基于虛擬儀器技術的飛機駕駛桿檢測系統的設計與實現

潘慶國， 周章勇， 彭雪娟， 章 寧

(國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007)

飛機駕駛桿是飛機上用來傳遞操縱指令[1]、驅動舵面[2]運動的多個裝置總和，其上配置有多個用于自動控制系統、軍械系統、剎車系統和飛行姿態調整的扳機/按鈕，用于飛行控制和武器控制。駕駛員通過操縱飛機的駕駛桿來發送操縱指令，傳感器[3-4]將指令以各種電信號的形式傳遞給執行機構以實現飛行狀態[5]控制，因此駕駛桿是飛機的飛行控制系統和武器控制系統的重要組成部分之一，它的工作性能是否良好正常，直接影響著飛機的飛行安全和戰斗力。駕駛桿外形如圖1所示。

圖1 飛機駕駛桿模型圖

在某型駕駛桿定期維修時須更換各類扳機/按鈕以及與其交聯的線束、航空插頭，由于維修工作量大、交聯關系復雜，易產生各類修理問題，因此對其進行性能檢測就顯得尤為重要。

在維修中，針對駕駛桿力的原位[6-7]和離位[8-9]檢測，已有研究闡述了基于虛擬儀器技術的駕駛桿力測試方法，可使用專用測試設備和工裝來保證維修的可靠性。但還沒有針對該型駕駛桿各類扳機/按鈕以及交聯線束、插頭的專用檢測設備[10-12]，僅靠人工對線路的導通性進行檢查，無法對各類操縱扳機/按鈕的性能進行檢查。尤其是光標控制按鈕，需要對其測試不同施力情況下的壓電轉換性能、零位輸出特性等，現有手段無法滿足測試需要。一種針對飛機駕駛桿線束的綜合測試設備[13]可滿足線束的導通性手動定性測量，但其測試效率不高，且無法定量精密測量各扳機/按鈕的接觸電阻和光標控制開關的性能，而開關的性能直接關系到駕駛桿的操縱靈敏度。

為此，針對目前飛機駕駛桿維修現狀與不足，迫切需要研究飛機駕駛桿的自動化測試方法，設計基于虛擬儀器技術的飛機駕駛桿檢測系統，并對其組成、功能、關鍵性設計以及軟件編制等內容進行研究論述，以滿足飛機駕駛桿的自動檢測需要，保障飛行安全和部隊戰斗力。

1 系統功能分析

飛機駕駛桿檢測系統須具有較高的自動化檢測能力，以滿足對被測駕駛桿力學和電學測試的需求。采用四線法測試接觸電阻，優化電阻連續測試和采集判斷算法，滿足對各開關接觸電阻不穩定故障的捕獲能力。系統具備對測試數據記錄、統計和分析的功能，兼具完善的自檢自校準功能和安全防護能力，主要功能如下。

① 具備駕駛桿各類扳機/按鈕的絕緣性能和抗電性能的檢測和自動判斷能力，并可將測試結果與被測對象的設計指標比較，給出測試結論。

② 對光標控制按鈕可按規定施加測試力，并對其輸出信號進行采集，完成零位信號和輸出信號線性度測試。

③ 對光標控制按鈕力測試范圍為0～15 N，誤差≤0.1 N。

④ 絕緣電阻測試電壓：直流50 V、500 V；測試精度：±1%rdg。

⑤ 接觸電阻測試：不大于0.3 Ω；測試精度：±0.0035%。

⑥ 系統自檢功能，能對整個設備的測試儀器資源和測試通道進行自檢，給出自檢通過或不通過的結論。

⑦ 測試時間不超過15 min。

2 系統架構框圖

自動測試硬件平臺主要由機柜、工控機、程控電源、三用表、絕緣抗電測試儀、高壓矩陣開關模塊、接口適配面板、駕駛桿夾持和施力裝置、測試電纜、配套附件等組成。系統架構如圖2所示。

圖2 自動測試硬件平臺系統架構

程控可調電源主要實現直流工作電壓0～27 V可調功能。

三用表使用四線法，消除測試回路的阻抗影響，實現觸點接觸電阻的高精度測試。

絕緣抗電測試儀實現對線路絕緣和抗電性能的測試。

矩陣開關模塊需要實現測試資源的切換和被測線路的切換，由于測試項目包括500 V(有效值)的抗電擊穿試驗，因此信號切換模塊要求具有不低于625 V的抗電性能。

主要測試線路切換原理如圖3所示。每一個線路交叉黑點代表一個切換繼電器。

矩陣開關模塊為6個高壓矩陣開關模塊組合的八線四線混合型的矩陣開關，通過R1～R8對測試源進行選擇，通過C1～C64(本測試需要使用56點，其余點作為可擴展預留余量)對被測線路進行選擇。

圖3 測試線路原理圖

由于測試項目中有部分測試點(16點)有測試接觸電阻的需求，按四線制測試要求，共設計了32路的測試點為八線式，保證測試資源可滿足全部測試需求。

3 系統關鍵硬件設計

3.1 駕駛桿夾持和施力裝置設計

駕駛桿夾持和施力裝置應可滿足對駕駛桿的可靠固定和夾持，并將駕駛桿上的光標控制按鈕定位于施力裝置的中心點，可按技術要求對光標控制按鈕進行4個方向上的推/拉力測試，主要技術要求如下。

① 外部輸入電壓：220 V，50 Hz；

② 推/拉力范圍：0～15 N；

③ 推/拉力誤差：±1%；

④ 推/拉力最小可調值：0.1 N；

⑤ 整機功率：不超過1 kW；

⑥ 使用環境溫度：-10～50 ℃。

駕駛桿夾持和施力裝置組成包括電機水平支架、電機豎直支架、電機正交轉化機構、承載平臺、工作平臺、直線電機組件、推拉力測試U型夾具、手柄固定和調整機構、微調轉臺等部分。原理如圖4所示。

按照駕駛桿的特殊形狀，經過測繪制作出的駕駛桿固定和調整機構，可使待測試的光標控制按鈕平行于直線電機軌道面，以便U型夾具作用于按鈕而不產生偏差。駕駛桿調整機構置于一個可轉動也可鎖死的轉臺上，可以微調光標控制開關平面與電機軌道夾角，以保持兩者平行。

圖4 夾持和施力裝置

測試時，采用直線電機推力控制模式，將測試需要產生的力，按直線電機推力與電流的關系公式同時疊加上系統因子換算成相應電流，計算公式為

F=10I-X

(1)

式中，F為測試需要產生的力；I為電機電流；X為損耗因子，根據直線電機軸向與水平夾角和滑塊重量測得。電機工作時，運動控制卡根據實時推拉力反饋情況，可即刻調整電機控制電流，持續產生設定的力。將U型測試夾具安裝固定在滑塊上，夾具間距略大于光標控制開關直徑。通過U型滑塊作用于光標控制按鈕兩邊，利用電機正反轉，可使規定的力按設定的值作用于開關上。施力方向為直線電機直線移動方向，通過旋轉電機正交轉化機構，可帶動直線電機及U型夾具以光標開關中軸線為軸心進行0°～180°旋轉，從而實現對光標開關各個方向上力的施加。

與普通步進電機加力傳感器組成的力學測試機構相比，本設計的力學系統結構簡單、成本低、定位精度高、靈敏度高、隨動性好，且由于摩擦損耗低，所以工作可靠性高、壽命長。

3.2 高壓矩陣開關模塊的設計

高壓矩陣開關模塊在本系統中實現各類測試資源和駕駛桿被測通道之間的程控互聯，由于需要進行絕緣和耐壓測試，該模塊需要耐500 V以上高壓。由于目前耐500 V以上高壓的繼電器及相應成品板卡較少，故本研究中需要自行設計。

高壓矩陣開關模塊采用統一標準接口，與上位機采用RS232串口通信，模塊之間采用并行數據傳輸和擴展通路數，單個模塊的設計通路為4×16路。模塊電源采用外部輸入，主要包括+5 V和+12 V兩路。

電路設計方面主要包括3個部分，如圖5所示，第1部分是外圍接口電路，采用了驅動器對信號進行了驅動和轉換，同時包括狀態顯示電路，用于指示處理電路部分產生的狀態信號；第2部分為通信和處理電路，采用了兩片可編程邏輯器件EPM7128器件，內部包括了與上位機通信的串口電路、繼電器開關譯碼信號產生電路以及狀態輸出信號對比監控模塊；第3部分為繼電器陣列模塊，是模塊的執行機構。

圖5 高壓矩陣模塊結構框圖

高壓繼電器擬選用Pickering公司生產的119型高壓繼電器，該繼電器采用12 V電壓控制，具有1000 V/1 A的開關切換能力，開關壽命高達109次，絕緣強度高達1010Ω，即使500個繼電器并聯也可保證20 MΩ的系統絕緣強度。

4 軟件開發

駕駛桿檢測系統自動測試軟件(以下簡稱測試軟件)用于檢測駕駛桿上各類扳機/按鈕的力學和電氣特性，軟件使用LabWindows/CVI 2015進行開發，具有交互式自動測試和手動測試的功能，具備人機界面友好、圖形化的測試界面、測試速度快的優點，并能將測試結果以Excel表格的形式保存和調閱。軟件平臺總體結構分為硬件自檢模塊、自動測試模塊、手動測試模塊、測試記錄管理模塊、啟動登陸和自檢模塊，功能框架如圖6所示。

圖6 測試軟件功能框架圖

4.1 自檢模塊

自檢模塊完成檢測系統中的絕緣抗電儀、數字多用表、程控直流電源、矩陣開關模塊和駕駛桿施力裝置等功能的自動檢測。利用測試電纜連接檢測系統和自檢電路，測試軟件自檢模塊根據測試邏輯，控制矩陣開關模塊自動切換，將系統的測試資源連接到自檢電路的標準測量源上，對標準測量源進行測量，根據測量結果和標準數據的比對，判定各測試資源、矩陣模塊通路的完好性，最終輸出自檢結論。

4.2 自動測試模塊

自動測試模塊完成駕駛桿各類扳機/按鈕的絕緣性能、抗電性能、壓電轉換性能、接觸電阻、零位電阻等性能的測試要求，輸出測試結論。同時在測試前還應將飛機信息、產品信息、操作者信息等數據正確錄入在測試界面的產品信息區，以便將測試數據正確傳入測試數據管理模塊進行數據記錄和分析。

4.3 手動測試模塊

手動測試模塊用于用戶針對某一測試項目的重復性測試，便于駕駛桿的故障排除定位和不穩定故障的復現。由于抗電測試存在對駕駛桿電氣性能造成損傷的風險，所以手動測試模塊中未將抗電性能測試納入。

4.4 測試數據管理模塊

測試數據管理模塊可以完成測試數據顯示與存儲、測試數據分析、測試故障統計和健康預測等功能。

4.5 用戶登錄和自檢模塊

用戶登錄和自檢模塊可以完成用戶注冊和登錄管理、用戶權限管理、儀器配置、各測試儀器初始化信息返回值的讀取和判斷等功能。

4.6 測試流程

軟件測試流程如圖7所示。

圖7 軟件測試流程圖

5 功能驗證

目前已基于該測試系統，成功對某型飛機駕駛桿進行了檢測，檢測系統如圖8所示。

5.1 自動測試

測試過程中的測試項目和測試結果將會在界面中“測試結果顯示”表格中顯示，如圖9所示。

圖8 測試應用圖

圖9 自動測試界面

軟件按照測試邏輯，分步驟進行測試，當前進行的測試項目內容和理論指標分別在“測試項目”和“理論值范圍”列中顯示，測試結果在“實際測試值”列中顯示，軟件自動根據實測值與理論值范圍比較的結果，給出當前步驟測試是否合格的結論，顯示在“結果判定”列中。若某測試項目不合格，該行對應結果將顯示“不合格”并標記為紅色。

測試過程中的一些提示性信息，顯示在表格下方“測試過程信息”文本框中。本項測試全部結束后，該文本框中還將顯示該項測試中故障的總數，便于用戶快速了解測試結果。

5.2 手動測試

手動測試界面按照測試項目內容分為絕緣電阻、接觸電阻、光標控制按鈕壓電轉換性能、光標控制按鈕電阻特性測試等部分，如圖10所示。用戶可通過單擊各面板名稱前的單選按鈕，單次選擇其中的一項內容進行手動測試。當某項測試被選中時，該項測試相關的面板控件將被激活，可以使用其余面板的控件將被屏蔽，以避免用戶誤操作帶來的可能風險。

圖10 手動測試界面

5.3 測試記錄管理

本模塊可實現測試記錄的管理、查閱和比對等功能，如圖11所示。

圖11 測試記錄管理界面

5.4 系統自檢

系統自檢的相應信息顯示在面板左側的采集表中，軟件根據預設數據自行判斷相應儀器是否工作正常，若測試不合格，將直接在面板右側的記錄表中列出具體故障儀器，如圖12所示。

圖12 系統自檢面板

5.5 驗證結論

試驗結果表明，本文提出的飛機駕駛桿自動測試方法切實可行，基于該方法設計的駕駛桿檢測系統可滿足某型飛機駕駛桿的快速測試需求。

6 結束語

本文以工業控制計算機為資源核心，研制了飛機駕駛桿檢測系統硬件，設計了駕駛桿電學測試硬件平臺、矩陣開關模塊以及夾持和施力裝置，其測試資源靈活豐富，便于擴展升級；測試軟件具有模板化、可視化以及人機交互友好等特點，通用性強。經過對某型飛機駕駛桿測試結果驗證，結果表明本系統可實現對飛機駕駛桿的快速測試和故障診斷，其效率高，可靠性和經濟性強，有效解決了飛機駕駛桿維修難題。