LabVIEW起落架故障自动测试

阅读时间：8分钟 |适用人群：航空测试工程师/飞控系统设计师/适航认证技术主管

🔥 痛点引爆：起落架收放控制故障太多，传统测试根本覆盖不全

某航空制造企业的AG600水陆两栖飞机项目遇到了一个严峻挑战：起落架收放控制系统是飞机重要的功能系统，直接影响起飞、降落的安全性。飞机级对起落架收放控制系统的安全性要求是不能出现灾难性事故——包括"任意起落架非指令放下"、"任意起落架非指令收上"和"无通告的任意起落架无法放下"。

但传统测试方式存在严重缺陷：

1. 故障类型覆盖不全：只能进行基本的开路故障注入测试，误报远离、误报接近、短路等故障根本无法模拟
2. 测试效率低下：人工测试准备时间长，受限于现场条件，往往只能测试少数几种工况
3. 组合故障无法测试：不同故障的组合（如余度1传感器开路+余度2电磁阀短路）根本无法实现
4. 测试覆盖率低：传统系统的测试覆盖率不到40%，大量潜在风险未被发现

更危险的是，当环境温度变化时，接近传感器线圈电阻和铁芯磁导率会随之发生变化，从而导致线圈的电感值发生变化，进而可能引起收放控制系统的位置解算误报远离、误报接近等错误。这些瞬时性、一过性故障如果没有自动化测试手段，根本无法在实验室复现。

💡 LabVIEW + NI PXI数据采集卡 + 故障优先级策略，72种故障自动注入

针对上述痛点，开发了一套基于LabVIEW的起落架收放控制故障注入系统，核心架构如下：

硬件架构

软件架构

• 开发平台：LabVIEW虚拟仪器图形化环境
• 核心算法：故障注入优先级策略（硬件+软件双重保障）
• 执行周期：100ms单次循环
• 数据记录：ARINC429通讯反馈数据实时存储

这种"NI PXI硬件平台 + LabVIEW图形化编程 + 故障优先级策略"的架构，从根本上解决了测试安全性和充分性的矛盾。

🛠 核心技术详解

1. 为什么必须用双余度架构？

为满足飞机的A级功能安全性要求，起落架收放控制系统采用双余度架构设计：

• 系统所含设备除液压电磁阀外，其他设备均为电气双余度，且互为备份
• 两个余度的控制单元按主备方式工作，起落架位置解算和收放控制逻辑同步运行
• 系统默认控制单元1为主控设备，控制单元2为备控设备，当主控设备报故时自动切换至备控设备

我们的创新：通过两个选择开关S1和S2，实现了两个余度的接近传感器交替测试，有效降低了故障注入装置的复杂度，减小设备体积，简化结构。

2. 接近传感器信号故障注入单元：4种故障精准模拟

接近传感器是起落架位置指示的关键部件，一般前起落架及舱门、左/右主起落架及舱门的到位信号以及轮载信号均采用双余度配置，即采用两套相同的接近传感器。每个接近传感器均存在4种故障：

故障类型与模拟方法

硬件原理设计

单组通道的硬件原理：

1. 通过两个选择开关S1和S2，将起落架收放控制系统的控制器余度1与接近传感器余度1之间直接连接
2. 收放控制器余度2与接近传感器余度2之间通过各故障模块连接
3. 硬件模块开路故障注入信号K1、误报远离故障注入信号K2、误报接近故障注入信号K3、以及短路故障注入信号K4按顺序依次串联连接
4. 当接近传感器余度2故障注入测试完成，可通过选择开关S1和S2切换，实现接近传感器余度1故障注入

关键优势：一般起落架接近传感器远离时的电感值小于5mH，接近时的电感值大于5.3mH，因此图中误报接近模块的串联电感L1为1mH，误报远离模块的并联电感Lp为5mH。通过精确的电感值设计，确保故障模拟的真实性。

故障优先级策略

为保证测试安全性，在硬件电路设计时增加了误操作保护和故障优先级设计：

• 在未接收到测试允许信号时，默认正常模式，不改变原有起落架收放系统的连接和功能，防止误操作
• 在故障注入测试允许时，通过测试控制装置编程改变故障注入时刻
• 根据故障可能导致的起落架收放控制系统损伤风险，按照开路故障>误报远离故障 >误报接近故障 >短路故障的优先级，从高到低依次与收放控制系统连接
• 通过硬件电路保证了即使在测试控制装置意外输出多个故障注入信号的情况下，故障注入装置也只能注入优先级最高的故障

3. 电磁阀信号故障注入单元：3种故障灵活组合

在起落架收放控制系统与液压电磁阀之间串联连接电磁阀信号故障注入单元，包括：

故障类型与模拟方法

硬件原理设计

单组通道的硬件原理：

1. 可编程DC电源模块提供起落架收放控制系统的功率供电，其电压可在0～50V范围内任意调节，支持RS485通讯进行输出电压控制
2. 开路故障模块K1和短路故障模块K2按顺序与电磁阀线圈依次连接
3. 一般起落架液压电磁阀的工作电流小于1A，考虑到短路故障时需要对电流进行限流，因此图中电阻R为5Ω
4. 电磁阀供电故障可以与开路故障或短路故障进行任意组合

故障优先级策略

为保证测试安全性：

• 在未接收到测试允许信号时，默认正常模式，不改变原有起落架收放系统的连接和功能，防止误操作
• 在故障注入测试允许时，将电磁阀开路故障和短路故障互斥地注入到起落架收放控制系统
• 通过测试控制装置编程能够改变故障注入时刻，并通过改变可编程DC电源模块输出电磁阀供电电压大小，实现电磁阀信号供电电压故障注入
• 根据故障可能导致的起落架收放控制系统损伤风险，按照开路故障>短路故障的优先级，从高到低依次与收放控制系统连接
• 电磁阀信号故障注入单元通过硬件电路保证了即使在测试控制装置意外输出多个故障注入信号的情况下只能注入优先级最高的故障
• 特别设计：在短路故障注入时，当注入持续时间达到设定的持续时间时自动取消短路故障注入，进一步提高了测试安全性

4. LabVIEW软件设计：100ms快速响应

软件流程

测试控制主要包括：

1. 系统初始化设置：配置NI板卡参数、通讯协议
2. 故障注入控制：根据测试用例选择故障类型和注入时机
3. 通讯信息解析：解析ARINC429总线数据
4. 数据采集处理和存储：实时记录故障注入过程中的所有信号

接近传感器信号故障注入软件流程

测试系统通过测试控制装置编程改变接近传感器信号故障注入单元的故障信号注入时刻和持续时间，将接近传感器的开路故障、误报远离故障、误报接近故障、以及短路过载互斥地注入到起落架收放控制系统，保证每次仅有一种故障注入，便于对起落架收放控制系统进行全面测试。

测试控制的软件逻辑中接近传感器的开路故障、误报远离故障、误报接近故障、以及短路过载的优先级为从高到低，结合硬件电路的设计，保证了测试的安全性。

电磁阀信号故障注入软件流程

测试系统通过RS485总线通讯设定电磁阀信号故障注入单元可编程DC电源模块的输出电磁阀供电电压大小，注入电磁阀供电电压故障；并通过测试控制装置编程改变电磁阀信号故障注入单元的故障信号注入时刻和持续时间，将电磁阀的开路故障和短路过载互斥地注入到起落架收放控制系统，以便对起落架收放控制系统进行全面测试。

测试控制的软件逻辑中电磁阀的开路故障、短路过载的优先级为从高到低，并且在短路故障注入时，当注入持续时间达到设定的持续时间时自动取消短路故障注入，结合硬件电路的设计，进一步提高了测试安全性。

自动测试控制

根据起落架收放控制系统的测试用例，分别进行：

• 接近传感器信号故障注入
• 电磁阀信号故障注入
• 两个余度的信号故障组合注入

通过对单路信号故障、多路信号故障、双余度信号交联故障（如余度1传感器开路，余度2电磁阀短路）等不同工况的测试，系统故障测试覆盖率≥95%。

故障注入系统接收测试允许指令，可以自动执行测试用例，并记录测试数据，测试完成恢复至初始状态，大大提高了测试效率。

5. 电磁兼容设计：抗干扰保障稳定性

由于故障注入系统包含大量接近传感器、电磁阀及NI数据采集卡的信号交互，需要对系统进行必要的电磁兼容设计：

• 故障注入系统所含电缆均采用双绞屏蔽电缆，其屏蔽层与地平面进行良好搭接
• 输入信号与输出信号接口处均采用LC低通滤波
• 通过采用以上屏蔽、接地和滤波的方式，提高了信号的抗干扰性，有效保证了系统运行的稳定性

📊 实战效果对比

故障注入能力对比

故障注入响应时间

经试验结果分析确认，该系统满足起落架收放控制系统的故障注入需求。

AG600实机验证

经AG600起落架收放控制系统试验验证：

• 该故障注入系统可以实现正常模式和故障注入模式的灵活切换
• 接近传感器信号故障注入、电磁阀信号故障注入功能正常
• 根据起落架收放控制系统的ARINC429通讯反馈数据，接近传感器信号与电磁阀信号故障注入数据记录完整
• 该系统能够在正常模式和故障注入模式下持续工作，满足双余度信号故障组合注入测试的要求，具有良好的可靠性和稳定性