автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.01, диссертация на тему:Методика и аппаратура летных исследований на легких летательных аппаратах и свободнолетающих моделях

Московский Физико-Технический Институт Факультет аэромеханики и летательной техники

На правах рукописи

Наконечный Олег Владимирович

МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ЛЕТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ЛЕГКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ И СВОБОДНОЛЕТАЮЩИХ МОДЕЛЯХ

Специальности:

05.07.01: "Аэродинамика и процессы теплообмена". 05.11.16: "Информационно-измерительные системы".

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Жуковский Московской обл. 1993

Работа выполнена в Центральном Аэро-Гидродинамическом Институте им профессора Н.Е.Жуковского

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

д.т.н. Красильщиков А.П.

д.т.н. Алферов В.И., к.т.н. Александриди Т.М.

Ведущее предприятие: Летно-Исследовательский институт им. Громова.

Защита состоится "_"_ 1993 г.

в_часов на заседании специализированного совета

К.063.91.07 факультета аэромеханики и летательной техники МФТИ (140160, г.Жуковский Московской обл., ул. Гагарина,д.18)

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ЦАГИ.

Автореферат разослан

1993 г.

Ученый секретарь.

специализированного совета ФАЛТ МФТИ кандидат технических наук

Киркинский А. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РПООТИ

АКТУАЛЬНОСТЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТ« определяется необходимостью автонатизгции измерений в ходе летных исследований на легких и сверхлегких (СЛА) летателышх аппаратах и свободнолетапцих моделях (ДПЛА) и создании технических и алгоритмических средств, соответствующих специфике данной задачи.

ЦЕЛЫ РАБОТЫ является разработка общей концепции, структур, средств реализации и математического обеспечения бортовых систем сбора информации на бортц легких ЛА.СЛА и ДПЛА.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ закличается:

- в обобщении целей и задач летных исследований на легких ЛА, СЛА и ДПЛА и разработке на этой основе особых требований к используемым техническим средствам; выборе с учетом этих требований направлений специализации бортовых ИИС,

- в разработке базовой структуры информационно-измерительной системы с учетом всех требований и ограничений при проведении исследований и испытаний,

- в разработке универсального измерительного блока (УИБ), с ломоцыо которого путем программной перестройки основных связей возможно измерение электрических сигналов с различной точностью, частотным спектром и номехозациценностыз,

- в расчете и анализе погрешностей дифференциального вольтметра УИБ, п выводе основных формул и рекомендаций для расчета оптимальной структура дифференциального вольтметра,

- в разработке математического обеспечения, даяцего возможность накопления измерительной информации л ее первичной и вторичной обработки, а такге тестирования и метрологической аттестации системы,"

- в исследпкании причин возникновения опибок при записи на магнитный накопитель и разработке алгоритмов их исключения,

- п разработке способом и алгоритмов сжатия информации в бпргппой системе, позволяющей при относительно простом алгоритме существенно сократить объемы поступаЕЧчГЙ в накопитель информации. ,

РЕЗИЛЬТАТН РАБОТЫ:

1. Проведен анализ опыта летных исследований на легких и сверхлегких ЛЛ и ДПЛА и на этой основе сформулированы особые требования к системам сбора информации на борту таких аппаратов. Поскольку этим требования« невозможно было удовлетворить одновременно, было найдено оптимальное (по критерии стоимость - эффективность) разделение ИИС по группам специализации.

2. Разработаны базовые структуры информационно-измерительных систем, оптимизированных под сформулированные требования.

3. Разработан универсальный измерительный блок (УИБ), с помощью которого путем программной перестройки основных спя зей позновно измерение электрических сигналов с различной точностьн, частотным спектром и помехозащищенностью,

4. Произведен расчет и анализ погреиностей дифференциального вольтметра НИБ, выведены основные формулы и рекомендации для расчета оптимальной структуры дифференциального вольтметра.

5. Предложен специализированный датчик для измерения аэродинамического качества, позволяющий упростить блок датчиков и повысить его точность.

6. Разработано математическое обеспечение, данщее возможность накопления измерительной информации и ее первичной и вторичной обработки, а также тестирования и метрологической аттестации системы.

. 7. Исследованы причины возникновения ояибок прй записи на магнитный накопитель и разработаны алгоритмы их исключения.

8. Разработаны способы и алгоритмы сжатия информации в бортовой системе, позволяющие при относительно простом алгоритме суцественно сократить объемы поступающей в накопитель информации.

П. Предложенные технические реасния были воплощены г, трех информационно - измерительных системах и ряде вспомогательного оборудования и с помощью этих систем проведен ряд разнообразных летных исследований в 1087-19Я1 гг. в И!'!!!] 1\А-ГИ.

4 • -

ПРАКТИЧЕСКАЯ.ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ состоит в использовании ее результатов при создании трех бортовых систем (БМЙИС1, БМИИС -2, БНИИС-3) и наземного комплекса для автоматизации летних исследований в НИПБ ЦАГИ, и проведении с помощью этих систем серии летно - исследовательских работ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ проведена в ходе ряда летных исследований и испытаний, подтвердивних работоспособность и высокое эффективность предложенных технических средств, алгоритмов и методик,

ПУБЛИКАЦИИ. Результаты исследований по теме диссертации автора изложены в 7 печатных работах и заявке на изобретение, по которой получено положительное реиенис.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. ' Диссертация изложена на 142 страницах печатного текста и состоит из введения с обзором литературы, 4 глав, выводов, списка литературы из 104 наименований, и приложения. Текст содержит 41 рисунок и 5 таблиц, приложение содержит 21 фотографию, И принципиальных схем, 10 ригунков и 24 страницы листингов наиболее важных прлг-ракм.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЗ.

Во введении приведен обзор современного состояния дел в области автоматизированного сбора информации на борту летательных аппаратов. Отмечено отсутствие достаточного материала по автоматизации летных исследований на борту легких ЛА|СЛА и ДП/1А,* показана ориентированность серийных бортовых ИИС преимущественно на задачи летных испытаний опытных образцов авиационной техники и потому их малопригодность для легких ПА, СПЙ и ДП/1А вследствие избыточности, больших габаритов и песа. Сделан вывод о необходимости создания специализированных ИИС для таких испытаний. Сформулирована цель диссертационной работы и способы ее достижения.

И главе 1 сформулирован основной круг задач летного эксперимента с использованием легких и сверхлегких летательных аппаратов и ДПЯА, на их основе были выработаны требования к системам сбора информации на борту таких аппаратов.

К наиболее типовым задачам летного эксперимента с использованием вывеупомянутой авиационной техники мо«но отнести:

- полетные исследования профилей (распределение давления, исследования пограничного слоя, спутного следа),

- определение качества и других летно-технических характеристик летательных аппаратов,

- изучение влияния на аэродинамика летательного аппарата доработок конструкции (типа установок ККП),

- исследования турбулентности, как атмосферной, так и в пограничном слое,

- аэродинамический эксперимент на ДПЛА,

- летние испытания мотоустановок.

Исходя из данных задач и многолетнего накопленного в НИПБ ЦАГИ. опыта их ревения, были определены типовые характеристики источников сигналов и технические требования к аппаратуре для их регистрации.

8 больнинстве случаев спектр измеряемых сигналов лекал в области инфранизких частот, определяемых собственной динамикой летательного аппарата, и составлял 2тЗ Гц для пилотируемых аппаратов и 10 Гц для ДПЛП.

При этом число одновременно измеряемых параметров било относительно невелико - максимально до 30 при измерениях распределения давления. Требования к точности определялись методикой и используемыми датчиками и были типичны для летних "испытаний: использовались 1.5 т 3 X датчики и 10-разрядные системы регистрации, что и определяло разрядность анало-гоцифрового преобразования.

Значительно более серьезные требования к системе измерений предъявляли исследования турбулентности, из-за расширенных спектрального и динамического диапазонов. Основным измерительным преобразователем в таких исследованиях был термоанемометр (ЗТЙМ-1?, разработка 1Ш0-16, Троицкий В.'В.). Спектральный диапазон исследований простирался от инфранизких частот в задачах исследования атмосферы и до ультразвука. ' Собственно турбулентные вихри проявляли себя до частот порядка 6т7 кГц, далее шла область генерируемих турбулентной

структурой акустических иумов. Динамический диапазон термоанемометра (более 60 дб) применительно к типовому спектру турбулентного сигнала позволял исследовать сигналы до частот 15т25 кГц. ЯЦП соответствушщего динамического диапазона и рабочих частот должен был бы иметь не менее 12 разрядов с частотой дискретизации 30т50 кГц и апертурным временем 15т20-не.

При этом упростить задачу и организовать измерения г. частотным расщеплением сигнала, как в аэродинамических трубах, было достаточно трудно. Это связано с тем, что турбулентные пульсации составляют малуи величину от долей до единиц процента на фоне скорости потока, которая в полетных условиях сама меняется с характерной для летательного аппарата динамикой. Таким образом, к типовому турбулентному спектру добавляется мощный острый пик спектра летательного аппарата, заставляющий переносить область- частотного расщепления вверх по частоте. При этом переходная область существенно распирается и поглощает значительнуш часть мощности сигнала,' что в сочетании с резко нелинейной характеристикой термоанемометра приводит к большим относительным ошибкам.

Эти соображения легли в основу выработки технического задания для бортовых систем легких пилотируемых летательных аппаратов: измерения по 32 каналам с частотой опроса 10 Гц и разрядностью 10 бит, измерения по одному каналу с разрядностью 12 бит сигнала частотой 6 кГц. При измерении на более высоких частотах в связи с упомянутой особенностьа сигнала допускалось измерение переменной составляющей сигнала с частотой 15г25 кГц, амплитудой -35 Дб от постоянной составляющей и разрядность«! 6 бит при условии корректного ее выделения на фоне медленной компоненты. 6-разрядного преобразования достаточно для задач корреляционного и спектрального анализа,, типичных для турбулентных исследований. Кроме того, для некоторых задач было необходимо измерять ог-родненные величины с временем интегрирования 0.1т1 сек и разрядностью 10 бит.

П большинство случаев в качестве летапцей лаборатории ис-

пользовались планеры как аэродинамически наиболее чистый объект. Они же определяли наиболее строгие требования к массе, габаритам и энергетике аппаратуры: габариты 350x300x250, масса не более 10 кг, энергопотребление не более 60 вт при питании от 24 В аккумулятора.

При летных испытаниях СЛА и ДПЛА требования к весу и габаритам были определяющими и значительно более жесткими. Требования к габаритам определялись размерами приборного отсека моделей и составляли 250x150x125, а вес по соображениям ее центровки был ограничен 1.5 кг. Энергопотребление лимитировалось 10 вт при питании от 24 В. Среди прочих требований к нов-ой системе было требование обеспечить несколько режимов работы по точности-быстродействию: быстрые измерения с малой точностью (виброперегрузки и динамика быстрых процессов типа . срабатывания парашютных систем), и измерение с более высокой точностьи медленно меняющихся параметров полета. С учетом, специфики модельных исследований эти требования были следуп-щими: 6 разрядов при частоте дискретизации до 16 кГц и 8 разрядов при частоте дискретизации 20 Гц.

Среди экилуатациошшх.требований ко всем системам били требования по климатике, механическим воздействиям, надежности, помехозащищенности, наличии эффективной системы самотестирования в полевых условиях.

В главе 2 был сделан выбор и обоснование базовой структуры бортовых систем, рассмотрены основные вопросы проектирования, а также тестирования ИИС, проведён анализ погреш-настей измерительных систем:

Обе системы имели классическое разделение (борт-земля) функций и' аппаратных средств, со связып между бортовой и па земшн'; частями через накопитель данных. При этом бортовые части выполняли функции преобразования входных сигналов, их дискретизации, первичной обработки и накопления. Эти части иняли все основные признаки ИИС и поэтому далее нлзнвлютпи б'ортопнчи многоканальными " информационно - измерительными системами ГПМИИС). Оставшиеся Функции вннл.лнмютпч наземной члетья системы с помощью любой ЗИМ г. необходимым набором периферийных устройств и программ.

БШС-2: расчет, структура, функционирование.

Удовлетворить выведенным в главе 1 требованиям при ограниченных затратах можно было • применением в измерительном блоке диференциального преобразователя. В литературе в боль-шок количестве имеются общие сведения и качественный анализ дифференциальных АЦП, но отсутствует их полный численный анализ, поэтому в работе приводятся основные выкладки, использованные в расчетах.

Iii

Рис. 1.

На рисунке 1 представлена типовая структура дифференциального (или параллельно-последовательного) АЦП и прохождение сигнала по его цепям. Входной сигнал их подается на АЦП! и преобразуется в код N1, этот код поступает на ЦАП и преобразуется в аналоговое напряжение Ик, которое затем в сумматоре вычитается из исходного кода, усиливается и подается на АЦП2, преобразуясь там в код N2. Арифметическое устройство суммирует коды N1 и N2, образуя выходной код N. Через Бн обозначены коэффициенты передачи элементов.

Пусть АЦП1 имеет п разрядов, а суммарный код АЦП1 и АЦП2 - в разрядов. Введем числовые эквиваленты напряжений и N1 и иН2, численные значения которых равны номинальным значениям выходных кодов АЦН1 и АЦП2. Численный эквивалент выходного напряжения 1Ш - 1Ш1 + ПН2.

Условие стыковки кодов дает соотношения между коэффициентами передачи:

а-п

Бн2 =10 5н1

Выходной код идеального ДАЦП: . ш-п ' ш-п

Я = 10 N1 + N2 = 10 5н1 СМ1 + 5н2 иИ2 = 5н2 1Ш

В реально» ДАЦП каждый элемент структурной схемы, кроме АУ, вносит свои искажения в проходящий через него сигнал. Зта оэибка для каадого элемента считается состоящей из аддитивной и мультипликативной составляющих: ьх - с1зх + а0. Сумматор (СМ)- условно разделен на 2 компонента: на идеальный сумматор и последовательно с ним включенный масштабный преобразователь (МП), берущий на себя все ошибки реального устройства.

Обозначим через Кн1 и Нн2 номинальные значения цифровых кодов на выходах АЦП1.И АЦП2, а Окн и лУн - номинальные напряжения на выходах ЦЛП и СМ.

Если расписать далее прохождение сигнала с учетом обрастания его оиибками при прохождении по цепям и смешении ошибок между собой и с сигналом, получится система:

Н1 = !1и 1 + бЯ1 = 5п1 ИН1 + еп1 5п1 Сёз! ИН +о01)

ик з инк + йЧк = Бнк N1 + $нк((Ыс N1 + йОк) = = $нк( 1 + йгк) Н1 + йк

ли - йУн + й(аи) = 5нс йОдш + 5нс (<15с йОгиа + йОс) = = 5нс (1 + бгс) лизиа + йс

N2 :: Пп?. + лН2 = епЬ 5н2'(йи + йя2 л11 + о02) = - спЬ 5н2' [С1 + (152) йУ + л02] ш-п

я ю Н1 + Н2 = Бнг ин + лЯ

где рп1 - операция выделения целой части.

Ниге приведено ее репение.

N = Нн (лН - Sh2 UN i Sh2 [dl UH2 - d2 UNI -- Cdlfd2) dsl Ux] i (лН)0 *, (1)

где: dl = ds2 + dsc + ds2 dsc: d2 - dsk (1 + dl);

UN)0 = ent { -Sh2 (dl+d2) ûOI - Sh2 (Udl) ûk ч » Sh2'(Û02 i С1fds2) ùcJ ) .

Здесь Sh2 UN - часть от идеального аналого-цифрового преобразования, следующий член - составлявшая оиибки, зависящая от входного сигнала,, и последний (лЮО - чисто аддитивная гзгайка.

$тноситолы!ая погрепность преобразования d - ûU / Ux. Далее, если исходя из технических характеристик реалышх компонентов, подставить в формулу порядки величин и оставить в ней только доминирующие элемент», результат примет вид трехчленной формул»:

UNI UN2 инорм

d = dr>k — i d$2 — + dO-----= du + don i da •

Ux Ux .Ux

здесь Чнорм - верхний предел измерений,

du - мультипликативная погрешность,- определяемая в основном иультиликативной погрешностью ЦПП;

da - аддитивная погресшость, вобравшая в себя аддитивные плиГн;и всех блоков и состоящая главным образом из аддитивных опибпк ИЛИ и сумматора;

'dna - погрешность, которая имеет свойства аддитивной или мультипликативной в зависимости от входного сигнала. Так как UNI с Ux и UN2 * U2. то U2 Инорм

• d с dsk I d52 —' v riO ------.

Ux Их

da-dO

Uli

Uain

Uh

d;.;kids2id0

ч dfîkidO

ds2id0"

U2if

6)

Рис. 2

На рисунке 2,а показаны графики поведения этих членов в зависимости от входного сигнала, на рисунке 2,Г) - результирующий график с .характерными точками. Причем на рис. 2,а кривая dr.a - огибаицая пульсирующей затухающей кривой. Из формулы (1) видно, что при рациональном проектировании ПЦП члены dl UN2 и d2 UNI долгий быть равны или соизмеримы. Это условие выполняется, если число стариих разрядов d32

п - 1 о с — ds2 >> dsk .

dsk

При этом условии в точке V2 рисунка 2,6 не будет' разрыва кривой погрешности, несмотря на то, что она будет определят!.с:.. разныии формулами,- Баланс же û'Jh и л(лУ) определяет ) гаг.;лдов перекрытия кодов ПЦП1 и ЛЦН2 ( к).необходимых длл- ..ми, чтобы накопленные в передидуцих блоках ошибки ин вчвг:лч сигнал на входе (11(11?. за пределы рабочего диапазона: гИ •

s¡;(------- , 5itc lif.c) , где л! - d:;l Util 1 лО 1.

И N2

ивхП) ---

11вх( 2)

Ивх(п)

Е2-ЕЗ-

А

- /

1

2

п-1

п

пч-1

п+2

пй

8.1

ЕО-Е1-

А

1

2

8.2

а/л

Цк

1

►

V»

V»

ивх(ги1) >-

V»

НЕР

к

--

1

2

3

4

^

К

нз-

&

1 - АЦП1, параллельный, 8р;

2 - Й11П2, параллельный, бр;

3 - А![ПЗ, мгсегрирущий, 11р;

4 - ЦРЛ;

5 - сумматор;

6 - аналоговый коммутатор;

7 - цифровой коьшутатор;

8 - схема задашя смещения:

8.1 - аналоговый юют.

8.2 - сужатор; „

9 - интерфейсы сопрязетм с нагистральв.

Рис. 3

■Итоговая структура ДАЦП была такова: 8 разрядов АЦП1, 6 разрядов АЦП2 с 2 разрядами перекрытия, оба АЦП - параллельные серии 1107. Поскольку использовались однополярные АЦП, для надежного перекрытия вводилось аналоговым способом смещение, численно равное 2 НЗР, для симметричного использования диапазона АЦП2.

Структурная схема измерительного блока приведена на рисунке 3. 1есткая структура дифференциального АЦП была мало приспособлена под разнообразие задач и была поэтому несколько изменена. Базовые элементы остались те же, изменены отдельные связи между элементами. Это позволило реализовать следусщие режимы работ:

С

1. Быстродействующего вольтетра. Через верхний на рис.3 порт 9 выбирались соответствуйте аналоговый и цифровой каналы, после чего можно было осуществлять съем данных с ЙЦП1 с любой доступной процессору скоростью. АЦП тактировался от импульсов синхронизации вины, прерываемых аппаратно на время опроса, и поэтому постоянно находился в дежурном режиме.

2. Дифференциального вольтметра. В отличие.от традиционной структуры цифровой канал АЦП1-ЦАП замыкался через процессор, при этом одновременно происходило считывание кода АЦП1. Код АЦП2 считивался после блокировки тактовых импульсов и переключения цифрового коммутатора. В этом режиме измерения проводились с максимальной точностью и средней скоростью, до частот 15 кГц, ограничиваемой процессорным временем на обслуживание процедуры. В основном режим использовался для точных измерений медленных параметров и измерений интенсивных пульсаций скорости. В задачах исследования турбулентности этот резим использовался редко, во-первых, из -за малого быстродействия, и во-вторых, из-за того, что около половины информации было бы избыточной (старние разряды кода многократно бы повторялись). Поэтому был введен режим

3. Разностного вольтаетра, в котором процессор задавал через ЦЛП смещение, вычитаемое из исходного сигнала, эту разность после усиления преобразовывал АЦП2. Это позволяло измерять переменный малый сигнал на фоне большой квазипостоянной составляющей. Измерения в этом режиме были организованы следующим образом: отфильтрованный в ФНЧ с Гс=ЗГц входной сигнал преобразовывался в ЛЦП1, записывался после кодировки в буфер памяти и задавался на ЦАП, после чего переключались цифровой и аналоговый коммутаторы. Тот же входной сигнал проходил по другому каналу через ФНЧ с Гс=12 кГц и поступал на сумматор, где из него вычиталось зафиксированное на ЦЛП смещение, и преобразовывался.в АЦП2 с максимальной для процессора скоростью. Данные проверялись на соответствие диапазону и запоминались в буфере. При приближении к границе рабочего диапазона АЦП2 происходила регенерация смещения. Т.О.. измерения состояли из скоростного сбора данных с АЦП2 на фиксированной частоте, в который вклинивались цикли регенерации. отслеживающие медленную компоненту.

А ■

Максимальная скорость сбора данных в этой режиме составляла 33 кГц. Бортовой магнитофон НЛП-14-3, работавший с системой, позволял записывать только 4 К слов в секунду, да и количество накопленной с таким темпом информации превысило бы все разумные пределы. Поэтому была организована прерывистая работа системы с использованием 32 Кбайтового буфера: периоды быстрого сбора чередовались с в 8 раз более длительными периодами записи информации . Чтобы при этой не терять низкочастотные составягщие спектра, в периоды записи продолжался сбор по низкочастотному каналу. Прерываемый в периоды сбора, этот поток данных впоследствии восполнялся цифровой фильтрацией. Многократное повторение быстрых сборов данных позволяло при последувщей обработке получать осреднением состоятельные оценки автоспектра.

Измерительный блок имел еще два режима работы:

4. Интегрирующего вольтметра, позволявяего измерять ос реднешше величины (см. выэе).

5. Режим самотестирования. Одна из резервных линий аналогового коммутатора была подключена к выходу ЦЙП, другие - к источникам калибровочных напряаений. Задавая на ЦйП контрольные коды и производя измерения в каждом режиме, можно было проверять работу измерительного блока.

Ниже приводятся характеристики системы.

1. Число каналов : 32;

2. Нормированный диапазон измерений: + ( Uain т 10.24 ) В;

3. Режимы работы измерительного блока:

- основной: 8 бит, Uain - 40 мВ, Ь=1мкс, КТ=0.5/0.2,

- дифференциальный: 12 бит,, Unin = 2.5 м8, t=5 икс, КТ=0.05/0.02.

- разностный: 6 бит, Uain = 2.5 иВ, t=lMKC,

- интегрирушций: 11 бит, Uain =10 мВ, t =0.1 т 1 сек. КТ=0.2/0.1

БИИИС-3: описание, функционирование.

Данная система обеспечивала проведение испытаний СЛА и Д11ЛА. имела минимальные вес и габариты, имела два режима работы (см, выие). Эти ограничения легли в основу не только гхеиотехнических и конструктивных реиений, но и ряда характеристик. Аппаратная часть бортового модуля была максимально упрощена за счет отказа от ненужных в полете функций и максимального переложения ее работ на программное обеспечение. В пользу максимальной аппаратной простоты можно привести и очевидное соображение ее легковоспроизводимости, из-за рискованности для аппаратуры подобных испытаний. Поэтому большая часть ресурсов системы, а также средства общения с человеком. контроля и тестирования были собраны в отделяемом отладочном модуле, используемом только на земле. При состыковке его с бортовой частьп он переключал бортовой процессор на свою управляющую программу и ресурсы, образуЬз полную систему. Своего процессора модуль не имел. Структурная схема системы показана на рис.4.'

Цправление

Блок питания

Питание

Рабочий модуль

Вход каналов

--\

-----/

Л

Измери- адаптер Энергоне-

тельный —\ Контроллер /— магнито- незаяимая

блок (№) —/ V— фона память

А

—{Плата тестирования

Имитатор датчиков

Отладочный модуль

Набор . — !Ьел контро- — Пульт отладочного — Блок памяти

<|дрсса — ля 1Л и ЕД модула — модуля

4

Рис.4

2.3,1 Контроллер.

Процессорный узел бил собран па базе однокристальной ЗИМ серии 1П1В и нескольких.вспомогательных кристаллов.

Блок дискретизации (рис.5) объединял на одной плате аналоговый коммутатор, (ЩП, источники опорного напряженна и питания датчиков, вспомогательные схемы и ЦПП; имел 2 режима работы. В первом происходил простой съем данных с 0 -разрядного АЦП, частота опроса ограничивалась быстродействием процессора. Во втором режиме происходило наращивание разрядности аналоги - цифрового преобразования методами стохатическо-го квантования. •

Unx(l) >-Пвх( 2 ) >~

Unx(n) >-

4

1 г J_ II 5 1

► Va

п Г

3

DB0 т ШЗ

Р1/6

Р1/0 т Pi/S

в/А

: s

-11--> контрольный сиги.

Р2/0 v Р2/5 9

RG

1 - П1[П, параллельный, 6р; 4 - ЦПП;

9 - средства сопряжения с магистралью. Б - переключатель режима ЦПП (генерация Г1СП или генерация тест-сигнала)

5 - суммматор;

6 - аналоговый кою*утатор;

Рис., 5

И сигналу после аналогового коммутатора подменивался случайный сигнал с равномерной плотностью распределения в диапазоне .+ 0.5 дискрета, после чего производился цикл из N измерений с последующий их осреднением. В результате операции получается несмещенная оценка математического ожидания но Ч выборкам. Среднеквадратичная погревшость умснъялется ип сравнения с детерминированным квантованием приблизительно в \/2/п раз, для повышения разрядности с б до 8 бит достаточно било просуммировать 32 выборки. Случайный сигнал генерировал сам процессор, злдапая на ЦПП псевдослучайную ппелпдпватепь мость, апалагичнуп получаемой на сдвиговом регистре (риг..!,),

17

»

В 5 4 3 2 1

г-

J

Рис. В

К преимуществам схемы можно отнести отсутствие добавочных элементов для организации такого преобразования. Единственный дополнительный элемент - ЦЙП - требовался для наземных проверок системы и -в .габом случае должен бил находиться и бортовой части из-за развязки цепей аналогового питания.

Другим преимущество* является малая чувствительность к помехам (при условии их некоррелированности с опросами ПЦП) из-за осреднения сигнала за цикл отсчетов. Для минимизации погрешности датирования алгоритм предусматривал накопление сумм сразу по всем каналам (наиболее быстро нсняицсйса переменной цикла был номер канала).. Некоррелированность олрогоя АЦП г. регулярными помехами (типа выбросов от "пшульсного источника питания системы) достигалась соответствующим выборок частоты последних.

К недостаткам можно отнести искажение результатов при приближении входного сигнала к границе рабочего диапазона ближе чем на 1/2 МЗР, а также сравнительно больное время преобразования. Последнее является одним из источников погрешности: такой ПЦП, действуя как интегратор, вносит искажения во входной сигнал, зависящие от соотнесения спектральных характеристик интегратора и сигнала, т.е. от соот.човенич периода дискретизации и времени преобразования. В данной системе эта погреиность была сделана соизмеримой с погренпостьв квантования,

Яла болыинства применений системы М/1П-143 был. сливг.ом велик, и, хотя г. системе и была оставлена возможность работы .с КЛИМ 3 в аналогичном с ШЙС 1.2 формате, для ШИС-3 потребовалось разработать систему записи, соответствующую се г>с с у и габаритам. Небольвие пГп.оиы накапливаемой информации г.;мвплили достаточно просто реализовать .такой накопитель т ИКОН 031!.. Пвтононноий источник питания и микромоцпое потреб ленио делало накопитель -шсргонсзаписимым,время непрерывного

хранения информации составляло более месяца. Для избежания проблемы ограниченного адресного пространства накопитель был построен по принципу квазимагнитофона, т.е. эмулировал интерфейс НЛП. Секционированная конструкция из идентичных модулей по 32 К обеспечивала гибкость применения, позволяя адаптировать емкость накопителя (соответственно и габариты) под реваемую задачу, а эффективные системы кодирования (са. ииже) позволили увеличить эффективность использования накопителя в несколько раз.

ВМЙИС-3 в автономном режиме не проводила самотестирования из-за отсутствия соответствующих технических средств. Однако, по опыту эксплуатации системы, это и не требовалось: предельная простота конструкции обеспечивала ей очень высокую надежность и живучесть.

В главе 3 описано программное обеспечение БЫИИС и наземного комплекса. Приводятся блок-схемы наиболее важных алгоритмов, в приложении приведены листинги-программ.

Программное обеспечение можно разделить на два класса:

- системное, обеспечивающее функционирование ИИС и получение первичной информации, и.

- прикладное, служащее для реиения на базе первичной информации прикладных задач.

Системное в свои очередь делится на бортовое и наземное и состоит из:

1) Бортового, вклпчавчего программы:

- контроля и тестирования,

- сбора ,

- сжатия ,

- и записи информации в накопитель.

2) Наземного, вкличавиего программы:

- считывания информации с накопителя и

- ее распаковки,

- фильтрации и коррекции ожибок,

- вычисления и

- визуализации первичной информации.

- контроля и тестирования,

- и накопления статистики.

В п. 3.1 главы подробно рассмотрены алгоритмы сбора информации в бортовых системах и приведены блок-схемы.

В п. 3.2 главы описан алгоритм сжатия информации и приведена его блок-схема, в п.3.4 - обратная операция распаковки, приведена блок-схема алгоритма.

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2

\

к

скорость угол атаки угол та!гажа

0.1

0.3

г (гц)

Рис.7

Алгоритм сжатия информации предназначался для устранения избыточности информации, используя известные статистические характеристики сигнала. Спектр основных параметров движения летательного аппарата, по данным различных источников и результатам исследований Отдела (рис.7), резко падает на частотах выше 0.5т1 Гц. Как следствие следует ожидать сильных автокорреляционных связей по каждому из параметров, поэтому естественна принять в качестве простейшей модели сигнала мрковский источник первого порядка. По результатам упомяну-тих испытаний была найдена ' характеризующая такой процесс м^трищ условных вероятностей РСХ11Х|). а также распределение вероятностей всевозможных п-разрядных переходов между

соседними выборками *

р (п) = рсхI:х5), 1-Г-п

приведенное на рис.8. . .

2д

п -№-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 frfN

* Р (п) ( 7. ) <0.1 0.15 0.5 1 2.5 11.5 6В 11.5 2.5 1 0.5 0.15 <0.1

Рис.8

Фактически это распределение вероятностей скорости нарастания сигнала. Энтропия такого источника Н(X)-1.26. Наиболее оптимальный для систем без памяти код Хаффмена дал бы для такого распределения стоимость кодирования fN *

C(h.X) = Sun Р (n) ¡h(n)¡ = 1.52 n=-M

(здесь ¡h(n)! - длина соответствующего кодового слова) и соответственно избыточность R(h,X)=0,26. Но вряд ли возможно встроить кодировщик Хаффмена в алгоритм маломощной системы реального времени, поэтому был применен субоптималышй код, где ценой незначительного увеличения избыточности радикально упрощается алгоритм кодирования. В данном случае был реализован следуищий код: при п-0,+1,-1 вместо самого числа в память заносится бинарные пары 00,01,11 соответственно, при !п !>1 в память заносилось это число с префиксом 10. При декодировании при обнаружении префикса 10 слову X присваивается значение G последующих бит. при обнаружении 00, 01, 11 значение слова получается сложением по модулю 4 этих двух бит с •предшествующим числом X(t-_t). Данный код является префиксным и имеет стоимость кодирования n=+N *

C(f,X) = Sum Р (n) ¡f(n)¡ = 2.24

íí-- - H

и избыточность RC f,n )-0.38, что естественно больно, чем у кеда Хаффмена, но намного иеньве, чем при равномерном иоди-рпнании (]\-/[.7¡\), Даже при гаком простейшем алгоритме кодирования достигается сжатие данных в 2.5 раза, а сам кпд хорошо вписывается в байтовый ноток данных.

Б п.3.3 главы приведены основные этапы и процедуры работы с бортовым магнитным накопителем НЛП-14-3.

Программное обеспечение подсистемы магнитной записи позволяло производить запись на борту и считывание на земле информации в стандартном для данного накопителя формате и прз изводить коррекцию ошибок. Пиве приведена статистика ошибок НЛП 14-3 по опыту эксплуатации в НИПБ: а) текучая статистика'

- вероятность распознаваемой оиибки: 0.0082

- удельная доля овибки типа исчезновения ТСС: 87.

- удельная доля овибки типа исчезновения КСС; 3/С

- удельная доля овибки типа нарувения четности: 74 7. б) результаты тестов: ¡.

- вероятность распознаваемой овибки: 0.0088

- условия вероятность повторения овибки по данной дорожке: 0.11

- удельная доля одиночных овибок: 65%

. - удельная доля двойных и более овибок: 352

Янализ данной статистики ошибок, показал, что при стандартном для МЛП-14-3 формате записи реализация известных самокорректирующих кодов приводит к слохным и дорогим в информационном смысле кодам, на реализацию которых в реальном времени не хватает вычислительной мощности. (Из-за высокой удельной доли кратных овибок). Вместе с тем в самой природе сигнала заложена значительная избыточность (см^ выие), которую можно использовать на восстановление сбойных данных. Поэтику на борту кодировки информации не производились (за исключением маркеров начала и конца файла и служебной информации, надежно защищаемых в условиях нелимитироианиого времени), а весь алгоритм исправления овибок был реализован в наземном комплексе. Алгоритм состоял из двух проходов: вначале сравнением поступающих данных с экстраполированными восстанавливался формат испорченных кадров, затем во втором проходе с использованием скол^ящего базового интервала вы яг.ляцис». запорченные данные и пропуски, восполнялись интер полицией, и осуществлялась цифровая фильтрация.

Полученные данные по градуировочным полиномам переводились в физические величины, накапливались в стандартном фор-

мате, после чего могли использоваться прикладными программами. Примеры законченных вычислений по определении характеристик ЛП приведены в приложении 3 диссертации.

В п.3.5, 3.6 приведены основные сведения о программном обеспечении наземного комплекса.

В п.3.7 приведены основные алгоритмы контроля и тестирования. Алгоритмы самотестирования вкратце были описаны высе. Наземный контроль для всех систем включал в себя комплексный контроль цифровой части, работу системы в режиме цифрового вольтметра, работу по типу сквозного канала цифро-анало-го-цифрового и аналого-цифро-аналогового преобразования (с использованием встроенного в блок преобразования ЦПП), работу с непосредственной передачей данных в наземную ЭВМ, а также набор тестов для проверки канала магнитной записи (для БМИИС-1 и 2).

Глава 4 диссертации целиком посвящена внедрении результатов диссертации в практику летных исследований в НИПН ЦА-ГИ. С помощью описанных НИС призводились как летные аэродинамические эксперименты, так и целевые программы летных испытаний. В частности, к таким программам относятся летные испытания сверхлегкого планера "Нечта-2". Данный планер был разработан и построен при УАТСЦ ВИЗ иы. Мясицева к участию в международном конкурсе ФАИ по отбору лучвего планера клубного класса. Планер относился к категории'СЛА, вес пустого составлял 150 кГ, поэтому на аппаратуру можно было отвести не более 15 кГ, из них 7 кГ занимала радиостанция с аккумулятором. Поэтому только Ь'МИИС-З можно было установить на этот планер, и то только в варианте с накопителями на базе 03U. В ходе испытаний проводились исследования поляры планера, его балансировочных характеристик, эксплуатационного диапазона скоростей и перегрузок, управляемости, частотных характеристик, аэродинамических поправок к системе ППД. Примеры графиков приведены в приложении 3 к диссертации. Sfa териали испытаний били представлены ФАИ, а также были использованы для создания дальнейией модификации "йечты-2" с улучшенными характеристиками - планера "Россия".

Выводи и основные результаты работы.

1. Для поиска оптимальных ренений автоматизации измерений был проведен системный анализ целей и задач исследований аэродинамических процессов и характеристик ЛА с помощью планерных летающих лабораторий и свободнолетавщих моделей,- проводимых на научно-исследовательской планерной базе (НЙПБ)

ипги.

2. Выла разработана математическая модель объекта исследований, проведены анализ различных способов и методов исследований, определены математические модели объекта исследований, проведена идентификация электрических сигналов и определены основные требования к бортовым системам.

3. С учетом основного алгоритма автоматизации исследований и ряда особых требований и ограничений был проведен выбор и обоснование базовой структуры информационно-измерительной системы, проведен расчет и анализ основных блоков системы,нормирование класса точности системы.

4. Разработан универсальный измерительный илок (9ИБ), с помощью которого путем программной перестройки основных связей возможно измерение электрических сигналов с различной погрешностью, частотным спектром и помехозащищенностьв. ЗИП имеет пять режимов работы: быстродействувщего (БВ),дифференциального (ДВ),разностного СРВ) и интегрирующего (ИВ) вольтметров и режим самотестирования. На 9ИБ подана заявка на авторское свидетельство и получено положительное решение. Для дифференциального вольтметра был проведен расчет и анализ погрешностей, получены уравнения, необходимые для выбора и расчета оптимальной структуры ДВ. Применение ЙИБ позволило создать универсальнув бортовую систему БМИНС-2, пригодную для для исследований и испытаний на всех ПЛЛ.

5. Для СЛЛ и ДПЛА была разработана бортовая система малого класса БМИИС-З. построенная по принципу минимальной конфигурации. Все функции сервисного обслуживания, тестирования, интерфейса с человеком сведены и отдельный блок, отделяемый пт система на время испытаний, что позволило значительно сократить массу, габариты и потребляемую мощность портной части. Для уменьшения .погрешностей каналов п блоке дискретизации был использован стохастический способ повышения разрядности АЦП.

6. Разработано устройство для определения аэродинамичес-!ого качества летательного аппарата, являющееся комбиниро-)ашшм датчиком, совмещавшем в едином узле измерители атаки 1 тангажа, и позволяющем значительно уменьяить систематические ошибки измерения качества угловым методом.

7. Используя основной алгоритм автоматизации измерений, шло разработано математическое обеспечение измерительных :истем. Уравнения математических моделей ОИ, различных спо-:обов и методов исследований и испытаний, программы обмена с ¡агнитпым накопителем, основные алгоритмы и программы обработки данных и вывода результатов испытаний на внешние устройства составляют основу математического обеспечения. В :остав математического обеспечения были также включены программы тестирования, которые совместно с аппаратными средствами контролируют техническое состояние системы, и некоторые общие вопросы обработки, в частности, сжатия информации л определения частотных характеристик.

Некоторые программы и их выходные результаты (в качестве примера использовались результаты испытаний планера "Меч-та-2") приведены в приложении 4.

3. Пыла проведена статистика ошибок магнитной записи использованного магнитного накопителя МЛП-14-3 по результатам его эксплуатации в НИПГ), выявлены основные источники опибок и разработаны алгоритмы записи/считывания, малочувствительные к подобным опибкам,

Я." Внедрение основных положений, диссертации проводилось в отделе летных исследований ЦАГИ и Н!ШП ЦАГИ. В течение ГИН;~ 1!)П1 г. для автоматизации летного эксперимента били выполнены следующие работы:

- модернизация 11/1Л и ДПЛП,

- разработка технических средств, обеспечивающих автоматизацию исследований,

- проведены серии испытаний, как технических средств, таи и различных объектов исследовании, для определения ряда аэродинамических характеристик Л(1. ¡5 этих рапотах диссертантом била проведена разраоотка основ -них технических средств и математического о^еспеченич и обслуживание лчтнчх испытаний.

РЕЗУЛЬТАТУ РАБОТЫ ОНУЛИКОВАНН:

1. А.Й.Бавев, О.В.Наконечный. Многоканальная система с

дифференциальным методом обработки сигналов. // Межвузовский сборник научных трудов "Системы управленш и обработки информации", Н.Новгород, 1991, с.36-41.

2. 0.В.Наконечный. Измерение параметров спектра и формь

сигналов при изучении аэродинамических процессов с условиях летного эксперимента. Тезисы доклада. // II всесоюзная научно — техническая конференция "Измерение параметров формы и спектра радиотехнических сигналов", НПО "Метрология", Харьков, 1989, с.300-301

3. А.А.Баяев, 0.В.Наконечный. Микропроцессорная автономная

система сбора и обработки измерительной информации для управления экспериментом // Межвузовский сборник научных трудов "Моделирование, автоматизация проектирования систем управления и обработки информации". Горький, 1983, с.58-62.-

4. А.А.Баиев, 0.В.Наконечный. Нногоканальная система сбора

и обработки измерительной информации и управления экспериментом Тезисы доклада. // Всесоюзная научно-техническая . конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (И) Бенардосовские чтения), Иваново, 1989, с.65.

5. Применение планерных летающих лабораторий для аэродинамических исследований. М.И.Африканова.В.В.Бцстров, А.П. Красильщиков, 0.В. Наконечный,- В.В.Троицкий, Б.В.Вумейко // и всесоюзное совещание "Современные проблем* аэродинамики", тезисы доклада.

6. 0.В.Наконечный. Кодирование информации в системах сбора

данных в летном эксперименте. // Ученые записки ЦАГИ, Л 4, т.24. 1993 г.

7. ОЖНаконечный. Аналого-цифровой преобразователь, а/с

4920990/24, положительное режение от 15.01.1992.