小型無人機地面式發射控制系統設計

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(西安愛生技術集團公司，西安 710065; 西北工業大學 365所，西安 710072)

0 引言

靶機是無人機中最早的應用領域，英、美等西方國家早在1922年就開始研制靶機，是靶機技術水平最高也是產量最大的地區。當代軍用航空發展領域中，靶機作用一是新型對空武器的檢驗標準，二是戰巡的假想目標，靶機需要具有更高的性能，才可以模擬目標的基本特征。

靶機的飛行保障是靶機的重要內容，地面保障盡可能的做到簡便，快速陣地布置；為適應多機編隊和協同任務的靶試也將成為科研和戰訓的內容，采用一站多機的地面保障裝置將有利于靶機的集群供靶的需要；安保控制。靶機一般在靶場內飛行，對安全區域需要有嚴格的限定，必須裝訂安全邊界；靶機的各航段和航點均可在起飛前預先裝訂；靶機的密集編隊和協同任務式靶機應用的發展趨勢，因此“一站多機”的控制技術日益重要；同時靶機的集結需要在盡量短的時間間隔內依次起飛[1-3]。

因此，本文提出一種地面式發射控制系統，對多架次無人機靶機進行地面保障，控多機模式，進行航線和安全邊界的裝訂，靶機發射前的指令檢測，發動機控制，發射控制，以及多靶機的狀態顯示反饋。實現一對多式的靶機地面式發射系統。本文采用發控方艙的形式，節省成本，在地面測控站展開前，通過有限串口實現地面保障全套流程，直到發射，即滿足要求又節省成本，適合靶機的高效作業特性。

1 系統結構及原理

地面發控系統設備包括艙內設備和艙外設備，艙內設備由監控柜、通信設備、配電設備和環控設備構成，監控柜包括一個指揮控制柜和4個發射控制柜。艙外設備包括地面啟動箱、氣瓶組和配套電纜及管路。地面發控方艙結構設計需要滿足功能需求的實現，地面發控設備的組成如圖1所示。

圖1 地面發射控制系統結構組成

地面發射控制系統工作原理是，通過四組RS422串行接口，每組串行接口數據分別為無人機遙控遙測數據，無人機通過該串口將遙控遙測數據包發送給對應的發射控制計算機，地面操作人員通過該串口發送遙控指令給其串口連接的無人機；地面啟動箱的遙控數據，操縱人員在發控艙中發送啟動箱的控制指令；接收硬指令盤的指令狀態，同時發控軟件發送數據，控制硬指令盤的LED燈亮滅的狀態數據包。同時系統每個發射控制計算機還包括一個網絡接口，發控計算機將對應無人機的遙控遙測數據包，通過該網絡經過網絡交換機發送至指揮控制軟件，進行全系統多架飛機狀態顯示。

1.1 設計布局

地面發控系統硬件將指揮控制、發射監控、指揮通信進行綜合一體化設計。地面方艙內設置一個指揮控制柜、4個發射控制柜和揚聲單機。

發控方艙內左側安裝5個機柜，中間為指揮控制柜，兩側分別設置兩個發射控制柜，機柜右側是設備柜，上方安裝網絡交換機和UPS，下方為抽屜。

1.2 信息傳輸

信息傳輸以串口和網絡為主要依托，通過網絡電纜將發控方艙各設備相連接，實現信息的傳輸，與靶機和地面啟動箱的連接使用串口連接，每架靶機使用一路串口進行通信。如圖2所示。

圖2 地面發控方艙信息傳輸原理圖

地面發控系統通過RS422串口與靶機連接，發送靶機的控制指令并接收靶機的狀態數據，通過RS422串口與地面啟動箱連接，控制地面啟動箱的工作，串口與發射車內的發控計算機相連接，各臺發控計算機將各架靶機的狀態數據通過網絡發送給指控計算機進行匯總顯示。

1.3 接口設計

外部接口主要為RS422串口，如圖3所示。這些串口通過信號壁盒引出。

圖3 地面發控方艙外部接口圖

內部接口為地面發控方艙內部各個設備工作的數據交換接口。包括串口電纜、網絡電纜。數據主要為靶機狀態數據和控制指令數據。內部詳細信號流如圖4所示。

圖4 地面發控方艙內部信號流圖

內部信號傳輸包括網絡傳輸和串口傳輸兩種方式，發控計算機和指控計算機通過網絡電纜連接，硬指令盤與發控計算機通過串口連接。

1)網絡傳輸方式：內部網絡由網絡交換機連接構成，。無人機狀態信號通過外部接口發送給發控計算機，發控計算機接收并顯示無人機狀態，同時發控計算機將靶機的狀態數據通過網絡匯總到指控計算機，指控計算機將各無人機狀態匯總顯示，

2)串口傳輸方式：硬指令盤的按鍵指令通過串口發送給發控計算機。硬指令盤和發控計算機之間采用RS-232串行接口通信；地面發控方艙內各計算機和網絡交換機之間采用網絡接口通信；

2 系統的發射控制

發射控制柜實現無人機狀態監視、航路的裝訂和靶機的發射控制功能。具體包括：參數顯示、航路、安控區裝定、系統自檢、控制指令反饋、供電控制及發射控制。

2.1 硬件設計

發射控制功能控制在地面發控系統的發射控制柜的發射控制計算機進行。由于發射控制計算機需要外界4個串口，因此采取擴展擴展串口板卡，進行串口擴展，才能滿足需求。

采用CPCI加固計算機，功能電路分為：主板模塊、液晶模塊、電源模塊、鍵盤模塊、存儲模塊、接口模塊。供電輸入為AC220 V。因此，電源轉換方案選定ZIPPY公司生產的P1A-6301P電源，該電源模塊工作穩定，可靠性高。計算機對屏幕、主板等力學薄弱環節重點進行加固設計。

2.2 發射控制軟件實現

發射控制軟件采用VC++6.0開發，運行于Windows XP操作系統中，實現靶機的發射控制。發射控制軟件可實時監視靶機系統的狀態，為靶機裝訂飛行航路，提供安全提示以及安全告警，提供靶機發射控制指令按鍵并實時匯報發送的指令。發送控制軟件在靶機發射流程進行時可對流程中的數據進行全程記錄。

發射控制軟件的功能模塊包括：系統參數監視模塊；航路上傳、狀態顯示；安全提示、告警模塊；按鍵指令模塊；指令回報模塊；數據記錄模。下面針對其中關鍵技術進行具體介紹，

1)航路上傳：使用txt文件處理方式為靶機裝訂飛行航路。

使用CStdioFile的open[4]打開上級的航路文件，文件包括“航路信息”、“飛行邊界”、“安控區域”，

ReadString讀取數據后，寫入上行控制數據；

SendMessage消息模式觸發串口發送消息，完成航線裝訂。

2)狀態顯示：通過多媒體定時器觸發，使用回調函數OnTimerEventOfTmcom()[5]觸發串口時間，采用pcomm控件實現串口數據的接收[6-7]，使用Ontimer對軟件參數進行文本和圖形顯示。

使用Photoshop的高像素表盤圖片和指針圖片，加載至MFC下的對話框[5]，操作指針圖片尋轉角都實現數據的圖形顯示。

3)控制指令，接收硬指令盤和地面啟動箱的串口指令，解碼后通過串口轉換為上行控制數據，sio_write函數發送至響應的無人機。為了滿足擴展串口的同步性，使用MOXA公司的PCOMM插件進行串口的讀取操作。串口發送端的數據周期小于20毫秒，使用微軟自帶的定時器周期精度較差，平均可達到100MS，因此，軟件采取多媒體定時器，使用回調函數進行串口數據的處理，函數具體如下：

void CALLBACK OnTimerEventOfTMcom()

//飛機參數串口數據處理

void CALLBACK OnTimerEventOfYZLcom()

//硬質令盤串口數據處理

在程序初始化中，將回調函數和定時器進行綁定，具體如下：

// 飛機參數回調函數初始化

TimeOfTMcom = timeSetEvent

(20,1,(LPTIMECALLBACK)OnTimerEventOfTMcom, 0, TIME_PERIODIC);

// 硬質令盤回調函數初始化

TimeOfYZLcom = timeSetEvent

(40,1,(LPTIMECALLBACK)OnTimerEventOfYZLcom, 0, TIME_PERIODIC);

軟件將接收的遙測串口數據進行文本和圖形顯示；將硬指令盤的串口數據解碼翻譯后，按照協議組成控制數據包，通過飛機串口發送給飛機；地面發動機啟動指令發送至啟動箱串口。

4)數據記錄，使用malloc函數開辟內存數組buffer，將實時下行數據寫入buffer，然后分時按照十六進制寫入本地.data文件中。she

3 系統的指揮控制

指揮控制柜主要承擔靶機的發射監控任務。指揮控制柜上部安裝一臺一體化加固計算機，用于監控各架無人機的狀態和參數。

3.1 指揮控制軟件

指揮控制軟件采用VC++6.0開發，運行于Windows XP操作系統中，實現發射過程中的監視與指揮功能。指揮控制軟件可實時監視系統的狀態，同時提供安全提示以及安全告警，另外還可以讀取飛機上裝訂的飛行航路。指揮控制軟件在發射流程進行時可對流程中的數據進行全程記錄。

3.2 軟件設計實現

1)使用UDP組播形式[8]，接收各個無人機的下行數據Data1，Data2，Data3，Data4。

2)數據顯示方式，采取MFC(Microsoft fundament class)中的不同的Dialog中加載相同的類[9]，快速將軟件從一機擴展至四機。如圖5所示。

圖5 指揮控制軟件

4 系統中的其他設備

4.1 硬指令盤

硬指令盤利用嵌入式微處理器的I/O端口采集指令按鍵的電平信號，利用按鍵編碼對按鍵指令進行識別，生成控制指令數據，通過串口發送控制數據。具體包括左盤、直飛、右盤、爬升、平飛、俯沖、大馬力、中馬力和小馬力這9個指令按鍵。

為了便于靶機地面檢測，特別針對飛機的飛前檢查，需要對飛機的飛行指令進行驗證，以及航電傳感器進行檢查，確保飛行安全。使用硬指令盤，進行飛行指令檢測。方便飛前檢測，同時使用線纜連接飛行指令檢查人員和發射控制操作人員可以同時開展準備工作，提高展開效率。

硬指令盤由殼體、控制器板、指令按鍵、鑰匙開關、電源開關、指示燈和連接器構成。

硬指令盤利用嵌入式微處理器的I/O端口采集指令按鍵的電平信號，利用按鍵編碼對按鍵指令進行識別，生成控制指令數據，通過串口發送控制數據便攜式發控計算機與一套硬指令盤相連接，硬指令盤可通過按鍵發送舵面控制指令和發動機控制指令，同時應指令盤還可控制靶機的發射及取消發射。

硬指令盤主要由于檢測和發射控制功能。硬指令盤面板上設置一組飛行測試指令和發射控制指令，

飛行測試指令用于發射前測試飛機控制系統和作動器執行機構的工作情況；發射控制指令用于執行靶機的發射控制。硬指令盤按鍵和開關布局。

4.2 供電系統

UPS選用APC SRC3000XLICH型在線式UPS不間斷電源，該電源最大輸出功率為2100 W，輸出電壓AC 230 V，輸出頻率50 Hz，機身尺寸為175 mm*432 mm*457 mm(高*寬*深)，配置為機架式，高度為4 U，主機凈重為34 kg，滿負載效率89%。1 200 W負載時可維持運行15 min。

5 系統的可靠性模型和分析

建立地面發控方艙系統的可靠性模型，根據地面發控方艙的結構組成進行歸整，以機柜為單元，把地面發控方艙劃分為配電箱、地面啟動箱、硬指令盤、指揮控制柜、發射控制柜柜以及相關的軟件。通過對各個單元的建立與分析，充分考慮軟件因素，可靠性模型如圖6所示。

圖6 地面發控方艙系統可靠性模型

系統平均故障間隔時間[10]：

MTBF=1/λ，λ=λ1+λ2+λ3+λ4，

λi：設備可靠性

表1 基本可靠性預計表

根據計算，MTBF預計值為 284小時，滿足指標要求。

6 結束語

某基地進行實驗，展開普通地面控制站進行的地面保障和本文的發控系統地面保障，兩種系統的保障時間和流程對比見表2所示，其中A代表地面控制站的保障活動，B代表地面發射控制艙的保障活動。

其中，

TA1=TB1

(1)

TA2>TB2

(2)

TA3=TB3

(3)

進行指令檢測時，地面發控系統進行飛行動力檢測的同時，數據鏈展開通信，接著進行鏈路檢測:

TA4=TB4

(4)

表2 A和B保障活動對比明細

TSUNA=TA1+TA2+TA3+TA4

(5)

TSUNB=TB1+TB2+TB3+TB4

(6)

結論如下，

TSUNA>TSUNB

(7)

因此總體展開時間B方案優勢明顯。經過使用和實際飛行，由指揮控制、發射監控、指揮通信進行綜合一體化設計的地面式發射控制系統，可進行系統自身的發控流程自檢；可進行地面供電控制；裝訂航路和安控區、發送射前檢查指令并回顯反饋數據；可發送發動機的開車指令；可發送火箭點火指令；可隨時發送發動機停車指令、靶機斷電指令等，終止發射流程。可以短時連續發送多架次無人機，節省地面保障人員、無人機發射時間和地面設備的保障成本，極大提高了發射效率。

在艦載多靶機實驗任務中，適應場地和人員的需求。極大的精簡了設備和操縱人員，采用硬質令盤和發控軟件同時操作的模式，同時展開地面保障工作，極大地體現了系統的優越性。在部隊使用過程中，操作流程簡化、展開時間短、通用性強，這些特點極大地方便了人員操作和空防試驗。