ZigBee无线控制的智能飞机液压管路清洗与耐压试验系统

李 潼， 沈乐刚， 童 彦， 熊 壮， 蒋昊宜， 刘 浩， 欧阳小平

(1.浙江大学 机械工程学院， 浙江 杭州 310013； 2.上海飞机制造有限公司， 上海 201324)

引言

液压系统管路的性能和寿命是影响飞机安全性的关键指标[1]。随着航空技术不断快速发展，飞机液压系统逐渐趋向复杂化，且制造过程中对液压系统的性能要求也越来越高[2]。在生产过程中，为保证液压系统的优良性能，需要对液压管路进行多次清洗以防止污染物等造成管路堵塞，并在管路安装完毕后需进行多次耐压测试以保证液压管路的密封性能和结构强度[3-4]。

目前国内民用飞机在液压系统管路清洗与耐压试验之前，需预先安装成品件以协调管路的定位与安装。为避免成品件被油液污染，液压管路清洗与耐压试验前后需将成品件反复装回与拆卸，如图1所示，此流程需要操作工人手动完成，步骤复杂，效率低下，且反复拆装会不可避免的造成连接口螺纹损伤等问题，进而严重影响飞机液压系统的可靠性和安全性。国外空客公司已在飞机生产线上应用了具有远程控制油路换向、通断等功能的液压管路清洗与耐压试验模块以替代成品件，但其信号传输方式仍以有线为主，通信线缆数量巨大，接线复杂，严重影响清洗与试验效率[5]。

图1 手工液压管路清洗与耐压试验示意图

为进一步提升飞机液压系统管路清洗与耐压试验的效率和智能化程度，本研究以某型号飞机为基础，基于2.4 GHz ZigBee无线网络技术开发了一套可远程无线控制的飞机液压管路清洗与耐压试验智能系统。该系统利用无线通信替代传统线缆，避免了复杂电气接线，大幅简化了试验步骤，提高了生产效率，符合液压技术的数字化和智能化发展趋势[6-7]，对于未来实现飞机液压管路的全链路智能化清洗与耐压试验意义重大。本研究的主要贡献如下：

(1) 开发了用于飞机液压系统的可远程无线控制的智能液压管路清洗与耐压试验系统；

(2) 设计了与实际液压元件油路接口相同的假件模块用于替代真件进行管路清洗耐压试验，避免了反复手工拆装的繁琐工作和对真件的污染损坏；

(3) 实现了飞机液压系统清洗与耐压试验的便捷性、高效性和智能性；

(4) 为航空液压系统的智能化生产提供了关键接口。

1 系统结构

如图2所示，智能液压管路清洗与耐压试验系统包括了可视化管控层、无线网络层、以及底层关键设备层三部分。

图2 系统结构图

1.1 可视化管控层

即管控界面，在系统运行时进行人机交互，可接收操作者指令，并将系统信息实时反馈给操作者。可视化管控层主要包括操作开关、智能系统电磁阀通断监控界面、电源电量监控界面等模块，能够将运行数据以数字、图表等形式进行高效可视化监控。可视化管控层通过RS-485总线与无线网络层设备进行通讯。

1.2 无线网络层

即智能液压管路清洗与耐压试验系统中与各个底层设备和管控层间相互通信的网络层。智能液压管路清洗与耐压试验系统主要应用场景为飞机液压系统组装调试生产线，液压系统的复杂程度决定了终端设备较多，且需要使用电池供电，要求无线通讯具有低功耗、低时延和高网络容量的特性，而对通讯距离和数据传输速率的要求则相对不高。目前主流的几种无线技术包括Bluetooth、nRFShockBurst、ZigBee、WLAN 等，其中，Bluetooth的功耗较低，可以接入互联网，但是其传输距离较短，组网容量较低，协议栈消耗硬件资源较大；nRF功耗低、数据传输效率强于Zigbee，但是nRF仅支持一对多的数据传输；WLAN无线组网在数据传输速率、延迟等性能方面全面强于Zigbee但是功耗较大且成本较高。本研究应用的Zigbee无线网络技术功耗低，成本低，时延短，网络容量大，与系统的实际应用场景需求较为契合[8-9]。然而，ZigBee无线网络需要人为设置协调器与路由器，并且协调器唯一且不可或缺，这对网络的搭建造成了极大不便，还降低了无线网络的可靠性和设备互换性。因此，本研究的ZigBee无线网络在搭建时模仿了mesh网络，由网络设备自行确定路由器与协调器，从而实现了自组网功能，这样便可实现在一定面积区域内高传输高可靠的密集节点网络，且方便自适应增减节点数量[10]。

如图3所示，系统节点类型分为主控节点和从节点。主控节点管理所有从节点的运行状态，并接收上位机指令，向从节点发送控制指令信息；从节点作为执行端，控制电磁阀等执行机构并向主节点反馈运行信息。

图3 节点网络拓扑结构图

1.3 底层关键设备层

即高度集成的假件模块，包括了液压元件假件、电机械转换器模块、电源模块、无线控制器模块等。其中，假件的机械结构具有与液压元件真件相同的油路接口，在液压管路清洗与耐压试验时可以完全替代真件,并控制油路通断。电机械转换器模块是集成了电磁阀驱动器的电磁换向阀。电源模块用于电磁阀与无线控制器的供电以及电池电量的监控。无线控制器模块用于信号接收、信号发射和电磁阀驱动控制等。

2 系统硬件设计

2.1 机械结构

液压元件假件的结构在液压原件的基础上进行了简化设计，具有与原件相同的油路功能，且管路接头型号和安装孔均与原件一致，实现了接头与管路尺寸的匹配以及安装孔与紧固件的匹配。

基于有限元强度分析和结构优化设计技术，液压元件假件实现了高强度轻量化整体机械结构设计。在不改变被替代的液压真件接口尺寸和位置的前提下，由假件代替真件进行清洗与耐压试验，从而避免了真件的污染与损坏。同时，假件需要满足耐压冲洗所需承受的压力需求，以及降低结构重量、装卸强度和辅助工装等要求。以副翼作动器、多功能扰流板作动器为例，所设计的假件模块如图4所示。

图4 液压元件假件与真件对比图

2.2 电机械转换器模块

智能液压管路清洗与耐压试验系统中电机械转换器的电磁换向阀用于控制油路的通断，其设计需求为能够耐受磷酸酯基液压油腐蚀以及1.5倍工作压力(35 MPa)。

本研究使用了两位两通电磁阀来满足设计需求。电磁阀内部的油液流经阀口与阀芯的间隙时，由于流向与流速变化，会对阀芯的壁面产生附加作用力，即液动力。由于瞬态液动力与稳态液动力相比很小[11-13]，本研究只使用Fluent软件对电磁换向阀的稳态液动力进行稳态仿真以验证其选型是否符合要求。具体地，在阀口开度从0.2 mm至1.8 mm的区间内每隔0.2 mm建立流场域模型，共建立9个不同模型。如图5b所示为阀口开度为1.2 mm时的网格划分图。分别设置进出口压差为35，31，21 MPa，仿真获得各压差下不同阀口开度对应的流场压力云图。如图5c所示为31 MPa下阀口开度为1.2 mm时的压力云图。基于仿真结果计算各压差下不同阀口开度时阀芯所承受的稳态液动力，并绘制出对应的曲线图，如图5d所示。仿真结果表明，在正常工作压差21 MPa的条件下，电磁阀阀芯所受到的稳态液动力远小于最大操作压差35 MPa 时的稳态液动力，所选电磁阀型号完全满足智能液压管路清洗与耐压试验的要求。

图5 流体域稳态液动力仿真

智能液压管路清洗与耐压试验系统由电池供电，需要尽可能的降低工作能耗以延长电池续航时间。然而，直动式插装电磁阀需要持续供电，能耗较大，因此需要改进其驱动策略以降低能耗。尽管电磁阀开启时需要较大电流，但开启后仅需较小电流便可保持开启状态。因此，本研究中电磁阀采用了全功率启动，然后缓降至低功率保持开启的驱动方式。图6c为开启过程中指令PWM信号占空比D与输出电流IO随时间变化的曲线。实际测试结果表明，电磁阀全功率启动，并保持1 s，此时所需电流为600 mA左右。电磁阀完成启动后，在0.2 s内将驱动器的PWM输出以斜坡方式降至30%，此时电流为180 mA左右，电磁阀仍能保持稳定开启，节省了70%的电量，满足了低功耗节能需求。

图6 电磁阀驱动器调试

2.3 电源模块

智能液压管路清洗与耐压试验系统为实现远程无线控制需要自带电源模块，用于电磁阀和无线控制器的供电。由于磷酸铁锂电池具有安全性能高、循环寿命长、能量密度高的优点[14]，本研究电源模块由18650锂电池组搭配内部降压稳压电路构成，如图7所示。锂电池组带有BMS电池管理系统，可避免锂电池的过充和过放。

图7 电源模块电路结构图

电池组额定电压为24 V，实际放电电压为16.8～25.2 V，由内部降压稳压电路提供主控电路所需的5 V与3.3 V电压。电池组电压经过经二极管保护电路和BUCK开关电源电路降至5 V，再经LDO稳压电路降至3.3 V。SY6280功率电子开关可在电源模块不工作时切断电源，降低其能耗。此外，还设计了一个贴片LED用于指示电源开关状态。

智能液压管路清洗与耐压试验系统需要实时采集电源电压以监测电池剩余电量。如图8所示，具体地，首先使用电容滤除高频噪声，然后采用两个电阻将电源电压分压至2.2～3.3 V范围，接着使用低功耗运放作为电压跟随器将模拟电压信号输入至微控制芯片(MCU)。其中，MCU内置的AD转换器最大分辨率为12位，故所测电压的理论分辨率δ为：

图8 电源电压采集电路

(1)

式中，Umax和Umin分别为电池放电的最大与最小电压，Umax=25.2 V，Umin=16.8 V。

考虑到实际电池电量显示一般以1%为最低单位，因此电压分辨率满足实际应用需求。

2.4 无线控制器模块

无线控制器模块用于信号接收、信号发射和电磁阀驱动控制。无线控制器包括无线控制唤醒电路、无线通信电路、电磁阀驱动电路、存储电路等硬件模块。其中，无线唤醒电路实时接收指令信号，负责唤醒控制器；无线通信电路主要负责处理电磁阀控制器的通信；电磁阀驱动电路用于控制电磁阀的供电和PWM输出，从而实现电磁阀的通断控制；存储电路用于保存操作状态和本机地址等信息。

主控电路使用PCB印刷电路制造，为方便制造并提高硬件互换性，无线通讯所需的主节点和从节点采用了相同电路。如图9所示，MCU通过CAN接口与驱动器通信，1路PWM输出用来传递电磁阀驱动信息，1路USART串口与无线电路通信，1路USART串口用于RS-485通信，还通过MOSFET开关芯片控制两路24 V电压输出，用于电磁阀驱动器的供电和使能。

图9 主控电路结构图

本研究的ZigBee无线模块电路使用了TI公司的CC2530芯片方案，额外添加了两个LED灯用来指示工作状态。该模块通过串口与MCU互传数据，并有一个输入口用于重置波特率。数据传输使用了自定义的通讯协议，以数据包形式发送和接收数据，并可以根据数据包的格式更改波特率等通讯参数。为防止静电屏蔽影响无线通讯效果，天线使用了IPEX接口引出。

3 系统程序设计

程序架构上，智能液压管路清洗与耐压试验系统分为了通过RS-485与上位机通信的主节点和用来控制电磁阀的从节点，主节点和从节点可以进行自动识别。当无线网络组建后，所有的主节点都会广播一条识别信息，从节点会解析识别信息并存储主节点ID。

对于从节点，如图10所示，系统会每隔固定时间将当前的运行状态(包括电磁阀开关状态、开关芯片开关状态、以及电源状态等)信息打包成数据发送至所有主节点。此外，从节点若接收到主节点主动发出的任何指令也会立即返回当前的自身状态信息。

图10 从节点程序

对于主节点，如图11所示，模块会在内部存储所有从节点的状态信息， 在接收到从节点运行状态信息时则对内部存储信息进行更新，若有节点超时未进行信息更新，则会主动发送查询指令进行确认，并视返回信息情况记录错误信息。此外，主节点还会在RS-485总线上作为Modbus从机工作，接收上位机的指令并对上位机指令进行执行与回应。

图11 主节点程序

当需要更改无线网络内某个节点的运行状态时，例如某个从节点的电磁阀开关状态，指令将先从上位机通过RS-485总线Modbus协议传输给主节点，主节点读取到相应指令后立即通过无线网络将指令发送给相应的从节点，从节点执行指令后返回信息给主节点，主节点根据从节点回应的信息更新内部存储的该从节点状态信息，最后再将信息通过Modbus协议传递给上位机，通过此过程完成上位机对于从节点的控制。

4 结论

本研究针对现有飞机液压系统生产装配过程中液压管路清洗与耐压试验效率低下、费工费时的问题，基于ZigBee无线网络开发了一种可进行远程无线控制的智能液压管路清洗与耐压试验系统，，实现了飞机液压系统清洗耐压试验的便捷性、高效性和智能性，且系统的所有元件对磷酸酯基液压油具有良好的耐腐蚀性。具体地，通过优化电磁阀驱动器的驱动策略，实现了低功耗的油路换向与通断控制；通过采用宽电压低功耗供电技术，有效解决了因电池电量变化而引起的输入电压变化，并设计了高精度电压采集电路实时采集电源电压以监测电池组剩余电量；利用ZigBee技术搭建了无线通信网络来代替传统线缆，避免了复杂的电气接线，大幅提升了工作效率；通过采用mesh网络的自主组网技术，可方便地增加或减小节点数量，且所有无线网络节点的网络和控制硬件设备均可以互换，大大提高了设备维护的便利性。

实际测试表明，在不更换电源的情况下，本研究开发的智能液压管路清洗耐压试验系统可在正常工作电流下持续无接管的工作16小时以上，并且大幅简化了液压管路清洗耐压试验的操作步骤，极大的提升了便捷性、高效性和智能性，有很好的应用前景。