航空觀光系留氣球測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何敬宇

摘 要：分析了觀光系留氣球作為觀光旅游設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，研究了觀光系留氣球測(cè)控系統(tǒng)的組成。測(cè)控系統(tǒng)是保障觀光系留氣球球體安全和順利運(yùn)營(yíng)任務(wù)的一個(gè)重要分系統(tǒng)，本文以現(xiàn)有系留氣球測(cè)控技術(shù)為基礎(chǔ)，借鑒國(guó)外系留氣球測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，依據(jù)航空觀光系留氣球使用特性從軟、硬件兩個(gè)方面對(duì)航空觀光系留氣球測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：觀光系留氣球;測(cè)控系統(tǒng);傳感器

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）02-0022-03

0引言

系留氣球是浮空器的一種，它是使用纜繩將其系留在地面并可控制高度的浮空器。與其它浮空器相比，系留氣球具有安全性高、滯空時(shí)間長(zhǎng)、耐候性強(qiáng)、造價(jià)和使用成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。在軍用領(lǐng)域已被廣泛的應(yīng)用于監(jiān)視、通信、告警等領(lǐng)域，如美國(guó)在阿富汗部署了近百個(gè)浮空氣球用于監(jiān)視和保護(hù)美軍軍營(yíng)。在民用領(lǐng)域，由于系留氣球特有的安全性高、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，被廣泛的應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、緝私、旅游觀光領(lǐng)域。航空觀光系留氣球是一種浮空器類系留氣球，可以搭載乘客上升至百米高空，俯瞰周圍景色，在保障安全性的同時(shí)帶給游客不同以往的高空刺激體驗(yàn)。自誕生以來(lái)，航空觀光系留氣球就因其良好的滯空性能、悠閑的漂浮節(jié)奏、寬廣的游覽視角而受到游客們的喜愛(ài)，目前已廣泛應(yīng)用在世界各地的旅游景點(diǎn)、主題公園、游樂(lè)園和集會(huì)廣場(chǎng)等[1]。

測(cè)控系統(tǒng)是保障觀光系留氣球球體安全和順利運(yùn)營(yíng)的一個(gè)重要系統(tǒng)，本文以現(xiàn)有系留氣球測(cè)控技術(shù)為基礎(chǔ)，借鑒國(guó)外系留氣球測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，依據(jù)航空觀光系留氣球使用特性從軟、硬件兩個(gè)方面對(duì)航空觀光系留氣球測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

1系統(tǒng)工作原理

系留氣球是一種無(wú)動(dòng)力浮空飛行器，氣球用纜繩與地面上的錨泊設(shè)備連接，依靠氣囊內(nèi)的氦氣提供浮力懸停在空中。氣囊內(nèi)的氦氣由于系留氣球升空高度及溫度等外界環(huán)境因素的變化導(dǎo)致其體積發(fā)生變化，產(chǎn)生相應(yīng)的膨脹或收縮，使氣囊內(nèi)氣體相對(duì)于外界的壓差也會(huì)產(chǎn)生變化，為能保持氣囊外形及剛度，需要將氣囊壓力（氣囊內(nèi)實(shí)際壓力與氣球所處大氣壓力的差值）控制在安全的工作范圍內(nèi)。因此，一般系留氣球通過(guò)在氣囊內(nèi)部設(shè)置副氣囊，通過(guò)對(duì)副氣囊充氣或放氣，適應(yīng)氣囊因外界環(huán)境因素變化造成的壓力變化要求，確保氣囊壓力處于正常工作范圍內(nèi)[2]。

測(cè)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)觀光系留氣球控制功能的一個(gè)重要分系統(tǒng)，其保障了球體安全和運(yùn)營(yíng)的順利完成。該系統(tǒng)核心為具有一定輸入輸出接口的計(jì)算機(jī)，內(nèi)部安裝有相應(yīng)的控制軟件。同時(shí)在球體特定部位設(shè)置有氣囊壓差、副氣囊壓差、氣囊溫度、副氣囊溫度、風(fēng)速、系留纜繩張力等傳感器，完成各種參數(shù)的測(cè)量和采集。控制計(jì)算機(jī)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后顯示在顯示屏上，并通過(guò)預(yù)設(shè)了控制率的控制軟件對(duì)球上執(zhí)行裝置的動(dòng)作進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)球體壓力控制，電源控制，燈光控制，故障報(bào)警等，并通過(guò)無(wú)線連接將信息傳送到地面顯示屏顯示。

其一般組成及原理如圖1。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)的工作原理，結(jié)合航空觀光系留氣球的產(chǎn)品屬性和使用特點(diǎn)開(kāi)展觀光系留氣球測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1硬件設(shè)計(jì)

由于航空觀光系留氣球相對(duì)于軍用系留氣球在工作環(huán)境、設(shè)備復(fù)雜度方面的要求要低，從降低設(shè)備成本并保證一定可靠性的角度考慮，對(duì)于測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)備選用以工業(yè)級(jí)設(shè)備和元器件為主。

測(cè)控系統(tǒng)硬件主要由控制計(jì)算機(jī)、傳感器、顯示器、報(bào)警設(shè)備、攝像設(shè)備及數(shù)傳電臺(tái)等組成，分別集成于球體、球載控制柜和地面監(jiān)視臺(tái)中。

2.1.1球載控制柜

球載控制柜是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，它直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的使用安全。其中集成有控制計(jì)算機(jī)、顯示屏、球上數(shù)傳電臺(tái)、繼電器、控制開(kāi)關(guān)、報(bào)警燈等電子設(shè)備和元器件，以及連接線路和供電保護(hù)裝置。

其中控制計(jì)算機(jī)通過(guò)A/D和DI接口模塊對(duì)模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行采集，控制計(jì)算機(jī)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理后，將數(shù)據(jù)顯示在球上控制柜顯示屏上。同時(shí)控制計(jì)算機(jī)還可以通過(guò)DO接口模塊驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器接通或斷開(kāi)，以給球上執(zhí)行設(shè)備通電或斷電，實(shí)現(xiàn)對(duì)球上執(zhí)行設(shè)備的控制?？刂朴?jì)算機(jī)的接口需滿足系統(tǒng)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理以及控制信號(hào)輸出的需要[3]。其接口配置如表1。

顯示屏通過(guò)RS485或RS232串口與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將控制計(jì)算機(jī)采集的參數(shù)信息進(jìn)行顯示，顯示的主要參數(shù)有：氣囊壓力、副氣囊壓力、氣囊溫度、風(fēng)速、纜繩張力、蓄電池電壓、風(fēng)機(jī)狀態(tài)、空氣閥狀態(tài)、門鎖狀態(tài)和障礙燈供電狀態(tài)等。顯示屏還顯示各類報(bào)警信息，提醒操作人員注意。

球上數(shù)傳電臺(tái)通過(guò)RS232串口與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將控制計(jì)算機(jī)采集的參數(shù)信息與各類報(bào)警信息傳送到地面監(jiān)視臺(tái)進(jìn)行顯示。

2.1.2 地面監(jiān)視臺(tái)

地面監(jiān)視臺(tái)主要由地面顯示屏、地面數(shù)傳電臺(tái)以及開(kāi)關(guān)電源組成。地面數(shù)傳電臺(tái)通過(guò)天線與球載控制柜中的球上數(shù)傳電臺(tái)通信，接收球載控制柜數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送的數(shù)據(jù)，地面數(shù)傳電臺(tái)通過(guò)RS232串口與地面顯示屏進(jìn)行通信，將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面顯示屏，地面顯示屏顯示界面與球上顯示屏顯示界面的數(shù)據(jù)相同。其原理示意圖如圖2所示。

2.2測(cè)量參數(shù)選擇

2.2.1環(huán)境參數(shù)

測(cè)量的環(huán)境參數(shù)主要為溫度和風(fēng)速。

溫度：由于氣囊內(nèi)的氦氣溫度的變化會(huì)導(dǎo)致氦氣密度的變化，使氦氣的體積膨脹或收縮，這時(shí)氣囊內(nèi)氣體相對(duì)與外界大氣的壓差升高或降低，因此采用溫度傳感器測(cè)量的氣囊內(nèi)氦氣的溫度可以作為觀光系留氣球其他參數(shù)修正的依據(jù)。

風(fēng)速：由于觀光系留氣球?qū)儆诟】掌鞯囊环N，采用升力氣體氦氣產(chǎn)生的浮力進(jìn)行升空，其體積巨大，風(fēng)速的大小對(duì)浮空器的飛行和外形保持有很大的影響，甚至導(dǎo)致其不能升空飛行，由于浮空器本身這一固有的特點(diǎn)決定了浮空器類飛行器對(duì)于環(huán)境的風(fēng)是很敏感的。因此測(cè)量風(fēng)速主要是從觀光系留氣球的安全性角度考慮，如果觀光系留氣球所處位置的風(fēng)速超過(guò)了允許使用的風(fēng)速，將危及到游客及觀光系留氣球本身的安全，需要采取相應(yīng)的措施。風(fēng)速的測(cè)量采用風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器。

2.2.2壓力調(diào)節(jié)參數(shù)

壓差信號(hào)：需要測(cè)量的參數(shù)有：氣囊與外界大氣的壓差、副氣囊與外界大氣的壓差。通過(guò)測(cè)量氣囊壓差，控制計(jì)算機(jī)按照設(shè)定的控制律對(duì)風(fēng)機(jī)和閥門進(jìn)行控制（一般情況下不放氦氣），使整個(gè)囊體維持在一定的壓差范圍內(nèi)，使囊體承受風(fēng)載荷和任務(wù)載荷時(shí)保持囊體外形。

狀態(tài)信號(hào)：需要監(jiān)控副氣囊空氣閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)、氣囊氦氣閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)、風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)。通過(guò)檢測(cè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)（安裝在閥門上）輸出端電壓的有無(wú)，確定閥門的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。檢測(cè)風(fēng)機(jī)自帶的信號(hào)反饋判斷風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。

2.2.3纜繩張力

系留纜繩上端張力參數(shù)可以用于判斷觀光系留氣球是否逃逸以及輔助了解觀光系留氣球在空中狀態(tài)。拉力傳感器一般采用銷軸型拉力傳感器，其采用的箔式應(yīng)變片貼在合金鋼彈性體上，精度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，且可以內(nèi)置變送器輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)傳給控制計(jì)算機(jī)。

觀光系留氣球測(cè)控系統(tǒng)一般應(yīng)具有的參數(shù)信號(hào)格式見(jiàn)表2。

2.3電磁兼容設(shè)計(jì)

為保證測(cè)控系統(tǒng)正常工作還必須進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。電磁干擾源有自然的和人為的兩種。雷電是一種主要的自然干擾源。雷電伴隨的瞬間放電電流會(huì)感應(yīng)出一個(gè)很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，這個(gè)電磁場(chǎng)作用在設(shè)備的電源線或者信號(hào)電纜上，會(huì)產(chǎn)生幅度很高的電壓，對(duì)設(shè)備造成傷害。實(shí)際環(huán)境中更加常見(jiàn)的干擾是人為干擾，如電感性負(fù)載的接通和斷開(kāi)帶來(lái)的傳導(dǎo)干擾，開(kāi)關(guān)、繼電器通斷帶來(lái)（產(chǎn)生）的尖峰電壓干擾等?？刂聘蓴_的方法上，除采用抑制干擾傳播的技術(shù)（如屏蔽、接地、搭接、合理布線等方法），還采取回避和疏導(dǎo)的技術(shù)處理（如空間方位分離、時(shí)間閉鎖分離、頻率劃分與回避、濾波、吸收和旁路等等）[4]。

觀光系留氣球電磁兼容設(shè)計(jì)首先是對(duì)供電及信號(hào)線纜采取屏蔽措施，屏蔽套采用雙點(diǎn)接地;容易受到電磁干擾或產(chǎn)生電磁干擾的設(shè)備或裝置用金屬蒙皮封裝起來(lái)。其次金屬口蓋、球載電子設(shè)備外殼及附件與搭接母線之間都進(jìn)行良好電搭接。最后空間布局時(shí)綜合考慮電磁輻射干擾、傳導(dǎo)干擾和天線耦合干擾等多種因素，盡量做到設(shè)備間的空間隔離度最大、布線短。把互相容易干擾的設(shè)備在空間上盡量安排得遠(yuǎn)一些;在導(dǎo)線布線中，限制平行線間的最小距離。

在觀光球頂部設(shè)置避雷針，通過(guò)雷電引下線將雷電流泄放至大地，防止直擊雷對(duì)測(cè)控系統(tǒng)造成致命性損傷。

2.4軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)軟件分為測(cè)控軟件、顯控軟件和地面顯示軟件三個(gè)部分，測(cè)控軟件運(yùn)行在控制柜內(nèi)的控制計(jì)算機(jī)上;顯控軟件運(yùn)行在控制柜面板人機(jī)界面上，地面顯示軟件運(yùn)行在地面數(shù)傳電臺(tái)一體機(jī)人機(jī)界面上。

2.4.1測(cè)控軟件

球載測(cè)控軟件的處理的流程如圖3所示。

測(cè)控軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能有：（1）氣囊差壓傳感器、副氣囊差壓傳感器、拉力傳感器、電壓傳感器、風(fēng)速傳感器、溫度傳感器模擬量信號(hào)的采集;（2）空氣閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)、風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、吊籃門鎖狀態(tài)等數(shù)字量信號(hào)的采集;（3）根據(jù)控制律，輸出控制信號(hào)控制球載執(zhí)行機(jī)構(gòu);（4）將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的物理量進(jìn)行處理、分析;（5）對(duì)系統(tǒng)的異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警。

測(cè)控軟件數(shù)據(jù)流見(jiàn)圖4。

2.4.2顯控軟件

顯控軟件主要功能有：（1）與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，顯示球上設(shè)備各傳感器的參數(shù);（2）半自動(dòng)控制模式下，切換壓調(diào)控制率檔位;（3）對(duì)系統(tǒng)的異常工作狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警顯示;（4）對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的歷史記錄和報(bào)警記錄進(jìn)行查詢顯示和導(dǎo)出。

顯控軟件數(shù)據(jù)流見(jiàn)圖5。

2.4.3地面顯示軟件

地面顯示軟件主要功能有：（1）與球上測(cè)控軟件進(jìn)行通信;（2）顯示球上設(shè)備各傳感器的參數(shù);（3）對(duì)系統(tǒng)的異常工作狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警;（4）對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的歷史記錄和報(bào)警記錄進(jìn)行查詢顯示和導(dǎo)出。

地面顯示軟件數(shù)據(jù)流見(jiàn)圖6。

3結(jié)論

本文分析了航空觀光系留氣球測(cè)控系統(tǒng)的工作原理，結(jié)合航空觀光系留氣球的產(chǎn)品屬性和使用特點(diǎn)，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的組成進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了觀光系留氣球測(cè)控系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 古彪，何先旺，葉樹(shù)林.世界特種飛行器及應(yīng)用[M].北京：航空工業(yè)出版社，2016.

[2] 合肥航太電物理技術(shù)有限公司.航空器雷電防護(hù)技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2013.

[3] 吳有恒，譚百賀.一種浮空器壓力調(diào)節(jié)綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西安航空學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，33（01）：12-15.

[4] 王鑫.基于系留氣球的球控計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2015，13（02）：332-336.