基于LabView和PLC的系留气球稳定性测试系统设计

贾圣羽

摘 要 系留气球尾翼和挂架在大风环境下状态对整个系留气球的稳定性至关重要，为了测试某系留气球尾翼在大风情况下的变形情况和挂架与主球体的随动情况，设计一套独立于系留气球系统的测试系统，采集尾翼表面图像和内部压力值，验证尾翼在大风环境下变形适当，尾翼外形和结构设计合理；测试系统独立采集球体姿态角（俯仰角、横滚角和航向角）数据，然后与系留气球系统的姿态角数据进行对比，验证了系留气球系统姿态角数据采集准确。

关键词 系留气球 尾翼 姿态角 测试系统 稳定性

系留气球是一种无动力气球飞行器。系留气球系统一般由球体、任务载荷、系留缆绳、地面锚泊设施和地面控制站等组成。球体由气囊和整流罩两部分组成，前者呈流线型，有十字形或倒Y形尾翼，有利于减小风阻和提高气动稳定性。整流罩类似飞机吊舱，位于气囊腹下。其内部装有挂架，挂架上搭载任务载荷、电源设备、控制机构、组合惯导及信息传输设备等。大风是最常见的自然现象，系留气球在风中依靠其流线型的外形和尾翼来保证稳定性。在大风环境下尾翼是否变形，内部压力如何变化，挂架与球体是否有相对位移，是系留气球外场试验和使用过程中非常关注的问题。

一、需求分析

1.数据采集：采用3个独立的压差传感器，分别采集3个尾翼（左尾翼，右尾翼和垂直尾翼）的内部压力值；采用3个独立的摄像头分别观察3个尾翼的变形情况；采用姿态角测量传感器采集球体的俯仰角、横滚角和航向角数据；

2.数据传输：采用无线传输方式。

3.数据监控：地面接收到球上测控系统数据，进行处理和图形化显示，并保存所有数据。

二、系统设计

（一）硬件设计

1.硬件构成。基于以上需求分析，经过厂家调研、资料查询和现有设备的清查，决定采用以下硬件搭建硬件环境（省略电源），主要硬件设备及硬件连接图见图1。

2.系统工作原理。差压传感器采集尾翼压力数据模拟信号，发送给PLC；组合惯导测量系留气球俯仰角、横滚角和航向角，打包发给PLC；PLC通过模拟量采集端口接收压力数据，通过RS485接口接收系留气球姿态角数据，处理后打包，通过网络交换机和图传电台下传到地面监控计算机；尾翼摄像机的视频数据通过网络交换机和图传电台下传到地面监控计算机；网络交换机和图传电台均为通信中继设备，负责各项数据转发；地面监控计算机中安装有新开发的数据监控软件和海康威视视频客户端，监控软件负责处理PLC发出的数据，视频客户端负责处理摄像机数据，分别对数据进行解析、显示和保存；选取合适时间段的历史数据（通常为大风时段），运用专业的数据分析软件分析压力数据和球体姿态角数据的變化规律。

（二）软件开发

1.地面监控软件。地面监控软件分为视频监控和数据监控两部分。视频监控采用海康威视官方的视频采集客户端进行数据的接收、显示和存储。数据监控软件需要根据需求开发，用来显示3个尾翼的压力、俯仰角、横滚角和航向角的数值和变化曲线，并把接收到的数据保存到txt文件中。LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，是一种图形化的编程语言，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。基于LabVIEW在虚拟仪表方面的快速开发优势，本项目监控软件采用LabVIEW进行开发。程序启动后，以500ms为周期，周期性接收尾翼压力数据和系留气球姿态角数据，采用数值和曲线（3分钟内的数据）联合显示的方式，为工作人员提供直观的监控界面。

2.PLC软件。本项目选用PLC作为下位机数据采集系统进行多路数据采集，然后通过RJ45网口通讯将数据传输至上位机，在LabVIEW开发平台下，对各路数据进行处理和实时显示，从而实现了对测试数据的采集。可编程逻辑控制器采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。PLC上电之后，以500ms为周期执行，每个周期内完成压差传感器数据采集、组合惯导数据采集、数据处理打包和数据发送。

三、试验分析和结论

主要得出两条结论，一是通过对测试数据进行分析，说明尾翼结构和压力调节控制率设计合理；二是球体姿态角与挂架姿态角存在差异，差异值固定，后期需对挂架姿态角进行校正。

参考文献：

[1]竺志超，陈元斌，韩豫.非标自动化设备设计与实践毕业设计、课程设计训练[J].国防工业出版社，2015.