航空觀光系留氣球測控系統設計

何敬宇

摘 要：分析了觀光系留氣球作為觀光旅游設備的優勢，研究了觀光系留氣球測控系統的組成。測控系統是保障觀光系留氣球球體安全和順利運營任務的一個重要分系統，本文以現有系留氣球測控技術為基礎，借鑒國外系留氣球測控系統設計，依據航空觀光系留氣球使用特性從軟、硬件兩個方面對航空觀光系留氣球測控系統進行研究和設計。

關鍵詞：觀光系留氣球;測控系統;傳感器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）02-0022-03

0引言

系留氣球是浮空器的一種，它是使用纜繩將其系留在地面并可控制高度的浮空器。與其它浮空器相比，系留氣球具有安全性高、滯空時間長、耐候性強、造價和使用成本低廉等優點。在軍用領域已被廣泛的應用于監視、通信、告警等領域，如美國在阿富汗部署了近百個浮空氣球用于監視和保護美軍軍營。在民用領域，由于系留氣球特有的安全性高、經濟環保的優勢，被廣泛的應用于環境保護、緝私、旅游觀光領域。航空觀光系留氣球是一種浮空器類系留氣球，可以搭載乘客上升至百米高空，俯瞰周圍景色，在保障安全性的同時帶給游客不同以往的高空刺激體驗。自誕生以來，航空觀光系留氣球就因其良好的滯空性能、悠閑的漂浮節奏、寬廣的游覽視角而受到游客們的喜愛，目前已廣泛應用在世界各地的旅游景點、主題公園、游樂園和集會廣場等[1]。

測控系統是保障觀光系留氣球球體安全和順利運營的一個重要系統，本文以現有系留氣球測控技術為基礎，借鑒國外系留氣球測控系統設計，依據航空觀光系留氣球使用特性從軟、硬件兩個方面對航空觀光系留氣球測控系統進行研究和設計。

1系統工作原理

系留氣球是一種無動力浮空飛行器，氣球用纜繩與地面上的錨泊設備連接，依靠氣囊內的氦氣提供浮力懸停在空中。氣囊內的氦氣由于系留氣球升空高度及溫度等外界環境因素的變化導致其體積發生變化，產生相應的膨脹或收縮，使氣囊內氣體相對于外界的壓差也會產生變化，為能保持氣囊外形及剛度，需要將氣囊壓力（氣囊內實際壓力與氣球所處大氣壓力的差值）控制在安全的工作范圍內。因此，一般系留氣球通過在氣囊內部設置副氣囊，通過對副氣囊充氣或放氣，適應氣囊因外界環境因素變化造成的壓力變化要求，確保氣囊壓力處于正常工作范圍內[2]。

測控系統是實現觀光系留氣球控制功能的一個重要分系統，其保障了球體安全和運營的順利完成。該系統核心為具有一定輸入輸出接口的計算機，內部安裝有相應的控制軟件。同時在球體特定部位設置有氣囊壓差、副氣囊壓差、氣囊溫度、副氣囊溫度、風速、系留纜繩張力等傳感器，完成各種參數的測量和采集。控制計算機將采集的數據進行處理后顯示在顯示屏上，并通過預設了控制率的控制軟件對球上執行裝置的動作進行控制，實現球體壓力控制，電源控制，燈光控制，故障報警等，并通過無線連接將信息傳送到地面顯示屏顯示。

其一般組成及原理如圖1。

2系統設計

根據測控系統的工作原理，結合航空觀光系留氣球的產品屬性和使用特點開展觀光系留氣球測控系統設計。

2.1硬件設計

由于航空觀光系留氣球相對于軍用系留氣球在工作環境、設備復雜度方面的要求要低，從降低設備成本并保證一定可靠性的角度考慮，對于測控系統的設備選用以工業級設備和元器件為主。

測控系統硬件主要由控制計算機、傳感器、顯示器、報警設備、攝像設備及數傳電臺等組成，分別集成于球體、球載控制柜和地面監視臺中。

2.1.1球載控制柜

球載控制柜是整個系統的關鍵設備，它直接關系到整個系統的使用安全。其中集成有控制計算機、顯示屏、球上數傳電臺、繼電器、控制開關、報警燈等電子設備和元器件，以及連接線路和供電保護裝置。

其中控制計算機通過A/D和DI接口模塊對模擬量信號和數字量信號進行采集，控制計算機對采集的信號進行分析處理后，將數據顯示在球上控制柜顯示屏上。同時控制計算機還可以通過DO接口模塊驅動相應的繼電器接通或斷開，以給球上執行設備通電或斷電，實現對球上執行設備的控制。控制計算機的接口需滿足系統信號采集、數據處理以及控制信號輸出的需要[3]。其接口配置如表1。

顯示屏通過RS485或RS232串口與控制計算機進行數據通信，將控制計算機采集的參數信息進行顯示，顯示的主要參數有：氣囊壓力、副氣囊壓力、氣囊溫度、風速、纜繩張力、蓄電池電壓、風機狀態、空氣閥狀態、門鎖狀態和障礙燈供電狀態等。顯示屏還顯示各類報警信息，提醒操作人員注意。

球上數傳電臺通過RS232串口與控制計算機進行數據通信，將控制計算機采集的參數信息與各類報警信息傳送到地面監視臺進行顯示。

2.1.2 地面監視臺

地面監視臺主要由地面顯示屏、地面數傳電臺以及開關電源組成。地面數傳電臺通過天線與球載控制柜中的球上數傳電臺通信，接收球載控制柜數傳電臺發送的數據，地面數傳電臺通過RS232串口與地面顯示屏進行通信，將接收到的數據發送給地面顯示屏，地面顯示屏顯示界面與球上顯示屏顯示界面的數據相同。其原理示意圖如圖2所示。

2.2測量參數選擇

2.2.1環境參數

測量的環境參數主要為溫度和風速。

溫度：由于氣囊內的氦氣溫度的變化會導致氦氣密度的變化，使氦氣的體積膨脹或收縮，這時氣囊內氣體相對與外界大氣的壓差升高或降低，因此采用溫度傳感器測量的氣囊內氦氣的溫度可以作為觀光系留氣球其他參數修正的依據。

風速：由于觀光系留氣球屬于浮空器的一種，采用升力氣體氦氣產生的浮力進行升空，其體積巨大，風速的大小對浮空器的飛行和外形保持有很大的影響，甚至導致其不能升空飛行，由于浮空器本身這一固有的特點決定了浮空器類飛行器對于環境的風是很敏感的。因此測量風速主要是從觀光系留氣球的安全性角度考慮，如果觀光系留氣球所處位置的風速超過了允許使用的風速，將危及到游客及觀光系留氣球本身的安全，需要采取相應的措施。風速的測量采用風杯式風速傳感器。

2.2.2壓力調節參數

壓差信號：需要測量的參數有：氣囊與外界大氣的壓差、副氣囊與外界大氣的壓差。通過測量氣囊壓差，控制計算機按照設定的控制律對風機和閥門進行控制（一般情況下不放氦氣），使整個囊體維持在一定的壓差范圍內，使囊體承受風載荷和任務載荷時保持囊體外形。

狀態信號：需要監控副氣囊空氣閥開關狀態、氣囊氦氣閥開關狀態、風機工作狀態。通過檢測微動開關（安裝在閥門上）輸出端電壓的有無，確定閥門的開關狀態。檢測風機自帶的信號反饋判斷風機的工作狀態。

2.2.3纜繩張力

系留纜繩上端張力參數可以用于判斷觀光系留氣球是否逃逸以及輔助了解觀光系留氣球在空中狀態。拉力傳感器一般采用銷軸型拉力傳感器，其采用的箔式應變片貼在合金鋼彈性體上，精度高，長期穩定性好，且可以內置變送器輸出標準電流信號傳給控制計算機。

觀光系留氣球測控系統一般應具有的參數信號格式見表2。

2.3電磁兼容設計

為保證測控系統正常工作還必須進行電磁兼容設計。電磁干擾源有自然的和人為的兩種。雷電是一種主要的自然干擾源。雷電伴隨的瞬間放電電流會感應出一個很強的電磁場，這個電磁場作用在設備的電源線或者信號電纜上，會產生幅度很高的電壓，對設備造成傷害。實際環境中更加常見的干擾是人為干擾，如電感性負載的接通和斷開帶來的傳導干擾，開關、繼電器通斷帶來（產生）的尖峰電壓干擾等。控制干擾的方法上，除采用抑制干擾傳播的技術（如屏蔽、接地、搭接、合理布線等方法），還采取回避和疏導的技術處理（如空間方位分離、時間閉鎖分離、頻率劃分與回避、濾波、吸收和旁路等等）[4]。

觀光系留氣球電磁兼容設計首先是對供電及信號線纜采取屏蔽措施，屏蔽套采用雙點接地;容易受到電磁干擾或產生電磁干擾的設備或裝置用金屬蒙皮封裝起來。其次金屬口蓋、球載電子設備外殼及附件與搭接母線之間都進行良好電搭接。最后空間布局時綜合考慮電磁輻射干擾、傳導干擾和天線耦合干擾等多種因素，盡量做到設備間的空間隔離度最大、布線短。把互相容易干擾的設備在空間上盡量安排得遠一些;在導線布線中，限制平行線間的最小距離。

在觀光球頂部設置避雷針，通過雷電引下線將雷電流泄放至大地，防止直擊雷對測控系統造成致命性損傷。

2.4軟件設計

測控系統軟件分為測控軟件、顯控軟件和地面顯示軟件三個部分，測控軟件運行在控制柜內的控制計算機上;顯控軟件運行在控制柜面板人機界面上，地面顯示軟件運行在地面數傳電臺一體機人機界面上。

2.4.1測控軟件

球載測控軟件的處理的流程如圖3所示。

測控軟件實現的主要功能有：（1）氣囊差壓傳感器、副氣囊差壓傳感器、拉力傳感器、電壓傳感器、風速傳感器、溫度傳感器模擬量信號的采集;（2）空氣閥開關狀態、風機開關狀態、吊籃門鎖狀態等數字量信號的采集;（3）根據控制律，輸出控制信號控制球載執行機構;（4）將采集到的信號轉化為實際的物理量進行處理、分析;（5）對系統的異常狀態進行報警。

測控軟件數據流見圖4。

2.4.2顯控軟件

顯控軟件主要功能有：（1）與控制計算機進行通信，顯示球上設備各傳感器的參數;（2）半自動控制模式下，切換壓調控制率檔位;（3）對系統的異常工作狀態進行報警顯示;（4）對系統運行的歷史記錄和報警記錄進行查詢顯示和導出。

顯控軟件數據流見圖5。

2.4.3地面顯示軟件

地面顯示軟件主要功能有：（1）與球上測控軟件進行通信;（2）顯示球上設備各傳感器的參數;（3）對系統的異常工作狀態進行報警;（4）對系統運行的歷史記錄和報警記錄進行查詢顯示和導出。

地面顯示軟件數據流見圖6。

3結論

本文分析了航空觀光系留氣球測控系統的工作原理，結合航空觀光系留氣球的產品屬性和使用特點，對測控系統的組成進行研究，在此基礎上開展了觀光系留氣球測控系統軟、硬件的設計。

參考文獻

[1] 古彪，何先旺，葉樹林.世界特種飛行器及應用[M].北京：航空工業出版社，2016.

[2] 合肥航太電物理技術有限公司.航空器雷電防護技術[M].北京：航空工業出版社，2013.

[3] 吳有恒，譚百賀.一種浮空器壓力調節綜合控制系統設計[J].西安航空學院學報，2015，33（01）：12-15.

[4] 王鑫.基于系留氣球的球控計算機設計[J].太赫茲科學與電子信息學報，2015，13（02）：332-336.