基于LabView和PLC的系留氣球穩(wěn)定性測試系統(tǒng)設計

賈圣羽 中國特種飛行器研究所

系留氣球是一種無動力氣球飛行器。系留氣球系統(tǒng)一般由球體、任務載荷、系留纜繩、地面錨泊設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，有利于減小風阻和提高氣動穩(wěn)定性。整流罩類似飛機吊艙，位于氣囊腹下。其內部裝有掛架，掛架上搭載任務載荷、電源設備、控制機構、組合慣導及信息傳輸設備等。大風是最常見的自然現(xiàn)象，系留氣球在風中依靠其流線型的外形和尾翼來保證穩(wěn)定性。在大風環(huán)境下尾翼是否變形，內部壓力如何變化，掛架與球體是否有相對位移，是系留氣球外場試驗和使用過程中非常關注的問題。

一、需求分析

1.數(shù)據(jù)采集：采用3 個獨立的壓差傳感器，分別采集3 個尾翼（左尾翼，右尾翼和垂直尾翼）的內部壓力值；采用3 個獨立的攝像頭分別觀察3 個尾翼的變形情況；采用姿態(tài)角測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：采用無線傳輸方式。

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

二、系統(tǒng)設計

（一）硬件設計

1.硬件構成。基于以上需求分析，經(jīng)過廠家調研、資料查詢和現(xiàn)有設備的清查，決定采用以下硬件搭建硬件環(huán)境（省略電源），主要硬件設備及硬件連接圖見圖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，發(fā)送給PLC；組合慣導測量系留氣球俯仰角、橫滾角和航向角，打包發(fā)給PLC；PLC 通過模擬量采集端口接收壓力數(shù)據(jù)，通過RS485 接口接收系留氣球姿態(tài)角數(shù)據(jù)，處理后打包，通過網(wǎng)絡交換機和圖傳電臺下傳到地面監(jiān)控計算機；尾翼攝像機的視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡交換機和圖傳電臺下傳到地面監(jiān)控計算機；網(wǎng)絡交換機和圖傳電臺均為通信中繼設備，負責各項數(shù)據(jù)轉發(fā)；地面監(jiān)控計算機中安裝有新開發(fā)的數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件和海康威視視頻客戶端，監(jiān)控軟件負責處理PLC 發(fā)出的數(shù)據(jù)，視頻客戶端負責處理攝像機數(shù)據(jù)，分別對數(shù)據(jù)進行解析、顯示和保存；選取合適時間段的歷史數(shù)據(jù)（通常為大風時段），運用專業(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?？低暪俜降囊曨l采集客戶端進行數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲。數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件需要根據(jù)需求開發(fā)，用來顯示3 個尾翼的壓力、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 是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，是一種圖形化的編程語言，有一個完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫?；贚abVIEW 在虛擬儀表方面的快速開發(fā)優(yōu)勢，本項目監(jiān)控軟件采用LabVIEW 進行開發(fā)。程序啟動后，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。本項目選用PLC 作為下位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行多路數(shù)據(jù)采集，然后通過RJ45 網(wǎng)口通訊將數(shù)據(jù)傳輸至上位機，在LabVIEW 開發(fā)平臺下，對各路數(shù)據(jù)進行處理和實時顯示，從而實現(xiàn)了對測試數(shù)據(jù)的采集?？删幊踢壿嬁刂破鞑捎靡环N可編程的存儲器，在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程。PLC 上電之后，以500ms 為周期執(zhí)行，每個周期內完成壓差傳感器數(shù)據(jù)采集、組合慣導數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理打包和數(shù)據(jù)發(fā)送。

三、試驗分析和結論

主要得出兩條結論，一是通過對測試數(shù)據(jù)進行分析，說明尾翼結構和壓力調節(jié)控制率設計合理；二是球體姿態(tài)角與掛架姿態(tài)角存在差異，差異值固定，后期需對掛架姿態(tài)角進行校正。