ZigBee無線控制的智能飛機液壓管路清洗與耐壓試驗系統

李 潼， 沈樂剛， 童 彥， 熊 壯， 蔣昊宜， 劉 浩， 歐陽小平

(1.浙江大學 機械工程學院， 浙江 杭州 310013； 2.上海飛機制造有限公司， 上海 201324)

引言

液壓系統管路的性能和壽命是影響飛機安全性的關鍵指標[1]。隨著航空技術不斷快速發展，飛機液壓系統逐漸趨向復雜化，且制造過程中對液壓系統的性能要求也越來越高[2]。在生產過程中，為保證液壓系統的優良性能，需要對液壓管路進行多次清洗以防止污染物等造成管路堵塞，并在管路安裝完畢后需進行多次耐壓測試以保證液壓管路的密封性能和結構強度[3-4]。

目前國內民用飛機在液壓系統管路清洗與耐壓試驗之前，需預先安裝成品件以協調管路的定位與安裝。為避免成品件被油液污染，液壓管路清洗與耐壓試驗前后需將成品件反復裝回與拆卸，如圖1所示，此流程需要操作工人手動完成，步驟復雜，效率低下，且反復拆裝會不可避免的造成連接口螺紋損傷等問題，進而嚴重影響飛機液壓系統的可靠性和安全性。國外空客公司已在飛機生產線上應用了具有遠程控制油路換向、通斷等功能的液壓管路清洗與耐壓試驗模塊以替代成品件，但其信號傳輸方式仍以有線為主，通信線纜數量巨大，接線復雜，嚴重影響清洗與試驗效率[5]。

圖1 手工液壓管路清洗與耐壓試驗示意圖

為進一步提升飛機液壓系統管路清洗與耐壓試驗的效率和智能化程度，本研究以某型號飛機為基礎，基于2.4 GHz ZigBee無線網絡技術開發了一套可遠程無線控制的飛機液壓管路清洗與耐壓試驗智能系統。該系統利用無線通信替代傳統線纜，避免了復雜電氣接線，大幅簡化了試驗步驟，提高了生產效率，符合液壓技術的數字化和智能化發展趨勢[6-7]，對于未來實現飛機液壓管路的全鏈路智能化清洗與耐壓試驗意義重大。本研究的主要貢獻如下：

(1) 開發了用于飛機液壓系統的可遠程無線控制的智能液壓管路清洗與耐壓試驗系統；

(2) 設計了與實際液壓元件油路接口相同的假件模塊用于替代真件進行管路清洗耐壓試驗，避免了反復手工拆裝的繁瑣工作和對真件的污染損壞；

(3) 實現了飛機液壓系統清洗與耐壓試驗的便捷性、高效性和智能性；

(4) 為航空液壓系統的智能化生產提供了關鍵接口。

1 系統結構

如圖2所示，智能液壓管路清洗與耐壓試驗系統包括了可視化管控層、無線網絡層、以及底層關鍵設備層三部分。

圖2 系統結構圖

1.1 可視化管控層

即管控界面，在系統運行時進行人機交互，可接收操作者指令，并將系統信息實時反饋給操作者?？梢暬芸貙又饕ú僮鏖_關、智能系統電磁閥通斷監控界面、電源電量監控界面等模塊，能夠將運行數據以數字、圖表等形式進行高效可視化監控?？梢暬芸貙油ㄟ^RS-485總線與無線網絡層設備進行通訊。

1.2 無線網絡層

即智能液壓管路清洗與耐壓試驗系統中與各個底層設備和管控層間相互通信的網絡層。智能液壓管路清洗與耐壓試驗系統主要應用場景為飛機液壓系統組裝調試生產線，液壓系統的復雜程度決定了終端設備較多，且需要使用電池供電，要求無線通訊具有低功耗、低時延和高網絡容量的特性，而對通訊距離和數據傳輸速率的要求則相對不高。目前主流的幾種無線技術包括Bluetooth、nRFShockBurst、ZigBee、WLAN 等，其中，Bluetooth的功耗較低，可以接入互聯網，但是其傳輸距離較短，組網容量較低，協議棧消耗硬件資源較大；nRF功耗低、數據傳輸效率強于Zigbee，但是nRF僅支持一對多的數據傳輸；WLAN無線組網在數據傳輸速率、延遲等性能方面全面強于Zigbee但是功耗較大且成本較高。本研究應用的Zigbee無線網絡技術功耗低，成本低，時延短，網絡容量大，與系統的實際應用場景需求較為契合[8-9]。然而，ZigBee無線網絡需要人為設置協調器與路由器，并且協調器唯一且不可或缺，這對網絡的搭建造成了極大不便，還降低了無線網絡的可靠性和設備互換性。因此，本研究的ZigBee無線網絡在搭建時模仿了mesh網絡，由網絡設備自行確定路由器與協調器，從而實現了自組網功能，這樣便可實現在一定面積區域內高傳輸高可靠的密集節點網絡，且方便自適應增減節點數量[10]。

如圖3所示，系統節點類型分為主控節點和從節點。主控節點管理所有從節點的運行狀態，并接收上位機指令，向從節點發送控制指令信息；從節點作為執行端，控制電磁閥等執行機構并向主節點反饋運行信息。

圖3 節點網絡拓撲結構圖

1.3 底層關鍵設備層

即高度集成的假件模塊，包括了液壓元件假件、電機械轉換器模塊、電源模塊、無線控制器模塊等。其中，假件的機械結構具有與液壓元件真件相同的油路接口，在液壓管路清洗與耐壓試驗時可以完全替代真件,并控制油路通斷。電機械轉換器模塊是集成了電磁閥驅動器的電磁換向閥。電源模塊用于電磁閥與無線控制器的供電以及電池電量的監控。無線控制器模塊用于信號接收、信號發射和電磁閥驅動控制等。

2 系統硬件設計

2.1 機械結構

液壓元件假件的結構在液壓原件的基礎上進行了簡化設計，具有與原件相同的油路功能，且管路接頭型號和安裝孔均與原件一致，實現了接頭與管路尺寸的匹配以及安裝孔與緊固件的匹配。

基于有限元強度分析和結構優化設計技術，液壓元件假件實現了高強度輕量化整體機械結構設計。在不改變被替代的液壓真件接口尺寸和位置的前提下，由假件代替真件進行清洗與耐壓試驗，從而避免了真件的污染與損壞。同時，假件需要滿足耐壓沖洗所需承受的壓力需求，以及降低結構重量、裝卸強度和輔助工裝等要求。以副翼作動器、多功能擾流板作動器為例，所設計的假件模塊如圖4所示。

圖4 液壓元件假件與真件對比圖

2.2 電機械轉換器模塊

智能液壓管路清洗與耐壓試驗系統中電機械轉換器的電磁換向閥用于控制油路的通斷，其設計需求為能夠耐受磷酸酯基液壓油腐蝕以及1.5倍工作壓力(35 MPa)。

本研究使用了兩位兩通電磁閥來滿足設計需求。電磁閥內部的油液流經閥口與閥芯的間隙時，由于流向與流速變化，會對閥芯的壁面產生附加作用力，即液動力。由于瞬態液動力與穩態液動力相比很小[11-13]，本研究只使用Fluent軟件對電磁換向閥的穩態液動力進行穩態仿真以驗證其選型是否符合要求。具體地，在閥口開度從0.2 mm至1.8 mm的區間內每隔0.2 mm建立流場域模型，共建立9個不同模型。如圖5b所示為閥口開度為1.2 mm時的網格劃分圖。分別設置進出口壓差為35，31，21 MPa，仿真獲得各壓差下不同閥口開度對應的流場壓力云圖。如圖5c所示為31 MPa下閥口開度為1.2 mm時的壓力云圖?；诜抡娼Y果計算各壓差下不同閥口開度時閥芯所承受的穩態液動力，并繪制出對應的曲線圖，如圖5d所示。仿真結果表明，在正常工作壓差21 MPa的條件下，電磁閥閥芯所受到的穩態液動力遠小于最大操作壓差35 MPa 時的穩態液動力，所選電磁閥型號完全滿足智能液壓管路清洗與耐壓試驗的要求。

圖5 流體域穩態液動力仿真

智能液壓管路清洗與耐壓試驗系統由電池供電，需要盡可能的降低工作能耗以延長電池續航時間。然而，直動式插裝電磁閥需要持續供電，能耗較大，因此需要改進其驅動策略以降低能耗。盡管電磁閥開啟時需要較大電流，但開啟后僅需較小電流便可保持開啟狀態。因此，本研究中電磁閥采用了全功率啟動，然后緩降至低功率保持開啟的驅動方式。圖6c為開啟過程中指令PWM信號占空比D與輸出電流IO隨時間變化的曲線。實際測試結果表明，電磁閥全功率啟動，并保持1 s，此時所需電流為600 mA左右。電磁閥完成啟動后，在0.2 s內將驅動器的PWM輸出以斜坡方式降至30%，此時電流為180 mA左右，電磁閥仍能保持穩定開啟，節省了70%的電量，滿足了低功耗節能需求。

圖6 電磁閥驅動器調試

2.3 電源模塊

智能液壓管路清洗與耐壓試驗系統為實現遠程無線控制需要自帶電源模塊，用于電磁閥和無線控制器的供電。由于磷酸鐵鋰電池具有安全性能高、循環壽命長、能量密度高的優點[14]，本研究電源模塊由18650鋰電池組搭配內部降壓穩壓電路構成，如圖7所示。鋰電池組帶有BMS電池管理系統，可避免鋰電池的過充和過放。

圖7 電源模塊電路結構圖

電池組額定電壓為24 V，實際放電電壓為16.8～25.2 V，由內部降壓穩壓電路提供主控電路所需的5 V與3.3 V電壓。電池組電壓經過經二極管保護電路和BUCK開關電源電路降至5 V，再經LDO穩壓電路降至3.3 V。SY6280功率電子開關可在電源模塊不工作時切斷電源，降低其能耗。此外，還設計了一個貼片LED用于指示電源開關狀態。

智能液壓管路清洗與耐壓試驗系統需要實時采集電源電壓以監測電池剩余電量。如圖8所示，具體地，首先使用電容濾除高頻噪聲，然后采用兩個電阻將電源電壓分壓至2.2～3.3 V范圍，接著使用低功耗運放作為電壓跟隨器將模擬電壓信號輸入至微控制芯片(MCU)。其中，MCU內置的AD轉換器最大分辨率為12位，故所測電壓的理論分辨率δ為：

圖8 電源電壓采集電路

(1)

式中，Umax和Umin分別為電池放電的最大與最小電壓，Umax=25.2 V，Umin=16.8 V。

考慮到實際電池電量顯示一般以1%為最低單位，因此電壓分辨率滿足實際應用需求。

2.4 無線控制器模塊

無線控制器模塊用于信號接收、信號發射和電磁閥驅動控制。無線控制器包括無線控制喚醒電路、無線通信電路、電磁閥驅動電路、存儲電路等硬件模塊。其中，無線喚醒電路實時接收指令信號，負責喚醒控制器；無線通信電路主要負責處理電磁閥控制器的通信；電磁閥驅動電路用于控制電磁閥的供電和PWM輸出，從而實現電磁閥的通斷控制；存儲電路用于保存操作狀態和本機地址等信息。

主控電路使用PCB印刷電路制造，為方便制造并提高硬件互換性，無線通訊所需的主節點和從節點采用了相同電路。如圖9所示，MCU通過CAN接口與驅動器通信，1路PWM輸出用來傳遞電磁閥驅動信息，1路USART串口與無線電路通信，1路USART串口用于RS-485通信，還通過MOSFET開關芯片控制兩路24 V電壓輸出，用于電磁閥驅動器的供電和使能。

圖9 主控電路結構圖

本研究的ZigBee無線模塊電路使用了TI公司的CC2530芯片方案，額外添加了兩個LED燈用來指示工作狀態。該模塊通過串口與MCU互傳數據，并有一個輸入口用于重置波特率。數據傳輸使用了自定義的通訊協議，以數據包形式發送和接收數據，并可以根據數據包的格式更改波特率等通訊參數。為防止靜電屏蔽影響無線通訊效果，天線使用了IPEX接口引出。

3 系統程序設計

程序架構上，智能液壓管路清洗與耐壓試驗系統分為了通過RS-485與上位機通信的主節點和用來控制電磁閥的從節點，主節點和從節點可以進行自動識別。當無線網絡組建后，所有的主節點都會廣播一條識別信息，從節點會解析識別信息并存儲主節點ID。

對于從節點，如圖10所示，系統會每隔固定時間將當前的運行狀態(包括電磁閥開關狀態、開關芯片開關狀態、以及電源狀態等)信息打包成數據發送至所有主節點。此外，從節點若接收到主節點主動發出的任何指令也會立即返回當前的自身狀態信息。

圖10 從節點程序

對于主節點，如圖11所示，模塊會在內部存儲所有從節點的狀態信息， 在接收到從節點運行狀態信息時則對內部存儲信息進行更新，若有節點超時未進行信息更新，則會主動發送查詢指令進行確認，并視返回信息情況記錄錯誤信息。此外，主節點還會在RS-485總線上作為Modbus從機工作，接收上位機的指令并對上位機指令進行執行與回應。

圖11 主節點程序

當需要更改無線網絡內某個節點的運行狀態時，例如某個從節點的電磁閥開關狀態，指令將先從上位機通過RS-485總線Modbus協議傳輸給主節點，主節點讀取到相應指令后立即通過無線網絡將指令發送給相應的從節點，從節點執行指令后返回信息給主節點，主節點根據從節點回應的信息更新內部存儲的該從節點狀態信息，最后再將信息通過Modbus協議傳遞給上位機，通過此過程完成上位機對于從節點的控制。

4 結論

本研究針對現有飛機液壓系統生產裝配過程中液壓管路清洗與耐壓試驗效率低下、費工費時的問題，基于ZigBee無線網絡開發了一種可進行遠程無線控制的智能液壓管路清洗與耐壓試驗系統，，實現了飛機液壓系統清洗耐壓試驗的便捷性、高效性和智能性，且系統的所有元件對磷酸酯基液壓油具有良好的耐腐蝕性。具體地，通過優化電磁閥驅動器的驅動策略，實現了低功耗的油路換向與通斷控制；通過采用寬電壓低功耗供電技術，有效解決了因電池電量變化而引起的輸入電壓變化，并設計了高精度電壓采集電路實時采集電源電壓以監測電池組剩余電量；利用ZigBee技術搭建了無線通信網絡來代替傳統線纜，避免了復雜的電氣接線，大幅提升了工作效率；通過采用mesh網絡的自主組網技術，可方便地增加或減小節點數量，且所有無線網絡節點的網絡和控制硬件設備均可以互換，大大提高了設備維護的便利性。

實際測試表明，在不更換電源的情況下，本研究開發的智能液壓管路清洗耐壓試驗系統可在正常工作電流下持續無接管的工作16小時以上，并且大幅簡化了液壓管路清洗耐壓試驗的操作步驟，極大的提升了便捷性、高效性和智能性，有很好的應用前景。