一种军用飞机防拉挂预警系统的设计

李勋章，陈友龙，范红军

(海军航空工程学院 青岛校区， 山东 青岛 266041)



【后勤保障与装备管理】

一种军用飞机防拉挂预警系统的设计

李勋章，陈友龙，范红军

(海军航空工程学院 青岛校区， 山东 青岛 266041)

针对军用飞机保障的安全需求，创新设计了一种可预防航空地勤车辆拉挂飞机的预警系统；重点介绍了该预警系统的设计方案，阐述了预警系统设计中的关键技术；该系统基于单片机开发技术，利用研发的新型传感器准确地侦测车辆与飞机之间连接姿态，对拉挂飞机事故的发生进行准确预警；具有安装简易、自动化程度高，较强的灵活性与可靠性。

飞机防拉挂；预警系统；新型侦测传感器

军用飞机在起飞之前要在地面进行飞行前的保障，包括机载电子设备通电检查、启动升空供电、座舱通风、液压设备供油等，这些工作都是由航空地勤车辆完成。在飞行现场，车辆与飞机的连接主要靠电缆或管路完成，根据操作流程要求：正常工作时车辆的电缆或管路接入飞机并依靠锁闩完全锁住，保障完毕打开锁闩取下后车辆才能驶离。但在实际的飞机保障工作中，屡次发生保障完毕后，驾驶员在电缆或管路没有从飞机上取下的情况下就驾车驶离，造成车辆拉挂飞机的重大事故，产生巨大的经济损失。因此，有必要研制一套防止拉挂飞机的预警系统。本文介绍的预警系统以单片机应用系统为中心，可自动、实时监测车辆与飞机之间的连接姿态，并对挂拉事故进行预警。

1 国内外研究情况

国内外目前预防航空地勤车辆拉挂飞机的主要方法是：制定严格的操作流程同时加强对操作人员的培训与教育。拉挂事故的预防主要靠操作人员的个体素质，人为因素影响很大，没有从自动化监测的角度去考虑事故的预防。本文采用全自动系统对拉挂飞机事故进行实时预警的方法，未见报导。

2 总体设计方案

要实现事故预防和报警功能，首先要求预警系统能够完成对保障车辆与飞机连接姿态的实时检测，其次要保证预警系统完成对保障车辆拉挂飞机事故发生的预警和语音播报[1]。根据这一思路，预警系统的主要设计功能为：通过在飞机连接电缆上捆绑研制的专用不锈钢侦测传感器，自动侦测保障车辆与飞机的连接姿态，同时通过闪光灯预警装置和语音播报系统在规定的响应时间内，对保障车辆拉挂飞机事故的发生进行预先闪光预警和语音播报。

预警系统的总体设计框图见图1，根据设计功能的确定，预警系统主要设计为以下几部分：单片机系统、信号处理系统、音频处理系统、软件系统。其中，单片机系统完成输出控制和信号采集以及声光预警等功能，包括单片机应用系统、闪光预警等；信号处理系统完成对角度信号的采集和调理，包括角度侦测传感器、信号调理模块；音频处理系统完成音频信号的处理功能，包括音频滤波电路、功率放大电路、语音播报模块；软件系统完成数据的处理、分析等功能。

图1 总体设计框图

3 硬件系统的设计

硬件系统包括单片机系统设计、专用侦测传感器设计、音频处理电路设计、输入信号硬件滤波电路设计、升压电源系统设计。硬件外形见图2。

图2 硬件外形

3.1 单片机系统设计

1) 核心处理器。MCU采用ATmega16型单片机。ATmega16 是ATMEL公司生产的基于增强的AVR RISC(精简指令集计算机)结构的低功耗8位CMOS微处理器。具有16 kB系统内可编程Flash存储器，512 B的EEPROM，1 kB的SRAM，内置8路10位具有可选差分输入级可编程增益的A/D转换器，一个SPI串行端口，以及6个可以用于软件进行选择的省电模式。

2) 其他部分设计。采用TI公司的SN74HC244芯片作为缓冲驱动芯片；采用串行输入/并行输出芯片SN74HC595作为开关量输出芯片，大大节省了系统的I/O口开支；采用CA3130芯片搭建比较器电路；采用4N25芯片完成输入信号的隔离和整形；采用SN74HC04芯片搭建施密特整形电路，提高系统输入/输出的稳定性；采用RX8025A芯片配合锂电池搭建时钟日历电路，完成年/月/日/时/分/秒等时间参数的处理；采用24C16串行E2PROM实现初始化参数和断电恢复参数的非易失性保存；采用AP8942A实现语音输出等；

3) 语音播报驱动。该预警系统的播报语音由专业播音员按照要求录制而成，语音内容包括：驾驶员行驶前的注意事项提示、保障车辆连接飞机的语音提示、传感器性能自检的语音提示等。核心语音处理芯片为AP89042A，该芯片可以通过语音烧写工具将提前录好的声音片段烧入芯片内部存储器，最多可存放42 s的语音。由单片机完成对AP89042A芯片的驱动，具体电路图如图3所示。

图3 语音播报驱动电路

其中：KEY_S1、KEY_S2、KEY_S3、KEY_S4为单片机的4个引脚输出，分别接入AP89042A的S1、S2、S3、S4，通过一定的逻辑控制来输出不同的语音，逻辑控制表见表1。

表1 逻辑控制

3.2 专用侦测传感器设计

1) 设计原理。经过实际调研，飞机电缆的使用情况：保障车辆电缆接入飞机插座时，电缆接头下面90 cm处的电缆与地面垂直；电缆离开飞机插座时，操作人员会把电缆放置于水平地面，此时电缆接头下面90 cm处的电缆与地面水平。侦测传感器就是利用这一特点为原理进行开发和设计[2]，传感器捆绑在电缆接头下面90 cm处的电缆处，实现当侦测传感器与地面夹角≥45°时(电缆接入飞机)，传感器两根引线呈“断开”状态，当侦测传感器与地面夹角<45°时(电缆离开飞机)，传感器两根引线呈“接通”状态。通过判断传感器的不同输出状态分析保障车辆是否与飞机连接。侦测原理如图4所示。

图4 侦测传感器原理图

2) 加工工艺。通过上述的设计原理，委托了精密机械厂进行该传感器实物的设计和加工，传感器的外壳采用了不锈钢材质，传感器内部加装了不锈钢滚珠，靠滚珠的动态移动完成传感器两根引线之间“接通”和“断开”状态的切换，实现对传感器倾斜角度的检测。传感器设计充分考虑了部队对飞机连接电缆的使用情况，采用“灌脂”工艺进行整体加工，使传感器具有很强的抗震能力。侦测传感器外形如图5所示。

图5 侦测传感器外形

3.3 音频处理电路设计

该预警系统的播报语音由专业播音员按照要求录制而成，语音内容包括驾驶员行驶前的注意事项提示、保障车辆连接飞机的语音提示、传感器性能自检的语音提示、传感器损坏的语音提示等。核心语音处理芯片为AP89042，该芯片可以存放42 s的语音，能够完成该预警装置的语音存储和语音输出功能，为了提高语音的音质和音量，在AP89042的语音输出端增设了音频滤波电路和音频放大电路[3]。

1) 音频滤波电路。音频滤波电路的电路图如图6所示，图6中的DA_OUT1为AP89042A的直接输出，DA_OUT2为滤波后的输出。

图6 音频滤波电路

采用2阶高、低通滤波器构成300 Hz～3.4 kHz带通滤波器，其中高通滤波器采用2阶压控电压源高通滤波，其传递函数为

(1)

幅频相应表达式为

(2)

低通滤波器采用2阶压控电压源低通滤波，其传递函数为

(3)

幅频响应表达式为

(4)

式(4)中：ωn=1/(RC)为特征角频率；Q=1/(3-AVF)为等效品质因数。

2) 音频放大电路设计。音频放大电路的电路图如图7所示，图7中的DA_OUT2为音频放大电路输入，最终放大后的输出直接接入扬声器进行语音播报。

图7 音频放大电路图

经带通滤波器输出的声音回放信号幅度为0～5 V，可以直接驱动耳机，考虑到实际情况可能会使用扬声器外放，故在本系统中增加外放功能。该电路增益为50～200，连续可调，最大不失真输出功率325 mW。输出端接C5、R4串接电路，以校正扬声器的频率特性，防止高频自激。脚7接220 μF去耦电容，以消除低频自激。为便于该功放在高增益情况下工作，将LM386不使用的输入脚2对地短路。

3.4 输入信号硬件滤波电路设计

由于传感器的输入信号由不锈钢滚珠的动态撞击触发产生，而不锈钢滚珠在动态撞击中，会产生一系列叠加在有用信号上的毛刺信号，这些毛刺信号对于输入信号来说属于干扰信号，必须设置特定电路滤除，该预警装置设计了3级低通滤波进行干扰信号滤波[5]，具体电路如图8所示。

图8 硬件滤波电路

R9、C11构成了第一级高频低通滤波，截止频率为

(5)

即F1=10.6 kHZ，式中：R9=1.5 kΩ，C11=0.01 μF。

R10、C12构成了第二级中频低通滤波，截止频率为

(6)

即F2=600 Hz，式中：R10=5.6 kΩ，C12=0.047 μF。

R11、C13构成了第三级低频低通滤波，截止频率为

(7)

即F3=0.59 Hz，式中：R11=27 kΩ，C13=10 μF。

图7中CGQ接头连接侦测传感器的两个输出引线，当保障车辆电缆接入飞机时，CGQ接头的1、2引脚之间为“断开”状态，此时4N25的引脚C输出+12 V，此+12 V 含有低频的滤波前信号如图9所示，经过上述3级低通滤波最终输出平稳的+12 V信号(VIN+)如图10所示。

图9 滤波前信号

图10 滤波后信号

3.5 升压电源系统设计

预警装置的工作电源为+24 V，来自于保障车辆上的蓄电池，而不同类型的保障车辆配备的蓄电池种类不同，分12 V 和24 V两种，当蓄电池为12 V时，预警装置无法正常工作。因此设计了升压电源系统，完成12～24 V的升压功能，保证在不同蓄电池供电状态下预警装置均能正常工作。具体的电路图见图11。

图11 12～24 V升压电源电路

设计使用一个放大器作为方波振荡器、环形电感器和另一个运算放大器的反馈回路，其中R6为50 kΩ可调电阻，可以通过调整R6调整最终输出电压的大小，最终输出电压的计算公式为

(8)

式(8)中:R7=10 kΩ、R8=10 kΩ、R6A=10 kΩ、R6B=40 kΩ，最终可计算出Vout=24 V。

该电源电路的输出漂移量小，可在不同负载下提供稳定的输出源(+24 V)。

4 软件系统的设计

软件设计主要采用keil C语言编程[6-7]完成上述各种硬件驱动程序的开发及封装，以下为部分驱动程序示例：

24C16存储器I2C驱动程序：

void startI2C(void) ; //启动I2C读写操作

void stopI2C(void) ; //启动I2C读写操作

void send1BI2C(uchar data) ; //向I2C总线发送一个数据

uchar recv1BI2C(void); //从I2C总线读入一个数据

日历时钟驱动程序：

void RT8025_int();//8025内部数据初始化

void RD_time_fr8025();//读出时间

void WR_time_to8025();//写时间

5 具体实现

图12为预警系统的主视图，图13为后视图。该预警系统于2014年在部队某飞机场站投入使用。自使用以来，该预警系统在每次外场飞机保障时都投入了使用，均圆满完成了对各型地勤保障车辆接入飞机状态的检测和预警，杜绝了挂拉飞机重大事故的发生，具有较高的使用价值。

图12 主视图

图13 后视图

6 结束语

本文设计了以单片机和专用侦测传感器技术为核心的军用飞机防拉挂预警系统，结合姿态侦测、单片机开发以及语音处理技术实现了对车辆电缆或管路与飞机连接姿态的实时监测，能够在拉挂事故发生之前预警，解决了军用飞机飞行保障方面的相关安全问题，应用前景较好，对其他飞行现场预警系统的研发也可以起到借鉴作用。

[1] 张淑慧.预警系统设计方法综述[J].核科学与工程,2008,28(3):273-276.

[2] 陈广永.基于性能的复杂预警系统设计方法研究[J].计算机仿真,2008,25(5):20-24.

[3] KUCHAR J K.Methodology for Alerting-System Performance Evaluation[J].Journal of Guidance,Control and Dynamics,1996,19(2):438-444.

[4] 孙艳成.一种声光语音联动预警系统的设计[J].电子器件,2011,34(5):596-599.

[5] YANG L C.Performance Metric Alerting:A New Design Approach for Complex Alerting Prob lems[J].IEEE Transactions on Systems,Man and Cybernetics,January 2002,32(1):123-134.

[6] 王富荣提高单片机系统可靠性的设计方法[J].电子器件,2004(4):752-754．

[7] 王凯伦，王强，施红，等. 基于实时飞行数据的航迹冲突滚动预警[J].火力与指挥控制，2015(12):119-122.

(责任编辑 唐定国)

Design of Alarm System to Prevent the Military Plane from Being Dragged

LI Xun-zhang, CHEN You-long, FAN Hong-jun

(Qingdao Branch, Naval Aeronautical Engineering Institute, Qingdao 266041, China)

In view of the military aircraft to ensure security requirements, a alarm system to prevent aviation ground vehicle to hang the airplane is innovative designed. It mainly introduces the design of the alarm system, which shows the key technology of alarm system design. The system is based on the technology of MCU, in use of research and development of special detection sensor to accurately detect the connection between the vehicle and aircraft attitude, and to hang a warning aircraft accidents. The design is clever, simple installation, and the degree of automation is high, and the flexibility and reliability is high, and the application prospect is widely.

prevent the plane from being dragged; alarm system; special detection sensor

2017-02-14；

2017-03-10

李勋章(1980—)，男，讲师，主要从事航空保障技术研究。

10.11809/scbgxb2017.06.018

format:LI Xun-zhang, CHEN You-long, FAN Hong-jun.Design of Alarm System to Prevent the Military Plane from Being Dragged[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):80-84.

TJ514

A

2096-2304(2017)06-0080-05

本文引用格式：李勋章，陈友龙，，范红军.一种军用飞机防拉挂预警系统的设计[J].兵器装备工程学报，2017(6):80-84.