賈圣羽 中國(guó)特種飛行器研究所

系留氣球是一種無(wú)動(dòng)力氣球飛行器。系留氣球系統(tǒng)一般由球體、任務(wù)載荷、系留纜繩、地面錨泊設(shè)施和地面控制站等組成。球體由氣囊和整流罩兩部分組成，前者呈流線型，有十字形或倒Y 形尾翼，有利于減小風(fēng)阻和提高氣動(dòng)穩(wěn)定性。整流罩類似飛機(jī)吊艙，位于氣囊腹下。其內(nèi)部裝有掛架，掛架上搭載任務(wù)載荷、電源設(shè)備、控制機(jī)構(gòu)、組合慣導(dǎo)及信息傳輸設(shè)備等。大風(fēng)是最常見(jiàn)的自然現(xiàn)象，系留氣球在風(fēng)中依靠其流線型的外形和尾翼來(lái)保證穩(wěn)定性。在大風(fēng)環(huán)境下尾翼是否變形，內(nèi)部壓力如何變化，掛架與球體是否有相對(duì)位移，是系留氣球外場(chǎng)試驗(yàn)和使用過(guò)程中非常關(guān)注的問(wèn)題。

一、需求分析

1.數(shù)據(jù)采集：采用3 個(gè)獨(dú)立的壓差傳感器，分別采集3 個(gè)尾翼（左尾翼，右尾翼和垂直尾翼）的內(nèi)部壓力值；采用3 個(gè)獨(dú)立的攝像頭分別觀察3 個(gè)尾翼的變形情況；采用姿態(tài)角測(cè)量傳感器采集球體的俯仰角、橫滾角和航向角數(shù)據(jù)；

2.數(shù)據(jù)傳輸：采用無(wú)線傳輸方式。

3.數(shù)據(jù)監(jiān)控：地面接收到球上測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理和圖形化顯示，并保存所有數(shù)據(jù)。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）硬件設(shè)計(jì)

1.硬件構(gòu)成。基于以上需求分析，經(jīng)過(guò)廠家調(diào)研、資料查詢和現(xiàn)有設(shè)備的清查，決定采用以下硬件搭建硬件環(huán)境（省略電源），主要硬件設(shè)備及硬件連接圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件連接框圖

2.系統(tǒng)工作原理。差壓傳感器采集尾翼壓力數(shù)據(jù)模擬信號(hào)，發(fā)送給PLC；組合慣導(dǎo)測(cè)量系留氣球俯仰角、橫滾角和航向角，打包發(fā)給PLC；PLC 通過(guò)模擬量采集端口接收壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)RS485 接口接收系留氣球姿態(tài)角數(shù)據(jù)，處理后打包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和圖傳電臺(tái)下傳到地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)；尾翼攝像機(jī)的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和圖傳電臺(tái)下傳到地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)；網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和圖傳電臺(tái)均為通信中繼設(shè)備，負(fù)責(zé)各項(xiàng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)中安裝有新開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件和海康威視視頻客戶端，監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)處理PLC 發(fā)出的數(shù)據(jù)，視頻客戶端負(fù)責(zé)處理攝像機(jī)數(shù)據(jù)，分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、顯示和保存；選取合適時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)（通常為大風(fēng)時(shí)段），運(yùn)用專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件分析壓力數(shù)據(jù)和球體姿態(tài)角數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

（二）軟件開(kāi)發(fā)

1.地面監(jiān)控軟件。地面監(jiān)控軟件分為視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)監(jiān)控兩部分。視頻監(jiān)控采用海康威視官方的視頻采集客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件需要根據(jù)需求開(kāi)發(fā)，用來(lái)顯示3 個(gè)尾翼的壓力、俯仰角、橫滾角和航向角的數(shù)值和變化曲線，并把接收到的數(shù)據(jù)保存到txt 文件中。LabVIEW 是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)，是一種圖形化的編程語(yǔ)言，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)?；贚abVIEW 在虛擬儀表方面的快速開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)，本項(xiàng)目監(jiān)控軟件采用LabVIEW 進(jìn)行開(kāi)發(fā)。程序啟動(dòng)后，以500ms 為周期，周期性接收尾翼壓力數(shù)據(jù)和系留氣球姿態(tài)角數(shù)據(jù)，采用數(shù)值和曲線（3 分鐘內(nèi)的數(shù)據(jù)）聯(lián)合顯示的方式，為工作人員提供直觀的監(jiān)控界面。

2.PLC 軟件。本項(xiàng)目選用PLC 作為下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行多路數(shù)據(jù)采集，然后通過(guò)RJ45 網(wǎng)口通訊將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，在LabVIEW 開(kāi)發(fā)平臺(tái)下，對(duì)各路數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和實(shí)時(shí)顯示，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的采集。可編程邏輯控制器采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。PLC 上電之后，以500ms 為周期執(zhí)行，每個(gè)周期內(nèi)完成壓差傳感器數(shù)據(jù)采集、組合慣導(dǎo)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理打包和數(shù)據(jù)發(fā)送。

三、試驗(yàn)分析和結(jié)論

主要得出兩條結(jié)論，一是通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，說(shuō)明尾翼結(jié)構(gòu)和壓力調(diào)節(jié)控制率設(shè)計(jì)合理；二是球體姿態(tài)角與掛架姿態(tài)角存在差異，差異值固定，后期需對(duì)掛架姿態(tài)角進(jìn)行校正。