一种可区域调控轨迹的浮空探测装置及其使用方法

1.本发明涉及浮空器技术领域，具体涉及一种可区域调控轨迹的浮空探测装置及其使用方法。


背景技术：

2.浮空探测装置是一种指依靠浮力升空，携带探测仪器的飞行器。浮空探测装置也是航空器的一种，常见的浮空探测装置一般用气球作为气囊，当充入气囊的气体密度小于其周围的空气密度，且由此压力差产生的静浮力大于气球本身与其搭载物的重量时气球就可升入空中。当系统重力与浮力保持一致时，气球就可以停留在某一高度。气球作为一种设备平台可用来运载观测仪器，在风力作用下，沿着大气运动的方向(大气环流)运动，一般情况下无法操控其运动轨迹。
3.如专利cn201610190895.9，该发明提出了一种控制高空气球升降的装置和一种高空气球的轨迹控制方法。高空气球的浮力单元由蒙皮、承力带、承力绳索等组成；可通过设置在浮力单元上的浮力单元体积调整装置，改变浮力单元的体积，进而改变高空气球浮力，实现高空气球的上升和下降控制；并依据平流层不同高度的风速和风向差异实现高空气球的轨迹控制。是一种无需释放高空气球内部浮升气体即可实现高空气球高度与轨迹控制的方案，使高空气球具备了长时区域驻留的能力；但需要结合平流层的风速和风向，需要一定的自然条件且响应时间长和区域控制能力低，主要是进行竖直方向上的位置调节。
4.在自然灾害发生或其他特殊应用场景中，需要对一定区域内地形地貌或地面环境进行不间断监测时，普遍选择使用无人机进行监测。无人机的构成基本硬件有：飞行控制计算机(飞行控制器)、飞机支架、电机、旋翼等，通过飞行控制计算机控制旋翼的转速和方向可实现垂直升降、原地旋转和水平移动等功能；其中原地旋转时通过控制各个旋翼的转速和转向不同，让无人机水平方向上左右两侧产生扭矩不同，实现无人机自身的水平旋转，对无人机飞行路线进行控制。
5.但无人机续航能力差，需要返航更换电池导致监控范围有限，使用效率低且人力成本和装置维修成本高，升空高度有限，不利于山区地势使用和战场对战中监控；而使用气球载重监测装置升空，气球的水平位移受到风力影响极大，且无法控制监控的范围，气球可控性低。
6.现有的浮空探测装置存在一下问题：1)想要实现长时间驻留设定区域，需要依靠平流层不同高度的风速和风向差异等自然条件实现，具有不可控性；2)如何让小型化的浮空探测装置在一定区域内运动，调节浮空探测装置的水平位移，保证对该设定地区的实时监控，同时上升足够高度，避免被发现。


技术实现要素：

7.针对上述存在的问题或不足，为解决浮空探测装置远离探测范围和方向失控的问题，本发明提供了一种可区域调控轨迹的浮空探测装置及其使用方法，实现高空小型化探
测装置的高效使用和有效隐蔽。
8.一种可区域调控轨迹的浮空探测装置，包括浮力单元、供能单元、推力单元、桁架和探测控制单元。
9.所述浮力单元包括可充入气体的腔体，浮力单元顶部连接桁架，底部连接探测控制单元，腔体充入轻质气体后带动整个浮空探测装置升空。
10.所述探测控制单元与浮力单元和桁架连接，包括控制芯片和探测装置件。其中，探测装置件包括风向风速仪和卫星定位器，用于采集数据传输给控制芯片进行处理并发出控制信号。
11.所述桁架为环形，浮空时，环绕于浮力单元外围，桁架上设有供能单元和推力单元，并与探测控制单元连接。
12.所述供能单元连接推力单元，为推力单元提供能量。
13.所述推力单元包括多个分布在桁架上的推进器；推进器包括电机和螺旋桨，螺旋桨通过传动轴固定在桁架上；根据探测控制单元给出的控制信号，控制具体推进器的启停和转速进行差速输出，带动整个浮空探测装置产生差速转动，实现位移偏转，让浮空探测装置返回指定区域内。
14.进一步的，所述推进器可单独控制其启停和转速；所述螺旋桨为正反螺旋桨，通过正转和反转提供不同方向的扭矩；两者可择一使用或一起使用，以实现浮空探测装置水平方向的360度全方位移动方向的控制。
15.进一步的，所述可充入气体的腔体为超压气球，超压气球上设有多个独立的从顶部延展至底部的固定超压气球膨胀体积的膜片，每一个膜片边沿均设有从气球顶部延伸至底部的加强筋,每一个加强筋内均设有控制超压气球小范围体积变化的收缩绳，收缩绳下端连接柔性收缩组件。
16.进一步的，所述柔性收缩组件包括：收绳转轮和轻质外壳，收绳转轮设于轻质外壳内，收绳转轮与超压气球同轴转动，收绳转轮上固定连接每一根收缩绳，当收绳转轮转动时收缩绳拉紧缠绕在收绳转轮上，压缩超压气球的体积。
17.进一步的，所述收绳转轮中间设有卷轮，卷轮上设有与捕风袋连接的绳索，通过绳索长度控制捕风袋的投放距离。
18.进一步的，所述捕风袋鼓风时为圆锥形，绳索末端与捕风袋有三个连接头，捕风袋可根据风向调整捕风方向。
19.进一步的，所述探测装置件还包括温度传感器和压力传感器，以进行相应的数据采集，经控制芯片分析处理发出控制信号给推力单元；或作为任务数据传输至接收设备。
20.进一步的，所述供能单元包括太阳能板和储能电池，太阳能板将太阳能转换为电能储存在储能电池内，需要时为推力单元和探测控制单元提供所需的电能。
21.上述可区域调控轨迹的浮空探测装置的使用方法，包括：
22.步骤1、通过软件程序根据坐标设定浮空探测装置的浮空区域，上传至浮空探测装置的探测控制单元，充入设定的气体量，打开地面锚泊设施，浮空探测装置升空；
23.步骤2、到达设定高度后，探测控制单元开启对任务数据进行探测、收集和实时传输,传输到地面接收设备；
24.步骤3、当浮空探测装置检测到距离设定飞行区域边界20m时，探测控制单元通过
数据分析，根据分析结果输出信号开启相应的推力单元，对推进器启动差速输出，改变浮空探测装置行进方向，控制其返回设定飞行区域；当浮空探测装置未漂浮到设定飞行区域边界时，推力单元不开启，自由漂浮进行探测工作。
25.进一步的，所述任务数据包括图像数据、多光谱数据等，数据可实时通过卫星链路传输到地面接收设备。
26.进一步的，所述探测控制单元通过地下设备获取不同高度平流层风速，由此控制捕风袋的下降高度，让捕风袋与超压气球之间形成因风速不同导致的不同的速度差，从而使得捕风袋与超压气球之间形成牵引力，防止超压气球被风吹出设定飞行区域。
27.进一步的，所述探测控制单元通过地下设备获取不同高度平流层风速，可通过转动收绳转轮，收缩超压气球体积，从而调整超压气球的飞行高度，防止被推出设定飞行区域。
28.进一步的，所述浮空探测装置检测到距离设定飞行区域边界20m，探测控制单元检测到风力为0、1、2、3、4级时根据其数据分析结果启动相应的推力单元；当检测到风力为5级时，间断启动推力单元；当检测到风力为6级时，不启动推力单元，防止逆风启动被损坏。
29.进一步的，所述差速输出是探测控制单元计算出的指令传输到各个推进器上，给不同位置的推进器不同的转动速度，实现装置行进中转向，同时抵抗风力，返回设定飞行区域内。
30.本发明具有以下技术效果：
31.1、本发明通过气球提供的浮力进行升空，能减少装置的自身配重，让装置更小型化，利于山地地形和特殊情况紧急使用等；且气球的成本低廉，能有效降低装置的制作成本，有利于大规模使用。
32.2、本发明通过在膜片之间设置收缩绳，实现柔性收缩超压气球的体积，让超压气球在小范围高度内浮动，能有效减少装置飘离探测范围；同时设置的捕风袋，如同空中的锚，通过将捕风袋下放到一定距离，与超压气球处于不同的风速下，捕风袋与超压气球因运动速度不同，产生相互拉扯，实现对超压气球的位置控制，控制结构简单，使用方便，重量轻，不会对飞行造成重量负担，同时起到可控范围内调节的作用。
33.3、本发明通过控制不定时启动的推力装置对装置方向进行调整，从而实现装置在设定范围内进行自由探测，提高探测效率和准确度；同时推力装置仅在靠近设定的飞行区域边界时启动，能有效减少用电量，使得仅靠太阳能板就能实现长期的自给自足供能；不仅能对自由漂浮探测的装置控制在一定范围内，还满足了轻便化装置的目的，节约成本。
34.综上所述，本发明通过对浮空探测装置装载卫星定位装置和探测控制单元，辅以水平角度全方向推动的推进器，结合探测控制单元的数据处理结果根据预设数据全自动控制推进器不定时启动，能更好的解决探测装置飘出探测范围的问题；同时配合太阳能板进行可持续供能，进一步提高装置的使用寿命和整体利用率。并且本发明还提供了设置收缩绳的超压气球、捕风袋以及结构和材料的优化方案，最终可实现更易于操控、更轻便化、使用更灵活、成本更低廉的浮空探测装置。
附图说明
35.图1为本发明结构正视图；
36.图2为本发明结构正视图；
37.图3为本发明结构俯视图；
38.图4为本发明超压气球正视图；
39.图5为本发明柔性收缩组件俯视图；
40.图6为本发明柔性收缩组件正视剖面图；
41.图7为本发明方法流程图。
42.附图标记：1-浮力单元、101-超压气球、1011-膜片、1012-收缩绳、102-柔性收缩组件、1021-收绳转轮、1022-轻质外壳、1023-卷轮、2-供能单元、3-推力单元、4-桁架、5-探测控制单元、6-太阳能板、7-螺旋桨、8-捕风袋。
具体实施方式
43.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
44.如图1-6所示，为本发明可区域调控轨迹的浮空探测装置，图1为结构正视图，图2为结构正视图，图3为结构俯视图，图4为超压气球连接柔性收缩组件和捕风袋的连接关系正视图，图5为柔性收缩组件俯视图，图6为柔性收缩组件正视剖面图。
45.一种可区域调控轨迹的浮空探测装置，包括浮力单元1、供能单元2、推力单元3、桁架4和探测控制单元5；
46.所述浮力单元1包括可充入气体的腔体，通过可充入气体的腔体提供浮力，让装置升空；浮力单元1连接探测控制单元5和桁架4，所述探测控制单元5连接在浮力单元1下端，且包括控制芯片和探测装置件，通过控制芯片控制探测装置件进行探测和信息收集，以及与地面控制装置进行信息传输；
47.所述桁架4采用轻质高强结构的碳钎维材质，环绕于浮力单元1外围，桁架4上设有供能单元2和推力单元3，桁架4用于承载供能单元2和推力单元3，同时提供支撑和平衡平台的作用；所述供能单元2连接推力单元3，推力单元3包括多个对称分布在桁架4上的推进器，推进器包括电机和螺旋桨7，螺旋桨7通过传动轴固定在桁架4上，各个推进器受探测控制单元的芯片单独控制其转速，通过探测控制单元给出的信号，设定指定推进器的转速，启动推进器产生差速转动，实现装置位移偏转，让装置返回指定区域内。
48.基于上述实施例，进一步的，所述可充入气体的腔体为低成本的超压气球101，超压气球101上设有多个独立的从顶部延展至底部的膜片1011，所述每一个膜片1011边沿均设有从气球顶部延伸至底部的加强筋；每一个膜片1011边沿均设有从气球顶部延伸至底部的加强筋,每一个加强筋内均设有控制超压气球101小范围体积变化的收缩绳1012，收缩绳1012下端连接柔性收缩组件，小型的超压气球101能快速升空，且携带方便，价格便宜，有利于一次大量升空实现快速探测，超压气球101通过体积大小调节上升高度，通过收缩绳1012控制超压气球101在小范围高度浮动，躲避大风，防止被吹离探测区域。
49.基于上述实施例，进一步的，所述柔性收缩组件102包括收绳转轮1021和轻质外壳1022，收绳转轮1021设于轻质外壳1022内，收绳转轮1021与超压气球101同轴转动，收绳转轮1021上固定连接每一根收缩绳1012，当收绳转轮1021转动时收缩绳1012拉紧缠绕在收绳转轮1021上，压缩超压气球101的体积。
50.基于上述实施例，进一步的，所述收绳转轮1021中间有缠绕着绳索的卷轮1023，绳
索与捕风袋8连接，通过绳索长度控制投放距离，通过将捕风袋8放置到不同风速的高度下，使得超压气球101和捕风袋8受到的风速不同，让捕风袋8对超压气球101起牵拉作用，防止被吹离探测区域。
51.基于上述实施例，进一步的，所述捕风袋8(尼龙材质)鼓风时为圆锥形，绳索末端与捕风袋8上三点连接，捕风袋8可根据风向自动调整捕风方向，尼龙材质具有高耐磨性和防静电性能，有利于长期使用。
52.基于上述实施例，进一步的，所述探测装置件包括：温度传感器、压力传感器、风向风速仪、北斗卫星定位器；能对实时温度、压力、风速和风向进行探测和数据收集，同时能通过北斗卫星定位器随时定位气球位置和边界位置。
53.基于上述实施例，进一步的，所述桁架4为轻质高强结构的环形桁架4，环形桁架4上端连接浮力单元1，下端连接探测控制单元5；轻质高强度结构不仅具有抗压能力，还能让装置更轻便，更便于携带。
54.基于上述实施例，进一步的，所述桁架4为碳钎维材质，碳钎维材质能耐低温、稳定性好、耐疲劳性好、抗腐蚀等，且使用寿命高有利于装置在高空环境中稳定使用。
55.基于上述实施例，进一步的，所述供能单元2包括太阳能板6和储能电池，太阳能板6将太阳能转换为电能储存在储能电池内，需要时为推力单元3和探测控制单元5提供所需的电能；装置通过太阳能板6产生电能，装置正常漂浮时将电能存储到储能电池中，当装置被检测到将飘出设定飞行区域时，储能电池提供电能启动推进器；间断性为推进器供能，能保证电能充足，同时减少了供能设备的重量。
56.基于上述实施例，进一步的，所述螺旋桨7为正反螺旋桨7，通过正转和反转提供不同方向的扭矩，增加装置可调控的范围；正反螺旋桨7能进行正转和反转，能提供更多差速的情况，能应对更多种的装置角度调节情况。
57.图7为本发明可区域调控轨迹的浮空探测装置的使用方法的流程图。如图7所示，可区域调控轨迹的浮空探测装置的使用方法包括：
58.步骤1、将装置按照图1所示进行组装，然后对浮空探测装置通电，检测设备是否正常，对硬件和软件进行测试；检测系统通电和各种传感器反馈是否正常，推力部件测试的控制和反馈是否正常，搭载设备操作反馈是否正常；软件测试包括：地图设定反馈是否正常，导航定位显示是否正常；预警效果测试，输入球体的定位信息，测试系统反馈情况是否正常，预测试一切正常后进行下一步；
59.步骤2、预测试完成后，给探测控制单元5通电，进行信息检测和传输，地面控制设备检测收到正常数据，则装置正常可进行下一步；设定飞行的区域上传至浮空探测装置的探测控制单元5，确定飞行范围；对接超压气球101接口，给超压气球101加注氦气，按照升空的海拔计算，充入对应的氦气量，氦气加注完成，封闭充气口，让浮空探测装置升空；
60.步骤3、升空过程中，探测控制单元5正常工作，并检测和收集实时的风速、温度、压力、高度、卫星定位信息，将信息通过卫星传输到地面控制设备中；
61.步骤4、到达设定高度，探测控制单元5开启对地面数据进行探测、收集和实时传输；
62.步骤5、当浮空探测装置检测到距离设定飞行区域边界20m时，探测控制单元5控制系统通过数据计算，输出信号开启推力单元3，对多个推进器差速输出，改变装置行进方向，
控制装置返回设定飞行区域；当浮空探测装置未漂浮到设定飞行区域边界时，装置自由漂浮进行探测工作。
63.基于上述实施例，进一步的，探测控制单元5通过地下设备获取不同高度平流层风速，当检测到依靠推进器控制返回设定区域比较困难时，通过地下设备检测到的下端平流层的风速，控制捕风袋8下降到指定的高度，让捕风袋8与超压气球101之间形成因风速不同导致的不同的速度差，从而使得捕风袋8与超压气球101之间形成牵引力，防止超压气球101被风吹出设定飞行区域，协助推进器返回设定飞行区域。
64.基于上述实施例，进一步的，探测控制单元5还可以通过地下设备获取不同高度平流层风速，通过转动收绳转轮1021，让收缩绳1012卷上收绳转轮1021，收缩超压气球101体积，从而调整超压气球101的飞行高度，防止被推出设定飞行区域。
65.基于上述实施例，进一步的，浮空探测装置5检测到距离设定飞行区域边界20m时，探测控制单元检测到风力为0、1、2、3、4级时根据其数据分析结果启动相应的推力单元3；当检测到风力为5级时，间断启动推力单元3，同时结合收缩组件102和捕风袋8进行综合控制超压气球101的飞行速度；当检测到风力为6级时，不启动推力单元，防止逆风启动被损坏。
66.通过以上实施方式可见:本发明通过可间断使用的差速推进器对装置位置进行调整，保证了装置在一定区域内进行探测工作，有效提高了无线探测装置的可控性，提高了浮空探测装置的使用寿命；进一步通过气球提供浮力的方式，能更好的减轻装置自重和降低装置成本，减少了回收成本，有利于在山区地形和特殊紧急情况使用。在装置将漂浮出设定区域才开启差速推进器的设置，能有效减少电能的消耗，只需太阳能板6的供能就能满足要求，让装置更轻便化，使用更灵活，成本更低廉。

技术特征：
1.一种可区域调控轨迹的浮空探测装置，其特征在于：包括浮力单元、供能单元、推力单元、桁架和探测控制单元；所述浮力单元包括可充入气体的腔体，浮力单元顶部连接桁架，底部连接探测控制单元；，腔体充入轻质气体后带动整个浮空探测装置升空；所述探测控制单元与浮力单元和桁架连接，包括控制芯片和探测装置件；其中，探测装置件包括风向风速仪和卫星定位器，用于采集数据传输给控制芯片进行处理并发出控制信号；所述桁架为环形，浮空时，环绕于浮力单元外围，桁架上设有供能单元和推力单元，并与探测控制单元连接；所述供能单元连接推力单元，为推力单元提供能量；所述推力单元包括多个分布在桁架上的推进器；推进器包括电机和螺旋桨，螺旋桨通过传动轴固定在桁架上；根据探测控制单元给出的控制信号，控制具体推进器的启停和转速进行差速输出，带动整个浮空探测装置产生差速转动，实现位移偏转，让浮空探测装置返回指定区域内。2.如权利要求1所述可区域调控轨迹的浮空探测装置，其特征在于：所述推进器可单独控制其启停和转速；所述螺旋桨为正反螺旋桨，通过正转和反转提供不同方向的扭矩，两者可择一使用或一起使用，以实现浮空探测装置水平方向的360度全方位移动方向的控制。3.如权利要求1所述可区域调控轨迹的浮空探测装置，其特征在于：所述可充入气体的腔体为超压气球，超压气球上设有多个独立的从顶部延展至底部的固定超压气球膨胀体积的膜片，每一个膜片边沿均设有从气球顶部延伸至底部的加强筋,每一个加强筋内均设有控制超压气球小范围体积变化的收缩绳，收缩绳下端连接柔性收缩组件。4.如权利要求3所述可区域调控轨迹的浮空探测装置，其特征在于：所述柔性收缩组件包括：收绳转轮和轻质外壳，收绳转轮设于轻质外壳内，收绳转轮与超压气球同轴转动，收绳转轮上固定连接每一根收缩绳，当收绳转轮转动时收缩绳拉紧缠绕在收绳转轮上，压缩超压气球的体积。5.如权利要求4所述可区域调控轨迹的浮空探测装置，其特征在于：所述收绳转轮中间设有卷轮，卷轮上设有与捕风袋连接的绳索，通过绳索长度控制捕风袋的投放距离。6.如权利要求5所述可区域调控轨迹的浮空探测装置，其特征在于：所述捕风袋鼓风时为圆锥形，绳索末端与捕风袋有三个连接头，捕风袋可根据风向调整捕风方向。7.如权利要求1所述可区域调控轨迹的浮空探测装置，其特征在于：所述探测装置件还包括温度传感器和压力传感器。8.如权利要求1所述可区域调控轨迹的浮空探测装置，其特征在于：所述供能单元包括太阳能板和储能电池，太阳能板将太阳能转换为电能储存在储能电池内，需要时为推力单元和探测控制单元提供所需的电能。9.如权利要求1所述可区域调控轨迹的浮空探测装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、通过软件程序根据坐标设定浮空探测装置的浮空区域，上传至浮空探测装置的探测控制单元，充入设定的气体量，打开地面锚泊设施，浮空探测装置升空；步骤2、到达设定高度，探测控制单元开启对任务数据进行探测、收集和实时传输，传输
到地面接收设备；步骤3、当浮空探测装置检测到距离设定飞行区域边界20m时，探测控制单元通过数据分析，根据分析结果输出信号开启相应的推力单元，对推进器启动差速输出，改变浮空探测装置行进方向，控制其返回设定飞行区域；当浮空探测装置未漂浮到设定飞行区域边界时，推力单元不开启，自由漂浮进行探测工作。10.如权利要求9所述可区域调控轨迹的浮空探测装置的使用方法，其特征在于：所述任务数据包括图像数据、多光谱数据，数据可实时通过卫星链路传输到地面接收设备。11.如权利要求9所述可区域调控轨迹的浮空探测装置的使用方法，其特征在于：所述探测控制单元通过地下设备获取不同高度平流层风速，由此控制捕风袋的下降高度，让捕风袋与超压气球之间形成因风速不同导致的不同的速度差，从而使得捕风袋与超压气球之间形成牵引力，防止超压气球被风吹出设定飞行区域。12.如权利要求9所述可区域调控轨迹的浮空探测装置的使用方法，其特征在于：所述探测控制单元通过地下设备获取不同高度平流层风速，可通过转动收绳转轮，收缩超压气球体积，从而调整超压气球的飞行高度，防止被推出设定飞行区域。13.如权利要求9所述可区域调控轨迹的浮空探测装置的使用方法，其特征在于：所述浮空探测装置检测到距离设定飞行区域边界20m，探测控制单元检测到风力为0、1、2、3、4级时根据其数据分析结果启动相应的推力单元；当检测到风力为5级时，间断启动推力单元；当检测到风力为6级时，不启动推力单元，防止逆风启动被损坏。14.如权利要求9所述可区域调控轨迹的浮空探测装置的使用方法，其特征在于：所述差速输出是探测控制单元计算出的指令传输到各个推进器上，给不同位置的推进器不同的转动速度，实现装置行进中转向，同时抵抗风力，返回设定飞行区域内。

技术总结
本发明涉及浮空器技术领域，具体涉及一种可区域调控轨迹的浮空探测装置及其使用方法。本发明通过对浮空探测装置装载卫星定位装置和探测控制单元，辅以水平角度全方向推动的推进器，结合探测控制单元的数据处理结果根据预设数据全自动控制推进器不定时启动，能更好的解决探测装置飘出探测范围的问题；同时配合太阳能板进行可持续供能，进一步提高装置的使用寿命和整体利用率。并且本发明还提供了设置收缩绳的超压气球、捕风袋以及结构和材料的优化方案，最终可实现更易于操控、更轻便化、使用更灵活、成本更低廉的浮空探测装置。成本更低廉的浮空探测装置。成本更低廉的浮空探测装置。


技术研发人员：程琦 赵攀峰 闫宗楷 郭济 赵秋翔 王玲
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/8/31