基于Labview虛擬儀器技術(shù)的無人機綜合檢測系統(tǒng)

傅飛

（航空工業(yè)洪都，江西南昌330024）

基于Labview虛擬儀器技術(shù)的無人機綜合檢測系統(tǒng)

傅飛

（航空工業(yè)洪都，江西南昌330024）

基于Labview虛擬儀器開發(fā)的無人機綜合檢測系統(tǒng)，通過與飛控計算機、傳感器等組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，在地面測試驗證過程中將能夠?qū)崿F(xiàn)快速數(shù)據(jù)采集和存儲、信號模擬注入和故障注入、數(shù)據(jù)在線顯示、數(shù)據(jù)回顯等功能。其測試設(shè)備可以幫助試驗人員準(zhǔn)確、方便、完整地完成無人機系統(tǒng)的地面測試任務(wù)，從而保證無人機系統(tǒng)的功能完備性和可靠性，該綜合測試系統(tǒng)已應(yīng)用于某型無人機上。

無人機，虛擬儀器，綜合檢測，Labview

0 引言

近年來，隨著航空和電子技術(shù)的發(fā)展，無人機在性能上得到突飛猛進的發(fā)展。而無人機飛行功能的日益增多，任務(wù)要求越來越復(fù)雜，也使無人機系統(tǒng)出現(xiàn)故障的幾率越來越高。為保證飛行安全，無人機系統(tǒng)對地面檢測工作要求隨之變高。因此，便捷可靠的獲取無人機系統(tǒng)的完整測試數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)處理與分析的精度，同時，可模擬并注入各種控制信號，解決整個過程的自動化測試要求，在綜合檢測系統(tǒng)的設(shè)計中顯得尤為重要。否則，將明顯限制無人機的飛行使用，降低無人機的安全性及其生存能力。由此，本文設(shè)計了一種無人機自動綜合檢測系統(tǒng)。

1 某無人機綜合檢測系統(tǒng)設(shè)計要求

某無人機綜合檢測設(shè)備主要用于飛行前對無人機系統(tǒng)進行綜合測試，根據(jù)測試結(jié)果判斷無人機系統(tǒng)狀態(tài)，決定是否能夠放飛；同時，該設(shè)備還包含任務(wù)生成、飛行航路的預(yù)訂和任務(wù)特征數(shù)據(jù)生成等功能，并將生成結(jié)果裝入飛行控制系統(tǒng)并進行回檢。

綜合檢測系統(tǒng)設(shè)計思想是外場環(huán)境下的使用，設(shè)計時應(yīng)以操作簡便性、系統(tǒng)可靠為原則，在滿足可靠性指標(biāo)的前提下，盡量提高系統(tǒng)的自動化和綜合化程度。無人機地面綜合檢測系統(tǒng)設(shè)計時通常要考慮以下兩點：

1）能夠全面了解整個飛行控制系統(tǒng)的工作運行狀況，對于異常情況要盡可能高地給出故障位置、類型等關(guān)鍵信息，并具有將故障隔離到外場可更換部件的能力。

2）通過該系統(tǒng)的飛行航路與任務(wù)生成及裝訂功能，能夠根據(jù)航路規(guī)劃信息生成飛行軌跡數(shù)據(jù)和初始裝訂數(shù)據(jù)，并快速、正確地輸入到飛控機中。

2 某無人機綜合檢測系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)采用基于PCI總線的虛擬儀器平臺,使用便攜式工控計算機和PCI總線數(shù)據(jù)板卡，配上基于Labview可視圖形化編程技術(shù)開發(fā)的應(yīng)用軟件及驅(qū)動，共同完成傳統(tǒng)儀器的功能,構(gòu)成虛擬儀器?；谔摂M儀器平臺的測試技術(shù)已成為目前測試技術(shù)發(fā)展的主流，通過應(yīng)用靈活的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件,使用計算機直接參與測試信號的產(chǎn)生與測量特征的解析，增加了設(shè)備的開放性和靈活性。可在試驗過程中隨時進行軟件升級更改虛擬設(shè)備，滿足不同測試任務(wù)需求，與使用專有設(shè)備相比則更具有便利性、經(jīng)濟性和實用性。

2.1 某無人機綜合檢測系統(tǒng)功能

該無人機綜合檢測系統(tǒng)可以通過放行和截斷流進飛行控制計算機和流出飛行控制計算機的各類信號。利用系統(tǒng)設(shè)置的測量點可以得到這些信號的真實值，還可以在各個信號處于截止?fàn)顟B(tài)的時候人為地注入所需要的信號進行測試。是一種集信號模擬與自動注入功能、自動故障注入功能、信號自動測量功能、數(shù)據(jù)自動化處理與記錄功能為一體的無人機自動綜合測試系統(tǒng)。

同時，為保障外場試飛的需求，該無人機綜合檢測系統(tǒng)還增加了航路規(guī)劃、飛行數(shù)據(jù)回放、數(shù)字仿真模塊、控制律驗證等功能模塊。

其綜合測試系統(tǒng)各模塊的具體功能如下：

1）部件檢測模塊

可以檢測垂直陀螺、速率陀螺、磁航向傳感器、動靜壓傳感器、GPS導(dǎo)航、舵機、發(fā)動機等部件的故障，并自動生成故障檢測報告。

2）系統(tǒng)狀態(tài)檢測模塊

可以通過信號模擬與自動注入功能，完成無人機飛行控制、狀態(tài)參數(shù)的測試，并具備采樣、顯示、分析和存儲所有機載傳感器輸出和飛行控制計算機給定參數(shù)的功能，可自動生成飛行控制、狀態(tài)參數(shù)檢測報告。

3）飛行數(shù)據(jù)回放分析模塊

可以對試驗飛行后的數(shù)據(jù)進行回放，并進行后期采樣分析處理、自動生成試飛分析報告。

4）航路規(guī)劃模塊

可以完成無人機任務(wù)航路的規(guī)劃，并通過測試端口將飛行航線預(yù)先注入飛行控制與管理計算機中，還可進行航路的刪除、查詢、起點設(shè)置等操作。

5）數(shù)字仿真模塊

可以通過解算仿真模型，輸出飛機的運動航資信息和定位信息到飛行控制與管理計算機中，完成無人機的飛行仿真、自主導(dǎo)航和應(yīng)急控制程序的動態(tài)測試，并自動生成仿真測試報告。

6）飛行控制律設(shè)計驗證模塊

后期完善該系統(tǒng)時，加入飛行控制律設(shè)計驗證模塊，則可以通過分析試飛后的數(shù)據(jù)調(diào)整無人機的飛行控制律，并在該模塊上進行驗證或改進設(shè)計。

2.2 綜合檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)遵循模塊化的設(shè)計思想，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，電源管理模塊連接電源輸入，并提供通斷控制、電壓電流監(jiān)測及保護；串口通訊模塊實現(xiàn)無人機綜合檢測系統(tǒng)與機載設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊；信號調(diào)理模塊主要是對機上需要測量的信號或地面提供給飛機的激勵信號進行隔離、放大和保護，再通過數(shù)據(jù)采集模塊將其輸入到綜合檢測計算機;接口適配器是地面綜合檢測系統(tǒng)和無人機連接的通道,是保證本系統(tǒng)通用性的重要環(huán)節(jié)；綜合檢測計算機是系統(tǒng)的核心，既是軟、硬件連接的橋梁，又是軟件運行的基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)輸出包括數(shù)據(jù)的顯示、存儲、打印等。

由于系統(tǒng)模塊化的結(jié)構(gòu),硬件設(shè)計可以分解進行,其中綜合檢測計算機、電源管理模塊、信號調(diào)理模塊(含通訊模塊)、接口適配器分別集成在單獨的機箱內(nèi),最后采用標(biāo)準(zhǔn)機柜聯(lián)成有機整體。整個系統(tǒng)可采用市電或油機供電，體積小、重量輕，方便轉(zhuǎn)場和現(xiàn)場使用，滿足無人機通用一、二線檢測設(shè)備設(shè)計要求。

2.3 綜合檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

綜合檢測儀軟件是運行在測試計算機上的專用軟件，測試軟件是測試設(shè)備完成對飛控系統(tǒng)檢測的重要部分。該無人機綜合檢測系統(tǒng)軟件采用當(dāng)前在測試測量領(lǐng)域運用最廣泛的Labview語言開發(fā)，具有功能強大的應(yīng)用模塊、便捷高效的擴展接口和十分友好的用戶界面。

測試軟件可以全面采集進出飛行控制系統(tǒng)的信號，也可以通過信號模擬的功能向飛控系統(tǒng)注入激勵信號。采用該方法可以快速檢測飛控系統(tǒng)各部件的故障情況，簡單可靠，非常適用于外場便攜式檢測系統(tǒng)設(shè)計。

系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化、模塊化編程思想進行軟件設(shè)計，整個軟件按功能可分為系統(tǒng)狀態(tài)檢測模塊、航路規(guī)劃模塊、飛行數(shù)據(jù)回放模塊、大氣數(shù)據(jù)檢測模塊、部件檢測模塊、數(shù)字仿真模塊、控制律驗證模塊及打印輸出模塊等。整個無人機綜合檢測系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。

2.3.1 用戶交互界面設(shè)計

無人機綜合檢測系統(tǒng)用戶界面的設(shè)計本著界面友好、操作簡單、最大限度的方便試驗人員使用的原則來進行。主要功能模塊的用戶界面設(shè)計見圖3和圖4。

2.3.2 軟件主要模塊的設(shè)計

1）頂層軟件總體運行流程

軟件功能設(shè)計是系統(tǒng)軟件能夠正常運行，實現(xiàn)設(shè)計需求的根本。應(yīng)以實現(xiàn)功能為前提，在保證功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上盡量優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)和算法，以求最大限度的發(fā)揮計算機性能，減少不必要的性能損耗和資源浪費。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的理念設(shè)計思路，將系統(tǒng)軟件按結(jié)構(gòu)化分為頂層管理軟件、中間應(yīng)用軟件和底層支撐軟件，中間應(yīng)用軟件將其功能模塊化設(shè)計為系統(tǒng)狀態(tài)檢測模塊、部件檢測模塊、航路規(guī)劃模塊、大氣數(shù)據(jù)檢測模塊、數(shù)字仿真模塊和控制律驗證模塊等，無人機綜合檢測系統(tǒng)軟件構(gòu)架見圖5。

2）應(yīng)用層軟件設(shè)計簡介

中間應(yīng)用軟件是系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心，是整個系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)的具體實施，按其功能模塊化設(shè)計可分為系統(tǒng)狀態(tài)檢測模塊、部件檢測模塊、航路規(guī)劃模塊、大氣數(shù)據(jù)檢測模塊、數(shù)字仿真模塊和控制律驗證模塊等。本系統(tǒng)模塊軟件都采用可視圖形化編程軟件Labview編寫，采用模塊化設(shè)計思路，軟件程序可讀性好、開發(fā)周期短、方便修改擴展，并具有很好的維護性和可靠性。

兩主要模塊的圖形化程序見圖6和圖7。

2.3.3 測試結(jié)果分析

為滿足測試人員對測試結(jié)果實時呈現(xiàn)和事后分析的需要，本系統(tǒng)軟件設(shè)計有實時數(shù)據(jù)顯示界面、后臺數(shù)據(jù)存儲庫及數(shù)據(jù)回放分析模塊。圖8為后期通過數(shù)據(jù)分析模塊獲取的系統(tǒng)檢查曲線。

3 結(jié)語

基于Labview虛擬儀器技術(shù)的無人機綜合檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、界面友好、易于攜帶。對不同型號的無人機只需更改接口部分的軟件程序即可為其所用，具有很強的通用性，可適用于各類中小型無人機，目前已成功應(yīng)用于多個型號的無人機綜合檢測項目上。

[1]陳欣,夏云程,董小虎.一種全數(shù)字無人機飛行仿真系統(tǒng)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報.2001,33(2):200-202.

[2]周軍濤.基于虛擬儀器的無人機自動綜合測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).

[3]顧友華.基于虛擬儀器的綜合測試系統(tǒng)開發(fā)[D].西北工業(yè)大學(xué).

[4]周軍濤.基于虛擬儀器的無人機自動綜合測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].西北工業(yè)大學(xué).

[5]虛擬儀器介紹.北京：中科泛華測控技術(shù)有限公司，2003.

Integrated UAV Test System Based on Labview Virtual Instrument Technology

Fu Fei
(A災(zāi)IC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi 330024)

The integrated UA災(zāi)test system is developed based on Labview virtual instrument.This system constitutes a closed loop system together with flight control computer,sensors and so on,so as to achieve fast data acquisition and storage,signal simulation injection and fault injection,data display online,data replay etc in the process of ground verification test.This test system can help test personnel correctly,conveniently and completely conduct ground test tasks of UA災(zāi),thus ensuring function completenss and reliability of UA災(zāi)system.This integrated system has been applieded on one certain type of UA災(zāi).

UA災(zāi)；災(zāi)irtual instrument；Integrated test；Labview

2017-08-26）

>>>作者簡介 傅飛，男，1981年出生，2003年畢業(yè)于大連理工大學(xué)，高級工程師，現(xiàn)主要從事無人機系統(tǒng)設(shè)計工作。