CN105388912A - 无人浮空器应急控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种无人浮空器应急控制系统及其方法，包括：设置于机箱中的应急控制模块、起爆电路、北斗卫星通信终端和外部通信接口，其中：应急控制模块连有放气阀，且分别与起爆电路、北斗卫星通信终端以及外部通信接口相连，起爆电路与设置于浮空器蒙皮上的火工品相连，整个系统由设置于机箱中的锂电池供电，能够通过遥控指令或程序指令，起爆火工品或开启放气阀，本发明环境适应性强，能够实现超视距操纵，可靠性高。

Description

无人浮空器应急控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及的是一种航空电子控制领域的技术，具体是一种无人浮空器应急控制系统及其方法。

背景技术

浮空器是指依靠轻于空气的浮升气体产生浮力驻留在空气中的一类飞行器，一般浮空器中采用氦气作为浮升气体。无人驾驶的浮空器采用遥控、程序控制或自动飞行控制等方法由地面人员进行操纵。根据有无动力推进，可划分为飞艇和气球；根据飞行高度可划分为低空浮空器和高空浮空器。

浮空器在空中驻留时，可能由于动力系统、控制系统以及系留缆绳等故障导致失控，造成浮空器逃逸。逃逸的浮空器会干扰其它航空器的飞行，并对地面人员、设施、财产等造成威胁。尤其是大型无人浮空器或高空浮空器，由于飞行范围大，发生逃逸后产生的威胁更大。因此，在无人浮空器发生逃逸时，应采取措施快速释放氦气，实现尽快着陆。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103847949A，公开日为2014年06月11日，公开了一种新型电动浮空器应急放氦装置，浮空器的囊体上设有撕裂幅开口，撕裂幅粘贴在浮空器的撕裂幅开口处，并保持密封，电机安装在浮空器的头锥处，绞盘的转轴与电机的动力输出轴传动相连，钢丝绳一端绕在绞盘上，另一端与撕裂幅相连。但该技术只是涉及撕裂的执行机构，该机构较为复杂，难以适应从低空到高空的环境大幅度变化，并且没有完整有效的控制系统以保证有效及时的释放浮升气体。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种无人浮空器应急控制系统及其方法，能够实现超视距操纵，可靠性高。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种无人浮空器应急控制系统，包括：设置于机箱中的应急控制模块、起爆电路和北斗卫星通信终端，其中：应急控制模块分别与放气阀、起爆电路、北斗卫星通信终端相连，起爆电路与设置于浮空器蒙皮上的火工品相连。

所述的应急控制模块接收状态数据以及地面发出的程控指令，通过安全控制逻辑对当前的时间T、高度H或水平距离D进行判断，并向起爆电路发出引爆信号或向放气阀发出开启信号。

所述的应急控制模块接收来自北斗卫星通信终端或来自地面的遥控指令，向起爆电路发出引爆信号或向放气阀发出开启信号。

所述的状态数据包括：电池电压、电池温度、囊体压差、经度、纬度、高度以及水平距离，应急控制模块以固定周期将状态数据发送至北斗卫星通信终端和外部通信接口，并写入应急控制模块自带的储存单元中。

所述的安全控制逻辑为：1)T≥T_c或者H≥H_c或者D≥D_c时，发出引爆信号；2)T≥T_v或者H≥H_v或者D≥D_v时，发出放气阀开启信号，其中：T_c、T_v为时间设定值，H_c、H_v为高度设定值，D_c、D_v为水平距离设定值。

所述的无人浮空器应急控制系统通过设置于机箱中的电池供电。

所述的电池为锂电池，其底部设有用于加热锂电池的加热片。

所述的外部通信接口为RS422接口和CAN接口，用于外接主计算机或视距链路。

所述的火工品为导爆索且铺设于蒙皮顶部。

所述的起爆电路包括：正极控制电路和负极控制电路，其中：正极控制电路和负极控制电路的一端通过继电器与火工品相连，其另一端分别设有两路开关量输入通道，当四路开关量与设定条件完全匹配时，起爆火工品。

本发明涉及上述无人浮空器应急控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、为无人浮空器应急控制系统上电，通过状态数据判断应急控制系统工作是否正常，此时安全控制逻辑处于禁用状态；当确定系统正常后，使火工品能够有效工作，无人浮空器应急控制系统全部上电完毕；

步骤2、无人浮空器离地前，地面测控站发出程控指令，并设定高度设定值、时间设定值以及水平距离设定值；

步骤3、无人浮空器进入飞行阶段，根据无人浮空器应急控制系统下传的状态数据判断无人浮空器工作状态，可发送遥控指令控制应急控制模块向起爆电路发出引爆信号或向放气阀发出开启信号，以及修改控制参数。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为起爆电路结构示意图；

图中：1应急控制模块；2北斗卫星通信终；3外部通信接口3；4起爆电路；5火工品；6放气阀；7第一手动开关；8第二手动开关；9锂电池；10温度检测器；11第一继电器；12加热片；13机箱；14第二继电器；15第三继电器。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：设置于机箱13中的应急控制模块1、起爆电路4、北斗卫星通信终端2和外部通信接口3，其中：应急控制模块1连有放气阀6，且分别与起爆电路4、北斗卫星通信终端2以及外部通信接口3相连，起爆电路4与设置于浮空器蒙皮上的火工品5相连，整个系统由设置于机箱13中的锂电池9供电，能够通过遥控模式或程序控制模式，起爆火工品5或开启放气阀6。

所述的应急控制模块1为紧凑型嵌入式计算机，输出控制信号驱动火工品5起爆和放气阀6的开闭，且能通过北斗卫星通信终端2和外部通信接口3实现与地面遥测遥控的交互，与北斗卫星通信终端2之间的接口为RS232，通过多通道开关量输出与起爆电路4相连。该外部通信接口3为RS422接口和CAN接口，其直接接入视距通信链路。该北斗卫星通信终端2为北斗导航通信一体机，融合北斗一代、北斗二代通信终端以及GPS接收机，支持北斗短报文通信服务。

所述的火工品5为导爆索切割机构，其中的导爆索沿无人浮空器的囊体裁片的方向铺设于蒙皮的顶部上表面，能够起爆并一次性切割囊体，实现快速释放浮升气体，通常为氦气。放气阀6为开闭式阀门，通过法兰盘固定于无人浮空器的上表面，通过多次打开和闭合操作，调节浮升气体即氦气的释放量，实现释放氦气的目的。

所述的机箱13内设有第一手动开关7，连接在锂电池9和应急控制模块1之间，用于无人浮空器离地前接通系统中除了火工品5以外的其他设备电源。机箱13外壁还设有第二手动开关8，使得起爆电路4与锂电池9相连，用于无人浮空器离地前接通系统中火工品5电源。

所述的锂电池9为整个无人浮空器应急控制系统提供电源，其充满电后的电压为25.2V，放电截止电压为22.2V，并且经过封装后能够适应真空环境。锂电池9的底部表面粘贴有加热片12，该加热片12通过第一继电器11与应急控制模块1相连，在低温环境下时，通过继电器11向加热片12供电，从而加热锂电池9。该锂电池9还包有保温材料，如棉絮等。

所述的机箱13中设置有温度检测器10，该温度检测器10为铂电阻PT1000且与应急控制模块1相连，实时传送温度信号。当检测到温度低于10℃时，自动开启加热片12，加热至15℃自动停止。

如图2所示，所述的起爆电路4包括：正极控制电路和负极控制电路，其中：正极控制电路一端连有两路开关量输入通道CH1和CH2，其另一端通过第二继电器14连有限流电阻和第二手动开关8，第二手动开关8的另一端连接在锂电池9的正极，其另一端还与火工品5相连。负极控制电路的一端连有两路开关量输入通道CH3和CH4，其另一端通过第三继电器15与锂电池9的负极和火工品5相连，当四路开关量与设定条件完全匹配时，起爆火工品5。

所述的应急控制模块1可以通过遥控模式和程序控制模式引爆火工品5或开闭放气阀6。所述的遥控模式指应急控制模块1能够通过北斗卫星通信终端2或外部通信接口3直接接收指令并执行引爆火工品5或开启放气阀6操作。所述的程序控制模式指应急控制模块1接收状态数据以及程控指令，通过安全控制逻辑，向起爆电路4发出引爆信号或向放气阀6发出开启信号。所述的安全控制逻辑为：T≥T_c或者H≥H_c或者D≥D_c时，发出引爆信号；2)T≥T_v或者H≥H_v或者D≥D_v时，发出放气阀开启信号，其中：T_c、T_v为时间设定值，H_c、H_v为高度设定值，D_c、D_v为水平距离设定值。所述的状态数据包括：电池电压、电池温度、囊体压差、经度、纬度、高度以及水平距离。T_c、T_v、D_c、D_v、H_c、H_v为系统控制参数，T为无人浮空器的当前时间，H为无人浮空器的实时高度，水平距离D是指应急控制模块根据飞行过程中经纬度与放飞点经纬度进行计算得到的无人浮空器和放飞点之间的水平距离。

所述的无人浮空器应急控制系统的工作过程为：

1)采集电池电压、电池温度、囊体压差等传感器数据，从北斗卫星通信终端2获取经度、纬度以及高度等位置信息；

2)通过中断接受北斗卫星通信终端2和外部通信接口3获得程控指令，即定时开启火工品5使能或禁用、高度开启火工品5使能或禁用、高度开启放气阀6使能或禁用、时间设定值T_c和T_v，高度设定值H_c和H_v，水平距离设定值D_c和D_v、开启火工品5、开启氦气阀6等；

3)当收到直接开启火工品5或开启放弃阀6指令时，应急控制模块1向起爆电路4发出引爆信号或向放气阀6发出开启信号；

4)当通过安全控制逻辑自动开启火工品5或放气阀6时，北斗卫星通信终端2和外部通信接口3，接收控制参数T_c、T_v、D_c、D_v、H_c、H_v并结合状态参数，通过安全控制逻辑，自动引爆火工品5或开启放气阀6；

5)以1秒为周期，将状态参数按照通信协议格式，定时发送至外部通信接口3；

6)以1分钟为周期，按照通信协议格式将状态参数打包成北斗短报文，定时发送至北斗卫星通信终端2接口；

7)以1分钟为周期，将状态参数写入应急控制模块1存储单元。

无人飞行器应急控制系统的控制步骤如下：

步骤1、无人浮空器在地面测试状态，首先闭合第一手动开关7，无人浮空器应急控制系统通电，通过状态信息判断应急控制系统是否工作正常，此时安全控制逻辑处于禁用状态；当确定系统正常后，闭合第二手动开关8，此时火工品5已经处于有效工作状态，整个无人浮空器应急控制系统上电完毕；

步骤2、无人浮空器离地前，通过地面测控站由视距链接或北斗卫星链路发送遥控指令，定时或定高自动开启火工品5或放气阀6使能指令，并根据飞行试验计划，设定定时时间时考虑一定裕量，例如：计划最长飞行时间为4小时，则可将时间设定参数值设置为245分钟，设定完毕后，通过状态数据指令回报确认程序控制已经处于使能状态；

步骤3、浮空器离地进入飞行阶段，可根据无人浮空器应急控制系统下传的状态数据判断浮空定位器的位置及工作状态，根据情况，可由通过地面测控站由视距链路或北斗卫星链路发送修改控制参数判据，或直接遥控启动放气阀6和引爆火工品5，保证飞行过程的安全性。

针对高空无人浮空器，其飞行高度为20Km，设计飞行时间不超过480min，允许飞行水平范围为距离放飞点300Km区域内。所述导爆索长为设置为5m。所述的安全控制逻辑设定如下：定时开启火工品使能，T_c设为500min；定时开启放气阀使能，T_v设为480min；超过高度开启火工品禁用；超过高度开启放气阀禁用；超过水平距离开启火工品使能，D_c设置为290km；超过水平距离开启放气阀使能，D_v设为260km。

针对系留无人浮空器，这种无人浮空器可连续驻留7天，最大系留高度为1Km，则导爆索长为3m，在环境风速15m/s的情况下，浮空器水平漂移距离为327m。所述的安全控制逻辑设定如下：定时开启火工品禁用；定时开启放气阀禁用；超过高度开启火工品使能，H_c设为1800m；超过高度开启放气阀使能，H_v设为1800m；超过水平距离开启火工品使能，D_c设为2.0km；超过水平距离开启放气阀使能，D_v设为2.0km。

本发明与现有技术相比，环境适应性强，采用火工品割裂囊体方式能够适应从低空到高空的环境温度和压力变化，锂电池安装于机箱内，通过主动加热的方式，能够适应高空低温环境；超视距操控，采用北斗卫星通信终端，通过北斗短报文实现超视距操纵；可靠性高，本系统具有独立的供电电池、应急控制模块以及超视距链路，火工品的起爆电路通过多路开关量比对实现，防止误触发，采用程序控制和遥控两种模式。

Claims (7)

1.一种无人浮空器应急控制系统，其特征在于，包括：设置于机箱中的应急控制模块、起爆电路和北斗卫星通信终端，其中：应急控制模块分别与放气阀、起爆电路、北斗卫星通信终端相连，起爆电路与设置于浮空器蒙皮上的火工品相连；

所述的应急控制模块接收状态数据以及地面发出的程控指令，通过安全控制逻辑对当前的时间T、高度H或水平距离D进行判断，并向起爆电路发出引爆信号或向放气阀发出开启信号；

所述的应急控制模块接收来自北斗卫星通信终端或来自地面的遥控指令，向起爆电路发出引爆信号或向放气阀发出开启信号；

所述的状态数据包括：电池电压、电池温度、囊体压差、经度、纬度、高度以及水平距离，应急控制模块以固定周期将状态数据发送至北斗卫星通信终端和外部通信接口，并写入应急控制模块自带的储存单元中；

所述的安全控制逻辑为：1)T≥T_c或者H≥H_c或者D≥D_c时，发出引爆信号；2)T≥T_v或者H≥H_v或者D≥D_v时，发出放气阀开启信号，其中：T_c、T_v为时间设定值，H_c、H_v为高度设定值，D_c、D_v为水平距离设定值。

2.根据权利要求1所述的无人浮空器应急控制系统，其特征是，所述的外部通信接口为RS422接口和CAN接口，用于外接主计算机或视距链路。

3.根据权利要求1所述的无人浮空器应急控制系统，其特征是，所述的无人浮空器应急控制系统通过设置于机箱中的电池供电。

4.根据任一权利要求3所述的无人浮空器应急控制系统，其特征是，所述的电池为锂电池，其底部设有用于加热锂电池的加热片。

5.根据权利要求1所述的无人浮空器应急控制系统，其特征是，所述的火工品为导爆索且铺设于蒙皮顶部。

6.根据权利要求1所述的无人浮空器应急控制系统，其特征是，所述的起爆电路包括：正极控制电路和负极控制电路，其中：正极控制电路和负极控制电路的一端通过继电器与火工品相连，其另一端分别设有两路开关量输入通道，当四路开关量与设定条件完全匹配时，起爆火工品。

7.一种用于任一权利要求所述的无人浮空器应急控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、为无人浮空器应急控制系统上电，通过状态数据判断应急控制系统工作是否正常，此时安全控制逻辑处于禁用状态；当确定系统正常后，使火工品能够有效工作，无人浮空器应急控制系统全部上电完毕；

步骤2、无人浮空器离地前，地面测控站发出程控指令，并设定高度设定值、时间设定值以及水平距离设定值；

步骤3、无人浮空器进入飞行阶段，根据无人浮空器应急控制系统下传的状态数据判断无人浮空器工作状态，可发送遥控指令控制应急控制模块向起爆电路发出引爆信号或向放气阀发出开启信号，以及修改控制参数。