陳毅豪 冷俊男

(西北農林科技大學，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 氦氣球無人機的結構

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，氦氣球本體上設置有若干上下向的通孔，且各通孔內均設置有無刷電機和槳葉的組合件，氦氣球本體的上表后部設置有尾翼氣囊、左右部分別設置有側翼氣囊，氦氣球本體的下表設置有4個起落氣囊，氦氣球本體與各氣囊之間分別設置有氣閥；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構，氦氣球本體是扁圓狀結構梭形結構或碟形結構。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

氦氣球無人機結構圖如圖3所示，工作時，首先要完成起飛準備，即各氣囊處于收縮狀態(tài)，內無氦氣，相應的各氣閥處于截流狀態(tài)；氦氣球本體內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槳葉旋轉，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，氦氣球本體內氣壓為使內外氣壓平衡，會將氦氣球本體撐大，并給球體壁一定的壓力。當飛行控制器的高度檢測傳感器測量到無人機到達設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動，無人機按原路徑返航。

當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)，也即轉變方向信號時，飛行控制器控制各無刷電機的轉速、轉向存在差異，使無人機的質心出現(xiàn)力矩，無人機方向改變。

圖3 氦氣球結構

3 總結

本文設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，保持內外氣壓平衡，增加浮力，進一步減小電機轉速，延長滯空時間，同時可以提高無人機的飛行高度?？梢詫崿F(xiàn)較長時間、較高飛行高度的滯空，替代一些農業(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長時間飛行。