航天器公路運輸包裝箱環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研制

侯京鋒，喻 虎，王 沖，李亞男

（1.北京強度環(huán)境研究所，北京 100076； 2.中國人民解放軍 63602 部隊，酒泉 732750）

0 引言

航天器運輸包裝箱能夠為衛(wèi)星等航天器在公路運輸過程中提供可控環(huán)境，并通過監(jiān)測系統(tǒng)對箱內(nèi)環(huán)境進行顯示和記錄[1-2]，有效提升衛(wèi)星運輸?shù)沫h(huán)境適應(yīng)性，從而更好地掌握航天器運輸過程中的狀態(tài)，精簡發(fā)射場檢查與裝調(diào)環(huán)節(jié)，縮短發(fā)射場操作周期。根據(jù)運輸對象的特點[3]，很多學(xué)者、工程師針對包裝箱內(nèi)環(huán)境及包裝箱狀態(tài)開發(fā)了不同的監(jiān)測系統(tǒng)。北京理工大學(xué)智能微系統(tǒng)研究所婁文忠等針對常規(guī)危險品運輸監(jiān)測，設(shè)計小型化智能狀態(tài)監(jiān)測模塊，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)遠程監(jiān)控[4]。海軍航空大學(xué)李洪偉等利用計算機檢測及RFID射頻技術(shù)設(shè)計了用于發(fā)動機儲運過程的低功耗環(huán)境監(jiān)測儀[5]。針對生鮮產(chǎn)品，則需通過揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的監(jiān)測與分析，掌握物流過程中生鮮果蔬品質(zhì)的動態(tài)變化[6-7]。北京空間飛行器總體設(shè)計部肖剛等利用工業(yè)組態(tài)軟件設(shè)計航天器空運包裝箱監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫濕度、振動等信號的采集顯示、比對報警及存儲回放[8]。

本文綜合考慮衛(wèi)星或相關(guān)軍品運輸?shù)谋Ｃ芤?，以及公路運輸時車速與車內(nèi)振動載荷的強相關(guān)性，設(shè)計了集傳感、采集、傳輸和存儲于一體的運輸環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對包裝箱內(nèi)外部的環(huán)境溫度、濕度、加速度和車速等參數(shù)進行監(jiān)測的同時，監(jiān)測包裝箱內(nèi)的減振平臺支承剛度，并開發(fā)配套數(shù)據(jù)回放軟件，以便通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的回放來分析、評估運輸任務(wù)的完成情況，為后續(xù)任務(wù)提供決策參考。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

航天器公路運輸包裝箱主要由箱體、減振平臺和監(jiān)測系統(tǒng)等組成，箱內(nèi)環(huán)境主要指標要求為：溫度(20±5) ℃；相對濕度35%～55%；運輸車輛行駛速度不大于60 km/h 時，垂直振動載荷不大于0.8g。

基于狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)對比和應(yīng)用交互的使用需要，監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計目標為：

1）減振前后三方向振動采樣率不低于2048 Hz；

2）包裝箱內(nèi)外的溫、濕度采樣率不低于1 Hz；

3）監(jiān)測減振平臺的支承剛度；

4）運輸車輛行駛速度采樣率不低于1 Hz；

5）數(shù)據(jù)超差報警提醒并記錄超差事件；

6）完整的數(shù)據(jù)保存和回放功能。

監(jiān)測系統(tǒng)由控制器、傳感器和交互設(shè)備組成，其中控制器與交互設(shè)備置于減振平臺前的獨立控制柜中，完成實時數(shù)據(jù)采集與判讀、顯示與存儲，并通過觸摸屏實現(xiàn)人機交互，包括任務(wù)啟停、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)展示及報警提醒等。如圖1 所示，傳感器分布于包裝箱內(nèi)外，并由控制器供電。三向加速度傳感器A1 布置于減振平臺中部，A2 布置于相應(yīng)位置的減振平臺下。溫度、濕度測點T1 和H1 布置于箱內(nèi)減振機構(gòu)安裝支架上，T2、H2 布置于包裝箱外。系統(tǒng)支承剛度監(jiān)測通過減振平臺懸掛高度間接測量實現(xiàn)，在主艙底座底板的4 個角安裝位移傳感器進行高度監(jiān)測。當位移傳感器感應(yīng)到平臺懸掛高度變化超差時，系統(tǒng)發(fā)出報警提醒，提示系統(tǒng)支承剛度變大，油氣減振器需要充壓。監(jiān)測測點P1、P2處于主艙內(nèi)前部，P3、P4 處于主艙內(nèi)后部。車速通過GPS/北斗定位模塊獲取，其天線V1 布置于發(fā)電機下部[9]。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)傳感器分布Fig.1 Sensor distribution of the monitoring system

2 硬件選型

2.1 控制器

監(jiān)測系統(tǒng)控制器以NI cDAQ9137 為核心進行定制開發(fā)，基于加速度、溫濕度和車速的采集需求，選配相應(yīng)的板卡，具體如表1 所示。

表1 控制器硬件Table 1 Hardware components of controller

2.2 北斗定位模塊

利用北斗模塊實現(xiàn)車速測量。北斗模塊選擇山東互信智能公司出品的標準模塊及天線，模塊通過RS485 接口與控制器通信，控制器可周期性獲取車輛的行駛速度；模塊的信號采樣率為1 Hz，測量分辨率為0.2 km/h。

2.3 傳感器

系統(tǒng)配套的傳感器包括三向加速度傳感器、溫濕度傳感器和位移傳感器。

加速度傳感器選用上海北智三向IEPE 加速度傳感器，型號14533，量程0～50g，頻響范圍1～5000 Hz，溫度適應(yīng)范圍-50～120 ℃。

溫濕度傳感器選用建大仁科一體化墻掛型溫濕度變送器，溫度量程-40～80 ℃，濕度量程0～100%RH，測量精度：溫度±0.5 ℃；濕度±3%RH。

位移傳感器選用松下EX29 系列回歸反射型光電傳感器，量程100 mm，反應(yīng)時間0.5 ms。

3 軟件設(shè)計

3.1 整體框架

監(jiān)測系統(tǒng)配套軟件運行于Embedded Windows操作系統(tǒng)，基于NI LabVIEW 定制開發(fā)系統(tǒng)配套測量軟件，整體框架如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)配套軟件框架Fig.2 Supporting software framework of the monitoring system

3.2 工作流程

監(jiān)測系統(tǒng)配套軟件的總體工作流程如圖3 所示。打開軟件后即進入實時采集界面，稍作等待后，自行開啟采集與狀態(tài)監(jiān)測任務(wù)。點擊“返回參數(shù)設(shè)置”可進入?yún)?shù)設(shè)置界面，進行各類參數(shù)設(shè)置，如采集通道參數(shù)設(shè)置、安全監(jiān)測設(shè)置和靈敏度設(shè)置等；設(shè)置完成并經(jīng)確認后，即可進入實時采集界面開始采集數(shù)據(jù)，并通過波形圖實時顯示各傳感器測量值及車速計算值。系統(tǒng)穩(wěn)定采集10 s 后，后臺開始周期性地將各通道數(shù)據(jù)及報警情況進行本地存儲，并在發(fā)生加速度超差時，觸發(fā)高速存儲超差事件前/后5 s 的測試數(shù)據(jù)。試驗過程中可隨時點擊“停止”和“關(guān)閉”退出任務(wù)。軟件具備數(shù)據(jù)回放功能，可從桌面獨立進入數(shù)據(jù)回放界面，查詢以往測試數(shù)據(jù)或生成試驗報告。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)配套軟件總體工作流程Fig.3 Overall work flow of supporting software of the monitoring system

3.3 核心模塊

3.3.1 采集模塊

采集模塊與硬件交互，本系統(tǒng)所采用的加速度模擬輸入同步采集卡為NI9234。采樣率fs取決于主時基頻率fM=12.8 MHz，由于Σ-Δ 型ADC 自帶256 倍過采樣，且NI9234 模塊采樣率31 檔可調(diào)，故其采樣率設(shè)置值可由fs=fM/256/n計算，其中n表示1～31 之間的任意整數(shù)?？紤]到公路運輸振動載荷的帶寬有限，且為了方便數(shù)據(jù)處理，本文取n=25，即采樣率fs=2 kHz。

3.3.2 RS485 通信模塊

控制器通過與GPS/北斗模塊的RS485 通信獲取當前車速[10]，需確認數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和數(shù)據(jù)的有效性。本項目中，控制器在主動查詢模式下以2 Hz的頻率發(fā)送查詢指令，GPS/北斗模塊按照既定協(xié)議反饋當前車速，控制器收到信息字符串后須先進行CRC 校驗，確認數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性；如校驗不通過，則當前顯示仍為上一時刻所獲取的數(shù)據(jù)值。

通過VISA OPEN.vi 打開資源，利用VISA 串口配置設(shè)置通信波特率9600、8N1、無流控制等參數(shù)以建立串口通信，軟件后臺周期性地向北斗模塊發(fā)送當前車速的查詢指令[11-12]。根據(jù)產(chǎn)品手冊，定位模塊查詢命令的16 進制碼為01 03 00 05 00 23 14 12，車速查詢程序如圖4 所示。

圖4 車速查詢程序Fig.4 Vehicle speed query program

通過VISA READ.vi 讀取傳感器返回字符串，為了提高驗證效率，CRC 校驗采用公式節(jié)點編程實現(xiàn)，如圖5 所示。校驗通過后，判斷內(nèi)容字符串中當前天線信號狀態(tài)是否良好：良好則將內(nèi)容字符串中的速度信息轉(zhuǎn)換為無符號整形，并進一步轉(zhuǎn)換為物理量；否則仍利用上一時刻的速度值。

圖5 CRC16 校驗程序Fig.5 CRC16 check program

3.3.3 數(shù)據(jù)保存模塊

為了克服加速度信號需要高速采集（采樣率2048 Hz）以及全程（不短于4 h）監(jiān)測記錄造成的數(shù)據(jù)量過大問題，將數(shù)據(jù)記錄文件設(shè)計為全程數(shù)據(jù)記錄文件與報警記錄文件。加速度全程數(shù)據(jù)記錄頻率為128 Hz，溫濕度和車速記錄頻率為2 Hz；僅在加速度通道發(fā)生超差報警時，針對加速度信號采用2048 Hz 的高速存儲[13]，存儲區(qū)間為超差發(fā)生時刻前/后各5 s 的數(shù)據(jù)。

存儲數(shù)據(jù)按固定路徑（出廠設(shè)定）在系統(tǒng)開始運行后在本地記錄，記錄數(shù)據(jù)包含開始、停止時間和采樣率等基本參數(shù)，以及6 通道加速度、4 通道溫濕度和1 通道車速。系統(tǒng)自帶16 GByte 存儲空間，可以連續(xù)工作4 h，全程采集數(shù)據(jù)量約為137 MByte。

每觸發(fā)1 次報警，記錄1 次報警數(shù)據(jù)，報警記錄文件路徑與全程數(shù)據(jù)記錄文件存儲路徑一致，文件名稱為“warn_文件創(chuàng)建時間（年月日時分秒）”。如圖6 所示，觸發(fā)高速存儲的實現(xiàn)方法是：原始2048 Hz 加速度信號緩存至有損耗隊列中，隊列長度設(shè)定為5 s 數(shù)據(jù)量，當發(fā)生超差時，通過動態(tài)引用調(diào)起數(shù)據(jù)觸發(fā)高速存儲VI，該VI 內(nèi)部為狀態(tài)機結(jié)構(gòu)，在Init 分支中通過全局變量創(chuàng)建報警記錄文件路徑及名稱；在No action 分支中設(shè)計條件，隊列中元素數(shù)量≥0 時，程序跳轉(zhuǎn)至Store 分支完成1 幀數(shù)據(jù)的存儲并計數(shù)，當累計存儲20 幀數(shù)據(jù)時程序跳轉(zhuǎn)至Exit 分支，結(jié)束并退出該VI。

圖6 數(shù)據(jù)觸發(fā)高速存儲程序Fig.6 Data trigger high-speed storage program

3.4 交互窗口

交互窗口主要包含實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)回放。

3.4.1 實時監(jiān)測

實時監(jiān)測窗口的基本邏輯如圖7 所示。打開軟件進入實時采集主窗口后即開始采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以波形圖和數(shù)顯框2 種形式顯示；約10 s 后，系統(tǒng)后臺對所采集數(shù)據(jù)進行門限報警判斷，并開始周期性地將各通道數(shù)據(jù)及報警情況在本地存儲，系統(tǒng)默認開啟全程存儲與觸發(fā)存儲，直至試驗結(jié)束或任務(wù)退出。

圖7 實時采集流程Fig.7 Real-time acquisition process

實時采集窗口如圖8 所示，窗口上部以表格形式實時展示所有模擬量，同時針對比較重要的艙內(nèi)減振后數(shù)據(jù)，全程實時刷新顯示當前值及歷史極值，且在任一通道超過設(shè)定門限時，在表格中顯示相應(yīng)的位置并以紅色背景亮顯標注。

圖8 實時采集窗口Fig.8 Real-time acquisition window

車速以圓形表盤的形式展示，其中黑針指向即時速度，紅針指向歷史最高速度。在窗口的右上角滾動顯示當前發(fā)生超差的通道及相應(yīng)的發(fā)生時間。窗口中部為加速度數(shù)據(jù)波形顯示框，下部分別為溫、濕度數(shù)據(jù)波形顯示框，所有波形顯示框恒定展示過去10 s 的數(shù)據(jù)。

3.4.2 數(shù)據(jù)回放

當軟件進入數(shù)據(jù)回放窗口，系統(tǒng)在默認路徑下將歷次試驗任務(wù)以時間順序表格展示，操作人員可點選某一時間的文件夾，系統(tǒng)將立即展示該時間文件夾下的歷次全程試驗任務(wù)數(shù)據(jù)。若點擊某次的全程數(shù)據(jù)文件，該次試驗的所有通道全程數(shù)據(jù)將自動在后臺加載，并可以表格和波形圖的形式顯示；同時加載的還有該次試驗任務(wù)的報警情況及觸發(fā)高速存儲數(shù)據(jù)的列表；如點擊任一觸發(fā)數(shù)據(jù)，則該數(shù)據(jù)被加載至觸發(fā)顯示區(qū)域，以表格或波形圖的形式顯示。在數(shù)據(jù)回放窗口中可生成試驗報告，針對某次試驗任務(wù)的統(tǒng)計結(jié)果將以表格的形式首先展示在試驗報告中，報告中的附圖均可通過數(shù)據(jù)回放軟件自由粘貼。

4 現(xiàn)場實測

4.1 工況介紹

對該航天器公路運輸包裝箱環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行衛(wèi)星轉(zhuǎn)運真實路況的現(xiàn)場測試，基于覆蓋衛(wèi)星產(chǎn)品質(zhì)量范圍的考慮，采用不同質(zhì)量的模擬負載進行測試，模擬負載及加速度傳感器均定義豎直向上為+z向。

4.2 測試情況

測試完成后利用配套軟件進行數(shù)據(jù)回放的結(jié)果如圖9 所示，窗口展示了包裝箱內(nèi)濕度變化曲線和減振后某次加速度超差時的前/后各5 s 加速度波形。由圖可見，數(shù)據(jù)及報警情況記錄完整，回放功能完備。

圖9 數(shù)據(jù)回放窗口Fig.9 Data playback window

4.3 結(jié)果分析

全程4 h 的加速度時域數(shù)據(jù)如圖10 所示，A1_z（紅色）和A2_z（藍色）分別為減振前、后的z向加速度變化曲線，全程數(shù)據(jù)記錄采樣率為128 Hz；綠色為車速的變化曲線?？梢钥闯?，車輛在通過顛簸路段或減速帶時進行了主動減速，同時相應(yīng)的顛振加速度值變大；對比紅/藍色曲線，也可以明顯看出包裝箱的減振效果顯著。

圖10 z 向加速度與車速的時域變化曲線Fig.10 Time domain variation curve of z-direction acceleration and vehicle speed

圖11 為包裝箱內(nèi)溫、濕度變化曲線，可以看到，大部分時間段內(nèi)，艙內(nèi)溫度處于21 ℃附近，濕度在35%RH左右；相對艙外，溫度降低了5 ℃左右，濕度提升了25%以上。圖中02:30:00 附近處，艙外溫度明顯升高，這是由于車輛在丁字路口掉頭，車身外的溫度傳感器處于陽光直射下造成的。

圖11 包裝箱內(nèi)溫、濕度變化曲線Fig.11 Variation curve of temperature and humidity of the packing cabin

5 結(jié)束語

本文設(shè)計航天器公路運輸環(huán)境包裝箱監(jiān)測系統(tǒng)，基于NI 軟硬件平臺搭建硬件系統(tǒng)，設(shè)計軟件流程，開發(fā)配套監(jiān)測和數(shù)據(jù)回放軟件，實現(xiàn)加速度、溫濕度和車速多種類型信號的實時記錄與實時超差報警。經(jīng)道路實測，該監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計功能完備，運行穩(wěn)定可靠。后續(xù)軟件可集成加速度信號的頻域分析功能，便于評估減振效果；也可在硬件上完善物理量監(jiān)測，如增設(shè)與海拔密切相關(guān)的氣壓監(jiān)測等。