簡介
飛行數據採集系統是集無人機飛行狀態監測和各種地面測試測量、故障診斷功能於一體的自動測試系統，從硬體和軟體兩個方面說明了系統的設計。該系統主要由機載採集器和地面設備組成。其中，機載採集器基於FPGA+MCU技術設計實現，是一種嵌入式系統，適用於機載環境的各類數據採集套用，具有可靠性高、實時性好的特點。地面設備部分基於PXI平台的貨架產品實現，使用LabVIEW定製了測試程式集。整個系統均採用成熟技術，實現了無人機飛行數據採集和地面自動測試系統的智慧型化、小型化和一體化，使用便利。系統具備模組化架構，具有良好的開放性、通用性和擴展性。
需求分析
目前無人機的發展非常迅猛，低成本小型化的無人機市場極為廣大。無人機飛行數據採集在其使用過程中有非常重要的作用，例如，無人機發生飛行事故時分析事故原因；對無人機進行飛行質量評估和檢查；指導改進改型設計等。此外，在日常的無人機檢測、維護、維修過程中，尤其是在故障無人機的檢測與診斷方面，飛行數據採集和地面測試設備相結合可以發揮事半功倍的效果。傳統無人機地面檢測現場需要配置多種測試和測量儀器用於對無人機的各種信號進行測量和分析，這樣使用不便，效率也低。因此，研製一種集各種測試和測量功能於一體的自動化無人機飛行數據採集系統十分必要。而且地面飛行數據分析設備和無人機測試設備在功能和硬體資源上有重複整合設計一體化的自動測試系統可以節約成本，提高使用效率。
雖然無人機發展迅猛，其飛行數據如此重要，但是國內對無人機的數據採集技術的研究卻較少。這是因為無人機大都不具備大飛機的數位化飛行數據獲取組件、快速存取記錄器等，大型飛機的飛行數據採集技術並不適用無人機。因此，研究無人機的飛行數據採集、處理以及相關測試技術有著重要的意義。
發展趨勢
數據採集器是飛行數據採集系統的核心部分,美國AYDIN-VECTOR公司的MMSC-800、WEMS公司的AIFTDS-8000、法國SFIM公司的DAMIEN-Vl等數據採集器代表了當今世界先進水平。以前的採集器只有獨立和耦合兩種工作方式。目前世界上先進的採集器都配置了中心控制器,其上裝有若干條強有力的外匯流排,一條匯流排上可以掛多個採集器。這就顯著地提高了採集能力,增強了使用的靈活性。在飛機上需要採集數據的部分安裝採集器,所有數據採集器都通過匯流排接受中心控制器控制和傳輸數據,構成了典型的現場匯流排控制系統。
現場匯流排技術
現場匯流排是20世紀50年代中期在國際上發展起來的,被譽為自動化領域的計算機區域網路,現場匯流排控制系統既是一個開放的通信系統,又是一個全分布控制系統,它適應了工業控制系統向分散化、網路化、職能化發展的方向。新型的現場匯流排控制系統突破了DCS系統中通信山專用網路的封閉系統來實現所造成的缺陷,把基於封閉、專用的解決方案變成了基於公開化、標準化的解決方案,即可以把來自不同廠商而遵守同一協定規範的自動化設備,通過現場匯流排網路連線成系統,實現綜合自動化的各種功能。
系統功能
無人機飛行數據採集系統可以看成一台擴展了機載數據採集器、強化了數據分析功能的自動測試系統（ATS）。這是由ATS的特點決定的。通常把以計算機為核心，在程式的控制下，能自動完成某檢測任務而組合起來的測量儀器和設備的有機整體稱為ats。
該系統的核心功能是採集飛行數據（實時性需求）並對採集的數據進行分析和處理（非實時性需求），以及機載採集組件的檢測和維護。所以系統由機載採集器和地面ATE組成，機載採集器為實時系統，它在嵌入式處理器的控制下，通過固件程式控制數字IO、模擬IO、串口等I/O模組實時採集和存儲無人機飛行時的各項飛行數據；無人機結束飛行任務返回地面後，通過LAN接口，機載採集器將記錄的飛行數據傳輸給ATE的資料庫，並由ATE分析和處理；ATE定製專用的飛行數據的分析、處理和管理軟體，軟體主要功能包括數據分析處理、資料庫管理、功能測試、系統自檢、檢測結果顯示、人機互動等。此外，ATE中集成了程控電源、示波器、萬用表、數字IO、模擬IO、串口等儀器設備，可在測試程式集的控制下進行機載採集器和無人機整機地面狀態的自動化測試。
主要特點
飛行數據採集是一個典型的分散式控制系統,主要有以下特點:
(l)測試的參數多、範圍廣。包括應變力、溫度、電壓等的測量,而且還會有新增物理量。
(2)系統的可靠性高,要求測量的參數精度高,量程範圍大。
(3)數據採集器體積小,重量輕。
(4)測試系統容量大,靈活性高。
(5)控制複雜,系統對實時性要求高。與飛行測試有關的控制需要進行實時運算和實時控制,要求控制系統具有好的實時回響能力。
(6)系統中各子系統之間的關聯較弱,便於實現模組化。正是因為這個特點,使得整個控制系統可根據需要以及實現的具體條件而設計的可大可小。但要求系統具有好的開放性,易於實現系統擴展。
功能要求
對飛行試驗數據實現分散式的實時採集和監控。系統具有開放性,能夠方便的實現系統的擴展。系統需要能夠完成應變、電壓、溫度模擬量輸入通道的標定,應變數的調零,以及一記錄、計算、分析、顯示飛行試驗數據等功能。
飛行數據採集系統系統硬體設計
系統硬體設計主要包括兩方面的工作：機載採集器部分設計、ATE部分設計。某型無人機飛行數據採集系統原理及組成如圖所示。
飛行數據採集系統機載採集器
飛行數據採集系統除此之外，機載採集器必須具有存儲90分鐘飛行數據的能力，存儲的飛行數據可快速通過LAN接口或隨身碟導出，數據導出後可立刻進行下一次記錄飛行數據的能力。無人機飛行數據採集系統支持用戶使用PC機查看機載採集器內部數據存儲情況。
飛行數據採集系統自動測試設備
ate按照通用化、標準化、模組化的設計要求，選擇基於PXI匯流排的貨架產品設計和實現。ATE主要由PXI機箱、嵌入式控制器模組和模組化儀器（功能卡）等組成無人機飛行數據採集系統ATE的組成如圖所示。
接口適配器是被測無人機、機載採集器與ATE之間的信號互聯和轉接部件，其主要功能有：保證被測無人機、機載採集器與測試設備的安全連線、信號轉接及驅動、各種測試信號的調理、信號傳輸阻抗匹配等功能。接口適配器設計工作主要包括電路板設計、防插錯設計、結構設計和線纜設計等工作。為確保接口間的連線可靠，接外掛程式選擇vpc的海量互聯產品。
