一種新型氦氣球無人機(jī)的設(shè)計(jì)研究

黃俊華 田壯

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

關(guān)鍵詞：氦氣球;無人機(jī);滯空飛行

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

0 引言

當(dāng)前，我國社會經(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，采用無人機(jī)進(jìn)行空中監(jiān)控、測繪已經(jīng)較為普及，但無人機(jī)飛行時間較短，以大疆無人機(jī)為例，“悟”系列的無人機(jī)飛行時間只有十至二十分鐘，無法滿足長時間監(jiān)控、測繪的工作需要。因此，本文研究設(shè)計(jì)了一種新型氦氣球無人機(jī)，用氦氣球平衡無人機(jī)的重力，延長了無人機(jī)的滯空時間，以期解決現(xiàn)有無人機(jī)滯空時間短的問題。

1 氦氣球無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的氦氣球無人機(jī)由無人機(jī)和氦氣球兩部分組成，氦氣球設(shè)置在無人機(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對應(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。

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

無人機(jī)的數(shù)據(jù)收集傳感器通過數(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)面上對稱地設(shè)置有兩個半圓柱形凹槽。氦氣球的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2 工作過程

該新型氦氣球無人機(jī)的工作過程主要分為三部分。

步驟一：無人機(jī)起飛并運(yùn)動到達(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無人機(jī)狀態(tài)，在保證無人機(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刷電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與第一組螺旋槳組件無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)軸平行且與地面垂直時，第一組螺旋槳組件的無刷電機(jī)、第三組螺旋槳組件的無刷電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)，第二組螺旋槳組件的無刷電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)，分別帶動相應(yīng)螺旋槳轉(zhuǎn)動，為無人機(jī)提供豎直方向的升力，無人機(jī)垂直起飛。

水平飛行模式：當(dāng)飛行控制傳感器檢測無人機(jī)到達(dá)預(yù)定高度但沒到預(yù)定空域時，控制器根據(jù)飛行控制傳感器的信號下達(dá)位置移動命令，電機(jī)角度控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動，使第二組螺旋槳組件和第三組螺旋槳組件的無刷電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動至與第一組螺旋槳組件無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)軸垂直且與地面平行;第一組螺旋槳組件的無刷電機(jī)、第三組螺旋槳組件的無刷電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)，第二組螺旋槳組件的無刷電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)，分別帶動相應(yīng)螺旋槳轉(zhuǎn)動，為無人機(jī)提供水平方向的動力，無人機(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檢測到高度上升和水平前進(jìn)信號時，控制器根據(jù)飛行控制傳感器的信號下達(dá)位置移動命令，電機(jī)角度控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動，使第二組螺旋槳組件和第三組螺旋槳組件的無刷電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動至與地面存在夾角，第一組螺旋槳組件的無刷電機(jī)、第三組螺旋槳組件的無刷電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)，第二組螺旋槳組件的無刷電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)，分別帶動相應(yīng)螺旋槳轉(zhuǎn)動，為無人機(jī)提供傾斜向上的力，使無人機(jī)在前進(jìn)的過程中上升到預(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無人機(jī)到達(dá)預(yù)定空域的預(yù)定高度時，各組螺旋槳組件的無刷電機(jī)斷電，使無人機(jī)保持滯空狀態(tài)，數(shù)據(jù)收集傳感器通電，開始收集該地域的圖像、溫度、濕度等信息。

步驟三：無人機(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刷電機(jī)通電，無人機(jī)返航。

3 優(yōu)點(diǎn)

（1）該新型氦氣球無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)較長時間的滯空，可以替代一些農(nóng)業(yè)、林業(yè)、測繪無人機(jī)，搭載多種傳感器進(jìn)行長時間空中監(jiān)測、測繪。（2）該新型氦氣球無人機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，具有耗電量小的特點(diǎn)。（3）本次設(shè)計(jì)的氦氣球便于和無人機(jī)配合安裝，且無人機(jī)前進(jìn)時這種結(jié)構(gòu)的氦氣球?qū)o人機(jī)造成的阻力小。

4 結(jié)束語

當(dāng)前無人機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，但是無人機(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。改變無人機(jī)的使用思路，積極擴(kuò)展“無人機(jī)+”，將無人機(jī)與其它器件相結(jié)合，可以提高無人機(jī)的性能，解決其自身難以克服的缺點(diǎn)，例如“無人機(jī)+”氦氣球，通過氦氣球平衡無人機(jī)的重力，延長了無人機(jī)的滯空時間，解決現(xiàn)有無人機(jī)滯空時間短的問題。

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