無人機撞擊混凝土靶過載測試系統設計

焦 聰，范錦彪，王 燕

（中北大學 電子測試技術國家重點實驗室 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051）

無人機碰撞安全殼的研究試驗，早在第二次世界大戰中就引起廣泛關注，并且以其軍事的適用性得到了很可觀的發展，現今對無人機碰撞安全殼的研究依然不能松懈。隨著核電站的建設、發展以及部分重要軍事建筑的安全性等，必須考慮飛機失事墜落或者打擊到戰略性重要軍事建筑物上的可能性，急需飛機撞擊重要混凝土建筑的試驗和安全性分析[1]。為此，關于飛機碰撞混凝土安全殼的安全性分析，成為重要的研究方向之一[2]。

所涉及的無人機撞擊混凝土靶試驗，由中北大學與某所著名院校共同協作完成。無人機撞擊混凝土靶試驗的研究目的，是收集和分析飛機在撞擊混凝土靶時不同時刻，不同過載下的混凝土靶體所承受應力。試驗主體包括無人駕駛的飛機和混凝土靶2部分，一方面，需要根據實際的撞擊情況，對試驗主體進行合理設計，使無人機撞擊混凝土靶的試驗能夠高度還原真實的飛機撞擊過程。另一方面，為試驗主體設計可靠的測試系統，用以確定無人機在碰撞混凝土靶時，各個實時狀態下飛機的過載和混凝土靶的應力。

碰撞時飛機的過載和混凝土靶的應力是試驗的兩大數據主體，各自需要一個測試系統來完成。在此，重點介紹飛機的過載測試系統的設計。由于該過載測試系統測試時的動態特性，試驗時飛機要高速移動和撞擊到混凝土靶體上，導致測試具有一定的困難。針對這種動態高毀傷的試驗環境，設計研制了一種置于飛機內部、隨飛機一起撞擊混凝土靶后回收提取數據的測試系統——無人機撞擊混凝土靶過載測試系統。

1 試驗總體設計

無人機撞擊混凝土靶過載測試系統整體上由外傳感器組、內部傳感器組、存儲模塊、上位機等4部分組成，總體框圖如圖1所示。

圖1 總體系統框圖Fig.1 Overall system block diagram

1.1 工作狀態

無人機撞擊混凝土靶過載測試系統，有8種工作狀態，其中6種為主工作態，即待機狀態、數據采集狀態、數據保持狀態、讀數狀態、數據已讀狀態、擦除狀態[4]；2種為備用狀態，即未擦除待機狀態、斷電數據保持態。系統的工作狀態和工作流程如圖2所示。

圖2 過載測試系統的工作狀態和工作流程Fig.2 Overload test system working state and workflow

1.2 系統指標

系統指標簡要統計如下：①采樣部位 尾部及飛機發動機部位；②測量范圍 傳感器自選，不得有數據消頂；③分辨率12 b；④誤差≤2.5%FS（full scale，滿量程）；⑤存儲速率 100 kHz/通道；⑥記錄時間≥30 s；⑦觸發方式 斷線觸發；⑧工作溫度-20～50℃；⑨抗沖擊性≥20000g；⑩數據保持時間≥1年；11○供電方式 自給供電；12○數據回收 通過上位機回收、保存和備份，以備后續操作。

2 系統軟硬件設計

2.1 硬件的總體框架

該過載測試系統在設計時采用分工分塊設計，整個系統劃分為：傳感器功能塊，模擬功能塊，數據采集功能塊，電源功能塊，USB讀數功能塊，等5個部分[5]。①傳感器功能塊設計5個傳感器來實現功能，儀器內部裝3個儀器外部裝2個；②模擬功能塊由1片CPLD芯片控制轉化；③數據采集功能塊以FPGA作控制器，以NAND Flash為存儲器[6]；④電源模塊選用鋰電池置于測試系統內部；⑤USB接口電路設計用USB 2.0接口芯片實現，模數功能塊隔離，存儲功能塊加特殊防護。

各功能塊功能明確，有機組合在一起形成無人機撞擊混凝土靶侵徹過載測試系統。其中FPGA芯片和CPLD芯片作為本系統的主控芯片，實現各個模塊之間的協調和通信，實現數據的實時接收和存儲。系統框圖如圖3所示。

圖3 系統框圖Fig.3 System block diagram

2.2 硬件部分設計

2.2.1 數字部分

主控芯片是整個系統的主導，控制著系統的信號轉換、調制、存儲等功能。因此選用調試方便、適用性強的FPGA。Flash存儲模塊主要完成傳感器數據的儲存，試驗中的各種測試參數都是隨測試儀器在撞擊后由讀數口讀取到上位機的，而這些測試的參數都必須先存儲在Flash芯片中，待回收后再從Flash芯片中將數據讀出[7]。

2.2.2 模擬部分

測試系統共有5路傳感器信號，并設置了3個備用通道，經過信號調理與濾波，然后經多路復用器進行選通給A/D進行轉換。

接口模塊部分對傳感器所轉化的被測信號模擬量，在傳輸到數字模塊部分的過程中，因環境而引起的干擾進行濾波處理，并隔離傳感器模塊部分，使傳感器信號的正常變化和非正常的變化都不會影響其他部分的正常工作。采用四通道模擬開關MAX4634實現多路復用功能。通過CPLD控制MAX4634片選和選通端，CPLD中的［A3 A2］組成的二進制數控制片選，［A1 A0］組成的二進制數控制所代表的十進制數的選通端。所有通道在禁用時均關斷。模擬開關電路如圖4所示。

圖4 模擬開關電路Fig.4 Analog switch circuit

電源模塊為整個電路提供電能，電路系統正常工作需要穩定的電源供給[8]。系統電源模塊分2個部分：數字板供電和傳感器供電[9]。該系統設計使用MAX667穩壓芯片提供模擬部分和傳感器部分的電壓5 V及數字部分電壓3.3 V。電源模塊的電路圖如圖5所示。

圖5 電源電路設計Fig.5 Power circuit design

2.3 軟件的總體框架

無人機撞擊混凝土靶過載測試系統的正常工作，需要有幾方面軟件設計做支撐。具體包括：FPGA芯片對接收數據的程序設計，即對接收的數據信號進行調制[9]；FPGA對存儲器進行數據頁寫入、讀數數據和擦除數據等過程的控制，即對應Flash的資料編寫相應的控制程序；控制上位機通過USB口提取所存儲的數據的軟件編寫，即讀取數據、顯示數據、存儲數據等。編程設計軟件使用ISE 14.2，程序設計使用VHDL語言。系統的整體軟件設置如圖6所示。

圖6 系統整體的軟件框圖Fig.6 Overall software box diagram of the system

3 實測數據處理及分析

3.1 過載實測曲線分析

無人機撞擊混凝土靶過載實測數據如圖7所示。由圖可見，無人機在撞擊混凝土靶時，數據的前端0～7.8 s內有較小的過載信號，這是無人機在鐵軌上由火箭筒加速的過程；在7.8 s時刻出現1個稍大的振動過載信號，這是真機在軌道加速后脫離軌道的標志，隨后在8.003 s時出現不同的過載信號，飛機開始撞擊到混凝土靶。實測試驗數據與實際試驗各階段預想時間相吻合，證明數據的合理性。

圖7 無人機撞擊混凝土靶過載全程實測曲線Fig.7 Overload full-scale test curve of UAV impacting concrete target

3.2 撞擊時段傳感器過載曲線分析

外部傳感器的安裝位置處于發動機前端，主要用于測試飛機前端破損區的過載，撞擊時段外部傳感器1號和2號撞擊過載曲線如圖8所示。由圖可見，在0.035 s時存在1個較大的過載值，而后過載值變小，在0.05 s時達到最低，此后又逐漸增大，到0.75 s時過載值達到最大，飛機發動機撞擊到混凝土靶上，傳感器被損毀。因為損毀過程的不一致性，使得數據結尾存在一些差異。

圖8 撞擊時段外部傳感器過載曲線Fig.8 Overload curve of external sensor during impact time

內部傳感器隨測試儀器安裝在飛機的尾部，用于測試整個飛機撞擊過程的過載信號，其實測曲線如圖9所示。由圖可見，飛機在前端破損區的過載大小和趨勢與外部傳感器所測得的數據相符，證明了數據的合理性。在前端破損區外部傳感器損毀之后，在0.7723 s時出現了2349g的過載峰值，這是飛機發動機撞擊在混凝土靶而造成的過載信號。因為發動機的材質是堅硬的剛體，所以出現了1個過載峰值，符合剛體碰撞的特征，驗證了數據的合理性。

圖9 撞擊時段內部傳感器過載曲線Fig.9 Overload curve during impact time of internal sensor

飛機外部傳感器所測得的數據與內部傳感器前端破損區的數據相對比，趨勢、大小相符合，可以相互印證數據的正確性。

3.3 傳感器撞擊速度曲線分析

外部傳感器撞擊速度曲線如圖10所示。由圖可見，飛機撞擊混凝土靶時，前端破損區撞擊過載曲線呈拋物線狀，撞擊過程約0.075 s，共減速約104 m/s；2個外部傳感器所測數據基本相同。

圖10 外部傳感器撞擊速度曲線Fig.10 Impact velocity curve of external sensor

內部傳感器撞擊速度曲線如圖11所示。由圖可見，飛機撞擊混凝土靶的過載信號整體成拋物線狀，在飛機前端破損區撞擊混凝土靶時，飛機的速度減小得相對較慢；后端發動機撞擊到混凝土靶時，飛機速度急劇減小。前端破損區撞擊過程約0.7553 s，后端發動機撞擊過程約0.01 s，曲線呈拋物線狀，整個撞擊過程約0.86 s，共減速192 m/s，即飛機撞擊混凝土靶的速度為192 m/s；內部2個傳感器所測數據相仿。

圖11 內部傳感器撞擊速度曲線Fig.11 Impact velocity curve of internal sensor

外部傳感器所測數據，在內部傳感器數據信號上標有相應的位置，與內部傳感器測得的前端破損區撞擊減速度105.4 m/s相符合，從而印證外部傳感器速度曲線的合理性，也證明了內部傳感器所測速度數據的正確性。

綜上所述，通過內、外傳感器數據的對比以及內、外各自2個傳感器數據的相互印證，說明傳感器在試驗中工作狀態正常，驗明了試驗數據的可靠性。

4 結語

采用基于FPGA控制器，利用大容量固態存儲介質，研制了一套適用于動態、惡劣環境的過載測試系統，實現了飛機撞擊過載數據的收集。在實際試驗中，成功測得無人機撞擊過載數據，為核電站防護殼和國家重要建筑物的設計提供理論依據，對安全殼的載荷設計有著重要的指導意義。

參考文獻：

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