航天电子设备多余物自动检测系统的研制

陈可

摘要：本文就航天电子设备多余物自动化检测系统的研制做了充分的探讨，重點介绍了自动检测系统中的硬件设计以及软件设计。其中硬件部分由机械装置、驱动控制装置以及加速器反馈装置组成，而软件设计部分主要介绍了该自动检测系统具体功能及算法实现。

关键词：航天电子设备；多余物；自动检测系统研制

中图分类号：V443 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）01-0180-02

0 引言

电子设备在航天领域应用广泛，其可靠性直接影响航空器是否能实现设计目的。在设备生产过程中，受生产环境的影响，可能存在掺杂微粒等多余物遗留在设备密封壳内，当处于太空失重环境时，其内部可移动微粒可能会使电子设备短路，严重时造成电子设备被烧毁，引起严重的航天事故。因此，航天设备在其出厂时都必须经过严格的多余物检测，对内部含有多余物的航天电子设备进行识别并剔除。如何设计出可以准确、迅速检测出设备内多余物的航天专用多余物自动检测设备，成了当前制约航天事业发展的一项亟待解决的问题。

1 系统总体设计

本航天电子设备多余物自动检测系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括工控机、控制电路、控制器、减速电机、制动单元、传动机构、转台、隔音器、被测试件、加速传感器、声音传感器、加速反馈电路、声音信号调理电路、多通道同步实时数据采集卡。其中工控机主要控制信号的发送；启动制动单元通过迅速制动转台，激活航天电子设备之中的多余物；控制器控制减速机运转；而加速度、声音传感器用于设备内部的加速度和声音信号的检测；采集卡用于调理后的加速度信号，声音信号采集；工控机用于采集到的信号的计算和分析，同时控制输入输出设备。软件部分则主要通过专用算法对设备内是否存在多余物作出判断，并可以进一步进行多余物性质识别检测，见图1。

2 系统各部分的设计

机械装置主要由减速电机、皮带轮、皮带、传动轴、轴承、连杆、平板、工作台、隔音器、圆盘、传感器组成。

机械装置的传动机构中有两个皮带轮和连杆构成了曲柄摇杆机构，工作时驱动电机单向转动，主要靠传动机制来带动工作平台进行来回摆动，使放置在平台上的被测设备产生加速度。减速比较大的皮带轮将会产生装置运行不稳，易对检测结果产生冲击性干扰，故减速电机通常使用减速比较小的皮带轮进行传动，使装置运行更加平稳，提高检测精度。减速电机以及机械装置在进行运转时通常会产生剧烈的机械噪声，严重影响到检测的精度，对此可以采用在转台以及被测试件中间加入由橡胶制作而成的隔音器阻隔机械噪音传输，从而减小噪音对于测试精度带来的影响。对于航天电子设备而言，通常存在体积较大、内部结构较为复杂的问题，而多余物微粒在设备内部的分布存在随机性，仅靠单一传感器收集信息无法达到最佳检测效果，我们采用增加传感器的数量收集多路信号，并辅以算法配合，从整体上有效提升系统检测的精度[5]。

驱动控制主要包含控制电路、控制器、滤波单元、制动单元几个部分。控制电路采用C8051F020作为主控芯片，通过总线与工控机通信，接收上位机的信号，输出电压控制信号。电压控制信号采取光耦达隔离后至分压电路中，防止环境等因素的干扰。控制器接收分压信号，通过控制电阻变化调节减速机运转的转速。因控制器及电机在其工作过程中会产生大量的高次谐波[6]，这些高频干扰会反馈到电网，进而影响后期的信号采集，为此需要设计专门的三级滤波单元，抑制高频干扰，提高检测精度。

国内外基于转台航天电子设备普遍采用机械撞击的方式来激活多余物，但这种方式存在明显缺点，会使电机以及机械装置的使用寿命大大降低，还会带来巨大的安全隐患。因此采用电控制动单元，方便更加精确的对制动过程进行控制，通过选取合适的制动参数，在满足最小加速度阈值以保证多余物激活的同时，满足系统安全这个大前提，并有效提高系统使用寿命[4]。

在多余物的检测整个过程中[3]，机械装置要给负载提供的一定加速度，才能达到最优的效果，如果在加速度过低，就无法激活多余物进行检测。以往的检测装置通常采用的是电机转速闭环控制，在实践中发现，依靠转速闭环控制并不能精准的控制被测试件中的加速度，因此本系统通过加速度闭环来精准控制转台。加速度反馈电路用以实现机械装置的加速度闭环控制。首先加速度传感器会采集机械装置加速度，并通过反馈电路上传至上位机，上位机经过算法处理，实现转台加速度的闭环效果，见图2。

3 上位机软件设计

上位机软件主要是对于数据进行分析，在算法上进行合理的优化，通过多线程的方法实时采集数据并实时显示系统状态，保证各部分可靠通信，以减小运作时间开销，根据数据分析处理的结果实时绘制动态曲线[2]。

上位机接收并处理到多余物信号、组件信号、传感器背景噪音、环境噪声以及传导干扰五种信号。为保证检测准确度，可采用脉冲提取与傅里叶分析相结合的复合算法加以判断。由于多余物的信号存在一定特征，其脉冲类似于一种震荡信号，往往从信号的起始点迅速震荡当信号的最高点，接着再缓慢的衰竭到终止点，因此可采用脉冲提取算法进行小波消噪，通过提取脉冲能量并比较，剔除干扰信号。但脉冲提取算法并不能对于剔除其中叠加的组件脉冲信号，为此还需信号进行短时傅里叶分析，通过二者在时域、频域上所呈现的不同特征建立二维识别特征，然后再进行比对，最后通过对于脉冲数量的统计判断多余物是否存在[1]。

4 结语

本文主要针对航天电子设备多余物自动检测系统进行了充分的探讨，分别从系统总体设计，系统工作过程，各部分的设计原理、软件设计全方位的介绍了新型航天电子设备多余物自动检测系统的设计与实现。与以往的多余物检测系统相比，通过硬件机械部分、电控部分的改进和软件部分复合算法的创新，系统检测的准确率有了大幅提高，数据分析更为简便、直观，可以有效提高航天电子设备可靠性。

參考文献

[1] 张坤，戚乐，陈金豹，et al.航天电子设备多余物自动检测系统的研制[J].电子测量技术，2012，35（3）：82-86.

[2] 徐冰，王世成，翟国富.航天电子装置多余物自动检测系统的研究[J].机电元件，2008， 28（2）：6-11.

[3] 陈蕊.航天电子装置多余物检测与材质识别方法研究[D].哈尔滨工业大学，2014.

[4] 徐冰，王世成，翟国富.航天电子装置多余物自动检测系统的研究[J].机电元件，2008， 28（2）：6-11.

[5] 张坤，戚乐，陈金豹，et al.航天电子设备多余物自动检测系统的研制[J].电子测量技术，2012，35（3）：82-86.

[6] 陈金豹，翟国富，王淑娟， et al.航天电子设备多余物检测信号特性的影响因素分析[J]. 系统工程与电子技术，2013，35（4）：42-46.

Abstract：This paper makes a full discussion on the development of the automatic detection system for the redundancy of aerospace electronic equipment， focusing on the hardware design and software design of the automatic detection system. The hardware part is composed of mechanical device， drive control device and accelerator feedback device， while the software design part mainly introduces the specific functions and algorithm realization of the automatic detection system.

Key words：development of aerospace electronic equipment， redundancy and automatic detection system