CN110166545A - 基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统及设计方法，满足航空稳定平台系统动态运行时数据传输距离不受限制且实时准确监控的要求。本发明的系统包括下位机系统和上位机系统，下位机系统包括高速数据采集单元以及数据传输单元，高速数据采集单元包括DSP处理器，用于对航空惯性稳定平台数据的高速实时采集，包括采集三轴控制电机电流，三轴框架运动角速度、加速度、位置姿态角信息；数据传输单元包括DTU模块，用于对采集的数据进行打包处理，并将数据无线上传到上位机系统；上位机系统包括服务器，用于对上传数据的抓取、解析、保存，还包括可视化的无线监控前端网页，实现对航空惯性稳定平台的远距离数据可视化无线监控。

Description

基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统及设计方法

技术领域

本发明属于远距离无线航空实时数据传输技术领域，涉及一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统及设计方法，可以满足航空稳定平台系统在进行车载和机载动态运行时数据传输距离不受限制且方便实时准确监控，适用于各类车载系统设备、机载系统设备。

背景技术

近年来，随着航空技术的快速发展使得民用航空、军用航空等飞机对飞行数据的记录的实时要求越来越高，对运动载体状态的实时监测对飞行员和指挥中心操作人员做出正确判断十分重要。高空环境不同于地面环境，地面的工作人员很难实时观察远距离载体运行参数，因此开发出远程传输和监控系统时远距离测试必须要面临解决的问题。

目前国内外有部分厂家已经开发出类似的产品，但都存在监控数据不全面、适用性不够全面、实时性较差的问题，并且数据传输多采用GPRS，3G和Wi-Fi无线传输方式，由于传输的信号带宽和传输距离限制，从而无法完整反映载体整体运动情况，因此实验操作人员就无法直观的、有效的做出正确观察和判断，而且遇到网络不稳定情况系统就会出现掉线，导致数据传输无法正常进行，会造成严重的后果。经过多年的研究，特别是最近五年来，4G通信技术得到了巨大的进步，相比较于传统的3G通信技术，在数据的传输速率上已经提高数千倍。截至2018年年底，全球的4G网络覆盖率逐年在提高，除了少数一些岛屿国家以外，基本实现全球覆盖。4G的广泛使用给基于4G通信技术的多种数据传输方案带来了便捷。通信的高速性是4G通信技术的主要标志，4G通信可以帮助用户实现随时随地通信，而且可以快速浏览网页、玩游戏等，运用4G技术的终端基本上可以算是一台无线联网的电脑，有效保障了数据传输的高速性和安全性。

目前，已有专利中关于基于4G通信的远距离数据传输主要包括两类，第一类是基于4G通信技术的无线控制装置，如中国专利“一种国网4G全网通通讯模块数据指示灯控制装置”(CN201820803038.6)，包括远程通讯模块、电子开关模块及状态指示单元，所述电子开关模块包含两个电子开关电路，每个电子开关电路包括依次连接的限流电阻、三极管及限流电阻，所述状态指示单元包含两个不同颜色的指示灯，所述远程通讯模块的两个引脚及两个指示灯分别连接两个电子开关电路的两端，采用4G全网通模块SIM7100的两个引脚来控制两个不同颜色指示灯的指示状态，这样可以直观的反映模块数据通讯的状态，便于现场工作人员排查故障，但是缺乏远程的监测和显示，操作人员无法根据状态反馈来确认操作是否正确，存在误操作的危险；第二类主要是远距离无线音频、视频传输，如中国专利“基于4G的城市交通路口无线视频监控系统”(CN201710287262.4)公开了一种基于4G通信技术的城市交通路口无线视频监控系统，包括监控中心和城市路口端；监控中心包括硬盘录像机、视频墙、视频解码器、交换机和监控服务器，城市路口端包括摄像机、云台、云台控制器、视频解码器和路由器，有益的效果为：交通路口视频监控系统通过建立覆盖城市主要干道及路口的数字网络，配备相应的图像监视设备和软件，可将交通路口车辆运行画面实时传送到调度中心，对道路车辆运行状况进行监控。同时，公安交通管理部门可以根据现场实际情况对道路车流量进行控制，将车辆安排到畅通的路段，减少阻塞，保证道路交通畅通，实现城市交通管理的智能化，缺乏对实际运动载体例如车辆运动速度、位置等实时数据的处理和显示。综上，随着4G通信技术的发展和应用的普及，针对航空惯性稳定平台远程数据实时监控系统的设计有了广阔的前景，而这方面的实践研究还比较缺乏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服监控数据不全面、适用性不够全面、实时性较差的问题，提出一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统及设计方法，可以满足航空稳定平台系统在进行车载和机载动态运行时数据传输距离不受限制且方便实时准确监控的要求，适用于各类车载系统设备、机载系统设备。

本发明为解决该项目目前存在的技术问题采用的技术解决方案是：

一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统，其特征在于，包括下位机系统和上位机系统，所述下位机系统包括高速数据采集单元以及数据传输单元，所述高速数据采集单元包括DSP处理器，用于对航空惯性稳定平台数据的高速实时采集，包括采集三轴控制电机电流，三轴框架运动角速度、加速度、位置姿态角信息；所述数据传输单元包括DTU模块，用于对采集的数据进行打包处理，并将数据无线上传到上位机系统；所述上位机系统包括服务器，用于对上传数据的抓取、解析、保存，还包括可视化的无线监控前端网页，实现对航空惯性稳定平台的远距离数据可视化无线监控。

一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、利用TMS320F28335芯片(DSP处理器)设计高速数据采集系统，实现对航空惯性稳定平台系统数据的高速实时采集，主要采集三轴控制电机电流，三轴框架运动角速度、加速度、位置姿态角信息，解决了传统低速、中速数据采集系统传输速度慢的不足，分为以下3个部分：

11)、利用TMS320F28335高性能32位浮点DSP处理器中的A/D模块对三轴电机的高速电流信号进行采集和处理，采集的数据精度高、速度快；

12)、在采集过程中，所需的同步命令不直接操作A/D变换器，而是操作高速FIFO的写入端来判断是否进行数据的采样、复位，可以保证A/D模块和时钟一直工作，从而保证高速电流数据的有效性；

13)、利用TMS320F28335中的串行通信SCI接口与安装在稳定平台上的POS位置姿态测量模块进行通信，完成三轴框架运动角速度、加速度、位置姿态角信息的实时采集和处理。

(2)、利用DTU模块对步骤(1)中采集的数据进行打包处理，并将数据上传到网络服务器端，保证了数据传输快速性且不受距离限制。DTU模块实现以下3个功能：

21)、通过DTU模块的串口通信RS-232接口完成与TMS320F28335芯片的通信，实现数据采集并打包；

22)、所述DTU模块支持4G通信；

23)、所述DTU模块作为传输控制协议(Transmission Control Protocol，TCP)客户端，利用三次握手协议与服务器建立连接来完成数据的无线传输。

(3)、调用远程API接口，获取步骤(2)中DTU模块上传到服务器端的原始数据的解析数据。获取解析数据包括以下3个步骤：

步骤31)、生成代表TCP客户端的HTTPCLIENT对象以及生成代表请求的HTTPPOST对象来发送请求；

步骤32)、获取服务器返回的HTTPRESPONSE对象，并从相应对象中取出数据；

步骤33)、用输入流进行字节读取，然后转换成字符流，接着缓冲字符流，提供字符、数组和行的高效读取；

步骤34)、根据预先设定的数组协议进行数据解析，得到16进制4字节数据对应的十进制浮点型数据。

(4)、采用包括结构层(HTML)、表示层(CSS)、行为层(JAVASCRIPT)在内的的三层结构设计无线监控前端网页，通过展示(3)中解析得到的数据，完成航空惯性稳定平台远距离数据无线监控的目的。无线监控前端网页的设计包括以下4个步骤：

41)、采用WEBSTORM开发工具进行WEB前端网页界面的开发；

42)、采用HTML5标记语言对网页元素进行整理、分类和网页结构的设计；

43)、采用CSS层叠样式表对网页进行布局，控制网页的表现，增强网页端的美观性和阅读性；

44)、采用JAVASCRIPT脚本语言进行数据解析和数据传递，对下位机系统传送的数据解析后集合HTML传输到网页进行可视化显示。

(5)、根据步骤(4)设计出的无线监控前端网页包括：

51)、主界面，该界面主要：显示设备运行情况；利用百度地图API接口实时查询显示设备所处地理位置；显示稳定平台发送的原始数据、发送数据个数；按照通信协议显示对原始数据完成的实时解析结果，得到姿态角信息、电机电流信息、框架角速率信息。

52)、POS姿态信息显示界面截图，该界面主要：显示解析后的POS姿态角变化实时曲线；显示姿态角的实时误差变化柱状图；显示实时采集到的数据个数；并完成数据的下载查看。

53)、通信调试界面截图，该界面：显示稳定平台发送的原始数据、发送数据个数；完成网页端向稳定平台系统发送数据指令的功能。

54)、POS姿态信息、电机电流、角速度显示界面截图，该界面可以实时显示多种信息的实时变化曲线，同时完成数据的下载查看。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提出的一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统及设计方法，基于DSP系统完成稳定平台运行状态数据的高速采集，基于4G DTU模块完成实时数据传输，基于JAVASCRIPT脚本语言的API远程调用实现数据的获取、解析、显示和储存，满足航空稳定平台系统在进行车载和机载动态运行时数据传输距离不受限制且方便实时准确监控的要求，适用于各类车载系统设备、机载系统设备。为相似的车载、机载设备运行状态信息远程实时监控提供指导和借鉴。

(1)本发明利用DSP系统对航空惯性稳定平台运行参数进行高速采集，设计接口电路设计简单，采集精度高、速度快，可同时完成对多路信号的采集。系统联试证明，本系统完全满足航空惯性稳定平台控制系统对电机电流监控、故障检测信号和三轴框架运行参数的采集精度和实时性的要求。

(2)本发明的4G DTU模块网络下行速率最高可以达到100Mbps，上行速率最高可以达到50Mbps，提供高速互联网接入与无线数据连接等功能，适合大数据量传输的应用，同时建设周期短、成本低、网络覆盖范围广、传输稳定可靠、安全保密性能好、链路支持永远在线、按流量计费使用成本低。4G DTU较2G/3G模块有更低的ping值，模块发送数据包到收到服务器应答的时间更短，适合对响应速度要求高的应用。

(3)本发明采用网页前端设计技术对数据进行可视化显示和下载，采用包括结构层(HTML)、表示层(CSS)、行为层(JAVASCRIPT)在内的的三层设计思路，可以让实验人员更加直观的观察数据的实时变化和快速判断。

(4)远程监控系统网页端系统更新数据频率高，实时性高，同时增加数据曲线绘制功能，可以让操作人员更加直观的观察到一段时间内数据的变化情况，给予操作人员正确的参考。

附图说明

图1为本发明的一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统原理拓扑图。

图2为航空惯性稳定平台总体结构图。

附图标记列示如下：1为方位框速率陀螺，2为方位框轴承，3为横滚框速率陀螺，4为横滚框齿轮副，5为横滚框力矩电机，6为横滚框旋转变压器，7为方位框旋转变压器，8为方位框力矩电机，9为方位框齿轮副，10为俯仰框力矩电机，11为俯仰框旋转变压器，12为俯仰框齿轮副，13为俯仰框速率陀螺，14为加速度计y，15为加速度计x，16为俯仰框，17为横滚框，18为方位框，19为相机，20为镜头，21为POS。

图3为本发明的基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统设计方法的三层设计结构图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明的一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统原理拓扑图。本发明基于DSP系统和4G DTU数据传输模块搭建了无线数据监控系统的下位机系统即航空惯性稳定平台实时参数高速采集和上传系统，基于JAVASCRIPT并结合HTML语言、CSS样式表搭建上位机系统即网页端数据的抓取、解析、可视化和保存系统，按照图1原理拓扑图所示，本发明通过4G通信技术进行数据的无线传输，利用JAVASCRIPT脚本语言设计前端网页进行数据远距离获取并实时监控。

一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统，包括下位机系统和上位机系统，所述下位机系统包括高速数据采集单元以及数据传输单元，所述高速数据采集单元包括DSP处理器，用于对航空惯性稳定平台数据的高速实时采集，包括采集三轴控制电机电流，三轴框架运动角速度、加速度、位置姿态角信息；所述数据传输单元包括DTU模块，用于对采集的数据进行打包处理，并将数据无线上传到上位机系统；所述上位机系统包括服务器，用于对上传数据的抓取、解析、保存，还包括可视化的无线监控前端网页，实现对航空惯性稳定平台的远距离数据可视化无线监控。

以图2所示的航空惯性稳定平台为研究对象，航空惯性稳定平台包括方位框速率陀螺1，方位框轴承2，横滚框速率陀螺3，横滚框齿轮副4，横滚框力矩电机5，横滚框旋转变压器6，方位框旋转变压器7，方位框力矩电机8，方位框齿轮副9，俯仰框力矩电机10，俯仰框旋转变压器11，俯仰框齿轮副12，俯仰框速率陀螺13，加速度计y 14，加速度计x 15，俯仰框16，横滚框17，方位框18，相机19，镜头20，POS 21。其中的方位框速率陀螺1、俯仰框速率陀螺13、横滚框速率陀螺3，方位框力矩电机8、俯仰框力矩电机10、横滚框力矩电机5分别通过轴承固定在方位框18、俯仰框16、横滚框17上。为了增加电机扭矩，增加方位框齿轮副9、俯仰框齿轮副12、横滚框齿轮副4。为了增加控制的有效性和快速性，增加方位框旋转变压器7、俯仰框旋转变压器11、横滚框旋转变压器6的电路回路。加速度计y 14、加速度计x 15检测2轴加速度固定于框架上，相机19和镜头20上面固定POS 21，连接在方位框上。俯仰框架16通过轴系支承吊于横滚框架17下，横滚框架17通过轴系支承吊于方位框架18下，方位框架18通过轴系支承吊于基座下，基座通过四个线振动减振器与安装底板相连。

具体设计方法如下：

一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统的设计方法，包括如下步骤：

步骤(1)、采用DSP处理器TMS320F28335芯片设计高速数据采集系统实现对航空惯性稳定平台系统数据的高速实时采集，包括采集三轴控制电机电流，三轴框架运动角速度、加速度、位置姿态角信息；

步骤(2)、采用DTU模块对步骤(1)中采集的数据进行打包处理，并将数据上传到网络服务器端；

步骤(3)、调用远程API接口，获取步骤(2)中DTU模块上传到服务器端的原始数据的解析数据；

步骤(4)、采用包括结构层(HTML)、表示层(CSS)、行为层(JAVASCRIPT)在内的三层结构设计无线监控前端网页，展示步骤(3)中解析得到的数据，完成航空惯性稳定平台远距离无线监控。

图3为本发明的基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统设计方法的三层设计结构图。

1、数据采集层的DSP处理器选取的是TMS320F28335芯片，实现对航空惯性稳定平台系统数据的高速实时采集，主要采集三轴控制电机电流，三轴框架运动角速度、加速度、位置姿态角信息，解决了的传统低速、中速数据采集系统传输速度慢的不足，分为以下3个部分：

11)、利用TMS320F28335高性能32位浮点DSP处理器中的A/D模块对三轴电机的高速电流信号进行采集和处理，采集的数据精度高、速度快；

12)、在采集过程中，所需的同步命令不直接操作A/D变换器，而是操作高速FIFO的写入端来判断是否进行数据的采样、复位，可以保证A/D模块和时钟一直工作，从而保证高速电流数据的有效性；

13)、利用TMS320F28335中的串行通信SCI接口与安装在稳定平台上的POS位置姿态测量模块进行通信，完成三轴框架运动角速度、加速度、位置姿态角信息的实时采集和处理。

2、采用4G DTU模块对采集的数据进行打包处理，并将数据上传到网络服务器端，保证了数据传输快速性且不受距离限制。DTU模块实现以下3个功能：

21)、这里的DTU模块利用串口通信RS-232接口完成与TMS320F28335芯片的通信，实现数据采集并打包；

22)、这里的DTU模块支持4G通信；

23)、这里的DTU模块作为传输控制协议(Transmission Control Protocol，TCP)客户端，利用三次握手协议与服务器建立连接来完成数据的无线传输。

3、系统服务层的数据采集服务器调用远程API接口，获取4GDTU模块上传到服务器端的原始数据的解析数据。获取解析数据分为以下3个步骤：

步骤31)、生成代表TCP客户端的HTTPCLIENT对象以及生成代表请求的HTTPPOST对象来发送请求；

步骤32)、获取服务器返回的HTTPRESPONSE对象，并从相应对象中取出数据；

步骤33)、用输入流进行字节读取，然后转换成字符流，接着缓冲字符流，提供字符、数组和行的高效读取；

步骤34)、根据预先设定的数组协议进行数据解析，得到16进制4字节数据对应的十进制浮点型数据。

4、采用包括结构层(HTML)、表示层(CSS)、行为层(JAVASCRIPT)在内的的三层设计思路实现前端网页的设计，通过展示(3)中解析得到的数据，完成航空惯性稳定平台远距离数据无线监控的目的。无线监控前端网页的设计分为以下4个部分：

41)、采用WEBSTORM开发工具进行WEB前端网页界面的开发；

42)、采用HTML5标记语言对网页元素进行整理、分类和网页结构的设计；

43)、采用CSS层叠样式表对网页进行布局，控制网页的表现，增强网页端的美观性和阅读性；

44)、采用JAVASCRIPT脚本语言进行数据解析和数据传递，对下位机系统传送的数据解析后集合HTML传输到网页进行可视化显示。

设计出的无线监控前端网页包括：

主界面，该界面主要：显示设备运行情况；利用百度地图API接口实时查询显示设备所处地理位置；显示稳定平台发送的原始数据、发送数据个数；按照通信协议显示对原始数据完成的实时解析结果，得到姿态角信息、电机电流信息、框架角速率信息。

POS姿态信息显示界面截图，该界面主要：显示解析后的POS姿态角变化实时曲线；显示姿态角的实时误差变化柱状图；显示实时采集到的数据个数；并完成数据的下载查看。

通信调试界面截图，该界面：显示稳定平台发送的原始数据、发送数据个数；完成网页端向稳定平台系统发送数据指令的功能。

POS姿态信息、电机电流、角速度显示界面截图，该界面可以实时显示多种信息的实时变化曲线，同时完成数据的文本查看和下载。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统，其特征在于，包括下位机系统和上位机系统，所述下位机系统包括高速数据采集单元以及数据传输单元，所述高速数据采集单元包括DSP处理器，用于对航空惯性稳定平台数据的高速实时采集，包括采集三轴控制电机电流，三轴框架运动角速度、加速度、位置姿态角信息；所述数据传输单元包括DTU模块，用于对采集的数据进行打包处理，并将数据无线上传到上位机系统；所述上位机系统包括服务器，用于对上传数据的抓取、解析、保存，还包括可视化的无线监控前端网页，实现对航空惯性稳定平台的远距离数据可视化无线监控。

2.一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(1)、采用DSP处理器TMS320F28335芯片设计高速数据采集系统实现对航空惯性稳定平台系统数据的高速实时采集，包括采集三轴控制电机电流，三轴框架运动角速度、加速度、位置姿态角信息；

步骤(2)、采用DTU模块对步骤(1)中采集的数据进行打包处理，并将数据上传到网络服务器端；

步骤(3)、调用远程API接口，获取步骤(2)中DTU模块上传到服务器端的原始数据的解析数据；

步骤(4)、采用包括结构层、表示层、行为层在内的三层结构设计无线监控前端网页，展示步骤(3)中解析得到的数据，完成航空惯性稳定平台远距离无线监控。

3.根据权利要求2所述的一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中的设计高速数据实时采集系统包括以下3个步骤：

11)、利用TMS320F28335高性能32位浮点DSP处理器中的A/D模块对三轴电机的高速电流信号进行采集和处理；

12)、在采集过程中，所需的同步命令不直接操作A/D模块，而是操作高速FIFO的写入端来判断是否进行数据的采样、复位，保证A/D模块和时钟一直工作，从而保证高速电流数据的有效性；

13)、利用TMS320F28335中的串行通信SCI接口与安装在航空惯性稳定平台上的POS位置姿态测量模块进行通信，完成三轴框架运动角速度、加速度、位置姿态角信息的实时采集和处理。

4.根据权利要求2所述的一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统的设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中：

21)、通过DTU模块的串口通信RS-232接口完成与TMS320F28335芯片的通信，实现数据采集并打包；

22)、所述DTU模块支持4G通信；

23)、所述DTU模块作为传输控制协议客户端，利用三次握手协议与服务器建立连接来完成数据的无线传输。

5.根据权利要求2所述的一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统的设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中的获取解析数据包括以下3个步骤：

步骤31)、生成代表TCP客户端的HTTPCLIENT对象以及生成代表请求的HTTPPOST对象来发送请求；

步骤32)、获取服务器返回的HTTPRESPONSE对象，并从相应对象中取出数据；

步骤33)、用输入流进行字节读取，然后转换成字符流，接着缓冲字符流，提供字符、数组和行的高效读取；

步骤34)、根据预先设定的数组协议进行数据解析，得到16进制4字节数据对应的十进制浮点型数据。

6.根据权利要求2所述的一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统的设计方法，其特征在于：步骤(4)中的无线监控前端网页的设计包括以下4个步骤：

41)、采用WEBSTORM开发工具进行WEB前端网页界面的开发；

42)、采用HTML5标记语言对网页元素进行整理、分类和网页结构的设计；

43)、采用CSS层叠样式表对网页进行布局，控制网页的表现，增强网页端的美观性和阅读性；

44)、采用JAVASCRIPT脚本语言进行数据解析和数据传递，对下位机系统传送的数据解析后集合HTML传输到网页进行可视化显示。

7.根据权利要求6所述的一种基于航空惯性稳定平台的远距离无线监控系统的设计方法，其特征在于：根据步骤(4)设计出的无线监控前端网页包括：

51)、主界面，用于显示设备运行情况；利用百度地图API接口实时查询显示设备所处地理位置；显示稳定平台发送的原始数据、发送数据个数；按照通信协议显示对原始数据完成的实时解析结果，得到姿态角信息、电机电流信息、框架角速率信息；

52)、POS姿态信息显示界面截图，用于显示解析后的POS姿态角变化实时曲线；显示姿态角的实时误差变化柱状图；显示实时采集到的数据个数；并完成数据的下载查看；

53)、通信调试界面截图，用于显示稳定平台发送的原始数据、发送数据个数；完成网页端向稳定平台系统发送数据指令的功能；

54)、POS姿态信息、电机电流、角速度显示界面截图，用于实时显示所述信息的实时变化曲线，同时完成数据的下载查看。