周玉平，高 峰，姚凌虹，王小飛，申江江

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū) 山東 青島 266041）

一種航姿系統(tǒng)綜合訓(xùn)練裝置的設(shè)計

周玉平，高 峰，姚凌虹，王小飛，申江江

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū) 山東 青島 266041）

文中設(shè)計了一種航姿系統(tǒng)綜合訓(xùn)練裝置，該裝置能夠模擬多個機型的航向姿態(tài)系統(tǒng)的操作訓(xùn)練科目，既可以通過有針對性的訓(xùn)練使受訓(xùn)者了解航姿系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)，又可以使受訓(xùn)者對航姿系統(tǒng)的通電檢查、工作狀況檢查及一般故障排除方法進行訓(xùn)練。實踐表明，該設(shè)備滿足了部隊日常操作訓(xùn)練與技術(shù)保障的實際需要，提高了部隊維護人員的裝備技術(shù)保障能力。

航姿系統(tǒng)；訓(xùn)練科目；裝備保障

航向姿態(tài)系統(tǒng)（下文簡稱“航姿系統(tǒng)”）是重要的機載設(shè)備之一，主要用以測量、指示飛機的航向角和姿態(tài)角并向機上其它設(shè)備提供航向和姿態(tài)基準[1-5]。目前，由于沒有專門用于實操訓(xùn)練的航姿系統(tǒng)訓(xùn)練裝置，導(dǎo)致航空兵部隊新裝備的維護保障水平和使用效果受到極大的制約[6]。為了進一步提高航空兵部隊的新裝備訓(xùn)練水平，滿足一線部隊崗前培訓(xùn)及新裝備訓(xùn)練急需，研制航姿系統(tǒng)綜合訓(xùn)練裝置具有重要的現(xiàn)實意義。

文中設(shè)計了一種航姿系統(tǒng)綜合訓(xùn)練裝置，該裝置以航姿系統(tǒng)實裝為依托，以工控機為核心，利用機內(nèi)的微控制單元、控制切換單元、故障設(shè)置模擬單元及專家系統(tǒng)，實現(xiàn)對多型飛機航姿系統(tǒng)在非機載環(huán)境下的系統(tǒng)性能檢測訓(xùn)練、系統(tǒng)配置訓(xùn)練、定檢與通電方法訓(xùn)練、羅差校正方法訓(xùn)練、典型常發(fā)故障的模擬與排除訓(xùn)練、訓(xùn)練結(jié)果自動評定等功能。該裝置可以為維護人員正確使用航姿系統(tǒng)，迅速判斷航姿系統(tǒng)性能好壞提供科學(xué)依據(jù)，同時也可為維護人員分析和排除航姿系統(tǒng)故障提供有效的幫助。

1 系統(tǒng)整體組成

在分析航向姿態(tài)系統(tǒng)工作原理、技術(shù)指標、組成及工作過程、操作使用方法和維護檢修方法的基礎(chǔ)上[7-10]，進行了系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計。其次，在充分消化、吸收軍內(nèi)外訓(xùn)練裝置特點的基礎(chǔ)上，確定了本系統(tǒng)的軟硬件平臺。整個系統(tǒng)由電源控制及故障模擬柜、多功能模擬座艙、傳感器（全姿態(tài)組合陀螺和磁航向傳感器）、放大器、繼電器盒、轉(zhuǎn)臺（非磁性轉(zhuǎn)臺和兩軸轉(zhuǎn)臺）、機載設(shè)備操作臺、交直流一體特種電源等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)詳細設(shè)計

航姿系統(tǒng)綜合訓(xùn)練裝置主要設(shè)計內(nèi)容包括電源控制及故障模擬柜設(shè)計、機載設(shè)備操作臺設(shè)計、交直流供電電源設(shè)計、系統(tǒng)抗干擾設(shè)計、多功能模擬座艙硬件設(shè)計和羅差校正方法訓(xùn)練裝置設(shè)計等。

圖1 訓(xùn)練裝置結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電源控制及故障模擬柜

電源控制及故障模擬柜由故障設(shè)置與模擬單元、通訊單元、控制切換單元、電源變換調(diào)理單元、電量綜合顯示單元和工控機系統(tǒng)（包括顯示器、顯卡、內(nèi)存、硬盤、鍵盤等）等組成。

1）故障設(shè)置與模擬單元

故障設(shè)置模擬單元主要由微控制器和多功能繼電器板卡組成。微控制器接收主計算機的指令，操作多功能繼電器板卡，控制航姿分離部件的供電電路、傳感器電路、傳輸線路、放大器電路、控制盒電路、繼電器盒電路、指示器電路，采用斷路、短路和串入電阻模擬支路電阻變化等方法，實現(xiàn)航姿分離部件及航姿系統(tǒng)的供電故障、組合陀螺故障、磁傳感器故障、傳輸線路故障、放大器故障、控制盒故障、繼電器盒故障、指示器故障等188個典型常發(fā)故障的現(xiàn)場模擬。

故障設(shè)置與模擬單元主要由：微控制器、控制切換、故障設(shè)置轉(zhuǎn)換、分析判斷輸出、部件接入控制等一系列模塊組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及交聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

圖2 故障設(shè)置與模擬單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)及交聯(lián)關(guān)系圖

2）通訊單元

整個裝置利用429總線信號PCI卡實現(xiàn)429總線信號的接收與發(fā)送，利用1553B總線信號PCI卡實現(xiàn)1553B總線信號的接收與發(fā)送[11-12]，利用4串口通訊卡PCI-1610B實現(xiàn)自行設(shè)計板卡與工控機的通訊。232與485轉(zhuǎn)換電路圖如圖3所示。

圖3 232與485轉(zhuǎn)換電路圖

3）控制切換模塊

由于航姿系統(tǒng)設(shè)備多 （包含2個全姿態(tài)組合陀螺、2個磁航向傳感器、2個綜合放大器、1個繼電器盒、3個地平指示器、2個綜合航向指示器、3個航向位置指示器、1個領(lǐng)航指示器、1個航向復(fù)示器、1個控制盒及相關(guān)控制切換電門），交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，系統(tǒng)資源（電源、顯示、角度轉(zhuǎn)換模塊等）必須共享，為此設(shè)計控制切換模塊，其核心是以計算機和微控制器為控制中心，設(shè)計控制切換轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)不同訓(xùn)練科目的電路轉(zhuǎn)換。

整個裝置通過 64路數(shù)字量輸出量卡 PCI-1752U實現(xiàn)開關(guān)量、數(shù)字量信號輸出，同時作為繼電器組控制切換模塊的控制信號。由計算機控制完成不同訓(xùn)練科目時的電路轉(zhuǎn)換，為保證工作可靠性，繼電器的工作電源與計算機的電源利用光電耦合器進行隔離。為增強繼電器工作可靠性，加入三極管增強驅(qū)動能力。續(xù)流二極管可有效保護繼電器線圈?？刂魄袚Q單元結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 控制切換模塊電路圖

2.2 機載設(shè)備操作臺

多功能模擬座艙由左右駕駛員儀表板、第一領(lǐng)航員儀表板、第二領(lǐng)航員儀表板及交聯(lián)輸出測試儀表板組成。其中3個地平指示器、2個綜合航向指示器、3個航向位置指示器、1個領(lǐng)航指示器、一個航向復(fù)示器、1個控制盒、相關(guān)控制切換電門等實裝分別安裝在左右駕駛員儀表板、第一領(lǐng)航員儀表板、第二領(lǐng)航員儀表板，通電控制與交聯(lián)輸出單元在交聯(lián)輸出測試儀表板上，模擬座艙接線盒安裝在后部。多功能模擬座艙各組成部件的外觀設(shè)計、安裝方式、電路控制關(guān)系等與多型飛機的機載航姿系統(tǒng)完全一致，模擬和創(chuàng)造了與機載航姿系統(tǒng)一樣的工作環(huán)境，使訓(xùn)練對象的使用操作更加逼真。

2.3 交直流供電電源

交直流供電電源在輸入市電三相380 V/50 Hz電源的情況下，通過內(nèi)部單片機和電源變換模塊的控制、變換、處理，可以有效輸出三相36 V/400 Hz的交流電、單相115 V/400 Hz的交流電和直流27 V直流電。交直流供電電源的核心是三相正弦波逆變電源。由三相正弦波逆變電源由CPU智能控制中心、上位機控制接口、鍵盤顯示接口、電流電壓溫度采樣模塊、過流斷路保護模塊、光電隔離模塊、驅(qū)動電路、DC/DC及AC/DC電源模塊、IGBT模塊、濾波電路等組成。三相正弦波逆變電源如圖5所示。

圖5 三相正弦波逆變電源

2.4 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

對于單片機系統(tǒng)抗干擾性能的好壞直接影響到整個訓(xùn)練裝置工作的可靠性與安全性。因此，抗干擾設(shè)計是訓(xùn)練裝置設(shè)計的一個主要內(nèi)容，主要采用硬件與軟件相結(jié)合的抗干擾措施。

系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計主要包括去耦濾波電路和屏蔽技術(shù)。在印刷電路板的各個集成電路的電源線端與地線端之間配置去耦電容，作為去耦濾波電路。將數(shù)據(jù)處理電路、單片機系統(tǒng)與外部進行屏蔽隔離，避免外部環(huán)境對單片機系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。系統(tǒng)軟件抗干擾設(shè)計主要包括軟件去抖動措施、指令冗余技術(shù)和軟件陷阱技術(shù)。在RAM中設(shè)一些標志，在每次程序復(fù)位時，通過這些標志判斷復(fù)位原因，并根據(jù)不同的標志直接跳到相應(yīng)的程序，使程序運行具有連續(xù)性，避免程序彈飛。

3 軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)使用Visual Basic的MSComm控件控制計算機與機柜的數(shù)據(jù)通信[13-15]，對機柜的每個單元結(jié)合訓(xùn)練科目建立了子程序模塊，對需要控制的航姿系統(tǒng)及部件的交直流供電電路、信號傳輸電路、同步隨動系統(tǒng)電路、控制電機的激磁和控制繞組、放大器的輸入輸出電路、繼電器盒的電源及控制電路等分別建立子程序模塊，在故障設(shè)置時進行調(diào)用，以此實現(xiàn)故障模擬。

系統(tǒng)軟件主要包括串行通訊模塊、角度信號發(fā)送模塊、角度信號采集模塊、中斷服務(wù)模塊、在系統(tǒng)編程（ISP）模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊等，其中串行通信為軟件設(shè)計的核心部分，系統(tǒng)利用此模塊實現(xiàn)一主多從的計算機間的通信。uPSD3254作為主控計算機，由其控制整個通訊過程，主機UART通訊流程圖如圖6所示。

圖6 主控程序流程圖

主控計算機通過不同地址控制各個從機，每一次的通訊過程都有主機發(fā)動。通過地址尋址到從機后，屏蔽其它從機，只與該從機進行通訊。具體通訊過程中，可設(shè)置各種命令和狀態(tài)。從機UART通訊流程如圖7所示。

圖7 主控程序流程圖

從機接收主機發(fā)出的地址信息，與本機地址進行比較，地址不同的從機停止通訊，地址相同的從機與主機一對一通訊，針對不同的命令和狀態(tài)完成各項工作。

4 結(jié) 論

文中設(shè)計的航姿系統(tǒng)綜合訓(xùn)練裝置成功解決了航空兵部隊和院校訓(xùn)練裝備缺乏的現(xiàn)實難題，具有訓(xùn)練內(nèi)容全面、功能齊全、人機交互界面良好、可靠性高、排故訓(xùn)練真實全面的優(yōu)點，滿足了部隊新裝備日常操作訓(xùn)練與技術(shù)保障的實際需要，為一線部隊開展技術(shù)培訓(xùn)，提高部隊維護人員的裝備技術(shù)保障能力，滿足第一任職需要提供了裝備保障。

[1]吳中華，賈秋玲，付緯.基于UKF的無人機航姿系統(tǒng)算法研究[J].計算機仿真，2014，31（8）:41-44.

[2]邸亞洲，周玉平，袁濤.一種航姿指示器綜合檢查儀的設(shè)計[J].儀表技術(shù)，2013，7:17-18.

[3]常健，李榮冰，劉建業(yè)，等.MEMS航姿系統(tǒng)振動環(huán)境適應(yīng)性研究[J].電子測量技術(shù)，2015，36（9）:56-58.

[4]李瑩，楊新，李波.捷聯(lián)航姿系統(tǒng)航行狀態(tài)下的組合對準算法研究[J].艦船電子工程，2015，35（2）:60-62.

[5]王慶輝，陳芳萍，魏立峰.基于MEMS航姿參考系統(tǒng)的角度估計算法研究[J].沈陽化工大學(xué)學(xué)報，2015，29（1）:54-58.

[6]武斌，陳鵬，胡永江，等.小型尾坐式飛行器航姿參考系統(tǒng)[J].測控技術(shù)，2015，34（9）:5-8.

[7]劉維亭，白楊.基于四元素的擴展卡爾曼濾波航姿參考系統(tǒng)算法設(shè)計[J].船舶工程，2015，37（4）:53-56.

[8]周本清.基于主從慣導(dǎo)技術(shù)的航姿系統(tǒng)研究[J].壓電與聲光，2015，37（3）:507-511.

[9]馬幫立.基于自適應(yīng)平方根UKF的微機械傳感器融合航姿估計[J].湖北大學(xué)學(xué)報2015，37（1）:29-34.

[10]王勝奎.基于機載影像傳感器的無人機航姿解算[J].艦船電子對抗2015，38（3）:62-64.

[11]周永剛.基于MSComm控件實現(xiàn)計算機與單片機間的串行通信[J].工業(yè)控制計算機，2013，5:80-81.

[12]蔣萍花，張楠.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)串口通信的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2015，38（6）:139-142.

[13]呂玄兵，陳智杰，宋子建，等.異步串行通信的研究與實現(xiàn)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2015，24（6）:231-234.

[14]蔣欣，蔡明，張偉棟，等.基于FPGA的可反饋式同步串行通信技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（12）: 37-39.

[15]張力.基于單片機與串行通信的電子密碼鎖設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（16）:1-2.

Design of training device for attitude and heading reference system

ZHOU Yu-ping，GAO Feng，YAO Ling-hong，WANG Xiao-fei，SHEN Jiang-jiang
（Naval Aeronautical Engineering Institute Qingdao Branch，Qingdao 266041，China）

This paper designs an training equipment for attitude and heading reference system，it can simulate the operation training subjects for multi-aeroplane attitude and heading reference system，which can make the learners realizing the principle and construction of attitude and heading reference system，while providing the training chances about energized detection，operation situation detection and general faults isolation.Practical experience indicates that it satisfies the army needs of daily operation training and technically guarantee while improving the technically guarantee capability of maintenance workers.

attitude and heading reference system；training subject；equipment guarantee

TN820

A

1674-6236（2017）09-0117-04

2016-04-04稿件編號：201604029

周玉平（1963—），男，河北正定人，高級工程師。研究方向：航空儀表。