航空观光系留气球测控系统设计

2020-07-06何敬宇

中国科技纵横 2020年2期

何敬宇

摘要：分析了观光系留气球作为观光旅游设备的优势，研究了观光系留气球测控系统的组成。测控系统是保障观光系留气球球体安全和顺利运营任务的一个重要分系统，本文以现有系留气球测控技术为基础，借鉴国外系留气球测控系统设计，依据航空观光系留气球使用特性从软、硬件两个方面对航空观光系留气球测控系统进行研究和设计。

关键词：观光系留气球;测控系统;传感器

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）02-0022-03

0引言

系留气球是浮空器的一种，它是使用缆绳将其系留在地面并可控制高度的浮空器。与其它浮空器相比，系留气球具有安全性高、滞空时间长、耐候性强、造价和使用成本低廉等优点。在军用领域已被广泛的应用于监视、通信、告警等领域，如美国在阿富汗部署了近百个浮空气球用于监视和保护美军军营。在民用领域，由于系留气球特有的安全性高、经济环保的优势，被广泛的应用于环境保护、缉私、旅游观光领域。航空观光系留气球是一种浮空器类系留气球，可以搭载乘客上升至百米高空，俯瞰周围景色，在保障安全性的同时带给游客不同以往的高空刺激体验。自诞生以来，航空观光系留气球就因其良好的滞空性能、悠闲的漂浮节奏、宽广的游览视角而受到游客们的喜爱，目前已广泛应用在世界各地的旅游景点、主题公园、游乐园和集会广场等[1]。

测控系统是保障观光系留气球球体安全和顺利运营的一个重要系统，本文以现有系留气球测控技术为基础，借鉴国外系留气球测控系统设计，依据航空观光系留气球使用特性从软、硬件两个方面对航空观光系留气球测控系统进行研究和设计。

1系统工作原理

系留气球是一种无动力浮空飞行器，气球用缆绳与地面上的锚泊设备连接，依靠气囊内的氦气提供浮力悬停在空中。气囊内的氦气由于系留气球升空高度及温度等外界环境因素的变化导致其体积发生变化，产生相应的膨胀或收缩，使气囊内气体相对于外界的压差也会产生变化，为能保持气囊外形及刚度，需要将气囊压力（气囊内实际压力与气球所处大气压力的差值）控制在安全的工作范围内。因此，一般系留气球通过在气囊内部设置副气囊，通过对副气囊充气或放气，适应气囊因外界环境因素变化造成的压力变化要求，确保气囊压力处于正常工作范围内[2]。

测控系统是实现观光系留气球控制功能的一个重要分系统，其保障了球体安全和运营的顺利完成。该系统核心为具有一定输入输出接口的计算机，内部安装有相应的控制软件。同时在球体特定部位设置有气囊压差、副气囊压差、气囊温度、副气囊温度、风速、系留缆绳张力等传感器，完成各种参数的测量和采集。控制计算机将采集的数据进行处理后显示在显示屏上，并通过预设了控制率的控制软件对球上执行装置的动作进行控制，实现球体压力控制，电源控制，灯光控制，故障报警等，并通过无线连接将信息传送到地面显示屏显示。

其一般组成及原理如图1。

2系统设计

根据测控系统的工作原理，结合航空观光系留气球的产品属性和使用特点开展观光系留气球测控系统设计。

2.1硬件设计

由于航空观光系留气球相对于军用系留气球在工作环境、设备复杂度方面的要求要低，从降低设备成本并保证一定可靠性的角度考虑，对于测控系统的设备选用以工业级设备和元器件为主。

测控系统硬件主要由控制计算机、传感器、显示器、报警设备、摄像设备及数传电台等组成，分别集成于球体、球载控制柜和地面监视台中。

2.1.1球载控制柜

球载控制柜是整个系统的关键设备，它直接关系到整个系统的使用安全。其中集成有控制计算机、显示屏、球上数传电台、继電器、控制开关、报警灯等电子设备和元器件，以及连接线路和供电保护装置。

其中控制计算机通过A/D和DI接口模块对模拟量信号和数字量信号进行采集，控制计算机对采集的信号进行分析处理后，将数据显示在球上控制柜显示屏上。同时控制计算机还可以通过DO接口模块驱动相应的继电器接通或断开，以給球上执行设备通电或断电，实现对球上执行设备的控制。控制计算机的接口需满足系统信号采集、数据处理以及控制信号输出的需要[3]。其接口配置如表1。

显示屏通过RS485或RS232串口与控制计算机进行数据通信，将控制计算机采集的参数信息进行显示，显示的主要参数有：气囊压力、副气囊压力、气囊温度、风速、缆绳张力、蓄电池电压、风机状态、空气阀状态、门锁状态和障碍灯供电状态等。显示屏还显示各类报警信息，提醒操作人员注意。

球上数传电台通过RS232串口与控制计算机进行数据通信，将控制计算机采集的参数信息与各类报警信息传送到地面监视台进行显示。

2.1.2 地面监视台

地面监视台主要由地面显示屏、地面数传电台以及开关电源组成。地面数传电台通过天线与球载控制柜中的球上数传电台通信，接收球载控制柜数传电台发送的数据，地面数传电台通过RS232串口与地面显示屏进行通信，将接收到的数据发送给地面显示屏，地面显示屏显示界面与球上显示屏显示界面的数据相同。其原理示意图如图2所示。

2.2测量参数选择

2.2.1环境参数

测量的环境参数主要为温度和风速。

温度：由于气囊内的氦气温度的变化会导致氦气密度的变化，使氦气的体积膨胀或收缩，这时气囊内气体相对与外界大气的压差升高或降低，因此采用温度传感器测量的气囊内氦气的温度可以作为观光系留气球其他参数修正的依据。

风速：由于观光系留气球属于浮空器的一种，采用升力气体氦气产生的浮力进行升空，其體积巨大，风速的大小对浮空器的飞行和外形保持有很大的影响，甚至导致其不能升空飞行，由于浮空器本身这一固有的特点决定了浮空器类飞行器对于环境的风是很敏感的。因此测量风速主要是从观光系留气球的安全性角度考虑，如果观光系留气球所处位置的风速超过了允许使用的风速，将危及到游客及观光系留气球本身的安全，需要采取相应的措施。风速的测量采用风杯式风速传感器。

2.2.2压力调节参数

压差信号：需要测量的参数有：气囊与外界大气的压差、副气囊与外界大气的压差。通过测量气囊压差，控制计算机按照设定的控制律对风机和阀门进行控制（一般情况下不放氦气），使整个囊体维持在一定的压差范围内，使囊体承受风载荷和任务载荷时保持囊体外形。

状态信号：需要监控副气囊空气阀开关状态、气囊氦气阀开关状态、风机工作状态。通过检测微动开关（安装在阀门上）输出端电压的有无，确定阀门的开关状态。检测风机自带的信号反馈判断风机的工作状态。

2.2.3缆绳张力

系留缆绳上端张力参数可以用于判断观光系留气球是否逃逸以及辅助了解观光系留气球在空中状态。拉力传感器一般采用销轴型拉力传感器，其采用的箔式应变片贴在合金钢弹性体上，精度高，长期稳定性好，且可以内置变送器输出标准电流信号传给控制计算机。

观光系留气球测控系统一般应具有的参数信号格式见表2。

2.3电磁兼容设计

为保证测控系统正常工作还必须进行电磁兼容设计。电磁干扰源有自然的和人为的两种。雷电是一种主要的自然干扰源。雷电伴随的瞬间放电电流会感应出一个很强的电磁场，这个电磁场作用在设备的电源线或者信号电缆上，会产生幅度很高的电压，对设备造成伤害。实际环境中更加常见的干扰是人为干扰，如电感性负载的接通和断开带来的传导干扰，开关、继电器通断带来（产生）的尖峰电压干扰等。控制干扰的方法上，除采用抑制干扰传播的技术（如屏蔽、接地、搭接、合理布线等方法），还采取回避和疏导的技术处理（如空间方位分离、时间闭锁分离、频率划分与回避、滤波、吸收和旁路等等）[4]。

观光系留气球电磁兼容设计首先是对供电及信号线缆采取屏蔽措施，屏蔽套采用双点接地;容易受到电磁干扰或产生电磁干扰的设备或装置用金属蒙皮封装起来。其次金属口盖、球载电子设备外壳及附件与搭接母线之间都进行良好电搭接。最后空间布局时综合考虑电磁辐射干扰、传导干扰和天线耦合干扰等多种因素，尽量做到设备间的空间隔离度最大、布线短。把互相容易干扰的设备在空间上尽量安排得远一些;在导线布线中，限制平行线间的最小距离。

在观光球顶部设置避雷针，通过雷电引下线将雷电流泄放至大地，防止直击雷对测控系统造成致命性损伤。

2.4软件设计

测控系统软件分为测控软件、显控软件和地面显示软件三个部分，测控软件运行在控制柜内的控制计算机上;显控软件运行在控制柜面板人机界面上，地面显示软件运行在地面数传电台一体机人机界面上。

2.4.1测控软件

球载测控软件的处理的流程如图3所示。

测控软件实现的主要功能有：（1）气囊差压传感器、副气囊差压传感器、拉力传感器、电压传感器、风速传感器、温度传感器模拟量信号的采集;（2）空气阀开关状态、风机开关状态、吊篮门锁状态等数字量信号的采集;（3）根据控制律，输出控制信号控制球载执行机构;（4）将采集到的信号转化为实际的物理量进行处理、分析;（5）对系统的异常状态进行报警。

测控软件数据流见图4。

2.4.2显控软件

显控软件主要功能有：（1）与控制计算机进行通信，显示球上设备各传感器的参数;（2）半自动控制模式下，切换压调控制率档位;（3）对系统的异常工作状态进行报警显示;（4）对系统运行的历史记录和报警记录进行查询显示和导出。

显控软件数据流见图5。

2.4.3地面显示软件

地面显示软件主要功能有：（1）与球上测控软件进行通信;（2）显示球上设备各传感器的参数;（3）对系统的异常工作状态进行报警;（4）对系统运行的历史记录和报警记录进行查询显示和导出。

地面显示软件数据流见图6。

3结论

本文分析了航空观光系留气球测控系统的工作原理，结合航空观光系留气球的产品属性和使用特点，对测控系统的组成进行研究，在此基础上开展了观光系留气球测控系统软、硬件的设计。

参考文献

[1] 古彪，何先旺，叶树林.世界特种飞行器及应用[M].北京：航空工业出版社，2016.

[2] 合肥航太电物理技术有限公司.航空器雷电防护技术[M].北京：航空工业出版社，2013.