无人机综合校准与检测系统设计与实现

陆文骏

（安徽三联学院 电子电气工程学院，安徽 合肥 230601）

无人机装备技术先进、设备复杂，涉及专业领域多，技术保障难度大．目前仅依靠少量的检测仪表对装备进行检查，凭借经验对装备的性能做出判断．由于检测手段单一、设备简陋、经验不足，难以全面、系统、准确地把握无人机系统的技术状态，无法对日常维护保养效果做出客观评价[1]．装备现场技术保障与实验室条件下的技术保障有较大的区别，如何保证在现场恶劣的环境下对影响装备技术性能的指标简单高效、准确可靠地测量，一直是装备计划、管理和使用人员难以解决的问题[2]．此外，由于装备间的个性差异，国内其他装备技术保障研究机构的研究成果也难以在无人机装备技术上沿用．

本文就是为了解决无人机装备技术保障这一难题而提出的，以保障装备的完好率为目标，以无人机装备现场校准检测为工作模式，以多测试资源的系统集成为技术手段，通过对无人机系统技术保障设备和相关技术的研究，解决无人机系统装备技术保障的难题．

1 国内外相关技术研究现状

1.1 国外研究现状

国外一直把无人机作为重要的武器装备来发展，并同步发展了相应的技术保障装备．如美军的“猎人”无人机多次参加实战，几乎未出现任何技术故障，虽然大多数装备已经服役了多年，但始终保持着较高的战备率和战斗出动强度，而且他们始终把装备的技术保障作为战斗力保持和增长的倍增器和武器装备研制、试验、使用和维修过程中必不可少的重要手段．美军对各种高空、远程复杂的无人机装备的技术保障无疑具有其完整的技术保障体系，具体形式和方法因保密原因，极少对外报道，难以查到有关资料，其他外军无人机技术保障、维护情况也未见报道，可以推断国外已经具备了无人机装备综合技术保障能力．

1.2 国内研究现状

我国无人机装备发展迅速，但对无人机装备的技术保障方法和模式研究力度不够，实现手段不完善．随着高新技术装备的不断列装使用，我国已经逐步认识到装备技术保障的重要性．目前，国内已有科研院所针对无人机系统开展了测试与计量研究工作[3-6]，这些研究在需求论证、单项重要指标测试方面较深入，也有单项测试仪器和自动检测设备的成果应用，但总体上功能单一，系统测试主要采用通用标准仪器，对装备运行动态参数检测能力弱，很难进行动态参数测试和性能的科学评价．

2 无人机综合校准与检测系统的总体设计

2.1 系统功能及主要技术指标

（1）系统功能．综合校准与检测系统主要分为校准和检测两大部分，具备以下功能：具有检测主控站、无线数据链误码率、飞机伺服系统、回收系统、各类供电电源、整机电缆的能力；具有校准发射设备功率和频率、接收设备灵敏度、气压高度传感器、缸温传感器、角速率传感器、垂直陀螺的能力，具有测试参数实时显示、现场工作环境自动采集、测量结果及时打印、归档的功能．

（2）系统技术指标．包括总体技术指标和测量参数指标，其中，总体技术指标有11 个项目（详见表1），测量参数指标有7 个参量（详见表2）．

表1 综合校准与检测系统总体技术指标

表2 综合校准与检测系统测量参数指标

测量参数指标：

2.2 系统组成

通过对综合校准与检测系统的功能分析可以确定其系统框架，如图1 所示，系统框架主要由无线数据链系统校准设备、机载测量系统校准设备、飞行控制系统检测设备、主控制器等几个部分组成．

图1 综合校准与检测系统框架图

3 无人机综合校准与检测系统的实现

综合校准与检测系统设备的组成和接口关系复杂，其技术设计与实现主要包括硬件、软件和信息接口三部分内容．

3.1 系统的硬件实现

充分考虑不同校准检测环境和项目的实际情况，系统硬件采取模块化设计思想．无人机装备性能参数校准检测设备不仅需要研制适合装备特点的关键设备及其附属模块，还需要选购通用仪器仪表，对通用仪器设计主要是仪器的选型应与被试设备参数范围相适应，并兼顾成本和可靠性．根据设备功能要求，系统硬件设计重点是无线数据链系统校准设备、机载测量系统校准设备和飞行控制系统检测设备．无线数据链系统校准设备主要用于平时或战时装备现场条件下校准链路的综合性能[8-9]，重点是上、下行链路发射功率及接收最低电平指标的校准，从而给无人机系统的作战距离作出定量评定．这部分硬件技术设计的重点是功率计探头、指示器和程控衰减箱在各个不同频点、不同环境下测量结果的一致性与稳定性的保证，构建出适合装备现场测量平台．机载测量系统校准设备主要用于机载各类传感器的校准[10]，重点是垂直陀螺、角速率陀螺的校准，其硬件技术设计的重点是高准确度姿态校准台机械结构设计、驱动控制模块的设计．飞行控制系统检测设备主要用于机库或野外条件下对飞机姿态、机载计算机、飞机伺服舵机进行综合检测[11-12]，检测三者之间的控制和反馈全过程的工作情况．充分利用机载测量系统校准设备已有的硬件资源，另外设计了舵偏角采集模块、接口适配模块．

综合校准与检测系统硬件组成结构图如图2 所示．

3.2 系统的软件实现

软件功能的完备性、易用性，软件结构的先进性、可扩展性，以及软件系统运行的安全性、可靠性，是综合校准与检测系统成功与否的关键[13-14]．系统对无人机各组成部分实施控制，对校准、检测数据进行管理，对无人机状态评定和故障诊断[15]等都需要通过软件来实现．因此，系统软件设计是总体设计的重要内容，主要包括软件功能和需求分析、软件框架设计、软件开发平台的选择和功能分析等内容．

系统软件设计中除了要实现软件功能外，还要充分考虑系统软件运行的可靠性、安全性，因此，系统在每次启动后，通过系统自检模块检测硬件电路、数据通信链路、I/O 端口配置和反馈信号，确保系统安全可靠的工作．无人机工作状态的改变及无人机上多个被测设备的工作模式控制和状态获取大多由RS-422 或RS-232 串口进行通信，为了实现无人机上众多设备的快速实时同步校准与检测，系统提供了与无人机多达12 条串行通信接口通道．因此，多串口条件下串行接口实时高速数据通信成为软件设计的关键问题之一，系统采用多项技术，从硬件和软件两个方面彻底突破了系统数据采集速度的瓶颈，多通道同时工作时数据通信正常且软件实时性不受影响．数据处理和显示是系统另一个重要的方面，系统运用数据库技术存储海量数据，采用图形化技术和视景仿真技术将数据显示给用户，友好性较强．

（1）软件框架设计．综合校准与检测系统软件设计采用自顶向下、模块化、结构化的设计方法，其主要功能包括系统自检、无线数据链系统校准、地面主控站检测、无人机飞行控制系统检测、机载测量系统校准、任务控制电缆检测、设备驱动、数据库管理、无人机系统性能评估、故障自动诊断等．

（2）系统信息接口设计．主要包括系统与被测无人机的接口方式和系统校准检测的数据来源接口方式有RS-422 和RS-232 异步行通信接口其中GPIB 接口用于实现GPIB 设备与校准与检测系统主机的数据接口．USB 接口用于实现系统与外部设备的USB 通信，实现校准与检测数据的导入导出．该接口基于USB 2.0 高速传输协议，网络接口主要用于实现系统对被测无人机设备的远程控制校准与检测、状态评估和故障诊断，系统提供了网络接口，该接口基于TCPIP 协议．系统准检测的数据来源包括无线数据链系统数据，地面主控站检测数据，地面站发送的遥控命令数据，无人机飞行控制系统的检测数据，机载测量系统数据．无线数据链系统数据包括上行和下载链路中的地面主控站、地面数据终端、无人机的发射功率和频率校准数据，无人机的接收灵敏度数据和遥测功率校准数据．地面主控站检测数据包括发给地面主控站的模拟遥测数据，地面站发送的遥控命令数据．无人机飞行控制系统的检测数据包括系统主控设备发送给系统转台的命令、无人机发送给系统的遥测数据、倾角传感器发送给系统主控设备的角度数据、系统发送给无人机的遥控命令．机载测量系统数据含机载传感器和仪表的校准数据，主要包括温度、湿度传感器获得的温湿度数据，不同条件下的气压、动压数据，垂直陀螺的俯仰角和行程数据，角速率数据和通过数据采集卡测得的各种数据．

以上校准检测系统与机载计算机、地面数据终端等设备采用了RS-422 异步串行通信接口，该接口采用全双工通信方式，校准检测中通信波特率为38 400 bits/s．

校准检测系统与各种检测设备，如功率计、干式温度校验器等设备接口采用了RS-232 串行通信接口，校准检测中通信波特率为9 600 bits/s．

无线链路校准中，频率的校准通过GBIP 接口将频率计与系统主机相连．

USB 接口主要用于数据备份和外部数据输入．校准检测系统数据库数据的备份，校准检测过程中获得的图像等数据需要通过USB 接口输入系统主机．

网络接口通过网卡实现控制和校准检测数据的高速远程传输．利用该接口实现无人机系统的远程校准检测和故障诊断．该接口基于TCP/IP 协议，校准检测系统软件采用RS-232 与TCP/IP 转换的方法，将RS-232 和RS-422 协议获取（或发送）的数据通过TCP/IP 协议传输，从而实现远程校准检测．

（3）无人机系统性能综合评定软件设计．无人机系统性能综合评定模块在对无人机系统各组成模块检测结果的基础上进行，主要评定无人机各组成部分对无人机系统整体性能的影响．评定时，将参与评定的对象划分为无线数据链系统、地面主控站系统、飞行控制系统、机载测量系统、任务电缆检测5 个部分，囊括了无人机装备全系统的主要技术状态．综合检测评定模式在分系统校准检测评定完成的基础上进行，根据各分系统校准检测数据结果和分系统校准检测项目对无人机整体性能的影响指数，确定出无人机系统的整体性能状态．

4 综合校准与检测系统试验

为了验证“无人机综合校准与检测系统”实现的各单项技术样机及系统样机工作性能，测试系统主要技术指标是否满足研制任务书要求，完成了以下项目的测试与试验，如表3 所示．

表3 综合校准与检测系统测试与试验项目一览表

4.1 综合校准与检测系统指标测试

系统指标测试主要验证系统测试参数的主要技术指标是否满足系统功能的要求．主要包括无线数据链系统校准设备指标测试、机载测量系统校准设备指标测试、飞行控制系统检测设备指标测试．

4.2 环境适应性试验

无人机综合校准与检测系统的环境适应性试验主要包括各分系统样机及系统样机的高、低温试验，详细数据参见附件．在系统整机集成之后，装载在解放型卡车以时速30 km/h 在碎石路上运输6 h，以及装载在依维柯以时速20 km/h 在土路上运输6 h，系统仍能稳定、准确、可靠运行．

4.3 重复性及稳定性试验

综合校准与检测系统在机库进行了重复性试验．主要校准参数的重复性试验如下：

（1）在相同的测量条件下，对气缸头温度传感器进行10 校准，校准点选取100 ℃，测量值分别为100 ℃、100 ℃、100 ℃、100 ℃、100 ℃、100 ℃、102 ℃、100 ℃、100 ℃、102 ℃，其重复性0.84 ℃；

（2）在相同的测量条件下，对气压高度传感器进行10 次校准，校准点选取1 000 m，测量值分别为1 005 m、1 005 m、995 m、1 000 m、1 005 m、1 010 m、1 005 m、1 005 m、1 010 m、1 005 m，其重复性为4 m；

（3）在相同的测量条件下，对动压传感器进行10 次校准，校准点选取150 km/h，测量值分别为148.6 km/h、149.4 km/h、148.6 km/h、147.2 km/h、148.4 km/h、149.2 km/h、148.6 km/h、149.2 km/h、147.4 km/h、148.2 km/h，其重复性为0.7 km/h；

（4）在相同的测量条件下，对垂直陀螺的俯仰角进行10 次校准，校准点选为10°，测量值分别为9.9°、9.8°、9.7°、9.8°、9.8°、9.9°、9.8°、9.8°、9.8°、9.7°，其重复性为0.07°；

（5）在相同的测量条件下，对地面数据终端主通道发大功率指令时的发射功率进行10 次校准，选取1 频点，测量值分别为42.48 dB、42.48 dB、42.31 dB、42.24 dB、42.51 dB、42.27 dB、42.25 dB、42.28 dB、42.36 dB、42.28 dB，其重复性为0.10 dB，不超过合成不确定度的2/3；

（6）在相同的测量条件下，对上行主通道接收灵敏度进行10 次校准，选取1 频点，其衰减量的测量值分别110.0 dB、110.0 dB、100.0 dB、100.5 dB、100.0 dB、100.0 dB、100.5 dB、100.0 dB、100.0 dB、100.0 dB，其重复性为0.21 dB，不超过其合成不确定度的2/3.

每隔3 个月，在无人机机库对无人机系统进行综合校准与检测，测试结果与重复性试验基本一致．试验结果表明，系统性能稳定可靠．

4.4 试验结论

试验结果表明无人机综合校准与检测系统功能完备，技术手段先进、性能稳定，能够对无人机装备进行科学的计量测试，为无人机系统试验、使用、维护、维修提供了切实可行的测试评定方法和有效手段．具体如下：

（1）无线数据链校准设备能够实现对中短程无人机系统的发射设备的信号功率、频率、接收设备的接收灵敏度、动态范围、误码率等重要技术指标准确稳定校准检测；

（2）无人机姿态校准台作为飞机姿态角标准激励，为垂直陀螺、角速率陀螺提供了高精度的空间角的激励源，自动完成垂直陀螺、角速率陀螺的校准，解决了角速率校准的难题；

（3）基于PXI 系统虚拟仪器开发平台的无人机综合校准与检测系统软件功能完备、运行可靠；

（4）功能测试、环境适应性试验结果表明系统样机结构设计合理、安装维护方便、抗干扰性强、可靠性高、可维护性强，具备工程化应用条件．

5 结 论

提出了无人机实装测试与半实物仿真测试相结合的综合校准检测方法，构建了基于多总线的无人机测试系统框架，研发了无人机综合校准与检测系统，实现了对无人机无线数据链系统、飞行控制系统和机载测量系统等设备的检测与校正功能，解决了无人机装备现场校准与检测难题，提升了无人机战时技术保障能力；突破了基于闭环可控的无线数据链校准设备设计、无人机射频弱信号宽动态范围高精度测试等关键技术，研制了无线数据链校准设备，解决了无线链路主要参数校准检测的难题，为装备日常维护、训练及飞行任务前的技术保障提供了定量评定手段；提出了无人机姿态半实物仿真校准方法，研制了低成本、高精度的无人机姿态校准台，实现了垂直陀螺、角速率陀螺的动态校准，为无人机装备研制、技术研究提供了科学有效的试验平台；建立了无人机飞行控制系统在线检测方法，攻克了多总线并行数据实时采集处理技术，解决了无人机装备技术准备耗时长、人员多、磨损严重的现实问题，有效延长了装备使用寿命．