基于Labview虚拟仪器技术的无人机综合检测系统

傅飞

（航空工业洪都，江西南昌330024）

基于Labview虚拟仪器技术的无人机综合检测系统

傅飞

（航空工业洪都，江西南昌330024）

基于Labview虚拟仪器开发的无人机综合检测系统，通过与飞控计算机、传感器等组成一个闭环系统，在地面测试验证过程中将能够实现快速数据采集和存储、信号模拟注入和故障注入、数据在线显示、数据回显等功能。其测试设备可以帮助试验人员准确、方便、完整地完成无人机系统的地面测试任务，从而保证无人机系统的功能完备性和可靠性，该综合测试系统已应用于某型无人机上。

无人机，虚拟仪器，综合检测，Labview

0 引言

近年来，随着航空和电子技术的发展，无人机在性能上得到突飞猛进的发展。而无人机飞行功能的日益增多，任务要求越来越复杂，也使无人机系统出现故障的几率越来越高。为保证飞行安全，无人机系统对地面检测工作要求随之变高。因此，便捷可靠的获取无人机系统的完整测试数据，保证数据处理与分析的精度，同时，可模拟并注入各种控制信号，解决整个过程的自动化测试要求，在综合检测系统的设计中显得尤为重要。否则，将明显限制无人机的飞行使用，降低无人机的安全性及其生存能力。由此，本文设计了一种无人机自动综合检测系统。

1 某无人机综合检测系统设计要求

某无人机综合检测设备主要用于飞行前对无人机系统进行综合测试，根据测试结果判断无人机系统状态，决定是否能够放飞；同时，该设备还包含任务生成、飞行航路的预订和任务特征数据生成等功能，并将生成结果装入飞行控制系统并进行回检。

综合检测系统设计思想是外场环境下的使用，设计时应以操作简便性、系统可靠为原则，在满足可靠性指标的前提下，尽量提高系统的自动化和综合化程度。无人机地面综合检测系统设计时通常要考虑以下两点：

1）能够全面了解整个飞行控制系统的工作运行状况，对于异常情况要尽可能高地给出故障位置、类型等关键信息，并具有将故障隔离到外场可更换部件的能力。

2）通过该系统的飞行航路与任务生成及装订功能，能够根据航路规划信息生成飞行轨迹数据和初始装订数据，并快速、正确地输入到飞控机中。

2 某无人机综合检测系统设计

该系统采用基于PCI总线的虚拟仪器平台,使用便携式工控计算机和PCI总线数据板卡，配上基于Labview可视图形化编程技术开发的应用软件及驱动，共同完成传统仪器的功能,构成虚拟仪器。基于虚拟仪器平台的测试技术已成为目前测试技术发展的主流，通过应用灵活的计算机软件代替传统仪器的某些硬件,使用计算机直接参与测试信号的产生与测量特征的解析，增加了设备的开放性和灵活性。可在试验过程中随时进行软件升级更改虚拟设备，满足不同测试任务需求，与使用专有设备相比则更具有便利性、经济性和实用性。

2.1 某无人机综合检测系统功能

该无人机综合检测系统可以通过放行和截断流进飞行控制计算机和流出飞行控制计算机的各类信号。利用系统设置的测量点可以得到这些信号的真实值，还可以在各个信号处于截止状态的时候人为地注入所需要的信号进行测试。是一种集信号模拟与自动注入功能、自动故障注入功能、信号自动测量功能、数据自动化处理与记录功能为一体的无人机自动综合测试系统。

同时，为保障外场试飞的需求，该无人机综合检测系统还增加了航路规划、飞行数据回放、数字仿真模块、控制律验证等功能模块。

其综合测试系统各模块的具体功能如下：

1）部件检测模块

可以检测垂直陀螺、速率陀螺、磁航向传感器、动静压传感器、GPS导航、舵机、发动机等部件的故障，并自动生成故障检测报告。

2）系统状态检测模块

可以通过信号模拟与自动注入功能，完成无人机飞行控制、状态参数的测试，并具备采样、显示、分析和存储所有机载传感器输出和飞行控制计算机给定参数的功能，可自动生成飞行控制、状态参数检测报告。

3）飞行数据回放分析模块

可以对试验飞行后的数据进行回放，并进行后期采样分析处理、自动生成试飞分析报告。

4）航路规划模块

可以完成无人机任务航路的规划，并通过测试端口将飞行航线预先注入飞行控制与管理计算机中，还可进行航路的删除、查询、起点设置等操作。

5）数字仿真模块

可以通过解算仿真模型，输出飞机的运动航资信息和定位信息到飞行控制与管理计算机中，完成无人机的飞行仿真、自主导航和应急控制程序的动态测试，并自动生成仿真测试报告。

6）飞行控制律设计验证模块

后期完善该系统时，加入飞行控制律设计验证模块，则可以通过分析试飞后的数据调整无人机的飞行控制律，并在该模块上进行验证或改进设计。

2.2 综合检测系统硬件设计

系统遵循模块化的设计思想，其体系结构如图1所示。

其中，电源管理模块连接电源输入，并提供通断控制、电压电流监测及保护；串口通讯模块实现无人机综合检测系统与机载设备之间的数据通讯；信号调理模块主要是对机上需要测量的信号或地面提供给飞机的激励信号进行隔离、放大和保护，再通过数据采集模块将其输入到综合检测计算机;接口适配器是地面综合检测系统和无人机连接的通道,是保证本系统通用性的重要环节；综合检测计算机是系统的核心，既是软、硬件连接的桥梁，又是软件运行的基础；数据输出包括数据的显示、存储、打印等。

由于系统模块化的结构,硬件设计可以分解进行,其中综合检测计算机、电源管理模块、信号调理模块(含通讯模块)、接口适配器分别集成在单独的机箱内,最后采用标准机柜联成有机整体。整个系统可采用市电或油机供电，体积小、重量轻，方便转场和现场使用，满足无人机通用一、二线检测设备设计要求。

2.3 综合检测系统软件设计与实现

综合检测仪软件是运行在测试计算机上的专用软件，测试软件是测试设备完成对飞控系统检测的重要部分。该无人机综合检测系统软件采用当前在测试测量领域运用最广泛的Labview语言开发，具有功能强大的应用模块、便捷高效的扩展接口和十分友好的用户界面。

测试软件可以全面采集进出飞行控制系统的信号，也可以通过信号模拟的功能向飞控系统注入激励信号。采用该方法可以快速检测飞控系统各部件的故障情况，简单可靠，非常适用于外场便携式检测系统设计。

系统采用结构化、模块化编程思想进行软件设计，整个软件按功能可分为系统状态检测模块、航路规划模块、飞行数据回放模块、大气数据检测模块、部件检测模块、数字仿真模块、控制律验证模块及打印输出模块等。整个无人机综合检测系统软件架构如图2所示。

2.3.1 用户交互界面设计

无人机综合检测系统用户界面的设计本着界面友好、操作简单、最大限度的方便试验人员使用的原则来进行。主要功能模块的用户界面设计见图3和图4。

2.3.2 软件主要模块的设计

1）顶层软件总体运行流程

软件功能设计是系统软件能够正常运行，实现设计需求的根本。应以实现功能为前提，在保证功能实现的基础上尽量优化程序结构和算法，以求最大限度的发挥计算机性能，减少不必要的性能损耗和资源浪费。

本系统软件设计采用模块化、结构化的理念设计思路，将系统软件按结构化分为顶层管理软件、中间应用软件和底层支撑软件，中间应用软件将其功能模块化设计为系统状态检测模块、部件检测模块、航路规划模块、大气数据检测模块、数字仿真模块和控制律验证模块等，无人机综合检测系统软件构架见图5。

2）应用层软件设计简介

中间应用软件是系统软件设计的核心，是整个系统软件功能实现的具体实施，按其功能模块化设计可分为系统状态检测模块、部件检测模块、航路规划模块、大气数据检测模块、数字仿真模块和控制律验证模块等。本系统模块软件都采用可视图形化编程软件Labview编写，采用模块化设计思路，软件程序可读性好、开发周期短、方便修改扩展，并具有很好的维护性和可靠性。

两主要模块的图形化程序见图6和图7。

2.3.3 测试结果分析

为满足测试人员对测试结果实时呈现和事后分析的需要，本系统软件设计有实时数据显示界面、后台数据存储库及数据回放分析模块。图8为后期通过数据分析模块获取的系统检查曲线。

3 结语

基于Labview虚拟仪器技术的无人机综合检测系统结构简单、成本低、可靠性高、界面友好、易于携带。对不同型号的无人机只需更改接口部分的软件程序即可为其所用，具有很强的通用性，可适用于各类中小型无人机，目前已成功应用于多个型号的无人机综合检测项目上。

[1]陈欣,夏云程,董小虎.一种全数字无人机飞行仿真系统[J].南京航空航天大学学报.2001,33(2):200-202.

[2]周军涛.基于虚拟仪器的无人机自动综合测试系统设计与实现.

[3]顾友华.基于虚拟仪器的综合测试系统开发[D].西北工业大学.

[4]周军涛.基于虚拟仪器的无人机自动综合测试系统设计与实现[D].西北工业大学.

[5]虚拟仪器介绍.北京：中科泛华测控技术有限公司，2003.

Integrated UAV Test System Based on Labview Virtual Instrument Technology

Fu Fei
(A灾IC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi 330024)

The integrated UA灾test system is developed based on Labview virtual instrument.This system constitutes a closed loop system together with flight control computer,sensors and so on,so as to achieve fast data acquisition and storage,signal simulation injection and fault injection,data display online,data replay etc in the process of ground verification test.This test system can help test personnel correctly,conveniently and completely conduct ground test tasks of UA灾,thus ensuring function completenss and reliability of UA灾system.This integrated system has been applieded on one certain type of UA灾.

UA灾；灾irtual instrument；Integrated test；Labview

2017-08-26）

>>>作者简介 傅飞，男，1981年出生，2003年毕业于大连理工大学，高级工程师，现主要从事无人机系统设计工作。