基于嵌入式处理与FPGA架构的飞机重心调节控制系统及方法与流程

本发明属于飞机定型试飞科目重心调节技术领域，具体涉及一种飞机重心调节的控制方法。

背景技术：

飞机重心调节系统实现自动化调节，自动控制的实现就是通过控制装置使过程在没有人直接参与的情况下自动的按照预定的规律运行。一般使用工业控制计算机为核心的控制系统来实现自动控制测量，即可编程逻辑控制器(简称plc)，该系统中包括cpu模块、模拟量输入(ai)模块、开关量输入(di)模块、模拟量输出(ao)模块、开关量输出(do)模块及电源模块以及通讯模块通过“搭积木”的方式共存于专用的底板上，通过内部总线交换信息。但是工业控制计算机在飞机试飞科目的重心调节中应用存在较为明显的弊端，其较弱的抗干扰能力与电磁兼容能力将会直接影响其工作的稳定性，导致现有的飞机重心调节控制方法的控制风险较高、控制系统的性能较差。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的飞机重心调节控制方法的控制系统的性能差的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：基于本发明的一个方面，基于嵌入式处理与fpga架构的飞机重心调节控制系统，

所述飞机重心调节控制系统包含有嵌入式处理部分和fpga架构部分；

所述嵌入式处理部分包含有参数的显示与输入模块、重心实时计算模块和串行口rs422模块；所述fpga架构部分包含有模拟电流采集模块(ai)、数字信号输入输出模块(dio)、模拟电流输出模块(ao)、航空总线429模块和pid控制模块；

模拟电流采集模块(ai)用于采集传感器的输出信号，并对采集到的传感器输出信号进行平滑滤波得到滤波结果的数据，将滤波结果的数据发送给嵌入式处理部分；

数字信号输入输出模块(dio)用于采集执行机构的反馈信号，并根据反馈信号来判断执行机构的工作状态，再将执行机构的工作状态数据发送给嵌入式处理部分；

航空总线429模块用于实时读取飞机姿态信息与燃油数据信息，并将读取到的信息解码转变为可供处理的数据后发送给嵌入式处理部分；

嵌入式处理部分的参数的显示与输入模块用于根据接收到的数据来刷新显示界面，并通过显示界面设置飞机重心的预设定值；

嵌入式处理部分的重心实时计算模块用于计算飞机的实时重心值；

pid控制模块从重心实时计算模块获取飞机的实时重心值，同时利用从参数的显示与输入模块获取的飞机重心的预设定值来计算控制信号，并将控制信号通过数字信号输入输出模块(dio)和模拟电流输出模块(ao)输出给控制机构，实现对飞机重心的调节；

串行口rs422模块用于将嵌入式处理部分接收到的数据以及重心实时计算模块计算的数据作为遥测数据发送出去。

基于本发明的另一个方面：基于嵌入式处理与fpga架构的飞机重心调节的控制方法，该方法通过以下步骤实现：

fpga架构部分的模拟电流采集模块(ai)采集传感器的输出信号，并对传感器的输出信号进行平滑滤波得到滤波结果数据；fpga架构部分的航空总线429模块实时读取飞机姿态信息与燃油数据信息、并将读取到的信息解码转变为可供处理的数据(实际的处理方法是429总线特有的基于label号的数据挑选方式)；fpga架构部分的数字信号输入输出模块(dio)采集执行机构的反馈信号，并依据采集的反馈信号来判断执行机构的工作状态，以得到执行机构的工作状态数据

嵌入式处理部分接收fpga架构部分的数据，参数的显示与输入模块根据接收到的数据来刷新显示界面，并通过显示界面设置飞机重心的预设定值；重心实时计算模块根据接收到的数据来计算飞机的实时重心值；

pid控制模块利用从重心实时计算模块获取飞机的实时重心值和从参数的显示与输入模块获取的飞机重心的预设定值来计算控制信号，并将控制信号通过数字信号输入输出模块(dio)和模拟电流输出模块(ao)输出给控制机构，实现对飞机重心调节的控制；

串行口rs422模块用于将嵌入式处理部分接收到的数据以及重心实时计算模块计算的数据作为遥测数据发送出去。

本发明的有益效果是：本发明设计了一种基于嵌入式处理与fpga架构的飞机重心调节控制系统及方法，本发明协同考虑硬件资源与软件需求，充分利用了fpga架构可完全重配置与提供硬件定时的快速性与稳定性，实现数据采集与控制逻辑，并根据需求配置了不同i/o功能模块；也充分利用了嵌入式处理部分能够完成复杂算法计算的优势，即通过搭建飞机重心实时计算与飞机重心调节控制系统平台，本发明实现了数据的高速传输与处理，提升了控制系统的性能。

附图说明

图1是本发明的基于嵌入式处理与fpga架构的飞机重心调节控制系统的结构图；

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的基于嵌入式处理与fpga架构的飞机重心调节控制系统，所述飞机重心调节控制系统包含有嵌入式处理部分和fpga架构部分；

所述嵌入式处理部分包含有参数的显示与输入模块、重心实时计算模块和串行口rs422模块；所述fpga架构部分包含有模拟电流采集模块(ai)、数字信号输入输出模块(dio)、模拟电流输出模块(ao)、航空总线429模块和pid控制模块；

模拟电流采集模块(ai)用于采集传感器的输出信号，并对采集到的传感器输出信号进行平滑滤波得到滤波结果的数据，将滤波结果的数据发送给嵌入式处理部分；

数字信号输入输出模块(dio)用于采集执行机构的反馈信号，并根据反馈信号来判断执行机构的工作状态，再将执行机构的工作状态数据发送给嵌入式处理部分；

航空总线429模块用于实时读取飞机姿态信息与燃油数据信息，并将读取到的信息解码转变为可供处理的数据后发送给嵌入式处理部分；

嵌入式处理部分的参数的显示与输入模块用于根据接收到的数据来刷新显示界面，并通过显示界面设置飞机重心的预设定值；

嵌入式处理部分的重心实时计算模块用于计算飞机的实时重心值；

pid控制模块从重心实时计算模块获取飞机的实时重心值，同时利用从参数的显示与输入模块获取的飞机重心的预设定值来计算控制信号，并将控制信号通过数字信号输入输出模块(dio)和模拟电流输出模块(ao)输出给控制机构，实现对飞机重心的调节；

串行口rs422模块用于将嵌入式处理部分接收到的数据以及重心实时计算模块计算的数据作为遥测数据发送出去。

本实施方式整体分为运行实时监控软件的嵌入式处理与执行控制逻辑的可重构fpga两个部分，两个部分既分别发挥各自的优势，又通过数据的传递有机的关联在一起，协同工作。

模拟电流采集模块(ai)、数字信号输入输出模块(dio)、模拟电流输出模块(ao)和航空总线429模块的功能介绍如表1所示：

表1

本实施方式的pid控制模块在计算控制信号时，除了利用飞机的实时重心值和飞机重心的预设定值外，还需要用到ai模块、dio模块和429模块的数据解算后的数据。

本实施方式在提升控制系统的性能的同时，方案中采用一种硬件看门狗机制，能够很好解决软件跑飞的问题，以降低控制风险。而且本实施方式简化了嵌入式控制和监测系统的设计，具有很好的应用前景。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述嵌入式处理部分还包括文件存储及回放模块和1588授时模块：

所述1588授时模块用于同步飞机上的主时钟源来精准定时(精准定时的目的是为了重心调配系统能够与飞机上的时钟系统进行同步，实现系统运行过程中记录时间戳的统一)；所述文件存储及回放模块用于记录、并存储嵌入式处理部分接收到的数据以及重心实时计算模块计算出的实时重心值。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述文件存储及回放模块将嵌入式处理部分接收到的数据以及重心实时计算模块计算出的实时重心值存储在u盘、sd卡以及本地内存中。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述数字信号输入输出模块(dio)采集的反馈信号包括电磁阀门和气阀的反馈信号。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述嵌入式处理部分还包括错误处理及告警模块，所述错误处理及告警模块用于错误记录、并为每一个错误确定一个适当的逻辑，创建一个故障处理循环来监测和处理每一个错误。

具体实施方式六：基于实施方式一的控制系统的控制方法，该方法通过以下步骤实现：

fpga架构部分的模拟电流采集模块(ai)采集传感器的输出信号，并对传感器的输出信号进行平滑滤波得到滤波结果数据；fpga架构部分的航空总线429模块实时读取飞机姿态信息与燃油数据信息、并将读取到的信息解码转变为可供处理的数据(实际的处理方法是429总线特有的基于label号的数据挑选方式)；fpga架构部分的数字信号输入输出模块(dio)采集执行机构的反馈信号，并依据采集的反馈信号来判断执行机构的工作状态，以得到执行机构的工作状态数据

嵌入式处理部分接收fpga架构部分的数据，参数的显示与输入模块根据接收到的数据来刷新显示界面，并通过显示界面设置飞机重心的预设定值；重心实时计算模块根据接收到的数据来计算飞机的实时重心值；

关于飞机重心计算的具体过程，本发明采用的是行业内的统一的计算规则，简单介绍如下：

飞机重心计算的基本原理：在垂直飞机的纵向轴线的平面上找一条基准线，假设飞机重心到基准线的水平距离为cg，将飞机总重记为w,为了便于计算飞机各个部分的重心或者根据不同的测试需求，可以将整个的飞机进行合理地划分出n部分，再分别计算新划分的各个部分重力wi及该分重心到基准线的距离di，从而有如下形式的公式：

pid控制模块利用从重心实时计算模块获取飞机的实时重心值和从参数的显示与输入模块获取的飞机重心的预设定值来计算控制信号，并将控制信号通过数字信号输入输出模块(dio)和模拟电流输出模块(ao)输出给控制机构，实现对飞机重心调节的控制；

串行口rs422模块用于将嵌入式处理部分接收到的数据以及重心实时计算模块计算的数据作为遥测数据发送出去。

参数的显示与输入模块(ui界面)的显示界面包含有多种传感器，例如：液位、压力和流量传感器采集的数据信息，还有429总线获取到的飞机姿态信息与燃油数据信息等，也有重心的边界包线和实时显示重心数据点等。

飞机重心调节控制方法中的fpga部分主要完成根据用户对于系统状态的不同设定，采用相应的控制逻辑，输出控制信号给执行机构，以实现对于整个系统的控制。主要实现如下功能：

直接采集各传感器模块的输出信号以及电磁阀门等执行机构的反馈信号，并通过逻辑运算将其整定为可供处理的数据，发送给嵌入式处理器；

与飞机通讯，采集429总线数据并解码，将飞机状态信息转变为可供处理的数据；

从嵌入式实时监控软件部分得到重心的预设定值、实时重心值等数据，作为控制算法的输入参数，按照不同工作状态，完成闭环控制算法，输出控制信号给执行机构，从而实现对飞机重心调节系统的控制。

飞机重心调节控制方法中实时监控软件运行在嵌入式处理部分中，重心调节系统嵌入式监控软件的核心功能是实现对飞机重心的实时计算，主要实现以下功能：

为使用者提供良好的交互界面，方便完成信息的输入、读取、工作模式的切换以及系统启停操作；

从fpga部分得到的传感器数据滤波用于重心实时计算，得到电磁阀门、气阀等反馈数据用于显示与刷新界面；

实现存储采集与计算数据的存储与回放功能。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：1588授时模块与飞机上的主时钟源同步，文件存储及回放模块记录、并存储嵌入式处理部分接收到的数据以及重心实时计算模块计算出的实时重心值。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：文件存储及回放模块将嵌入式处理部分接收到的数据以及重心实时计算模块计算出的实时重心值存储在u盘、sd卡以及本地内存中。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：数字信号输入输出模块(dio)采集的反馈信号包括电磁阀门和气阀的反馈信号。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：错误处理及告警模块用于错误记录、并为每一个错误确定一个适当的逻辑，创建一个故障处理循环来监测和处理每一个错误。

飞机试飞定型过程中，安全性是所有是试飞科目中需要考虑的关键，控制器的可靠性、抗干扰能力与电磁兼容能力是设计控制器的前提条件，其次为了满足不同试飞科目的需求，满足基本功能需求外，还要有通用性强、易于扩展与维护简单的特点。自动控制飞机重心的系统需满足重心试飞科目中所有的任务以及指标要求。指标要求包括根据飞机自身重量实现不同的重心调节能力、正常与应急情况下不同的调节速率以及重心调节系统的精度。需要实现较为精确的重心实时计算速率、稳定的闭环控制算法测试数据存储回放、与飞机通讯以及简单便捷的人机交互界面。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。