彭永濤，劉 林，樊戰(zhàn)旗

（1西安飛行自動控制研究所，西安 710065;2飛行器控制一體化技術國防科技重點實驗室，西安 710065）

0 引言

光傳飛行控制系統(tǒng)（fly-by-light）是使用光傳技術實現(xiàn)飛機飛行控制功能的系統(tǒng)。相比電傳控制系統(tǒng)，光傳控制系統(tǒng)可以有效防御干擾和電磁沖擊，并具有體積小、重量輕、傳輸容量大等優(yōu)點，從而提高了飛行控制系統(tǒng)的可靠性，大大改善了飛機的操縱品質。當前國外對光傳飛控系統(tǒng)的研究已進入實際應用階段，開始采用數(shù)字光傳、光傳數(shù)據(jù)總線等先進技術。國內對光傳飛控系統(tǒng)的研究基本停留在實驗室光纖信號傳輸研究階段，技術成熟度基本處于TRL3。

文中通過對光傳飛控系統(tǒng)技術的研究，實踐光傳飛控系統(tǒng)頂層設計技術，形成面向工程化、產品化的光傳飛行控制系統(tǒng)的體系結構、余度管理、光總線網(wǎng)絡管理、部件設計等相關領域的設計技術基礎，建立了開放式可擴展的光傳飛控系統(tǒng)試驗驗證平臺，并基于某無人機模型完成了系統(tǒng)地面綜合驗證試驗，推動了國內光傳飛行控制系統(tǒng)的技術成熟度（TRL4），加速了光傳系統(tǒng)的產品化，為后續(xù)光傳系統(tǒng)的技術開發(fā)和工程應用奠定了堅實基礎。

1 系統(tǒng)方案

文中設計的無人機光傳飛控系統(tǒng)采用多節(jié)點分布式雙余度結構，為全時限、全權限三軸自動飛行控制系統(tǒng)，具備自動駕駛儀、飛行管理、余度管理、系統(tǒng)自檢測、飛行參數(shù)記錄等功能。

系統(tǒng)包括了計算機分系統(tǒng)、伺服作動分系統(tǒng)、傳感器分系統(tǒng)。計算機分系統(tǒng)包括飛行控制與管理計算機、光接口適配計算機、光組件接口適配計算機;伺服作動分系統(tǒng)包括機電式作動器和數(shù)字式舵機控制器;傳感器分系統(tǒng)包括導航系統(tǒng)、無線電高度表、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、GPS等。飛行控制與管理計算機、光接口適配計算機、光組件接口適配計算機、數(shù)字式舵機控制器采用雙余度配置;各電動舵機采用電氣二余度、機械單余度配置;光位移傳感器集成在節(jié)風門舵機中，采用雙余度配置。

系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)軟件、應用軟件和飛行支持軟件。操作系統(tǒng)軟件包括I/O、數(shù)據(jù)轉換、中斷處理、任務調度軟件;應用軟件包括控制律軟件、余度管理軟件、飛行管理軟件和BIT軟件;飛行支持軟件包括地面檢測軟件、飛行參數(shù)記錄與處理軟件。系統(tǒng)采用基于1394B總線協(xié)議的雙余度光總線，總線傳輸帶寬為400 Mbps。飛行控制與管理計算機、接口適配計算機以及3個舵機控制器之間通過光總線連接。系統(tǒng)組成結構如圖1所示。

圖1 光傳飛控系統(tǒng)組成結構

1.1 光總線

光傳系統(tǒng)采用符合AS5643軍用規(guī)范的1394B總線，雙余度配置，總線傳輸帶寬為400 Mbps。飛行控制與管理計算機、舵機控制器、接口適配計算機均作為總線上的節(jié)點掛接在1394B總線上，所有掛接在光總線上部件的通信都通過該總線完成。飛行控制與管理計算機作為1394B光總線的主控制器，負責整個光總線的管理，所有的1394B總線配置為環(huán)路用以提供冗余，當一條光纖失效后，總線通信仍能保證。

光傳系統(tǒng)采用基于異步流包傳輸?shù)姆植际綐嫾軐崿F(xiàn)1394B總線在飛控系統(tǒng)中的應用，并對1394B協(xié)議進行了相應擴展以增強其實時性、可靠性。光傳系統(tǒng)采用的雙總線主備式工作機制，降低了系統(tǒng)各部件邏輯耦合程度，增強了系統(tǒng)容錯能力，可擴展性強。

1.2 飛行控制與管理計算機

飛行控制與管理計算機作為無人機光傳飛控系統(tǒng)的核心，需要完成航線裝訂和編輯、自動導引、控制律解算、飛行模態(tài)控制與轉換、數(shù)據(jù)采集、余度管理、故障檢測與處理、伺服控制指令輸出等任務，因此計算機系統(tǒng)需要具有高速運算能力和較高的運算精度。

飛行控制與管理計算機采用處理器和接口雙余度配置，兩個余度的所有資源均掛接在背板總線上。背板總線采用滿足時間觸發(fā)協(xié)議的雙余度自監(jiān)控串行1394B光背板總線，總線傳輸速率為400 Mbps。飛行控制與管理計算機內部包括兩塊處理器/總線管理板和兩塊總線接口/數(shù)據(jù)記錄板，各功能板均為智能節(jié)點含有處理器或微控制器，對功能板上的信號進行調理和監(jiān)控，節(jié)點間以數(shù)字量的方式通過串行背板總線進行傳輸。

1.3 接口適配計算機

接口適配計算機采用雙余度配置，主要實現(xiàn)所有與飛行控制與管理計算機相連設備的各種信號和1394B光總線信號相互轉換，以滿足雙余度無人機光傳飛控系統(tǒng)的要求。

1.4 舵機控制器

無人機光傳飛控系統(tǒng)共包括3個舵機控制器，通過1394B光總線接口完成與飛行控制與管理計算機的信息交互，實現(xiàn)對各電動舵機的控制。舵機控制器通過1394B光總線接收飛行控制與管理計算機對于舵面和發(fā)動機節(jié)風門的數(shù)字控制指令，經過處理后驅動其操縱機構，使舵面和節(jié)風門進行相應的偏轉。同時舵機控制器將采集到的各個舵機的狀態(tài)信息通過1394B光總線發(fā)送給飛行控制與管理計算機。舵機控制器1用于控制升降舵機和方向舵機，舵機控制器2用于控制副翼舵機和前輪舵機，舵機控制器3用于控制發(fā)動機節(jié)風門舵機。

1.5 電動舵機

升降舵、方向舵、副翼、前輪舵機均采用直流無刷電動舵機，PWM工作方式，采用雙電機共輸出軸的方式。節(jié)風門舵機為含波長編碼光信號位移傳感器的一體化數(shù)字伺服舵機，其工作方式與其它4個舵機相同，光位移傳感器完成節(jié)風門舵機的位置采集。在舵機控制器的控制下，5個電動舵機對計算機的指令進行精確跟隨。

1.6 光組件適配計算機

光組件適配計算機采用雙余度配置，包括白光光源、光譜解調儀及光信號角度處理計算機三大部分，實現(xiàn)了光信號從輸入到數(shù)字角度信號輸出所需設備的集成，該機箱采用最短光路傳輸設計，減少了光信號衰減。

文中所用的光位移傳感器為波長編碼光位移傳感器，是基于衍射光柵的光強分布特性設計而成的一種傳感器，衍射型波長編碼位移傳感器的工作原理如圖2所示。光傳感器在光傳飛控系統(tǒng)中用于測量節(jié)風門舵機的位置，在節(jié)風門舵機運動過程中，光組件適配計算機通過光路接收到光位移傳感器的位置信息后，通過光譜解調儀和光信號處理計算機將位移信號處理成數(shù)字信號，并通過RS422串口將其發(fā)送給舵機控制器用于伺服回路控制。

圖2 衍射型波長編碼位移傳感器工作原理圖

2 系統(tǒng)綜合試驗驗證

建立了一套用于驗證雙余度光傳飛控系統(tǒng)的試驗環(huán)境，以進行光傳飛控系統(tǒng)的開環(huán)試驗、閉環(huán)試驗和半物理綜合試驗。整個試驗環(huán)境以計算機、仿真資源、檢測資源為核心，包括系統(tǒng)綜合測試仿真設備、機載仿真設備、視景仿真設備、系統(tǒng)加載調試設備等。試驗環(huán)境組成與交聯(lián)關系如圖3所示。

圖3 試驗環(huán)境組成和交聯(lián)關系

以某無人機為控制對象，完成了光傳飛控系統(tǒng)的開環(huán)綜合試驗、閉環(huán)綜合試驗、半物理仿真試驗。在無人機光傳飛控系統(tǒng)綜合試驗驗證過程中，飛行控制與管理計算機、伺服系統(tǒng)（電動舵機和舵機控制器）、接口適配計算機、光位移傳感器、光組件適配計算機均采用實物樣機，傳感器與無人機通過數(shù)學仿真實現(xiàn)，完成了從起飛、航線飛行、進場著陸的全過程自動飛行控制。

3 試驗結果分析

完成了無人機光傳飛控系統(tǒng)的地面綜合試驗，利用開發(fā)的軟件對飛行數(shù)據(jù)進行了記錄與分析。圖4是光傳系統(tǒng)的無人機起飛階段的俯仰角、無線電高度、發(fā)動機節(jié)風門舵機位置、飛機空速、升降舵舵機位置、副翼舵機位置，其中ins-THAER表示俯仰角，RH表示無線電高度，dtp表示節(jié)風門舵機位置，ins-V表示飛機空速，dtz表示升降舵舵機位置，dtx表示副翼舵機位置。圖5是電傳系統(tǒng)的無人機起飛階段的俯仰角、無線電高度、發(fā)動機節(jié)風門舵機位置、飛機空速、升降舵舵機位置、副翼舵機位置。通過對比可以看到，光傳飛控系統(tǒng)與電傳飛控系統(tǒng)的飛行指令幾乎完全一致，開發(fā)實現(xiàn)的光傳飛控系統(tǒng)的性能達到了該無人機電傳控制系統(tǒng)的設計要求。

圖4 光傳飛控系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)曲線

圖5 電傳飛控系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)曲線

4 結論

文中設計實現(xiàn)的雙余度光傳飛控系統(tǒng)基于IEEE-1394B總線協(xié)議的開放式系統(tǒng)結構，具備很強的功能擴展性和高帶寬信息傳輸能力。完成了雙余度光傳飛控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構設計、部件研制和地面綜合試驗驗證，突破了分布式余度光傳飛控系統(tǒng)架構設計及驗證、雙余度高帶寬光傳數(shù)據(jù)總線傳輸及總線結構管理、光傳飛控系統(tǒng)工程樣機設計與實現(xiàn)等技術難題，設計了光傳飛控系統(tǒng)研制流程與規(guī)范。通過實踐無人機光傳飛控系統(tǒng)頂層設計技術，形成了光傳飛控系統(tǒng)的體系結構、余度管理、網(wǎng)絡管理、部件設計、系統(tǒng)綜合、試驗驗證等相關領域的技術基礎。

為了推動光傳飛控系統(tǒng)的工程化水平，后續(xù)需要進一步開展光傳飛控系統(tǒng)工程化實現(xiàn)和驗證方法的研究;繼續(xù)開展光傳系統(tǒng)環(huán)境適應性的研究，包括未來先進戰(zhàn)機的使用環(huán)境條件;開展基于分布式體系架構的光傳飛控系統(tǒng)技術研究，形成通用的分布式光傳飛控系統(tǒng)試驗驗證平臺。

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