用于数字飞控系统的飞行器结构控制耦合试验装置和方法与流程

1.本发明属于飞行器地面试验设备技术领域，涉及一种飞行器耦合试验装置，具体涉及用于数字飞控系统的飞行器结构控制耦合试验装置和方法。


背景技术：

2.数字飞控系统在开展ct试验时使用了扫频仪、信号发生器、示波器、itf、dif、fti、mds等分离的仪器和设备。
3.fti是飞行参数记录设备，itf是综合测试设备，用于模拟飞行器的飞行环境，dif是综合开发设备，mds是模型开发调试系统。
4.试验中仪器和设备的参数设置工作量大，耗时耗力，且数据采集、存储及处理采用简单matlab脚本进行，数据处理不规范且效率低。同时，扫频仪产生与使用的信号都是模拟量，而数字飞控系统接口均为数字信号，需要在分离的设备间进行数字与模拟信号转换，进一步使得试验复杂化。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提供了用于数字飞控系统的飞行器结构控制耦合试验装置和方法，这是一种高度集成化、自动化的结构控制耦合试验装置，适用于数字飞控系统。
6.本发明的技术方案是：
7.用于数字飞控系统的飞行器结构控制耦合试验装置，包括互联接线盒、扫频仪、主控pc机、pxi系统、信号输入系统和信号适配系统，主控pc机通过互联接线盒与pxi系统和信号适配系统连接，pxi系统连接扫频仪，信号输入系统连接pxi系统的输入端，pxi系统的输出端连接信号适配系统；离散输入通过互联接线盒接入本试验装置，飞行器的惯导与本试验装置的信号输入系统连接，飞行器的飞控计算机与本试验装置的信号适配系统连接。
8.进一步的，互联接线盒、扫频仪、主控pc机、pxi系统、信号输入系统和信号适配系统全部部署并固定于一个一体化标准机柜中。
9.用于数字飞控系统的飞行器结构控制耦合试验方法，使用如上所述的用于数字飞控系统的飞行器结构控制耦合试验装置，具体包括以下步骤：
10.步骤一，在主控pc机中对离散输入设备进行连接、运行及停止的控制，完成试验构型需要的外部支持环境及记录环境的配置，根据图形化的扫频仪控制需求生成配置请求并通过网络发送给pxi系统；
11.步骤二，pxi系统根据配置请求，远程接管扫频仪的面板操作设置激励源，并传输、存储和显示扫频仪的扫频结果数据；
12.步骤三，信号输入系统对惯导数据采集接收后进行处理，并通过串口以惯导数据包格式发送给pxi系统；
13.步骤四，pxi系统从惯导数据包中提取扫频反馈信号并传给扫频仪，再接收扫频仪
的扫频激励信号并进行处理后以串口形式发送给信号适配系统，并在pxi系统中对涉及到的数据和伯德图打包通过网络发送给主控pc机；
14.步骤五，信号适配系统将来自于pxi系统的扫频激励信号、离散输入设备的串口和离散信号适配为飞控计算机输入信号要求，并将从飞控计算机发出的信号适配为离散输入设备能够接收使用的串口数据；
15.步骤六，主控pc机获取pxi系统、离散输入设备中产生的数据，并进行存储、画图分析。
16.进一步的，步骤一中的离散输入设备包括itf、fti和dif。
17.进一步的，主控pc机是整个结构控制耦合试验的控制中枢，装有主控管理软件，主控管理软件包括节点管理模块、试验数据管理模块、数据显示分析模块和通信管理模块。
18.进一步的，节点管理模块用于对试验环境中的itf、dif、fti、mds和pxi系统节点设备进行网络通讯参数的配置，以及节点连接状态的控制，过程是首先进行待连接设备的参数配置，通过对itf、dif、fti、mds和pxi系统中驻留软件进行适配，开发具有网络通信功能的模块并提供对驻留软件进行设置与控制的接口，并将适配软件运行在各节点设备。
19.进一步的，试验数据管理模块用于对试验激励数据、试验反馈数据、fti数据和测试结果数据进行获取与存储。
20.进一步的，数据显示分析模块用于对存储的试验数据进行图形化的分析，包括试验数据绘图：对试验激励数据、试验反馈数据和fti数据进行图形绘制；还包括试验数据对比分析：对试验激励数据和试验反馈数据内容采用伯德图进行自动对比分析判断。
21.进一步的，通信管理模块用于与试验环境中的节点设备进行数据通信，主控pc机与dif、fti、itf、rxi、mds模块分别采用tcp方式进行通讯，主控管理软件作为客户端，dif、fti、itf、rxi、mds分别作为服务器。
22.进一步的，pxi系统用于完成对扫频仪的控制和对惯导数据的收发，扫频仪处理的数据为模拟信号，pxi系统将数据在发送给扫频仪之前将数字信号转换为模拟信号；扫频仪提供gpib总线接口来实现对扫频仪的控制、向扫频仪发送数据、从扫频仪接收数据功能；pxi系统中装有agilent io library驱动用于对扫频仪进行操作控制。
23.本发明的有益效果是：
24.1、本发明采用了一体化设计，将众多分离的仪器设备进行了集成，使得结构控制耦合试验过程中的设备连接数量变少，更简单可靠。
25.2、本发明通过使用主控pc机对各仪器设备的控制及参数配置实现远程控制，实现统一的界面化操作。
26.3、本发明通过中心化的主控pc机对试验中的数据进行存储和管理，在试验过程中绘制激励数据、反馈数据和fti数据及数据对比图。
27.4、本发明的装置和方法减少试验支持人员，提升试验实施的自动化程度和试验数据的管理、辅助分析和处理能力，更好地支撑型号研制工作中结构控制耦合试验的高效进行。
附图说明
28.图1是本发明试验装置组成图；
29.图2是本发明试验构型及试验装置内部交联图；
30.图3是本发明的主控管理软件与各参试设备软件的交互关系图；
31.图4是本发明实施例的主控管理软件组成图；
32.图5是本发明实施例的pxi系统控制软件工作原理图；
33.图6是本发明实施例的激励参数配置界面图；
34.图7是本发明实施例的主控图形化分析界面图。
具体实施方式
35.本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。
36.根据以往ct试验经验，研发ct试验自动化测试分析设备，达到集中远程控制扫频仪、信号发生器等标准仪器以及itf、dif等试验设备，程序化处理数据转换工作，并自动存储和管理试验数据、辅助试验数据曲线绘制和对比分析、辅助设计滤波器等目的。减少试验支持人员，提升试验实施的自动化程度和试验数据的管理、辅助分析和处理能力，支撑型号研制工作中ct试验的高效进行。
37.通过将设备互联接线盒、扫频仪、主控pc机、pxi系统、信号输入系统和信号适配系统部署于一体化标准机柜，形成高度集成的结构控制耦合试验装置。对装置中的设备互联接线盒、主控pc机、pxi系统、信号输入系统和信号适配系统的规格选择需要适配机柜的大小，使得在机柜中可以稳定固定。并为扫频仪制作支架，以便固定到装置中。在pxi系统中部署了pxi平台控制软件以完成对扫频仪的控制和对惯导数据的收发，在主控pc机中部署主控管理软件以实现对整个试验过程的自动化控制、对环境中的试验设备的监控管理和试验数据的存储、分析、显示。
38.结构控制耦合试验装置内部各设备连接关系和连接方式及其与试验对象的交联关系如图所示。通过信号输入系统与试验对象的惯导相连实现对试验对象惯导数据的采集；通过信号适配系统与试验对象的飞控计算机相连实现对试验对象提供试验激励；同时通过设备互联接线盒与辅助系统中的fti、dif、itf和mds相连实现对辅助系统的控制及网络数据、串口数据和离散量交互。
39.整个装置的工作流程如下：首先在试验主控中对fti、dif、itf进行连接、运行及停止的控制，完成试验构型需要的外部支持环境及记录环境的配置，根据图形化的扫频仪控制需求生成配置请求并通过网络发送给pxi系统；然后pxi系统根据配置请求，通过labview(pxi)调用agilent io library(pxi)驱动实现远程接管扫频仪的面板操作设置激励源，并自动化传输、存储和显示扫频仪的扫频结果数据；信号输入系统对惯导数据采集接收后进行处理，并通过串口以惯导数据包格式发送给pxi系统；然后pxi系统从惯导数据包中提取扫频反馈信号并通过gpib传给扫频仪，再通过gpib接收扫频仪的扫频激励信号并进行处理后以串口形式发送给信号适配系统，通过gpib接收扫频仪根据扫频反馈信号和扫频激励信号生成的伯德图，通过gpib向扫频仪发送扫频反馈信号，并在pxi系统中对涉及到的数据打包通过网络发送给主控pc机；信号适配系统将来自于pxi系统的扫频激励信号，itf和dif的串口、离散信号适配为飞控计算机输入信号要求，并将从飞控计算机发出的信号适配为fti、dif能够接收使用的串口数据；最后是主控通过网络的方式获取pxi系统、fti中产生的数据，并进行存储、画图分析。(总)
40.需要注意的是，飞控计算机中需要加载完整的飞行控制软件，才能最终测试飞行器结构与控制之间的耦合情况。
41.主控pc机是整个结构控制耦合试验的控制中枢，主要实现对整个试验过程的自动化控制，以及对环境中的试验设备的监控管理和试验数据的存储、分析和显示。下图说明了主控pc机中的主控管理软件与试验中各设备、软件的交互方式。主控pc机通过网络远程指令控制itf、fti、dif，并采集itf、fti、dif反馈的指令执行状态。主控pc机通过网络向pxi平台发送激励参数配置请求及扫频仪控制指令，并通过网络从pxi系统采集反馈数据(来自pxi对惯导数据包的解析)和激励数据(来自pxi对扫频仪激励数据的解析)。
42.主控pc机主要包括节点管理模块、试验数据管理模块、数据显示分析模块和通信管理模块。组成如下图所示。
43.节点管理模块用于对试验环境中的itf、dif、fti、mds和pxi平台节点设备的进行网络通讯参数的配置，以及节点连接状态的控制。
44.首先进行待连接设备的参数配置：通过节点管理模块对itf、dif、fti、mds和pxi平台节点设备进行网络通讯参数的配置，使得主控pc机能通过网络识别到各节点设备，配置的内容为：节点名、ip和端口号；
45.通过对itf、dif、fti、mds和pxi设备中驻留软件进行适配，开发具有网络通信功能的模块并提供对驻留软件进行设置与控制的接口，并将适配软件运行在各节点设备。主控pc机节点管理模块通过脚本宏命令通过网络调用各节点设备的适配层，从而实现对节点设备的控制。
46.试验数据管理模块用于对试验激励数据、试验反馈数据、fti数据和测试结果数据进行获取与存储。该模块提供的主要功能如下：
47.试验激励数据存储功能：实现通过pxi平台控制软件从扫频仪获取试验激励数据并存储的功能。具体为，当控制软件向扫频仪设置激励参数后，获取扫频仪输出的激励数据，并将其传回主控管理软件，主控管理软件中会有一个接收线程随时接收来至pxi平台控制软件的数据，然后将其存放在特定的目录中。同时设置的激励参数信息也将被存放在同一位置并自动建立两者之间关系表，以便后续的查阅与分析；
48.试验反馈数据存储功能：实现通过pxi平台控制软件从惯导信号输入系统连续获取惯导数据并存储的功能。具体为，当主控管理软件设置完成一组激励参数后，就会等待pxi平台控制软件回传其接收到的惯导数据，然后将惯导数据和激励数据存放在同一特定的目录下，直到主控管理软件再次设置一组新的激励参数为止；
49.fti数据存储功能：实现从fti软件连续获取fti表数据并存储的功能。这里，在fti初始化或是开始采集宏命令中需要指明使用的fti数据解析文件，主控管理软件会建立fti数据解析文件与接收的fti表数据之间的对应关系，以便在使用fti数据绘图功能时能正确的绘图；
50.数据显示分析模块
51.数据显示分析模块用于对存储的试验数据进行图形化的分析。
52.试验数据绘图：实现对试验激励数据、试验反馈数据和fti数据进行图形绘制；
53.试验数据对比分析：实现对试验激励数据和试验反馈数据内容进行自动对比分析判断(伯德图)；
54.通信管理模块实现与试验环境中的节点设备进行数据通信。试验主控终端与dif、fti、itf、rxi、mds模块分别采用tcp方式进行通讯。试验主控软件作为客户端，dif、fti、itf、rxi、mds分别作为服务器。
55.pxi系统主要是完成对扫频仪的控制和对惯导数据的收发，下图展示了pxi系统是如何完成这两项工作的。扫频仪处理的数据为模拟信号，数据在发送给扫频仪之前需要将数字信号转换为模拟信号，因此在pxi系统中需要进行数模转换。扫频仪提供gpib总线接口，可以实现对扫频仪的控制、向扫频仪发送数据、从扫频仪接收数据功能。在pxi系统中需要安装agilent io library驱动，提供软件程序对扫频仪的操作，实现扫频仪的自动化程序化操作。
56.pxi系统主要包括串行数据采集模块、数/模转换模块、扫频仪操作模块和串口数据输出模块，通过这些模块实现对扫频仪的自动化控制和对惯导数据的收发。对扫频仪的自动化控制方面，主控pc机通过宏命令脚本将激励参数配置请求发送给pxi系统，由pxi系统的通讯管理模块进行接收，通讯管理模块再将激励参数配置请求发送给扫频仪操作模块，扫频仪操作模块再通过驱动及扫频仪接口实现最终对扫频仪的自动化控制。对惯导数据的收发方面，首先通过串口数据采集模块从信号输入系统中采集惯导数据(为数字信号)，该惯导数据是整个结构控制耦合试验的反馈信号；然后在数模转换模块中先将惯导数据作为反馈数据发送给通讯管理模块以传给主控pc机，并将数字型的惯导数据转换为模拟型数据，然后发送给数据处理模块；数据处理模块将惯导数据中的扫频信号通过扫频仪操作模块的写数据操作发送给扫频仪，从而实现了反馈信号传回扫频仪；另外，通过扫频仪操作模块接收来自扫频仪的激励数据，然后发送给数据处理模块，在数据处理模块中将扫频信号融入惯导数据中，形成可供飞控计算机解析的惯导数据(此处为激励数据)，然后在数模转换模块中将模拟型数据转换为数字型数据，并通过串口数据发送模块发给飞控计算机，从而实现了激励信号作用到飞行器。各功能模块的具体功能及操作如下：
57.串行数据采集模块主要是从惯导数据采集系统中获取试验需要的串行数据(反馈数据)，并按照相应协议发送到d/a模块转换成模拟信号。
58.数/模转换模块主要对串行数据采集模块输入的数字信号转换成模拟信号，然后传输到主控管理软件进行信号对比分析和数据处理模块以提取出试验需要的惯导信息。同时数/模转换模块还需要对数据处理模块输出的融合后激励数据进行模拟信号到数字信号的转换，以适应飞控计算机的信号输入要求。
59.数据处理模块主要是从惯导数据包中提取出试验需要的惯导数据信息并将其通过扫频仪操作模块发送给扫频仪进行信号的对比显示。同时将扫频仪输出的激励数据与原始惯导数据进行数据融合形成新的激励数据包。
60.扫频仪操作模块主要根据主控管理软件传递的激励参数产生ct试验激励数据，并将产生的激励数据回传给主控管理软件。
61.扫频仪操作模块使用labview中的visa接口并通过gpib来操作扫频仪，进行参数的设置与数据读写。主控管理软件与pxi平台控制软件通过tcp进行通讯，主控管理软件通过控制扫频仪操作模块最终控制扫频仪。
62.可使用的visa接口有：设置gpib设备资源名、读数据、写数据。
63.扫频仪主要设置参数为：中心频率、有效扫频宽度、寄生扫频系数、扫频线性度、输
出扫频信号电压、输出电压调节方式。
64.通信管理模块用于与主控管理软件之间进行数据交互，使用tcp协议。pxi平台控制软件作为服务端，主控管理软件作为客户端。
65.串行数据输出模块用于将数模转换模块输入的激励数据输出到串口，并经itf设备进行接口适配后最终输入到飞控计算机。
66.下面再以一个例子说明本发明的装置和方法的原理和效果。
67.采用一定的支撑方式(起落架、悬挂、气弹等)对飞行器进行支撑，将该试验装置的信号输入系统与飞行器的惯导相连，试验装置的信号适配系统与飞行器的飞控计算机相连，飞控计算机在加载正式的飞行控制软件。该试验装置通过扫频仪产生激励信号，并传输至飞控计算机，在飞控计算机中通过飞行控制程序对激励信号进行解算产生舵机指令，飞控计算机通过舵机指令驱动伺服系统动作，从而带动飞行器产生运动，安装于飞行器结构上的惯导测量飞机的运动情况，再由该试验装置将采集到的惯导测量数据经过一系列处理后发送至扫频仪，即为反馈信号，从而得到在该激励及飞行器构型条件下的飞行器结构与控制之间的耦合裕度值。试验装置信号输入系统通过串口方式采集惯导数据，并由信号适配系统按照串口方式将扫频激励数据发送给飞控计算机实现对飞行器的激励。
68.信号输入系统通过串口采集惯导数据，pxi系统通过串口与信号输入系统和信号适配系统相连，通过gpib与扫频仪相连，通过网线与试验主控pc相连；试验主控pc通过网线对结构控制耦合试验过程中交联的mds、fti、dif、itf、pxi节点设备相连以实现远程控制；dif通过离散输入和串口信号实现经由信号适配系统实现对飞控计算机的调试；itf通过离散输入和串口信号实现对试验构型的控制。整个结构控制耦合试验装置主要由主控pc机管理软件与pxi平台控制软件进行支撑。
69.主控pc机是整个结构控制耦合试验的控制中枢，主要实现对整个试验过程的自动化控制，以及对环境中的试验设备的监控管理和试验数据的存储、分析和显示。试验主控pc机管理软件通过节点管理模块对试验环境中的itf、dif、fti、mds和pxi平台节点设备的进行网络通讯参数的配置，以及节点连接状态的控制。试验主控pc机管理软件通过试验数据管理模块对试验激励数据、试验反馈数据、fti数据和测试结果数据进行获取与存储。试验主控pc机管理软件通过数据显示分析模块对存储的试验数据进行图形化的分析，主要包含试验数据绘图功能和试验数据对比分析功能。
70.在惯导数据产生的过程中需要使机载软件处于运行状态，这样其才能将飞行控制软件引入试验进而控制舵面发生改变。另外，fti数据的采集可在机载软件运行过程中的任一需要时刻进行。而对于一般的非fti变量的值数据则需要使机载软件暂停下来并通过dif才能获取到。
71.pxi平台控制软件主要是完成对扫频仪的控制和对惯导数据的收发，主控管理软件通过网络向pxi平台控制软件设置激励参数；pxi平台控制软件的通信管理模块将接收到的激励参数传递给扫频仪操作模块；扫频仪操作模块通过gpib将参数设置给扫频仪使扫频仪根据参数产生激励数据；扫频仪操作模块通过gpib获取扫频仪产生的激励数据；扫频仪操作模块将获取的激励数据传递给数据处理模块，准备与之前接收的惯导数据进行数据融合；数据处理模块将收到的激励数据和需要直接转发的惯导数据进行数据融合，然后将融合后的激励数据传递给通信管理模块，准备传回主控管理软件；通信管理模块将激励数据
发送回主控管理软件，用于主控管理软件后续的数据对比工作；数据处理模块将融合后的激励数据传给数模转换模块；数模转换模块将收到的融合后激励数据从模拟信号转换为数字信号；串口数据发送模块将转换后的数字信号发往飞控计算机，并最终使飞机发送姿态的改变；惯导数据采集系统从飞机结构处采集到惯导数据；串口数据采集模块从惯导数据采集系统获取惯导数据；
72.串口数据采集模块将获取的惯导数据传递给数模转换模块进行数据信号到模拟信号的转换；
73.数模转换模块将转换后的数据传递给通信管理模块；通信管理模块将获取的惯导数据(反馈数据)传送给主控管理软件；数模转换模块将收到的惯导数据传递给数据处理模块；数据转换模块从收到的惯导数据中提取出试验数据，并将其传递给扫频仪操作模块；扫频仪操作模块将收到的指定惯导数据发送给扫频仪用于与激励数据对比显示。如图6和图7所示。