基于FPGA的飞机新型总线脱粘故障诊断技术

2023-10-20罗苑琪

粘接 2023年10期

罗苑琪

(中航西安飞机工业集团股份有限公司,陕西西安 710089)

人们对飞机安全性的要求越来越高,导致飞机上的每个电控单元间的数据交换次数也随之提升[1]。传统的飞机总线整机已无法满足各电控单元间数据交换的实时性需求[2],为此研发了飞机新型总线整机,提升数据交换的稳定性与实时性。当飞机新型总线整机出现不同程度脱粘故障时,则会直接影响各电控单元间的数据通信效果[3],间接影响飞机的飞行安全,为此需要研究飞机新型总线整机故障诊断技术,确保飞机各电控单元间能够稳定通信,提升飞机的飞行安全[4-5]。FPGA具备可靠性高、功耗低与实时性强等优势,在各个领域均有较优的应用效果[8-10],通过FPGA实现故障诊断算法,可加快算法运行速度与故障效率,满足人们对故障诊断的实时性需求,应用FPGA还能够提升故障诊断的安全性与可靠性,为飞机新型总线整机正常运行提供有力保障。

1 飞机新型总线整机故障诊断技术

1.1 用于飞机新型总线整机故障诊断的FPGA设计流程

在QuartusⅡ的开发环境内,利用仿真软件Modelsim,设计用于飞机新型总线整机故障诊断的FPGA;QuartusⅡ与Modelsim间以接口的形式,完成数据传输。

用于飞机新型总线整机故障诊断的FPGA设计步骤如下:

步骤1:设计输入。在QuartusⅡ开发环境内输入FPGA的HDL语言与原理图,HDL语言具备较优的状态机与控制逻辑等描述功能。

步骤2:功能仿真。根据输入的HDL语言与原理图,制定FPGA电路设计方案,调用Modelsim仿真软件,对各设计方案进行功能仿真,分析其是否能够满足飞机新型总线整机故障诊断需求[12]。

步骤3:设计综合。为设计符合飞机新型总线整机故障诊断要求的FPGA电路,制定约束条件,得到一个最佳的FPGA电路设计方案。

步骤4:综合仿真。调用Modelsim仿真软件,对步骤3得到的最佳方案进行综合仿真,分析综合结果与原始设计是否相同[13]。

步骤5:布局与布线。综合仿真完成后,将综合输出的HDL门级网表,匹配至FPGA器件的指定位置上,完成布局与布线。

步骤6:布局布线后仿真。将布局布线的HDL门级时序与SDF门级时序信息报告内的时延数据,反标至FPGA设计中,令FPGA仿真过程中,同时涵盖门延时信息与线延时信息。

步骤7:下载配置。在线调试为FPGA设计的最后步骤,即在FPGA芯片内写入完成设计的配置,并对其进行测试,分析FPGA整体设计是否合理。通过测试后,便完成用于飞机新型总线整机故障诊断的FPGA设计。

1.2 基于FPGA的故障诊断技术架构

飞机新型总线整机侧壁与底座间的利用涂胶压合粘接到一起的。飞机新型总线整机是底厚壁薄的,质量主要集中在底部,通过粘接技术将整机底座与侧壁连接到一起,既能够降低工艺难度,又非常有效。采用粘接技术将飞机新型整机底座与侧壁连接到一起,会出现不同程度的脱粘故障,共包含2种程度,分别是完全脱粘与部分脱粘。当飞机新型总线整机出现脱粘故障时,无法以肉眼观察的方式,在外观发现故障。为此,设计基于FPGA的飞机新型总线故障诊断技术,完成故障诊断。以“1.1”小节设计的FPGA为基础,在其内部添加智能算法,完成飞机新型总线整机故障诊断。基于FPGA的飞机新型总线故障诊断技术架构如图1所示。

图1 基于FPGA的飞机新型总线故障诊断技术架构

将摆锤放置在指定高度,令其自由下落,敲击飞机新型总线整机,通过高速采集传声器采集飞机新型总线整机振动信号。通过Hilbert解调法,提取故障振动信号的特征,建立飞机新型总线整机故障数据集。故障诊断单元,利用网络聚类算法,结合飞机新型总线整机故障数据集,输出故障诊断结果。通过PC机呈现飞机新型总线整机故障诊断结果。

1.3 飞机新型总线整机故障振动信号特征提取

(1)

式中:τ为平移因子;a为伸缩因子。

(2)

式中:θ(t)为瞬时相位;b(t)为瞬时振幅;j为虚数。

b(t)与θ(t)的计算公式:

(3)

(4)

根据θ(t)获取飞机新型总线整机振动信号的瞬时频率:

(5)

由b(t)与f(t)得到飞机新型总线整机振动信号的包络信号c(t):

(6)

式中:飞机新型总线整机振动信号数量是i、n;第i个飞机新型总线整机振动信号的瞬时振幅与瞬时频率是bi(t)、fi(t)。

1.4 故障诊断算法的FPGA片上实现

步骤3:求解种子数据和其余数据间的距离关系,通过测地线距离代表飞机新型总线整机故障数据间的关系,计算公式:

(7)

步骤4:按照数据间的关系选择种子数据的邻域数据,将合适的数据聚为一类。

步骤5:在剩余数据内选择新的种子数据,得到新的簇。

步骤6:在FPGA的存储器内存储种子数据,并存储飞机新型总线整机故障数据聚类过程。

步骤8:反复操作步骤4至步骤8,以全部飞机新型总线整机故障数据完成聚类为止。

步骤9:输出聚类结果,即飞机新型总线整机故障诊断结果。

通过FPGA实现网络聚类算法的流程为:当算法处于空闲状态时FPGA不执行聚类,负责设置一个状态令算法的各参数准备就绪;再实施种群初始化,初始化结束后展开测地线距离计算,按照计算计算在群内搜索新的种子;FPGA按照测地线距离选择l个飞机新型总线整机故障数据和种子聚为一类,在l不是零时,进入更新状态。在剩余数据内重现选择一个种子,继续搜索同类故障数据,以全部故障数据完成聚类为止。

2 实验分析

以某航空公司的A380型飞机为实验对象,该飞机内采用的新型总线是AFDX,以涂胶压合粘接的方式,粘接整机,用于封装飞机的AFDX新型总线。该飞机新型总线整机的主要特点如表1所示。

表1 飞机新型总线整机的主要特点

在该航空公司内随机选择3个新型总线整机,分别是无脱粘故障、部分脱粘故障与完全脱粘故障类型的飞机新型总线整机,通过摆锤敲击这3个飞机新型总线整机的底部,利用本文技术采集这3个飞机新型总线整机的振动信号,振动信号采集结果如图2所示。

(a)无脱粘故障整机振动信号

由图2可知,有效采集不同故障时,飞机新型总线整机振动信号,3种故障类型下,飞机新型总线整机振动信号均有所不同,但无法直接依据振动信号,诊断飞机新型总线整机故障,为此需要进一步处理采集的振动信号。实验证明:本文技术具备飞机新型总线整机振动信号采集的可行性,可有效为后续飞机新型总线整机故障诊断提供基础的数据支持。

在采集的飞机新型总线整机振动信号内,提取故障特征,以部分脱粘故障的飞机新型总线整机振动信号为例,故障特征提取结果如图3所示。