無人機機載火工品自動檢測方法研究

徐殊凝,蔣夢濤,張少華

(南京模擬技術研究所,江蘇 南京 210000)

0 引言

無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV),是一種利用無線電遙控遙測設備和自備的程序控制裝置操縱,或者由機載計算機完全地或間歇地自主地操作的不載人飛機,一般由無人機本體、動力裝置、發射與回收系統、電子電氣設備等組成。從技術角度定義,無人機可以分為:無人固定翼飛機、無人垂直起降飛機、無人飛艇、無人直升機、無人多旋翼飛行器、無人傘翼機等。與載人飛機相比,無人機具有體積小、造價低、使用方便、對作戰環境要求低、戰場生存能力較強等優點。由于無人駕駛飛機對未來空戰有著重要的意義,世界各主要軍事國家都在加緊進行無人駕駛飛機的研制工作。

火工品是裝有火藥或炸藥,在一定激發條件下能夠發生燃燒或爆炸,以引燃火藥、引爆炸藥或做機械功的一次性使用的元器件和裝置的總稱[1]。無人機使用的火工品主要包括爆炸螺栓、火藥切割器、火藥氣囊等。在傳統無人機的設計和使用過程中,火工品因其便捷性和經濟性,在開傘、充氣、拋傘、任務執行等火工通道觸發上起到了重要作用。但因其易燃易爆的特點,火工品的檢測實施過程需要異常謹慎,既要保證火工品測量的準確性,又要確保火工品測量過程中的安全性。

在無人機的制造、調試和使用環節中,傳統模式下的火工品阻值檢測過程為:機組人員需要將手持式檢測表連接到無人機的檢測端口,然后通過觀察檢測表顯示的數據來判定火工品的本體質量和安裝可靠性。此種模式下的檢測表與機載飛控器之間沒有互聯通信,導致檢測到的數據無法實時地傳輸至機載飛控器處理保存,智能化程度較低,同時也增加了無人機在制造、調試過程中的工作量和使用成本。此外,當手持式火工檢測表應用在海洋軍艦上時,因需要機組人員靠近無人機檢測,大大增加了檢測的安全隱患。綜上所述,傳統手持式火工檢測表在安全性、便捷性和可追溯性都有所欠缺,且不利于無人機高自動化發展的大趨勢。

為了提高無人機機載火工品的檢測效率和安全性,本文設計了一款機載火工阻值檢測器,在實現火工阻值自動檢測、數據實時上傳的同時,還能將火工品與檢測電路進行物理隔離,以杜絕檢測電路對火工品產生誤觸發等不良影響。

1 設計原理

1.1 系統設計

常用火工品主要為電流觸發型元器件[2],安全電流一般為100～500 mA,觸發電流范圍為800 mA～3 A,所以在對火工品的阻值進行測量時一定要控制好測量電流的大小,不能超過安全電流范圍。由于火工品的觸發電流較小,本文設計采用恒流源激勵方式進行檢測,以確保火工品在檢測過程中始終處于安全電流范圍內。機載火工阻值檢測器可通過自檢電路來切換測量通道,經過數據采集、信號放大、模數轉換處理后發送給無人機飛控設備,并在遙測界面上顯示,從而實現了火工品阻值的無人化自動檢測和儲存;待檢測完成后,還能將火工品與檢測電路進行物理隔離。

1.2 恒流源阻值檢測原理

為確保火工品在檢測過程中始終處于安全電流范圍內,本文設計采用了高精度運算放大器和電阻網絡來搭建高可靠性的恒流源電路,由于檢測電流恒定,待測火工品的阻值便可以轉換成對應的電壓信號進行采集,然后通過差分放大電路對采集到的電壓信號進行放大處理,最后將該電壓信號經過模數轉換再被單片機識別[3-4]。

1.3 恒流源電路設計

恒流源電路采用的是高精度運算放大器和搭配外圍電阻網絡的方式進行設計[5],運算放大器選用的是TI公司的LM158芯片,該型運算放大器具有高增益、低溫漂、高精度的特點,可滿足本設計的技術指標要求。該恒流源電路使用的電子元器件較少,調節精度高,且抗干擾能力強,非常適合在高可靠性的機載設備上使用,其基本電路如圖1所示。

根據運放的虛短和虛斷特性,可得公式(1):

(1)

同時,該基本電路要求各電阻值需滿足公式(2):

(2)

無人機使用的火工品阻值范圍一般在0.8～6 Ω,考慮到火工品的安全電流,本文設計的恒流源電路輸出電流為40 mA,帶負載能力為30 Ω(含10 Ω采樣電阻)。恒流源電路的設計如圖2所示,利用R3電位器調節阻值,從而到達公式(2)要求的電阻值配平。

圖2 恒流源電路設計

根據歐姆定律即可求出待測火工品的實際阻值,如式(3)所示。

(3)

其中,U測為待測火工品兩端的實際電壓;k為差分放大電路的放大倍數。

當被檢測火工品損壞時(通常為開路),其阻值將遠超恒流源電路的負載能力,所以測試軟件將無法正確計算出阻值,從而被主控芯片識別到,給出報警信息。

1.4 檢測電路設計

1.4.1 主動BIT 電路設計

機內自測試(Built-In Test,BIT)通過在無人機系統內附加硬件和軟件,對系統進行在線故障檢測,是提高無人機系統可靠性、維修性的關鍵技術。隨著無人機維修性要求的提高,BIT技術在研究設計中占據的地位越發重要,已經成為維修性、測試性、可靠性范疇的重要研究對象[6]。

為了防止機載火工品的正常工作受到檢測電路的不利影響,檢測系統的設計采用了主動BIT方式。當需要對機載火工品進行阻值檢測時,機載飛控器會主動給火工阻值檢測器發送一個測試信號,收到測試信號后BIT電路內部繼電器導通,此時恒流源檢測電路便加載到火工品兩端進行阻值檢測,待檢測完成后,繼電器自動斷開,實現了檢測電路與火工品之間的物理隔離。

1.4.2 差分放大電路設計

傳感器的輸出信號通常比較微弱,容易受到外界電磁干擾[7],因此,需要使用運算放大器對傳感器的輸出信號進行放大,以便后續的數字化處理,這時便用到了差分放大電路,它的作用包括:(1)有效穩定靜態工作點;(2)抑制共模信號;(3)顯著放大差模信號,已被廣泛應用于直接耦合電路和測量電路的輸入端。

恒流源采樣電阻為10 Ω,當恒流源電路的輸出電流為40 mA時,采樣電阻上的電壓壓降為0.4 V,該采樣電壓與主控芯片IO口可輸入電壓0～5 V相差較大,為了方便主控芯片采集,需要對該采樣電壓進行放大處理。綜合考慮后,將差分放大電路的放大倍數選為8,差分放大電路圍繞AD620芯片進行搭建設計。該芯片是一款低成本、高精度、抗干擾性能強的儀表放大器,具有最高100 dB的共模抑制比和很高的EMC性能,常被用于微弱電壓信號放大電路。

2 實際應用

機載火工阻值檢測器通過RS232方式與飛控器通信,通信波特率可根據實際需要進行配置。由于無人機自檢測時待檢測數據較多,為防止數據丟失,當火工阻值檢測器接收到飛控器發送的測試信號后,將發送10組檢測數據,然后自行關斷繼電器,完成火工通道的自檢。

將本文設計的機載火工阻值檢測器與飛控器、火工品連接進行聯調調試,圖3為火工阻值檢測器調試串口返回的實時測試數據(16進制)。

圖3 阻值檢測器實際調試數據

調試數據的幀頭是EE 91,最后兩位為數據校驗位,第3～14位,兩位數據為一組,分別表示檢測到火工品阻值的整數位與小數位。測試用到的火工品實際阻值在3.3 Ω左右,如圖3所示,6個檢測通道電路均能較準確檢測出火工品的實際阻值。如果有火工品損壞,其阻值將遠超本電路的檢測能力,串口將返回亂碼數據。

3 結語

本文設計了一款機載火工阻值檢測器,通過對恒流源電路和檢測電路的設計,實現對火工品阻值的自動檢測及電路物理隔離。經實物聯調驗證,該電路能很好地達到預期測試效果,可以實現無人機自動化的火工阻值檢測,提升無人機制造、調試和使用過程中的便捷性,有效提高無人機的保障性。在后期的改進設計中,可以往測量精度和測量冗余方面進行深入學習和研究。