一种分布式飞艇控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种分布式飞艇控制系统，包括至少一个采集驱动单元、一台核心计算机和至少一条数字化传输总线；采集驱动单元分布在飞艇上，一方面采集飞艇的环境和运行状态信息，将信息转换为数字信号后，通过数字化传输总线发送至核心计算机，另一方面接收核心计算机的控制指令，控制执行机构动作；核心计算机位于飞艇吊舱中，通过数字化传输总线接收采集驱动单元的环境和运行状态信息，进行处理后将控制指令通过数字化传输总线发送至各个采集驱动单元。本飞艇控制系统采用分布式采集驱动和集中管理控制的方式，具有较强的灵活性和可扩展性。
【专利说明】一种分布式飞艇控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种飞艇控制系统，尤其涉及一种采用分布式采集驱动和集中管理控制的分布式飞艇控制系统，属于飞艇【技术领域】。
【背景技术】
[0002]飞艇是一种轻于空气的航空器，其升空原理和气球相同，但可以进行有动力航行和操纵。飞艇一般具有一个巨大的气囊以及相应的推进、操纵系统。飞艇通过向艇体气囊中充入轻于空气的气体(如氦气等)升空，用发动机带动螺旋桨推动艇身，以艇尾舵面操纵航行方向。现代飞艇在空中勘测、摄影、广告、救生以及航空运动中得到了广泛的应用。
[0003]飞艇是一个复杂的综合系统，通常包括结构、动力系统、核心计算机(艇载计算机)系统、遥控遥测系统、起飞着陆系统以及电力电源系统等多个子系统。其中艇载计算机系统是飞艇系统中电系统的核心部分，是整个飞艇的指挥中心，它负责飞艇的飞行控制、导航及艇务管理以保证飞艇的飞行安全，同时采用压力、保型、温度、浮力等控制保证飞艇的结构稳定。此外，艇载计算机在飞行过程中接收来自地面指挥站的控制命令，控制飞艇的飞行姿态，按预先设定的路线控制飞艇飞向预定区域，并指挥飞艇完成预定的任务。
[0004]对于大型和巨型飞艇而言，其主要特点是传感器采集点、控制点分散、通信距离远，各采集点和控制点与核心计算机之间的距离从几米到几百米不等。在目前常见的飞艇控制系统中，都采用核中心计算机(艇载计算机)直接采集和控制的方式，即采用一个CPU或者DSP运行控制算法；通过模数转换(A/D)直接采集传感器信号，获取飞行环境；通过数模转换(D/A)直接输出控制，驱动执行机构、舵机和鼓风机等动作；通过DIO(数字输入输出)直接获取并驱动开关量的信号；最后附加电源、GPS模块、串口模块、信号调理模块等完成艇载计算机的控制系统设计。
[0005]但现有飞艇控制系统仍然存在如下的缺点:首先是控制距离短:采用模数转换、数模转换以及DIO等方式实现控制的时候，在几米甚至十几米的距离范围内是没有问题的。但是如果距离达到几十米甚至一百多米的时候，由于通信信号衰减等原因，无法传输如此远的距离。其次是环境适应能力差:大型和巨型飞艇的飞行高度可以达到2万米以上，夕卜部飞行环境十分恶劣，而通常的飞艇控制系统没有充分考虑对此类环境的适应性，尤其是低温环境的问题。例如空中客车公司在申请号为200980104459.3的发明申请中，公开了一套分布式飞行控制系统。虽然该系统能够部分解决传输距离短的问题，但其传输距离只能达到一百米左右，无法满足空间尺度在一百米以上的巨型飞艇的飞行控制要求，而且该控制系统也无法长期适应高空的超低温环境。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种分布式飞艇控制系统。
[0007]为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案:[0008]一种分布式飞艇控制系统，包括至少一个采集驱动单元、一台核心计算机和至少一条数字化传输总线；
[0009]所述采集驱动单元分布在飞艇上，一方面采集飞艇的环境和运行状态信息，将所述信息转换为数字信号后，通过数字化传输总线发送至所述核心计算机，另一方面接收所述核心计算机的控制指令，控制执行机构动作；
[0010]所述核心计算机位于飞艇吊舱中，通过数字化传输总线接收所述采集驱动单元的环境和运行状态信息，进行处理后将控制指令通过所述数字化传输总线发送至各个采集驱动单元。
[0011 ] 其中较优地，所述采集驱动单元包括CPU模块、FPGA模块、A/D模块、D/A模块、PWM模块、DIO模块、串口模块、传输模块以及信号调理模块；其中，
[0012]所述信号调理模块采集飞行环境信息，经调理后传输至所述A/D模块；所述A/D模块对飞行环境信息进行信号采样并转化为数字信号；所述DIO模块与所述信号调理模块相连接，控制飞艇的开关量设备和采集开关量信息；所述D/A模块、所述PWM模块、所述串口模块通过信号调理模块与执行结构相连接，用于驱动控制飞艇的执行机构；所述FPGA模块通过信号调理模块从传感器获取飞艇的外形视频信号；所述传输模块通过所述数字化传输总线与所述核心计算机相连，用于与所述核心计算机的信息交互；所述CPU模块接收各个模块的采集的信息，并将信息传输至所述核心计算机，同时获取所述核心计算机的控制指令，控制所述执行机构动作。
[0013]其中较优地，所述采集驱动单元还包括环境控制模块，所述环境控制模块包括温控盒、传感器以及屏蔽盒；
[0014]所述温控盒根据传感器的采集温度来判断是否需要启动制冷或加热；所述屏蔽盒用于屏蔽所述采集驱动单元的电磁干扰。
[0015]其中较优地，所述核心计算机和所述采集驱动单元通过所述数字化传输总线首尾相连。
[0016]其中较优地，所述数字化传输总线采用光纤，所述核心计算机和所述采集驱动单元通过光纤接口与光纤交换机相连接。
[0017]其中较优地，所述采集驱动单元与所述核心计算机采用点对点方式进行连接，所述数字化传输总线采用差分发送/接收方式。
[0018]其中较优地，所述数字化传输总线包括带环境控制模块的总线中继器。
[0019]其中较优地，所述数字化传输总线包括艇上总线和艇底总线:位于艇上的所述采集驱动单元通过所述艇上总线与所述核心计算机相连接；位于艇底的所述采集驱动单元通过所述艇底总线与所述核心计算机相连接。
[0020]其中较优地，所述艇底总线采用冗余方式布置。
[0021]本发明所提供的分布式飞艇控制系统采用分布式采集驱动和集中管理控制相结合的方式，可以有效覆盖分散的采集点和控制点，为飞艇的结构设计和安装带来更大的灵活性；通过增加采集驱动单元的数量，即可实现飞艇控制系统的扩展；具有控制距离远、环境适应能力强等技术优势。
【专利附图】
【附图说明】[0022]图1为本发明所提供的分布式飞艇控制系统的结构框图；
[0023]图2为本发明中，采集驱动单元的结构框图；
[0024]图3为本发明中，核心计算机的结构框图；
[0025]图4为本发明中，采用光纤环网的飞艇控制系统的原理图；
[0026]图5为本发明中，采用光纤交换机的飞艇控制系统的原理图；
[0027]图6为本发明中，采用点对点连接方式的飞艇控制系统的原理图；
[0028]图7为本发明中，采用不带冗余方式的混合式飞艇控制系统的原理图；
[0029]图8为本发明中，采用带冗余方式的混合式飞艇控制系统的原理图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0031]参见图1，本发明所提供的分布式飞艇控制系统(简称飞艇控制系统)包括若干个采集驱动单元、一台核心计算机以及至少一条数字化传输总线。其中，各个采集驱动单元分散于飞艇的各个地方，一方面采集该单元附近的环境和运行状态信息，并将采集信息转换为数字信号后，通过数字化传输总线发送至核心计算机；另一方面接收核心计算机的控制指令，控制该单元附近的执行机构动作。核心计算机是整个飞艇控制系统的核心，用于集中控制管理飞艇的各项功能。核心计算机接收数字化传输总线发送的采集驱动单元的飞艇环境运行状态信息，并依据预置的飞艇控制软件得出相应的控制输出信号，通过数字化传输总线将控制输出信号发送给相应的采集驱动单元。核心计算机除了控制各个采集驱动单元夕卜，还可以同时控制多种测量任务设备，例如大气数据机、风速风向仪、遥测遥控、载荷、惯导、高度计、磁罗盘、激光测距仪以及GPS/BD2定位等。
[0032]与现有技术相比较，本发明在飞艇身上分散设置若干个采集驱动单元。每个采集驱动单元通过采集飞艇信息，控制并驱动附近的执行机构动作。位于飞艇吊舱内的核心计算机进行集中管理，并控制采集驱动单元以及其他设备工作。这样，本飞艇控制系统不仅可以有效地覆盖飞艇上所有分散的采集点和控制点，同时使得飞艇的结构设计和安装具有更大的灵活性。
[0033]图2为采集驱动单元的结构框图。该采集驱动单元实质上为一个小型的控制系统，用于实现飞艇的状态采集、驱动控制、视频监控、数字化转换传输等功能。每个采集驱动单元包括CPU模块、FPGA模块、A/D (模数转换)模块、D/A (数模转换)模块、PWM (脉宽调制)模块、DIO(数字输入输出)模块、串口模块、传输模块以及各模块所需的信号调理模块。信号调理模块将传感器模块采集的飞行环境信息，如温度、湿度、压差等信息进行信号调理后传输至A/D模块。A/D模块对调理后的环境信号进行采样以及模数转换；D10模块与信号调理模块相连接，用于控制飞艇的开关量设备，并采集飞艇开关量设备状态；D/A模块、PWM模块、串口模块通过信号调理模块与执行结构相连接，用于驱动控制飞艇的执行机构，例如阀门、鼓风机、推进电机、舵机、航标灯、降落索等；FPGA模块与传感器模块中的视频信号源相连接，用于采集飞艇的外形视频信号，同时根据运行预先配置的程序进行处理；传输模块通过数字化传输总线与核心计算机相连，用于采集驱动单元与核心计算机的信息交互;CPU模块为采集驱动单元的控制核心，用于控制其他模块的行为。例如获取传感器信息、执行机构的信息及视频信息。CPU模块获取信息后通过数字化传输总线传输至核心计算机进行信息处理，同时获取核心计算机相关的控制指令，并控制附近的执行机构动作，比如阀门、鼓风机、推进电机、舵机、航标灯、降落索等。
[0034]实践中，大型和巨型飞艇通常飞行高度比较高，外部的工作环境也非常恶劣。为了提高飞艇的环境适应能力，本发明除了在飞艇吊舱内设置环境控制模块外，还为每个采集驱动单元分别配置了环境控制模块。该环境控制模块用于为采集驱动单元提供温度控制与电磁屏蔽功能。其中温度控制单元包括温控盒和传感器。温控盒根据传感器的采集温度来判断是否需要启动制冷或加热。当温度低于设定值时，启动加热，达到设定范围后停止；当温度高于设定值时，开始制冷。因此通过该温度控制单元，使得飞艇能够适应更大的温度范围。对于电磁干扰，可采用密闭的(如铜、黄铜和铝等)屏蔽盒。本发明为采集驱动单元通过配置环境控制模块，温度采集点由于较为分散，可以精确反映飞艇某个局部的温度。相对于集中进行环控，分布式采集控制可以及时控制并调整，保证了信息的响应速度。通过采用分布式环境控制模块的飞艇控制系统，能够使飞艇适应高空的低温环境，工作高度可高达50000米左右(作为参照，普通民航客机的最高飞行高度不会超过12600米)。
[0035]参见图3，核心计算机为飞艇的集中管理控制中心，安装在飞艇吊舱中。该核心计算机除了控制采集驱动单元的信息，还集中管理着载荷、任务设备以及能源系统等。核心计算机包括CPU模块、FPGA模块、串口模块、传输模块、存储模块以及应急处理模块等。其中CPU模块分别与FPGA模块、串口模块、传输模块、存储模块、应急处理模块相连接。FPGA模块为扩展接口，用于辅助CPU模块进行控制并运行预先配置的协议；串口模块与惯导、GPS/BD2定位、高度计、遥测遥控、大气数据机、风速风向仪、高度计、磁罗盘以及激光测距仪等任务设备相连接，用于获取导航、飞行控制、能源监控、载荷等信息；存储模块与CPU模块相连，存储必要的飞行状态和数据；应急处理模块与CPU模块、FPGA模块、串口模块、传输模块等相连接，用于传输应急模式下的飞行控制信息；传输模块通过数字化传输总线与采集驱动单元相连接，接收采集驱动单元采集的飞艇状态信息，同时向采集驱动单元发送控制指令。CPU模块根据串口模块、传输模块获取的飞艇状态参量和环境参数进行控制解算、导航解算、艇务管理等，并对飞艇进行控制，使得飞艇能够对预先设定的目标点或飞行路径判断采用的飞行方式，保证飞艇平台的飞行路线、定点位置、姿态稳定等在一定的精度范围内。
[0036]本发明中数字化传输总线不是传统意义上的总线，而是用于实现采集驱动单元与核心计算机之间的状态信息、控制指令和视频信息交互的数据通道。因此飞艇控制系统的网络不限于总线型、星型、环型等拓扑结构。在具体实施例中，数字化传输总线可以采用CAN、MIL-STD-1553、Fibre channel (即FC，光纤信道)或者RS485等通信标准。而传输介质优选不受外界电磁干扰的光纤，当然也可以选用电缆等。由于在飞艇的实际使用中，数字化传输总线选择不同，飞艇控制系统有不同的实施方式。下面针对本发明所提供的分布式飞艇控制系统，具体介绍几种优选的实施例。
[0037]实施例一
[0038]参见图4，该实施例中的飞艇控制系统采用光纤环网。数字化传输总线采用光纤。该飞艇控制多个采集驱动单元和核心计算机首尾相连接，构成了一个环型的控制系统。
[0039]实施例二
[0040]参见图5，该飞艇控制系统的数字化传输总线依然使用光纤，核心计算机和采集驱动单元都通过光纤接口连接到一个光纤交换机上。利用光纤交换实现采集信息以及控制命令的传输。地面遥测遥控、温控盒、传感器、大气计算机、惯性导航、GPS/BD2、垂直陀螺、磁罗盘等与核心计算机之间依然采用串口、RS422相连接。这里的温控盒、传感器用来控制吊舱的温度，与采集驱动单元的环境控制模块的功能类似。通过该控制系统，飞艇的各个采集和控制点的距离，可扩展到几十米甚至上百米的距离，尤其是数字化传输总线采用光纤后，采集与控制点的距离甚至可以达到I千米，同时光纤的传输速度不会因传输距离大信号衰减，因此飞艇的尺寸不再受限于传输距离，有利于大型甚至巨型飞艇的建造。
[0041]实施例三
[0042]参见图6，数字化传输总线采用RS485/RS422总线。采集驱动单元和核心计算机采用点对点的连接方式。由于该总线采用差分发送/接收方式，具有一定的共模干扰抑制能力，因此通信距离可以达到上千米。
[0043]实施例四
[0044]在本实施例中提出了一种混合式飞艇控制系统。其中，飞艇底部的采集驱动单元与核心计算机连接时通过艇底总线相连接。而艇上的采集驱动单元可以通过RS485/RS422直接与核心计算机连接。参见图7，该飞艇控制系统的艇底配置一套艇底总线，为不带冗余的混合式飞艇控制系统。该总线可以采用CAN总线或者MIL-MTD-1553B总线。在实际连接时，艇底部的多个采集驱动单元都直接挂在艇底总线上面。由于随着飞艇体积的增大，距离的增加会导致数字化传输总线的传输速率下降。为解决这一技术问题，本发明在总线中每隔一段距离安装一个总线中继器。为降低工作环境的影响，在每个总线中继器中配置有环境控制模块，以便进一步保障数字化传输总线的传输速率。
[0045]实施例五
[0046]为了进一步保证飞艇控制系统的可靠性，本发明还提供一套带冗余的混合式飞艇控制系统，具体参见图8。该系统与图7的区别在于，艇底配置一套冗余的艇底总线作为数字化传输总线。艇底的每个采集驱动单元分别通过两个艇底总线与核心计算机相连接，并且每个艇底总线上都配置有带环境控制模块的总线中继器。艇上的采集驱动单元通过RS485/RS422与核心计算机相连接。
[0047]综上所述，本发明所提供的飞艇控制系统可以有效地覆盖分散的采集点和控制点，为飞艇的结构设计和安装带来更大的灵活性，通过增加采集驱动单元的数量即可实现系统的扩展；通过选择合适的数字化传输总线，使得飞艇的体积不再受数据传输距离与传输速度的限制。另外本发明为飞艇控制系统配置了环境控制模块，能够使飞艇具有更强的环境适应能力，工作高度可达50000米。
[0048]上面对本发明所提供的分布式飞艇控制系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
【权利要求】
1.一种分布式飞艇控制系统，其特征在于包括至少一个采集驱动单元、一台核心计算机和至少一条数字化传输总线； 所述采集驱动单元分布在飞艇上，一方面采集飞艇的环境和运行状态信息，将所述信息转换为数字信号后，通过数字化传输总线发送至所述核心计算机，另一方面接收所述核心计算机的控制指令，控制执行机构动作； 所述核心计算机位于飞艇吊舱中，通过数字化传输总线接收所述采集驱动单元的环境和运行状态信息，进行处理后将控制指令通过所述数字化传输总线发送至各个采集驱动单元。
2.如权利要求1所述的分布式飞艇控制系统，其特征在于: 所述采集驱动单元包括CPU模块、FPGA模块、A/D模块、D/A模块、PWM模块、DIO模块、串口模块、传输模块以及信号调理模块；其中， 所述信号调理模块采集飞行环境信息，经调理后传输至所述A/D模块；所述A/D模块对飞行环境信息进行信号采样并转化为数字信号；所述DIO模块与所述信号调理模块相连接，控制飞艇的开关量设备和采集开关量信息；所述D/A模块、所述PWM模块、所述串口模块通过信号调理模块与执行结构相连接，用于驱动控制飞艇的执行机构；所述FPGA模块通过信号调理模块从传感器获取飞艇的外形视频信号；所述传输模块通过所述数字化传输总线与所述核心计算机相连，用于与所述核心计算机的信息交互；所述CPU模块接收各个模块的采集的信息，并将信息传输至所述核心计算机，同时获取所述核心计算机的控制指令，控制所述执行机构动作。
3.如权利要求2所述的分布式飞艇控制系统，其特征在于所述采集驱动单元还包括环境控制模块，所述环境控制模块包括温控盒、传感器以及屏蔽盒； 所述温控盒根据传感器的采集温度来判断是否需要启动制冷或加热；所述屏蔽盒用于屏蔽采集驱动单元的电磁干扰。
4.如权利要求1所述的分布式飞艇控制系统，其特征在于: 所述核心计算机和所述采集驱动单元通过所述数字化传输总线首尾相连。
5.如权利要求1所述的分布式飞艇控制系统，其特征在于: 所述数字化传输总线采用光纤，所述核心计算机和所述采集驱动单元通过光纤接口与光纤交换机相连接。
6.如权利要求1所述的分布式飞艇控制系统，其特征在于: 所述采集驱动单元与所述核心计算机采用点对点方式进行连接，所述数字化传输总线采用差分发送/接收方式。
7.如权利要求1所述的分布式飞艇控制系统，其特征在于: 所述数字化传输总线包括带环境控制模块的总线中继器。
8.如权利要求1所述的分布式飞艇控制系统，其特征在于所述数字化传输总线包括艇上总线和艇底总线:位于艇上的所述采集驱动单元通过所述艇上总线与所述核心计算机相连接；位于艇底的所述采集驱动单元通过所述艇底总线与所述核心计算机相连接。
9.如权利要求8所述的分布式飞艇控制系统，其特征在于: 所述艇底总线采用冗余方式布置。
【文档编号】G05D1/10GK104020779SQ201410293290
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】唐智勇, 李智斌, 黄典刚 申请人:唐智勇