一种飞艇气囊压力采集、控制系统及方法与流程

本发明属于飞艇或浮空器电子系统技术，本发明以飞艇或浮空器为应用背景，提出一种飞艇气囊压力采集、控制系统及方法。

背景技术：

飞艇或浮空器主要依靠气囊产生的不同浮力来实现升降或运行，通过对气囊内部的气体进行精确、实时的调节即可实现对气囊浮力的调整，为实现对气囊浮力的调节、控制，需采用压力感应装置(气压压力传感器)来表征气囊压力的数值，间接的反映出当前气囊能够生产的浮力大小。

气囊压力采集及控制是飞艇或特种浮空器在静态、飞行、运营中主要的工作状态控制及转换方式。目前的气囊压力采用分立式压力采集模式：该模式中气囊压力采用分立式压力采集仪表，仪表独立分布在气囊各处，分别独立提供单向压力数据，使用时存在以下问题：

多个气压压力仪表独立的提供压力数据，无法对数据进行统一管理和数据共享，需由人工干预进行气囊压力的数值调整及控制，很大程度上了降低了气囊压力控制的时效性、灵活性，增大了人工工作负荷。

技术实现要素：

为了解决现有飞艇气囊压力分立式压力采集模式无法对数据进行统一管理和数据共享，需由人工干预进行气囊压力的数值调整及控制的问题，本发明提出了一种种飞艇气囊压力采集、控制系统及方法。

本发明的技术方案：

提供了一种飞艇气囊压力采集、控制系统，包括数据采集及处理单元以及2台飞行显示器；

数据采集及处理单元采用互为冗余的双通道物理结构；

数据采集及处理单元的每个通道均包括1个电源模块psm、1个核心处理模块cpm、1个通用接口模块iom；

电源模块psm分别与核心处理模块cpm、接口模块iom电连接；

核心处理模块cpm用于对气囊压力数据进行采集、处理，并根据设定的控制规则对多个空气阀或多个风机进行自动调节控制；

通用接口模块iom用于对多个风机工作参数、运行状态进行采集及实时闭环控制；

核心处理模块cpm、通用接口模块iom均通过统一数据总线与飞行显示器进行实时数据/控制指令传输。

进一步地，上述控制规则包括：

a1：设定多个空气阀和多个风机的开启顺序：

a1.1：设定多个空气阀的开启顺序

将多个空气阀顺序定义为空气阀1，空气阀2，……,空气阀m；

依照控制命令，定义多个空气阀的开启顺序依次为：打开空气阀1、打开空气阀2，……，打开空气阀m；其中，m≥2；

a1.2：设定多个风机的开启顺序：

将多个风机顺序定义为：风机1，风机2，……,风机n；

依照控制命令，定义多个风机的开启顺序依次为：打开风机1、打开风机2，……，打开风机n；，n≥2；

a1.3：设定气囊加压阈值p加阈；根据p加阈以及风机数量确定单台风机所需最大加压能力p加能；

p加能＝p加阈/n；

p加阈＜pmax；

pmax为气囊的最大额定工作压力；

a1.4：根据风机最大加压能力p加能以及风机数量n，定义加压等级；

将压力区间{0～p加能}定义第一级，此时风机1单独工作，其余n-1个风机不工作；

将压力区间{p加能～2p加能}定义第二级，此时风机1和风机2同时工作，其余n-2个风机不工作；

将压力区间{2p加能～3p加能}定义第三级，此时风机1、风机2、风机3同时工作，其余n-3个风机不工作；；

依次规律，将压力区间{(n-1)p加能～np加能}定义第n级，此时所有n个风机同时工作；

a1.5：设定气囊卸压阈值p卸阈；根据p卸阈以及空气阀数量m，确定单台空气阀所需最大卸压能力p卸能；

p卸能＝p卸阈/m；

p卸阈＞pmin；

pmin为气囊的最小额定工作压力；

a1.6：根据空气阀的最大卸压能力p卸能以及空气阀数量m，定义卸压等级；

将压力区间{0～p卸能}定义第一级，此时空气阀1单独工作，其余m-1个空气阀不工作；

将压力区间{p卸能～2p卸能}定义第二级，此时空气阀1和空气阀2同时工作，其余m-2个空气阀不工作；；

将压力区间{2p卸能～3p卸能}定义第三级，此时空气阀1、空气阀2、空气阀3同时工作，其余m-3个空气阀不工作；；

依次规律，将压力区间{(m-1)p卸能～mp卸能}定义第m级，此时所有m个空气阀同时工作。

进一步地，上述模块psm、核心处理模块cpm、通用接口模块iom通过互联母板实现物理上的固定和互联，用于电气信号及数据的传输。

进一步地，上述飞行显示器负责接收气囊压力数据、风机工作状态信息、阀门工作状态及工作模式信息，在显示器屏幕上以数字化、图形化的形式进行压力数值、工作模式或状态显示，并设置有功能键，根据气囊压力控制计算机当前的工作状态要求，通过功能键人工操作开启或关闭风机或相关阀门，达到对气压压力的实时、精准控制，实现对气囊压力状态的精确控制，保障飞艇的安全运行。

同时，本发明基于上述系统还提供了一种飞艇气囊压力采集、控制方法，该方法的具体实现步骤如下：

步骤1：将多个空气阀和多个风机的控制规则输入至核心处理模块cpm中；

步骤2：系统初始化；

步骤3：气囊压力的采集及控制过程

步骤3.1：核心处理模块cpm采集当前气囊压力值p当前，等待接收控制命令，按照接收到的控制命令所要求的气囊压力目标值p目标，将气囊压力目标值p目标和当前的气囊压力值p当前进行比较计算；

若p当前＜p目标，需对气囊进行加压，则跳转执行步骤5；

若p当前＞p目标，需对气囊进行卸压，则跳转执行步骤6；

步骤4：气囊加压

步骤4.1：核心处理模块cpm计算气囊压力目标值p目标与当前的气囊压力值p当前的压力差p差；

步骤4.2：确定加压模式；

若p差＞p加阈，则执行步骤4.3；若p差＜p加阈，则执行步骤4.4；

步骤4.3：核心处理模块cpm通过通用接口模块iom控制n个风机均以最大加压能力p加能工作，将气囊压力调整至p目标；

步骤4.4：根据压力差p差大小确定所需的加压等级；

若压力差p差在第x等级时，且p差＝xp加能时，则x个风机均以p加能运行，将气囊压力调整至p目标；

若压力差p差在第x等级时，且p差＜xp加能时，则前x-1个风机均以p加能运行，对第x个风机以△p1进行线性控制，从而将气囊压力调整至p目标；

其中，△p1＝xp加能-p差；x∈{1，n}；

步骤5：气囊卸压；

步骤5.1：核心处理模块cpm计算气囊压力目标值p目标与当前的气囊压力值p当前的压力差p差；

步骤5.2：确定卸压模式；

若p差＞p卸阈，则执行步骤6.3；若p差＜p卸阈，则执行步骤6.4；

步骤5.3：核心处理模块cpm控制m个空气阀均以最大卸压能力p卸能工作，将气囊压力调整至p目标；

步骤5.4：根据压力差p差大小确定所需的卸压等级；

若压力差p差在第y等级时，且p差＝yp卸能时，则y个空气阀均以p卸能运行，将气囊压力调整至p目标；

若压力差p差在第y等级时，且p差＜yp能时，则前y-1个空气阀均以p卸能运行，对第y个空气阀以△p2进行线性控制，从而将气囊压力调整至p目标；

其中，△p2＝yp卸能-p差；y∈{1，m}。

进一步地，在执行上述方法时，当风机或空气阀发生故障，无法按照当前控制指定正常运行时，分为以下两种处理情况：

情况一：在进行加压或卸压操作时，当n个风机或m个空气阀未完全投入使用时，当某一个风机或空气阀出现故障，可开启其他未投入使用的风机或空气阀进行增压或减压，并第一时间发送告警命令，告知当前的具体故障状态；

情况二：在进行加压或卸压操作时，当n个风机或m个空气阀均已完全投入使用时，当某一个风机或空气阀出现故障，第一时间发送告警命令，告知当前的具体故障状态即可。

本发明的有益效果是：

1、本发明的系统中数据采集及处理单元采用互为冗余的双通道物理结构、具备良好人机接口的压力数据显示，在该系统支持下，能够实现气囊多个压力传感器信号采集、数据处理及分析、智能化压力调节和控制、数字化的压力信息显示及快捷的操作控制，能够改善飞艇或浮空器的气囊压力控制及调节效率、降低人员工作负荷，提升飞艇或浮空器飞行、运营的安全性和通用性，可推广应用于各类飞艇的气囊压力采集及控制领域，满足未来不同类型的飞艇或浮空器的应用需求。

2、本发明的系统具有可裁减伸的系统架构特性，通过扩展接口、裁减通道配置能够适应不同气压压力采集和不同可靠性等级的功能实现。

3、本发明的系统针对气囊压力采集及控制提出在一个数据采集、处理平台上对飞艇气囊压力的采集、控制及显示，在其他飞艇、浮空器或压力采集及控制领域也可基于这种架构提供高可靠性、具有灵活配置接口的气压压力采集及控制系统，能够利用系统的公共计算能力和冗余资源实现气压压力采集、智能控制及信息显示。

4、本发明的方法根据设定多个空气阀和风机的开启顺序、设定气囊加压阈值、卸压阈值、单台风机所需最大加压能力、单台空气阀所需最大卸压能力，并按照提前定义好的加压等级、卸压等级，在得到控制命令后根据压差，对风机或空气阀进行控制，能够最大效率的使气囊压力达到设定目标值，提高了气囊压力的加压/减压效率。

5、本发明的方法所采取的的多风机和多空气阀设计方法，能够在不影响原有功能的情况下达到容错控制效果，提高了飞艇的安全性，在部分风机和部分空气阀发生故障的情况下也能对气囊压力进行控制，保证飞行安全。

6、本发明的方法可以根据当前的气囊压力值和目标压力值的具体状态，调节风机和空气阀的运行数量和运行速度，提高气囊压力的控制精度，进而也能改善飞艇的升降速度及平稳性，提高飞艇的定高巡航精度。

7、本发明的方法在飞艇气囊压力控制机构发生故障的情况下避免了飞艇气囊压力无法控制，且及时的向驾驶员发送告警信息，提升气压控制的实时性、准确性，保证飞艇的飞行安全。

附图说明

图1为本发明的系统架构示意图；

图2为数据采集及处理单元的结构示意图；

图3为气囊压力控制的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的飞艇气囊压力采集、控制系统，参见图1，包括数据采集及处理单元、飞行显示器以及数据总线。

数据采集及处理单元：采用双通道(双余度)设计实现方法，对压力信号采集、信息显示、操作控制进行集成化、智能化集中处理，提高系统容错能力。气囊压力控制计算机采用模块化设计，由配置、功能一致的2个电源模块、2个核心处理模块、2个通用接口模块等物理模块组成，由核心处理模块与显示器交联实现压力数据的实时显示及操作的人机接口。

飞行显示器：显示器采用智能显示器，实现气囊压力及其他信息的显示功能，显示器内部采用高性能的图形处理器，可以支持高速动态数据及信息、控制指令实时显示及操作。

其具体是：

飞行显示器采用智能化仪表显示器，实现气囊压力信息及其他信息的显示功能，显示器内部采用高性能的图形处理器，可以支持高速动态图形、图像的实时显示，是气囊压力控制系统主要的人机接口和途径。显示器通过数据网络总线接收核心处理模块传输的气囊压力数据、阀门工作状态及风机组状态信息，以图形化、数字化的形式进行显示，并能够实现人工压力控制模式下的控制操作、控制指令生成及传输，显示器主要通过以下几个部分执行相关功能：

接口数据处理：显示器通过数据网络总线获取需要显示的各种数据信息，这些数据通过数据网络总线提供给显示器，接口数据内容包括气压传感器数值、阀门工作状态及风机组工作状态信息、气囊压力控制模式及状态等不同功能的信息；

数据信息处理：显示器将获取的气囊压力数据、阀门状态信息根据不同显示信息的规范、约定、格式和方式要求，将其处理为可以按照图形表示的数据，以图形、数值仪表或者条形图进行显示，显示的方式可结合不同种类的参数物理意义、参数数值区间、参数超限告警等多种方式；

显示转换处理：将需要显示的图形数据转化成可以通过显示屏直接显示的各种信息或符号，这些数据信息转化成可以直接识别的符号、字符等图形化信息，通过彩色液晶屏进行信息的综合显示。

数据网络总线：数据网络总线作为系统中的数据交互通路，对系统的安全性、经济性、可扩展性具有重要的影响，数据网络采用成熟的高速以太总线式拓扑结构。数据网络的物理实现集成在核心处理模块内部，能够支持总线的冗余配置。

下面主要对该系统进行详细的描述。

数据采集及处理单元

数据采集及处理单元是系统的核心，由双余度配置的3个模块组成，3个模块分别是：电源模块psm、核心处理模块cpm、2个通用接口模块iom；通过这些模块负责外部接口信号的输入/输出采集及控制、内部数据的传输、数据解算及压力自动控制逻辑处理、资源统一管理、应用程序的运行和内部电源的转换功能。

参见图2，每个通道包括电源模块psm、核心处理模块cpm、通用接口模块iom，模块通过互联母板将这些模块从物理上进行固定和互联，实现电气信号及数据的传输。

电源模块psm

电源模块psm输入电源系统的 28vdc，经过转换后变换为计算机内部模块、所需的低压直流电源 5vdc电源。psm内部集成控制器芯片，对输出多路 5vdc电源能够实时监控其状态并独立控制供电。psm满足do160g中的电源输入和电源抗干扰环境要求，具备滤波、电压尖峰、浪涌、过流、过压、瞬时掉电等保护能力，并能够提供外部电源掉电指示信号。psm采用双余度配置，防止单电源失效后所有系统功能失效，提高系统安全性。

核心处理模块cpm

核心处理理模块cpm用于对气囊压力信号进行采集、空气阀和风机的工作状态进行采集及控制、数据解算、自动气压调节及控制规则处理。cpm采用双余度配置，防止单模块失效后整个系统功能失效，提高系统安全性。cpm通过数据网络总线与显示器互联，将气囊压力控制计算机中的压力数据、工作形态信息及显示器控制指令进行信息传递。

此处需要说明控制规则具体是：

a1：设定多个空气阀和多个风机的开启顺序：

a1.1：设定多个空气阀的开启顺序

将多个空气阀顺序定义为空气阀1，空气阀2，……,空气阀m；

依照控制命令，定义多个空气阀的开启顺序依次为：打开空气阀1、打开空气阀2，……，打开空气阀m；其中，m≥2；

a1.2：设定多个风机的开启顺序：

将多个风机顺序定义为：风机1，风机2，……,风机n；

依照控制命令，定义多个风机的开启顺序依次为：打开风机1、打开风机2，……，打开风机n；，n≥2；

a1.3：设定气囊加压阈值p加阈；根据p加阈以及风机数量确定单台风机所需最大加压能力p加能；

p加能＝p加阈/n；

p加阈＜pmax；

pmax为气囊的最大额定工作压力；

a1.4：根据风机最大加压能力p加能以及风机数量n，定义加压等级；

将压力区间{0～p加能}定义第一级，此时风机1单独工作，其余n-1个风机不工作；

将压力区间{p加能～2p加能}定义第二级，此时风机1和风机2同时工作，其余n-2个风机不工作；

将压力区间{2p加能～3p加能}定义第三级，此时风机1、风机2、风机3同时工作，其余n-3个风机不工作；；

依次规律，将压力区间{(n-1)p加能～np加能}定义第n级，此时所有n个风机同时工作；

a1.5：设定气囊卸压阈值p卸阈；根据p卸阈以及空气阀数量m，确定单台空气阀所需最大卸压能力p卸能；

p卸能＝p卸阈/m；

p卸阈＞pmin；

pmin为气囊的最小额定工作压力；

a1.6：根据空气阀的最大卸压能力p卸能以及空气阀数量m，定义卸压等级；

将压力区间{0～p卸能}定义第一级，此时空气阀1单独工作，其余m-1个空气阀不工作；

将压力区间{p卸能～2p卸能}定义第二级，此时空气阀1和空气阀2同时工作，其余m-2个空气阀不工作；；

将压力区间{2p卸能～3p卸能}定义第三级，此时空气阀1、空气阀2、空气阀3同时工作，其余m-3个空气阀不工作；；

依次规律，将压力区间{(m-1)p卸能～mp卸能}定义第m级，此时所有m个空气阀同时工作。

通用接口模块iom

通用接口模块iom用于向核心处理理模块cpm提供多个风机的工作状态采集、转速数值转换及工作状态信息。通用接口模块iom信号采集接口的类型包括脉冲信号采集、离散量信号采集、模拟量电压/电流等物理量接口，能够满足绝大多数压力采集环境的需求，具有良好的可扩展性。

根据以上对飞艇气囊压力采集、控制系统各组成部分的介绍，现根据一个具体示例来对采用该系统进行压力采集、控制的方法进行说明，具体参见图3。

本实施例对于单个气囊，其对应的空气阀数量为6，风机数量为6的情况为例(当然空气阀数量与风机数量可以不相等，通常建议单个气囊的空气阀和风机数量为3至5个,数量过少，飞艇的安全性和控制精度较低；数量过多，则控制系统的成本和系统复杂度较高)。

步骤1：将6个空气阀和6个风机的控制规则输入至核心处理模块cpm中；在本示例的控制规则中：气囊加压阈值p加阈60pa，则p加能＝10pa；

加压等级为：

将压力区间{0～10pa}定义第一级，此时风机1单独工作，其余5个风机不工作；

将压力区间{10pa～20pa}定义第二级，此时风机1和风机2同时工作，其余4个风机不工作；

将压力区间{20pa～30pa}定义第三级，此时风机1、风机2、风机3同时工作，其余3个风机不工作；；

依次规律，将压力区间{50pa～60pa}定义第6级，此时所有6个风机同时工作；

气囊卸压阈值p卸阈＝60pa，则p卸能＝10pa；

卸压等级为：

将压力区间{0～10pa}定义第一级，此时空气阀1单独工作，其余5个空气阀不工作；

将压力区间{10pa～20pa}定义第二级，此时空气阀1和空气阀2同时工作，其余4个空气阀不工作；；

将压力区间{20pa～30pa}定义第三级，此时空气阀1、空气阀2、空气阀3同时工作，其余3个空气阀不工作；；

依次规律，将压力区间{50pa～60pa}定义第6级，此时所有6个空气阀同时工作；

以下步骤均为实际工作过程中的具体控制过程，参见图1：

步骤2：控制命令初始化，气囊压力目标值初始化，空气阀阀门状态和风机状态初始化；

步骤3：采集当前气囊压力值p当前，等待接收控制命令，按照接收到的控制命令所要求的气囊压力目标值p目标，将气囊压力目标值p目标和当前的气囊压力值p当前进行比较计算；

若p当前＜p目标，需对气囊进行加压，则跳转执行步骤8；

若p当前＞p目标，需对气囊进行卸压，则跳转执行步骤9；

步骤4：气囊加压

假定当前的气囊压力值p当前为400pa，气囊压力目标值p目标为435pa，则压力差p差为35pa，由于p当前＜p目标，且35pa小于60pa；根据步骤1定义的加压等级，则风机1，风机2，风机3以p加能运行，对风机4以△p1进行线性控制，从而将气囊压力调整至p目标；其中，△p1＝5pa。

在加压状态时，当4个投入使用的风机中的其中一个或两个出现故障，则可开启其他未投入使用的2个风机阀进行加压操作，并第一时间发送告警命令，告知当前的具体故障状态；

步骤5：气囊卸压

假定当前的气囊压力值p当前为485pa，气囊压力目标值p目标为435pa，则压力差p差为50pa，由于p当前＞p目标，且50pa小于60pa；根据步骤1定义的加卸等级，则空气阀1，空气阀2、空气阀3，空气阀4、空气阀5均以p卸能运行，从而将气囊压力调整至p目标。在卸压状态时，当5个投入使用的空气阀中其中一个出现故障，则可开启其他未投入使用的1个空气阀进行卸压操作，并第一时间发送告警命令，告知当前的具体故障状态；

另外有一种极限情况：在进行加压或卸压操作时，当6个风机或6个空气阀均已完全投入使用时，当某一个风机或空气阀出现故障，没有能够切换的风机或空气阀时，需第一时间发送告警命令，告知当前的具体故障状态，为最大限度的保证飞艇的飞行安全，飞行员需选择最近的降落点使飞艇安全降落，之后进行故障排除。