熊海霞，袁冬莉，張正明

（西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710129）

結(jié)冰探測(cè)器為無人機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的重要組成部分，其主要是用來為無人機(jī)提供結(jié)冰告警信號(hào)。特定氣象條件下，在飛機(jī)的升力表面（如機(jī)翼、螺旋槳和旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、擋風(fēng)玻璃、外露傳感器等）迎風(fēng)表面會(huì)產(chǎn)生水分凝結(jié)成冰的現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生輕度結(jié)冰時(shí)，會(huì)使飛機(jī)升阻比大幅下降，進(jìn)而造成飛行姿態(tài)控制困難，嚴(yán)重結(jié)冰時(shí)可能造成飛機(jī)操縱翼面發(fā)生失效[1]。所以在飛機(jī)上安裝結(jié)冰探測(cè)器為飛機(jī)結(jié)冰情況提供預(yù)警信號(hào)，具有重要意義。

在無人機(jī)的開發(fā)過程中，往往是硬件和軟件設(shè)計(jì)并向進(jìn)行，這樣可以大大縮減研制周期。而在軟件的開發(fā)過程中又需要硬件的接口數(shù)據(jù)，這就要求在硬件成形之前就要有數(shù)據(jù)輸出，建模仿真為此提供了很好的解決方法。文中建立了無人機(jī)結(jié)冰探測(cè)器的數(shù)學(xué)模型，為無人機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試提供了重要的數(shù)據(jù)，縮短了飛機(jī)的開發(fā)周期。

1 結(jié)冰探測(cè)器介紹

結(jié)冰探測(cè)器探測(cè)飛機(jī)的結(jié)冰情況，對(duì)結(jié)冰速率進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，輸出結(jié)冰告警信號(hào)、結(jié)冰速率信號(hào)和結(jié)冰探測(cè)器故障信號(hào)。

結(jié)冰探測(cè)器由敏感部件、解算部件組成。解算部件給敏感部件提供激勵(lì)信號(hào)，敏感部件的探頭在激勵(lì)信號(hào)和位于敏感部件上的電磁系統(tǒng)作用下，產(chǎn)生穩(wěn)定的振動(dòng)即工作頻率。當(dāng)有冰沉積到敏感部件的探頭上時(shí)，其質(zhì)量變化，從而使工作頻率降低。解算部件根據(jù)頻率的變化，判定探頭上已有冰層的厚度，解算結(jié)冰速率。

結(jié)冰探測(cè)器具有自身加熱除冰的功能，輸出結(jié)冰速率信號(hào)后，自身電加熱除冰。圖1給出了結(jié)冰探測(cè)器的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 結(jié)冰探測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the icing probe

為了建模方便需要對(duì)結(jié)冰探測(cè)器的物理框圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖2所示，將結(jié)冰探測(cè)器的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化為4部分：結(jié)冰模擬、探頭頻率模擬、加熱模擬、結(jié)冰厚度解算。模型的輸出為結(jié)冰速率信號(hào)、結(jié)冰告警信號(hào)、結(jié)冰探測(cè)器故障信號(hào)。

圖2 結(jié)冰探測(cè)器簡(jiǎn)化框圖Fig.2 Simplified structure diagram of the icing prob

2 結(jié)冰探測(cè)器模型

2.1 結(jié)冰模擬模塊模型

該模塊模擬結(jié)冰過程，其中rate模擬當(dāng)前環(huán)境中探頭的結(jié)冰速率，heating模擬加熱除冰過程，thick模擬結(jié)冰厚度。當(dāng)結(jié)冰厚度達(dá)到1 mm或結(jié)冰厚度達(dá)到0.5 mm超過60 s時(shí)，heating為1，模擬給探頭加熱除冰。探頭結(jié)冰厚度初始值為0，結(jié)冰厚度后面的飽和環(huán)節(jié)設(shè)置了結(jié)冰厚度的限定值，當(dāng)前設(shè)置的上限值為2.5 mm （由于在探頭厚度達(dá)到1 mm后，探頭即加熱除冰，且探頭加熱功率達(dá)到300 W，因此探頭處的結(jié)冰厚度并不會(huì)達(dá)到2.5 mm），下限值為0 mm。如圖3所示為結(jié)冰模擬模塊結(jié)構(gòu)。

圖3 結(jié)冰模擬模塊Fig.3 Structure diagram of icing

2.2 加熱模塊模型

該模塊在符合要求的條件下模擬給探頭加熱除冰，其中iceThick為輸入模擬結(jié)冰厚度，heat為輸出模擬加熱功能。加熱10 s后，若結(jié)冰厚度仍超過0.5 mm且持續(xù)60 s或結(jié)冰厚度達(dá)到1 mm，則對(duì)探頭繼續(xù)加熱，否則，結(jié)束加熱。如圖4所示。

圖4 加熱模塊Fig.4 Structure diagram of heating

2.3 探頭頻率模擬模塊模型

該模塊模擬結(jié)冰探測(cè)器探頭對(duì)應(yīng)不同結(jié)冰厚度下的輸出頻率[2]，其中frequency為輸出模擬探頭頻率。如圖5所示。

圖5 探頭頻率模擬模塊Fig.5 Structure diagram of the probe

2.4 解算結(jié)冰速率模塊模型

該模塊模擬根據(jù)不同輸出頻率解算結(jié)冰厚度，同時(shí)該模塊實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）探頭處結(jié)冰厚度達(dá)到0.5 mm時(shí)，輸出結(jié)冰告警信號(hào)；

2）達(dá)到1 mm后輸出結(jié)冰速率信號(hào)；

3）加熱結(jié)束后60 s內(nèi)結(jié)冰厚度未達(dá)到0.5 mm，告警信號(hào)結(jié)束，告警信號(hào)結(jié)束的同時(shí)不再輸出結(jié)冰速率信號(hào)。

圖6為解算結(jié)冰速率模塊結(jié)構(gòu)，其中frequency和heat為輸入，thickness、icewarn、iceRate為輸出分別代表解算出的結(jié)冰厚度、結(jié)冰告警和解算出的結(jié)冰速率。iceRateTest模塊模擬解算結(jié)冰速率后的輸出裝置。

3 模型仿真實(shí)現(xiàn)

當(dāng)初始結(jié)冰速率為0.8 mm/s并在400 s時(shí)結(jié)冰速率轉(zhuǎn)換為2 mm/s，仿真曲線如圖7所示。

圖7中，當(dāng)結(jié)冰速率為0.8 mm/s時(shí)，結(jié)冰63 s后，結(jié)冰厚度達(dá)到0.5 mm，此時(shí)結(jié)冰探測(cè)器告警信號(hào)變?yōu)?，發(fā)出結(jié)冰告警信號(hào)。但由于此時(shí)結(jié)冰厚度未達(dá)到1 mm，所以未輸出結(jié)冰速率信號(hào)。在123 s時(shí)，結(jié)冰厚度達(dá)到0.5 mm以上已經(jīng)持續(xù)60 s，此時(shí)結(jié)冰探測(cè)器開始加熱除冰。在126 s時(shí)，結(jié)冰厚度下降到0.5 mm以下，結(jié)冰告警信號(hào)并未立即消失，而是在186 s即60 s后消失。在400 s時(shí)，結(jié)冰速率由0.8 mm/s變?yōu)? mm/s。由于結(jié)冰厚度達(dá)到1 mm，所以當(dāng)結(jié)冰速率為2 mm/s時(shí)，輸出結(jié)冰速率信號(hào)為2 mm/s。在421.5 s時(shí)，結(jié)冰厚度在加熱后降為0.5 mm以下，但當(dāng)478 s時(shí)，結(jié)冰厚度又達(dá)到了0.5 mm以上，由于時(shí)間間隔未到60 s，所以結(jié)冰告警信號(hào)一直未消失。同時(shí)由于結(jié)冰速率增大，結(jié)冰加快，所以結(jié)冰探測(cè)器加熱頻率增快。

4 實(shí)時(shí)仿真

4.1 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)組成

結(jié)冰探測(cè)器仿真系統(tǒng)包括：兩臺(tái)PC機(jī)、兩臺(tái)工控機(jī)[3-4]。一臺(tái)PC機(jī)運(yùn)行LabVIEW[5]控制界面，另一臺(tái)PC機(jī)運(yùn)行LabV IEW顯示界面。一臺(tái)工控機(jī)運(yùn)行結(jié)冰探測(cè)器模型，另一臺(tái)工控機(jī)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)控制功能的軟件，這兩臺(tái)工控機(jī)的操作系統(tǒng)均為VxWorks。實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的具體構(gòu)成如圖8所示。

圖6 解算結(jié)冰速率模塊結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure diagram of icing rate

圖7 結(jié)冰探測(cè)器仿真曲線Fig.7 Simulation results of the icing probe

圖8 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)Fig.8 Real-time simulation system of the icing probe

兩臺(tái)PC機(jī)在XP系統(tǒng)下分別運(yùn)行LabVIEW編寫的控制界面和顯示界面，控制界面用來輸入控制指令，這些控制指令通過以太網(wǎng)傳輸?shù)絻膳_(tái)工控機(jī)中；顯示界面用來顯示模型的運(yùn)算結(jié)果，顯示界面可以查看模型結(jié)果是否符合預(yù)期要求。兩臺(tái)工控機(jī)均搭載VxWorks操作系統(tǒng)，分別為模型機(jī)和控制軟件機(jī)，模型機(jī)上運(yùn)行的是在Simulink環(huán)境下建立的并經(jīng)過RTW下載技術(shù)生成的結(jié)冰探測(cè)器數(shù)學(xué)模型可執(zhí)行代碼；控制軟件機(jī)運(yùn)行的是對(duì)模型進(jìn)行控制和故障處理的軟件。

4.2 文件配置

由于軟件需要與多個(gè)外部系統(tǒng)進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)的交互，故該仿真平臺(tái)采用UDP通信實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)PC機(jī)與兩臺(tái)工控機(jī)間的數(shù)據(jù)通信。

為了能夠?qū)⒔⒑玫姆抡婺Ｐ晚樌D(zhuǎn)化為可加載的目標(biāo)文件，需要對(duì)RTW以及Tornado做相應(yīng)的設(shè)置，不同MATLAB版本的配置過程可能會(huì)略有區(qū)別，本文使用的是MATLAB R2012a版本，配置過程見參考文獻(xiàn)[6]。

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)無人機(jī)結(jié)冰探測(cè)器功能和部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，建立了結(jié)冰探測(cè)器的Simulink模型能夠較好的模擬出無人機(jī)結(jié)冰探測(cè)器的工作特性。以搭載由VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的ARK-5260工控機(jī)和XP操作系統(tǒng)的PC機(jī)為仿真平臺(tái)，并利用RTW下載技術(shù)將建立的Simulink模型下載到工控機(jī)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人機(jī)結(jié)冰探測(cè)器的實(shí)時(shí)仿真，其仿真結(jié)果在LabVIEW顯示界面中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，此仿真平臺(tái)很好的模擬了結(jié)冰探測(cè)器的功能，為類似仿真提供了一定的參考。

[1]蔣天俊.結(jié)冰對(duì)飛機(jī)飛行性能影響的研究[M].南京:南京航空航天大學(xué)，2008.

[2]王穎.壓電諧振式結(jié)冰傳感器數(shù)學(xué)模型研究 [M].武漢:華中科技大學(xué)，2006.

[3]鮑泳林，袁冬莉，張宇坤.某型飛機(jī)燃油系統(tǒng)交輸供油功能實(shí)時(shí)仿真[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，20（25）:6390－6394.BAO Yong-lin，YUAN Dong-li，ZHANG Yu-kun.Real-time simulation of the cross-feed function of one aircraft fuel system[J].Science Technology and Engineering，2012，20（25）:6390－6394.

[4]張正明，袁冬莉，呂鵬.某型無人機(jī)液冷裝置的實(shí)時(shí)仿真[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（15）:1－3.ZHANG Zheng-ming，YUAN Dong-li，LV Peng.Real-time simulation of the liquid cooling system of one UAV[J].Electronic Design Engineering，2013，21（15）:1－3.

[5]楊樂平.LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[6]張正明.無人機(jī)燃油、環(huán)控系統(tǒng)仿真與機(jī)電軟件設(shè)計(jì)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)，2014.