一種氦氣球無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)

陳毅豪 冷俊男

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

0 引言

目前，人們大多用無(wú)人機(jī)進(jìn)行森林防火監(jiān)測(cè)，農(nóng)田信息采集。這些無(wú)人機(jī)自身重量較重，耗電快，成本高，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，在農(nóng)林方面的信息監(jiān)測(cè)上具有一定的局限性。為此，本文提出了一種氦氣球無(wú)人機(jī)，旨在提高工作時(shí)間，降低成本，替代一些農(nóng)業(yè)、林業(yè)無(wú)人機(jī)，搭載多種傳感器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間空中監(jiān)測(cè)。

1 氦氣球無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)

氦氣球無(wú)人機(jī)的主視圖如圖1所示，左視圖如圖2所示，一種氦氣球無(wú)人機(jī)，由氦氣球及設(shè)置在氦氣球下部中央的起落架2個(gè)部分組成。

圖1 氦氣球無(wú)人機(jī)主視圖

圖2 氦氣球無(wú)人機(jī)左視圖

1.1 氦氣球起落架

起落架上設(shè)置有檢測(cè)云臺(tái)、飛行控制器和電池。檢測(cè)云臺(tái)包括攝像機(jī)、溫度檢測(cè)裝置和濕度檢測(cè)裝置，這些檢測(cè)裝置主要對(duì)相應(yīng)的信息進(jìn)行采集。飛行控制器包括主控制器及與所述主控制器連接的高度檢測(cè)傳感器，用于控制無(wú)人機(jī)的飛行。起落架采用碳管加工而成。

1.2 氦氣球

氦氣球包括氦氣球本體，氦氣球本體上設(shè)置有若干上下向的通孔，且各通孔內(nèi)均設(shè)置有無(wú)刷電機(jī)和槳葉的組合件，氦氣球本體的上表后部設(shè)置有尾翼氣囊、左右部分別設(shè)置有側(cè)翼氣囊，氦氣球本體的下表設(shè)置有4個(gè)起落氣囊，氦氣球本體與各氣囊之間分別設(shè)置有氣閥；氣閥、無(wú)刷電機(jī)、檢測(cè)云臺(tái)與飛行控制器連接。氦氣球是左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，氦氣球本體是扁圓狀結(jié)構(gòu)梭形結(jié)構(gòu)或碟形結(jié)構(gòu)。無(wú)刷電機(jī)和槳葉的組合件通過龍骨碳管與氦氣球本體連接，槳葉設(shè)置在無(wú)刷電機(jī)的輸出端。龍骨碳管還通過連接件與起落架連接，通孔有4個(gè)。

2 氦氣球無(wú)人機(jī)的工作過程

氦氣球無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，工作時(shí)，首先要完成起飛準(zhǔn)備，即各氣囊處于收縮狀態(tài)，內(nèi)無(wú)氦氣，相應(yīng)的各氣閥處于截流狀態(tài)；氦氣球本體內(nèi)氦氣體積充至提供浮力為無(wú)人機(jī)總重力的87%左右(氦氣提供的浮力按1.44kg/m3計(jì)算)。

起飛時(shí)，飛行控制器控制各個(gè)無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)相應(yīng)槳葉旋轉(zhuǎn)，提供剩余所需的為無(wú)人機(jī)總重力13%左右的浮力，無(wú)人機(jī)完成起飛。

當(dāng)無(wú)人機(jī)到達(dá)一定高度時(shí)，氦氣球本體外部的大氣壓降低，外界大氣壓降低，氦氣球本體內(nèi)氣壓為使內(nèi)外氣壓平衡，會(huì)將氦氣球本體撐大，并給球體壁一定的壓力。當(dāng)飛行控制器的高度檢測(cè)傳感器測(cè)量到無(wú)人機(jī)到達(dá)設(shè)定的某一海拔高度時(shí)，飛行控制器啟動(dòng)高空模式，即將各氣閥開啟，氦氣球本體內(nèi)的氣體沿各氣閥進(jìn)入各氣囊，使得氦氣球體積擴(kuò)大，浮力進(jìn)一步增大，可以進(jìn)一步減小電機(jī)轉(zhuǎn)速，減小電量消耗，保障無(wú)人機(jī)的滯空時(shí)間和在高空飛行的安全性。

當(dāng)高度檢測(cè)傳感器檢測(cè)到無(wú)人機(jī)到達(dá)指定高度時(shí)，飛行控制器控制各無(wú)刷電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使無(wú)人機(jī)保持滯空狀態(tài)，檢測(cè)云臺(tái)開始工作，開始收集該地域的圖像、溫度、濕度等信息。在信息收集完畢后，飛行控制器控制各無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)人機(jī)按原路徑返航。

當(dāng)飛行控制器收到檢測(cè)云臺(tái)發(fā)送的信息收集完畢信號(hào)區(qū)，也即轉(zhuǎn)變方向信號(hào)時(shí)，飛行控制器控制各無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向存在差異，使無(wú)人機(jī)的質(zhì)心出現(xiàn)力矩，無(wú)人機(jī)方向改變。

圖3 氦氣球結(jié)構(gòu)

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)一種氦氣球無(wú)人機(jī)，通過氦氣球平衡無(wú)人機(jī)的重量，延長(zhǎng)了無(wú)人機(jī)的滯空時(shí)間；增加導(dǎo)通氣囊，在高空外界氣壓減小的情況下可以增大體積，保持內(nèi)外氣壓平衡，增加浮力，進(jìn)一步減小電機(jī)轉(zhuǎn)速，延長(zhǎng)滯空時(shí)間，同時(shí)可以提高無(wú)人機(jī)的飛行高度?？梢詫?shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間、較高飛行高度的滯空，替代一些農(nóng)業(yè)、林業(yè)無(wú)人機(jī)，搭載多種傳感器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間空中監(jiān)測(cè)，也可以替代一些高空氣球、高空氣象氣球進(jìn)行可重復(fù)長(zhǎng)時(shí)間飛行。