CC BY
7УДК 621.377.6 Саута О.И., Кузьмин А.А.
Саута О.И.
профессор, Институт радиотехники и инфокоммуникационных технологий.
Государственный университет аэрокосмического приборостроения
(г. Санкт-Петербург, Россия)
Кузьмин А.А.
студент магистратуры Институт радиотехники и инфокоммуникационных технологий.
Государственный университет аэрокосмического приборостроения
(г. Санкт-Петербург, Россия)
БОРТОВОЙ РЕГИСТРАТОР С РАСШИРЕННОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬЮ ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Аннотация: в статье рассматриваются различные модели бортовых регистраторов параметрической информации, приводятся их технические характеристики. В ходе анализа приведенных устройств выявляется наиболее перспективная разработка. Оцениваются достоинства и недостатки конструкции и выходных характеристик. На базе выявленных недостатков предлагается к разработке бортовой регистратор параметрической информации для беспилотных летательных аппаратов.
Ключевые слова: бортовой регистратор, беспилотный летательный аппарат, параметрическая информация, накопление и передача информации, телеметрия.
ОБЗОРНО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Обзор существующих БРПИ
Для создания бортового регистратора параметрической информации для беспилотных летательных аппаратов с повышенным функционалом необходимо
рассмотреть имеющиеся варианты БРПИ, их устройство и возможности. Для сравнения необходимо составить таблицу характеристик, существующих БРПИ.
Таблица 1. Сравнительная таблица устройств.
Назва Масс Рабочая Регистрация Питание Время Возможнос Возможность
ние о- температу каналов, устройства размещ ть Снятия
устрой габар ра частота ения совмещени парам.
ства итные инфор я с ЭВМ информации
хар- мации беспров.
ки Путем.
БРПИ (90x1 От -40 до Регистрация Питание Не да нет
Бх300 15x20 +85 32 аналог и устр. От менее 5
0 мм) 20 дискр. бортовой часов.
сигналов, сети 27В.
поступающи Потр.
х по Мощность не
физическим более 7Вт.
линиям с
частотой не
менее 16 раз
в секунду.
БРПИ (55х5 От -25 до Регистрация Питание Не Да Нет
ТО1 5х45 +50 25 аналог. и устр-ва от менее 8
мм) 16 дискр. внешнего Часов.
сигналов, аккумулятор
поступающи а 12В.
х по Потреб.
физическим Мощность не
линиям с более 5Вт.
частотой не
менее 10 раз
в секунду.
БРПИ (100х От -15 до Регистрация Питание Не Нет Нет
ТО2 150х2 +35 5 аналог. и 7 устр-ва от менее 2
50 дискр. внешнего часов)
мм) сигналов, аккумулятор
поступающи а 12В.
х по физ. Потреб.
линиям с Мощность не
частотой не более 5Вт
менее 10 раз
в секунду.
Проанализировав характеристики устройств, следует рассмотреть наиболее перспективную разработку БРПИ на более детальном уровне:
Бортовой регистратор для беспилотных летательных аппаратов Fx300.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
К регистратору были предъявлены следующие требования:
• малые размеры устройства (90x115x200 мм),
• работа в расширенном температурном диапазоне (от -40 до +85°С),
• регистрация 32 аналоговых и 20 дискретных сигналов, поступающих по физическим линиям с частотой не менее 16 раз в секунду,
• питание устройства от бортовой сети 27 В постоянного тока, потребляемая мощность не более 7 Вт,
• приём дополнительной информации по каналу RS232 (скорость 19,2 кбод, размер пакета до 100 байт, не более 4 пакетов в секунду),
• размещение всей записываемой информации на переносимом носителе, время регистрации не менее 5 часов,
• обеспечение возможности обработки полученной информации на стандартной IBM PC совместимой ЭВМ. Дополнительным требованием являлось наличие достаточно высокого (не менее 100 кОм) входного сопротивления аналоговых каналов.
АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
В качестве переносимого носителя информации был выбран флэшдиск в формате CompactFlash™ с размерами 43x36x4 мм. Ёмкость носителя составляет 32 Мбайт, и, как показали расчёты, это позволяет производить запись данных в течение более 6 часов. При этом для обработки данных на земле может быть использован стандартный IBM PC совместимый компьютер с добавлением адаптера для диска CompactFlash™. Аппаратная основа решения определилась почти сразу: для реализации устройства были выбраны платы в формате РС/104. Эти платы предназначены специально для встраиваемых применений. Они
требуют питания только +5 В, все остальные необходимые номиналы напряжения вырабатываются специальными преобразователями. Платы имеют размеры 90x96 мм.
Одноплатный компьютер PCMSX332MST имеет следующие встроенные интерфейсы:
• интерфейс гибких дисков 3,5" (используется только на стадии разработки),
• интерфейс IDE для подключения жёстких дисков (в данном устройстве используется для подключения адаптера флэшдиска),
• интерфейс параллельного порта LPT (в данном устройстве используется для ввода 8 дискретных сигналов),
• интерфейс RS232 (в данном устройстве используется для ввода дополнительных данных),
• интерфейс РС/АТ совместимой клавиатуры (используется только на стадии разработки),
• интерфейс полной 16разрядной шины РС/104 (используется для подключения модулей аналогового и дискретного вывода, а также для связи с адаптером флэшдиска и платой приёма и нормализации сигналов). Как всякий стандартный компьютер, РС/АТ PCMSX332MST имеет встроенный таймеркалендарь и звуковое устройство («пищалку»). Дополнительно он оборудован специальным сторожевым таймером (Watchdog) и имеет возможность опознавания ситуаций пропадания и появления напряжения питания, что позволяет организовать защиту памяти и сигналов ввода-вывода от недопустимых колебаний питающего напряжения. При избыточности эти дополнительные возможности могут быть отключены как программно, так и аппаратно. Важной особенностью выбранного одноплатного компьютера (платы центрального процессора) является малое токопотребление (370 мА), что позволяет не выйти из заданных границ потребляемой мощности. В качестве адаптера CompactFlash™ решено было использовать плату PCMCFlash (WinSystems). Она имеет стандартный формат PC/104 и подключается к
центральному процессору по интерфейсу IDE. Для вводавывода аналоговых и дискретных сигналов была выбрана плата аналогового и дискретного ввода DMMNAXT фирмы Diamond Systems (рис. 2). Плата имеет следующие возможности:
• ввод по 16 аналоговым каналам с общей землёй или 8 дифференциальным каналам с разрешением 12 разрядов (в устройстве используется ввод 16 каналов с общей землёй),
• набор однополярных и двуполярных диапазонов ввода (в устройстве используется диапазон от -10 до +10 В),
• ввод по 8 дискретным каналам,
• вывод по 8 дискретным каналам (в устройстве не используется).
Для полного понимания аппаратной реализации устройства необходимо рассмотреть блок-схему устройства:
Рис.1 Блок-схема устройства.
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БОРТОВОЙ ЧАСТИ При разработке программного обеспечения бортовой части (самого регистратора) была принята идеология использования только стандартных возможностей, предоставляемых аппаратурой и операционными системами.
Возможности программирования на уровне BIOS не использовались. Построение программного обеспечения выполнялось с учётом особенностей записи данных на диск CompactFlash™. Носитель использовался как стандартный жёсткий диск, данные сохранялись в виде файла.
Однако одним из требований к устройству было сохранение информации при неожиданном (аварийном) отключении питания. Это привело к необходимости регулярно (каждую секунду) выполнять закрытие файла. Операция закрытия файла занимает существенно большее время, чем просто запись данных, и зачастую общее время обработки и записи данных превышает тактовый промежуток. Для решения данной проблемы на регистраторе применялась операционная система MSDOS с использованием многозадачного ядра реального времени RTKernel 4.5 компании On Time.
Основная программа (объём исполняемого файла около 55 килобайт) объединяет в себе три независимые задачи:
Задачу приёма данных из порта RS232 («Приём из порта»), Задачу съёма и обработки данных («Подготовка данных»), Задачу записи данных на переносимый носитель («Запись данных»). Задача приёма данных из порта RS232 имеет наивысший приоритет. Она постоянно находится в состоянии ожидания поступления данных от внешнего источника и в случае их появления прерывает любую задачу, принимает и запоминает данные из порта. Данные принимаются побайтно, поэтому другие задачи практически не испытывают задержек. Задача съёма и обработки данных имеет высокий приоритет. Она запускается строго по таймеру через 62,5 мс (16 раз в секунду) и выполняет чтение данных с аналоговых и дискретных входов, их обработку и упаковку в заданную структуру (размер структуры - 80 байт). Снятые данные записываются в хвост очереди сообщений. РАБОТА РЕГИСТРАТОРА
При включении питания регистратора происходит стандартная процедура загрузки и на переносимом носителе создаётся файл под именем ББММДДНН.dat, где:
• ББ - номер регистратора (01... 99),
• ММДД - номер месяца (01.12) и день месяца (01.31),
• НН - порядковый номер включения в этот день. Однако регистрация данных не начнётся, пока на один из входных дискретных сигналов (РЗ -разрешение записи) не поступит высокий уровень. После этого начинается запись, которая продолжается до тех пор, пока существует сигнал РЗ. Внутри одного файла данных может быть несколько участков записи (УЗ), при этом участки начинаются и кончаются на границе секунд. Для контроля состояния регистратора используются светодиод (красный) и специальный выходной сигнал (5 В, до 100 мА), дублирующий этот светодиод. Предусмотрена индикация следующих состояний:
• регистратор не готов (выключен или загружается) - светодиод погашен,
• регистратор готов к работе - светодиод горит,
• идёт регистрация данных - светодиод мигает редко (1 Гц),
• регистрируемые данные почти заполнили носитель - светодиод мигает часто (4 Гц).
Если питание регистратора отключается, а потом включается вновь, то на носителе образуется новый файл со следующим порядковым номером. Кроме записи на переносимый носитель, регистратор ведёт свой внутренний («для прокурора») протокол учёта записываемых файлов. Этот протокол недоступен пользователю, но может быть прочитан разработчиком специальным образом. Как и всякий IBM PC совместимый компьютер, центральный процессор регистратора имеет встроенный таймер-календарь, и, как на любом другом компьютере, этот таймер-календарь приходится иногда корректировать. Для установки нужного времени и даты можно воспользоваться каналом RS232. Однако в этом случае регистратор необходимо отключать от объекта и подключать к переносной ЭВМ, что не очень удобно, а иногда и невыполнимо. Поэтому был разработан специальный метод передачи требуемых данных в регистратор: на носитель помещается специальный конфигурационный файл, имеющий предопределённое имя (в данном случае config.dat) и специальную
структуру, и если бортовой регистратор при запуске находит этот файл на носителе, он считывает записанную в нём информацию, выполняет соответствующие действия (например, устанавливает записанную в файле дату и время), после чего конфигурационный файл уничтожается.
После возвращения бортового регистратора на базу переносимый носитель извлекается и с помощью стандартного устройства для чтения карт CompactFlash™ (обычно подключающегося через USB) нужные файлы переносятся на рабочую станцию для обработки программным обеспечением наземной части. После съёма данных с носителя перед его установкой в бортовой регистратор необходимо произвести очистку носителя стандартным форматированием.
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАЗЕМНОЙ ЧАСТИ
При построении программного обеспечения наземной части (программы расшифровки данных) использовался стандартный пакет Delphi 7. Программа расшифровки данных позволяет отражать информацию как в табличной форме, так и в форме графиков (одновременно на экране могут быть представлены до 8 графиков). Пользователю предоставляются широкие возможности масштабирования данных и разнесения кривых по их значениям.
Предусмотрена возможность выбора требуемого временного отрезка из всего диапазона с помощью перемещающихся маркеров М1 и М2 (соответственно левый и правый маркеры). Кроме того, могут быть определены максимальное, минимальное и среднее значения на заданном также с помощью маркеров временном интервале.
Дополнительной возможностью является запоминание расшифрованных данных (или их части) в виде обычного текстового файла. Файл далее может быть прочитан штатной программой «Блокнот» или открыт с помощью пакета Excel.
Недостатки устройства
К недостаткам БРПИ FX300 можно отнести:
Невозможность снятия параметрической информации беспроводным
путем.
Отсутствие телеметрии для передачи накопляемой информации в режиме OnLine.
Питание от бортовой сети беспилотного аппарата.
Регистрации данных как с более высокой частотой (для повышения информативности), так и с более низкой (для увеличения регистрируемого интервала времени).
Отсутствие в конструкции регистратора дублирующих МЭМС датчиков, информация о полете беспилотника собирается с датчиков на борту ЛА. Вывод.
В ходе анализа и составления таблицы характеристик БРПИ, становится очевидна потребность в создании Бортового регистратора с расширенной функциональностью (БР+) для беспилотных летательных аппаратов (БЛА)" с учетом выявленных недостатков рассматриваемого устройства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Vikas Choudhary, Krzysztof Iniewski (2013), MEMSFundamental Technology and Applications [Электронный ресурс]. - URL: https://www.routledge.com/MEMS-Fundamental-Technology-and-Applications/Choudhary-Iniewski/p/book/9781138072305 c. 20-23;
2. Ville Kaajakari Practical Mems( Design of Microsystems Accelerometers Gyroscopes RF Mems Optical Mems and Microfluidic Systems) (2009). [Электронный ресурс]. - URL: https://www.routledge.com/MEMS-Fundamental-Technology-and-Applications/Choudhary-Iniewski/p/book/9781138072305 (дата обращения c. 15-16;
3. Андрей Кашкаров: Микроэлектромеханические системы и элементы (2018). [Электронный ресурс]. - URL: https://www.labirint.ru/books/617382/ c.10-13
Sauta O.I., Kuzmin A.A.
Sauta O.I.
State University of Aerospace Instrumentation (Saint Petersburg, Russia)
Kuzmin A.A.
State University of Aerospace Instrumentation (Saint Petersburg, Russia)
ON-BOARD RECORDER WITH ADVANCED FUNCTIONALITY FOR UNMANNED AERIAL VEHICLES
Abstract: the article discusses various models of on-boardparametric information recorders and provides their technical characteristics. During the analysis of the above devices, the most promising development is identified. The advantages and disadvantages of the design and output characteristics are evaluated. Based on the identified shortcomings, it is proposed to develop an onboard parametric information recorder for unmanned aerial vehicles.
Keywords: on-board recorder, unmanned aerial vehicle, parametric information, accumulation and transmission of information, telemetry.
