一種軍用飛機防拉掛預警系統的設計

李勛章，陳友龍，范紅軍

(海軍航空工程學院 青島校區， 山東 青島 266041)

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【后勤保障與裝備管理】

一種軍用飛機防拉掛預警系統的設計

李勛章，陳友龍，范紅軍

(海軍航空工程學院 青島校區， 山東 青島 266041)

針對軍用飛機保障的安全需求，創新設計了一種可預防航空地勤車輛拉掛飛機的預警系統；重點介紹了該預警系統的設計方案，闡述了預警系統設計中的關鍵技術；該系統基于單片機開發技術，利用研發的新型傳感器準確地偵測車輛與飛機之間連接姿態，對拉掛飛機事故的發生進行準確預警；具有安裝簡易、自動化程度高，較強的靈活性與可靠性。

飛機防拉掛；預警系統；新型偵測傳感器

軍用飛機在起飛之前要在地面進行飛行前的保障，包括機載電子設備通電檢查、啟動升空供電、座艙通風、液壓設備供油等，這些工作都是由航空地勤車輛完成。在飛行現場，車輛與飛機的連接主要靠電纜或管路完成，根據操作流程要求：正常工作時車輛的電纜或管路接入飛機并依靠鎖閂完全鎖住，保障完畢打開鎖閂取下后車輛才能駛離。但在實際的飛機保障工作中，屢次發生保障完畢后，駕駛員在電纜或管路沒有從飛機上取下的情況下就駕車駛離，造成車輛拉掛飛機的重大事故，產生巨大的經濟損失。因此，有必要研制一套防止拉掛飛機的預警系統。本文介紹的預警系統以單片機應用系統為中心，可自動、實時監測車輛與飛機之間的連接姿態，并對掛拉事故進行預警。

1 國內外研究情況

國內外目前預防航空地勤車輛拉掛飛機的主要方法是：制定嚴格的操作流程同時加強對操作人員的培訓與教育。拉掛事故的預防主要靠操作人員的個體素質，人為因素影響很大，沒有從自動化監測的角度去考慮事故的預防。本文采用全自動系統對拉掛飛機事故進行實時預警的方法，未見報導。

2 總體設計方案

要實現事故預防和報警功能，首先要求預警系統能夠完成對保障車輛與飛機連接姿態的實時檢測，其次要保證預警系統完成對保障車輛拉掛飛機事故發生的預警和語音播報[1]。根據這一思路，預警系統的主要設計功能為：通過在飛機連接電纜上捆綁研制的專用不銹鋼偵測傳感器，自動偵測保障車輛與飛機的連接姿態，同時通過閃光燈預警裝置和語音播報系統在規定的響應時間內，對保障車輛拉掛飛機事故的發生進行預先閃光預警和語音播報。

預警系統的總體設計框圖見圖1，根據設計功能的確定，預警系統主要設計為以下幾部分：單片機系統、信號處理系統、音頻處理系統、軟件系統。其中，單片機系統完成輸出控制和信號采集以及聲光預警等功能，包括單片機應用系統、閃光預警等；信號處理系統完成對角度信號的采集和調理，包括角度偵測傳感器、信號調理模塊；音頻處理系統完成音頻信號的處理功能，包括音頻濾波電路、功率放大電路、語音播報模塊；軟件系統完成數據的處理、分析等功能。

圖1 總體設計框圖

3 硬件系統的設計

硬件系統包括單片機系統設計、專用偵測傳感器設計、音頻處理電路設計、輸入信號硬件濾波電路設計、升壓電源系統設計。硬件外形見圖2。

圖2 硬件外形

3.1 單片機系統設計

1) 核心處理器。MCU采用ATmega16型單片機。ATmega16 是ATMEL公司生產的基于增強的AVR RISC(精簡指令集計算機)結構的低功耗8位CMOS微處理器。具有16 kB系統內可編程Flash存儲器，512 B的EEPROM，1 kB的SRAM，內置8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的A/D轉換器，一個SPI串行端口，以及6個可以用于軟件進行選擇的省電模式。

2) 其他部分設計。采用TI公司的SN74HC244芯片作為緩沖驅動芯片；采用串行輸入/并行輸出芯片SN74HC595作為開關量輸出芯片，大大節省了系統的I/O口開支；采用CA3130芯片搭建比較器電路；采用4N25芯片完成輸入信號的隔離和整形；采用SN74HC04芯片搭建施密特整形電路，提高系統輸入/輸出的穩定性；采用RX8025A芯片配合鋰電池搭建時鐘日歷電路，完成年/月/日/時/分/秒等時間參數的處理；采用24C16串行E2PROM實現初始化參數和斷電恢復參數的非易失性保存；采用AP8942A實現語音輸出等；

3) 語音播報驅動。該預警系統的播報語音由專業播音員按照要求錄制而成，語音內容包括：駕駛員行駛前的注意事項提示、保障車輛連接飛機的語音提示、傳感器性能自檢的語音提示等。核心語音處理芯片為AP89042A，該芯片可以通過語音燒寫工具將提前錄好的聲音片段燒入芯片內部存儲器，最多可存放42 s的語音。由單片機完成對AP89042A芯片的驅動，具體電路圖如圖3所示。

圖3 語音播報驅動電路

其中：KEY_S1、KEY_S2、KEY_S3、KEY_S4為單片機的4個引腳輸出，分別接入AP89042A的S1、S2、S3、S4，通過一定的邏輯控制來輸出不同的語音，邏輯控制表見表1。

表1 邏輯控制

3.2 專用偵測傳感器設計

1) 設計原理。經過實際調研，飛機電纜的使用情況：保障車輛電纜接入飛機插座時，電纜接頭下面90 cm處的電纜與地面垂直；電纜離開飛機插座時，操作人員會把電纜放置于水平地面，此時電纜接頭下面90 cm處的電纜與地面水平。偵測傳感器就是利用這一特點為原理進行開發和設計[2]，傳感器捆綁在電纜接頭下面90 cm處的電纜處，實現當偵測傳感器與地面夾角≥45°時(電纜接入飛機)，傳感器兩根引線呈“斷開”狀態，當偵測傳感器與地面夾角<45°時(電纜離開飛機)，傳感器兩根引線呈“接通”狀態。通過判斷傳感器的不同輸出狀態分析保障車輛是否與飛機連接。偵測原理如圖4所示。

圖4 偵測傳感器原理圖

2) 加工工藝。通過上述的設計原理，委托了精密機械廠進行該傳感器實物的設計和加工，傳感器的外殼采用了不銹鋼材質，傳感器內部加裝了不銹鋼滾珠，靠滾珠的動態移動完成傳感器兩根引線之間“接通”和“斷開”狀態的切換，實現對傳感器傾斜角度的檢測。傳感器設計充分考慮了部隊對飛機連接電纜的使用情況，采用“灌脂”工藝進行整體加工，使傳感器具有很強的抗震能力。偵測傳感器外形如圖5所示。

圖5 偵測傳感器外形

3.3 音頻處理電路設計

該預警系統的播報語音由專業播音員按照要求錄制而成，語音內容包括駕駛員行駛前的注意事項提示、保障車輛連接飛機的語音提示、傳感器性能自檢的語音提示、傳感器損壞的語音提示等。核心語音處理芯片為AP89042，該芯片可以存放42 s的語音，能夠完成該預警裝置的語音存儲和語音輸出功能，為了提高語音的音質和音量，在AP89042的語音輸出端增設了音頻濾波電路和音頻放大電路[3]。

1) 音頻濾波電路。音頻濾波電路的電路圖如圖6所示，圖6中的DA_OUT1為AP89042A的直接輸出，DA_OUT2為濾波后的輸出。

圖6 音頻濾波電路

采用2階高、低通濾波器構成300 Hz～3.4 kHz帶通濾波器，其中高通濾波器采用2階壓控電壓源高通濾波，其傳遞函數為

(1)

幅頻相應表達式為

(2)

低通濾波器采用2階壓控電壓源低通濾波，其傳遞函數為

(3)

幅頻響應表達式為

(4)

式(4)中：ωn=1/(RC)為特征角頻率；Q=1/(3-AVF)為等效品質因數。

2) 音頻放大電路設計。音頻放大電路的電路圖如圖7所示，圖7中的DA_OUT2為音頻放大電路輸入，最終放大后的輸出直接接入揚聲器進行語音播報。

圖7 音頻放大電路圖

經帶通濾波器輸出的聲音回放信號幅度為0～5 V，可以直接驅動耳機，考慮到實際情況可能會使用揚聲器外放，故在本系統中增加外放功能。該電路增益為50～200，連續可調，最大不失真輸出功率325 mW。輸出端接C5、R4串接電路，以校正揚聲器的頻率特性，防止高頻自激。腳7接220 μF去耦電容，以消除低頻自激。為便于該功放在高增益情況下工作，將LM386不使用的輸入腳2對地短路。

3.4 輸入信號硬件濾波電路設計

由于傳感器的輸入信號由不銹鋼滾珠的動態撞擊觸發產生，而不銹鋼滾珠在動態撞擊中，會產生一系列疊加在有用信號上的毛刺信號，這些毛刺信號對于輸入信號來說屬于干擾信號，必須設置特定電路濾除，該預警裝置設計了3級低通濾波進行干擾信號濾波[5]，具體電路如圖8所示。

圖8 硬件濾波電路

R9、C11構成了第一級高頻低通濾波，截止頻率為

(5)

即F1=10.6 kHZ，式中：R9=1.5 kΩ，C11=0.01 μF。

R10、C12構成了第二級中頻低通濾波，截止頻率為

(6)

即F2=600 Hz，式中：R10=5.6 kΩ，C12=0.047 μF。

R11、C13構成了第三級低頻低通濾波，截止頻率為

(7)

即F3=0.59 Hz，式中：R11=27 kΩ，C13=10 μF。

圖7中CGQ接頭連接偵測傳感器的兩個輸出引線，當保障車輛電纜接入飛機時，CGQ接頭的1、2引腳之間為“斷開”狀態，此時4N25的引腳C輸出+12 V，此+12 V 含有低頻的濾波前信號如圖9所示，經過上述3級低通濾波最終輸出平穩的+12 V信號(VIN+)如圖10所示。

圖9 濾波前信號

圖10 濾波后信號

3.5 升壓電源系統設計

預警裝置的工作電源為+24 V，來自于保障車輛上的蓄電池，而不同類型的保障車輛配備的蓄電池種類不同，分12 V 和24 V兩種，當蓄電池為12 V時，預警裝置無法正常工作。因此設計了升壓電源系統，完成12～24 V的升壓功能，保證在不同蓄電池供電狀態下預警裝置均能正常工作。具體的電路圖見圖11。

圖11 12～24 V升壓電源電路

設計使用一個放大器作為方波振蕩器、環形電感器和另一個運算放大器的反饋回路，其中R6為50 kΩ可調電阻，可以通過調整R6調整最終輸出電壓的大小，最終輸出電壓的計算公式為

(8)

式(8)中:R7=10 kΩ、R8=10 kΩ、R6A=10 kΩ、R6B=40 kΩ，最終可計算出Vout=24 V。

該電源電路的輸出漂移量小，可在不同負載下提供穩定的輸出源(+24 V)。

4 軟件系統的設計

軟件設計主要采用keil C語言編程[6-7]完成上述各種硬件驅動程序的開發及封裝，以下為部分驅動程序示例：

24C16存儲器I2C驅動程序：

void startI2C(void) ; //啟動I2C讀寫操作

void stopI2C(void) ; //啟動I2C讀寫操作

void send1BI2C(uchar data) ; //向I2C總線發送一個數據

uchar recv1BI2C(void); //從I2C總線讀入一個數據

日歷時鐘驅動程序：

void RT8025_int();//8025內部數據初始化

void RD_time_fr8025();//讀出時間

void WR_time_to8025();//寫時間

5 具體實現

圖12為預警系統的主視圖，圖13為后視圖。該預警系統于2014年在部隊某飛機場站投入使用。自使用以來，該預警系統在每次外場飛機保障時都投入了使用，均圓滿完成了對各型地勤保障車輛接入飛機狀態的檢測和預警，杜絕了掛拉飛機重大事故的發生，具有較高的使用價值。

圖12 主視圖

圖13 后視圖

6 結束語

本文設計了以單片機和專用偵測傳感器技術為核心的軍用飛機防拉掛預警系統，結合姿態偵測、單片機開發以及語音處理技術實現了對車輛電纜或管路與飛機連接姿態的實時監測，能夠在拉掛事故發生之前預警，解決了軍用飛機飛行保障方面的相關安全問題，應用前景較好，對其他飛行現場預警系統的研發也可以起到借鑒作用。

[1] 張淑慧.預警系統設計方法綜述[J].核科學與工程,2008,28(3):273-276.

[2] 陳廣永.基于性能的復雜預警系統設計方法研究[J].計算機仿真,2008,25(5):20-24.

[3] KUCHAR J K.Methodology for Alerting-System Performance Evaluation[J].Journal of Guidance,Control and Dynamics,1996,19(2):438-444.

[4] 孫艷成.一種聲光語音聯動預警系統的設計[J].電子器件,2011,34(5):596-599.

[5] YANG L C.Performance Metric Alerting:A New Design Approach for Complex Alerting Prob lems[J].IEEE Transactions on Systems,Man and Cybernetics,January 2002,32(1):123-134.

[6] 王富榮提高單片機系統可靠性的設計方法[J].電子器件,2004(4):752-754．

[7] 王凱倫，王強，施紅，等. 基于實時飛行數據的航跡沖突滾動預警[J].火力與指揮控制，2015(12):119-122.

(責任編輯 唐定國)

Design of Alarm System to Prevent the Military Plane from Being Dragged

LI Xun-zhang, CHEN You-long, FAN Hong-jun

(Qingdao Branch, Naval Aeronautical Engineering Institute, Qingdao 266041, China)

In view of the military aircraft to ensure security requirements, a alarm system to prevent aviation ground vehicle to hang the airplane is innovative designed. It mainly introduces the design of the alarm system, which shows the key technology of alarm system design. The system is based on the technology of MCU, in use of research and development of special detection sensor to accurately detect the connection between the vehicle and aircraft attitude, and to hang a warning aircraft accidents. The design is clever, simple installation, and the degree of automation is high, and the flexibility and reliability is high, and the application prospect is widely.

prevent the plane from being dragged; alarm system; special detection sensor

2017-02-14；

2017-03-10

李勛章(1980—)，男，講師，主要從事航空保障技術研究。

10.11809/scbgxb2017.06.018

format:LI Xun-zhang, CHEN You-long, FAN Hong-jun.Design of Alarm System to Prevent the Military Plane from Being Dragged[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):80-84.

TJ514

A

2096-2304(2017)06-0080-05

本文引用格式：李勛章，陳友龍，，范紅軍.一種軍用飛機防拉掛預警系統的設計[J].兵器裝備工程學報，2017(6):80-84.