飞行监测论文（精选6篇）
飞行监测论文 篇1
0 引言
微型四旋翼飞行器具有垂直起降、定点悬停、结构简单、易于控制等特点,可以在小空间内完成监测任务[1]。近年来,由于微处理器技术的进步、新型材料的应用、传感器工艺的提高、电池续航能力的提升、动力装置的改善及控制算法的改进,为四旋翼飞行器的应用提供了技术支撑[2,3]。已有商用产品如德国Microdrones公司的MD4 - 200,我国大疆公司的F450、F550、精灵系列等。 四旋翼飞行器最初用于军事侦察,如空中监察战场、目标跟踪与定位、电子对抗和敌情获取等[7]。目前,在民用方面应用较多的如航拍、农药喷洒、植物保护、灾情信息收集及城市环境监测等[9,10,11]。中国农业大学植物营养系与北京星马航空科技有限公司合作,使用无人机进行农药喷洒,提高了农药的喷洒效率,节约了成本,提高了农民的经济效益[12,13]。北京农业信息技术研究中心研制出了U- VICs无人机遥感系统,克服了有人机遥感受航时,恶劣气候条件及危险工作环境的影响,弥补了卫星遥感由于天气和时间无法获取目标区域信息的缺陷,并能提供多角度、高分辨率影像,避免了地面遥感范围小、视野窄及工作量大等问题[14]。以上应用主要集中在室外空旷大环境下,由于诸多限制未能在温室环境中应用。
温室环境信息测量调控在生产中至关重要,传统通过单一测量点反映温室整体环境已不能满足需求,经常出现生长不一致、局部病害滋生等问题。因此,需要了解整个温室空间环境信息的空间分布实现精准环境调控,为作物提供均一、适宜的物理环境。目前,已有的测量方法有直接测量法和模型模拟法: 直接测量主要通过在监测空间布置大量的无线传感器或有线传感器节点测量周围空间环境信息的分布情况[15,16],但因布点过多会影响正常生产; 模拟测量法是通过建立温室的数学模型,运用计算机模拟仿真技术,了解整个温室空间环境信息的分布规律,模拟结果可作为环境调控的依据[17,18]。模拟法依赖模型的精度,同时温室内作物不同对预测模型提出很大挑战,因此采用微型的四旋翼飞行器测量温室空间环境信息,能够很好地解决以上问题。但直接在温室里使用微型四旋翼飞行器,还需要解决在温室内避障、定位导航、自主飞行及动力能源等方面的问题。
本设计通过在飞行器上加装激光测距传感器、超声波传感器、气压计及环境测量传感器等,开展飞行器硬件和软件程序设计,开发了一种在温室内简单避障、定位导航、自主飞行并能够进行空间环境信息测量的微型四旋翼飞行器,为温室性能评估及温室环境调控提供数据支撑。
1 系统结构
温室空间环境信息采集系统是由微型四旋翼飞行器构成的空间环境信息采集平台、温室环境控制器及环境调控执行机构组成。空间环境信息采集平台主要负责空间环境信息采集传输功能; 通过PC机编辑航点,并将航点写入采集平台,采集平台根据预设航点信息,自主起飞并按照预设航点信息飞行进行环境信息采集及数据实时传输。环境控制器能够与空间采集平台实现双向通信,实现空间数据的接收、存储、显示及飞行器控制等功能,并对整个温室空间环境信息的分布情况进行分析,分析结果作为温室环境调控决策的依据; 根据环境控制器分析的结果,发出相应环境调控指令,控制执行机构( 如风机、通风电极、帘幕等) 根据指令做出相应的动作,实现环境调控。系统结构如图1 所示。
空间环境信息采集平台是本设计的重点。微型四旋翼飞行器作为空间信息采集平台,在温室内飞行在整体布局形式上与常规飞行器相比,应具有结构更为紧凑、一定载荷量、体积小、质量轻、飞行灵活,以及长航时等特点,本设计围绕以上特点进行空间环境信息采集平台的设计制作。
2 硬件设计
2. 1 飞行器飞控硬件设计
四旋翼飞行器的飞行控制系统硬件主要包括飞行控制器、姿态测量传感器、低压报警电路、无线数据传输模块、超声波传感器、气压高度计及激光测距传感器。由于飞行器的特殊要求,在主控制器的选择上需要充分考虑芯片的体积、功耗、可靠性、成本及运算能力等各方面参数。本设计选用Atmel公司的AVR2560控制芯片作为核心处理器。AVR单片机具有高速、低功耗、保密性高、I /O驱动能力强等特点,具有14 组PWM输出、16 组ADC、4 组USART接口、54 个数字I /O、1 个硬件I2C总线接口及1 个硬件SPI总线接口,能够满足与传感器设备通信、控制算法运算及快速PWM输出等功能[19]。机载控制器能够处理各种传感器信息并控制环境测量传感器数据的发送。微型四旋翼飞行器的姿态控制是保证飞行器稳定飞行的前提,因此需要快速准确的姿态信息测量。设计采用MPU6000 传感器结合电子罗盘、气压高度计、超声波传感器组成飞行姿态测量系统,实现准确快速的姿态测量。MPU - 60X0 是全国首例9 轴运动传感器,集成了3 轴MEMS陀螺仪、3 轴MEMS加速度计,以及可扩展的的数字运动处理器DMP,可用I2C接口连接1 个第三方传感器,扩展之后可以输出1 个9 轴传感器信息。MPU - 60X0 内置DMP可以输出6 轴或9 轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据,大大减少了MCU进行复杂数据融合演算的过程。HMC5883电子罗盘用于修正偏航角的测量误差,实现航向控制。MB1242 超声波传感器和MS5611 气压计数据,通过数据融合演算实现飞行高度的控制。报警电路用于电池电压的监测实现低压报警功能。无线传输模块用于数据信息的无线传输。
设计选用了450mm轴距的四旋翼机架。四旋翼飞行器的动力选用维奇AS2216 无刷直流电机,配合1045 螺旋桨,采用航模动力锂电池作为整个飞行控制系统的动力能源。动力和能源装置的质量在四旋翼飞行器整机质量占据很大比例,合理地搭配能够达到最大的飞行效果。设计采用好盈公司的Sky Walker系列20A四合一电子调速器,其与4 个独立的电调相比更加集中,使结构更为紧凑。总体硬件设计框图如图2 所示。
2. 2 飞行器性能指标
四旋翼飞行器有多种材质和尺寸可供选择,针对在温室内飞行的需求必须保证拥有足够的负载能力、较强的机械强度、小巧的外型和轻盈的机身。设计选用无刷电机配合螺旋桨最大拉力约为860g,四旋翼飞行器最大起飞质量约为2. 84kg,具有大约1. 5kg的负载能力。四旋翼飞行器配备3S航模动力锂电池,在不携带负载的情况下能够正常飞行10min,携带1kg左右负载的情况下能够悬停8min左右。飞行器选用的X模式机架结构,飞行方式更加灵活。
2. 3 自主定位导航及避障系统
目前,导航方法主要有基于视觉的自主定位导航、基于GPS的自主定位导航及基于激光测距仪的自主定位导航[20],各有优缺点。本设计采用KLH - 100激光测距传感器、MS5611 气压传感器、HMC5883L电子罗盘及MB1242 超声波传感器构成室内定位导航及避障系统的硬件。激光测距传感器通过测量飞行器距离温室墙壁距离信息来确定其水平面坐标并感知飞行前方障碍物信息。气压高度计及超声波传感器测量距离地面的高度信息,进而确定飞行器在整个温室内立体的三维坐标,最终确定飞行器在温室内的空间位置; 电子罗盘得到飞行器的航向信息,通过程序控制实现飞行器在温室内自主定位导航。飞行器通过激光测距传感器感知的障碍物信息并结合程序控制,实现1m以内的障碍物躲避,障碍物距离大于1m默认前方无障碍物。自主定位导航实现如图3 所示。
3 软件系统设计
3. 1 软件系统总体设计
微型四旋翼飞行器控制系统软件是在其硬件的基础上根据功能和系统需求来设计实现的,是飞行器在温室空间内进行数据传输、监测、控制、自主定位导航、避障等功能的具体实现过程。程序设计采用模块化的设计思想,总的设计目标是协调各个功能模块有序运行,根据控制算法实现稳定飞行。本设计首先对飞行控制系统进行总体的软件设计,然后针对各个模块进行具体的软件实现。飞行控制系统的软件总体工作流程图如4 所示。
飞控程序工作流程如下: 系统初始化部分,包括定时/计数器初始化、串口初始化、外接传感器接口初始化、中断向量初始化、AD采集初始化及参数初始化等; 自检过程包括外部传感器联机检查、通信检查、保护及电压检测和四旋翼飞行器水平检查等。自检合格以后进入程序主循环,飞行器在主循环中完成各个功能模块的调用、姿态检测与控制、自动增稳、自主定位导航、自主避障,以及控制电机等功能。
3. 2 自主定位导航软件实现
飞行控制器通过读取安装在前方和侧方的激光传感器数据确定水平方向上的坐标。对气压高度计及超声波传感器处理得到垂直方向上的坐标,最终确定飞行器在温室空间立体三维坐标,实现温室空间定位。电子罗盘信息确定飞行器机头方向,编写程序实现飞行器方向的控制。飞行器自主定位导航程序工作流程如下: 首先通过PC机编辑航点信息并载入飞控存储区,将第一航点信息设置在起飞点附近,使飞行器能够快速进入航点飞行。考虑飞行器使用3S锂电池供电,空载飞行时间约为10min左右,航点不宜设置过多; 载入航点之后,飞行器上电自主起飞,通过导航控制算法将当前位置和存储区航点信息进行对比确定导航方案,实现温室内的自主定位导航; 每个航点根据要求悬停进行环境信息采集,执行完最后一个航点之后返航并进行自主降落。自主定位导航程序工作流程如图5 所示。
3. 3 自主避障软件设计
四旋翼飞行器在复杂环境中进行自主避障,一直以来都是四旋翼飞行器智能飞行研究的难点,也是目前飞行器智能控制需要解决的难题。设计的微型四旋翼飞行器,根据在温室内飞行的需求,进行了简单的避障设计,但本设计还不能够达到飞行器在复杂环境中智能避障控制的需求。主控制器通过在飞行器飞行过程中读取激光测距传感器信息,进行障碍物感知,根据编写的程序控制算法,确定飞行器的避障控制策略,实现在温室内飞行过程中的简单避障功能。激光测距传感器对于微型四旋翼飞行器,具有定位及障碍物信息感知双重功能。避障子程序的工作流程如下: 首先,飞行器在飞行过程中利用激光测距传感器进行障碍物距离信息监测,如果检测到距离大于1m认为飞行方向上无障碍物,否则认为有障碍。若有障碍物则将障碍物信息传递给主控制器,主控制器根据障碍物信息进行决策确定避障控制策略,发送相应控制指令,控制电机驱动模块输出不同的PWM控制信号,控制飞行器的转向或悬停等各种避障动作,实现飞行器简单的自主避障功能。具体避障程序流程如图6 所示。
4 试验及数据分析
4. 1 试验器材及步骤
2015 年1 月30 日在北京农业信息研究中心的日光温室内开展飞行器温湿度采集可行性评估及平面空间温湿度监测试验。试验器材主要包括: 主动式无线温湿度传感器系统( AWSN - 1) ,敏感元件为瑞士盛世瑞恩的SHT11 温湿度传感器及微型四旋翼飞行器。主动式无线温湿度测量系统是北京农业智能装备技术研究中心研发的一款低功耗无线温湿度测量系统,主要用于设施农业、库房、暖通等场合进行温湿度测量,测量数据通过上位机界面实时显示并且能够将数据导出进行分析。
试验通过主动无线数据采集软件进行数据记录,传感器主动上传时间间隔设为10s。首先进行试验的准备工作,包括试验设备的组装、通信的调试及传感器一致性校验,选出一致性好的传感器用于试验。
试验分为两组: 第1 组为可行性评估试验,通过支架将传感器节点固定,高度为1m,置于试验区域; 微型四旋翼飞行器携带传感器节点飞到支架附近悬停进行温湿度测量,测量8min。
第2 组为平面空间监测试验,水平和垂直方向间隔2m分别选定3 个区域,共9 个区域,采用传感器节点及微型四旋翼飞行器,分别在9 个区域,高度1m的水平面上进行空间平面温度测量,每个区域测量1min。最后,通过试验数据分析,说明使用微型四旋翼飞行器进行温室空间环境信息测量的可行性及准确性。温室内测量试验如图7 所示。
4. 2 试验数据分析
4. 2. 1 可行性评估实验数据分析
试验过程中主动式无线温湿度系统工作良好,数据记录可靠有效。温室内单点测量试验数据如表1 所示。选取2015 年2 月1 日上午11∶ 09 - 11∶ 16 代表性的数据进行分析,由表1 可知: 在微型四旋翼飞行器起飞与降落过程测量的温度数据略高于传感器节点的温度,湿度数据变动不大; 在正常悬停测量中微型四旋翼飞行器测量温度数据普遍低于传感器节点的测量的数据,湿度数据基本正确。起飞与降落温度偏高是由于飞行器测量高度未到达悬停的高度所造成。飞行器正常悬停测量的温度低于传感器节点,主要原因是微型四旋翼飞行器旋翼快速转动产生气流变动的影响。由以上数据分析结果可知: 虽然旋翼转动对测量结果有一定的影响,但通过技术手段削弱其影响,将微型四旋翼飞行器用于空间环境测量是可行的。
4. 2. 2 平面空间监测实验数据分析
平面空间温度分布如图8 所示。其中,左右两图分别为传感器节点与微型四旋翼飞行器,在9 个试验测量区域测量得到的高度为1m平面的温度分布情况。由图8 分析可知: 除微型四旋翼飞行器起飞地点略高于传感器测量点温度外,飞行器测量得到各个区域的温度分布普遍低于传感器节点测量温度的区域温度,但最大偏差不超过1℃ 。造成微型四旋翼飞行器测量的温度普遍偏低的主要因素是微型四旋翼飞行器旋翼转动产生快速变动气流的影响。设计的微型四旋翼飞行器可以通过优化飞行器的机架结构使温度测量传感器尽量远离旋翼或改变旋翼的大小来解决气流变动的影响。旋翼转动带来的空气流动的影响是值得进一步研究的问题,也是微型四旋翼飞行器能否获取准确的空间环境数据的关键性问题。
5 结论
1) 由温室内进行的可行性评估试验的分析结果可知: 微型四旋翼飞行器测量得到的空间数据与真实值有一定的偏差,但偏差不大。由于飞行器促进空气流通,其测量结果更能反映当前环境,因此运用微型四旋翼飞行器进行空间环境信息采集是可行的。
2) 平面空间监测试验的结果,进一步验证了可行性评估试验的结论; 微型四旋翼飞行器旋翼转动带来的空气快速流动,对测量结果产生了一定的影响。在后续的研究过程中,还需进行大量的试验,分析气流变动的影响,旋翼转动带来的影响是值得进一步研究的问题。
3) 微型四旋翼飞行器在进行空间环境信息采集的过程中飞行时间最大为8min,时间有限,不能够进行长时间测量。因此,微型四旋翼飞行器的续航问题也是后续研究的重点。
摘要：测量并了解温室空间环境分布情况对于温室性能评估、精细环境调控及病害预警至关重要,传统单点测量不能反映温室环境整体情况,而布设大量有线/无线传感器测量方式,对成本及生产提出很高的要求。为此,设计了一款微型四旋翼飞行器并在其上集成环境测量传感器,采用超声波测距传感器解决了飞行器在温室内定位、避障等实际应用问题,实现温室空间环境可靠、稳定、快速获取。同时,开展飞行器温湿度采集可行性评估、平面空间温湿度监测试验,探索微型飞行器在温室空间环境监测的可行性。实验结果表明:飞行器测量结果与真实值相比具有一定偏差,但偏差很小,最大不超过1℃,微型飞行器用于温室室内空间环境快速监测是可行的。
关键词：微型四旋翼飞行器,温室,空间信息采集,自主定位导航,自主避障
飞行监测论文 篇2
飞行学员停飞的原因是多种多样的，对近年来停飞学员的情况进行分类，可分为以下五类：
1）技术。学员在预定的阶段不能达到训练大纲对本阶段学员技术水平的要求，其原因多为身体的协调性较差，手脚不能协调工作，技术动作粗猛，不能掌握飞机的运动特性等。
2）身体。飞行是一项高负荷的劳动，对从业人员的身体素质和前庭系统耐受力有着严格的要求。部分学生的体质，体能偏弱，导致飞行耐力差，抗干扰能力差。更有部分学生先天前庭机能较敏感，虽经地面抗眩晕训练，但是实际飞行当中，特别是天气情况较恶劣，颠簸严重时，会出现眩晕，呕吐，感知能力下降等情况，进而导致工作能力严重减弱，威胁飞行安全。
3）心理。恐惧和紧张是人类的本能，飞行训练的一项重要任务就是通过大量的训练，消除人自身对飞行产生负面影响的本能和应激反应。但是部分学员由于自身性格特点，成长经历不同导致心理的承受能力不能承受正常飞行或飞机出现特情时的心理压力，出现紧张，多汗，不能自控的极端恐惧，甚至彻底失能，头脑一片空白，失去继续进行工作的能力。
4）思维模式。飞行不仅是一项高负荷的体力活动，同时也是一项高负荷的脑力活动。正常飞行中对飞行进程规划，飞机设备及仪表的判读和使用，特殊情况下的故障识别与处置都要求从业者必须具有比常人更强的思维能力。同时作为一名飞行员必须具有敏锐的空间位置感，定向能力。部分学员由于自身的思维模式及受教育经历，这种思维与感知的能力不能达到从事飞行职业的水平。
5）操行。由于飞行职业的特殊性，要求从业者必须有足够强的自控能力和组织纪律性，才能保证严谨的工作与足夠的休息。但是部分学员没有意识到自身工作的高危性与自身责任的重大，不服从组织的管理，不按飞行人员行为规范行事，严重的影响飞行训练秩序，为训练安全的保障埋下隐患。
以上对飞行学员终止飞行训练的原因进行了简单的归类总结。飞行是人类千百年的梦想，即便是在航空技术突飞猛进，现代化大型客机穿梭往来于世界各地的今天，能够成为一名飞行员还是很多年轻人的梦想与追求。但是当梦想被现实打破的时候，人本能的都会出现强烈的挫折感。总结近年的飞行教学经验，当飞行学员面对停飞时常出现的表现有：
1）个人自信心的强烈打击。飞行员是个神圣的职业，他肩负着保证国家财产和乘客生命财产安全的巨大责任，能够有机会走进飞行队伍对于二十多岁的年轻人是巨大的荣耀和自我证明。当自身由于各种原因，不适宜从事飞行职业而被停飞的时候，很多人是难以接受的。从而出现意识消沉，自信心严重的挫折，对自我的否定判断，甚至出现一些极端的行为。
2）社会与家庭的双重压力。能够有机会走进飞行队伍是值得荣耀的事情。走进航校时，身上肩负着亲人与朋友的美好祝愿，家人的殷切期盼以及对自己未来生活的无限展望。特别是在大学生就业压力大的社会背景下，很多人认为飞行学员都是手捧“金饭碗”的幸运儿。但是当停飞的事实摆在面前时，如何面对亲人朋友，如何面对辛勤哺育自己的双亲成为停飞学员必须面对的现实。
3）对未来的茫然。“常言道：人往高处走，水往低处流。停飞意味着失去了众人眼中的“金饭碗”，今后不管从事任何的职业都不如当飞行员，都是在走下坡路。”这是很多停飞学员的真实心理写照。当停飞后面临重新选择专业的时候，很多学员表现出来的是消极性与随意性，忽略了对个人能力的重新评定及对未来发展方向的慎重选择。
从以上的总结不难看出，终止训练对于一名飞行学员的打击是巨大的，深远的。在教学中我总结了一些帮助学员度过这个阶段的方法与措施：
1）训练伊始，明确责任与标准，打破空想。作为一名刚刚开始飞行训练的学员，他们对飞行是懵懂的，带有空想的。很多学员没有意识到学习飞行技能是一项长久的，艰巨的任务，没有意识到今后的工作压力是巨大的，任务是繁重的，而只是向往着飞大飞机，当机长等等。作为一名飞行教师，应该做好飞行学员飞行生涯的领路人，上好第一课，端正学员对飞行生涯的认识。同时应详细介绍训练大纲对各阶段学员飞行技能的要求和标准，让学员做到心里有数，自己对照标准找不足。
2）每次训练客观真实的反应学员飞行技术情况。飞行后的讲评应客观，细致，使学员及时了解个人飞行技术情况。对于后进学员，当其进度明显脱离训练大纲标准的时候应及时提醒，让学员清楚自己的差距。
3）做好与家长的沟通，打好“预防针”。针对有可能停飞的后进学员，飞行教师应及时主动的与学员家长取得联系，让家长了解学员训练的真实情况。家长教师共同配合做好学生的心理铺垫，打好“预防针”，防止停飞时家长学员“双打击”。
4）终止飞行训练时及时进行心理干预。当确定学员已经终止了飞行训练，飞行教师应及时的对停飞学员进行心理干预，形式主要以谈话为主。谈话应注意方式方法，选择合适的地点和时间，避免在公共场合及人多的情况下进行，保护学生的自尊心。同时给学生适当的释放压力的机会，谈话中学员若出现情绪较大的波动（哭泣，暴躁等），若情况教师能够控制应允许学员释放情绪，缓解心理压力；若学生出现过激行为，教师应及时制止，事后低调处理。同时注意观察学员动向，可以安排同寝室学员注意观察停飞学员反应。
5）给予学生积极正面的评价，帮助停飞学员重新树立自信心，做好专业再选择。对于停飞后的学员，飞行教师应对学员整个训练阶段做一全面的总结，寻找学员身上的优点，给予积极正面的评价。对学员的性格特点，能力水平进行分析，在学员的专业再选择上进行指导。给学员树立飞行不是唯一出路，三百六十行，行行出状元的信念，燃起学员继续奋斗拼搏的志向。
作为一名飞行教师，传授飞行技能是我们的本职，同时帮助学员成长也是我们的义务。做此文的意义是希望我们能够在飞行学员终止飞行训练这个挫折阶段，帮助学员顺利，平稳的度过，尽快的重塑希望。
飞行监测论文 篇3
大电流输出电源设备，如飞行器测控电源、激光器控制电源等，是控制系统的重要供电装置之一，输出有直流和交流电压，电源设备在使用时，由于输入电压大范围波动、输入相序错误、电源设备内部大功率器件烧蚀等因素，导致输出电压异常、接触器失灵、负载能力降低等故障[1]。而现有的故障检测设备均为单一参量的测试设备，检测设备台件数量多且均为人工手动测试[2,3]。基于上述原因，本文设计了一种基于嵌入式计算机的电源设备在线监测装置，实现主要参量的实时在线测试与监控，能够及时掌控大电流输出元器件的工作状况，对故障部件和系统进行实时故障报警，并实施应急处理等[4,5,6,7,8,9]。本装置是一种智能化、集成化的电源监控系统，通过在线测得的实际数据与预算值相比较，来达到过压、欠压、过流、相序错误、纹波超差等不同情况的故障报警，并且实时形成故障决策，以达到最短的时间内对故障进行有效处置，减小不必要的损失。
1 设计方案
本文以某型特种大电流输出直流电源设备为研究背景，该电源设备将三线380 V/50 Hz交流电，通过逆变器变换成自动稳压的直流电，输出电压25～55 V连续可调，输出额定电流260 A。监测系统主要由在线测试仪、若干转接电缆及测试软件等组成，系统总体构成框图如图1所示。
监测系统由硬件和软件构成[10]，硬件电路主要由在线测试仪和转接电缆。转接电缆根据控制仪器用电需求，转接插头座进行一对一的连接设计，用于设备之间的通讯等。在线测试仪由嵌入式计算机、各测量模块及监测模块组成，其中以PC104为核心的嵌入式计算机，辅以相应的控制及驱动电路实现小型化、智能化、通用化设计。各测量模块及监测模块作为测试仪的主要实现电路完成诸如三相交流监测、直流电压测试、非接触电流测试、频率测试、相序测试及纹波测试等功能。同时，选通控制电路、接口电路、调理电路等也包含于其中。作为整个系统的操作平台，测试仪通过键盘、触摸屏以及相关测试开关进行相应的操作，主要完成指令的收发、系统控制、测试结果的查询以及打印输出。软件主要用于信号测试、处理、判别、记录等。
2 电路设计
2.1 硬件电路选取
为了实现小型化、智能化设计，测试仪以PC104嵌入式计算机为核心。嵌入式PC104计算机选用PCM-3362N6S主板，该系统采用独特的子层叠总线结构，与PC机软件、硬件完全兼容，因此可以利用现有的较丰富和成熟的软件硬件开发、设计工具等资源。。
为了实现电源输出多个参量的测量，就需要选择数据采集板，选择PCM-3718作为测试仪的数据采集板，其采样速率可以达到100 kHz，数据的传输模式可以是中断传输方式也可以采用DMA传输方式。DMA传输方式不通过CPU直接传输到内存中，实现了较快的数据传送，它具有16路单端或8路的差分模拟量输入通道，具有16位A/D转换器以及计数器/定时器功能。
实际设计中，I/O控制信号多，显然仅仅依靠CPU板的I/O端口是不够的，因此需要扩展I/O端口，系统选用PCM-3724的数字I/O板结合部分片选电路实现I/O端口扩展。
为了简化操作难度，系统绝大部分操作都将通过触摸屏实现。触摸屏系统选用电阻式USB接口的触摸屏，尺寸大小为12.1"，能够支持800×600全彩色显示，支持多种接口显示模式。
为了精确的测量直流电源的纹波，选用了ART8011的示波器卡，具有12位的采集精度和100 MHz的采集速度。
2.2 纹波监测电路
纹波是叠加在直流信号上的交流干扰信号，是电源测试中的一个很重要的标准。尤其是作特殊用途的电源，纹波则是其致命要害之一。所以，电源纹波的监测就显得极为重要。在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波(包括噪声)的绝对值的大小，通常以峰-峰值或有效值表示。电压信号测量法测量纹波是指用示波器。直接利用ART8011的示波器卡测量叠加在输出直流电压上的交流纹波电压信号，整个测试的过程中，通过软件控制，并实时将数据传输到嵌入计算机进行处理。
2.3 电压监测电路
电压监测电路采用并联测压法设计，将测试电路和负载并联的方法来对地面电源输出电压进行测量，如图2所示。
图中U0为测试电源电压;RS为电源内阻;Rf为负载阻抗;Rc为测压电路阻抗;I0为主回路电流;If为负载回路电流;Ic为测压回路电流。其中Rc采用高阻抗，将测压回路电流Ic限制为毫安级，而负载回路电流If为几安至几十安，因此该并联测压法对负载电路的影响很小。
2.4 电流监测电路
非接触测流法不同于传统的交流非接触式测流，直流非接触式测流采用霍尔效应原理，直接检测变压器铁心内磁通强度，通过载流导体产生的磁场强度，在直流探头内一个半导体芯片上传感产生涡流感应。这个微型半导体放在磁场(B)右角时，同时会产生一个电流(Id)，在此半导体上会产生电压(Vh)，这个电压称为霍尔电压，工作原理如图3所示。
当连续产生霍尔驱动电流(Id)时，磁场(B)直接等比例在半导体上形成电流，这样电流以霍尔输出电压(Vh)表示。首先，霍尔电压不仅由反相磁场确定，而且由它的强度确定，这样它就可以用于直流电流测量;其次当导体流过的电流改变时，磁场强度也随之改变，并且这种变化为随机动态反应，而且复杂的交流波形也可同时被捕获和测量，并且具有较高的精度和较低的相位偏移。
非接触式测流探头基本结构按图4所示装配，霍尔器件嵌入铁芯用于将测量中的直流电流成份调理成直流电压输出。通过有针对性的调理电路设计，使得系统具有较好的线性输出和温度补偿网络，具有高精度线性输出。霍尔效应电流传感器CS300E的测量范围可高达600 A电流。这种方法测量电流直观简便。
2.5 相序监测和自动校正电路
高精密的特种直流大功率稳压电源对三相输入工频的相序有很高的要求，当三相输入的相序因某种原因出现错误时，有可能导致控制系统仪器和测控设备的损坏，因此必须设计电路对相序进行检测和校正。
在多相系统中，各相依其先后到达最大值(以正半波为准)的次序，按相排序，称为相序。
在三相交流系统中，按规定用大写英文字母“A”“B”“C”来标记以区分三相;当三相交流电到达最大值(以正半波为准)的排列次序是A,B,C时，称为正相序;如排列次序A,C,B，则称为负相序。
设计基于双极晶体管的相序检测电路如图5所示。图中因三相电源的A相和B相分别接至a和b两端时，晶体管BG截止，所以电压继电器KV不动作;当三相电源相序接反时，即三相电源的A相接至a端，而C相接至b端，此时晶体管BG导通，电压继电器KV吸合动作，给出开关量信号并输入到嵌入式计算机进行处理。
下面设计基于双极型晶体管的相序自动矫正电路。根据图5所示的相序检测器构成的相序自动矫正电路如图6所示。其工作原理是：首先合上刀开关QS，则控制变压器T1的初级回路通电，它提供电控部分各交流接触器线包工作所需电源，此时交流接触器KM吸合，其主触头KM闭合，负载启动运转。当三相电源的A,B相分别接至相序指示器的a和b两端、零线接至d端时，相序指示器中晶体管BG截止，所以电压继电器KV不动作，其常闭触头K1和K3闭合将负载电源接通，使其正常工作;当三相电源相序接反时，即三相电源的A相接至a端，而C相接至b端，此时晶体管BG导通，电压继电器KV吸合动作，其常闭触头K1和K3断开，常开触头K2和K4闭合，使负载的三相电源相序保持不变。
3 软件设计
测试软件主要完成包括指令的发送、数据的采集、测试结果处理判别在内的系统总体控制;完成电源设备主要参量的在线实时监控;完成测试结果的分析判断、显示、打印;标示不合格的监测结果，存储在数据库中，以供查询等功能。出于人机交互界面考虑，选择Windows 2000操作系统作为测试软件开发环境，采用可视化编程技术，选用Delphi 7.0作为系统软件开发平台。
在软件编写上主要采用模块化设计思想，测试系统软件结构如图7所示，测试应用软件由测试程序和数据库文件构成。
测试系统总体流程如图8所示。
通过Delphi支持的数据库ADO组件访问本地的数据库Access来实现测试结果的数字化管理，可以实现测试结果的查询、综合比较、判断、处理等。
4 试验验证
将监测装置按照连接关系接入电源设备系统，在常温条件下按要求进行输入缺相及相序、电源的纹波、输出电流电压等功能检查。
首先进行了三相电的缺相和反相的检查，并利用相序表进行对比测试，判断结果如表1所示。
其次，对直流电源设备进行纹波测试，利用示波器(Tektronix TPS2012)进行对比测量。由于本系统采用高精度的示波器卡进行数据的采集，测试纹波的精度与示波器相比。纹波测试结果如表2所示。
再次，对电源设备输出的电压测试，并用安捷伦六位半数字万用表(3440A)对比测量，然后把监测装置测试的值与数字万用表测得值进行对比，测试结果如表3所示。
试验结果表明，监测装置的缺相测试模块能够对三相电的缺相和相序进行正确判断，纹波及输出电压的测试精度能够达到要求。
5 结语
通过采用嵌入式技术，按照集成化、小型化、总线化、标准化和自动化的设计原则，设计的在线监测装置，对于大电流输出电源设备，实现了的大范围的电压和电流的在线高精度监测，实现了纹波、相序等的实时监测。监测装置具有集成化程度高、抗干扰能力强、测量精度高、使用简单方便等特点。充分利用了PC104嵌入计算机的特性，较好实现了实时在线监测电源设备各参量的变化，解决了原检测设备台件多、自动化程度低等问题。通过采用高精度的信号转换电路和软件精确控制，电压测量精度提高到3 mV，大电流测量精度提高到0.4 A。通过采用先进的示波器集成电路板，对输入信号进行高精度、高频率采集，并对采集的信号实行多线程并行处理，纹波测量精度提高到1 mV。同时还实现了电源故障分级预警、测试数据自动处理、测试结果智能管理和故障特征实时预报功能。
参考文献
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飞行监测论文 篇4
好了，别再只是遐想或是憧憬亲自驾机冲向蓝天的各种酷帅、自由和兴奋了，低空开放已经开始试点，该是先考个私飞驾照准备上天得瑟的时候了。本期BIZMODE为你搜罗了最为「老飞」们所推崇的4家飞行航校和俱乐部，东西南北，直升机、固定翼、三角翼、滑翔机、动力伞⋯⋯你能想到的我们都为你准备了。
基础准备
要想拿到民航总局签发的那个蓝色封皮的私用驾驶员执照（PPL，Private Pilot License），在报名考照之前，你应该对以下这些项目有所准备。
身体条件：有「老飞」信誓旦旦地对BIZMODE声称「能开车就能开飞机，——虽然开车和开飞机要求的身体素质并不能完全画等号，但看看国外那些上至六七十岁的老翁老太，下至十六七八的萝莉正太都在空中飞翔，那你也就明白其实开飞机这件事也没那么复杂了。
私用驾照申请人需通过民航招飞二类体检。简单讲，中耳炎，不行；色盲色弱，不行；肥胖高血压，不行⋯⋯矫正视力在5.0以上，听力正常。有心脏病、高血压、眩晕症等问题的人就不用白费劲儿了。有慢性肠胃病、经常头痛和有口吃症状的人也不适合参加飞机驾驶训练。
费用：根据所选项目的不同，目前私飞驾照培训费用为8~40万元不等——并不是你想象中那么贵吧？
时间：一般为2~3个月左右。首先需要经过60小时的地面航空理论教育课程学习（据「过来人」反映，理论关可比实践难多了），通过考试之后才可获得飞行学员资格，然后才能上飞机学习飞行。实际飞行训练大致需要35个小时以上，一般人在20~30个实际飞行小时后就可以「放单飞」。
航校/俱乐部选择
目前国内有飞行私照培训資格的航校和通航公司还是比较多的，一般而言甲类通航公司都可以进行相关培训，这些俱乐部分布在北京、上海、陕西、湖北、山东等地。本期BIZMODE为你精选了其中四家进行了深入访谈，都是圈内资深老飞推荐，东西南北全都囊括，你大可以选择离你最近的一所。
大同航空运动学校
培训项目：滑翔机、固定翼飞机、热气球、动力伞
培训机型：海燕、蜜蜂、初教六、塞斯纳等
地址：山西省大同市东王庄飞机场 电话：0352－6207706
网址：www.dthk.net
在圈子里，大同航空运动学校可谓是赫赫有名。这所创建于1957年的航校绝对是老资格的，早在如今低空开放的热潮涌动之前，这里就开始培训私飞玩家——据说王石也是在大同航校拿到了滑翔机的驾照，在这里「屁股挨了板子」（航校传统：放单飞考试通过，要挨同学们的板子打屁股）。
大同航校的的飞行培训项目很多，包括滑翔机、固定翼飞机、热气球和动力伞等。培训机型以国内生产的飞机为主，其中尤其值得一提的是这里的固定翼教练机用的是初教6型飞机，这种风格复古的串列双座螺旋桨教练机，长期服役于我国空军及地方航校，至今仍然是国内初级教练机的主力。作为一种军用教练机，初教6在外形和「个头」上都非常粗犷威猛，而且能毫不费力地进行特技飞行，性能出色的初教6在海外也有诸多拥趸。能飞上一把货真价实的军用飞机，这无疑是对飞行客们的极大诱惑。
初教6是深得 「老飞」青睐的「明星机型」
王建安
大同航空运动学校校长，山西三晋通用航空有限责任公司副董事长兼总经理
BM=BIZMODE W=王建安
BM：听说你们那里还培训过老外飞行员？
W：呵呵，是的，而且还不少，德国、法国、美国、日本都有来我们这儿飞的，这些年培训了有上百名外籍滑翔员和飞机驾驶员。
BM：费用怎样？好多人都对你们那儿的初教6心痒痒⋯⋯
W：根据培训项目不同，大同航校的私飞驾照培训大概需要8万到35万元左右。培训时间大约需要2个月。
BM：据我们所知，好多有心飞行的家伙平时时间都挺紧张的⋯⋯课程能否灵活安排？
W：这个是可以的，但在飞行学习期间中断时间不能太长，否则会影响学习效果。飞行无小事啊，最好还是潜心学习一阵，这样最好。其实花两三个月的时间拿到飞行私照已经算很快了，飞行商照的学习时间比这个可要长得多，要求也更严格。
青岛九天国际飞行学院
培训项目：固定翼飞机
培训机型：塞斯纳172R、钻石DA42
地址：总部位于青岛，在临沂、滨州等地设有训练基地
电话：0532-55582999
网址：www.jtfa.cn
陕西精功通用航空
有限公司
培训项目：固定翼飞机
培训机型： 西锐SR系列
地址：在山西、北京、河北等地拥有运营基地
电话：029-88763153
网址：www.jinggonggroup.com
陕西精功通用航空有限公司是甲类通用航空公司，拥有陕西蒲城内府机场、北京八达岭机场、河北黄骅机场等运营基地。作为专业航空服务企业，陕西精功通航提供私用驾驶员执照培训、空中游览、航空器销售、航空器托管、高端飞行俱乐部和通航FBO建设管理等私人飞行全产业链服务，并且按照国际运营模式，精心打造了飞行俱乐部——精功飞行会。
地处山东半岛的青岛九天国际飞行学院2005年建校，起步于青岛，落户在临沂、滨州、东营等地。九天飞院各基地均处四通八达的交通网络中心，覆盖范围广，周边的飞行客们前去学飞不必担心浪费时间在旅程上。
李晨
陕西精功通用航空有限公司总经理
BM=BIZMODE L=李晨
BM：精功通航飞行私照课程是怎么安排的？
L：针对无任何飞行经历的初学飞行者进行机型养成训练。训练大纲包含83小时的地面训练课程和56小时的飞行训练课程，
BM：花费大概需要多少？
L：预计花费30万元左右。我们使用的教学机型是大名鼎鼎的西锐SR系列，这型飞机非常轻捷漂亮，而且带有整机降落伞系统，给驾驶员提供了最后的安全保护，简单说吧，这就相当于汽车的安全气囊，安全性自然是没的说。
BM：培训的项目包括哪些？
L：要求学员掌握机型的特性、起飞、航线建立、着陆等基本驾驶术，正确使用飞机、发动机和各种机载设备，等等。我们会帮助学员完成相应等级课程学习，获得相应等级执照要求的飞行知识和经历。
双发的钻石DA42飞机
朱兆彬
青岛九天国际飞行学院院长，自称「误打误撞进入通航圈」，从此欲罢不能
BM=BIZMODE Z=朱兆彬
BM：你们用的培训机都挺不错的啊，私飞驾照培训大概需要多少费用？培训时间需要多长？
Z：我们的私照课程有脱产制和周末假期班两种，想速成的可以报名脱产班，工作脱不开身的可以选择后者。脱产班两个月左右完成课程是有可能的。单发我们用的是目前全球飞行培训市场占有率最高的美国塞斯纳172R飞机。多发选用的是奥地利钻石DA42飞机。私照培训的费用基础课程12.8万元，VIP课程18.8万元。还有一个高端SVIP课程，39.8万元。
BM：现在来考飞行私照的人多么？
Z：在逐步增加，潜在市场是巨大的。很有意思，来考私照的学员往往由点到面，一个人来几次，觉得不错，下次来，就可能是两个人；慢慢地，就是一群人。比如之前我们有一个悍马会的客户，后来我们有了一群悍马会的客户。
BM：你怎么看当前私人飞行的气候？
Z：我经常对我的客户说，现在你们是第一批吃螃蟹的人。稍后你们就是低空开放后第一批飞起来的人。民众学飞的热情已经慢慢高涨，也有很多人已经尝到了飞行的乐趣。现在大家在等待的就是低空开放。很多人其实是把飞行当做一个平台，在这个平台上结识一群志同道合的伙伴，让自己在纷杂的工作之余遇到另一个自己，拓展工作之外的另一个圈子。
nlc202309031816
精功通航机对
金汇通用航空有限责任公司
培训项目：直升机
培训机型：S76C++、EC135、MD600N、R22、S300CBi
地址：最早的基地位于上海，现在在千岛湖、泰州和徐州杨庙也设有飞行基地
电话：400-021-6619
网址：www.kingwingaviation.com
上海金汇通用航空有限责任公司（金汇通航）是经国家民航总局批准成立的甲类通用航空公司，拥有19架不同型号的产自欧美的直升机，并建有多个运营基地。国内大部分航校的飞行培训都是针对固定翼飞机的，从事直升机培训的机构数量很少，而金汇通航就是其中之一。除了提供飞行培训外，金汇通航还为客户提供后续的配套服务，包括购机咨询、直升机代管等。
李启勇
上海金汇通用航空有限责任公司董事长
BM=BIZMODE L=李启勇
BM：直升机这几年在私飞圈子里很是热门啊，但普遍反映直升机比固定翼飞机难学⋯⋯
L：呵呵，正因为难，所以要采用「快乐飞行」的教学办法，以互动、探讨、图文视频等多样化的教学方式，做到轻松有趣，易懂易解。我们设置了25万元和36元万两种课程，培训周期大约是6个月。
BM：私人飞行驾照的培训课程是怎么安排的？
L：私照培训主要包含理论学习和实飞训练。一般的流程是体检、政审、理论学习、理论考试、实飞训练、实飞考试和口试、考取执照。在客户安排上，我们还是比较灵活的，可以根据客户的需求适当调整上课时间或培训批次。
目前主要用于培训的机型是S300CBi和R22两种直升机。当然，如果客户已经取得执照，想要改学其他机型，我们也是可以培训的，这就是所谓的「转机型培训」。
BM：能透露下現在招收私人飞行驾照培训学员的情况么？
L：我们已经招收了十几名私照学员，目前都已经分期参加了理论学习。
BM：就你的经验来看，目前中国的私人飞行爱好者对飞行学院的要求主要在哪些方面？
L:在我们接触的客户中，很多客户对自己飞行人生的规划很详细，甚至在他们的启发下我们设计了很多新的个性化的服务。包括按照客户的时间来灵活调整课程时间，为客户提供后续的飞行保障服务，帮助客户修建停机坪，提供购机咨询服务，直升机代管等。
BM：私人飞行究竟有什么样的魅力？
L：很多没有飞过的人会以为如果不能去某某地方看风景，就不是真正的飞行。其实一个本场飞行的小动作就够你练习好几天了，飞行的乐趣也就在那里。我大概总结了一下，私照可以给学员带来的价值：首先获得飞行私照是对你飞行能力的认可；其次，航校建立有私照培训课程的交流平台，分享飞行的经历，结识更多的「圈内人」和社会精英，共同学习和进步，可以有效扩大高端交际圈；第三，为转机型和商照等更高等级执照训练、私人购置直升机打下坚实基础。最后，飞行锻炼了个人体格和意志，也为生活打开了新天地。
S300CBi双座直升机
飞行监测论文 篇5
关键词：无线传感器网络,结构健康监测,时序同步,能量收集与储存,ZigBee
0 引言
目前,随着飞行器的结构更加复杂、工作环境更加多变,导致需要连接更多的传感器,用以监测飞行器的参数与状态,如果仅凭借“硬连接”的方式,势必会增加飞行器的重量和成本,从而制约飞行器的发展。然而,随着无线传感器网络技术的日渐成熟,这种局面可能会彻底发生改变。
1 飞行器结构健康监测系统
飞行器结构健康监测系统(Vehicle Structural Health Monitoring System,VSHMS)是将先进的传感器网络集成到飞行器结构中,通过对结构健康状况实时地监测,以确保飞行器的安全,并且能够降低维护时间与成本。通过将无线传感器网络应用到VSHMS中,可以在很大程度上减少布线,从而压缩系统的体积、重量以及成本,提高测试技术的灵活性和系统的可维护性,并且具备快速布局和实时传输动态信息的能力[1],以至于能够彻底实现飞行器的状态维护(Condition-Based Maintenance,CBM)[2],从而推动航空航天技术的发展。
目前,国内外针对VSHMS的研究工作,主要集中在相关节点与网络的设计[1,3,4,5]以及状态信息的提取与分析上[5,6],但对于无线网络与有线网络的时序同步、无线节点的能量收集与储存、无线通信的安全性与可靠性等关键技术,研究成果相对稀缺[7]。本研究针对上述问题,设计了一套解决方案,通过研制VSHMS原型机,验证了其可行性。
1.1 无线传感器网络
如图1所示,某飞行器的发动机、翼面、舵面等重要结构部件,在系统状态发生变化或者出现故障时,其振动、应力、声音、压力、温度等信号会携带着大量的状态信息。通过对这些部位安装传感器节点,以作为无线网络的终端设备,将采集到的传感数据通过ZigBee路由器,向该网络中惟一的PAN协调器无线传输,最后再汇聚到数据聚合器中,以作为飞行器结构健康监测的信息。
1.2 传感器装置
当飞行器中的某些部位受到布线限制或者维护相对困难,但却需要安装大量的传感器节点时,可以考虑利用无线传感器网络加以实现,这些传感器装置通常包括了小功率级或者被动式传感器,诸如:应变计、加速度计和热电偶等;然而,当需要相对较高的采样率或者功率级的传感器装置时,可以考虑利用硬连接总线加以实现,这些传感器装置通常包括了诸如陀螺仪、加速度计和磁强计等;除此之外,通过利用嵌入式全球定位系统(GPS)可以获得飞行器的位置、速度以及时间信息,惯性传感组件可以获得飞行器的姿态(滚动、偏航和俯仰)信息。由于上述数据采用了多重采样速率和时间戳,因此需要设计一种器件,能够将不同类型的传感数据聚合到单一的、可伸缩的数据库中。
1.3 数据聚合器
数据聚合器可以用来同步记录来自不同总线或者网络中的无线和有线传感器数据,其主要技术指标是:
(1)采用开放式架构的操作系统。
(2)提供时序同步平台。
(3)数据保存在可扩展的传感器数据库中,并且可以将不同类型的数据归档到单一的文件中。
(4)可以聚合多重采样速率的数据到单一的数据库中。
(5)按照参数的不同类型,对数据进行分类排列,诸如时间戳或者传感器类型。
(6)支持多种总线接口:CAN,IEEE 802.15.4,以太网,USB,RS 232,RS 422,RS 485等。
1.4 时序引擎同步
由于本设计中的VSHMS属于分布式多重网络拓扑,因此,需要同步系统中所有的数据采集点,即需要同步每个传感器节点中嵌入式精密计时器的时钟。Le Cam曾经报道过在每个智能传感器节点上,使用嵌入式GPS模块,从而实现了1μs的绝对精度[8],然而,这种方法必然导致了成本和体积的增加。
如图2所示,时序引擎同步参照了MicroStrain公司提出的解决方案[9],并且做出了相应的改进。该方案首先通过系统中惟一的GPS模块向时序引擎提供精确的时间信息,时序引擎再通过外部时钟触发的方式,向所有的网络控制器,同步提供精确的时钟脉冲信号,最后,控制器凭借有线(硬)连接或者无线连接的方式,分别通过各自的同步机制发布时钟信息,其中的无线控制器是通过无线同步信标机制,向节点定时广播时钟信号,以确保无线网络与有线网络的时序同步。
1.5 无线同步信标
由于在本设计中的无线网络借助的是PAN协调器,因此,可以通过中央广播同步信标机制,以校正无线传感器节点之间的时漂。首先,无线网络控制器需要向所有的节点,同时传输单播或者多播可设定地址的数据包,由于IEEE 802.15.4无线通信技术提供了广播寻址功能,因此,通过开启该功能可以将其实现;其次,由于同步数据包需要固定传输时序和接收时序,因此,通过利用在数据聚合器中的GPS作为精确的时序源,以驱动硬件中断,从而触发数据包的传输功能;最后,为了能够使通信延迟最小化并且尽可能地恒定,需要利用硬件执行数据包的发送和接收功能,因此,在发送中断请求到达接收端的主处理器之前,无线设备通过利用硬件状态机,针对所有传入的数据包进行解码和错误检验等处理工作,以实现执行效能的最大化。
1.6 温度补偿
如图3所示,除了在数据聚合器上需要精确的时序以外,在远程分布式传感器节点上的采样时序也同样需要很高的精度。因此,本设计首先通过板载温度传感器获得即时温度数据,再根据以前建立起的校准软件查询表中所对应的参数或者系数,微调振荡电路,使其能够在环境温度发生变化的情况下,确保输出频率的精度,从而实现了一个具有低功耗的温度补偿机制。通过利用该机制,可以在数据聚合器上实现精确的1 Hz输出频率,以作为网络控制器的时序同步的参考频率;通过将该机制略加修改,可以在无线传感器节点上实现从1 Hz~1 kHz的可调输出频率,以作为驱动主处理器上的传感器采样中断。
1.7 智能开关
如图3所示,维护和管理节点电池是无线传感器网络能够被大范围应用的主要障碍之一[10]。本设计选择采用了MicroStrain公司专门针对无线传感器网络的自适应能量收集电子产品。该产品的特点是利用仅消耗纳安培级电流的比较器作为智能开关,从而实现了电源控制,通过将智能开关运用到无线传感器节点上,可以等待直到储存的能量超过了设定的阈值时,该纳安培级的比较器开关才闭合,从而允许节点正常工作,以确保能量收支的平衡[9]。该技术的应用对于VSHMS是非常关键的,特别是能量级别很低或者是间歇性的应用时,储存的能量级别可能不足以维持无线传感器节点的长期工作,如果没有该智能开关的话,VSHMS就始终无法正常使用。
1.8 能量收集与储存
为了提高传感器网络的自主性,需要研究一种方法,以实现节点电池的充电。Hagerty等人介绍了一种能量收集方法,可以回收周围环境的微波能量[11],但这种方法可能不适用于翼面或者舵面结构。本设计中的能量收集是根据压电效应,通过使用压电(PZT)材料,将结构中的应变能量转换为电能,以作为传感器节点的能量收集来源。
如图4所示,通过将PZT放置在50 mm长的锥形弯曲悬臂梁的顶部和底部,利用锥形悬臂结构,在压电元件上创造出几乎均匀的应变场。压电材料采用的是Smart Material公司的P2类型宏纤维复合材料(Macro Fiber Composites,MFC)。在悬臂梁的末端附着一个250 g的质量块,其共振频率大约为60 Hz。通过使用上述结构,传感器节点可以收集来自振动机械和旋转结构的能量。
由于电化薄膜可充电电池能够连续补充充电和小电流充电,并且具有非常低的泄漏,无记忆效应,能够反复充电并且性能稳定,因此,该类型电池可以作为传感器节点的能量储存元件。
1.9 无线通信的安全性与可靠性
由于无线通信的传输介质相比有线通信,存在着更多的安全性问题,为了防止凭借无线通信网络故意干扰、影响、入侵VSHMS。本设计严格实施ZigBee协议所规定的安全服务方法,诸如:密钥建立、密钥传送、帧保护和设备管理。除此之外,还采用了一些诸如:无线和有线网络的网关分离,设备的健壮和用户身份的验证,基于地址和协议的流量过滤,无线和有线区域的监控和入侵检测等多层防御措施[12],以达到针对VSHMS的深度防御[13]。
由于在飞行器中含有大量的电磁干扰(Electro Magnetic Interference,EMI),从而增加了白噪声基底,并且减少了传输的信噪品质,这势必会影响ZigBee网络的可靠性,由于IEEE 802.15.4的MAC层是基于冲突检测的载波侦听多路存取(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,CSMA/CA)信道访问方法,因此,通过开启该功能,EMI可以得到部分缓解。
除了EMI,正在传输的ZigBee设备所产生的射频干扰(Radio Frequency Interference,RFI)也可能会影响飞行器的其他控制和监控设备。但是由于ZigBee终端设备睡眠时间的占空比相对较大,仅是周期性唤醒以发送或者接收消息,并且具有相对较低的功率级,因此,该类型设备不太可能成为干扰源,反而可能成为其他高功率无线通信系统的负干扰源。然而,对于高占空比和高功率的PAN协调器和ZigBee路由器,可能会产生更多的射频干扰,因此,本设计采用了自适应跳频技术,通过配置跳频信道和跳频图案,以实现发射功率的最小化,除此之外,通过优化无线通信网络的拓扑结构,使上述设备远离飞行器的敏感设备以及其他类型的无线发射器,最终可以有效地控制RFI。
2 系统测试
由于受到实验条件以及项目经费的限制,目前尚未进行机载或者弹上试验,仅在地面,根据某飞行器的结构,建立起一套VSHMS,以验证其可行性。
2.1 无线同步信标与温度补偿的效果测试
为了分析无线同步信标的使用效果,使用了三组不同的实验设置,以比较时序的漂移量。第一组实验:将无线节点放置在温控环境箱内,其电子装置被直接暴露于箱内空气中,不采用任何形式的热绝缘,环境温度被控制在-40~120℃之间,进行循环变化,共计12 h,24个周期,启用温度补偿,并且每隔60 s重新同步信标一次;第二组实验:采用第一组相同的设置,但禁用温度补偿,仅在测试的开始时刻发送计时信标一次;第三组实验:采用第一组相同的设置,但环境温度被恒定控制在室温27℃。
如图5所示,由于第三组的环境温度恒定,因此,将第三组的实验结果作为测试标准,经12 h之后,可以发现第一组的实验结果与第三组的实验结果几乎完全吻合,而相比之下,第二组的实验结果却相差很大,其时序同步精度误差经测量大约为57 ms,其每秒漂移率大约为0.057/(12×60×60)≈1.32×10-6。由于第一组实验采用的是60 s的同步信标间隔,从理论上可以得到:其最大时序偏移量应当由每秒最大漂移率乘以60 s,若使用相对漂移率计算第一组的实验结果,其大约为60×1.32×10-6≈80μs。由于传感器的最高采样率为128 Hz,即最大分辨率被限制为7.812 5 ms,因此,若采用第一组的实验设置,时序同步精度误差对于分辨率的影响可以忽略不计;若采用第二组的实验设置,即禁用无线同步信标与温度补偿,时序同步精度误差会严重影响分辨率,若长期使用所造成的累积误差也会影响传感数据时间戳的精度。
由此可以验证,基于无线同步信标与温度补偿机制,可以有效地克服由于环境温度、器件精度等原因造成的无线节点之间的时序漂移问题。
2.2 数据监测和无线节点工作模式的自动调节
以加速度计作为无线节点的传感单元为例,由于采用的是体积小、测量精度高的双轴MEMS加速度计,因此可以适用于测量翼面或者舵面等关键部位的振动加速度信号。
如图6所示,为了节约电能,除了在硬件方面选用了低功耗的器件以外,在软件方面,无线节点被设置成两种工作模式,以实现电源管理,其工作流程是:当传感数据处在设定的比较阈值范围以内时,则工作在通常模式下,此时加速度计的采样频率被设置为32 Hz,数据被临时储存在FLASH存储器中,ZigBee无线通信模块被设置为每隔60 s唤醒一次,以将存储的数据打包上传给数据聚合器,并且接受来自数据聚合器的同步信标,此时的数据最大延迟理论上为60 s;当传感数据超出了比较阈值范围以外时,则变换到突发模式下,此时加速计的采样频率被提高到128 Hz,无线通信模块不再启用休眠状态,节点向数据聚合器实时上传数据,以便于其跟踪监测,在突发模式下,对于工作模式的选择采用的是比较数据的变化率,当变化率大于其设定值范围时,则节点仍旧处在突发模式下,当变化率小于其设定值范围并且能够持续稳定一段时间时,节点将自动变换回通常模式,并且根据当前的稳定状态,重新设定比较阈值。
如图7所示,该设计中的VSHMS可以通过有线网络和无线网络实时地监测多个目标结构的GPS、惯性、加速度、温度、湿度、光照数据。为了更好地验证加速度监测功能的灵敏性和实时性,此次验证试验不采用加速度可稳定变化的升降台,而采用手动的方式。通过将节点由地面移动至距地1 m处的平台上,经15 s后再将其移回地面,以记录监测数据。
如表1所示,由VSHMS记录的监测数据可以得到:在第3 616.812 5 s之前,节点工作在通常模式下,即1/32 s采集数据一次;在第3 616.843 8 s处,由于加速度数据为0.252 2 g,超过了先前设定的比较阈值±0.25,节点变换到突发模式下,即1/128 s采集数据一次,并且实时上传数据。
如表2所示,由于持续稳定时间被设置为10 s,在第3 683 s之后的数据变化率持续低于变化率阈值±0.05,因此在第3 693 s节点变换回通常模式下,同时根据当前的数据值,重新设定了比较阈值为-0.01±0.25。
由于在该设计中的无线节点电能均来自于外部收集的能量,以至于在某些特定情况下,储存的电能不能够长期维持节点的实时工作,因此,对于无线通信模块这种高能耗单元,可以通过启用硬件制造商所提供的休眠状态,以节约宝贵的能量。由于本设计采用了两种阈值的比较以确定工作模式的方法,从而能够避免数据的短期稳定,造成工作模式的反复转换,并且能够根据新的稳定状态而重新设定阈值。下一步,将在工作模式的判断上加入自适应控制算法,根据数据的特征,自动调整阈值范围和持续时间,以至于能够更加有效地完成节点的数据采集与传输工作。
3 结语
飞行监测论文 篇6
编队飞行三要素
不知道大家是怎样理解编队飞行的，我接触实际飞行之前对其理解是有偏差的，以为就像结婚的车队一样，只要搭眼看是一个队伍，行进过程中能相互照应就算编队了，其实不然。我可能是受到了太多影视作品的误导了。
这里我先问一个问题，大家对国庆阅兵时的空中受阅编队都记忆犹新吧。就战斗机的编队而言，各飞机的高度一样吗?我相信，很多人会回答高度一样，因为潜意识里认为飞机编队跟地面的士兵方阵、战车方阵没什么区别，都是在一个平面上运动的。而实际情况是，它们是存在高度差的，只是大家没观察仔细，或者摄影师、摄像师的拍摄角度掩盖的这个差值。
接下来，我就给大家解释一下编队高度差的概念。所谓编队高度差，是指在飞机立轴方向上，各飞机间的距离。低于长机的高度差叫低下量，高于长机的高度差叫高出量。这里需要特别提醒一下，一定要明确编队高度差和飞行高度差的区别，不要误以为编队高度差就是各飞机实际飞行高度之差(讲编队时若没有特殊说明，则高度差指编队高度差)。只有平飞时，两者数值才相等，其他状态下，编队高度差与飞行高度差的数值是不同的。比如说，双机编队盘旋时(长机在内圈，僚机在外圈跟随)，由于整个编队带着坡度，僚机的实际高度要比长机高，但编队高度却比长机低(也就是僚机取低下量)。
编队高度差的意义在编队飞行中非常重大，只有取合适的高度差才能保证飞行安全。笔者在初飞时就经常因取不好高度差而吃长机的“尾流”，使飞机状态很难保持。这里所谓的“尾流”，不只是发动机排出的废气，而是指从长机机翼形成的下洗气流和翼尖涡流，其滞空时间相对较长，一段时间内消散不了，若僚机进入长机的下洗气流后，会受到很大影响，姿态变化剧烈，难以操控。曾发生过飞机在起飞过程中吃到上一架飞机的“尾流”而失去控制发生坠机的空难。由于初教六飞机是活塞螺旋桨发动机，吃到长机“尾流”还只是状态不稳定，若喷气式发动机吃了“尾流”，很容易造成发动机喘振甚至停车。因此，取好高度差是编队飞行的基础，也是衡量僚机飞行员能否单飞的重要标准。
说完高度差，再解释一下剩余两个空间参数——间隔、距离。
编队中的“间隔”是指在飞机横轴方向上各飞机间的距离，通俗说也就是两机之间内侧翼尖之间的距离：而“距离”是指在飞机纵轴方向上各飞机问的距离，也就是僚机机头到长机机尾的距离。
说到这，再给编队飞行一个通俗的解释大家就好理解了，无非就是僚机跟随着长机，并与之保持一定的间隔、距离、高度差的飞行。这样解释，是不是顿时感觉编队飞行没那么复杂了，如果是这种感觉，那么恭喜你。你做到“战略上藐视敌人”了，而接下来的就是要“战术上重视敌人”了。编队飞行难度大、挑战性高的课目之一。为什么会这样呢?下面我将为大家一一道来。
编队队形
首先给大家介绍一下编队的队形。按照队形的形态可分为梯队、楔队、纵队、横队、箭队、菱形队、蛇形队等，这个大家应该都有所了解，并且与我要讲的双机编队联系不是很大，就不过多解释了。如果按照飞机之间的间隔、距离划分，可分为基本队形、密集队形、疏开队形和疏散队形，我将着重讲一下。
基本队形是最常用的队形，用于教学和出入航等。初教六训练中间隔、距离一般采用30米×50米(间隔×距离，下同)。此队形下涉及到的常用简单特技有双机起飞、直线飞行、变换队形(左、右梯队互换)、解散、转弯、俯冲、跃升、急上升转弯、盘旋下降。
密集队形是执行特殊作战任务或穿云飞行时采用的，训练中间隔、距离一般采用15米×15米或10米×10米。涉及到的常用简单特技有直线飞行、转弯、盘旋、俯冲、跃升、上升转弯等。
还有一类特殊的密集队形，其间隔和距离都非常小，也称超密集编队。超密集编队通常只有飞行表演时采用。“八一”飞行表演队歼7时代飞过的最小间隔和距离3米×3米，换装歼10后间隔和距离缩小到1米以内(相信以后还会缩小的)，而国外的一些飞行表演队飞的都是0×0，甚至是负间隔，僚机的机头恨不得钻到长机的机翼下面，整个编队整齐划一，在地面上看起来就像是一架飞机。美国空军的“雷鸟”、海军航空兵的“蓝天使”、俄罗斯的“勇士”等世界著名飞行表演队在飞行表演时都采用超密集编队。
疏开队形则是作战中常用的队形，便于搜索目标、相互掩护和协同配合等，训练中间隔、距离一般采用40米×70米。涉及到的常用简单特技有90°、180°交叉转弯，90°交叉转弯进入俯冲，90°交叉转弯退出跃升，交叉急上升转弯等。
疏散队形的间隔距离很大，甚至超出目视范围，初教六飞行中很少涉及到这个队形。
对了，还有很重要的一点没告诉大家，那就是在空中如何判断间隔和距离。简单的方法是，使长机固定于风挡的某个位置，然后根据长机相对于风挡的大小(也就是长机在风挡上的投影)来判断。相对前者更为精确的方法是卡基准线，以30米×50米的队形(1米的低下量)举例说，以僚机的视角向长机看去，长机的水平尾翼投影在机身“八一”机徽五角星顶角稍靠上的位置，且长机发动机整流罩与同侧的副翼内侧基本重合则队形正常。道理很简单——人眼与飞机纵轴组成的平面内，由飞机纵轴上不同两点引出的角度不同的射线一定交于固定的一点，如此说的话，若想要保持这一点固定，则必须始终保持这两条射线与飞机纵轴的角度固定，而角度固定也就是上面所说的透过人眼从飞机的某一固定部位看到飞机的另一固定部位。
编队中各简单特技动作简介
1双机起飞
经指挥员同意后，跟着长机滑进跑道，取好间隔、距离后柔和刹住车、摆正前轮，并使飞机纵轴与长机纵轴平行，否则起飞过程中用舵配合刹车修正方向时飞机减速，很容易被长机甩开：而且飞机在爬升阶段增速慢，很难追赶长机。
当看到长机给起飞信号后，松刹车，根据长机运动的快慢调整加油门的速率，不要担心冲前而不敢加满油门起飞，更不要在滑跑过程中收油门，这是十分危险的。
抬前轮的时机要根据长机抬前轮时机判断，不要习惯性的盯舱内而忽视与长机的间隔和距离；并且，僚机要控制抬前轮的高度比正常稍低，确保长机离地后僚机再离地。
2直线飞行
直线飞行是指跟随长机做平飞、上升、下滑的直线飞行，僚机要严格保持住与长机的间隔、距离、高度差。这是适应空中编队飞行的第一步。
当然，这个说起来很简单，但做起来就难了。尤其是新学员修正一个要素的时候，其他两个要素就变化了，不能做到“动一兼顾二”。比如说，当学员感觉间隔拉大的时候，就蹬舵做侧滑修正，但忽视了杆舵配合，手上动作跟不上，结果引起了飞机坡度的变化，坡度的变化很快就又造成了间隔的再次变化：而且在这个过程中，注意力都集中在间隔上，很可能就忽略了高度差的变化。于此同时，由于侧滑造成的减速，两机距离也逐渐拉远。这可以说是初学者必犯的错误。再比如，当距离远的时候，学员会加油门增速追赶长机，但却容易忽略三个问题，一是加油门时飞机会因为螺旋桨副作用的影响而右偏，引起与长机间隔的变化：二是加油门时机头会上仰，若稳杆不及时，则高度差也会变化：三是掌握不好收油门的提前量，收晚了会造成反偏差，两机距离过近，而收早了又达不到修正效果。这还只是一个要素发生了变化，若两个要素，甚至三个要素全都有偏差时，可就更加手忙脚乱了，恨不得自己有三头六臂。
当然，这是学习飞行的必经之路，遇到这些挫折是确定一定以及肯定的!世上无难事、只怕有心人，别气馁、多摸索、多尝试，编队飞行的秘诀早晚会被你掌握的。说心里话，飞行这个东西就是一层窗户纸，想把它捅破，有时候就是凭感觉。