適用于特種飛機及無人機多任務管理計算機設計與實現

作者/李德，中電科（德陽廣漢）特種飛機系統工程有限公司

引言

1.機載任務管理計算機的設計理念

由于特種飛機任務載荷系統比較復雜，因此當出現同一架飛機同時執行多種任務而安裝多任務載荷時，其具體的系統架構如圖1所示。

對于一般的任務載荷來講，其主要由航空相機、多功能雷達以及激光熒光探測器等任務載荷和相應的顯控設備組成，但由于數據鏈路帶比較寬，因此使得其自身具有一定的局限性，只能傳輸一兩種任務載荷的目標信息。針對此問題，就需要采用機載任務管理計算機來完成這一功能。與此同時，對機載任務管理計算機還有五個方面的需求。第一是由于任務載荷的輸出接口與機載數據的終端接口會存在不匹配的狀況，需要利用機載任務管理計算機對其接口進行轉換。第二是在飛機同時搭載多種任務載荷時，就需要利用機載任務管理計算機對不同任務載荷進行調度以及綜合管理，使得飛機可以有效地執行任務[1]。第三是機載任務管理計算機要對飛機上設置的機載監視器提供一個統一的輸出接口，使其能夠順利地完成對不同任務載荷目標信息的監視工作。第四是當飛機上設置的控制設備在完成各個任務載荷的控制指令以后，為其提供對應的輸入接口。最后就是其自身需要具備對任務載荷目標數據記錄以及讀取的功能。

圖1 機載任務系統組成

2.機載任務管理計算機系統的工作原理

機載任務管理計算機的內部由各個數據的模塊組成，主要包括有計算機主板模塊、數據存儲模塊以及電源模塊等，而計算機模塊是系統的主要控制模塊，是通過高速串行總線來與其他的模塊進行通信的。具體的工作原理圖如圖2所示。

3.機載任務管理計算機系統的硬件設計

3.1 載荷數據接口模塊的設計

載荷數據接口模塊主要是完成對任務載荷目標數據的格式進行轉換，同時也包括對其狀態信息進行轉發。此模塊主要由三個部分組成，分別是FPGA、接口轉換以及DDR。

3.2 數據傳輸接口模塊的設計

對于數據傳輸接口模塊主要是與機載數據終端的直接接口連接在一起，接收并轉發任務載荷目標的數據以及相應的狀態信息，同時對來自機載數據終端的載荷控制指令進行相應的處理[2]。其自身的硬件框圖如圖3所示。

圖2 機載任務管理計算機工作原理框圖

圖3 數據傳輸接口模塊系統框圖

3.3 數據存儲模塊的設計

對于數據存儲模塊主要是對Pcle總線的任務載荷目標數據以及狀態信息進行儲存，其需要使用計算機主板的USB3.0接口對儲存在SSD硬盤里的載荷數據和狀態信息進行讀取，具體的硬件框圖如圖4所示。

3.4 VPX計算機主板的設計

對于VPX計算機主板，在接收數據接口模塊的任務載荷目標數據以及狀態信息的同時，還要對載荷的控制指令進行接收處理。另外也需要對任務載荷顯控軟件進行運行，使其可以有效地對任務實施的過程進行監控。而計算機模塊的ASTA通道需要對已經儲存到存儲模塊的數據進行中轉，通過其USB接口來將已存儲的數據導出，圖5為VPX計算機主板的硬件框圖。

圖4 存儲模塊硬件框圖

圖5 計算機主板硬件框圖

圖6 VPX背板硬件框圖

3.5 VPX背板的設計

VPX計算機主板為機載任務管理計算機硬件系統中所有模塊的連接提供了物理通道，同時也將模塊的對外接口與轉接板上的航頭插頭利用柔性電路板進行連接。由于計算機主板本身的USB2.0接口和USB3.0接口只有一路，但是對外輸出時卻需要兩路接口，因此就需要利用背板將一路USB2.0接口和SB3.0接口進行擴展，使其變成兩路來滿足對外的輸出要求[4]。另外由于計算機主板也只有一路1000M網絡接口，可是同理在對外輸出上仍然需要兩路，因此就需要將其進行擴展。在VPX背板上有兩個預留的模塊槽位，但由于只剩下了一路接口，所以也需要進行擴展來滿足要求。對于VPX背板的硬件框圖如圖6所示。

3.6 機箱電源的模塊設計

對于機箱電源，主要是將電源提供給硬件系統中的模塊，由于計算機主板消耗的電量過大，因此需要使用單獨的電源模塊器，而其他的模塊主要是通過另外一個電源模塊器進行供電。為了保護電源，需要將保險絲設在電源的輸入端。同時在輸入端還要為專用的電源濾波器以及瞬態保護模塊預留位置，以使得其能滿足要求，對于系統電源模塊的硬件框圖如圖7所示。

查閱文獻[1-3]可知，塑料打包帶(繩)的成分主要有聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

4.機載任務管理計算機系統的軟件設計

4.1 主控軟件模塊設計

對于主控軟件，在編寫的過程中主要是使用Windows QT標準的C++語言來實現人機交互界面，然后通過Pcle

總線驅動程序將用戶的操作指令發送到FPGA的Pcle總線接口程序，而FPGA總線則將自己接收到的命令下發到內部的其他程序接口，來讓主控軟件和FPGA軟件進行相互通信。而對于軟件的設計也是按照功能塊進行劃分然后設計的，對于系統的功能組成框圖如圖8所示。

圖7 系統電源模塊硬件框圖

圖8 主控軟件組成

4.2 FPGA軟件模塊設計

對于FPCA軟件的模塊設計，主要是讓其完成對各類型視頻數據的輸入處理、轉換處理以及輸出處理。

5.機載任務管理計算機的通用化、系列化以及組合化設計

對于即在機載任務管理計算機的“三化”進行設計時，主要是根據其功能特性以及電氣特性進行模塊化的設計，以方便對系統的故障進行檢測和隔離。另外其可以直接對不同的任務載荷的數據進行互換，大大地縮短了具體的維修時間。而系統的主控模塊部分應用的性能需要進行再次升級，直接將原來的VPX計算機主板更換為更高性能的主板就可以有效地實現。而對于系統存儲模塊中使用的SSD硬盤，如果需要提升硬盤的存儲容量，直接更換硬盤即可。因為自身采用的是模塊化的設計，所以可根據各功能模塊不同的要求來對其進行靈活的升級，因此對于同種模塊也可設計出多種性能指標來對其原有的性能進行再次的優化，另外也可以對其進行重組來制造出性能更好的配件，以幫助特種飛機更好地實現任務。

6.針對機載任務管理計算機“六性”的設計

對于機載任務管理計算機的六性，主要是可靠性、安全性、維修性、測試性、保障性以及環境適應性。以下是對其逐一的介紹：

6.1 可靠性

機載任務管理計算機是采用成熟的技術和工藝進行設計的，在各模塊的電路中均采用的是低功率的器件來對其進行降額設計。另外在各個模塊均安裝有散熱蓋，對其均有良好的散熱作用，其次是機箱利用其自身的鎖緊裝置連接到了托盤的機殼地，可有效地防止靜電。而對于之前的制造工藝上的缺陷也進行了優化提升，進一步提升了其在使用過程中的可靠性。

6.2 安全性

針對機載任務管理計算機的安全性，在設計過程中均采用的是低壓數字以及模擬電路，并不會對使用人的人身安全造成影響。

6.3 維修性

機載任務管理計算機在已經滿足設計要求的情況下，其相應的部件都采用的是模塊化的設計，可以使得各個模塊之間有效地通過插件進行連接，當模塊發生故障時，可以快速對其進行更換。

6.4 測試性

各模塊在設計時均有其狀態指示燈，因此在器件的使用過程中可以有效地對其功能進行測試，而且在使用前系統會有自檢的功能，當自身檢查未通過時，系統就不會進行工作，而自檢的結果也會通過人機交互界面顯示出來，可以幫助相關人員及時的對出現的問題進行排查。

6.5 保障性

在對設備進行安裝前都會對其相關的部件進行調試，另外在安裝完成之后還有備件，在用戶使用過程中發現問題時，可以及時對其進行處理。

6.6 環境適應性

對于環境適應性在進行設計時，首先要對任務裝置的高低溫進行設計，其次是對其抗鹽霧、霉菌以及濕熱進行設計，最后由于特種飛機的特殊性，也需對其抗振動、沖擊以及加速度進行設計，以確保其在投入使用以后能更好地適應各種環境。

7.結束語

由于特種飛機以及無人機的性能不斷地在改進，而國家也不斷地在進行新型無人機的研制，因此在多任務管理計算機的設計方面還存在的諸多的問題。所以在未來的社會發展中，一定要根據需要繼續提升無人機的性能，以推動國家在科技上的發展。

* [1]皮祖成,王誠,陳文.某型無人機機載任務管理計算機設計[J].航空工程進展 ,2016,7(4)∶464—470.

* [2]胡文娟,張翔,陳俊杰.無人機監管服務系統的設計與實現[J].中國民航飛行學院學報,2017,28(3)∶5—8.

* [3]羅澤勇.一種小型無人機的機載計算機軟件系統設計[J].東北師大學報 (自然科學 ),2015,47(1)∶64—70.

* [4]路靜,曹晨,LUJing,等.無人特種飛機的發展現狀與未來[J].中國電子科學研究院學報,2016,11(3)∶223—228.