基于LabView和PLC的系留氣球穩定性測試系統設計

賈圣羽

摘 要 系留氣球尾翼和掛架在大風環境下狀態對整個系留氣球的穩定性至關重要，為了測試某系留氣球尾翼在大風情況下的變形情況和掛架與主球體的隨動情況，設計一套獨立于系留氣球系統的測試系統，采集尾翼表面圖像和內部壓力值，驗證尾翼在大風環境下變形適當，尾翼外形和結構設計合理；測試系統獨立采集球體姿態角（俯仰角、橫滾角和航向角）數據，然后與系留氣球系統的姿態角數據進行對比，驗證了系留氣球系統姿態角數據采集準確。

關鍵詞 系留氣球 尾翼 姿態角 測試系統 穩定性

系留氣球是一種無動力氣球飛行器。系留氣球系統一般由球體、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象，系留氣球在風中依靠其流線型的外形和尾翼來保證穩定性。在大風環境下尾翼是否變形，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.數據采集：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；采用姿態角測量傳感器采集球體的俯仰角、橫滾角和航向角數據；

2.數據傳輸：采用無線傳輸方式。

3.數據監控：地面接收到球上測控系統數據，進行處理和圖形化顯示，并保存所有數據。

二、系統設計

（一）硬件設計

1.硬件構成。基于以上需求分析，經過廠家調研、資料查詢和現有設備的清查，決定采用以下硬件搭建硬件環境（省略電源），主要硬件設備及硬件連接圖見圖1。

2.系統工作原理。差壓傳感器采集尾翼壓力數據模擬信號，發送給PLC；組合慣導測量系留氣球俯仰角、橫滾角和航向角，打包發給PLC；PLC通過模擬量采集端口接收壓力數據，通過RS485接口接收系留氣球姿態角數據，處理后打包，通過網絡交換機和圖傳電臺下傳到地面監控計算機；尾翼攝像機的視頻數據通過網絡交換機和圖傳電臺下傳到地面監控計算機；網絡交換機和圖傳電臺均為通信中繼設備，負責各項數據轉發；地面監控計算機中安裝有新開發的數據監控軟件和海康威視視頻客戶端，監控軟件負責處理PLC發出的數據，視頻客戶端負責處理攝像機數據，分別對數據進行解析、顯示和保存；選取合適時間段的歷史數據（通常為大風時段），運用專業的數據分析軟件分析壓力數據和球體姿態角數據的變化規律。

（二）軟件開發

1.地面監控軟件。地面監控軟件分為視頻監控和數據監控兩部分。視頻監控采用海康威視官方的視頻采集客戶端進行數據的接收、顯示和存儲。數據監控軟件需要根據需求開發，用來顯示3個尾翼的壓力、俯仰角、橫滾角和航向角的數值和變化曲線，并把接收到的數據保存到txt文件中。LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發，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庫。基于LabVIEW在虛擬儀表方面的快速開發優勢，本項目監控軟件采用LabVIEW進行開發。程序啟動后，以500ms為周期，周期性接收尾翼壓力數據和系留氣球姿態角數據，采用數值和曲線（3分鐘內的數據）聯合顯示的方式，為工作人員提供直觀的監控界面。

2.PLC軟件。本項目選用PLC作為下位機數據采集系統進行多路數據采集，然后通過RJ45網口通訊將數據傳輸至上位機，在LabVIEW開發平臺下，對各路數據進行處理和實時顯示，從而實現了對測試數據的采集。可編程邏輯控制器采用一種可編程的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，通過數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為周期執行，每個周期內完成壓差傳感器數據采集、組合慣導數據采集、數據處理打包和數據發送。

三、試驗分析和結論

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

參考文獻：

[1]竺志超，陳元斌，韓豫.非標自動化設備設計與實踐畢業設計、課程設計訓練[J].國防工業出版社，2015.