CN113562153A - 基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇及其控制方法，无人飞艇包括：飞艇主体，包括艇囊、尾翼和吊舱；旋翼，设于吊舱两侧且穿入吊舱内连接有自由矢量电机座，用于通过自由矢量电机座带动旋翼转动，通过控制旋翼的转动方向控制飞艇主体的飞行方向；大气质量监测模块，设于吊舱前部；混合供电***，包括多组太阳能电池板和锂电池，用于在光照充足时进行直接供电，并利用多余太阳能为用于弱光飞行或无光照飞行的锂电池充电，提高飞艇主体的续航能力。本发明通过飞艇主体结构设计、大气质量检测模块、太阳能电池板和锂电池混合供电***，大幅度提升飞艇主体的续航能力，使其成为一项极具优势的大气质量监测手段。
Description
技术领域
本发明属于无人飞艇技术领域，具体涉及一种基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇及其控制方法。
背景技术
随着经济的快速发展与人口的激增，环境问题日渐严峻，尤其是随着工业化带来的尾气排放、工业废气排放、建筑与工地扬尘等的存在，都加剧了大气污染程度，因此，就需要采用适当的手段对大气质量进行监测，进而采取有针对性的控制方式，保障大气质量。
现有技术中，由于传统的定点式与手持式大气质量监测手段不够灵活，效率低下，无法建立实时的大气模型，故市面上已推出搭载于小型无人机的机载大气质量监测***，而由于目前小型无人机的续航能力普遍不足，一般为40min以内，载重量小，因而严重制约了该手段在大气质量监测领域中的应用，仅作为传统手段的补充，并未大规模应用。而随着现代航空技术的发展，以及如光伏技术、新型材料技术等高新技术在飞艇行业上的应用，飞艇这一平台又重新回到了人们的视野之内。现代飞艇采用氦气作为浮升力来源，故其续航能力远超普通飞行器，同时具有重量轻，载荷大，飞行平稳的特点，十分符合运用无人飞行器进行大气质量监测的各项要求。如公开号为CN113148099A的专利公开了一种氢能源辅助的太阳能飞艇及飞艇运行方法，当阳光充足时，所述太阳能电池板吸收太阳能发电，通过所述MPPT控制器和单向高压DC/DC变换器驱动所述直流无刷电机，为飞艇提供动力，当阳光不足时，所述太阳能电池板的供能不足时，启动所述氢燃料电池，通过所述单向高压DC/DC变换器驱动所述直流无刷电机，从而为飞艇提供动力。但其仅从能源角度提高续航能力，续航能力提升程度较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇及其控制方法，通过飞艇主体结构设计、大气质量检测模块、太阳能电池板和锂电池混合供电***，大幅度提升飞艇主体的续航能力，使其成为一项极具优势的大气质量监测手段。
本发明提供了如下的技术方案：
本申请提出一种基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇，包括：
飞艇主体，包括艇囊、尾翼和吊舱，尾翼设于艇囊后端，吊舱设于艇囊下方，用于通过控制飞艇主体的气动特性，减少艇囊、尾翼和吊舱产生的阻力及相互干扰形成的联合阻力；
旋翼，设于吊舱两侧且穿入吊舱内连接有自由矢量电机座，用于通过自由矢量电机座带动旋翼转动，通过控制旋翼的转动方向控制飞艇主体的飞行方向，旋翼连接有无刷电机，且无刷电机连接有电子调速器；
大气质量监测模块，设于吊舱前部，用于飞艇主体飞行中实时监测多种气体数据并进行传输；
混合供电***，包括多组太阳能电池板和锂电池，用于在光照充足时进行直接供电，并利用多余太阳能为用于弱光飞行或无光照飞行的锂电池充电，提高飞艇主体的续航能力，多组串联连接的太阳能电池板铺设于艇囊内，锂电池设于吊舱内。
优先地，艇囊采用LOTTE艇型，且长细比范围为[4，6]，艇囊采用TGGH-K442新型复合耐受性球体双封膜材料，且呈双夹层结构，飞行中爬升时，尾翼迎角小于20°。
优先地，吊舱内还设有飞艇控制***，用于飞艇主体的飞行控制和数据实时处理，飞艇控制***包括飞行控制模块、GPS接收器、拆分空速计、电源控制模块、图传显像模块和地面控制站，地面控制站连接有高频调谐模块，且高频调谐模块连接有接收机，用于将地面控制站的控制信号传输至飞行控制模块进行飞艇主体的姿态调整。
优先地，吊舱内还设有电源控制电路盒、飞行控制盒和锂电池盒，飞艇控制***设于飞行控制盒内，锂电池设于锂电池盒内，电源控制电路盒和锂电池盒外侧设有多个导线通道，吊舱外挂有与飞行控制模块电性连接的多光谱成像仪、高精度图像传输机和图像模块。
优先地，大气质量监测模块包括单片机、与单片机连接的FAD气体传感器、北斗-GPS双定位模块、公网传输模块和模数转化芯片，北斗-GPS双定位模块电性连接公网传输模块，FAD气体传感器电性连接模数转化芯片。
优先地，混合供电***还包括太阳能电源控制***、光照检测电路、PWM信号开关电路和降压电路，太阳能电源控制***电性连接光照检测电路和PWM信号开关电路，PWM信号开关电路电性连接降压电路和锂电池，锂电池电性连接无刷电机。
优先地，光照检测电路、PWM信号开关电路和减压电路均设于电源控制电路盒内，光照检测电路还连接公网传输模块，公网传输模块通过AT指令连接云服务器，云服务器电性连接地面控制站，用于将光照检测电路采集到的光强度数据及锂电池剩余电量传输至云服务器，便于操作者根据实时数据及时调整飞艇主体状态。
优先地，太阳能电池板采用单晶硅太阳能电池片，太阳能电池板下设有碳棒，且通过粘合剂使太阳能电池板与碳棒固定连接，碳棒通过高频热焊技术焊接设于艇囊内。
基于上述的基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇，本申请还提出一种上述基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇的控制方法，包括如下步骤：
S1.光照检测电路检测光照强度，太阳能电源控制***根据光照强度自动切换电源，若光照强度大于设定阈值，太阳能电池板箱负载供电，且根据锂电池容量判断是否将多余电能存储与锂电池中，若光照强度小于设定阈值，飞艇主体采用太阳能电池板和锂电池进行混合动力供电；
S2.混合供电***供电时，电子调速器控制无刷电机转速，并向飞行控制模块供电；
S3.飞行控制模块全方位检测飞艇主体工作状态时的各项参数，并通过高频调谐模块、公网传输模块和接收机接收地面控制站传输的控制信号，实时调整飞艇主体的工作状态，工作状态包括航点、回家、停留、自稳模式；
S4.飞艇主体飞行过程中，通过高精度图像传输机和图像模块向地面控制站实时传输拍摄的图像；
S5.飞艇主体飞行过程中，大气质量监测模块通过FAD气体传感器监测大气中多种气体浓度数据，并通过公网传输模块向地面控制站传输监测数据和定位数据。
本发明的有益效果是：
1.采用新型材料制作无人飞艇，重量轻，载重量大，显著增强续航能力；
2.艇囊采用LOTTE艇型设计，使飞艇具备优异的气动特性，抗风能力强，阻力小；
3.采用热焊技术制作艇囊，采用3D打印技术制作吊舱，复杂曲面建立型架进行辅助成型；
4.飞艇主体搭载有飞行控制模块，因此飞行时操作简单，减化了使用者工作量；
5.采用太阳能供电与锂电池混合供电***，使其具备远超其它飞行平台的续航能力；
6.采用单片机+公网传输模块进行远程数据传输，精度高，同时解决了气体数据传输距离限制问题。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的吊舱示意图；
图3是本发明的操作流程图。
图中标记为：1.飞艇主体，11.艇囊，12.尾翼，13.吊舱，2.旋翼，21.自由矢量电机座，3.大气质量监测模块，4.太阳能电池板，5.电源控制电路盒，51.导线通道，6.飞行控制盒，7.锂电池盒。
具体实施方式
本申请提出一种基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇，包括：
如图1所示，飞艇主体1，包括艇囊11、尾翼12和吊舱13，尾翼12设于艇囊11后端，吊舱13设于艇囊11下方，用于通过控制飞艇主体1的气动特性，减少艇囊11、尾翼12和吊舱13产生的阻力及相互干扰形成的联合阻力。
如图1所示，艇囊11采用LOTTE艇型，适用于中低空小型软式飞艇，该艇型具有良好的气动特征，适应中低空各种天气状况下的飞行，且其具备良好的抗风性，可在五级风条件下进行飞行任务。艇囊11长细比范围为[4，6]，根据风洞实验数据与飞艇空气动力学理论公式拟合可知，当艇囊11的长细比为4～6时，艇囊11受到的阻力较小，阻力系数约为0.02～0.04。艇囊11采用TGGH-K442新型复合耐受性球体双封膜材料，且呈双夹层结构，透光率高、氦气渗透率低、重量轻便且耐磨损。艇囊11采用软式飞艇，其内部充满浮生气体，如氦气。
如图1所示，尾翼12采用十字形尾翼12布局，并采用KT板制作，尾翼12采用NACA0009翼型，展长为0.46m，翼根长为0.64m，翼尖长为0.32m，翼的前端距飞艇头锥3.00m。由于尾翼12的存在，飞艇受到的气动力与气动力矩特性与单纯艇身相比发生了较大的差距。飞行中爬升时，尽量控制飞艇尾翼12迎角小于20°。
如图1所示，LOTTE艇型矩心距飞艇头锥与艇长比为x/L＝0.44，故对于长为3米的LOTTE型飞艇，吊舱13安放在艇身下部距飞艇头锥4×0.44＝1.76m处。吊舱13采用TPU高分子柔性材料研制，并使用3D打印技术打印成型，该材料重量轻、强度大，十分适合于对流层地理信息遥感无人飞艇的户外工作需求。
如图1所示，飞艇主体1中，产生飞艇浮力的气体为氦气，1m3氦气产生浮升力公式：Lzh＝(ρ0-ρh)×g，其中，Lzh为飞艇总浮升力；ρ0为空气密度；ρh为纯氦密度；g为重力加速度。当艇囊11体积为2.1m3时，可得艇囊11产生总浮生力为24.14N，即载荷为2414g。
如图2所示，吊舱13内还设有电源控制电路盒5、飞行控制盒6和锂电池盒7，飞艇控制***设于飞行控制盒6内，锂电池设于锂电池盒7内，电源控制电路盒5和锂电池盒7外侧设有多个导线通道51，吊舱13外挂有与飞行控制模块电性连接的多光谱成像仪、高精度图像传输机和图像模块。
如图2所示，旋翼2，设于吊舱13两侧且穿入吊舱13内连接有自由矢量电机座21，用于通过自由矢量电机座21带动旋翼2转动，通过控制旋翼2的转动方向控制飞艇主体1的飞行方向，通过飞行控制***的控制，使飞艇两侧电机可以沿垂直方向转动90°，使飞艇可以垂直上升或下降，飞行更具灵活性。旋翼2连接有无刷电机，且无刷电机连接有电子调速器。电子调速器与混合供电***连接后，再与无刷电机和飞行控制模块相连即可做到控制无刷电机转速，并向飞行控制模块供电。
如图2-3所示，大气质量监测模块3，设于吊舱13前部，用于飞艇主体1飞行中实时监测多种气体数据并进行传输。所测数据主要为PM2.5浓度、二氧化硫(SO2)，二氧化氮(NO2)，一氧化氮(NO1)，臭氧(O3)，一氧化碳(CO)，并进行实时预警。大气质量监测模块3包括单片机、与单片机连接的FAD气体传感器、北斗-GPS双定位模块、4G公网传输模块和模数转化芯片，北斗-GPS双定位模块电性连接4G公网传输模块，FAD气体传感器电性连接模数转化芯片。
如图2-3所示，混合供电***，包括多组太阳能电池板4和锂电池，用于在光照充足时进行直接供电，并利用多余太阳能为用于弱光飞行或无光照飞行的锂电池充电，提高飞艇主体1的续航能力，多组串联连接的太阳能电池板4铺设于艇囊11内，太阳能电池板4采用单晶硅太阳能电池片，太阳能电池板4下设有碳棒，且通过粘合剂使太阳能电池板4与碳棒固定连接，碳棒通过高频热焊技术焊接设于艇囊11内。混合供电***还包括太阳能电源控制***、光照检测电路、PWM信号开关电路和降压电路，太阳能电源控制***电性连接光照检测电路和PWM信号开关电路，PWM信号开关电路电性连接降压电路和锂电池，锂电池电性连接无刷电机。降压电路内含有固定频率振荡器和基准稳压器，且具有完善的保护电路、电流限制电路、热关断电路等电路***，兼具优良的线性和负载调节性。利用该芯片时只需极少的***器件便可构成高效稳压电路，其工作模式控制为TTL电平相容。
如图2-3所示，光照检测电路、PWM信号开关电路和减压电路均设于电源控制电路盒5内，光照检测电路还连接4G公网传输模块，4G公网传输模块通过AT指令连接云服务器，云服务器电性连接地面控制站，用于将光照检测电路采集到的光强度数据及锂电池剩余电量传输至云服务器，便于操作者根据实时数据及时调整飞艇主体1状态。
如图2-3所示，吊舱13内还设有飞艇控制***，用于飞艇主体1的飞行控制和数据实时处理，飞艇控制***包括飞行控制模块、GPS接收器、拆分空速计、电源控制模块、图传显像模块和地面控制站，地面控制站连接有高频调谐模块，且高频调谐模块连接有2.4GHz单通道接收机，用于将地面控制站的控制信号传输至飞行控制模块进行飞艇主体1的姿态调整。飞行控制模块具备良好的飞行控制性能与强大的实时处理能力，集加速度计、磁力计、双陀螺计、气压计、磁罗盘等设备为一体，可全方位检测飞行器工作状态时的各项参数并进行调整，使其按照规划航线进行飞行。
如图1-3所示，基于上述的基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇，本申请还提出一种上述基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇的控制方法，包括如下步骤：
S1.光照检测电路检测光照强度，太阳能电源控制***根据光照强度自动切换电源，若光照强度大于设定阈值，太阳能电池板4箱负载供电，且根据锂电池容量判断是否将多余电能存储与锂电池中，若光照强度小于设定阈值，飞艇主体1采用太阳能电池板4和锂电池进行混合动力供电。
S2.混合供电***供电时，电子调速器控制无刷电机转速，并向飞行控制模块供电。
S3.飞行控制模块全方位检测飞艇主体1工作状态时的各项参数，并通过高频调谐模块、4G公网传输模块和接收机接收地面控制站传输的控制信号，实时调整飞艇主体1的工作状态，工作状态包括航点、回家、停留、自稳模式。当飞艇主体1升空后，操作者可在地面站进行规划航点操作，并限制飞行区域，飞艇主体1即可按规定航线进行自动巡航完成相应工作任务。同时，当飞艇主体1由于强突风等紧急状况飞出围栏时，将会自动切换为回家模式，返回离所在位置最近的围栏边界处，继续完成工作任务；若在类似情况下飞艇主体1发生倾斜，飞行控制***的自稳功能可进行自动调整使飞艇主体1回归水平姿态，防止飞艇主体1失事。盘旋模式下飞艇主体1将会在原地停留，通过飞控调整，保持对应高度完成相应任务。
S4.飞艇主体1飞行过程中，通过高精度图像传输机和图像模块向地面控制站实时传输拍摄的图像。
S5.飞艇主体1飞行过程中，大气质量监测模块3通过FAD气体传感器监测大气中多种气体浓度数据，并通过4G公网传输模块向地面控制站传输监测数据和定位数据。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇，其特征在于：包括：
飞艇主体，包括艇囊、尾翼和吊舱，尾翼设于艇囊后端，吊舱设于艇囊下方，用于通过控制飞艇主体的气动特性，减少艇囊、尾翼和吊舱产生的阻力及相互干扰形成的联合阻力；
旋翼，设于吊舱两侧且穿入吊舱内连接有自由矢量电机座，用于通过自由矢量电机座带动旋翼转动，通过控制旋翼的转动方向控制飞艇主体的飞行方向，旋翼连接有无刷电机，且无刷电机连接有电子调速器；
大气质量监测模块，设于吊舱前部，用于飞艇主体飞行中实时监测多种气体数据并进行传输；
混合供电***，包括多组太阳能电池板和锂电池，用于在光照充足时进行直接供电，并利用多余太阳能为用于弱光飞行或无光照飞行的锂电池充电，提高飞艇主体的续航能力，多组串联连接的太阳能电池板铺设于艇囊内，锂电池设于吊舱内。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇，其特征在于：艇囊采用LOTTE艇型，且长细比范围为[4，6]，艇囊采用TGGH-K442新型复合耐受性球体双封膜材料，且呈双夹层结构，飞行中爬升时，尾翼迎角小于20°。
3.根据权利要求1所述的基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇，其特征在于：吊舱内还设有飞艇控制***，用于飞艇主体的飞行控制和数据实时处理，飞艇控制***包括飞行控制模块、GPS接收器、拆分空速计、电源控制模块、图传显像模块和地面控制站，地面控制站连接有高频调谐模块，且高频调谐模块连接有接收机，用于将地面控制站的控制信号传输至飞行控制模块进行飞艇主体的姿态调整。
4.根据权利要求3所述的基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇，其特征在于：吊舱内还设有电源控制电路盒、飞行控制盒和锂电池盒，飞艇控制***设于飞行控制盒内，锂电池设于锂电池盒内，电源控制电路盒和锂电池盒外侧设有多个导线通道，吊舱外挂有与飞行控制模块电性连接的多光谱成像仪、高精度图像传输机和图像模块。
5.根据权利要求1所述的基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇，其特征在于：大气质量监测模块包括单片机、与单片机连接的FAD气体传感器、北斗-GPS双定位模块、公网传输模块和模数转化芯片，北斗-GPS双定位模块电性连接公网传输模块，FAD气体传感器电性连接模数转化芯片。
6.根据权利要求4所述的基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇，其特征在于：混合供电***还包括太阳能电源控制***、光照检测电路、PWM信号开关电路和降压电路，太阳能电源控制***电性连接光照检测电路和PWM信号开关电路，PWM信号开关电路电性连接降压电路和锂电池，锂电池电性连接无刷电机。
7.根据权利要求6所述的基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇，其特征在于：光照检测电路、PWM信号开关电路和减压电路均设于电源控制电路盒内，光照检测电路还连接公网传输模块，公网传输模块通过AT指令连接云服务器，云服务器电性连接地面控制站，用于将光照检测电路采集到的光强度数据及锂电池剩余电量传输至云服务器，便于操作者根据实时数据及时调整飞艇主体状态。
8.根据权利要求1所述的基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇，其特征在于：太阳能电池板采用单晶硅太阳能电池片，太阳能电池板下设有碳棒，且通过粘合剂使太阳能电池板与碳棒固定连接，碳棒通过高频热焊技术焊接设于艇囊内。
9.一种使用如权利要求1-8中任一项所述的基于太阳能动力的大气质量监测无人飞艇的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.光照检测电路检测光照强度，太阳能电源控制***根据光照强度自动切换电源，若光照强度大于设定阈值，太阳能电池板箱负载供电，且根据锂电池容量判断是否将多余电能存储与锂电池中，若光照强度小于设定阈值，飞艇主体采用太阳能电池板和锂电池进行混合动力供电；
S2.混合供电***供电时，电子调速器控制无刷电机转速，并向飞行控制模块供电；
S3.飞行控制模块全方位检测飞艇主体工作状态时的各项参数，并通过高频调谐模块、公网传输模块和接收机接收地面控制站传输的控制信号，实时调整飞艇主体的工作状态，工作状态包括航点、回家、停留、自稳模式；
S4.飞艇主体飞行过程中，通过高精度图像传输机和图像模块向地面控制站实时传输拍摄的图像；
S5.飞艇主体飞行过程中，大气质量监测模块通过FAD气体传感器监测大气中多种气体浓度数据，并通过公网传输模块向地面控制站传输监测数据和定位数据。
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