多囊體飛艇重心自動調節(jié)系統(tǒng)設計

榮海春，汪君（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥 230031）

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多囊體飛艇重心自動調節(jié)系統(tǒng)設計

榮海春，汪君
（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥 230031）

摘要：無人飛艇在飛行過程中隨著姿態(tài)變化、壓力調節(jié)系統(tǒng)工作等會帶來重心位置的改變，特別是對于多囊體飛艇而言，這種情況更為明顯，如不加控制可能帶來飛行性能的下降，甚至會帶來姿態(tài)失控等安全問題。本文通過利用飛艇現(xiàn)有設備和資源設計一種重心自動調節(jié)系統(tǒng)，可以較好的解決該問題，同時可以避免增加額外的裝置帶來整體效率的降低。

關鍵詞：姿態(tài)；多囊體飛艇；重心自動調節(jié)

本文引用格式：榮海春，汪君.多囊體飛艇重心自動調節(jié)系統(tǒng)設計［J］.新型工業(yè)化，2016，6（6）：79-84.

Citation： RONG Hai-chun， WANG Jun.The Design of Barycenter Automated Modulate System for Multi-ballonet Airship［J］.The Journal of New Industrialization，2016，6（6）： 79-84.

0 引言

無人駕駛遙控飛艇是一種非常重要的浮空器，分為軟式飛艇、硬式飛艇和半硬式飛艇等［1］，主要利用氣囊內部填充的氦氣等升力氣體提供的浮力和飛行過程中的動升力進行空中飛行。可以搭載任務載荷至一定高度以擴大載荷視距，克服地球曲率和局部地形的限制，實現(xiàn)對地和對低空大范圍覆蓋，具有滯空時間長，效費比高的優(yōu)點。

無人飛艇空中飛行過程中，空中姿態(tài)的控制和保持對飛艇執(zhí)行特定的任務來說非常重要，其相對于飛艇來說重要優(yōu)點就是飛行平穩(wěn)，能夠為任務電子設備提供良好的工作環(huán)境。通常飛艇主要通過布置在尾部的尾翼舵面偏轉產生俯仰力矩和偏航力矩來實現(xiàn)姿態(tài)和航向的控制；某些小型飛艇的發(fā)動機安裝結構設計成具有涵道轉向功能，或者在尾部設計有矢量轉向功能的尾部推進裝置，這些輔助手段也可以實現(xiàn)有限程度的姿態(tài)控制功能，但是通常都作為應急和備份手段使用。舵面控制的舵效和動壓有關，與飛行速度成平方關系，在低速時舵效很低，舵面幾乎失去控制作用，風的干擾對飛艇控制的影響很大［2］

實現(xiàn)飛艇空中飛行需要具有良好的穩(wěn)定性和平衡性能，要像飛機一樣合理設計重心與浮心的相對位置。在飛艇執(zhí)行飛行任務前，需要調整飛艇至平衡狀態(tài)。對于單副氣囊飛艇可以通過調節(jié)飛艇前后的沙袋等配重來實現(xiàn)；而對于多副氣囊飛艇，需要進一步考慮飛行中其他因素的影響。

飛艇飛行中俯仰姿態(tài)的改變、壓力調節(jié)系統(tǒng)作用、燃油消耗以及設備移動等因素均會不同程度地影響飛艇重心的位置，嚴重的重心超限還可能帶來安全風險。傳統(tǒng)的重心控制方法是當重心發(fā)生偏移或超限后，根據(jù)穩(wěn)定性和操縱性的要求被動地調整重心位置，通過空中自動配平系統(tǒng)實現(xiàn)這一功能，但是這樣做在一定程度上降低了系統(tǒng)的整體效率；另外這種方法，在飛行速度低、舵面效率不高的情況作用有限。飛機在飛行過程中也會遇到類似的問題，受到燃油消耗、起落架和襟翼收放等帶來重心實時變化甚至超出限制。20世紀80年代發(fā)展出了主動重心控制技術，通過管理飛機燃油系統(tǒng)、防凍液系統(tǒng)或機載蓄電池等其它設備主動地控制重心位置［3-6］；多囊體無人飛艇也可以通過對多個副氣囊中空氣量的控制實現(xiàn)飛艇重心位置與浮心的合理匹配，從而保證飛艇在起將、低速時良好控制飛艇的姿態(tài)，避免低俗舵面氣動效率降低帶來的問題［7］。多囊體無人動力飛艇如圖所示。

圖1 多囊體飛艇示意圖Fig.1 Multi-ballonet airship

1 系統(tǒng)組成及工作原理

飛艇重心自動調節(jié)系統(tǒng)主要由傳感器單元、執(zhí)行設備單元、能源與供電單元、邏輯與控制單元等組成；其中，傳感器單元用來感知與測量飛艇飛行中的各種內部和外部的狀態(tài)，主要由用于測量飛艇大氣環(huán)境的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、測量各個囊體差壓的壓力傳感器、測量飛艇內外溫度的溫度傳感器、測量囊體體積得激光測距儀等組成；大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)還包括了大氣數(shù)據(jù)計算機、飛行空速管、總溫傳感器等。執(zhí)行單元住要由配置在各個副氣囊皇上的鼓風機、放氣閥門以及收集發(fā)動機尾流的集風罩上的閥門等組成，主要用來執(zhí)行對各個氣囊儲存空氣容量的調節(jié)，以達到飛艇重心位置調節(jié)的目的，同時還可以作為飛艇壓力控制的備份手段。能源與供電單元，主要用于為系統(tǒng)提供可靠的能源與電力供應，其中能源與供電中的艇載主電源、艇載應急電源等是由飛艇平臺統(tǒng)一考慮，與其他系統(tǒng)設備共同使用的。飛艇重心自動調節(jié)系統(tǒng)內部配備自己的系統(tǒng)保護電源，用于短時斷電是緊急數(shù)據(jù)保護。邏輯與控制單元主要用于系統(tǒng)的狀態(tài)檢測、邏輯判斷、按照規(guī)則控制輸出等，主要包括狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)處理、邏輯分析與判斷、控制與變換輸出等環(huán)節(jié)。其中的絕大部分功能由系統(tǒng)控制計算機和數(shù)據(jù)分析與處理設備來完成。

圖2 系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 System composing

飛艇重心自動調節(jié)系統(tǒng)主要工作原理為通過調節(jié)飛艇本身多個副氣囊內部空氣的體積來增加或者減少距離飛艇重心一定距離處的空氣團組質量，從而達到調節(jié)飛艇重心位置的目的。通過傳感器組或者傳感器網(wǎng)絡來檢測飛艇飛行過程中的姿態(tài)、內部各個囊體的體積變化、內外部大氣的環(huán)境參數(shù)等來綜合分析與判斷當前飛艇的重心實時位置，通過與飛艇在當前環(huán)境和狀態(tài)下的理想重心位置來比較，得到的偏差作為自動調節(jié)系統(tǒng)控制器的控制輸入量；控制器通過與飛艇設計允許的重心控制范圍進行校核，從而給相關控制命令，對各個執(zhí)行設備進行控制，比如通過不同副氣囊風機和閥門的開關配合，調整副氣囊的空氣體積，從而達到調節(jié)飛艇重心位置的目的。也可以參照飛機的主動重心控制方法，通過在飛艇前后囊體下布置軟式燃油箱，用油泵和活門控制燃油的分布來調節(jié)飛艇的重心位置；這種方式的缺點是需要重新設置分布式軟油箱、配套的管路及油泵與活門等額外的裝置和設備，降低了系統(tǒng)的效率。重心自動調節(jié)系統(tǒng)控制原理如圖3所示［8］。

圖3 重心調節(jié)原理示意圖Fig.3 Barycenter automated modulateschematic diagram

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 控制器

自動調節(jié)系統(tǒng)控制器主要為控制計算機單元，基本功能是實時采集壓力、溫度等各個傳感器數(shù)據(jù)，并對各數(shù)據(jù)進行濾波、補償、調整等相關處理，實時檢查判斷飛艇各設備包括測控系統(tǒng)各傳感器的工作狀態(tài)；根據(jù)采集原始數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)調用相應的控制算法實現(xiàn)飛艇重心位置的自動調節(jié)與控制；原始數(shù)據(jù)實時記錄并通過與光端機或數(shù)傳設備的接口將數(shù)據(jù)傳輸給艇載飛行控制計算機或者傳輸給測控鏈路設備直接下傳到地面處理；實現(xiàn)飛艇風機、閥門、人工或自主控制。主要由嵌入式計算機模塊，通信擴展模塊、計算機接口模塊、電源管理模塊、輸入輸出接口驅動模塊、端口譯碼模塊、時序產生模塊、控制執(zhí)行模塊、狀態(tài)/故障采集模塊、BIT自檢模塊等組成。平臺測控插件的組成原理框圖如圖所示。

圖4 控制器原理圖Fig.4 Controllerschematic diagram

嵌入式計算機模塊：采用嵌入式MSM586SEV PC104計算機或586Core計算機模塊，它主要由CPU、RAM、嵌入式的BIOS、鍵盤和蜂鳴器接口、兩個RS-232C串口、一個雙向的并口、軟盤驅動控制器、IDE硬盤控制器組成。在其上固化軟件，主要完成狀態(tài)故障采集、控制執(zhí)行、通訊處理等功能。

通信擴展模塊：采用多塊嵌入式多串口卡，提供多個獨立可編程與配置的RS-422/485/232串口，用來實現(xiàn)在多任務操作系統(tǒng)的控制下，實現(xiàn)長距離、穩(wěn)定可靠傳輸，實時響應大數(shù)據(jù)量的嚴格要求。模塊輸入輸出的全隔離使得系統(tǒng)更加安全可靠。

計算機接口模塊：是FPGA功能的一部分，負責與計算機總線接口，使得測控接口插件軟件系統(tǒng)可直接訪問外設，完成控制信號的輸出與故障、狀態(tài)信號的讀入。

端口譯碼模塊： 計算機軟件系統(tǒng)是通過訪問外設的方式與硬件系統(tǒng)進行信息交互的，端口譯碼模塊根據(jù)計算機的地址線信號產生相應的外設片選信號，使得計算機通過共用計算機總線訪問多個外設成為可能。

狀態(tài)/故障采集模塊：狀態(tài)/故障采集模塊完成系統(tǒng)各故障、狀態(tài)檢測點信息的采集、冗余判斷、故障與控制輸出信號的相關等，同時將故障、狀態(tài)信息鎖存在不同的外設端口供計算機讀取。

時序產生模塊：時序產生主要是對計算機信號進行分頻和計數(shù)，產生系統(tǒng)所需要的相應的時鐘信號等。并能夠對采集、轉換、通訊等工作提供統(tǒng)一的時鐘。

控制執(zhí)行模塊：控制執(zhí)行模塊完成解析計算機的端口操作、各控制輸出時序的相關等，最終輸出控制電平、脈沖至相應的控制設備，完成遙控動作。

電源管理模塊：電源管理模塊主要由電流傳感器、繼電器、AD等構成，其根據(jù)遙控指令或自主控制指令完成任務電源、風機電源、閥門電源的控制，完成飛艇匯流條電壓、電流、應急電源電壓、電流等信息的監(jiān)測。

輸入輸出接口驅動模塊： 輸入輸出接口驅動模塊負責與各種狀態(tài)檢測設備、檢測點連接，實現(xiàn)不同電平、功率、速度等信號之間的轉換、驅動、隔離等。方便通過數(shù)據(jù)總線獲取大量故障、狀態(tài)信息，增強了輸出驅動能力，提高了控制的可靠性。

3.2 傳感器組

飛艇在空中飛行過程中，可能遭遇各種惡劣的天氣的考驗，溫度范圍變化大，飛艇姿態(tài)處于隨即變化中。同時，飛艇作為通用航空平臺可能搭載雷達、通信、偵察、對抗等多種電子任務載荷，會產生較強的、寬頻段的電磁信號和其它電磁信號的干擾，因此要求飛艇選用的傳感器必須具有足夠穩(wěn)定性而牢固性，必須能提供穩(wěn)定高精度的測量能力；必須能夠長時間暴露在極端環(huán)境下、經受大量的極端氣溫濕度變化和不利于高精密作業(yè)的其它各種因素的考驗。

1）溫度傳感器

選用MT-WDT溫度變送器，該產品是一款高度集成的溫度傳感變送器，提供全標定的數(shù)字輸出。溫度傳感器外形尺寸如圖23所示。其主要性能指標如下：

?供電電源：9～32VDC；

?功耗：＜20mW（平均值）；

?測量范圍：-40～+70℃；

?測量精度：≤±0.3℃（@25℃），最大誤差≤±1.0℃（@-40℃）；

?工作溫度：-40～70℃；

?輸出信號：RS485。

2）微差壓傳感器

飛艇的壓力調節(jié)是飛艇能否順利放飛與穩(wěn)定工作的關鍵，氦氣囊、副氣囊、尾翼氣囊、整流罩器囊與外界的差壓在飛艇的不同狀態(tài)下需維持不同的值，必須要精確測量各氣囊與大氣壓的差壓，結合測量的溫度值進行修正，根據(jù)飛艇不同狀態(tài)下的控制算法，能通過控制風機、閥門調節(jié)使壓差維持在一定的水平。飛艇的重心位置調節(jié)主要是通過控制前后不同位置的副氣囊沖入空氣的總體積，從而改變副氣囊空氣重量來實現(xiàn)的，為此各個氣囊的壓力也是重心自動調節(jié)系統(tǒng)需要重點關注的數(shù)據(jù)之一。

霍尼韋爾的精密微差壓傳感器基于先進硅壓阻技術，在全溫度范圍內具有優(yōu)異的重復性和穩(wěn)定性。廣泛應用于發(fā)動機測試校驗、飛機制造廠測試校驗、實驗室參考標準、壓力測量和標定、氣象儀器、氣壓計和雨量計、航空儀表、環(huán)境監(jiān)測等領域。其主要性能指標如下：

?電源：5.5～30V；

?電流：11mA（待機），17～30mA（依不同指令）；

?溫度：-40℃～+85℃；

?精度：±0.05%FS；

?分辨率：百萬分之10；

?量程：0～703mmH2O；

?長期穩(wěn)定性：0.025%FS。

3）大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)

大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要用來接收飛艇總、靜壓受感器（空速管）和大氣靜溫傳感器感受外界的總壓、靜壓、大氣靜溫，經過轉換、計算，然后以RS-422總線數(shù)字量形式輸出氣壓高度Hp、指示空速Vi、真空速Vt、大氣總溫Tt、大氣靜溫Ts、升降速度HR等大氣參數(shù)信息，供飛艇其它系統(tǒng)使用。大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)選用某型大氣數(shù)據(jù)計算機、配套空速管及總溫傳感器組成。其主要性能指標如下：

?電源：22V～31V，額定功耗：小于5W；

?氣壓高度Hp ：范圍：-400m～10000m；誤差：≤±25m；

?指示空速Vi：范圍：60km/h～500km/h誤差：≤±8km/h；

?真空速Vt：范圍：60km/h～500km/h誤差：≤±9km/h；

?升降速度HR：范圍：-20m/s～20 m/s；誤差：≤±1.5m/s；

?靜溫Ts：范圍：-60℃～99℃；誤差：≤±1.5℃；

?總溫Tt：范圍：-60℃～99℃；誤差：≤±1.5℃。

4）激光測距儀

為了更好的選擇對不同副氣囊的控制策略，需要對各個囊體當前的體積進行測量，通過選用收發(fā)一體的激光測距儀實現(xiàn)這一功能。儀器發(fā)射激光束來測出距離，通過與囊體最大直徑進行對比來得到當前各個氣囊的體積。通過一束激光反射，使得精確、無接觸式長距離測距成為可能。激光測距儀的主要性能指標有：

?工作電壓：9-30VDC；

?工作電流： 2.5 A@24 V；

?測程0.2-300m；

?精度：±3.0mm；

?分辨率：0.1mm；

?單根RS422 線可連接多達10 個模塊；

?IP65（防止灰塵和水汽浸入）；

?二等激光（＜0.95mW）。

3.3 執(zhí)行機構

1）空氣閥門

副氣囊空氣閥門主要用于將副氣囊中的空氣放出，為內部氣體的流出提供良好的通道，以降低氣囊的壓力。測控系統(tǒng)通過控制電動結構的放出與收回實現(xiàn)閥門的開啟和關閉，控制的準則按照自控壓力參數(shù)或地面的人工干預。在閥門打開時，內部的氣體在壓力作用下，由閥門開口處溢出；閥門關閉時將氣流通道阻斷。集風罩閥門也具有與副氣囊閥門類似的功能和結構設計。

2）鼓風機

副氣囊安裝的鼓風機的作用主要為在規(guī)定的條件下高效地向氣囊中充入空氣，以便維持氣囊的壓力，從而使飛艇保持良好的氣動外形。飛艇各副氣囊供氣設備選用流量合適的軸流風機，風機的開關策略與閥門相同，根據(jù)預設的控制邏輯，當副氣囊等空氣氣囊內壓壓差低于設定值時，壓力控制單元自動操作供電電源為相應氣囊風機供電，風機開啟鼓氣；當氣囊壓差達到規(guī)定的壓力值時，控制單元自動切斷電源，風機隨之停止工作，保障氣囊壓力始終維持在合理的范圍內。

圖5 系統(tǒng)軟件原理圖Fig.5 System softwareschematic diagram

4 系統(tǒng)軟件設計

飛艇重心自動調節(jié)系統(tǒng)軟件主要功能是實時獲取各傳感器數(shù)據(jù)，并對各數(shù)據(jù)進行相關、補償處理；實時檢查判斷飛艇各設備、各傳感器的工作狀態(tài)，根據(jù)采集原始數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)調用相應的控制算法實現(xiàn)對飛艇重心位置的自動調節(jié)；包括對飛艇各個囊體體積的測量與計算，風機、閥門等控制設備的監(jiān)測與控制；接收并執(zhí)行地面人員上傳的人工控制命令；對系統(tǒng)的緊急狀況進行應急處置等。其軟件結構如圖5示：

a）控制輸出：包括風機、閥門等壓力調節(jié)控制；

b）狀態(tài)采集：包括壓力參數(shù)采集、風速風向采集、飛艇姿態(tài)參數(shù)采集、囊體體積采集、內外環(huán)境溫度采集、故障信息采集；

c）重心調節(jié)處理：包括重心位置估算、囊體體積計算、重心自主調節(jié)；

d）系統(tǒng)應急處理：當系統(tǒng)發(fā)生通信中斷、系統(tǒng)關鍵設備故障等極端情況時，系統(tǒng)自動進入應急處理程序。

5 結論

本文設計了一種多囊體飛艇重心自動調節(jié)系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的硬件設計、傳感器選型、軟件設計。在不增加系統(tǒng)多余設備的基礎上實現(xiàn)了飛艇重心自動調節(jié)及各個副氣囊的體積監(jiān)測，為飛行安全提供了可靠的保證。

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DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.06.010

作者簡介：榮海春（1979-），男，河北遵化人，高級工程師，從事無人機、浮空器研究工作；汪君（1981-），女，中國電子科技集團公司第38研究所裝備發(fā)展部，工程師，主要從事地面及機載雷達結構總體設計工作

The Design of Barycenter Automated Modulate System for Multi-ballonet Airship

RONG Hai-chun， WANG Jun
（No.38 Research Institute of CETC， Hefei 230088， China）

ABSTRACT：During the unmanned airship flight process， the center-of-gravity position varied with the attitude and pressure regulation， especially for the multi-ballonet airship.This variation may lead to the decline of flight performance， and even created security problems such as the attitude control failure.In this paper， a barycenter automated modulate system is designed for airship to solve the variation of the center-of-gravity position， and prevent the overall system efficiency drop，utilizing the current equipment and resources in the airship without increasing additional devices.

KEyWORDS：Attitude； Multi-ballonet airship； Barycenter automated modulate