[科普中国]-飞行数据采集系统

简介

飞行数据采集系统是集无人机飞行状态监测和各种地面测试测量、故障诊断功能于一体的自动测试系统，从硬件和软件两个方面说明了系统的设计。该系统主要由机载采集器和地面设备组成。其中，机载采集器基于FPGA+MCU技术设计实现，是一种嵌入式系统，适用于机载环境的各类数据采集应用，具有可靠性高、实时性好的特点。地面设备部分基于PXI平台的货架产品实现，使用LabVIEW定制了测试程序集。整个系统均采用成熟技术，实现了无人机飞行数据采集和地面自动测试系统的智能化、小型化和一体化，使用便利。系统具备模块化架构，具有良好的开放性、通用性和扩展性。

需求分析目前无人机的发展非常迅猛，低成本小型化的无人机市场极为广大。无人机飞行数据采集在其使用过程中有非常重要的作用，例如，无人机发生飞行事故时分析事故原因；对无人机进行飞行质量评估和检查；指导改进改型设计等。此外，在日常的无人机检测、维护、维修过程中，尤其是在故障无人机的检测与诊断方面，飞行数据采集和地面测试设备相结合可以发挥事半功倍的效果。传统无人机地面检测现场需要配置多种测试和测量仪器用于对无人机的各种信号进行测量和分析，这样使用不便，效率也低。因此，研制一种集各种测试和测量功能于一体的自动化无人机飞行数据采集系统十分必要。而且地面飞行数据分析设备和无人机测试设备在功能和硬件资源上有重复整合设计一体化的自动测试系统可以节约成本，提高使用效率。

虽然无人机发展迅猛，其飞行数据如此重要，但是国内对无人机的数据采集技术的研究却较少。这是因为无人机大都不具备大飞机的数字化飞行数据获取组件、快速存取记录器等，大型飞机的飞行数据采集技术并不适用无人机。因此，研究无人机的飞行数据采集、处理以及相关测试技术有着重要的意义。

发展趋势数据采集器是飞行数据采集系统的核心部分,美国AYDIN-VECTOR公司的MMSC-800、WEMS公司的AIFTDS-8000、法国SFIM公司的DAMIEN-Vl等数据采集器代表了当今世界先进水平。以前的采集器只有独立和耦合两种工作方式。目前世界上先进的采集器都配置了中心控制器,其上装有若干条强有力的外总线,一条总线上可以挂多个采集器。这就显著地提高了采集能力,增强了使用的灵活性。在飞机上需要采集数据的部分安装采集器,所有数据采集器都通过总线接受中心控制器控制和传输数据,构成了典型的现场总线控制系统。1

现场总线技术现场总线是20世纪50年代中期在国际上发展起来的,被誉为自动化领域的计算机局域网,现场总线控制系统既是一个开放的通信系统,又是一个全分布控制系统,它适应了工业控制系统向分散化、网络化、职能化发展的方向。新型的现场总线控制系统突破了DCS系统中通信山专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷,把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案,即可以把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备,通过现场总线网络连接成系统,实现综合自动化的各种功能。1

系统功能无人机飞行数据采集系统可以看成一台扩展了机载数据采集器、强化了数据分析功能的自动测试系统（ATS）。这是由ATS的特点决定的。通常把以计算机为核心，在程序的控制下，能自动完成某检测任务而组合起来的测量仪器和设备的有机整体称为ats。

该系统的核心功能是采集飞行数据（实时性需求）并对采集的数据进行分析和处理（非实时性需求），以及机载采集组件的检测和维护。所以系统由机载采集器和地面ATE组成，机载采集器为实时系统，它在嵌入式处理器的控制下，通过固件程序控制数字IO、模拟IO、串口等I/O模块实时采集和存储无人机飞行时的各项飞行数据；无人机结束飞行任务返回地面后，通过LAN接口，机载采集器将记录的飞行数据传输给ATE的数据库，并由ATE分析和处理；ATE定制专用的飞行数据的分析、处理和管理软件，软件主要功能包括数据分析处理、数据库管理、功能测试、系统自检、检测结果显示、人机交互等。此外，ATE中集成了程控电源、示波器、万用表、数字IO、模拟IO、串口等仪器设备，可在测试程序集的控制下进行机载采集器和无人机整机地面状态的自动化测试。

主要特点飞行数据采集是一个典型的分布式控制系统,主要有以下特点:

(l)测试的参数多、范围广。包括应变力、温度、电压等的测量,而且还会有新增物理量。

(2)系统的可靠性高,要求测量的参数精度高,量程范围大。

(3)数据采集器体积小,重量轻。

(4)测试系统容量大,灵活性高。

(5)控制复杂,系统对实时性要求高。与飞行测试有关的控制需要进行实时运算和实时控制,要求控制系统具有好的实时响应能力。

(6)系统中各子系统之间的关联较弱,便于实现模块化。正是因为这个特点,使得整个控制系统可根据需要以及实现的具体条件而设计的可大可小。但要求系统具有好的开放性,易于实现系统扩展。1

功能要求对飞行试验数据实现分布式的实时采集和监控。系统具有开放性,能够方便的实现系统的扩展。系统需要能够完成应变、电压、温度模拟量输入通道的标定,应变量的调零,以及一记录、计算、分析、显示飞行试验数据等功能。2

系统硬件设计系统硬件设计主要包括两方面的工作：机载采集器部分设计、ATE部分设计。某型无人机飞行数据采集系统原理及组成如图所示。

机载采集器

除此之外，机载采集器必须具有存储90分钟飞行数据的能力，存储的飞行数据可快速通过LAN接口或U盘导出，数据导出后可立刻进行下一次记录飞行数据的能力。无人机飞行数据采集系统支持用户使用PC机查看机载采集器内部数据存储情况。

机载采集器为机载实时处理装置，在满足采集功能的前提下，要求低功耗、高可靠性、抗干扰能力强、结构坚固（抗震、抗抖动、抗冲击等），同时要求体积小、重量轻、便于安装和维护。综合考虑上述需求，基于ARM处理器设计了机载采集板，并为该采集板定制了铝制加固外壳。机载采集板ARM7系列的LPC2138微控制器为核心，辅以FPGA实现的桥接器（LAN和USB接口控制器）和大容量NAND FLASH存储器，功能上可以满足上述各种飞行信号数据的实时采集和存储需求。LPC2138是小型LQFP64封装的16/32位ARM7TDMI-S微控制器，频率最大60MHz。片上集成32KB静态RAM、47个通用10、2个8路10位AD转换器、2个32位定时器/计数器、6路PWM输出单元、2个标准UART、9个外部中断及看门狗。其实时时钟具有独立电源和时钟源，可使用节电模式降低功耗。机载采集板的组成原理框图如图所示。

自动测试设备ate按照通用化、标准化、模块化的设计要求，选择基于PXI总线的货架产品设计和实现。ATE主要由PXI机箱、嵌入式控制器模块和模块化仪器（功能卡）等组成无人机飞行数据采集系统ATE的组成如图所示。

接口适配器是被测无人机、机载采集器与ATE之间的信号互联和转接部件，其主要功能有：保证被测无人机、机载采集器与测试设备的安全连接、信号转接及驱动、各种测试信号的调理、信号传输阻抗匹配等功能。接口适配器设计工作主要包括电路板设计、防插错设计、结构设计和线缆设计等工作。为确保接口间的连接可靠，接插件选择vpc的海量互联产品。2