徐殊凝,蔣夢(mèng)濤,張少華

(南京模擬技術(shù)研究所,江蘇 南京 210000)

0 引言

無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV),是一種利用無(wú)線電遙控遙測(cè)設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱,或者由機(jī)載計(jì)算機(jī)完全地或間歇地自主地操作的不載人飛機(jī),一般由無(wú)人機(jī)本體、動(dòng)力裝置、發(fā)射與回收系統(tǒng)、電子電氣設(shè)備等組成。從技術(shù)角度定義,無(wú)人機(jī)可以分為:無(wú)人固定翼飛機(jī)、無(wú)人垂直起降飛機(jī)、無(wú)人飛艇、無(wú)人直升機(jī)、無(wú)人多旋翼飛行器、無(wú)人傘翼機(jī)等。與載人飛機(jī)相比,無(wú)人機(jī)具有體積小、造價(jià)低、使用方便、對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場(chǎng)生存能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于無(wú)人駕駛飛機(jī)對(duì)未來(lái)空戰(zhàn)有著重要的意義,世界各主要軍事國(guó)家都在加緊進(jìn)行無(wú)人駕駛飛機(jī)的研制工作。

火工品是裝有火藥或炸藥,在一定激發(fā)條件下能夠發(fā)生燃燒或爆炸,以引燃火藥、引爆炸藥或做機(jī)械功的一次性使用的元器件和裝置的總稱[1]。無(wú)人機(jī)使用的火工品主要包括爆炸螺栓、火藥切割器、火藥氣囊等。在傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中,火工品因其便捷性和經(jīng)濟(jì)性,在開傘、充氣、拋傘、任務(wù)執(zhí)行等火工通道觸發(fā)上起到了重要作用。但因其易燃易爆的特點(diǎn),火工品的檢測(cè)實(shí)施過(guò)程需要異常謹(jǐn)慎,既要保證火工品測(cè)量的準(zhǔn)確性,又要確?；鸸て窚y(cè)量過(guò)程中的安全性。

在無(wú)人機(jī)的制造、調(diào)試和使用環(huán)節(jié)中,傳統(tǒng)模式下的火工品阻值檢測(cè)過(guò)程為:機(jī)組人員需要將手持式檢測(cè)表連接到無(wú)人機(jī)的檢測(cè)端口,然后通過(guò)觀察檢測(cè)表顯示的數(shù)據(jù)來(lái)判定火工品的本體質(zhì)量和安裝可靠性。此種模式下的檢測(cè)表與機(jī)載飛控器之間沒(méi)有互聯(lián)通信,導(dǎo)致檢測(cè)到的數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)地傳輸至機(jī)載飛控器處理保存,智能化程度較低,同時(shí)也增加了無(wú)人機(jī)在制造、調(diào)試過(guò)程中的工作量和使用成本。此外,當(dāng)手持式火工檢測(cè)表應(yīng)用在海洋軍艦上時(shí),因需要機(jī)組人員靠近無(wú)人機(jī)檢測(cè),大大增加了檢測(cè)的安全隱患。綜上所述,傳統(tǒng)手持式火工檢測(cè)表在安全性、便捷性和可追溯性都有所欠缺,且不利于無(wú)人機(jī)高自動(dòng)化發(fā)展的大趨勢(shì)。

為了提高無(wú)人機(jī)機(jī)載火工品的檢測(cè)效率和安全性,本文設(shè)計(jì)了一款機(jī)載火工阻值檢測(cè)器,在實(shí)現(xiàn)火工阻值自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳的同時(shí),還能將火工品與檢測(cè)電路進(jìn)行物理隔離,以杜絕檢測(cè)電路對(duì)火工品產(chǎn)生誤觸發(fā)等不良影響。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常用火工品主要為電流觸發(fā)型元器件[2],安全電流一般為100～500 mA,觸發(fā)電流范圍為800 mA～3 A,所以在對(duì)火工品的阻值進(jìn)行測(cè)量時(shí)一定要控制好測(cè)量電流的大小,不能超過(guò)安全電流范圍。由于火工品的觸發(fā)電流較小,本文設(shè)計(jì)采用恒流源激勵(lì)方式進(jìn)行檢測(cè),以確?；鸸て吩跈z測(cè)過(guò)程中始終處于安全電流范圍內(nèi)。機(jī)載火工阻值檢測(cè)器可通過(guò)自檢電路來(lái)切換測(cè)量通道,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后發(fā)送給無(wú)人機(jī)飛控設(shè)備,并在遙測(cè)界面上顯示,從而實(shí)現(xiàn)了火工品阻值的無(wú)人化自動(dòng)檢測(cè)和儲(chǔ)存;待檢測(cè)完成后,還能將火工品與檢測(cè)電路進(jìn)行物理隔離。

1.2 恒流源阻值檢測(cè)原理

為確?；鸸て吩跈z測(cè)過(guò)程中始終處于安全電流范圍內(nèi),本文設(shè)計(jì)采用了高精度運(yùn)算放大器和電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)搭建高可靠性的恒流源電路,由于檢測(cè)電流恒定,待測(cè)火工品的阻值便可以轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)進(jìn)行采集,然后通過(guò)差分放大電路對(duì)采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理,最后將該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換再被單片機(jī)識(shí)別[3-4]。

1.3 恒流源電路設(shè)計(jì)

恒流源電路采用的是高精度運(yùn)算放大器和搭配外圍電阻網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)[5],運(yùn)算放大器選用的是TI公司的LM158芯片,該型運(yùn)算放大器具有高增益、低溫漂、高精度的特點(diǎn),可滿足本設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)要求。該恒流源電路使用的電子元器件較少,調(diào)節(jié)精度高,且抗干擾能力強(qiáng),非常適合在高可靠性的機(jī)載設(shè)備上使用,其基本電路如圖1所示。

根據(jù)運(yùn)放的虛短和虛斷特性,可得公式(1):

(1)

同時(shí),該基本電路要求各電阻值需滿足公式(2):

(2)

無(wú)人機(jī)使用的火工品阻值范圍一般在0.8～6 Ω,考慮到火工品的安全電流,本文設(shè)計(jì)的恒流源電路輸出電流為40 mA,帶負(fù)載能力為30 Ω(含10 Ω采樣電阻)。恒流源電路的設(shè)計(jì)如圖2所示,利用R3電位器調(diào)節(jié)阻值,從而到達(dá)公式(2)要求的電阻值配平。

圖2 恒流源電路設(shè)計(jì)

根據(jù)歐姆定律即可求出待測(cè)火工品的實(shí)際阻值,如式(3)所示。

(3)

其中,U測(cè)為待測(cè)火工品兩端的實(shí)際電壓;k為差分放大電路的放大倍數(shù)。

當(dāng)被檢測(cè)火工品損壞時(shí)(通常為開路),其阻值將遠(yuǎn)超恒流源電路的負(fù)載能力,所以測(cè)試軟件將無(wú)法正確計(jì)算出阻值,從而被主控芯片識(shí)別到,給出報(bào)警信息。

1.4 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

1.4.1 主動(dòng)BIT 電路設(shè)計(jì)

機(jī)內(nèi)自測(cè)試(Built-In Test,BIT)通過(guò)在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)內(nèi)附加硬件和軟件,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線故障檢測(cè),是提高無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可靠性、維修性的關(guān)鍵技術(shù)。隨著無(wú)人機(jī)維修性要求的提高,BIT技術(shù)在研究設(shè)計(jì)中占據(jù)的地位越發(fā)重要,已經(jīng)成為維修性、測(cè)試性、可靠性范疇的重要研究對(duì)象[6]。

為了防止機(jī)載火工品的正常工作受到檢測(cè)電路的不利影響,檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了主動(dòng)BIT方式。當(dāng)需要對(duì)機(jī)載火工品進(jìn)行阻值檢測(cè)時(shí),機(jī)載飛控器會(huì)主動(dòng)給火工阻值檢測(cè)器發(fā)送一個(gè)測(cè)試信號(hào),收到測(cè)試信號(hào)后BIT電路內(nèi)部繼電器導(dǎo)通,此時(shí)恒流源檢測(cè)電路便加載到火工品兩端進(jìn)行阻值檢測(cè),待檢測(cè)完成后,繼電器自動(dòng)斷開,實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)電路與火工品之間的物理隔離。

1.4.2 差分放大電路設(shè)計(jì)

傳感器的輸出信號(hào)通常比較微弱,容易受到外界電磁干擾[7],因此,需要使用運(yùn)算放大器對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大,以便后續(xù)的數(shù)字化處理,這時(shí)便用到了差分放大電路,它的作用包括:(1)有效穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn);(2)抑制共模信號(hào);(3)顯著放大差模信號(hào),已被廣泛應(yīng)用于直接耦合電路和測(cè)量電路的輸入端。

恒流源采樣電阻為10 Ω,當(dāng)恒流源電路的輸出電流為40 mA時(shí),采樣電阻上的電壓壓降為0.4 V,該采樣電壓與主控芯片IO口可輸入電壓0～5 V相差較大,為了方便主控芯片采集,需要對(duì)該采樣電壓進(jìn)行放大處理。綜合考慮后,將差分放大電路的放大倍數(shù)選為8,差分放大電路圍繞AD620芯片進(jìn)行搭建設(shè)計(jì)。該芯片是一款低成本、高精度、抗干擾性能強(qiáng)的儀表放大器,具有最高100 dB的共模抑制比和很高的EMC性能,常被用于微弱電壓信號(hào)放大電路。

2 實(shí)際應(yīng)用

機(jī)載火工阻值檢測(cè)器通過(guò)RS232方式與飛控器通信,通信波特率可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配置。由于無(wú)人機(jī)自檢測(cè)時(shí)待檢測(cè)數(shù)據(jù)較多,為防止數(shù)據(jù)丟失,當(dāng)火工阻值檢測(cè)器接收到飛控器發(fā)送的測(cè)試信號(hào)后,將發(fā)送10組檢測(cè)數(shù)據(jù),然后自行關(guān)斷繼電器,完成火工通道的自檢。

將本文設(shè)計(jì)的機(jī)載火工阻值檢測(cè)器與飛控器、火工品連接進(jìn)行聯(lián)調(diào)調(diào)試,圖3為火工阻值檢測(cè)器調(diào)試串口返回的實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)(16進(jìn)制)。

圖3 阻值檢測(cè)器實(shí)際調(diào)試數(shù)據(jù)

調(diào)試數(shù)據(jù)的幀頭是EE 91,最后兩位為數(shù)據(jù)校驗(yàn)位,第3～14位,兩位數(shù)據(jù)為一組,分別表示檢測(cè)到火工品阻值的整數(shù)位與小數(shù)位。測(cè)試用到的火工品實(shí)際阻值在3.3 Ω左右,如圖3所示,6個(gè)檢測(cè)通道電路均能較準(zhǔn)確檢測(cè)出火工品的實(shí)際阻值。如果有火工品損壞,其阻值將遠(yuǎn)超本電路的檢測(cè)能力,串口將返回亂碼數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款機(jī)載火工阻值檢測(cè)器,通過(guò)對(duì)恒流源電路和檢測(cè)電路的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)火工品阻值的自動(dòng)檢測(cè)及電路物理隔離。經(jīng)實(shí)物聯(lián)調(diào)驗(yàn)證,該電路能很好地達(dá)到預(yù)期測(cè)試效果,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)化的火工阻值檢測(cè),提升無(wú)人機(jī)制造、調(diào)試和使用過(guò)程中的便捷性,有效提高無(wú)人機(jī)的保障性。在后期的改進(jìn)設(shè)計(jì)中,可以往測(cè)量精度和測(cè)量冗余方面進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和研究。