ZigBee無線控制的智能飛機(jī)液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)

李 潼， 沈樂剛， 童 彥， 熊 壯， 蔣昊宜， 劉 浩， 歐陽小平

(1.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 浙江 杭州 310013； 2.上海飛機(jī)制造有限公司， 上海 201324)

引言

液壓系統(tǒng)管路的性能和壽命是影響飛機(jī)安全性的關(guān)鍵指標(biāo)[1]。隨著航空技術(shù)不斷快速發(fā)展，飛機(jī)液壓系統(tǒng)逐漸趨向復(fù)雜化，且制造過程中對(duì)液壓系統(tǒng)的性能要求也越來越高[2]。在生產(chǎn)過程中，為保證液壓系統(tǒng)的優(yōu)良性能，需要對(duì)液壓管路進(jìn)行多次清洗以防止污染物等造成管路堵塞，并在管路安裝完畢后需進(jìn)行多次耐壓測(cè)試以保證液壓管路的密封性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[3-4]。

目前國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)在液壓系統(tǒng)管路清洗與耐壓試驗(yàn)之前，需預(yù)先安裝成品件以協(xié)調(diào)管路的定位與安裝。為避免成品件被油液污染，液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)前后需將成品件反復(fù)裝回與拆卸，如圖1所示，此流程需要操作工人手動(dòng)完成，步驟復(fù)雜，效率低下，且反復(fù)拆裝會(huì)不可避免的造成連接口螺紋損傷等問題，進(jìn)而嚴(yán)重影響飛機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠性和安全性。國(guó)外空客公司已在飛機(jī)生產(chǎn)線上應(yīng)用了具有遠(yuǎn)程控制油路換向、通斷等功能的液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)?zāi)K以替代成品件，但其信號(hào)傳輸方式仍以有線為主，通信線纜數(shù)量巨大，接線復(fù)雜，嚴(yán)重影響清洗與試驗(yàn)效率[5]。

圖1 手工液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)示意圖

為進(jìn)一步提升飛機(jī)液壓系統(tǒng)管路清洗與耐壓試驗(yàn)的效率和智能化程度，本研究以某型號(hào)飛機(jī)為基礎(chǔ)，基于2.4 GHz ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)了一套可遠(yuǎn)程無線控制的飛機(jī)液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用無線通信替代傳統(tǒng)線纜，避免了復(fù)雜電氣接線，大幅簡(jiǎn)化了試驗(yàn)步驟，提高了生產(chǎn)效率，符合液壓技術(shù)的數(shù)字化和智能化發(fā)展趨勢(shì)[6-7]，對(duì)于未來實(shí)現(xiàn)飛機(jī)液壓管路的全鏈路智能化清洗與耐壓試驗(yàn)意義重大。本研究的主要貢獻(xiàn)如下：

(1) 開發(fā)了用于飛機(jī)液壓系統(tǒng)的可遠(yuǎn)程無線控制的智能液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)；

(2) 設(shè)計(jì)了與實(shí)際液壓元件油路接口相同的假件模塊用于替代真件進(jìn)行管路清洗耐壓試驗(yàn)，避免了反復(fù)手工拆裝的繁瑣工作和對(duì)真件的污染損壞；

(3) 實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)液壓系統(tǒng)清洗與耐壓試驗(yàn)的便捷性、高效性和智能性；

(4) 為航空液壓系統(tǒng)的智能化生產(chǎn)提供了關(guān)鍵接口。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，智能液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)包括了可視化管控層、無線網(wǎng)絡(luò)層、以及底層關(guān)鍵設(shè)備層三部分。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 可視化管控層

即管控界面，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行人機(jī)交互，可接收操作者指令，并將系統(tǒng)信息實(shí)時(shí)反饋給操作者。可視化管控層主要包括操作開關(guān)、智能系統(tǒng)電磁閥通斷監(jiān)控界面、電源電量監(jiān)控界面等模塊，能夠?qū)⑦\(yùn)行數(shù)據(jù)以數(shù)字、圖表等形式進(jìn)行高效可視化監(jiān)控。可視化管控層通過RS-485總線與無線網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備進(jìn)行通訊。

1.2 無線網(wǎng)絡(luò)層

即智能液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)中與各個(gè)底層設(shè)備和管控層間相互通信的網(wǎng)絡(luò)層。智能液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)主要應(yīng)用場(chǎng)景為飛機(jī)液壓系統(tǒng)組裝調(diào)試生產(chǎn)線，液壓系統(tǒng)的復(fù)雜程度決定了終端設(shè)備較多，且需要使用電池供電，要求無線通訊具有低功耗、低時(shí)延和高網(wǎng)絡(luò)容量的特性，而對(duì)通訊距離和數(shù)據(jù)傳輸速率的要求則相對(duì)不高。目前主流的幾種無線技術(shù)包括Bluetooth、nRFShockBurst、ZigBee、WLAN 等，其中，Bluetooth的功耗較低，可以接入互聯(lián)網(wǎng)，但是其傳輸距離較短，組網(wǎng)容量較低，協(xié)議棧消耗硬件資源較大；nRF功耗低、數(shù)據(jù)傳輸效率強(qiáng)于Zigbee，但是nRF僅支持一對(duì)多的數(shù)據(jù)傳輸；WLAN無線組網(wǎng)在數(shù)據(jù)傳輸速率、延遲等性能方面全面強(qiáng)于Zigbee但是功耗較大且成本較高。本研究應(yīng)用的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)功耗低，成本低，時(shí)延短，網(wǎng)絡(luò)容量大，與系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景需求較為契合[8-9]。然而，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)需要人為設(shè)置協(xié)調(diào)器與路由器，并且協(xié)調(diào)器唯一且不可或缺，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)的搭建造成了極大不便，還降低了無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性和設(shè)備互換性。因此，本研究的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)在搭建時(shí)模仿了mesh網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自行確定路由器與協(xié)調(diào)器，從而實(shí)現(xiàn)了自組網(wǎng)功能，這樣便可實(shí)現(xiàn)在一定面積區(qū)域內(nèi)高傳輸高可靠的密集節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，且方便自適應(yīng)增減節(jié)點(diǎn)數(shù)量[10]。

如圖3所示，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)類型分為主控節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)。主控節(jié)點(diǎn)管理所有從節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，并接收上位機(jī)指令，向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令信息；從節(jié)點(diǎn)作為執(zhí)行端，控制電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)并向主節(jié)點(diǎn)反饋運(yùn)行信息。

圖3 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.3 底層關(guān)鍵設(shè)備層

即高度集成的假件模塊，包括了液壓元件假件、電機(jī)械轉(zhuǎn)換器模塊、電源模塊、無線控制器模塊等。其中，假件的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有與液壓元件真件相同的油路接口，在液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)時(shí)可以完全替代真件,并控制油路通斷。電機(jī)械轉(zhuǎn)換器模塊是集成了電磁閥驅(qū)動(dòng)器的電磁換向閥。電源模塊用于電磁閥與無線控制器的供電以及電池電量的監(jiān)控。無線控制器模塊用于信號(hào)接收、信號(hào)發(fā)射和電磁閥驅(qū)動(dòng)控制等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

液壓元件假件的結(jié)構(gòu)在液壓原件的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，具有與原件相同的油路功能，且管路接頭型號(hào)和安裝孔均與原件一致，實(shí)現(xiàn)了接頭與管路尺寸的匹配以及安裝孔與緊固件的匹配。

基于有限元強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，液壓元件假件實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度輕量化整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在不改變被替代的液壓真件接口尺寸和位置的前提下，由假件代替真件進(jìn)行清洗與耐壓試驗(yàn)，從而避免了真件的污染與損壞。同時(shí)，假件需要滿足耐壓沖洗所需承受的壓力需求，以及降低結(jié)構(gòu)重量、裝卸強(qiáng)度和輔助工裝等要求。以副翼作動(dòng)器、多功能擾流板作動(dòng)器為例，所設(shè)計(jì)的假件模塊如圖4所示。

圖4 液壓元件假件與真件對(duì)比圖

2.2 電機(jī)械轉(zhuǎn)換器模塊

智能液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)中電機(jī)械轉(zhuǎn)換器的電磁換向閥用于控制油路的通斷，其設(shè)計(jì)需求為能夠耐受磷酸酯基液壓油腐蝕以及1.5倍工作壓力(35 MPa)。

本研究使用了兩位兩通電磁閥來滿足設(shè)計(jì)需求。電磁閥內(nèi)部的油液流經(jīng)閥口與閥芯的間隙時(shí)，由于流向與流速變化，會(huì)對(duì)閥芯的壁面產(chǎn)生附加作用力，即液動(dòng)力。由于瞬態(tài)液動(dòng)力與穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力相比很小[11-13]，本研究只使用Fluent軟件對(duì)電磁換向閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真以驗(yàn)證其選型是否符合要求。具體地，在閥口開度從0.2 mm至1.8 mm的區(qū)間內(nèi)每隔0.2 mm建立流場(chǎng)域模型，共建立9個(gè)不同模型。如圖5b所示為閥口開度為1.2 mm時(shí)的網(wǎng)格劃分圖。分別設(shè)置進(jìn)出口壓差為35，31，21 MPa，仿真獲得各壓差下不同閥口開度對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)壓力云圖。如圖5c所示為31 MPa下閥口開度為1.2 mm時(shí)的壓力云圖。基于仿真結(jié)果計(jì)算各壓差下不同閥口開度時(shí)閥芯所承受的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，并繪制出對(duì)應(yīng)的曲線圖，如圖5d所示。仿真結(jié)果表明，在正常工作壓差21 MPa的條件下，電磁閥閥芯所受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力遠(yuǎn)小于最大操作壓差35 MPa 時(shí)的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，所選電磁閥型號(hào)完全滿足智能液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)的要求。

圖5 流體域穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力仿真

智能液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)由電池供電，需要盡可能的降低工作能耗以延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。然而，直動(dòng)式插裝電磁閥需要持續(xù)供電，能耗較大，因此需要改進(jìn)其驅(qū)動(dòng)策略以降低能耗。盡管電磁閥開啟時(shí)需要較大電流，但開啟后僅需較小電流便可保持開啟狀態(tài)。因此，本研究中電磁閥采用了全功率啟動(dòng)，然后緩降至低功率保持開啟的驅(qū)動(dòng)方式。圖6c為開啟過程中指令PWM信號(hào)占空比D與輸出電流IO隨時(shí)間變化的曲線。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，電磁閥全功率啟動(dòng)，并保持1 s，此時(shí)所需電流為600 mA左右。電磁閥完成啟動(dòng)后，在0.2 s內(nèi)將驅(qū)動(dòng)器的PWM輸出以斜坡方式降至30%，此時(shí)電流為180 mA左右，電磁閥仍能保持穩(wěn)定開啟，節(jié)省了70%的電量，滿足了低功耗節(jié)能需求。

圖6 電磁閥驅(qū)動(dòng)器調(diào)試

2.3 電源模塊

智能液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制需要自帶電源模塊，用于電磁閥和無線控制器的供電。由于磷酸鐵鋰電池具有安全性能高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度高的優(yōu)點(diǎn)[14]，本研究電源模塊由18650鋰電池組搭配內(nèi)部降壓穩(wěn)壓電路構(gòu)成，如圖7所示。鋰電池組帶有BMS電池管理系統(tǒng)，可避免鋰電池的過充和過放。

圖7 電源模塊電路結(jié)構(gòu)圖

電池組額定電壓為24 V，實(shí)際放電電壓為16.8～25.2 V，由內(nèi)部降壓穩(wěn)壓電路提供主控電路所需的5 V與3.3 V電壓。電池組電壓經(jīng)過經(jīng)二極管保護(hù)電路和BUCK開關(guān)電源電路降至5 V，再經(jīng)LDO穩(wěn)壓電路降至3.3 V。SY6280功率電子開關(guān)可在電源模塊不工作時(shí)切斷電源，降低其能耗。此外，還設(shè)計(jì)了一個(gè)貼片LED用于指示電源開關(guān)狀態(tài)。

智能液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集電源電壓以監(jiān)測(cè)電池剩余電量。如圖8所示，具體地，首先使用電容濾除高頻噪聲，然后采用兩個(gè)電阻將電源電壓分壓至2.2～3.3 V范圍，接著使用低功耗運(yùn)放作為電壓跟隨器將模擬電壓信號(hào)輸入至微控制芯片(MCU)。其中，MCU內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器最大分辨率為12位，故所測(cè)電壓的理論分辨率δ為：

圖8 電源電壓采集電路

(1)

式中，Umax和Umin分別為電池放電的最大與最小電壓，Umax=25.2 V，Umin=16.8 V。

考慮到實(shí)際電池電量顯示一般以1%為最低單位，因此電壓分辨率滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

2.4 無線控制器模塊

無線控制器模塊用于信號(hào)接收、信號(hào)發(fā)射和電磁閥驅(qū)動(dòng)控制。無線控制器包括無線控制喚醒電路、無線通信電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、存儲(chǔ)電路等硬件模塊。其中，無線喚醒電路實(shí)時(shí)接收指令信號(hào)，負(fù)責(zé)喚醒控制器；無線通信電路主要負(fù)責(zé)處理電磁閥控制器的通信；電磁閥驅(qū)動(dòng)電路用于控制電磁閥的供電和PWM輸出，從而實(shí)現(xiàn)電磁閥的通斷控制；存儲(chǔ)電路用于保存操作狀態(tài)和本機(jī)地址等信息。

主控電路使用PCB印刷電路制造，為方便制造并提高硬件互換性，無線通訊所需的主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)采用了相同電路。如圖9所示，MCU通過CAN接口與驅(qū)動(dòng)器通信，1路PWM輸出用來傳遞電磁閥驅(qū)動(dòng)信息，1路USART串口與無線電路通信，1路USART串口用于RS-485通信，還通過MOSFET開關(guān)芯片控制兩路24 V電壓輸出，用于電磁閥驅(qū)動(dòng)器的供電和使能。

圖9 主控電路結(jié)構(gòu)圖

本研究的ZigBee無線模塊電路使用了TI公司的CC2530芯片方案，額外添加了兩個(gè)LED燈用來指示工作狀態(tài)。該模塊通過串口與MCU互傳數(shù)據(jù)，并有一個(gè)輸入口用于重置波特率。數(shù)據(jù)傳輸使用了自定義的通訊協(xié)議，以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)數(shù)據(jù)包的格式更改波特率等通訊參數(shù)。為防止靜電屏蔽影響無線通訊效果，天線使用了IPEX接口引出。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

程序架構(gòu)上，智能液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)分為了通過RS-485與上位機(jī)通信的主節(jié)點(diǎn)和用來控制電磁閥的從節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)組建后，所有的主節(jié)點(diǎn)都會(huì)廣播一條識(shí)別信息，從節(jié)點(diǎn)會(huì)解析識(shí)別信息并存儲(chǔ)主節(jié)點(diǎn)ID。

對(duì)于從節(jié)點(diǎn)，如圖10所示，系統(tǒng)會(huì)每隔固定時(shí)間將當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)(包括電磁閥開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)芯片開關(guān)狀態(tài)、以及電源狀態(tài)等)信息打包成數(shù)據(jù)發(fā)送至所有主節(jié)點(diǎn)。此外，從節(jié)點(diǎn)若接收到主節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)出的任何指令也會(huì)立即返回當(dāng)前的自身狀態(tài)信息。

圖10 從節(jié)點(diǎn)程序

對(duì)于主節(jié)點(diǎn)，如圖11所示，模塊會(huì)在內(nèi)部存儲(chǔ)所有從節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息， 在接收到從節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)信息時(shí)則對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)信息進(jìn)行更新，若有節(jié)點(diǎn)超時(shí)未進(jìn)行信息更新，則會(huì)主動(dòng)發(fā)送查詢指令進(jìn)行確認(rèn)，并視返回信息情況記錄錯(cuò)誤信息。此外，主節(jié)點(diǎn)還會(huì)在RS-485總線上作為Modbus從機(jī)工作，接收上位機(jī)的指令并對(duì)上位機(jī)指令進(jìn)行執(zhí)行與回應(yīng)。

圖11 主節(jié)點(diǎn)程序

當(dāng)需要更改無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，例如某個(gè)從節(jié)點(diǎn)的電磁閥開關(guān)狀態(tài)，指令將先從上位機(jī)通過RS-485總線Modbus協(xié)議傳輸給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)讀取到相應(yīng)指令后立即通過無線網(wǎng)絡(luò)將指令發(fā)送給相應(yīng)的從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)執(zhí)行指令后返回信息給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)根據(jù)從節(jié)點(diǎn)回應(yīng)的信息更新內(nèi)部存儲(chǔ)的該從節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息，最后再將信息通過Modbus協(xié)議傳遞給上位機(jī)，通過此過程完成上位機(jī)對(duì)于從節(jié)點(diǎn)的控制。

4 結(jié)論

本研究針對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)液壓系統(tǒng)生產(chǎn)裝配過程中液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)效率低下、費(fèi)工費(fèi)時(shí)的問題，基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了一種可進(jìn)行遠(yuǎn)程無線控制的智能液壓管路清洗與耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)，，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)液壓系統(tǒng)清洗耐壓試驗(yàn)的便捷性、高效性和智能性，且系統(tǒng)的所有元件對(duì)磷酸酯基液壓油具有良好的耐腐蝕性。具體地，通過優(yōu)化電磁閥驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)策略，實(shí)現(xiàn)了低功耗的油路換向與通斷控制；通過采用寬電壓低功耗供電技術(shù)，有效解決了因電池電量變化而引起的輸入電壓變化，并設(shè)計(jì)了高精度電壓采集電路實(shí)時(shí)采集電源電壓以監(jiān)測(cè)電池組剩余電量；利用ZigBee技術(shù)搭建了無線通信網(wǎng)絡(luò)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)線纜，避免了復(fù)雜的電氣接線，大幅提升了工作效率；通過采用mesh網(wǎng)絡(luò)的自主組網(wǎng)技術(shù)，可方便地增加或減小節(jié)點(diǎn)數(shù)量，且所有無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)和控制硬件設(shè)備均可以互換，大大提高了設(shè)備維護(hù)的便利性。

實(shí)際測(cè)試表明，在不更換電源的情況下，本研究開發(fā)的智能液壓管路清洗耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)可在正常工作電流下持續(xù)無接管的工作16小時(shí)以上，并且大幅簡(jiǎn)化了液壓管路清洗耐壓試驗(yàn)的操作步驟，極大的提升了便捷性、高效性和智能性，有很好的應(yīng)用前景。