一種多功能航空智慧桌板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李國強(qiáng) 王澤淏 唐昊 張家斌 翟佳俊 魏也 張夢(mèng)晴中國民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院 天津 300300

引言

基于飛機(jī)上的桌板功能單一，破損后存在難以更換，且換貨周期等長(zhǎng)對(duì)乘客和航空公司帶來困擾的現(xiàn)實(shí)情況，本設(shè)計(jì)結(jié)合當(dāng)下3D打印技術(shù)，利用SolidWorks進(jìn)行建模并選擇環(huán)保可靠的耗材打印出桌板，能夠快速的替換已損壞的桌板，十分便利。同時(shí)，隨著航空的安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，本設(shè)計(jì)就該桌板如何有效延長(zhǎng)使用壽命、降低使用風(fēng)險(xiǎn)、提高使用舒適度進(jìn)行了相關(guān)探討。

隨著2020年以來國內(nèi)外新冠疫情的日益加重，為保障每位乘客的身體健康，本設(shè)計(jì)在桌板內(nèi)部加入非接觸式紅外測(cè)溫系統(tǒng)，用以篩查出新冠病毒的潛在感染者。該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)作為中心控制元件，結(jié)合MLX90614紅外測(cè)溫模塊，蜂鳴器，WT588D語音芯片，HC-05藍(lán)牙模塊等器件，實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量和語音播報(bào)，以及數(shù)據(jù)的無線傳輸?shù)裙δ堋Ｔ摐y(cè)溫系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單可靠，成本較低，測(cè)量精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在疫情防控方面可以發(fā)揮一定的作用[1]。

1 航空智慧桌板的設(shè)計(jì)

1.1 桌板建模

本次3D打印模型的設(shè)計(jì)主要選擇了SolidWorks三維制圖軟件進(jìn)行繪圖制作。桌板的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 桌板模型及其部件示意圖

經(jīng)過調(diào)查研究和系統(tǒng)測(cè)量比對(duì)，主力機(jī)型的飛機(jī)經(jīng)濟(jì)艙座椅前后間距約為70cm，根據(jù)具體空間需求所設(shè)計(jì)的可折疊小桌板，節(jié)省空間。同時(shí)為滿足乘客們的日益增長(zhǎng)需求，提高出行體驗(yàn)，該桌板配有防止灑出的水杯安置處，還對(duì)桌角進(jìn)行倒角處理，提高安全系數(shù)。同時(shí)在桌面結(jié)構(gòu)的幾何中心留有凹槽，放置能夠紅外測(cè)溫和無線傳輸?shù)闹悄芑ヂ?lián)設(shè)備。

1.2 打印材料的選擇

傳統(tǒng)的3D打印材料有PC，PLA，ABS，聚丙烯，尼龍等,原型產(chǎn)品的材料選擇上需考慮：功能性上達(dá)到乘客的基本使用需求；安全性上使用時(shí)不能對(duì)人員產(chǎn)生危害且回收時(shí)不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響；需具備一定的可維修性，使損壞桌板能夠恢復(fù)功能；同時(shí)需控制材料的成本。

根據(jù)PLA材料為新型生物降解材料，具備環(huán)保性能；可用再生的植物資源所制成，保證其成本較低；機(jī)械性能和物理性能良好，保證其在規(guī)定條件下可以執(zhí)行所需功能；具有良好的抗拉強(qiáng)度和延展度，加工方式多樣，可滿足不同需求的桌板制造。

因此，本文擇優(yōu)選擇了PLA材料制作原理模型。

2 桌板的受力仿真

2.1 桌板受力仿真流程

輸入材料參數(shù)→輸入桌板模型→網(wǎng)格劃分→有限元求解→輸出等效彈性應(yīng)變、總變形、等效應(yīng)力→判斷是否滿足要求，若滿足則導(dǎo)出現(xiàn)有數(shù)據(jù)；若不滿足則重新輸入材料。

2.2 靜載荷分析

2.2.1 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。測(cè)試桌板在靜載荷狀態(tài)下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足需求。

2.2.2 試驗(yàn)假設(shè)。①考慮到飛機(jī)只有在巡航模式下可以打開桌板，故實(shí)驗(yàn)環(huán)境為巡航模式；②飛機(jī)在巡航模式下受到重力；③桌板處于正常使用情況。

2.2.3 流程說明。

2.2.3.1 結(jié)構(gòu)分析。

①約束添加：在分析設(shè)置中，向在固定夾具處添加固定約束以及標(biāo)準(zhǔn)地球重力g=9.80665m/s；

②載荷添加：考慮到實(shí)際的使用環(huán)境，添加作用于桌板的均布載荷P=500N。

2.2.4 靜載荷結(jié)果分析。等效彈性應(yīng)變、中變形、等效應(yīng)力如圖2所示。

圖2 靜載荷分析結(jié)果

等效彈性應(yīng)變是材料塑性變形的度量，從等效彈性應(yīng)變的受力云圖中可以看出桌板的整體受力處于較安全的狀態(tài)；總變形是指結(jié)構(gòu)在受到載荷作用下產(chǎn)生的位移量，將該模型在x軸、y軸、z軸的受力進(jìn)行矢量疊加后便得到總變形，從圖中可以看出桌板在固定夾具與桌板的連接處的總變形較大，說明連接處應(yīng)該重點(diǎn)強(qiáng)化鏈接。其次在桌面遠(yuǎn)離固定夾具的一側(cè)的總變形同樣較大，也應(yīng)著重設(shè)計(jì)，保證正常使用的安全性和可靠性；等效應(yīng)力是x、y、z三項(xiàng)主應(yīng)力的總和。在分析的時(shí)候需要用等效應(yīng)力來將3個(gè)主應(yīng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)化。由等效應(yīng)力的分析圖可知,在該受力情況下的狀態(tài)較為安全。

2)What elements will you mention in your job application letter?

2.3 振動(dòng)分析

2.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

測(cè)試桌板在振動(dòng)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足需求。

2.3.2 試驗(yàn)假設(shè)。①考慮到飛機(jī)只有在巡航模式下可以打開桌板，故實(shí)驗(yàn)環(huán)境為巡航模式；②飛機(jī)在巡航模式下，在其他受力不變情況下，收到振動(dòng)擾動(dòng)；③桌板處于正常使用情況。

2.3.3 流程說明。

2.3.3.1 結(jié)構(gòu)分析。①約束添加：兩端固定約束，標(biāo)準(zhǔn)地球重力g=9.80665m/s；②振動(dòng)添加：選取三個(gè)不同的激勵(lì)點(diǎn)位置，分別為桌板中點(diǎn)、邊緣和隨機(jī)一點(diǎn)，并改變其振動(dòng)頻率；③桌板結(jié)構(gòu)在簡(jiǎn)諧波激勵(lì)時(shí)穩(wěn)態(tài)有限元方程可表示為下式：

其中：M、C、K分別表示結(jié)構(gòu)的剛度矩陣、阻尼矩陣、質(zhì)量矩陣；為節(jié)點(diǎn)加速度；為節(jié)點(diǎn)速度；u為節(jié)點(diǎn)位移；f（t）為外激勵(lì)載荷向量。

2.3.4 振動(dòng)結(jié)果分析。隨振動(dòng)頻率增加，桌板總變形變化趨勢(shì)，如圖3所示。

圖3 不同振動(dòng)頻率下桌板的形變圖

圖4 振動(dòng)結(jié)果分析

對(duì)該模型在不同位置施加作用點(diǎn)的方式進(jìn)行分析，首先影響振動(dòng)的主要因素有損耗因子、板厚、邊界條件、激勵(lì)點(diǎn)位置等因素，首要因素為損耗因子；激勵(lì)點(diǎn)位置的不同會(huì)激起不同的模態(tài)，導(dǎo)致頻率點(diǎn)的增減[2]。在施加多次不同頻率及不同激勵(lì)點(diǎn)的振動(dòng)后，圖4為不同頻率對(duì)應(yīng)的形變?cè)茍D；圖5為等效應(yīng)力、定向變形、法向彈性應(yīng)變?cè)茍D，模型各坐標(biāo)點(diǎn)的變形及受力由藍(lán)色至紅色依次增大，故由圖4及圖5可以看出：在桌板中央、桌板兩側(cè)及桌板遠(yuǎn)離固定夾具位置出現(xiàn)應(yīng)變加強(qiáng)點(diǎn)，隨著頻率增加最強(qiáng)點(diǎn)在桌板上規(guī)律移動(dòng)，應(yīng)選擇性加強(qiáng)。

圖5 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)的硬件模塊由以下幾個(gè)部分組成：STM32單片機(jī)控制模塊、紅外測(cè)溫功能模塊、語音廣播模塊、無線傳輸模塊和人機(jī)交互模塊。其中，MCU采用STM32F103最小控制系統(tǒng)，紅外測(cè)溫模塊采用MLX90614紅外溫度傳感器，語音廣播采用WT588D模塊，無線傳輸采用HC-05藍(lán)牙模塊，人機(jī)交互模塊包括LCD1602液晶顯示屏、蜂鳴器和按鍵。按鍵后設(shè)置測(cè)量溫度范圍，溫度測(cè)量后由紅外溫度傳感器通過STM32單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)，然后一方面通過LCD1602顯示溫度和語音，另一方面通過HC-05藍(lán)牙模塊傳輸溫度數(shù)據(jù)，連接手機(jī)或電腦，如果溫度超過設(shè)定閾值，蜂鳴器報(bào)警提醒[3]。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖5所示。

3.2 紅外測(cè)溫

3.2.1 紅外測(cè)溫原理。處于絕對(duì)零度以上的物體由于其內(nèi)部存在各類帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，會(huì)向外界輻射不同波長(zhǎng)的電磁波，輻射波的波長(zhǎng)涉及紫外線、可見、紅外線光區(qū)，但絕大部分位于0.8～15μm的紅外區(qū)內(nèi)。物體紅外輻射能量的大小按其輻射波的波長(zhǎng)而分布， 與其表面的溫度有著直接關(guān)系。所以通過測(cè)量物體自身向外界輻射的紅外能量，就可以準(zhǔn)確地測(cè)量其表面的溫度， 這就是紅外測(cè)溫的基本原理[4]。

3.2.2 紅外測(cè)溫模塊。MLX90614紅外測(cè)溫模塊是一組市面上通用的紅外測(cè)溫模塊，傳感器供電電壓為3～5V，非接觸式溫度測(cè)量范圍為-40攝氏度至+380攝氏度，測(cè)量分辨率高達(dá)0.1℃，響應(yīng)時(shí)間為0.5s，被測(cè)目標(biāo)和環(huán)境溫度可以通過單通道以PWM或可編程SMBus輸出[5]。得益于其非接觸、體積小、精度高等特點(diǎn)，該傳感器廣泛用于汽車空調(diào)、室內(nèi)暖氣、家用電器、手持設(shè)備以及醫(yī)療設(shè)備之中[6]。

3.3 語音播報(bào)模塊

本設(shè)計(jì)采用WT588D語音芯片作為語音播報(bào)報(bào)警模塊。WT588D芯片是廣州微創(chuàng)科技有限公司開發(fā)的一款功能強(qiáng)大的可重復(fù)擦除和燒錄語音單片機(jī)芯片[7]。相應(yīng)的軟件操作方式簡(jiǎn)單易懂，與語音組合技術(shù)相匹配，大大縮短了語音編輯時(shí)間。通過下載器將WT588D語音芯片的電路重置為相關(guān)聯(lián)的SPIFlash下載信息，可以更新最新下載的控制方式[8]。 WT588D語音芯片他是通過外部的mini下載器下載相應(yīng)的語音文件，然后生成地址[9]。在啟動(dòng)該系統(tǒng)時(shí)，單片機(jī)第一時(shí)間進(jìn)行溫度檢測(cè)，同時(shí)發(fā)送指令給WT588D，然后通過喇叭將測(cè)量的溫度進(jìn)行語音播報(bào)。

3.4 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊采用HC-05藍(lán)牙串口模塊，HC-05是具有近距離無線連接、低功率、微耗的主從一體的藍(lán)牙串口模塊，該模塊可以與3.3V或5V的單片機(jī)兼容；支持的波特率在4800到1382400之間；工作溫度為-25℃～75℃；空曠地通信距離為10m[10]。該模塊可與電腦、手機(jī)和藍(lán)牙主機(jī)通過串口通信配對(duì)，當(dāng)模塊處于連接狀態(tài)時(shí)，將自動(dòng)根據(jù)事先設(shè)置好的連接方式就行數(shù)據(jù)傳輸[11]。

3.5 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊主要包括LCD1602液晶顯示器、蜂鳴器和按鍵。液晶顯示當(dāng)前檢測(cè)溫度和溫度報(bào)警范圍；當(dāng)溫度低于或高于我們?cè)O(shè)定的值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警；按鍵設(shè)置溫度報(bào)警的上限和下限；按存儲(chǔ)鍵存儲(chǔ)當(dāng)前溫度值或查看當(dāng)前存儲(chǔ)的溫度值。

4 軟件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為Keil5,軟件的設(shè)計(jì)主要包括元器件的初始化，溫度測(cè)定和藍(lán)牙播報(bào)與傳輸?shù)取Ｏ到y(tǒng)基于STM32單片機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)利用STM32單片機(jī)的串口通信來實(shí)現(xiàn)不同模塊之間的協(xié)調(diào)與合作，在此過程中，第一步實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的初始化，第二步進(jìn)行按鍵選擇，第三步實(shí)現(xiàn)對(duì)具體任務(wù)的執(zhí)行，分別為溫度測(cè)定，語音通報(bào)和藍(lán)牙傳輸[12]。系統(tǒng)開始工作后，首先配置STM32的引腳，進(jìn)而進(jìn)行MLX90614和LCD1602的初始化，判斷按鍵是否觸發(fā)，按鍵按下時(shí)，觸發(fā)傳輸信號(hào)發(fā)送到紅外測(cè)溫模塊進(jìn)行測(cè)溫，并將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵龆耍陲@示模塊上顯示測(cè)量溫度，并通過語音播報(bào)模塊進(jìn)行溫度播報(bào)和通過藍(lán)牙模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)。

5 紅外測(cè)溫功能的測(cè)試及分析

完成該系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)后，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行焊接并進(jìn)行調(diào)試。經(jīng)調(diào)試，紅外測(cè)溫，LCD1602溫度顯示，語音溫度播報(bào)，蜂鳴器報(bào)警與藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ芑緦?shí)現(xiàn)。同時(shí)我們對(duì)紅外測(cè)溫的精度進(jìn)行了測(cè)試與分析[13]。實(shí)驗(yàn)采取對(duì)照實(shí)驗(yàn)法，重點(diǎn)控制無關(guān)變量，保證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。先分別用MLX90614溫度傳感器和水銀溫度計(jì)對(duì)人體的手肘進(jìn)行測(cè)溫，手肘夾住水銀溫度計(jì)，等待其讀數(shù)穩(wěn)定，拿起水銀溫度計(jì)的瞬間同時(shí)進(jìn)行紅外測(cè)溫，防止手肘打開后溫度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 紅外測(cè)溫與水銀溫度計(jì)對(duì)手肘的溫度測(cè)量結(jié)果（單位：℃）

通過分析本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：紅外測(cè)溫得到的溫度比水銀溫度得到的溫度低，差值為0.06℃，這說明紅外測(cè)溫的結(jié)果可靠；紅外測(cè)溫得出數(shù)據(jù)的時(shí)間明顯少于水銀溫度計(jì)測(cè)量得出數(shù)據(jù)的時(shí)間，在速度上紅外測(cè)溫具有很大的優(yōu)勢(shì)。此外，紅外測(cè)溫系統(tǒng)存在測(cè)量精度不夠高和穩(wěn)定性不夠好，實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)簡(jiǎn)單等情況。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)條件有限，該航空桌板所選擇的PLA材料熱穩(wěn)定性不夠好，本系統(tǒng)還有很大的改進(jìn)空間。

6 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)選擇PLA為3D打印材料，打印出具有多功能的航空桌板，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，安全性，環(huán)保性。同時(shí)對(duì)桌板模型進(jìn)行了系統(tǒng)的ANSYS力學(xué)分析，模擬在飛機(jī)不同的飛行狀態(tài)測(cè)試其是否能夠工作在穩(wěn)定狀態(tài)，為其后續(xù)適航性提供一定有效參考數(shù)據(jù)。非接觸式紅外測(cè)溫系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)乘客的體溫的測(cè)量。也能夠進(jìn)行溫度的語音播報(bào)以及數(shù)據(jù)的無線傳輸，可滿足新冠疫情常態(tài)化下的基本監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)采集需要，有較好的應(yīng)用價(jià)值。下一步工作計(jì)劃將在實(shí)際飛行過程的真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)的有效性。