Công cụ & máy móc

Ni CompactRIO Giám Sát Tầng Ozone Bằng Phi thuyền không gian không người lái Global Hawk

Bộ điều khiển NI CompactRIO với tốc độ xử lý nhanh, tiêu tốn năng lượng ít, cấu tạo chắc chắn được sử dụng để thu thập và truyền thông dữ liệu của khí quyển, không bị nhiễu ở độ cao 64,000 feet với tàu không gian không người lái như NASA Global Hawk

“Bộ điều khiển NI CompactRIO với tốc độ xử lý nhanh, tiêu tốn năng lượng ít, cấu tạo chắc chắn được sử dụng để thu thập và truyền thông dữ liệu của khí quyển, không bị nhiễu ở độ cao 64,000 feet với tàu không gian không người lái như NASA Global Hawk.”

Phòng thí nghiệm nghiên cứu về trái đất NOAA( The National Oceanic and Atmospheric Administration) ở Boulder, Colorado, đã làm việc cùng nhau để nghiên cứu và khám phá được qui trình xử lí, sao cho điều khiển được giữa các thành phần hóa học trong khí quyển trái đất và nâng cao khả năng quản lý bầu khí quyển và đại dương để phát hiện sự biến đổi khí hậu và qui luật biến đổi của chúng trong một thời gian dài.
Phân tích các thành phần trong không khí và qui trình hóa học để đo lường bụi cacbon trong không khí, ozone, axit nitri, chlotine nitrate và hơi nước là nhiệm vụ chính của chiến dịch nghiên cứu này. Cùng với thiết bị đo lường, chúng tôi đã bay khắp nước Mỹ với nhiều nhóm, với nhiều độ cao khác nhau, vị trí và thời gian khác nhau trong năm. Với dữ liệu thu thập được, chúng tôi đã biết được các thành phần và các phản ứng trong không khí và tiến hành kiểm tra những mẫu dữ liệu thu được này.
Nâng cấp thiết bị đo tầng Ozone
Các thiết bị đo khí Ozone thế hệ trước kia đã được sử dụng hơn 22 năm qua, trọng lượng 57lbs, và với phần mềm lập trình ứng dụng là DOS của Microsoft QuickBASIC. Chúng ta nên cập nhật, nâng cấp những thiết bị mới hơn, nhẹ hơn và sử dụng thiết bị truyền thông bằng Internet.
Thiết bị mới UAS O¬3 là quang phổ để hấp thụ tia UV kép. Một tia đo lường khí ozone trong mẫu không khí thu được từ khí quyển và tia còn lại được truyền qua mẫu không khí cùng loại đã được làm sach khí ozone. Từ đó làm giá trị mẫu để đo lường. Toàn bộ thiết bị chỉ nặng khoảng 37 lbs (bao gồm 3.2 lb cho bộ CompactRIO), làm việc ở điện áp 28V DC và với tầng số lấy mẫu là 0.5 đến 10Hz. Độ chính xác là 2×1010 molO3/cm3 đúng sai là ±5%.
Lựa chọn một bộ điều khiển chắc chắn và hiệu suất hoạt động cao
Trong những lần nghiên cứu trước, NOAA đã tiến hành phép kiểm tra rò rỉ khí của CompactRIO chassis bằng cách hoạt động ở 0.53 mbar hoặc 173,000 ft trong 8 giờ liên tục mà không xảy ra lỗi. Hệ thống Compact RIO vận hành trong môi trường công nghiệp( -40 đến 70 °C), công suất tiêu thụ thấp (nhỏ hơn 20W), và khả năng chịu sốc là 50g và chịu rung là 5g. Bộ điều khiển costheer truy cập qua cổng Internet, cổng USB, các chassis mở rộng được nối với nhau bằng cáp Intetnet, với với nhiều dung lượng, kích thước khác nhau của FPGA (bộ chuyển đổi mã dữ liệu kết nối với các module) cho những ứng dụng khác nhau.
Chúng tôi đã kiểm tra PC/104 stack chạy trong môi trường Window CE hoặc Linux và LAbVIEW OS cho ứng dụng này. Tuy nhiên, công suất tiêu thụ của bộ xử lý quá cao làm cản trở tính thực thi của chương trình điều khiển thiết bị. Chúng tôi đã lập trình máy tính tiêu thụ công suất thấp PC/104 với QuickBASIC, nhưng việc giao tiếp Internet rất khó khăn. Thêm vào đó. Phiên bản này không hỗ trợ khả năng OS để chạy trong môi trường LabVIEW. Vì thế, chúng tôi chọn CompactRIO cho bộ điều khiển thiết bị làm việc ở áp suất thấp của nó, khối lượng nhỏ, hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp, hỗ trợ nhiều loại module I/O và khả năng mở rộng.
Việc thực hiện đo lường nhiệt độ thông qua cặp ngẫu nhiệt và thông qua module chuyên dụng của NI đã được tiến hành. Module analog với bộ xử lý tín hiệu sẽ giúp nâng cao độ chính xác của dữ liệu thu được khi sử dụng cặp ngẫu nhiệt. Việc thay đổi các module trên một chassis rất dễ dàng tùy theo mục đích sử dụng với hệ thống CompactRIO ta chọn module tương ứng.

Cấu Trúc phần mềm LabVIEW
Phần mềm lập trình LabVIEW cho phần cứng bao gồm ba phần: bộ chuyển mã FPGA nằm trên chassis để giao tiếp giữa module và Compact RIO, chương trình LabVIEW thời gian thực trên bộ điều khiển dùng để giao tiếp giữa thiết bị điều khiển và hiện thị dữ liệu trên phần mềm LabVIEW chạy trong mối trường Window OS.
FPGA
Bộ điều khiển hỗ trợ cho thiết bị đo lường khí Ozone sử dụng 2 bộ quang phổ kế hấp thụ tia UV kép với chuẩn giao tiếp số SPI để giảm nhiễu cho bộ chuyển đổi D/A 24bit. Nhiệt độ, áp suất, và điện áp của những bộ phận đo cũng được giám sát kết hợp với việc điều khiển các van. Sử dụng phương pháp ngắt để lập trình cho thiết bị sẽ giúp bộ điểu khiển kiểm soát về thời gian quét.
Với tất cả những thiết bị khác nhau trên máy bay, chúng tôi chọn thời gian lấy mẫu sao cho đồng bộ hóa dữ liệu và phối hợp qua lại giữa các thiết bị. NASA yêu cầu đồng bộ hóa để thời gian lấy mẫu sao cho thời gian đó đồng bộ với thời gian của máy bay bằng cách sử dụng chuẩn Simple Netwok Time Protocol(SNTP). Với đặc điểm này đã được tích hợp trong LabVIEW 8.6 cho bộ CompactRIO và cũng được trang bị cho thiết bị này. Qui trình hoạt động cho những ứng dụng chính của thiết bị này bao gồm:
• Khởi tạo-đọc file cấu hình, khởi động FPGA và thiết lập dữ liệu ban đầu.
• Hoạt động-cơ cấu producer-consumer với vòng lặp được thực hiện để thu thập dữ liệu,điều khiển, phân tích và kiểm tra lỗi và lưu dữ liệu thu nhận được và truyền về thông qua chuẩn giao tiếp UDP và TCP/IP.
•.Cấu hình-tái xử lý dữ liệu thu thập được.
• Dừng-xóa chương trình và được cấu hình ở trạng thái chờ.
• Thoát-dừng FPGA, đóng toàn bộ các file và cổng giao tiếp.
Thêm vào đó, máy chủ VI gửi và nhận dữ liệu với máy bay thông qua chuẩn UDP và truyền về mặt đất thông qua UDP và TCP/IP.
Thiết bị điều khiển ở mặt đất
Máy tính sách tay được cấu hình là trạm con dùng để điều khiển và hiển thị thông qua chuẩn truyền thông UDP hoặc TCP/IP. Chương trình nhập dữ liệu từ thiết bị và gửi tín hiệu điều khiển nếu cần. Việc truyền thông dữ liệu được truyền giữa mặt đất và máy bay sử dụng irdi phone để giao tiếp UDP hoặc kết nối vệ tinh K¬u. Có thể sẽ có thời gian trễ là đáng kể khi gửi tín hiệu điều khiển, vì thế giao thức bắt tay được hỗ trợ.
Vận hành thành công ở độ cao nhất
Hệ thống CompactRIO chắc chắn với nhiều chuẩn giao tiếp khác nhau. Nhiều module số và tương tự được tích hợp trong hệ thống này. Chúng tôi đã kiểm tra thiết bị UAS O3 ở độ cao 64.000 ft trên máy bay NASA WB-57 trên cánh đồng NOVICE ở houston, Texas và sẽ bay ở một áp suất nhất định trên NASA Global Hawk Pacific (Global) từ trung tâm nghiên cứu Dryden Flight ở Edaward AFB ở Caligonia 2010.
Công nghiệp
Aerospace/Avionics, Government/Defense, Research
Sản phẩm:
NI 9263, NI 9401, LabVIEW, NI 9205, cRIO-9101, CompactRIO, FPGA Module, Real-Time Module, cRIO-9012
Thách thức
Phát triển hệ thống nhẹ hơn, chắc chắn hơn, lưu trữ dữ liệu trực tiếp, giao tiếp với mặt đất với giao thức người sử dụng (UDP) và TCP/IP, và đồng bộ thời gian NTP trong khi vận hành độc lập ở tàu không gian không người lái NASA. Tàu vụ trụ không gian không người lái (UAV) hoạt động ở độ cao 70,000 ft trong môi trường chân không.
Giải pháp:
Sử dụng bộ CompactRIO để đáp ứng được yêu cầu về điều khiển và giao tiếp với hệ thống Unmanned Aerial System Ozone (UAS O3).

Về người đăng

Avatar

IA Vietnam

Bình luận

Đăng bình luận

Quảng cáo

Share This
IA VIETNAM - Đăng ký nhận tạp chí miễn phí

Điền thông tin của bạn và gửi về cho chúng tôi, IA Vietnam sẽ tư vấn và gửi cho bạn. Cảm ơn bạn đã hợp tác cùng chúng tôi

    X
    NHẬN TẠP CHÍ