中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院測(cè)控技術(shù)事業(yè)部 梁鳳麒 嵇治剛 王麗雅 叢 暉 牛志朝

1 引言

無人機(jī)在國(guó)內(nèi)和國(guó)際得到了快速發(fā)展，由于其具有靈活機(jī)動(dòng)、高時(shí)效性、低成本、低損耗及監(jiān)測(cè)能力強(qiáng)、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在軍事和民用方面的應(yīng)用日趨廣泛[2]。地面測(cè)試設(shè)備是無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。隨著“無人機(jī)系統(tǒng)”概念的不斷深入和“六性”設(shè)計(jì)被廣泛要求，地面測(cè)試設(shè)備不再是配套附屬地位，已經(jīng)成為衡量一套無人機(jī)系統(tǒng)保障性的重要部分[1]。無人機(jī)起落架系統(tǒng)是無人機(jī)的重要部分，在無人機(jī)地面支撐、滑跑、起飛以及降落等過程中扮演重要角色。因此，研制一套高可靠性、高集成性的起落架系統(tǒng)地面綜合測(cè)試設(shè)備對(duì)于無人機(jī)的發(fā)展具有重要的意義[8][10]。

可編程控制器（PLC）具有抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠性高、體積小、編程方便、修改容易等特點(diǎn)[3]，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，PLC由原來的簡(jiǎn)單的邏輯控制，逐步具備了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的功能，在工業(yè)控制中獲得了廣泛的應(yīng)用[3][4][5][6]。本文針對(duì)無人機(jī)起落架地面測(cè)試的需求，研制了一套基于歐姆龍CP1H系列PLC和NB7系列觸摸屏的起落架地面綜合測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠滿足無人機(jī)起落架系統(tǒng)的剎車測(cè)試、收放路徑測(cè)試、收放疲勞測(cè)試以及輪胎充氣等功能。

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC及三個(gè)通訊模塊、剎車系統(tǒng)、起落架收放系統(tǒng)、充氣泵、真空泵以及相應(yīng)的內(nèi)部照明等部分組成。常規(guī)操作時(shí)，通過外接220V AC為系統(tǒng)提供所需電源，應(yīng)急狀態(tài)時(shí)，蓄電池做為應(yīng)急電源為系統(tǒng)供電。直接操作觸摸屏，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的控制。相應(yīng)的監(jiān)控界面可以通過狀態(tài)顯示開關(guān)，指示燈，以及數(shù)字顯示框等顯示各個(gè)操作系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)也在I/O口配有相應(yīng)的開關(guān)，可以通過對(duì)開關(guān)按鍵的操作完成相應(yīng)的功能，進(jìn)而形成雙余度備份[10]。

圖1 無人機(jī)起落架地面測(cè)試系統(tǒng)框圖

歐姆龍 CP1H系列PLC結(jié)構(gòu)緊湊、外形精美，維護(hù)便捷：具有中斷輸入功能，憑借指令的高速處理，有助于整個(gè)裝置的高速化；串行通信功能，可以根據(jù)選項(xiàng)板任意選擇2個(gè)端口、RS-232C、RS-485；擴(kuò)展性超群，可以使用CP1W系列、CJ系列的單元。滿足本項(xiàng)目對(duì)于通信功能的需求。其中的CP1H-X40DT-D為晶體管漏型PLC，輸入24點(diǎn)，輸出16點(diǎn)，為本論文選定的機(jī)型。

2.1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于該設(shè)備用于外場(chǎng)測(cè)試，工作環(huán)境相對(duì)惡劣，本設(shè)計(jì)中針對(duì)可能存在的供電不足等情況，采取應(yīng)急電源方案。具體的電源系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。該電源系統(tǒng)工作分為兩個(gè)狀態(tài)，常態(tài)情況下由220V AC市電提供系統(tǒng)所需電源。通過AC-DC模塊分別轉(zhuǎn)化成24V DC、28V DC的電源為PLC、觸摸屏的電源、輸入及輸出供電（注：該起落架剎車及收放控制器模塊的供電電壓為28V DC）。通過蓄電池為飛機(jī)輪胎的充氣泵提供所需12V直流電，為剎車管路抽真空的真空泵所需220V AC 直接由外供電。在應(yīng)急狀態(tài)下，系統(tǒng)采用容量為69Ah的12V 蓄電池為應(yīng)急電源，通過逆變器將12V DC轉(zhuǎn)變?yōu)?20V AC，從而為整個(gè)系統(tǒng)提供所需的220V AC電源。其中，220V AC與逆變器之間采用交流接觸器隔離。交流接觸器在外接220V AC時(shí)線包工作，將逆變器隔離，在220V AC突然斷電是自動(dòng)切換到逆變器工作模式，從而外接電源與應(yīng)急電源之間的隔離和自動(dòng)切換。

圖2 無人機(jī)起落架地面測(cè)試電源模塊框圖

2.2 PLC硬件設(shè)計(jì)

在本論文中，PLC的輸入輸出主要為開關(guān)量，針對(duì)一些開關(guān)，結(jié)合實(shí)際操作的需要，采用觸摸屏組態(tài)開關(guān)與I/O外接開關(guān)的雙余度設(shè)計(jì)。用戶既可以通過觸摸屏模式操作，也可以采用機(jī)械開關(guān)進(jìn)行控制。部分I/O接口輸入輸出分配如表1所示。

表1 部分I/O接口分配

圖3 PLC與觸摸屏連接示意圖

如圖3所示，本論文所采用的NB7W-TW00B具有COM1和COM2兩個(gè)串口，供電電壓為24V DC，功耗為7W。這里采用COM1端口與PLC連接，實(shí)現(xiàn)通訊。

PLC的通訊模式可以設(shè)定為：Host Link，NT Li nk（1：N），RS232C，Tool Bus和串口網(wǎng)關(guān)等多種模式。本論文中主要用到Host Link模式和RS 232C模式。Host Li nk通信是一種對(duì)話型的通信協(xié)議[7]，在這種協(xié)議模式下，PLC對(duì)由觸摸屏發(fā)送來的命令發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，PLC可以對(duì)觸摸屏中的數(shù)據(jù)區(qū)里的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作。在這里我們選用歐姆龍PLC配套的通訊模塊CP1W-CIF01，安裝在PLC的COM1端口，通過RS232串口實(shí)現(xiàn)通訊。通信設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置（波特率9600,7位數(shù)據(jù)位，2位停止位，偶校驗(yàn)）。

PLC與起落架系統(tǒng)的收放控制器，剎車控制器之間的通訊采用RS422串口實(shí)現(xiàn)。無協(xié)議通信中，可以利用TXD（236）和RXD（235）以及TXDU（256）和RXDU（255）與串行設(shè)備，如條形碼讀入器等交換數(shù)據(jù)。CP1H系列PLC本體預(yù)留的通信串口有COM1和COM2兩個(gè)接口。要完成與更多設(shè)備的通信功能，可以選用CJ1W-SCU系列的通信單元做外部擴(kuò)展。本論文中，PLC要與觸摸屏，收放控制器、剎車控制器實(shí)現(xiàn)通信，因此選用外擴(kuò)模塊CJ1WSCU31-V1. 該模塊可以直接與CP1H實(shí)現(xiàn)連接，具有PORT1和PORT2兩個(gè)端口。這里，與剎車控制器相連的端口采用PLC上的COM2口，連接通信模塊CP1W-CIF11，其背后的撥碼開關(guān)1置ON（有終端電阻），其余位置OFF。波特率設(shè)置分別為19200，格式為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位。通信模式為RS-232C。收放控制器與 CJ1W-SCU31-V1相連，這里使用PORT1，PORT2做備份，通信模式設(shè)置為No-Pr ot ocol，波特率為38400，格式為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位，與PLC通信的三個(gè)設(shè)備的通信格式如表2所示。

表2 通信格式

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能設(shè)計(jì)

起落架地面測(cè)試系統(tǒng)軟件以實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)起落架狀態(tài)為中心，具有功能完善，操作方便，可視性好等特點(diǎn)。下面將具體介紹各個(gè)功能。

（1）系統(tǒng)狀態(tài)顯示及參數(shù)監(jiān)視

起落架地面測(cè)試系統(tǒng)可以控制，顯示起落架地面測(cè)試的參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，集中顯示在監(jiān)控界面中，方便工作人員對(duì)起落架的狀態(tài)的查看。

（2）起落架收放路徑測(cè)試功能

起落架收放系統(tǒng)是飛機(jī)的重要組成部分，該系統(tǒng)的工作性能直接影響到飛機(jī)的安全性和機(jī)動(dòng)性。在地面對(duì)飛機(jī)收放功能的驗(yàn)證是飛機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[9]。起落架收放路徑測(cè)試目的是用來檢測(cè)起落架作動(dòng)筒的收放工作狀態(tài)是否正常，是起落架在地面安裝后必不可少的操作步驟。通過若干開關(guān)按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)收放路徑的測(cè)試，并通過相應(yīng)的指示燈顯示收放測(cè)試的狀態(tài)。整個(gè)測(cè)試過程通過PLC與收放控制器通信實(shí)現(xiàn)。

（3）起落架自動(dòng)收放測(cè)試功能

自動(dòng)收放測(cè)試是在收放路徑的基礎(chǔ)上，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，目的是用來做飛機(jī)起落架的疲勞試驗(yàn)和驗(yàn)證起落架系統(tǒng)的可靠性。該測(cè)試要求能夠手動(dòng)輸入被測(cè)試的收放次數(shù)，然后自動(dòng)完成該測(cè)試功能。

（4）起落架剎車系統(tǒng)測(cè)試功能

起落架剎車系統(tǒng)在起落架著陸滑行過程中起著重要的作用，因此在起飛前對(duì)剎車系統(tǒng)的調(diào)試有很重要的意義。在測(cè)試之前，首先需要對(duì)剎車油路進(jìn)行抽真空處理，保持管路一定的真空度。剎車系統(tǒng)測(cè)試流程如圖4所示。真空泵與剎車測(cè)試交替進(jìn)行。當(dāng)剎車測(cè)試滿足需求時(shí)，剎車系統(tǒng)停止工作。

圖4 剎車測(cè)試流程圖

（5）輪胎充氣及輔助功能

本論文中，將起落架相關(guān)的功能采取了集成設(shè)計(jì)，在起落架下放落地之前，需要對(duì)起落架的飛機(jī)輪胎進(jìn)行充氣，因此本系統(tǒng)將起落架充氣功能進(jìn)行集成，在本設(shè)計(jì)中輪胎氣壓顯示采用機(jī)械儀表，進(jìn)一步的設(shè)計(jì)中可以將輪胎氣壓顯示功能集成到PLC中，在觸摸屏中顯示。

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)軟件分為PLC控制軟件和觸摸屏人機(jī)界面軟件兩部分。PLC控制軟件程序主要用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制執(zhí)行與下位機(jī)通信等功能；觸摸屏軟件程序主要用來通過網(wǎng)絡(luò)訪問和修改PLC的變量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、狀態(tài)等的輸出，將一些數(shù)據(jù)在其界面上顯示。本論文中PLC程序采用CX-Pr ogr ammer 7.0編輯，觸摸屏人機(jī)界面在NB-Designer中完成，兩者通過USB串口下載。

圖5 剎車模塊工作流程

圖5 所示為剎車模塊的工作流程，首先程序先按照通信的指令格式將通信指令存放在指定的存儲(chǔ)單元中。按照發(fā)送的要求進(jìn)行定時(shí)（這里的發(fā)送周期為0.1s），定時(shí)結(jié)束用TXD（236）將指令按照控制字指定的方式發(fā)送，剎車控制器接受到指令后自動(dòng)反饋回?cái)?shù)據(jù)，然后用RXD（235）指令接受反饋數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)存放在指定的存儲(chǔ)單元。接著對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示。圖6為部分程序代碼。

圖6 部分程序代碼

圖7 收放模塊工作流程

起落架收放的工作流程跟圖5所示的剎車模塊工作流程相類似。由于采用的是擴(kuò)展模塊CJ1W-SCU31-V1，發(fā)送和接受的指令分別為TXDU（256）和RXDU（255）。自動(dòng)測(cè)試的流程圖如圖7所示。首先對(duì)起落架收放系統(tǒng)進(jìn)行初始化，使其處于下放狀態(tài)，然后設(shè)置其收放的次數(shù)，接著發(fā)送收起指令，判斷是否已經(jīng)收起，如果已經(jīng)收起那么發(fā)送放下指令，否則接著發(fā)送收起指令直至處于收起狀態(tài)。接著發(fā)送放下指令，判斷是否已經(jīng)放下，如果已經(jīng)放下那么收放次數(shù)減1，否則接著發(fā)送下放指令直至處于下放狀態(tài)。接著判斷次數(shù)是否為0，如果已經(jīng)為0，停止收放測(cè)試，如果不為0，接著進(jìn)行上述循環(huán)直至為0。

3.3 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏監(jiān)控界面軟件采用歐姆龍的NB-Designer軟件設(shè)計(jì)，可以使用這款軟件為人機(jī)界面創(chuàng)建操作員面板并配置參數(shù)。本論文設(shè)計(jì)了剎車測(cè)試界面、收放路徑測(cè)試界面、自動(dòng)收放測(cè)試界面以及輔助功能界面等。部分界面如圖8～10所示。

圖8 剎車模塊界面

圖9 收放路徑界面

圖10 自動(dòng)收放測(cè)試界面

4 結(jié)論

無人機(jī)起落架地面綜合測(cè)試系統(tǒng)，采用基于觸摸屏和PLC的集成化設(shè)計(jì)，人性化的人機(jī)交互界面，方便了操作人員集中控制操作和觀察起落架測(cè)試系統(tǒng)。本論文集成了無人機(jī)起落架地面剎車系統(tǒng)測(cè)試、收放路徑測(cè)試、自動(dòng)收放測(cè)試以及輪胎充氣等功能。具備應(yīng)急狀態(tài)自動(dòng)切換蓄電池工作的能力，滿足某型號(hào)無人機(jī)外場(chǎng)測(cè)試的需求。

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