基于586-Driver的無人機飛控計算機智能檢測系統研制

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(1.南京航空航天大學 中小型無人機先進技術工信部重點實驗室，南京 210016；2.南京航空航天大學 自動化學院，南京 10016)

基于586-Driver的無人機飛控計算機智能檢測系統研制

高艷輝1,肖莉萍1，李強2，李志宇1

(1.南京航空航天大學中小型無人機先進技術工信部重點實驗室，南京210016；2.南京航空航天大學自動化學院，南京10016)

傳統無人機飛控計算機檢測以人工操作為主，操作繁瑣、數據量大、易受人為因素影響，導致測試效率低、結果主觀性強、安全性不足;提出基于信號門限自動檢測技術的飛控計算機一鍵式全功能檢測方案;以586-Driver板卡為核心，設計了接口板、電源板、信號調理板和檢測板，研制了智能檢測系統;模塊功能包括底層驅動、時序控制、上電控制與電流檢測、功能檢測等模塊，實現了在全程無人干預情況下對飛控計算機按預設時序邏輯的自動測試;采用人為注入故障測試方式進行了系統測試，結果表明：該系統滿足某型飛控計算機的檢測需求，提高了飛控計算機檢測效率，具有實際工程應用價值。

飛控計算機；586-Driver；自動檢測；信號門限檢測

0 引言

隨著航空技術和電子技術的發展，無人機技術越來越先進，無人機機載電子設備也越來越復雜，使得無人機出現故障的概率越來越高。因此，無人機這一復雜系統的維護保障已經提升到了和無人機研制同等重要的地位[1]。飛控計算機是無人機關鍵設備，不管在研制期間，還是在交付使用后都必須對其進行大量的地面檢測[2]，以保證無人機系統的安全性和可靠性。

傳統的飛控計算機檢測以人為操作為主，通過測試人員手動切換測試項并手動添加激勵，觀察測試現象并記錄結果。但由于飛控計算機性能測試的被測信號具有種類多、特性范圍寬、判據復雜的特點，傳統的測試方法既費時又費力，還會影響無人機的試驗進度。

本文利用信號門限檢測技術，基于586-Driver研制了一套自動化、標準化、智能化的飛控計算機檢測系統，解決傳統測試過程中操作繁瑣、數據量大、易受人為因素影響的問題。

1 信號門限檢測技術原理

自動檢測系統集合了功能強大的計算機軟硬件和測量設備，將所有檢測步驟通過軟件控制，直接產生測試信號，解析測量特性，得出測量結果[3]。信號門限檢測技術對于自動檢測系統來說是一種基本但有效的故障檢測方法，具體方法如下[4]：

對被測信號設置上限ymax和下限ymin，在任一時刻t，信號的測量值y(t)正常的取值范圍是：

ymin≤y(t)≤ymax

(1)

當被測信號的測量值超出該范圍達到一定次數或一定時間時，則說明系統處于故障狀態，需排查故障。引進標記：

|Δy(t)|<α

(2)

根據被測信號的特點不同，門限檢測的規則也會發生變化，有些被測信號只需檢驗上限或下限，有些則必須滿足某一定值，表達式如下：

y(t)≤ymax或y(t)≥ymin

(3)

y(t)=y*

(4)

2 系統總體設計

2.1 一鍵式全功能檢測方案

被測飛控計算機具有檢測內容多、檢測時間短以及檢測結果務必準確的特點，要求自動檢測系統必須具有較強的數據處理能力和較快的運行速度，以便能夠在規定的任務周期內完成所有的檢測任務。本系統采用一鍵式全功能檢測方案，包括上電、電流監測、功能檢測、正常斷電以及應急斷電保護等均要求由系統按時序邏輯控制自動完成。自動檢測流程設計如下：

1)上電控制。待測飛控計算機供電時序如圖1所示。為了保證供電安全，在對待測飛控計算機供電的同時，需對4路供電電流進行實時采集、監測，并在電流異常時及時進行斷電處理。

圖1 供電時序

2)飛控計算機功能測試。本系統包括了對飛控計算機的串口、SSD卡、DI、DO、A/D、D/A功能的檢測。為了獲取可靠的檢測結果，排除各功能間的交叉影響，采取了各功能依次測試的方法。每種功能的檢測步驟為：586-Driver發出測試信號，等待規定時間后采集并解析測量值，將測量結果與對應門限值進行比較得出檢測結果。

3)待機狀態。系統全自動檢測完成后進入了待機狀態，等待測試人員發出下一步的檢測指令。測試人員可以根據檢測結果選擇再次全自動檢測，也可以針對某一功能進行單項檢測。

2.2 總體結構設計

飛控計算機智能檢測系統的主要思想是以586-Driver為核心模擬飛控計算機所需的信息，通過串口、I/O、D/A等通道將信息傳遞給飛控計算機，并監測、檢測飛控計算機的返回信息，對飛控計算機進行全方位的功能檢測與故障診斷。智能檢測系統的總體框架如圖2所示。

圖2 無人機飛控計算機智能檢測系統總體框圖

3 硬件設計

根據586-Driver板卡特點以及串口擴展卡與其他電路的應用需求，基于易于拆卸、維護方便的原則，智能檢測系統采用堆棧式構架，將整個硬件結構分為4個部分：586-Driver及其接口板、電源板、信號調理板和檢測板。

3.1 主控芯片選型及資源分配

在綜合考慮了對處理性能、片上資源、穩定性以及成本的多重要求后，本文選擇TERN公司的586-Driver板卡作為主控芯片。586-Driver是基于AMD Elan SC520微處理器的核心板卡，集成了32位的AMD586中央處理器以及高性能硬件浮點運算單元(FPU)[5]。586-Driver板卡資源分配情況如表1所示。

表1 586-Driver板卡資源分配表

3.2 擴展串口選型及資源分配

串口擴展卡選用高性能的基于PC104總線的UR8M。UR8M是TERN公司的8路異步串口擴展卡，可以與586-Driver連接使用，無需多余的硬件接口設計。該卡提供RS232、RS485、RS422多種串口工作方式。每個通道FIFO高達64字節，可以減小CPU的中斷數量并降低軟件開銷，滿足系統需求。

3.3 信號變換與調理模塊

586-Driver上的D/A單元LT2600用于輸出5路模擬信號來模擬陀螺平臺(θ俯仰角、γ滾轉角)和速率陀螺(ωx滾轉角速率、ωz俯仰角速率、ωy偏航角速率)的信息。該信號需進信號調理后，輸出至飛控計算機。

信號調理電路的設計思路是將輸入信號進行電平平移、放大或縮小，然后再進行低通濾波處理，除去高頻噪聲，以保證轉換后的信號平滑穩定。本系統選用OP497FS高性能4運放芯片作為信號調理電路的核心芯片，選用REF43芯片為電平平移電路提供+2.5 V的電壓參考進行設計。

3.4 電流測量與供電控制

待測飛控計算機需要4路電源：1路115 V交流電源和3路+27 V直流電源。電流檢測與供電控制電路要實現對供電電源的通斷控制并且實時檢測電流大小，以保證飛控計算機的供電安全。

以+27 V電源為例，電流檢測與供電控制電路設計如圖3所示。586-Driver通過DO端口控制電磁繼電器，進而控制+27 V電源是否接入飛控計算機，同時由A/D通道實時采集霍爾電流傳感器的測量結果，其反饋電壓一旦超出了預定范圍，系統將自動控制DO端口停止對飛控計算機供電，達到保護飛控計算機的目的。

4 軟件設計

本系統的時序控制、上電控制、自動檢測等策略都是通過軟件最終實現。軟件開發環境為Paradigm C++ TERN Edition，采用C語言編程。軟件工程采用模塊化設計，由初始化模塊、硬件底層接口模塊、時序控制模塊、上電控制與電流檢測模塊、功能檢測模塊以及待機管理等組成。

圖3 電流檢測與供電控制電路

初始化模塊完成系統硬件、控制參數、軟件變量的初始化工作。

硬件底層接口模塊完成以下功能：

1)時鐘中斷模塊：定時產生10 ms時鐘中斷，用于系統周期運行時間間隔基準；2)AD采樣模塊：實現AD通道的電壓信號的實時采樣；3)DA輸出模塊：實現DA通道的電壓信號實時刷新；4)串行通訊模塊：采用定時方式，實現串行數字量信息的發送和接收處理；5)數字量接口模塊：利用中斷或查詢方式實現數字離散量的接收，同時根據任務需要實現數字量的高低電平輸出。

4.1 時序控制模塊

為了實現時序控制，預先對系統檢測每一步操作之間的時間間隔進行分析并以數組的形式儲存、固化在軟件中。軟件運行后，根據運行時間控制自動檢測的進程。

4.2 上電控制與電流檢測模塊

上電控制與電流檢測模塊的程序流程圖如圖4所示。當系統為飛控計算機供電時，開始進行電流檢測。電流需進行門限檢測判斷，若其超過門限范圍，則將電流異常征兆次數i加1，當測量值連續n次(本文取5)超過門限值時，認為供電電流存在異常，需要進行斷電處理并報警。

圖4 上電控制與電流檢測流程

4.3 功能檢測模塊

功能測試模塊是智能檢測系統的核心功能，實現對飛控計算機硬件接口、板卡的檢測，單項功能檢測流程如圖5所示。首先初始化變量i、j，i表示檢測次數，j表示故障發生的次數。然后系統發出檢測信號，實時接收或延時接收返回值，再將返回值與門限值進行比較。由于單次檢測存在一定偶然性，所以每項功能都要檢測多次。當返回值超出門限值時，則將故障次數加1，當故障發生次數大于n次時，則認為發生故障并記錄。

圖5 功能檢測流程

5 系統測試與分析

為驗證自動檢測和故障診斷的功能，本文采用人為注入故障的方法進行測試。智能飛控計算機檢測系統對某型飛控計算機進行測試的接線關系示意如圖6所示。經過多次測試后，實驗結果如表2所示。

圖6 系統聯機調試接線關系

表2 故障注入測試數據記錄

由表2可以看出，飛控計算機注入的故障都能被智能檢測系統準確定位，且單次的檢測時長都在3 min以內。而如果要人工進行相同的測試項目，單次檢測時長都在6 min以上。

經過系統聯機調試表明：系統各項功能表現良好，能夠準確、實時對飛控計算機進行自動檢測，實現了系統設計預期的全部功能需求。

6 結束語

飛控計算機則是飛控系統的大腦，因此對飛控計算機的功能進行全自動檢測、排除故障是無人機系統正常運行的保障。本文設計的基于586-Driver的無人機飛控計算機智能檢測系統，當飛控計算機出現信號異常或故障時，能夠進行全功能、自動快速檢測，滿足某型飛控計算機的檢測需求，極大地節省了時間、解放了人力，在實際應用中取得了良好的實際效果。

[1] 鐘 志. 分布式無人機自動檢測系統的研究與設計[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2004.

[2] 王向民.無人機地面綜合檢測系統的研究[D].南京:南京航空航天大學, 2003.

[3] 胡 琴. 電氣自動檢測技術的現狀與發展. 硅谷] 黃文群. 數字接收機中信號檢測及自適應門限技術研究[D]. 重慶: 重慶大學, 2010.

[5] 李 昕, 楊 睿. 基于586-Engine的無人機飛控系統的設計與實現[J]. 航空電子技術, 2008 (2).

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[10]梁潔玫,衣學慧, 李軍予, 等. 高性能微控制器在控制計算機技術中的應用[J]. 控制工程 (北京), 2005 (2): 24-29.

DevelopmentofUAVFlightControlComputerAutomaticDetectionSystemBasedon586-Driver

Gao Yanhui1, Xiao Liping1, Li Qiang2, Li Zhiyu1

(1.Ministerial Key Laboratory of Unmanned Aerial Vehicle Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, China; 2.Department of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

The most traditional detection of flight control computer of unmanned aerial vehicle (UAV)is manual operation, with cumbersome operation, large amount of data, vulnerable to human factors, resulting in low test efficiency, the results of subjective, lack of security.A one-button full-function detection scheme for flight control computer based on signal threshold automatic detection technology isproposed. A smart system of automatic detection is developed with 586-Driver board as the core. The interface board, power board, signal conditioning board and detection board are designed.Module function include the underlying drive, timing control, power control and current detection, functional testing, which realizes the sequential testing of the flight control computer without manual operation. The system test was carried out by using man-made fault test method. The test result shows: the system meets the requirement of detection,the efficiency of detection of UAV flight control computer is improved.

flight control computer; 586-Driver; automatic detection; signal threshold detection

2017-02-14；

2017-03-10。

高艷輝(1976-)，男，河北辛集人，碩士，助理研究員，主要從事無人機飛控系統方向的研究。

1671-4598(2017)10-0004-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.002

V249

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