航模飞机状态监控系统研究

摘 要 航模飞机的应用日益广泛，但目前航模飞机状态监控系统的研究尚处于起步阶段。本文构建了航模飞机状态监控系统的模型，利用温度传感器和电压传感器采集飞行器的实时性能参数，通过无线传输装置实现数据下传，以数据采集卡完成信号接收，并通过LABVIEW编制状态监控界面，实现航模飞机实时状态监控，并依据经验数据制定故障报警。

关键词 航模飞机 状态监控 故障 报警

中图分类号：TP277 文献标识码：A

0引言

随着我国航空产业的发展，航模飞机也受到了越来越多的关注，因为航模飞机具有低成本、低损耗、零伤亡、可重复使用等诸多优点，因此航模飞机的应用目前也在不断增加。当对航模飞机的需求增多时，也会出现对航模飞机的维修问题。航模飞机的结构相比于大型飞机的结构简单得多，但是其部分结构仍然错综复杂，各种部件极其之多，需要检测的数据会很多，航模飞机出现的故障也会多种多样，所以我们需要对航模飞机本身的状态和它飞行区域进行监控，及时发现问题，以免出现故障降低航模飞机的寿命和使用性。

航模飞机状态监控系统是采集航模飞机典型部件的一些关键性能参数，并且对其进行处理分析，由此来监控航模飞机的健康状态。本文将航模飞机的电池作为研究对象，研究航模飞机状态监控系统模型的可行性。

1航模飞机状态监控系统设计与研发的方案

1.1 航模飞机状态监控系统的总体框架

航模飞机状态监控系统分为传感器模块、数据通讯模块、数据采集模块和数据处理模块四个层次，如图1所示。

1.2 系统

图2为航模飞机状态监控系统模型的组成方案。整个方案依照图2系统模型总体框架设计思路。数据采集模块的主要硬件组成为：航模飞机、温湿度传感器、电压传感器、视频采集模块、无线接收模块、数据采集卡。

其中数据采集模块由数据采集卡控制各传感器对航模进行数据采集，系统模型针对航模的锂电池进行监控。因为锂电池工作的周围温度过高或过低都会影响其性能和使用寿命，湿度过大易导致水汽进入电池，从而产生相应的化学反应并腐蚀相关接触部件，导致电池使用效率下降，所以本文利用温湿度传感器监测锂电池工作的周围环境温度与湿度。而电压更是表示电池性能的一个重要参数，所以本文监测了锂电池工作的电压变化情况。系统模型对数据采集模块收集的数据传输，采用串口通信以及WIFI通信的形式，可以说明多种通信方式实现的可能性，及数据的发射与接收可以采取一对多的形式，本系统中的串口收发模块可实现一对一、一对多、多对多的组网形式，而视频采集模块的视频数据通过WIFI发送，可以在计算机和Pad等多台设备观看实时图像。其中，视频采集模块可实时监测航模飞机的周围飞行环境。未来的航模飞机状态监控系统，数据的发射与接收应该是一对多的形式，当航模飞机飞行时，地面人员可以利用机载电脑对数据进行处理，更快速地了解航模飞机的即时状态，省去了地面监测端反馈这一环节，使信息传递更快捷；地面监测端也可以接收相关的监控数据，通过数据处理、分析系统监控飞机运行状态，以及建立一个详尽的监控数据库，利用大数据模式，对飞机进行系统化的健康管理。系统的数据处理模块是基于Labview建立的仿真处理界面，对收集的温湿度、电压等数据进行处理，以图表形式输出，并且具有警报功能，例如航模电池工作环境温度过高，界面会进行提示。图3即为航模飞机状态监控系统模型实物图。

1.3数据采集系统调节

在一个传感器网络中，通常只有一个采集卡用于接收传感器节点采集的信息，并且将这些信息进行实时显示并发送给监控端PC。当有传感器向采集卡发送数据时，数据采集卡会对数据进行处理并通过无线收发模块的串口通信发送至地面监控端。监控端的基于LABVIEW仿真处理界面会将这些数据进行二次处理，并实时显示。

1.4软件系统

此次系统选取的编程开发平台为LABVIEW。LABVIEW是一种图形化开发语言，它可以用来进行数据的采集和控制、数据的分析和数据的表达。LABVIEW可以简化程序的开发工作，可对顺利完成工作提供了很大帮助。图4为航模飞机的监控系统工作界面，包含旋钮、刻度盘、开关、图表、图形和其他界面工具，用户可以通过键盘或鼠标直接获取数据显示结果。温湿度监测仪前面板设置， 选择“控件|新式|图形|波形图表”，作为温湿度的显示器。选中该控件，单击鼠标右键，对其属性进行设置，如根据被显示的文字工具，显示器横（时间）、纵（温湿度）坐标的刻度重新设置。用于显示温度波形图。选择 “控件|新式|数值|数值显示控件”，可以显示温度和湿度数值。选择“控件| 新式|布尔|圆形指示灯”，用于报警。

每一个程序的前面板都会对应着一段程序框图，程序框图是利用 LABVIEW 图形编程语言来编写的， 通常把它理解成传统程序的源代码。流程图中包括前面板上控件的连线端子，函数、结构和连线等一些前面板上没有显示，但是在编程时必不可少。在程序框图窗口放置节点、图标等，按照相关原则用连线工具将端口、节点、图标依次相连。其中实现程序前面板的控制和显示传递数据的是端口，实现函数和功能调用的是节点，实现结构化程序控制命令是图框，而代表程序执行过程中的数据流的是连线，定义框图内的数据流动方向，实现数据从源头到目的终点的流向。

此次编程使用的是状态机模式。状态机模式是LABVIEW程序设计中最常用的设计模式之一，它可以用来清晰地实现任何以状态图描述的算法，它的每一种状态对应一种相应的操作。状态机常用在决策算法中例如诊断、监测和控制等。LABVIEW标准状态机主要由一个While循环和一个Case结构构成，并利用移位寄存器来实现状态的跳转为了方便编程，可采用Typedef来实现状态枚举值，这样当需要修改程序状态时，只需要改变Typedef就可以改变所有的枚举变量。

2数据处理

在进行实际测量中，采用的是一四轴航模一个电机进行测试，为使实验数据更具有可靠行，每次航模飞行过程中均是将油门推至中档进行飞行的。数据如表1所示。

根据实验测得的数据分析和飞手的大量经验可以推断出电池电压的临界值为3.7V，所以本文将电池的报警电压设置为3.7V，当电池电压达到3.7V时系统便会出现报警信号。在航模飞机飞行过程中，同时也实时检测了电池工作环境的温湿度状况，表2显示的是1个电池单元串联的（下转第134页）（上接第130页）电池周围环境温湿度数据变化，图6为温湿度随时间变化的折线图。航模电池工作的环境温度应该不高于60摄氏度，在实际飞行测试中，环境温度没有超过60摄氏度，所以没有出现报警现象。

3结语

本文是以航模飞机为研究对象，通过传感器、摄像头模块、数据采集卡以及无线收发模块将飞机的飞行状态参数及影像实时传输到地面，利用计算机仿真软件对采集的数据进行处理，从而建立起航模飞机状态监控系统。航模飞机在自主飞行时对其数据进行采集，此次研究不仅采集了航模本身的数据，还以视频的形式对外界环境进行了实时接收。

当今国内的航模飞机状态监控研究还处于起步阶段。建立航模飞机状态监控系统，可以及时发现问题，做出故障预测。航模飞机在未来市场有很大发展空间，所以研究航模飞机有很大的意义。

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