CN103744416B - 一种无人机机载电子系统检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机机载电子系统检测设备，属于无人机检测装置技术领域，包括无人机航空电子系统检测模拟设备、编码解码系统和检测系统射频链路，无人机航空电子系统检测模拟设备通过串口与编码解码系统连接，编码解码系统通过检测系统射频链路与无人机机载无线电设备连接。所述设备采用小型化、便携式设计方案，检测工作量小，出动人员少，检测速度快；通过检测系统射频链路与无人机机载无线电设备进行有线连接的方式解决了无人机机载电子系统在检测过程中需要地面控制站频繁开机及与地面控制站自检相冲突的问题。

Description

一种无人机机载电子系统检测设备

技术领域

本发明涉及无人检测装置技术领域，尤其涉及一种无人机机载电子系统检测设备。

背景技术

无人机机载电子系统包括航空电子系统和机载无线电系统，作为中程通用无人机的重要组成部分，担负着为飞机电子系统供电、飞行控制与管理、数据链设备控制与管理、飞行定位与导航、任务设备控制与管理、遥控信号的接收、解码与数据处理、遥测信号的编码与发射等多项重要任务。因此，该系统性能与可靠性对中程无人机系统的作战能力有着重要的影响，一旦出现故障，就有可能导致无人机毁灭性的破坏。

对无人机机载电子系统的检测有两种方法：一、飞行前的技术阵地检测，通过这种检测方式来进行检测时，需要出动的车辆和人员较多，检测过程过于繁琐。二、航空电子系统的加电维护保养。上述检测方法给部队的作战训练带来了极大的不便，主要表现为：（1）限制了无人机系统检测的架次；（2）检测数据不够全面；（3）延长了无人机系统的检测时间；（4）缩短了飞行控制站和地面数据终端的使用寿命；（5）增加了检测人员的电磁伤害。由此可见，传统的航电系统检测极大的加重了无人机队日常的装备维护工作量，给部队造成一定的畏惧情绪，有些部队为了减少装备车辆的出动率和人员出动率，一般都故意避开无人机航空电子设备维护保养这一块内容，严重影响了装备的寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无人机机载电子系统检测设备，所述设备通过检测系统射频链路与无人机机载无线电设备进行连接，具有设备简单、测试方便的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种无人机机载电子系统检测设备，其特征在于包括无人机航空电子系统检测模拟设备、编码解码系统和检测系统射频链路，无人机航空电子系统检测模拟设备通过串口与编码解码系统连接，编码解码系统通过检测系统射频链路与无人机机载无线电设备连接。

本发明的进一步方案在于：所述无人机航空电子系统检测模拟设备包括输入及显示单元、微处理器及芯片组、电源模块、定时器计数器、A/D采集模块、D/A输出模块、串行通信模块、网络接口模块和USB接口模块，被测信号通过输入输出接口输入至A/D采集模块和串行通信模块然后通过PC/104Plus扩展总线传送给微处理器及芯片组进行处理，微处理器及芯片组将处理过的信号通过PC/104Plus扩展总线传送给D/A输出模块然后通过输入输出接口输出至无人机航空电子设备，输入及显示单元与微处理器及芯片组双向连接，电源模块所述和定时器计数器通过所述PC/104Plus扩展总线与所述微处理器及芯片组连接，所述网络接口模块和USB接口模块通过所述PC/104Plus扩展总线与所述微处理器及芯片组连接。

所述检测系统射频链路包括上行通道链路、下行通道链路和上行副遥控链路，在所述上行通道链路中主遥控编码依次经BPSK调制、滤波、数控衰减器、中频放大、滤波、上变频、射频放大、二选一射频开关、滤波器、二选一射频开关输入到环形器，无人机天线接口与环形器相互发送数据，本振Ⅰ和Ⅱ分别为BPSK调制和上变频提供振源，在两个二选一射频开关间为并行的任务机上行滤波器和中继机上行滤波器；在所述下行链路中经环形器输出的信号依次经二选一射频开关、滤波器、二选一射频开关、衰减器、下变频Ⅰ、滤波器、下变频Ⅱ、滤波、AGC中放、滤波和FSK解调输送到编码解码系统，本振Ⅰ和Ⅱ分别为下变频Ⅰ和下变频Ⅱ提供振源，在两个二选一射频开关间为并行的任务机下行滤波器和中继机下行滤波器；所述上行副遥控链路中的副遥控编码依次经FSK调制和滤波器后输入给无人机天线接口，本振为FSK调制提供振源。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述设备采用小型化、便携式设计方案，检测工作量小，出动人员少，检测速度快；通过检测系统射频链路与无人机机载无线电设备进行有线连接的方式解决了无人机机载电子系统在检测过程中需要地面控制站频繁开机及与地面控制站自检相冲突的问题；采用基于帧格式自适应的测控编码技术，有效模拟地面控制站对无人机的遥控遥测过程；通过建立无人机航空电子系统数据库，提升了所述设备检测的信息化能力。

设计了飞控机桥梁式检测和直接A/D、D/A式辅助检测方式，实现了无人机机载电子系统快速、全面、精确的检测。由于无人机机载电子系统的状态信息全部位于下行遥测帧中，检测模拟设备首先将飞控机下传的遥测帧进行解码，提取出相应的信息并用阀值判定法将其与标准数据库信息进行匹配，对故障类型和位置进行初步诊断，然后采用基于模型残差的神经网络故障诊断技术对故障进行快速准确定位。

若通过飞控机测试诊断不能完全定位故障，便以此为基础，首先缩小疑似故障设备和参数的领域范围，然后，利用所述检测模拟设备的A/D、D/A数据采集和转换电路通过接口适配器对相关机载传感器、执行机构设置飞控机进行详细的物理电气特性排查，并采用模糊匹配法对故障进行进一步的隔离和定位。这种基于帧数据提取和A/D、D/A数据采集的综合故障检测定位技术的实现，可实现机载传感器的快速、自动化、精确检测，大大提高了检测精度和效率，有效提高了故障检测系统的容错能力，可准确的将故障定位到现场可更换单元。

将所述检测系统射频链路设计成新型的双工系统，合理有效地整合设备信道；采用参数仿真法辅助设计基于锁相环的多频率合成系统，实现收发通道的准确切换，有效避免了频带设计不准确而带来的杂散频率或环形失锁的问题；采用FSK调制解调技术，输出要求的调制解调信号；采用AGC放大技术，有效放大微弱的解调信号，保证了系统能够正确的解调出信号强度相差很大的信号。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明原理框图；

图2是本发明中无人机航空电子系统检测模拟设备原理框图；

图3是上行通道链路原理框图；

图4是下行通道链路原理框图；

图5是上行副遥控链路原理框图；

图6是任务机上行主遥控链路原理框图；

图7是中继机上行主遥控链路原理框图；

图8是任务机下行主遥控链路原理框图；

图9是中继机下行主遥控链路原理框图；

图10是无人机机载电子系统检测软件框图；

图11是控制舵面故障树结构示意图；

图12是控制舵面故障诊断神经网络的组成结构框图。

具体实施方式

如图1所示，一种无人机机载电子系统检测设备，包括无人机航空电子系统检测模拟设备、编码解码系统和检测系统射频链路。无人机航空电子系统检测模拟设备通过串口与编码解码系统连接，编码解码系统通过检测系统射频链路与无人机机载无线电设备连接。

如图2所示，所述无人机航空电子系统检测模拟设备包括输入及显示单元、微处理器及芯片组、电源模块、定时器计数器、A/D采集模块、D/A输出模块、串行通信模块、网络接口模块和USB接口模块。被测信号通过输入输出接口输入至A/D采集模块和串行通信模块然后通过PC/104Plus扩展总线传送给微处理器及芯片组进行处理，微处理器及芯片组将处理过的信号通过PC/104Plus扩展总线传送给D/A输出模块然后通过输入输出接口输出至无人机航空电子设备，输入及显示单元与微处理器及芯片组双向连接，电源模块所述和定时器计数器通过所述PC/104Plus扩展总线与所述微处理器及芯片组连接，所述网络接口模块和USB接口模块通过所述PC/104Plus扩展总线与所述微处理器及芯片组连接。

所述检测系统射频链路包括上行通道链路、下行通道链路和上行副遥控链路。如图3所示，在所述上行通道链路中主遥控编码依次经BPSK调制、滤波、数控衰减器、中频放大、滤波、上变频、射频放大、二选一射频开关、滤波器、二选一射频开关输入到环形器，无人机天线接口与环形器相互发送数据，本振Ⅰ和Ⅱ分别为BPSK调制和上变频提供振源，在两个二选一射频开关间为并行任务机上行滤波器和中继机上行滤波器。所述上行通道链路包括任务机上行主遥控链路和中继机上行主遥控链路，所述任务机上行主遥控链路原理框图如图6所示，所述中继机上行主遥控链路原理图如图7所示。

如图4所示，在所述下行链路中经环形器输出的信号依次经二选一射频开关、滤波器、二选一射频开关、衰减器、下变频Ⅰ、滤波器、下变频Ⅱ、滤波、AGC中放、滤波和FSK解调输送到编码解码系统，本振Ⅰ和Ⅱ分别为下变频Ⅰ和下变频Ⅱ提供振源，在两个二选一射频开关间为并行的任务机下行滤波器和中继机下行滤波器。所述下行通道链路包括任务机下行主遥控链路和中继机下行主遥控链路，所述任务机下行主遥控链路原理框图如图8所示，所述中继机下行主遥控链路原理图如图9所示。

如图5所示，所述上行副遥控链路中的副遥控编码依次经FSK调制和滤波器后输入给无人机天线接口，本振为FSK调制提供振源。

上行通道链路中，首先用所述编码解码系统送来的遥控编码BPSK调制本振Ⅰ送来的本振信号，得到中频信号，经滤波器滤除调制的多次副瓣信号后送到衰减器，衰减器范围为31dB，用来调整输出信号强度在无人机机载无线电设备的接收动态范围内，再经过中频放大滤波调整混频器的输出信号电平，在混频器中和本振Ⅱ混频，混频后经过一个微带滤波器滤除高次谐波和本振的泄漏信号，根据要检测的无人机机种，控制前后的两个二选一射频开关选通任务机上行滤波器或中继机上行滤波器经环形器即可检测任务机或中继机的主遥控通道。下行通道链路中，根据送遥测信号到环形器的无人机机种，控制前后的两个二选一射频开关选通任务机下行滤波器或中继机下行滤波器，经过衰减器调整接收遥测信号的强度满足混频器的输出信号范围，与本振Ⅰ进行第一次下变频后滤波又与本振Ⅱ进行第二次下变频及滤波得到一个中频信号，由于无人机送来的遥测信号幅度范围很宽，为了保证不同强度的信号都能解调出来，必须加以及AGC放大器放大不同强度的中频信号到一个大致相同的信号强度，AGC放大调整后中频信号经过滤波后送到FSK解调器解调出FSK调制信号，最后送给编码解码系统。

如图10所示，所述无人机航空电子系统检测模拟设备的软件系统主要由五部分组成：遥控指令发送模块、遥测参数接收及显示模块、状态检测及故障诊断模块、模拟训练模块和后台软面板模块。为了利于操作人员操作，所述设备的检测模拟软件系统设计以数字和图形化两种形式提供无人机状态；具有人工遥控和程序控制两种控制方式，可根据需要进行控制转换，实现对无人机飞行操作的模拟训练；可以检测中继机和任务机两种机型的机载电子系统。

遥控指令发送模块：所述设备的检测模拟软件接收来自检测模拟设备键盘和综合显示软面板的遥控信号，经过编码形成遥控帧直接传送给飞控机或通过所述射频链路发送至机载无线电接收设备后在传送给飞控机，具体包括飞行控制模块和数据链管理模块。

遥测参数接收及显示模块：所述设备的检测模拟软件接收来自飞控机或者射频链路的遥测信号，经过解码形成遥测数据流传递给综合参数显示模块和其它后台面板，实现对无人机状态参数的实时显示和动态更新。具体包括飞行参数、发动机参数、飞行状态、指令BIT状态、后台软面板、被控飞机选择以及系统状态栏等模块。

状态检测及故障诊断模块：状态报警区对被检无人机的速度、油量、姿态、电压、停机等故障或状态进行实时显示，分为手动测试和自动检测及诊断。

模拟训练模块：所述设备的检测模拟软件的操作界面整体按照中程无人飞机地面控制站飞行控制软件进行布局，沿用无人机控制界面的黑色色调，按照当前通用飞行控制界面改进飞行姿态角的图形显示方式，可以按照无人机操作规章将模拟训练操作区划分为7个功能区，部分功能区即可用于航空电子系统检测又可进行模拟训练。

后台软面板模块：采用下拉菜单方式，选择综合显示主画面之后的后台软面板，可进行相关控制，同时显示相关参数。后台软面板内容包括：飞行控制设置、数据链控制设置、飞行参数设置、导航参数设置、数据链参数设置、机载设置、地面参数设置和记录与回放设置。

在所述软件系统中采用基于模型残差的神经网络故障诊断结构，神经网络的设计和训练的步骤为：

（1）建立无人机航空电子系统的故障树，设计故障诊断系统结构组成；

（2）确定输入样本集数据和相应的决策属性值，针对故障树各层网络的不同用途，分类处理输入数据；

（3）将建立好的样本集作为神经网络的子网络的输入用以训练神经网络；

（4）分别训练神经网络系统的各子网络，直到达到系统要求的精度；

（5）输入诊断集进行故障诊断。

如图11所示为故障诊断系统的控制舵面故障树的结构示意图，采用故障树分层实现神经网络故障检测方法，可以简化神经网络结构，缩短网络训练时间。对于不同的子网络采用不同的样本输入，由各子网络的判决输出进行诊断，这样就在诊断输出维数不变的情况下达到了简化神经网络结构、提高训练速度的目的，同时又使故障检测系统具有一定的容错能力。因为，当输入属性中有一个或多个属性的采样值由于某种原因发生偏差时，仍然不会影响网络的诊断能力。当各个网络输入是合理的，采用各子网络诊断结果作为诊断结果；当某个诊断子网络诊断结果与其它网络结果偏差较大时，屏蔽此子网络的输出，而考虑其余子网络的诊断结果。

控制舵面故障诊断神经网络的结构，具体如图12所示，故障诊断神经网络包含四层神经网络，第一层神经网络的用途为检测系统是否处于故障状态，如果发生故障,开启第二层神经网络；第二层神经网络作用是判断在升降舵、副翼和方向舵三类舵面具体哪类舵面发生了故障，即判别故障发生的部位；第三层神经网络有三个子网络，每个子网络的作用是检测各个舵面具体是发生了卡死故障还是损伤故障；第四层神经网络有六个子网络，每个子网络的作用是检测各种故障的具体程度，对于卡死故障可以根据舵面卡死的角度分为-20，-18，…，-2，0，2，…，18，20等二十一种故障结果，而损伤则可以根据飞机损伤的故障程度分为10%，20%，…，90%，100%等十种故障结果。

无人机航电系统操作舵面主要有升降舵、副翼、方向舵三种。控制舵面的故障主要由以下几种：升降舵损伤、升降舵卡死、副翼损伤、副翼卡死、方向舵损伤、方向舵卡死。要保证故障诊断系统获得的故障信息全面，又要使特征参数的维数尽可能小，以达到简化系统的目的，因而选取以下几个参数作为系统的故障特征向量，分别为升降舵偏转角、副翼偏转角、方向舵偏转角、滚转角速度、俯仰角速度、偏航角速度、迎角和侧滑角，其它故障诊断功能的设置可以按照上述方法来进行。

所述设备采用小型化、便携式设计方案，检测工作量小，出动人员少，检测速度快；通过检测系统射频链路与无人机机载无线电设备进行连接的方式解决了无人机机载无线电设备在检测过程中需要地面控制站频繁开机及与地面控制站自检相冲突的问题；采用基于帧格式自适应的测控编码技术，有效模拟地面控制站对无人机的遥控遥测过程；通过建立无人机航空电子系统数据库，提升了所述设备检测的信息化能力。

设计了飞控机桥梁式检测和直接A/D、D/A式辅助检测方式，实现了无人机机载电子系统快速、全面、精确的检测。由于无人机机载电子系统的状态信息全部位于下行遥测帧中，检测模拟设备首先将飞控机下传的遥测帧进行解码，提取出相应的信息并用阀值判定法将其与标准数据库信息进行匹配，对故障类型和位置进行初步诊断，然后采用基于模型残差的神经网络故障诊断技术对故障进行快速准确定位。

若通过飞控机测试诊断不能完全定位故障，便以此为基础，首先缩小疑似故障设备和参数的领域范围，然后，利用所述检测模拟设备的A/D、D/A数据采集和转换电路通过接口适配器对相关机载传感器、执行机构设置飞控机进行详细的物理电气特性排查，并采用模糊匹配法对故障进行进一步的隔离和定位。这种基于帧数据提取和A/D、D/A数据采集的综合故障检测定位技术的实现，可实现机载传感器的快速、自动化、精确检测，大大提高了检测精度和效率，有效提高了故障检测系统的容错能力，可准确的将故障定位到现场可更换单元。

将所述检测系统射频链路设计成新型的双工系统，合理有效地整合设备信道；采用参数仿真法辅助设计基于锁相环的多频率合成系统，实现收发通道的准确切换，有效避免了频带设计不准确而带来的杂散频率或环形失锁的问题；采用FSK调制解调技术，输出要求的调制解调信号；采用AGC放大技术，有效放大微弱的解调信号，保证了系统能够正确的解调出信号强度相差很大的信号。

Claims (1)

1.一种无人机机载电子系统检测设备，其特征在于包括无人机航空电子系统检测模拟设备、编码解码系统和检测系统射频链路，无人机航空电子系统检测模拟设备通过串口与编码解码系统连接，编码解码系统通过检测系统射频链路与无人机机载无线电设备连接；

所述无人机航空电子系统检测模拟设备包括输入及显示单元、微处理器及芯片组、电源模块、定时器/计数器、A/D采集模块、D/A输出模块、串行通信模块、网络接口模块和USB接口模块，被测信号通过输入输出接口输入至A/D采集模块和串行通信模块然后通过PC/104Plus扩展总线传送给微处理器及芯片组进行处理，微处理器及芯片组将处理过的信号通过PC/104Plus扩展总线传送给D/A输出模块然后通过输入输出接口输出至无人机航空电子设备，输入及显示单元与微处理器及芯片组双向连接，所述电源模块和定时器/计数器通过所述PC/104Plus扩展总线与所述微处理器及芯片组连接，所述网络接口模块和USB接口模块通过所述PC/104Plus扩展总线与所述微处理器及芯片组连接；

所述检测系统射频链路包括上行通道链路、下行通道链路和上行副遥控链路，在所述上行通道链路中主遥控编码依次经BPSK调制、滤波、数控衰减器、中频放大、滤波、上变频、射频放大、二选一射频开关、滤波器、二选一射频开关输入到环形器，无人机天线接口与环形器相互发送数据，本振Ⅰ和Ⅱ分别为BPSK调制和上变频提供振源，在两个二选一射频开关间为并行的任务机上行滤波器和中继机上行滤波器；在所述下行链路中经环形器输出的信号依次经二选一射频开关、滤波器、二选一射频开关、衰减器、下变频Ⅰ、滤波器、下变频Ⅱ、滤波、AGC中放、滤波和FSK解调输送到编码解码系统，本振Ⅰ和Ⅱ分别为下变频Ⅰ和下变频Ⅱ提供振源，在两个二选一射频开关间为并行的任务机下行滤波器和中继机下行滤波器；所述上行副遥控链路中的副遥控编码依次经FSK调制和滤波器后输入给无人机天线接口，本振为FSK调制提供振源。