CN103231794A - 一种多气囊空中作业平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多气囊空中作业平台，包括升力形成模块、作业吊舱、航空作业设备、作业设备控制模块和空中移动控制模块，航空作业设备固定安装在作业吊舱内；升力形成模块包括多个气囊和气囊固定框架，多个气囊被气囊固定框架固定在同一平面上。空中移动控制模块包括地面站平台、姿态传感器和绞车，地面站平台与绞车的电控单元连接；姿态传感器安装在升力形成模块上，将测量到的运动姿态参数信号通过无线电波传送给地面站平台；升力形成模块通过绳索与各部绞车连接；作业吊舱搭载在气囊固定框架中心位置上；作业设备控制模块包括空中组件和地面组件，所述空中组件固定安装在作业吊舱内。本发明具有安全性高、结构简单及稳定性强等优点。

Description

一种多气囊空中作业平台

技术领域

本发明涉及一种空中作业平台，特别涉及一种多气囊空中作业平台。

背景技术

农用飞机航空作业效率高，例如在麦田灭草作业中，航空喷施比地面机械效率高5～7倍，相当于人工喷施的200～250倍，并且突击能力强，对突发、爆发性病虫害防控效果好；不受作物长势的限制，特别是作物生长至封行后行垄不清晰，航空作业可解决作物生长后期地面机械难以下田作业的问题。与田间作业相比，飞机航空作业还有降低作业成本、不会留下辙印和损坏农作物等的特点。

目前用于农业航空作业的飞行器主要包括有人驾驶的大型固定翼农用飞机、直升飞机、动力伞以及无人驾驶的微小型固定翼飞机、单旋翼直升飞机、非共轴多旋翼直升飞机、飞艇等。

有人驾驶的飞机作业效率高，但存在需要专用机场、维护成本高、航空管制严格等诸多问题。无人驾驶的飞机由于具有无需专用机场、专业飞行员、维护成本低以及航空管制少等特点，而且具有飞行高度低、作业效率及精度高、作业地形适应性广等优点，越来越在农业生产中得到广泛关注。

但无人驾驶的微小型固定翼飞机、单旋翼直升飞机、非共轴多旋翼直升飞机对于普通务农人员而言，价格仍显得昂贵，危险性高，操作不当很容易“摔机”、“炸机”，不仅造成飞机本身的重大损失，而且也给机上装备及地面作物带来严重毁坏，同时还会给地面作业人员带来安全威胁，因此，其使用的安全性问题是制约其快速发展的关键问题之一。气艇相对来说价格适中，作业安全性相对更高，且易于维护，但是传统的飞艇结构存在抗风能力差、作业速度慢、灵活性差等问题，特别是在航拍遥感作业时，由于航空拍摄对机体的稳定性要求很高，传统的气艇结构一般多采用传统的单气囊流线型结构，飞艇艇体的立面比较高，而挂载的遥感信息采集设备相对重心比较低，这种不够紧凑的结构极大地影响了空中作业的稳定性，尤其是在有自然风干扰的气象条件下晃动非常明显。

在公告号为CN2608420Y的中国实用新型专利中公开了一种系留气艇地空全景摄像与成像装置，该装置利用气艇产生上升动力，但是由于气艇为传统的单气囊结构，仍未能很好地解决挂载的遥感信息采集设备的稳定性问题，容易导致遥感数据采集设备所获取数据的精度不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种安全性高、结构简单及稳定性强的多气囊空中作业平台。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种多气囊空中作业平台，包括升力形成模块、作业吊舱、航空作业设备、作业设备控制模块和空中移动控制模块，所述航空作业设备固定安装在作业吊舱内；

所述升力形成模块包括多个气囊和气囊固定框架，所述多个气囊被气囊固定框架固定在同一平面上；所述多个气囊中充满比重低于空气的气体；

所述空中移动控制模块包括地面站平台、姿态传感器和绞车，所述绞车的数量为3部以上，根据气囊的数量作选择；所述地面站平台与绞车的电控单元连接，通过电控单元控制绞车的工作状态；所述姿态传感器安装在升力形成模块上，用于测量升力形成模块的运动姿态参数，并将测量到的运动姿态参数信号传送给地面站平台；

所述升力形成模块通过绳索与各部绞车连接；

所述气囊固定框架中心位置上设置有挂接装置；所述作业吊舱搭载在气囊固定框架挂接装置上；

所述作业设备控制模块包括空中组件和地面组件，所述空中组件固定安装在作业吊舱内且与航空作业设备连接，

所述航空作业设备通过作业设备控制模块的空中组件与地面组件进行联合控制，由作业设备控制模块的地面组件发出控制信号，空中组件依照控制信号实现航空作业设备的操控。

优选的，所述升力形成模块包括四个气囊，所述气囊固定框架为十字型的，所述四个气囊被气囊固定框架以田字型的结构固定在同一平面上。

优选的，所述姿态传感器为GPS、陀螺仪、航姿参考系统或惯性测量单元。

优选的，所述气囊材料为橡胶、聚氨酯薄膜或聚氯乙烯，所述气囊形状为球体、椭球体、长方体或正方体；所述升力形成模块的气囊固定框架为铝合金和碳纤维材质。

优选的，所述气囊中的气体为氦气或氢气。

优选的，所述升力形成模块的运动姿态参数包括升力形成模块的速度、高度、倾角及运动方向。

优选的，所述绞车包括驱动电机、电控单元、减速机、绳盘和排线器，其中驱动电机与电控单元连接，绳盘与排线器相连，排线器与减速机连接，绳盘上缠绕有绳索，绳索的一端与升力形成模块连接；所述绞车放置地面或安装在地面移动装备上。

优选的，所述作业吊舱内还固定安装有增稳设备和供电设备，所述供电设备分别与航空作业设备及增稳设备连接；

所述作业设备控制模块空中组件包括第一数传电台，所述第一数传电台固定安装在作业吊舱内且与航空作业设备及增稳设备连接；

所述作业设备控制模块地面组件包括第二数传电台、控制终端和存储设备，所述第二数传电台与控制终端连接；

所述空中组件的第一数传电台与地面组件的第二数传电台通过无线电波进行通信；

所述存储设备与控制终端连接。

更进一步的，所述航空作业设备为航拍遥感设备、航空喷施装备、作物制种辅助授粉装备或低空物品转运设备；

所述供电设备为太阳电池或可充电电池；

所述增稳设备为稳定支架、固定云台或电动云台；

所述存储设备为flash卡、移动硬盘或计算机。

更进一步的，所述作业设备控制模块地面组件还包括无线路由器，所述第二数传电台通过无线路由器与多台控制终端连接。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明采用的升力形成模块包含有多个气囊，并且这些气囊通过气囊固定框架按一定结构固定在同一平面上，这种结构可以保证气囊在空中不会挤压、横滚和平移，保证了空中作业平台在工作时的稳定性，提高航空作业精度。特别是低空遥感、航拍等作业时，作业吊舱搭载在气囊固定框架的中心位置上，可以使得作业吊舱的重心位置距离升力模块重心位置较近，有效降低作业吊舱受风力等影响所产生的晃动，进一步提高了空中作业平台的稳定性，可大幅提高遥感数据等采集设备数据采集精确度。

（2）本发明升力形成模块的运动状态由空中移动控制模块控制，空中移动控制模块控制通过姿态传感器实时的监测升力形成模块的高度、速度、倾角和运动方向等运动姿势参数，并将监测到的运动姿势参数信息及时的传送给地面站平台，地面站平台根据升力形成模块当前的运动姿态等参数信息，通过控制绞车绳索的收放，使升力形成模块以较佳的姿态在一定区域范围内移动，因此本发明升力形成模块的控制简单、方便。此外，由于本发明采用绳索与地面绞车实现空中作业平台的移动控制，因此，大大提高了本发明的控制作业平台的抗风能力。

（3）本发明升力形成模块的气囊采用PVC（PolyVinyl Chloride，聚氯乙烯）等软性防爆材料，气囊固定框架采用铝合金或碳纤维等轻质材料，具有安全性高、质量轻、结构简单的优点，轻质量的升力形成模块能够搭载更多的有效作业载荷，提高了本发明空中作业平台的工作效率，且简单的多气囊稳定结构成本低，日常维护简单。

（4）本发明可用于各种复杂地形，例如大田、山地、丘陵、水体等，通过挂载不同的航空作业设备，实现复杂地形条件下的航拍遥感、航空喷施、作物制种辅助授粉及低空物品转运等作业。此外，通过调整地面绞车的地理位置，可实现空中作业平台覆盖范围的动态调整。

附图说明

图1是本发明多气囊空中作业平台结构组成框图；

图2是本发明多气囊空中作业平台的升力形成模块俯视图；

图3是本发明多气囊空中作业平台的升力形成模块主视图；

图4是本发明多气囊空中作业平台示意图；

图5是本发明多气囊空中作业平台的空中移动控制模块结构示意图；

图6是本发明多气囊空中作业平台中航空作业设备与作业设备控制模块通信原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例公开了一种多气囊空中作业平台，包括升力形成模块1、作业吊舱3、航空作业设备、作业设备控制模块4和空中移动控制模块5，其中航空作业设备固定安装在作业吊舱3内。

如图2至图4所示，升力形成模块1包括四个气囊15和十字型气囊固定框架2，四个气囊15在同一平面采用两两相邻的方式以田字型结构固定在气囊固定框架2上；这种田字形的结构保证了气囊15在空中不会挤压、横滚和平移。

四个气囊15中充满比重低于空气的气体，如氢气或惰性气体，本实施例采用惰性气体氦气，也可以用其他惰性气体或者氢气代替。本实施例气囊15使用的材料为聚氯乙烯，也可以用橡胶或聚氨酯薄膜等软性防爆材料替代；气囊形状为球体；气囊固定框2架使用的材质为碳纤维材质。

气囊固定框架2中心位置16上设置有一个挂接装置，作为作业吊舱3的悬挂支点，作业吊舱3搭载在气囊固定框架2的挂接装置上，使得作业吊舱3的重心位置距离升力形成模块1重心位置较近，提高作业吊舱3的稳定性。

如图5所示，本实施例空中移动控制模块5包括地面站平台13、四部绞车14和姿态传感器12。其中地面站平台13是一个带有液晶显示屏的多通道通用航模遥控器，遥控器上有手动摇杆和自动导航模块，能发送遥控指令，可实现升力形成模块的俯仰、横滚、平移等运动。

绞车14包括驱动电机、电控单元、减速机、绳盘和排线器，其中驱动电机与电控单元连接，绳盘与排线器相连，排线器通过链条与减速机连接，绳盘上缠绕有绳索19，绳索19的一端与升力形成模块1连接。每部绞车的绳索19分别连接在十字型气囊固定框架2四根支架上。本实施例绞车14上的绳索19为导引镀膜航空钢丝；本实施例绞车直接放置于地面上，也可以安装在地面移动装备上。其中地面移动装备可以拖拉机、通过性能好的越野车辆或有固定轨道的电动小车等。

地面站平台13与绞车14的电控单元连接，地面站平台13向绞车14电控单元发出控制指令，电控单元根据接收的指令控制驱动电机的工作模式，排线器根据驱动电机的工作模式在减速机和绳盘的辅助作用下对绳索进行收放。

姿态传感器12安装在升力形成模块1上，用于实时监测升力形成模块1的速度、高度、倾角及运动方向等运动姿态参数，并将监测到的运动姿态参数信息传送给地面站平台13；地面站平台13收到姿态传感器12监测的运动姿态参数信息后，地面站平台13根据预先设定的运动轨迹，向各部绞车14的电控单元发出控制指令，以控制各部绞车对其绳盘上的绳索进行收放处理，改变升力形成模块的速度、高度、倾角及运动方向等，使得升力形成模块达到最佳测量位置。其中本实施例所使用的姿态传感器12为GPS（Global Positioning System，全球定位系统），也可以用陀螺仪、航姿参考系统或惯性测量单元代替。

作业吊舱3内还固定安装有增稳设备和供电设备，供电设备分别与航空作业设备及增稳设备连接，其中供电设备用于为航空作业设备和增稳设备提供动力；本实施例所采用的供电设备为太阳电池，也可以用可充电电池。增稳设备用于固定航空作业设备，为航空作业设备提供稳定的作业环境；本实施例所采用的增稳设备为固定云台，也可以使用稳定支架或电动云台代替，固定云台外带半球形的防护罩。

其中本实施例航空作业设备为航拍遥感设备高光谱相机MS4100，航拍遥感设备高光谱相机MS4100用于采集作用对象的图像数据和光谱信息，高光谱相机MS4100为CCD传感器，高光谱相机MS4100能够识别400～1100nm的波段，其中700～1100nm为红外线波段，是人眼所不能够识别的，而作物的缺素信息和病虫害信息变化最明显的波段集中表现在红外波段。它包括四个波段的光谱，分别是R、G、B、INR，有三种工作模式可选，分别为RGB、CIR、RGB/CIR。曝光方式可以采用手动或自动，本实施例中采用自动曝光方式。高光谱相机MS4100最高分辩率可达1920*1080，本实施例采用最低分辨率640*480，所采集到遥感信号的信噪比为60dB，图像质量较高。高光谱相机MS4100外带的RS232接口可以与数传电台进行数据交换。

作业设备控制模块包括空中组件和地面组件；航空作业设备通过作业设备控制模块的空中组件与作业设备控制模块的地面组件进行联合控制，由作业设备控制模块的地面组件发出控制信号，空中组件依照控制信号实现航空作业设备的操控。

如图6所示，作业设备控制模块空中组件包括第一数传电台，第一数传电台固定安装在作业吊舱内且与航拍遥感设备及增稳设备连接；

作业设备控制模块地面组件包括第二数传电台、无线路由器、多台控制终端和存储设备；存储设备与控制终端连接；存储设备用于存储航空作业设备所采集的数据，本实施例所采用的存储设备flash卡，也可以用移动硬盘或计算机。

第二数传电台通过无线路由器与各台控制终端连接；无线路由器可实现第二数传电台同时连接多个控制终端，使得多台控制终端同时控制航拍遥感设备。其中控制终端用于显示航拍遥感设备的作业状态，并且控制航拍遥感设备的工作模式和增稳设备的工作方式；其中增稳设备的工作方式包括两轴增稳及三轴增稳两种方式；

航拍遥感设备将其采集到的遥感数据通过第一数传电台、第二数传电台和无线路由器传送给各台控制终端。

空中组件的第一数传电台与地面组件的第二数传电台通过无线电波进行通信；

本实施例所采用的第一数传电台和第二数传电台均为Nano IP系列的，其工作频率为902～928MHz，工作方式为调频，传输距离无遮挡在50公里之内为1.2Mkps，可以实现远程诊断，具有优良的抗强干扰和抑制特性。

本实施例多气囊空中遥感作业的工作过程如下：

（1）地面站平台向各部绞车控制单元发出控制指令，控制各部绞车对其绳盘上的绳索进行收放处理，使得升力形成模块开始运动。

（2）姿态传感器GPS实时监测升力形成模块的速度、高度、倾角及运动方向等姿态参数，并将这些参数信息发送给地面站平台，地面站平台根据预先设定的运动轨迹，向各部绞车的电控单元发出控制指令，使得升力形成模块根据控制指令移动到待测区域的上方。

（3）作业设备控制模块中的控制终端将控制信号通过无线路由器、第二数传电台及第一数传电台发送给航拍遥感设备高光谱相机MS4100以及增稳模块，调整高光谱相机MS4100工作模式及波段，控制增稳设备的工作方式。

（4）高光谱相机MS4100在低空中采集待测区域农作物的图像信息，并将采集到的遥感数据通过第一数传电台、第二数传电台及无线路由器传输给控制终端，控制终端接收到高光谱相机MS4100采集到的遥感数据后，将其传送给存储卡进行存储。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多气囊空中作业平台，其特征在于，包括升力形成模块、作业吊舱、航空作业设备、作业设备控制模块和空中移动控制模块，所述航空作业设备固定安装在作业吊舱内；

所述升力形成模块包括多个气囊和气囊固定框架，所述多个气囊被气囊固定框架固定在同一平面上；所述多个气囊中充满比重低于空气的气体；

所述空中移动控制模块包括地面站平台、姿态传感器和绞车，所述绞车数量为3部以上，根据气囊的数量作选择；所述地面站平台与绞车的电控单元连接，通过电控单元控制绞车的工作状态；所述姿态传感器安装在升力形成模块上，用于测量升力形成模块的运动姿态参数，并将测量到的运动姿态参数信号传送给地面站平台；

所述升力形成模块通过绳索与各部绞车连接；

所述气囊固定框架中心位置上设置有挂接装置；所述作业吊舱搭载在气囊固定框架挂接装置上；

所述作业设备控制模块包括空中组件和地面组件，所述空中组件固定安装在作业吊舱内且与航空作业设备连接，

所述航空作业设备通过作业设备控制模块的空中组件与作业设备控制模块的地面组件进行联合控制，由作业设备控制模块的地面组件发出控制信号，空中组件依照控制信号实现航空作业设备的操控。

2.根据权利要求1所述的多气囊空中作业平台，其特征在于，所述升力形成模块包括四个气囊，所述气囊固定框架为十字型的，所述四个气囊被气囊固定框架以田字型的结构固定在同一平面上。

3.根据权利要求1所述的多气囊空中作业平台，其特征在于，所述姿态传感器为GPS、陀螺仪、航姿参考系统或惯性测量单元。

4.根据权利要求1所述的多气囊空中作业平台，其特征在于，所述气囊材料为橡胶、聚氨酯薄膜或聚氯乙烯，所述气囊形状为球体、椭球体、长方体或正方体；所述升力形成模块的气囊固定框架为铝合金和碳纤维材质。

5.根据权利要求1所述的多气囊空中作业平台，其特征在于，所述气囊中的气体为氦气或氢气。

6.根据权利要求1所述的多气囊空中作业平台，其特征在于，所述升力形成模块的运动姿态参数包括升力形成模块的速度、高度、倾角及运动方向。

7.根据权利要求1所述的多气囊空中作业平台，其特征在于，所述绞车包括驱动电机、电控单元、减速机、绳盘和排线器，其中驱动电机与电控单元连接，绳盘与排线器相连，排线器与减速机连接，绳盘上缠绕有绳索，绳索的一端与升力形成模块连接；所述绞车放置地面或安装在地面移动装备上。

8.根据权利要求1所述的多气囊空中作业平台，其特征在于，所述作业吊舱内还固定安装有增稳设备和供电设备，所述供电设备分别与航空作业设备及增稳设备连接；

所述作业设备控制模块空中组件包括第一数传电台，所述第一数传电台固定安装在作业吊舱内且与航空作业设备及增稳设备连接；

所述作业设备控制模块地面组件包括第二数传电台、控制终端和存储设备，所述第二数传电台与控制终端连接；

所述空中组件的第一数传电台与地面组件的第二数传电台通过无线电波进行通信；

所述存储设备与控制终端连接。

9.根据权利要求8所述的多气囊空中作业平台，其特征在于，所述航空作业设备为航拍遥感设备、航空喷施装备、作物制种辅助授粉装备或低空物品转运设备；

所述供电设备为太阳电池或可充电电池；

所述增稳设备为稳定支架、固定云台或电动云台；

所述存储设备为flash卡、移动硬盘或计算机。

10.根据权利要求8所述的多气囊空中作业平台，其特征在于，所述作业设备控制模块地面组件还包括无线路由器，所述第二数传电台通过无线路由器与多台控制终端连接。

Images