适用于特种飞机及无人机多任务管理计算机设计与实现

作者/李德，中电科（德阳广汉）特种飞机系统工程有限公司

引言

1.机载任务管理计算机的设计理念

由于特种飞机任务载荷系统比较复杂，因此当出现同一架飞机同时执行多种任务而安装多任务载荷时，其具体的系统架构如图1所示。

对于一般的任务载荷来讲，其主要由航空相机、多功能雷达以及激光荧光探测器等任务载荷和相应的显控设备组成，但由于数据链路带比较宽，因此使得其自身具有一定的局限性，只能传输一两种任务载荷的目标信息。针对此问题，就需要采用机载任务管理计算机来完成这一功能。与此同时，对机载任务管理计算机还有五个方面的需求。第一是由于任务载荷的输出接口与机载数据的终端接口会存在不匹配的状况，需要利用机载任务管理计算机对其接口进行转换。第二是在飞机同时搭载多种任务载荷时，就需要利用机载任务管理计算机对不同任务载荷进行调度以及综合管理，使得飞机可以有效地执行任务[1]。第三是机载任务管理计算机要对飞机上设置的机载监视器提供一个统一的输出接口，使其能够顺利地完成对不同任务载荷目标信息的监视工作。第四是当飞机上设置的控制设备在完成各个任务载荷的控制指令以后，为其提供对应的输入接口。最后就是其自身需要具备对任务载荷目标数据记录以及读取的功能。

图1 机载任务系统组成

2.机载任务管理计算机系统的工作原理

机载任务管理计算机的内部由各个数据的模块组成，主要包括有计算机主板模块、数据存储模块以及电源模块等，而计算机模块是系统的主要控制模块，是通过高速串行总线来与其他的模块进行通信的。具体的工作原理图如图2所示。

3.机载任务管理计算机系统的硬件设计

3.1 载荷数据接口模块的设计

载荷数据接口模块主要是完成对任务载荷目标数据的格式进行转换，同时也包括对其状态信息进行转发。此模块主要由三个部分组成，分别是FPGA、接口转换以及DDR。

3.2 数据传输接口模块的设计

对于数据传输接口模块主要是与机载数据终端的直接接口连接在一起，接收并转发任务载荷目标的数据以及相应的状态信息，同时对来自机载数据终端的载荷控制指令进行相应的处理[2]。其自身的硬件框图如图3所示。

图2 机载任务管理计算机工作原理框图

图3 数据传输接口模块系统框图

3.3 数据存储模块的设计

对于数据存储模块主要是对Pcle总线的任务载荷目标数据以及状态信息进行储存，其需要使用计算机主板的USB3.0接口对储存在SSD硬盘里的载荷数据和状态信息进行读取，具体的硬件框图如图4所示。

3.4 VPX计算机主板的设计

对于VPX计算机主板，在接收数据接口模块的任务载荷目标数据以及状态信息的同时，还要对载荷的控制指令进行接收处理。另外也需要对任务载荷显控软件进行运行，使其可以有效地对任务实施的过程进行监控。而计算机模块的ASTA通道需要对已经储存到存储模块的数据进行中转，通过其USB接口来将已存储的数据导出，图5为VPX计算机主板的硬件框图。

图4 存储模块硬件框图

图5 计算机主板硬件框图

图6 VPX背板硬件框图

3.5 VPX背板的设计

VPX计算机主板为机载任务管理计算机硬件系统中所有模块的连接提供了物理通道，同时也将模块的对外接口与转接板上的航头插头利用柔性电路板进行连接。由于计算机主板本身的USB2.0接口和USB3.0接口只有一路，但是对外输出时却需要两路接口，因此就需要利用背板将一路USB2.0接口和SB3.0接口进行扩展，使其变成两路来满足对外的输出要求[4]。另外由于计算机主板也只有一路1000M网络接口，可是同理在对外输出上仍然需要两路，因此就需要将其进行扩展。在VPX背板上有两个预留的模块槽位，但由于只剩下了一路接口，所以也需要进行扩展来满足要求。对于VPX背板的硬件框图如图6所示。

3.6 机箱电源的模块设计

对于机箱电源，主要是将电源提供给硬件系统中的模块，由于计算机主板消耗的电量过大，因此需要使用单独的电源模块器，而其他的模块主要是通过另外一个电源模块器进行供电。为了保护电源，需要将保险丝设在电源的输入端。同时在输入端还要为专用的电源滤波器以及瞬态保护模块预留位置，以使得其能满足要求，对于系统电源模块的硬件框图如图7所示。

查阅文献[1-3]可知，塑料打包带(绳)的成分主要有聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

4.机载任务管理计算机系统的软件设计

4.1 主控软件模块设计

对于主控软件，在编写的过程中主要是使用Windows QT标准的C++语言来实现人机交互界面，然后通过Pcle

总线驱动程序将用户的操作指令发送到FPGA的Pcle总线接口程序，而FPGA总线则将自己接收到的命令下发到内部的其他程序接口，来让主控软件和FPGA软件进行相互通信。而对于软件的设计也是按照功能块进行划分然后设计的，对于系统的功能组成框图如图8所示。

图7 系统电源模块硬件框图

图8 主控软件组成

4.2 FPGA软件模块设计

对于FPCA软件的模块设计，主要是让其完成对各类型视频数据的输入处理、转换处理以及输出处理。

5.机载任务管理计算机的通用化、系列化以及组合化设计

对于即在机载任务管理计算机的“三化”进行设计时，主要是根据其功能特性以及电气特性进行模块化的设计，以方便对系统的故障进行检测和隔离。另外其可以直接对不同的任务载荷的数据进行互换，大大地缩短了具体的维修时间。而系统的主控模块部分应用的性能需要进行再次升级，直接将原来的VPX计算机主板更换为更高性能的主板就可以有效地实现。而对于系统存储模块中使用的SSD硬盘，如果需要提升硬盘的存储容量，直接更换硬盘即可。因为自身采用的是模块化的设计，所以可根据各功能模块不同的要求来对其进行灵活的升级，因此对于同种模块也可设计出多种性能指标来对其原有的性能进行再次的优化，另外也可以对其进行重组来制造出性能更好的配件，以帮助特种飞机更好地实现任务。

6.针对机载任务管理计算机“六性”的设计

对于机载任务管理计算机的六性，主要是可靠性、安全性、维修性、测试性、保障性以及环境适应性。以下是对其逐一的介绍：

6.1 可靠性

机载任务管理计算机是采用成熟的技术和工艺进行设计的，在各模块的电路中均采用的是低功率的器件来对其进行降额设计。另外在各个模块均安装有散热盖，对其均有良好的散热作用，其次是机箱利用其自身的锁紧装置连接到了托盘的机壳地，可有效地防止静电。而对于之前的制造工艺上的缺陷也进行了优化提升，进一步提升了其在使用过程中的可靠性。

6.2 安全性

针对机载任务管理计算机的安全性，在设计过程中均采用的是低压数字以及模拟电路，并不会对使用人的人身安全造成影响。

6.3 维修性

机载任务管理计算机在已经满足设计要求的情况下，其相应的部件都采用的是模块化的设计，可以使得各个模块之间有效地通过插件进行连接，当模块发生故障时，可以快速对其进行更换。

6.4 测试性

各模块在设计时均有其状态指示灯，因此在器件的使用过程中可以有效地对其功能进行测试，而且在使用前系统会有自检的功能，当自身检查未通过时，系统就不会进行工作，而自检的结果也会通过人机交互界面显示出来，可以帮助相关人员及时的对出现的问题进行排查。

6.5 保障性

在对设备进行安装前都会对其相关的部件进行调试，另外在安装完成之后还有备件，在用户使用过程中发现问题时，可以及时对其进行处理。

6.6 环境适应性

对于环境适应性在进行设计时，首先要对任务装置的高低温进行设计，其次是对其抗盐雾、霉菌以及湿热进行设计，最后由于特种飞机的特殊性，也需对其抗振动、冲击以及加速度进行设计，以确保其在投入使用以后能更好地适应各种环境。

7.结束语

由于特种飞机以及无人机的性能不断地在改进，而国家也不断地在进行新型无人机的研制，因此在多任务管理计算机的设计方面还存在的诸多的问题。所以在未来的社会发展中，一定要根据需要继续提升无人机的性能，以推动国家在科技上的发展。

* [1]皮祖成,王诚,陈文.某型无人机机载任务管理计算机设计[J].航空工程进展 ,2016,7(4)∶464—470.

* [2]胡文娟,张翔,陈俊杰.无人机监管服务系统的设计与实现[J].中国民航飞行学院学报,2017,28(3)∶5—8.

* [3]罗泽勇.一种小型无人机的机载计算机软件系统设计[J].东北师大学报 (自然科学 ),2015,47(1)∶64—70.

* [4]路静,曹晨,LUJing,等.无人特种飞机的发展现状与未来[J].中国电子科学研究院学报,2016,11(3)∶223—228.