黃俊華 田壯

摘 要：隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前無(wú)人機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于監(jiān)控、測(cè)繪、噴灑等各個(gè)方面，但一般的旋翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力較差，針對(duì)該問(wèn)題，本文研究設(shè)計(jì)了一種新型氦氣球無(wú)人機(jī)，闡述了該無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作過(guò)程，具體分析了氦氣球無(wú)人機(jī)的垂直起飛模式、水平飛行模式和前進(jìn)中上升模式，為無(wú)人機(jī)的創(chuàng)新使用提供了新思路。

關(guān)鍵詞：氦氣球;無(wú)人機(jī);滯空飛行

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.097

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平快速提升，科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，無(wú)人機(jī)的技術(shù)水平得到了有效提升，并廣泛應(yīng)用于不同行業(yè)和領(lǐng)域中，采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行空中監(jiān)控、測(cè)繪已經(jīng)較為普及，但無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間較短，以大疆無(wú)人機(jī)為例，“悟”系列的無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間只有十至二十分鐘，無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控、測(cè)繪的工作需要。因此，本文研究設(shè)計(jì)了一種新型氦氣球無(wú)人機(jī)，用氦氣球平衡無(wú)人機(jī)的重力，延長(zhǎng)了無(wú)人機(jī)的滯空時(shí)間，以期解決現(xiàn)有無(wú)人機(jī)滯空時(shí)間短的問(wèn)題。

1 氦氣球無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的氦氣球無(wú)人機(jī)由無(wú)人機(jī)和氦氣球兩部分組成，氦氣球設(shè)置在無(wú)人機(jī)的框架頂部，框架上設(shè)置有三組螺旋槳組件，三組螺旋槳組件的質(zhì)心連線構(gòu)成等邊三角形，分布在等邊三角形兩底角處的第二組螺旋槳組件和第三組螺旋槳組件呈鏡面對(duì)稱設(shè)置，第二組螺旋槳組件和第三組螺旋槳組件分別通過(guò)對(duì)應(yīng)的電機(jī)角度控制舵機(jī)設(shè)置在框架尾部，位于等邊三角形頂角處的第一組螺旋槳組件的轉(zhuǎn)軸垂直于框架頂平面。

無(wú)人機(jī)的控制器和飛行控制傳感器通過(guò)控制器固定架設(shè)置在框架上。

無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)收集傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)收集傳感器固定架設(shè)置在框架上。

氦氣球呈三棱柱結(jié)構(gòu)或三棱臺(tái)結(jié)構(gòu)，氦氣球的中央設(shè)置有由底面向頂面延伸的通孔，其尾部側(cè)面上對(duì)稱地設(shè)置有兩個(gè)半圓柱形凹槽。氦氣球的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2 工作過(guò)程

該新型氦氣球無(wú)人機(jī)的工作過(guò)程主要分為三部分。

步驟一：無(wú)人機(jī)起飛并運(yùn)動(dòng)到達(dá)預(yù)定空域的預(yù)定高度，包括垂直起飛模式、水平飛行模式和前進(jìn)中上升模式。

垂直起飛模式：給控制器、各組螺旋槳組件的無(wú)刷電機(jī)、飛行控制傳感器、數(shù)據(jù)收集傳感器通電;經(jīng)飛行控制傳感器檢測(cè)無(wú)人機(jī)狀態(tài)，在保證無(wú)人機(jī)處于水平狀態(tài)、第二組螺旋槳組件和第三組螺旋槳組件的無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與第一組螺旋槳組件無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)軸平行且與地面垂直時(shí)，第一組螺旋槳組件的無(wú)刷電機(jī)、第三組螺旋槳組件的無(wú)刷電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，第二組螺旋槳組件的無(wú)刷電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，分別帶動(dòng)相應(yīng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，為無(wú)人機(jī)提供豎直方向的升力，無(wú)人機(jī)垂直起飛。

水平飛行模式：當(dāng)飛行控制傳感器檢測(cè)無(wú)人機(jī)到達(dá)預(yù)定高度但沒(méi)到預(yù)定空域時(shí)，控制器根據(jù)飛行控制傳感器的信號(hào)下達(dá)位置移動(dòng)命令，電機(jī)角度控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使第二組螺旋槳組件和第三組螺旋槳組件的無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)至與第一組螺旋槳組件無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)軸垂直且與地面平行;第一組螺旋槳組件的無(wú)刷電機(jī)、第三組螺旋槳組件的無(wú)刷電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，第二組螺旋槳組件的無(wú)刷電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，分別帶動(dòng)相應(yīng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，為無(wú)人機(jī)提供水平方向的動(dòng)力，無(wú)人機(jī)水平飛行直到預(yù)定空域。

前進(jìn)中上升模式：當(dāng)飛行控制傳感器同時(shí)檢測(cè)到高度上升和水平前進(jìn)信號(hào)時(shí)，控制器根據(jù)飛行控制傳感器的信號(hào)下達(dá)位置移動(dòng)命令，電機(jī)角度控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使第二組螺旋槳組件和第三組螺旋槳組件的無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)至與地面存在夾角，第一組螺旋槳組件的無(wú)刷電機(jī)、第三組螺旋槳組件的無(wú)刷電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，第二組螺旋槳組件的無(wú)刷電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，分別帶動(dòng)相應(yīng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，為無(wú)人機(jī)提供傾斜向上的力，使無(wú)人機(jī)在前進(jìn)的過(guò)程中上升到預(yù)定空域的預(yù)定高度。

步驟二：信息采集。當(dāng)飛行控制傳感器檢測(cè)無(wú)人機(jī)到達(dá)預(yù)定空域的預(yù)定高度時(shí)，各組螺旋槳組件的無(wú)刷電機(jī)斷電，使無(wú)人機(jī)保持滯空狀態(tài)，數(shù)據(jù)收集傳感器通電，開(kāi)始收集該地域的圖像、溫度、濕度等信息。

步驟三：無(wú)人機(jī)返航。在信息收集完畢后，數(shù)據(jù)收集傳感器斷電，各組螺旋槳組件的無(wú)刷電機(jī)通電，無(wú)人機(jī)返航。

3 優(yōu)點(diǎn)

（1）該新型氦氣球無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的滯空，可以替代一些農(nóng)業(yè)、林業(yè)、測(cè)繪無(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)、測(cè)繪。（2）該新型氦氣球無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，具有耗電量小的特點(diǎn)。（3）本次設(shè)計(jì)的氦氣球便于和無(wú)人機(jī)配合安裝，且無(wú)人機(jī)前進(jìn)時(shí)這種結(jié)構(gòu)的氦氣球?qū)o(wú)人機(jī)造成的阻力小。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前無(wú)人機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是無(wú)人機(jī)續(xù)航能力較差的缺點(diǎn)在一定程度上限制了其發(fā)展及應(yīng)用。改變無(wú)人機(jī)的使用思路，積極擴(kuò)展“無(wú)人機(jī)+”，將無(wú)人機(jī)與其它器件相結(jié)合，可以提高無(wú)人機(jī)的性能，解決其自身難以克服的缺點(diǎn)，例如“無(wú)人機(jī)+”氦氣球，通過(guò)氦氣球平衡無(wú)人機(jī)的重力，延長(zhǎng)了無(wú)人機(jī)的滯空時(shí)間，解決現(xiàn)有無(wú)人機(jī)滯空時(shí)間短的問(wèn)題。

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