民航新型飛機(jī)MAS模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王俊楠 張 迪 肖智強(qiáng) 楊石霖

(中國(guó)民航大學(xué),天津300000)

維護(hù)感知系統(tǒng)MAS可以提供與適航性和系統(tǒng)信息有關(guān)的信息,對(duì)提高飛機(jī)維護(hù)效率有著重要意義。這個(gè)系統(tǒng)包括狀態(tài)信息界面、維護(hù)數(shù)據(jù)界面、維護(hù)控制界面。維護(hù)感知系統(tǒng)需要與眾多的電子系統(tǒng)之間完成信息交換,數(shù)據(jù)的形式包括三種:ARINC429形式、模擬信號(hào)的形式或者離散信號(hào)的形式。

我們據(jù)此完成一套模擬MAS的系統(tǒng)并且實(shí)現(xiàn)以上功能,要根據(jù)飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)AMM、部件維修手冊(cè)CMM和線路圖手冊(cè)WDM,完成飛機(jī)電子設(shè)備信息交互實(shí)現(xiàn),模擬維護(hù)與管理技術(shù),實(shí)現(xiàn)界面上的操作。

1 總體設(shè)計(jì)

項(xiàng)目劃分為MAS系統(tǒng)的模擬[1]、BIT測(cè)故障信號(hào)部分:

MAS系統(tǒng)的模擬需要完成轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入輸出的電路。我們需要模擬飛機(jī)系統(tǒng)故障信號(hào),經(jīng)過(guò)該部分的轉(zhuǎn)換傳輸至主機(jī)部分。經(jīng)過(guò)這樣的過(guò)程實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的電子系統(tǒng)維護(hù)與監(jiān)控功能。通過(guò)外圍數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(ARINC429),將傳感器獲得的數(shù)據(jù)傳輸給ARM,ARM傳輸給ADIRU,再使用樹(shù)莓派傳輸至DU模塊。

軟件部分使用python編程實(shí)現(xiàn),載入BIT檢測(cè)算法對(duì)各部件數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,在信號(hào)處理的過(guò)程中對(duì)于故障信號(hào)或健康信號(hào)的輸出應(yīng)由編程中的算法來(lái)決定。通過(guò)外置電路模擬故障情況,通過(guò)BIT檢測(cè)查出故障并在DU界面顯示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 ADIRS模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

ADIRS模擬系統(tǒng),它完成的功能主要是模擬飛機(jī)電子系統(tǒng)測(cè)量所得的數(shù)據(jù)信號(hào)的輸入。我們這里設(shè)計(jì)通過(guò)一系列傳感器測(cè)量,如:溫度傳感器、加速度計(jì)、壓力傳感器等。它們測(cè)得的相關(guān)大氣數(shù)據(jù)分為兩路傳輸。一路通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)化,也就是滿足美國(guó)航空標(biāo)準(zhǔn)的ARINC429協(xié)議來(lái)進(jìn)行信號(hào)編碼(這里通過(guò)PIN A和PIN B兩條路傳輸后相減得到雙極性歸零碼傳輸,以克服傳輸過(guò)程中的干擾),轉(zhuǎn)化后就可以通過(guò)示波器等觀察波形是否正確；另一路經(jīng)處理器后傳入DPC實(shí)物仿真件,在下面將詳細(xì)展開(kāi)。

ADIRS是飛機(jī)上重要的導(dǎo)航系統(tǒng),它是大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)與慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的綜合,主要有兩個(gè)功能:大氣數(shù)據(jù)基準(zhǔn)功能(ADR)和慣性基準(zhǔn)功能(IR)。ADR功能主要是計(jì)算空速和氣壓高度。IR功能主要計(jì)算姿態(tài)、當(dāng)前位置、地速、航向等數(shù)據(jù),利用二者的數(shù)據(jù),IR功能還可以提供風(fēng)向、風(fēng)速以及航跡、待飛時(shí)間、待飛距離等參數(shù)。

民航飛機(jī)中每個(gè)ADIRU使用三個(gè)加速度計(jì)和三個(gè)激光陀螺來(lái)計(jì)算慣性基準(zhǔn)數(shù)據(jù)(IRD)。送往ADIRU的初始當(dāng)前位置信息來(lái)自ISDU,或來(lái)自飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(FMCS)。兩個(gè)ADIRU計(jì)算并利用ARINC429數(shù)據(jù)總線為相關(guān)系統(tǒng)傳送大氣數(shù)據(jù)和慣性基準(zhǔn)信息。每個(gè)ADIRU有兩部分:一部分是大氣數(shù)據(jù)基準(zhǔn)(ADR)部分,另一部分是慣性基準(zhǔn)(IR)部分。IRS主告誡組件向駕駛艙主告誡系統(tǒng)發(fā)送故障離散信號(hào)。

3 BIT測(cè)故障信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

回繞檢測(cè)BIT接口與設(shè)備接口成對(duì)存在,設(shè)計(jì)在同一功能單元中。檢測(cè)接口輸入與輸出模塊組成回繞檢測(cè)BIT結(jié)構(gòu),當(dāng)回繞檢測(cè)BIT不工作時(shí),設(shè)備接口輸入與輸出模塊正常連接外部設(shè)備；當(dāng)回繞檢測(cè)BIT工作時(shí),設(shè)備接口輸入與輸出模塊分別與檢測(cè)接口輸出與輸入模塊連接,屏蔽外部設(shè)備通道,組成一對(duì)回路通道,進(jìn)行接口功能檢測(cè)[2]。

根據(jù)接口模塊特性和外部設(shè)備連接需求,當(dāng)兩組接口無(wú)法同時(shí)連接同一設(shè)備時(shí),使用回繞結(jié)構(gòu)的切換開(kāi)關(guān),屏蔽接口功能。考慮到組合模型解析余度BIT方法在線飛行狀態(tài)時(shí)對(duì)RX模塊、A/D模塊和D/A模塊的故障檢測(cè),回繞檢測(cè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)考慮其他模塊,如TX模塊,D/I和D/O模塊如何能夠有效進(jìn)行故障檢測(cè)[3]。

開(kāi)關(guān)量與模擬量接口特性類似,但是元件級(jí)聯(lián)數(shù)小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,因此其回繞檢測(cè)結(jié)構(gòu)如圖2所示。開(kāi)關(guān)量接口同樣分為設(shè)備連接狀態(tài)與回繞檢測(cè)狀態(tài),根據(jù)開(kāi)關(guān)量接口特性,D1接口同時(shí)輸入至設(shè)備和D2接口,D/I接口通過(guò)雙余度DIO單元輸入比較和回繞檢測(cè)進(jìn)行故障檢測(cè)。

圖2 回繞檢測(cè)BIT

4 DPC實(shí)物仿真系統(tǒng)與DU界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

DPC實(shí)物仿真件,它有兩個(gè)方面的作用:第一,使用編程完成四個(gè)界面的設(shè)計(jì)；第二,編程對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理并判斷是否故障,進(jìn)而在顯示器中設(shè)計(jì)的顯示界面中顯示。目前計(jì)劃使用四個(gè)DPC實(shí)物仿真件對(duì)四個(gè)界面進(jìn)行管理。

我們使用3代B+型Raspberry Pi 3b開(kāi)發(fā)板作為計(jì)算機(jī)的主板,它的核心SOC為Broadcom BCM2837,CPU類型為64Bite-1.2 Ghz四核,支持Bluetooth4.1 ,可以設(shè)計(jì)為802.11 n無(wú)線連接最高支持2.4 Ghz速率,也可以使用有線10/100Mb/s以太網(wǎng),不支持以太網(wǎng)供電,主板重量為43g,同等條件功耗測(cè)試為1.32 A,同等條件溫度測(cè)試為85℃,電源管理IC模塊需要SASC LAN9514。此板參數(shù)上的配置安全滿足我們的使用要求,在主板的基礎(chǔ)上通過(guò)端口連接外拓并編程將其設(shè)計(jì)成我們需要的DPC實(shí)物仿真件。

DU實(shí)物仿真器,實(shí)質(zhì)為顯示組件,這一部分需要將DPC實(shí)物仿真件中編程設(shè)計(jì)的界面與傳來(lái)的判斷后的數(shù)據(jù)都顯示出來(lái)。同時(shí)也需要有必要的控制面板虛擬仿真件,這一部分主要交與DPC來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)配合實(shí)現(xiàn),顯示界面的詳細(xì)布局與顯示內(nèi)容如下。

關(guān)于顯示界面及顯示內(nèi)容的設(shè)計(jì),也就是DPC實(shí)物仿真件和DEU實(shí)物仿真件組成的MDS維護(hù)顯示系統(tǒng),在DPC的編程中我們根據(jù)B737MAX的顯示器界面來(lái)進(jìn)行布局,分為PFD類的姿態(tài)數(shù)據(jù)顯示與ND類的航向數(shù)據(jù)顯示,其布局如圖3所示。關(guān)于維護(hù)告知系統(tǒng)的各個(gè)界面之間的關(guān)系,如圖4所示。

圖3 實(shí)際顯示器布局

圖4 維護(hù)告知系統(tǒng)界面之間的切換

5 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

將模擬系統(tǒng)的MAS界面同真實(shí)MAS界面目視比對(duì),經(jīng)仔細(xì)飛機(jī)電子模擬系統(tǒng)的MAS界面與真實(shí)MAS界面一致。

測(cè)試模擬系統(tǒng)航向精度,測(cè)試水平桌面上放好方位尺度圖,將姿態(tài)傳感器置于方位尺度圖正中央,每次垂直于桌面手動(dòng)旋轉(zhuǎn)90度,根據(jù)上位機(jī)顯示記錄航向轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)向角作比較。陀螺儀(姿態(tài)傳感器)所測(cè)得的航向與方位標(biāo)尺誤差小于1°符合精度要求。