一種新型氦氣球無人機的設計研究

黃俊華 田壯

摘 要：隨著無人機技術的快速發展，當前無人機已經廣泛應用于監控、測繪、噴灑等各個方面，但一般的旋翼無人機的續航能力較差，針對該問題，本文研究設計了一種新型氦氣球無人機，闡述了該無人機的結構特點與工作過程，具體分析了氦氣球無人機的垂直起飛模式、水平飛行模式和前進中上升模式，為無人機的創新使用提供了新思路。

關鍵詞：氦氣球;無人機;滯空飛行

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

0 引言

當前，我國社會經濟水平快速提升，科學技術不斷創新發展，無人機的技術水平得到了有效提升，并廣泛應用于不同行業和領域中，采用無人機進行空中監控、測繪已經較為普及，但無人機飛行時間較短，以大疆無人機為例，“悟”系列的無人機飛行時間只有十至二十分鐘，無法滿足長時間監控、測繪的工作需要。因此，本文研究設計了一種新型氦氣球無人機，用氦氣球平衡無人機的重力，延長了無人機的滯空時間，以期解決現有無人機滯空時間短的問題。

1 氦氣球無人機結構設計

本文設計的氦氣球無人機由無人機和氦氣球兩部分組成，氦氣球設置在無人機的框架頂部，框架上設置有三組螺旋槳組件，三組螺旋槳組件的質心連線構成等邊三角形，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置，第二組螺旋槳組件和第三組螺旋槳組件分別通過對應的電機角度控制舵機設置在框架尾部，位于等邊三角形頂角處的第一組螺旋槳組件的轉軸垂直于框架頂平面。

無人機的控制器和飛行控制傳感器通過控制器固定架設置在框架上。

無人機的數據收集傳感器通過數據收集傳感器固定架設置在框架上。

氦氣球呈三棱柱結構或三棱臺結構，氦氣球的中央設置有由底面向頂面延伸的通孔，其尾部側面上對稱地設置有兩個半圓柱形凹槽。氦氣球的結構設計圖如圖1所示。

2 工作過程

該新型氦氣球無人機的工作過程主要分為三部分。

步驟一：無人機起飛并運動到達預定空域的預定高度，包括垂直起飛模式、水平飛行模式和前進中上升模式。

垂直起飛模式：給控制器、各組螺旋槳組件的無刷電機、飛行控制傳感器、數據收集傳感器通電;經飛行控制傳感器檢測無人機狀態，在保證無人機處于水平狀態、第二組螺旋槳組件和第三組螺旋槳組件的無刷電機的轉軸與第一組螺旋槳組件無刷電機的轉軸平行且與地面垂直時，第一組螺旋槳組件的無刷電機、第三組螺旋槳組件的無刷電機逆時針旋轉，第二組螺旋槳組件的無刷電機順時針旋轉，分別帶動相應螺旋槳轉動，為無人機提供豎直方向的升力，無人機垂直起飛。

水平飛行模式：當飛行控制傳感器檢測無人機到達預定高度但沒到預定空域時，控制器根據飛行控制傳感器的信號下達位置移動命令，電機角度控制舵機轉動，使第二組螺旋槳組件和第三組螺旋槳組件的無刷電機轉軸轉動至與第一組螺旋槳組件無刷電機的轉軸垂直且與地面平行;第一組螺旋槳組件的無刷電機、第三組螺旋槳組件的無刷電機逆時針旋轉，第二組螺旋槳組件的無刷電機順時針旋轉，分別帶動相應螺旋槳轉動，為無人機提供水平方向的動力，無人機水平飛行直到預定空域。

前進中上升模式：當飛行控制傳感器同時檢測到高度上升和水平前進信號時，控制器根據飛行控制傳感器的信號下達位置移動命令，電機角度控制舵機轉動，使第二組螺旋槳組件和第三組螺旋槳組件的無刷電機轉軸轉動至與地面存在夾角，第一組螺旋槳組件的無刷電機、第三組螺旋槳組件的無刷電機逆時針旋轉，第二組螺旋槳組件的無刷電機順時針旋轉，分別帶動相應螺旋槳轉動，為無人機提供傾斜向上的力，使無人機在前進的過程中上升到預定空域的預定高度。

步驟二：信息采集。當飛行控制傳感器檢測無人機到達預定空域的預定高度時，各組螺旋槳組件的無刷電機斷電，使無人機保持滯空狀態，數據收集傳感器通電，開始收集該地域的圖像、溫度、濕度等信息。

步驟三：無人機返航。在信息收集完畢后，數據收集傳感器斷電，各組螺旋槳組件的無刷電機通電，無人機返航。

3 優點

（1）該新型氦氣球無人機可以實現較長時間的滯空，可以替代一些農業、林業、測繪無人機，搭載多種傳感器進行長時間空中監測、測繪。（2）該新型氦氣球無人機的結構簡單，重量輕，具有耗電量小的特點。（3）本次設計的氦氣球便于和無人機配合安裝，且無人機前進時這種結構的氦氣球對無人機造成的阻力小。

4 結束語

當前無人機的應用越來越廣泛，但是無人機續航能力較差的缺點在一定程度上限制了其發展及應用。改變無人機的使用思路，積極擴展“無人機+”，將無人機與其它器件相結合，可以提高無人機的性能，解決其自身難以克服的缺點，例如“無人機+”氦氣球，通過氦氣球平衡無人機的重力，延長了無人機的滯空時間，解決現有無人機滯空時間短的問題。

參考文獻：

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