[D].南京：南京航空航天大學,2010.

[3] 飛機設計手冊總編委會.飛機設計手冊起飛著陸系統分冊[M].北京：航空工業出版社, 2002.

[4] 國家發改委和改革委員會，QC/T 62-2007，中華人民共和國汽車行業標準：摩托車和輕便摩托車減震器[S].2007.

[5] GJB 720.6-89.軍用直升機強度和剛度規范[S].

[6] Krüger W, Morandi M, Krüger W, et al. Numerical Simulation of Landing Gear Dynamics: State-of-the-art and Recent Developments[A]. Proceedings Avt Symposium on Limit Cycle Oscillation & Other Amplitude Limited Self Excited Vibrations[C]. 2008.

[7] 郝迎吉, 趙經詩. 基于STM32的嵌入式煤層壓力監測系統設計[J]. 計算機測量與控制, 2015, 23(9):2954-2956.

[8] 陳慶樟.光柵尺位移傳感器在位置伺服系統中的應用及誤差分析[J].機床與液壓，2008,36(8)：216-217.

[9] 王志敏.壓力傳感器的溫度補償[J].自動化與儀表，2002,(3).

[10] 李聚光. 基于MSP430光柵信號的四細分及辨向技術[J]. 石家莊職業技術學院學報,2013,(6):1-3.

[11] 王長千. 基于AVR單片機的光柵尺測距系統設計[A]. 中國光學學會光學測試專業委員會.第十二屆全國光學測試學術討論會論文(摘要集)[C].中國光學學會光學測試專業委員會,2008.

[12] 李才光,裴正憲,蔣洪波. 基于nRF24L01的無線心音遙測系統研究與實現[J]. 計算機科學,2013(8):59-62.

[13] 黃 皎，許曉娟,等.嵌入式電磁流量計智能監控終端的設計[J].自動化儀表，2011，33(4):73-76.

[14] 倪呈君.基于.NET的信息化資產管理系統的設計及實現[D].成都：西南交通大學，2010.

[15] Cheng-yi Z. Property optimization of SQL Server 2000 for system programme[J]. Journal of Anshan University of Science & Technology, 2005.

[16] 王華杰，黃山著.精通C#數據庫編程[M].北京：北京科學出版社，2004.

Design of Embedded Sled Type Shock Absorber Monitoring System Based on STM32

Shi Zhuo,Jin Dahai

( Engineering Training Center,Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China)

In order to real-time monitor pressure of UAV’s shock absorber and save data, a new embedded shock absorber pressure monitoring system based on STM32F103ZET6 is introduced. The pressure sensor and linear encoder is applicated for complete shock absorber pressure and range acquisition and converted into digital signal. The C# software platform as a upper monitor, the data and curves are shown with the graphical user interface widget, with SQL to save pressure data, which help administrator refer to. Data is transmitted to PC through WIFI module. The test results are shown that the accuracy of shock absorber pressure monitoring system reached 0.01%.

C#; SQL; pressure monitor; least square method

2016-11-24；

2017-02-06。

師 卓(1987-)，男，陜西西安人，西安工程大學、助理工程師，主要從事機械電子制造方向的研究。

1671-4598(2017)07-0143-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.036

TP3

A