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

1 氦氣球無人機的結(jié)構(gòu)

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

圖1 氦氣球無人機主視圖

圖2 氦氣球無人機左視圖

1.1 氦氣球起落架

起落架上設(shè)置有檢測云臺、飛行控制器和電池。檢測云臺包括攝像機、溫度檢測裝置和濕度檢測裝置，這些檢測裝置主要對相應(yīng)的信息進行采集。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傳感器，用于控制無人機的飛行。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)置有無刷電機和槳葉的組合件，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、無刷電機、檢測云臺與飛行控制器連接。氦氣球是左右對稱結(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)。無刷電機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)置在無刷電機的輸出端。龍骨碳管還通過連接件與起落架連接，通孔有4個。

2 氦氣球無人機的工作過程

氦氣球無人機結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，工作時，首先要完成起飛準(zhǔn)備，即各氣囊處于收縮狀態(tài)，內(nèi)無氦氣，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人機總重力的87%左右(氦氣提供的浮力按1.44kg/m3計算)。

起飛時，飛行控制器控制各個無刷電機帶動相應(yīng)槳葉旋轉(zhuǎn)，提供剩余所需的為無人機總重力13%左右的浮力，無人機完成起飛。

當(dāng)無人機到達一定高度時，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傳感器測量到無人機到達設(shè)定的某一海拔高度時，飛行控制器啟動高空模式，即將各氣閥開啟，氦氣球本體內(nèi)的氣體沿各氣閥進入各氣囊，使得氦氣球體積擴大，浮力進一步增大，可以進一步減小電機轉(zhuǎn)速，減小電量消耗，保障無人機的滯空時間和在高空飛行的安全性。

當(dāng)高度檢測傳感器檢測到無人機到達指定高度時，飛行控制器控制各無刷電機停止轉(zhuǎn)動，使無人機保持滯空狀態(tài)，檢測云臺開始工作，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刷電機轉(zhuǎn)動，無人機按原路徑返航。

當(dāng)飛行控制器收到檢測云臺發(fā)送的信息收集完畢信號區(qū)，也即轉(zhuǎn)變方向信號時，飛行控制器控制各無刷電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向存在差異，使無人機的質(zhì)心出現(xiàn)力矩，無人機方向改變。

圖3 氦氣球結(jié)構(gòu)

3 總結(jié)

本文設(shè)計一種氦氣球無人機，通過氦氣球平衡無人機的重量，延長了無人機的滯空時間；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，進一步減小電機轉(zhuǎn)速，延長滯空時間，同時可以提高無人機的飛行高度。可以實現(xiàn)較長時間、較高飛行高度的滯空，替代一些農(nóng)業(yè)、林業(yè)無人機，搭載多種傳感器進行長時間空中監(jiān)測，也可以替代一些高空氣球、高空氣象氣球進行可重復(fù)長時間飛行。