本發(fā)明涉及大型浮空器測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域的一種控制系統(tǒng)，特別是涉及一種多階冗余系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)及其協(xié)同控制方法。

背景技術(shù)：

大型系留氣球作為大型的載荷平臺(tái)，具有性能先進(jìn)、技術(shù)含量高、功能完善、工作穩(wěn)定、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)論在軍事國(guó)防領(lǐng)域還是國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，其設(shè)備和技術(shù)存在著廣泛的應(yīng)用前景，也具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

大型系留氣球由于其特殊的工作特性，升空高度高、滯空時(shí)間長(zhǎng)，需要具備二十四小時(shí)不間斷的全天候工作能力。首先，由于浮空器自身體積大，其姿態(tài)難以控制和保持；其次，浮空器控制系統(tǒng)需要完成近百個(gè)氣球系統(tǒng)參數(shù)的采集處理，實(shí)施數(shù)十個(gè)控制器和執(zhí)行器的自動(dòng)控制，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；再次，由于浮空高空工作所處的環(huán)境惡劣，多種外源性干擾會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生擾動(dòng)，如果事關(guān)系統(tǒng)控制決策，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致決策失誤。因此，大型系留氣球?qū)ζ淇刂葡到y(tǒng)的安全性可靠性要求極高。

系留氣球應(yīng)用研究方興未艾，實(shí)現(xiàn)系留氣球系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化必經(jīng)之路，是如何實(shí)現(xiàn)高可靠性、高實(shí)時(shí)性、高有效性又不乏易用性的系留氣球控制系統(tǒng)，這也是構(gòu)建整個(gè)浮空平臺(tái)系統(tǒng)的核心內(nèi)容，同時(shí)是讓不具備太多專業(yè)能力的用戶能夠使用系留氣球所必須面對(duì)和解決的重要問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)亟需解決的關(guān)鍵性系統(tǒng)設(shè)計(jì)和方法實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種多階冗余系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)及其協(xié)同控制方法。

本發(fā)明具體技術(shù)方案如下：一種多階冗余系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)，其包括地面控制子系統(tǒng)和受控于該地面控制子系統(tǒng)的多個(gè)球上子系統(tǒng)；每個(gè)球上子系統(tǒng)包括球上控制分機(jī)、執(zhí)行控制器、多個(gè)執(zhí)行器、多個(gè)傳感器、多個(gè)信號(hào)采集器；該球上控制分機(jī)接收該地面控制子系統(tǒng)的控制命令，并根據(jù)該控制命令采集該傳感器和信號(hào)采集器的采樣信號(hào)并回傳該地面控制子系統(tǒng)，還根據(jù)該控制命令控制至少一個(gè)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行器運(yùn)行；

其中，該多階冗余系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)從實(shí)現(xiàn)邏輯上劃分為三個(gè)邏輯層：系統(tǒng)層、鏈路層和處理層；該系統(tǒng)層將該地面控制子系統(tǒng)的指控計(jì)算機(jī)和顯控臺(tái)進(jìn)行雙冗余，且還將該球上控制分機(jī)的球控計(jì)算機(jī)進(jìn)行雙冗余；該系統(tǒng)層的冗余控制實(shí)現(xiàn)采用系統(tǒng)控制權(quán)處理方法；該鏈路層將該指控計(jì)算機(jī)和每個(gè)球控計(jì)算機(jī)之間的通信設(shè)備進(jìn)行雙冗余：雙冗余收發(fā)信機(jī)、雙通道地空通信，還將該球控計(jì)算機(jī)和每個(gè)執(zhí)行器之間的通信設(shè)備進(jìn)行雙冗余：雙通道執(zhí)行通信、雙通道板間通信；該鏈路層的冗余控制實(shí)現(xiàn)采用數(shù)據(jù)交換方法；該處理層將每個(gè)球控計(jì)算機(jī)的處理器進(jìn)行雙冗余：雙冗余計(jì)算機(jī)板卡，還將每個(gè)執(zhí)行器的處理器進(jìn)行雙冗余：雙冗余FPGA執(zhí)行控制器、多路冗余傳感器、多路冗余采集器；該處理層的冗余控制實(shí)現(xiàn)采用處理器仲裁決策方法；其中，每個(gè)邏輯層的設(shè)計(jì)具備相對(duì)獨(dú)立的功能劃分和任務(wù)劃分，同時(shí)針對(duì)每個(gè)邏輯層提供相對(duì)獨(dú)立的控制，一方面降低不同邏輯層上設(shè)備間的耦合度，另一方面增強(qiáng)同一邏輯層上的冗余設(shè)備之間的協(xié)同性。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，該系統(tǒng)層的系統(tǒng)控制權(quán)處理方法將整個(gè)控制系統(tǒng)劃分為若干個(gè)處理單元，每個(gè)處理單元具有獨(dú)立自主的控制權(quán)限，單元內(nèi)冗余設(shè)備以交換控制權(quán)方式實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。

進(jìn)一步地，該控制權(quán)限包括該指控計(jì)算機(jī)的指控控制權(quán)、該球控計(jì)算機(jī)的球控控制權(quán)、該執(zhí)行控制器的執(zhí)行控制權(quán)。

再進(jìn)一步地，該球控控制權(quán)的決策處理方法為：當(dāng)球控控制權(quán)設(shè)置為自動(dòng)配置控制權(quán)時(shí)，該球控計(jì)算機(jī)在每個(gè)程序執(zhí)行的每個(gè)周期，獲取指控指令、實(shí)施控制任務(wù)，更新系統(tǒng)所有信息并實(shí)時(shí)輸出至至少一個(gè)執(zhí)行控制器；執(zhí)行控制器實(shí)時(shí)監(jiān)聽對(duì)方的工作狀態(tài)，交換系統(tǒng)信息，完成數(shù)據(jù)同步；執(zhí)行控制器一旦無(wú)法獲取數(shù)據(jù)信息，同時(shí)通過(guò)“心跳”線沒(méi)有檢測(cè)到該球控計(jì)算機(jī)正常狀態(tài)，則升級(jí)為主設(shè)備，復(fù)位故障設(shè)備，無(wú)縫接管球控控制權(quán)，繼續(xù)上一周期的任務(wù)執(zhí)行，保證控制系統(tǒng)順利工作。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，該鏈路層的數(shù)據(jù)交換方法將該鏈路層的交換數(shù)據(jù)劃分為控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)兩類，該控制數(shù)據(jù)具有單向有序特點(diǎn)，該狀態(tài)數(shù)據(jù)具有廣播交互特點(diǎn)，保證系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時(shí)有效和控制數(shù)據(jù)執(zhí)行的準(zhǔn)確安全；該系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)為該球上控制分機(jī)和該執(zhí)行控制器。

進(jìn)一步地，該鏈路層的數(shù)據(jù)交換方法：控制數(shù)據(jù)保證只能以具有控制權(quán)限的指控計(jì)算機(jī)發(fā)起和執(zhí)行，球上控制分機(jī)只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)；當(dāng)正常通信鏈路正常時(shí)，控制數(shù)據(jù)從主控鏈路發(fā)送，一旦正常通信鏈路故障，控制數(shù)據(jù)則切換到應(yīng)急通信鏈路發(fā)送；同樣，球上控制節(jié)點(diǎn)也是由球上控制分機(jī)執(zhí)行相應(yīng)控制命令，而執(zhí)行控制器只是作為控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)使用；對(duì)于系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)而言，兩個(gè)互為冗余的指控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)交換系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，保證狀態(tài)數(shù)據(jù)的完整一致，同時(shí)通過(guò)廣播的方式與其他節(jié)點(diǎn)交互，多階冗余系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)的任意節(jié)點(diǎn)均能以查詢方式獲取完整的系統(tǒng)狀態(tài)信息。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，該仲裁模塊實(shí)時(shí)對(duì)所有處理器進(jìn)行監(jiān)視，評(píng)價(jià)處理器運(yùn)行狀態(tài)，將處理任務(wù)切換至狀態(tài)正常處理器，復(fù)位狀態(tài)異常處理器，無(wú)法消除故障時(shí)隔離故障器件，并上報(bào)處理結(jié)果。

進(jìn)一步地，該仲裁模塊實(shí)時(shí)控制處理器之間的同步通信，以共享內(nèi)存空間的方式實(shí)現(xiàn)兩處理器間的數(shù)據(jù)共享。

再進(jìn)一步地，該仲裁模塊內(nèi)部采用互斥信號(hào)量機(jī)制保證兩處理器的程序同步，采用偵聽處理器的脈沖計(jì)數(shù)方式判定故障與否，系統(tǒng)控制任務(wù)優(yōu)先在高優(yōu)先級(jí)處理器上運(yùn)行，一旦其出現(xiàn)故障，仲裁模塊將系統(tǒng)總線交付至低優(yōu)先級(jí)處理器，接管處理器利用寄存器暫存數(shù)據(jù)和共享內(nèi)存數(shù)據(jù)，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和程序數(shù)據(jù)，保證任務(wù)平穩(wěn)遷移到接管處理器上的繼續(xù)執(zhí)行。

本發(fā)明還提供一種多階冗余系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)的協(xié)同控制方法，將多階冗余系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)從實(shí)現(xiàn)邏輯上劃分為三個(gè)邏輯層：系統(tǒng)層、鏈路層和處理層；每個(gè)邏輯層的設(shè)計(jì)具備相對(duì)獨(dú)立的功能劃分和任務(wù)劃分，同時(shí)針對(duì)每個(gè)邏輯層提供相對(duì)獨(dú)立的控制，一方面降低不同邏輯層上設(shè)備間的耦合度，另一方面增強(qiáng)同一邏輯層上的冗余設(shè)備之間的協(xié)同性，該多階冗余系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)為上述任意多階冗余系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)。

本發(fā)明有益效果如下：

1.本發(fā)明針對(duì)系留氣球姿態(tài)控制多處關(guān)鍵點(diǎn)，創(chuàng)建了冗余協(xié)同工作的控制系統(tǒng)構(gòu)架，增強(qiáng)了系統(tǒng)容錯(cuò)控制能力，確保浮空器載體受控運(yùn)行的高安全性和高可靠性；

2.本發(fā)明多階冗余設(shè)計(jì)方法，基于系統(tǒng)中不同級(jí)別設(shè)備、不同功能需求，規(guī)劃實(shí)現(xiàn)不同的控制決策和方法，規(guī)避冗余設(shè)計(jì)引入的風(fēng)險(xiǎn)，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性，有效提高了系統(tǒng)的健壯性和抗干擾性；

3.本發(fā)明多項(xiàng)自適應(yīng)控制方法，確保系統(tǒng)在自控/遙控模式下有序運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系留氣球的智能化控制，解決系留氣球使用操作者專業(yè)知識(shí)要求高的困難，該系統(tǒng)具備友好的人機(jī)接口和較好的易用性；

4.本發(fā)明提出的設(shè)計(jì)方案，功能性優(yōu)越，模塊化程度高，可移植性強(qiáng)，一方面大大提高系統(tǒng)的可維修性，另一方面可采納作為大多數(shù)系留氣球控制系統(tǒng)的通用性和繼承性設(shè)計(jì)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的多階冗余系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)的架構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的多階冗余系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)的邏輯層劃分圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)層的控制權(quán)處理方法示意圖；

圖4a是本發(fā)明實(shí)施例的鏈路層的數(shù)據(jù)交換時(shí)的狀態(tài)示意圖；

圖4b是本發(fā)明實(shí)施例的鏈路層的數(shù)據(jù)交換時(shí)的另一種狀態(tài)示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例的球控計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例的執(zhí)行控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明的多階冗余系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)在主體構(gòu)架上分為地面和空中兩部分，即地面控制子系統(tǒng)和受控于該地面控制子系統(tǒng)的多個(gè)球上子系統(tǒng)。每個(gè)球上子系統(tǒng)包括球上控制分機(jī)、執(zhí)行控制器、多個(gè)執(zhí)行器、多個(gè)傳感器、多個(gè)信號(hào)采集器。該球上控制分機(jī)接收該地面控制子系統(tǒng)的控制命令，并根據(jù)該控制命令采集該傳感器和信號(hào)采集器的采樣信號(hào)并回傳該地面控制子系統(tǒng)，還根據(jù)該控制命令控制至少一個(gè)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行器運(yùn)行。

在本實(shí)施例中，控制系統(tǒng)主要分布在球上和地面控制中心。球上系統(tǒng)設(shè)備包括控制分機(jī)、執(zhí)行控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及各類信號(hào)采集器、傳感器，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)氣球姿態(tài)、囊體形態(tài)、系纜狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等近百個(gè)氣球參數(shù)的采集與處理；同時(shí)接收地面控制中心的控制指令，實(shí)施數(shù)十個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)備控制，在自控或遙控模式下，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等自適應(yīng)輸出相應(yīng)的控制動(dòng)作，保證系留氣球系統(tǒng)始終處于正確的姿態(tài)控制范圍和正常的工作狀態(tài)。

地面控制中心設(shè)備完成氣球控制系統(tǒng)的綜合顯示，包括各類采集傳感數(shù)據(jù)、執(zhí)行設(shè)備工作狀態(tài)、系統(tǒng)自控/遙控及命令執(zhí)行狀態(tài)、球上球下設(shè)備間的通信內(nèi)容實(shí)時(shí)記錄，氣球故障信息的記錄與報(bào)警等，接受人工干預(yù)，發(fā)布控制指令。

由于系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)分布式的特點(diǎn)，具有較多的獨(dú)立失效點(diǎn)，必須利用冗余設(shè)計(jì)來(lái)提高和保證系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。本發(fā)明針對(duì)控制系統(tǒng)的任務(wù)處理、控制執(zhí)行、數(shù)據(jù)交互、指控分析等多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)本身的復(fù)雜性，加上系統(tǒng)的多冗余設(shè)計(jì)又進(jìn)一步加大了復(fù)雜度，因此需要嚴(yán)格保證系統(tǒng)各部件之間協(xié)同工作。

多階冗余系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)從實(shí)現(xiàn)邏輯上劃分為三個(gè)邏輯層：系統(tǒng)層、鏈路層和處理層，如圖2所示。每個(gè)邏輯層的設(shè)計(jì)具備相對(duì)獨(dú)立的功能劃分和任務(wù)劃分，同時(shí)針對(duì)每個(gè)邏輯層提供相對(duì)獨(dú)立的控制決策和方法。

一、系統(tǒng)層的冗余設(shè)計(jì)

系統(tǒng)層是針對(duì)模塊級(jí)整件級(jí)設(shè)備開展設(shè)計(jì)，是面向完整系統(tǒng)功能的系統(tǒng)級(jí)冗余。以其中一個(gè)整件作為主控設(shè)備，其他從設(shè)備處于熱備狀態(tài)。系統(tǒng)層的冗余設(shè)計(jì)主要包括：雙冗余指控計(jì)算機(jī)、雙冗余球控計(jì)算機(jī)、雙冗余顯控臺(tái)等。本邏輯層的冗余控制實(shí)現(xiàn)采用特定的系統(tǒng)控制權(quán)處理方法。

系統(tǒng)層的控制方法主要采用系統(tǒng)控制權(quán)處理方法：如圖1所示，整個(gè)控制系統(tǒng)劃分為若干個(gè)處理單元，從指控中心計(jì)算機(jī)處理單元到球上控制分機(jī)處理單元再到執(zhí)行控制處理單元等，每個(gè)處理單元具有獨(dú)立自主的控制權(quán)限，單元內(nèi)冗余設(shè)備以交換控制權(quán)方式實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。系統(tǒng)層冗余設(shè)計(jì)主要包括雙冗余指控計(jì)算機(jī)、雙冗余球控計(jì)算機(jī)、雙冗余顯控臺(tái)等。本邏輯層的冗余控制實(shí)現(xiàn)采用特定的系統(tǒng)控制權(quán)處理方法。系統(tǒng)控制權(quán)按自下到上劃分，主要設(shè)計(jì)包括指控控制權(quán)、球控控制權(quán)、執(zhí)行控制權(quán)等。

以球上控制分機(jī)為例，圖3為球控控制權(quán)的決策處理方法。當(dāng)球控控制權(quán)設(shè)置為自動(dòng)配置控制權(quán)時(shí)，單元內(nèi)部?jī)扇哂嘣O(shè)備擁有控制權(quán)的為主設(shè)備，在每個(gè)程序執(zhí)行的每個(gè)周期，獲取指控指令、實(shí)施控制任務(wù)，更新系統(tǒng)所有信息并實(shí)時(shí)輸出至從設(shè)備。從設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)聽對(duì)方的工作狀態(tài)，交換系統(tǒng)信息，完成數(shù)據(jù)同步，同步數(shù)據(jù)包括控制命令、工作參數(shù)、執(zhí)行狀態(tài)等。從設(shè)備一旦無(wú)法獲取數(shù)據(jù)信息，同時(shí)通過(guò)“心跳”線沒(méi)有檢測(cè)到主設(shè)備正常狀態(tài)，則升級(jí)為主設(shè)備，復(fù)位故障設(shè)備，無(wú)縫接管球控控制權(quán)，繼續(xù)上一周期的任務(wù)執(zhí)行，保證控制系統(tǒng)順利工作。

二、鏈路層的冗余設(shè)計(jì)

鏈路層負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)層到處理層的功能映射與消息傳遞，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)間的互聯(lián)互通。容錯(cuò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)主要包括雙冗余收發(fā)信機(jī)、雙通道地空通信，雙通道執(zhí)行通信，雙通道板間通信等。通信網(wǎng)絡(luò)的偵聽、切換與流控通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。

鏈路層的控制方法主要采用特定的數(shù)據(jù)交換方法：將鏈路層需要交換的數(shù)據(jù)劃分為控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)兩類，控制數(shù)據(jù)具有單向有序的特點(diǎn)，狀態(tài)數(shù)據(jù)具有廣播交互的特點(diǎn)，從而保證了系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時(shí)有效和控制數(shù)據(jù)執(zhí)行的準(zhǔn)確安全。

以地空通信為例，兩組收發(fā)信機(jī)構(gòu)成了地面中心和球上之間正常數(shù)傳和應(yīng)急數(shù)傳兩路互為冗余的通信鏈路，系統(tǒng)監(jiān)聽無(wú)線通信的鏈路狀態(tài)，并完成對(duì)兩路數(shù)傳通信工作態(tài)和備份態(tài)的實(shí)時(shí)切換。圖4a與圖4b展示了相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換控制方法，系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)保證只能以具有控制權(quán)的主設(shè)備發(fā)起和執(zhí)行，從設(shè)備只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)正常通信鏈路正常時(shí)，控制數(shù)據(jù)從主控鏈路發(fā)送，一旦正常通信鏈路故障，控制數(shù)據(jù)則切換到應(yīng)急通信鏈路發(fā)送。同樣，球上控制節(jié)點(diǎn)也是由主設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)控制命令，而從設(shè)備只是作為控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)使用。對(duì)于系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)而言，兩個(gè)互為冗余的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)交換系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，保證狀態(tài)數(shù)據(jù)的完整一致，同時(shí)可以通過(guò)廣播的方式與其他節(jié)點(diǎn)交互，控制系統(tǒng)的任意節(jié)點(diǎn)均能以查詢方式獲取完整的系統(tǒng)狀態(tài)信息。

三、處理層冗余設(shè)計(jì)

處理層冗余設(shè)計(jì)，主要包括雙冗余處理器的計(jì)算機(jī)板卡設(shè)計(jì)、雙冗余FPGA執(zhí)行控制器設(shè)計(jì)，多路冗余傳感器采集器設(shè)計(jì)等。

本邏輯層的冗余控制實(shí)現(xiàn)采用特定的處理器仲裁決策方法：設(shè)計(jì)仲裁模塊實(shí)時(shí)對(duì)所有處理器進(jìn)行監(jiān)視，評(píng)價(jià)處理器運(yùn)行狀態(tài)，將處理任務(wù)切換至狀態(tài)正常處理器，復(fù)位狀態(tài)異常處理器，無(wú)法消除故障時(shí)隔離故障器件，并上報(bào)處理結(jié)果。仲裁模塊實(shí)時(shí)控制處理器之間的同步通信，以共享內(nèi)存空間的方式實(shí)現(xiàn)兩處理器間的數(shù)據(jù)共享。仲裁模塊內(nèi)部采用互斥信號(hào)量機(jī)制保證兩處理器的程序同步，采用偵聽處理器的脈沖計(jì)數(shù)方式判定故障與否，系統(tǒng)控制任務(wù)優(yōu)先在高優(yōu)先級(jí)處理器上運(yùn)行，一旦其出現(xiàn)故障，仲裁模塊將系統(tǒng)總線交付至低優(yōu)先級(jí)處理器，接管處理器利用寄存器暫存數(shù)據(jù)和共享內(nèi)存數(shù)據(jù)，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和程序數(shù)據(jù)，保證任務(wù)平穩(wěn)遷移到接管處理器上的繼續(xù)執(zhí)行。

綜上所述，本發(fā)明的多階冗余系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)的協(xié)同控制方法，將多階冗余系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)從實(shí)現(xiàn)邏輯上劃分為三個(gè)邏輯層：系統(tǒng)層、鏈路層和處理層；每個(gè)邏輯層的設(shè)計(jì)具備相對(duì)獨(dú)立的功能劃分和任務(wù)劃分，同時(shí)針對(duì)每個(gè)邏輯層提供相對(duì)獨(dú)立的控制，一方面降低不同邏輯層上設(shè)備間的耦合度，另一方面增強(qiáng)同一邏輯層上的冗余設(shè)備之間的協(xié)同性。

請(qǐng)?jiān)俅螀㈤唸D1，本發(fā)的多階冗余系留氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)，其球上控制分機(jī)是球上控制設(shè)備的信息處理中心，收集來(lái)自氣球上傳感器數(shù)據(jù)和設(shè)備工作狀態(tài)下傳至地面控制中心，同時(shí)接收來(lái)自控制中心的控制命令完成對(duì)氣球的遙控，或者按照特定流程控制球上設(shè)備完成自動(dòng)控制功能。分機(jī)內(nèi)部信號(hào)與外置設(shè)備的信號(hào)通過(guò)設(shè)計(jì)的印制背板、分機(jī)轉(zhuǎn)接板完成信號(hào)的互連與輸入/輸出。分機(jī)由球控計(jì)算機(jī)、球控穩(wěn)壓器、雙冗余差壓傳感器、定位系統(tǒng)等設(shè)備組成。球上控制分機(jī)主要實(shí)現(xiàn)如下處理功能：

氣球參數(shù)處理功能：基于傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣球狀態(tài)參數(shù)的采集，通過(guò)數(shù)據(jù)融合對(duì)互補(bǔ)與冗余信息進(jìn)行處理，包括對(duì)多源的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)、相關(guān)、組合和估計(jì)。

氣球姿態(tài)控制功能：通過(guò)對(duì)多個(gè)執(zhí)行設(shè)備實(shí)施控制，實(shí)現(xiàn)氣球姿態(tài)的控制與保持。同時(shí)具備壓力、溫度、電源等多種自控功能。

工作狀態(tài)監(jiān)視功能：實(shí)時(shí)采集獲取氣球系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息、控制命令執(zhí)行信息等。掌握氣球的安全狀態(tài)，出現(xiàn)安全故障立即告警。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能：針對(duì)與氣球系統(tǒng)運(yùn)行密切相關(guān)的一些重要數(shù)據(jù)與參數(shù)，提供設(shè)置、更新、保存功能。

數(shù)據(jù)記錄重演功能：對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)的控制、參數(shù)、數(shù)據(jù)、狀態(tài)及故障信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，并可通過(guò)重演軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)重現(xiàn)。

球上控制分機(jī)內(nèi)有兩塊互為冗余的球控計(jì)算機(jī)裝置，它們之間通過(guò)兩路通信實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)。主要功能是獲取來(lái)自氣球上所有參數(shù)信息、狀態(tài)及故障信息以及來(lái)自地面系統(tǒng)的控制指令，分析上述信息和指令后控制執(zhí)行控制器，最終實(shí)施球上設(shè)備的各類控制。同時(shí)氣球所有系統(tǒng)的狀態(tài)信息通過(guò)數(shù)傳通信設(shè)備傳遞至地面系統(tǒng)。

如圖5所示，球控計(jì)算機(jī)裝置主要由雙冗余CPU模塊、總線仲裁和交互通信模塊、通信擴(kuò)展模塊、輸入輸出接口驅(qū)動(dòng)模塊、端口譯碼模塊、控制執(zhí)行模塊、狀態(tài)/故障采集模塊等組成。本發(fā)明提供了一種雙處理器熱冗余主從模式的球控計(jì)算機(jī)裝置，作為系留氣球姿態(tài)控制的核心，兩套CPU互為備份，加電時(shí)一個(gè)CPU作為主處理器，另一個(gè)CPU作為從處理器，在正常工作時(shí)雙機(jī)定時(shí)互傳數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。當(dāng)一個(gè)處理器出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，總線仲裁模塊進(jìn)行平滑過(guò)渡，將任務(wù)遷移到另一個(gè)處理器。

執(zhí)行控制器裝置主要功能是接收來(lái)自球控計(jì)算機(jī)的控制指令，實(shí)現(xiàn)氣球風(fēng)機(jī)、閥門、加熱絲等設(shè)備開關(guān)量的控制；各執(zhí)行設(shè)備的工作狀態(tài)和故障監(jiān)視；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的溫度檢測(cè)；電力參數(shù)的智能監(jiān)測(cè)與控制。

如圖6所示，執(zhí)行控制器有兩路通信鏈路與兩塊球控計(jì)算機(jī)分別通信，同時(shí)兩條通信鏈路分別由兩塊獨(dú)立的FPGA進(jìn)行維護(hù)和控制。兩塊FPGA分別解析收到的指令，可以分別做出相應(yīng)的控制。溫度信號(hào)為兩線制RS485信號(hào)，在FPGA內(nèi)部使用UART機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度信號(hào)的獲取。電流、電壓傳感器輸出的模擬量利用A/D來(lái)完成采集，每路模擬量都由2片A/D來(lái)備份采集，并分別由2片F(xiàn)PGA進(jìn)行數(shù)據(jù)打包。執(zhí)行機(jī)構(gòu)回饋信號(hào)分壓成0/5VDC信號(hào)，與其他TTL電平BIT信號(hào)一起同時(shí)被2片F(xiàn)PGA備份采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)打包回傳。正常工作1個(gè)FPGA作為主控設(shè)備，仲裁模塊根據(jù)狀態(tài)回饋判斷出當(dāng)前接受控制的FPGA工作異常時(shí)，則關(guān)閉此FPGA輸出，切換至另一塊FPGA接管控制輸出。

綜上所述，借助于本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，針對(duì)系留氣球系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，構(gòu)建了多階冗余姿態(tài)控制系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)容錯(cuò)控制能力；基于設(shè)備不同級(jí)別和不同功能需求設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制決策和方法，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性，有效提高系統(tǒng)的健壯性和抗干擾性，確保系留氣球系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性；系留氣球姿態(tài)的智能化控制和友好的人機(jī)接口，有效解決大型系留氣球的使用性難題；通用化、模塊化設(shè)計(jì)可在類似控制系統(tǒng)領(lǐng)域繼承應(yīng)用和廣泛推廣。

盡管為示例目的，已經(jīng)公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到各種改進(jìn)、增加和取代也是可能的，因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)不限于上述實(shí)施例。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。