CN106516068B - 智能气球 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种智能气球，包括：气球球体；气球阀门，设置在气球球体上，用于在打开时进行智能气球的排气；压载装置，压载装置用于抛卸压载；采集装置，采集装置用于采集环境参数及智能气球的飞行状态信息；控制器，控制器分别与气球阀门、压载装置及采集装置相连，以根据及智能气球的飞行状态信息确定智能气球的飞行模式，并根据飞行模式、环境参数及飞行状态信息对气球阀门和压载装置进行控制。本发明能够实现对气球的智能升降控制，大大延长了气球的工作寿命，从而使得单次放飞可以获取更多气象数据，并可以对同一高程进行多次测量，提升了测量数据的可靠性，并且，可控制气球安全平稳着陆，达到回收再利用的目的，从而降低了飞行成本。

Description

智能气球

技术领域

本发明涉及气球的控制与通讯技术领域，特别涉及一种智能气球。

背景技术

气球是一种能耗低且廉价的飞行器材，在气象、军事、观光、广告宣传方面都有很多应用。

气球在气象学中常用来做探测大气的重要工具，人们常利用气球把探空仪器带到高空进行温度、大气压力、湿度、风向、风速等气象要素的测量。气球投资少，成本低，见效快，相对载重量大，携带仪器姿态稳定，观测数据资料精度高，用时短，灵活性大，施放不受地域和气候因素影响。目前，虽然更先进的工具如探空火箭、气象雷达、气象卫星等广泛应用，但探空气球仍是气象研究中不可缺少的大气直接探测工具，常用于作为其他探测仪器标定的数据来源。

探空气象站使用的常规气象气球升速一般为6～8m/s，约上升到30km高空后自行爆裂。气球升空后完全自由飞行，地面人员不能对其进行控制，更不能回收再利用。具有飞行时间短，采集信息量少，单次飞行对于某一高程只能进行单次测量，利用率低等弊端。飞艇虽然可以进行人为控制，但体积庞大，若用于普通科学观测过于浪费。小型可控制升降的智能气球还属于空白。

同时，目前的航拍遥感工作多由四旋桨或多旋桨飞行器、固定翼无人飞机、通航飞机、卫星等来完成。利用旋桨飞行器进行航拍工作，飞行高度低，覆盖范围小，飞行时间短。利用无人飞机进行航拍，飞行成本高，且同样有飞行高度低，覆盖范围小的缺点。而利用卫星进行航拍，由于飞行高度过高，导致航拍图像分辨率不足。同时，只有卫星经过某区域上空时，才能对该区域进行航拍工作，不能在任意时刻进行，机动性差。

气球的飞行高度高于旋桨飞行器与无人飞机且远低于卫星，若利用气球进行航拍可获得范围广于旋桨飞行器、分辨率高于卫星的航拍图像。但是由于气球升空后高度逐渐升高直至爆炸坠落，故不易回收气球航拍图像。且气球不能稳定在某一高程进行稳定工作，即便成功回收气球航拍图像，分辨率也不均匀。故如何利用气球进行稳定的可回收的航拍工作，目前也没有得到很好的解决。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种智能气球，能够实现对气球的智能升降控制，大大延长了气球的工作寿命，从而使得单次放飞可以获取更多气象数据，并可以对同一高程进行多次测量，提升了测量数据的可靠性，并且，可控制气球安全平稳着陆，达到回收再利用的目的，从而降低了飞行成本。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种智能气球，包括：气球球体；气球阀门，所述气球阀门设置在所述气球球体上，用于在打开时进行所述智能气球的排气；压载装置，所述压载装置用于抛卸压载；采集装置，所述采集装置用于采集环境参数及所述智能气球的飞行状态信息；控制器，所述控制器分别与所述气球阀门、压载装置及采集装置相连，以根据及所述智能气球的飞行状态信息确定所述智能气球的飞行模式，并根据所述飞行模式、所述环境参数及飞行状态信息对所述气球阀门和压载装置进行控制。

另外，根据本发明上述实施例的智能气球还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述采集装置包括：温压测量模块，所述温压测量模块用于获取所述气球球体的内外压强，并根据所述内外压强得到气球内外压差；位置测量模块，所述位置测量模块用于获取所述智能气球的经纬度、飞行高度、水平速度、上升速度及下降速度。

在一些示例中，所述智能气球的飞行模式包括：升空模式、平稳飞行模式、高度调整模式及安全降落模式，其中，当所述智能气球升空时，进入所述升空模式；当所述飞行高度达到所述目标高度时，进入所述平稳飞行模式；当所述目标高度发生变化时，进入所述高度调整模式；当所述智能气球下降回收时，进入所述安全降落模式。

在一些示例中，所述控制器用于：在所述升空模式下，当所述气球内外压差大于预存的内外额定最大压差时，控制所述气球阀门打开以进行排气，以及，当所述飞行高度与所述目标高度的距离小于预设距离时，根据预设控制方式控制所述智能气球趋近所述目标高度，并在达到所述目标高度时控制所述智能气球的上升速度近似为零，以及，当所述上升速度大于预存的额定上升速度时，控制所述气球阀门以预设排气速率进行排气，以使所述上升速度小于或等于所述额定上升速度；在所述平稳飞行模式下，当所述气球内外压差大于所述内外额定最大压差时，控制所述气球阀门打开以进行排气，以及，当所述飞行高度高于所述目标高度预设距离时，控制所述气球阀门以所述预设排气速率进行排气，以使所述飞行高度降低并趋近所述目标高度，且所述智能气球的下降速度近似为零，以及，当所述飞行高度低于所述目标高度预设距离时，控制所述压载装置抛卸部分压载，以使所述飞行高度上升并趋近所述目标高度，且所述上升速度近似为零；在所述高度调整模式下，当所述气球内外压差大于所述内外额定最大压差时，控制所述气球阀门打开以进行排气，以及，当所述飞行高度高于调整后的目标高度预设距离时，控制所述气球阀门以所述预设排气速率进行排气，以使所述飞行高度降低并趋近所述调整后的目标高度，且所述下降速度近似为零，以及，当所述飞行高度低于所述调整后的目标高度预设距离时，控制所述压载装置抛卸部分压载，以使所述飞行高度上升并趋近所述调整后的目标高度，且所述上升速度近似为零；在所述安全降落模式下，当所述气球内外压差大于所述内外额定最大压差时，控制所述气球阀门打开以进行排气，以及，当所述智能气球的降落速度小于预存的额定降落速度下限时，控制所述气球阀门以所述预设排气速率进行排气，以使所述降落速度大于所述额定降落速度下限，以及，当所述降落速度大于预存的额定降落速度上限时，控制所述气球阀门关闭，以使所述降落速度小于所述额定降落速度上限，以及，当所述智能气球的降落时间大于第一预设时间时，控制所述气球阀门关闭，停止排气。

在一些示例中，还包括：通讯装置和地面服务器，其中，所述地面服务器用于接收用户输入的控制指令，并将所述控制指令发送至所述通讯装置，并在接收到所述通讯装置传输的所述环境参数和所述智能气球的运行状态及飞行模式后，向所述通讯装置反馈确认指令；所述通讯装置分别与所述采集模块、所述地面服务器和所述控制器相连，用于每隔预设时间间隔将采集的所述环境参数和所述智能气球的运行状态及飞行模式发送给所述地面服务器，并接收所述地面服务器的发送的控制指令和确认指令，并将接收到的所述控制指令发送至所述控制器，以使所述控制器根据所述控制指令切换所述智能气球的飞行模式，并对所述气球阀门和压载装置进行相应控制。

在一些示例中，所述通讯装置还用于在第三预设时间内未接收到所述确认指令时，向所述控制器发送预设控制指令，以使所述控制器根据所述预设控制指令控制所述智能气球按照预设方案进行飞行或降落。

在一些示例中，还包括：安全监测模块，所述安全监测模块分别与所述地面服务器和控制器相连，用于监测所述控制器的运行状态，并在所述控制器出现故障时，向所述地面服务器发送报警信号，并控制所述气球阀门打开以进行排气。

在一些示例中，所述气球阀门包括无压电磁阀和抽气泵，所述无压电磁阀和抽气泵由同一信号控制。

在一些示例中，根据权利要求1所述的智能气球，其特征在于，所述压载装置包括：压载容器和舵机，所述压载容器固定连接在所述舵机上，所述控制器控制所述舵机旋转，当所述压载容器的开口端向下时，抛卸压载。

在一些示例中，所述控制器为单片机。

根据本发明实施例的智能气球，具有如下优点：

1、能够根据气球内外压差进行调整，避免发生爆破，使得工作寿命大大延长；

2、利用阀门与压载进行气球升降的控制，可令气球往复上下工作，从而实现智能控制飞行高度；

3、工作寿命的延长和高程的智能控制使得气球的工作范围大大扩大，即扩大了工作空间；

4、气球在平稳飞行时期高程稳定，可对该高程进行长时间测量，获取更多数据，避免偶然误差，因此具有飞行平稳的优点；

5、除气球自动控制飞行之外，地面服务器可发送控制指令改变气球飞行模式，从而达到人工控制气球飞行的目的；

6、智能气球的安全降落模式可控制气球平稳安全着陆，利用卫星定位信息可以方便的找到着陆后的气球，从而实现气球的可回收利用；

7、工作寿命较普通气球更长，应用智能气球可以减少气球放飞次数达到同样的观测目的，而且由于气球可回收利用，因此，大大降低了成本；

8、智能气球利用单片机作为控制器，可以方便的增加其他拓展模块如湿度模块、光照强度模块、地磁模块、空气质量监测模块，增加气球工作性能，即方便对接拓展模块。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的智能气球的结构框图；

图2是本发明另一个实施例的智能气球的结构框图；

图3是本发明一个具体实施例的智能气球的结构示意图；

图4是本发明一个具体实施例的压载装置示意图；以及

图5是本发明一个具体实施例的控制器的控制电路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的智能气球。

图1是根据本发明一个实施例的智能气球的结构框图。如图1所示，该智能气球100包括：气球球体110、气球阀门120、压载装置130、采集装置140及控制器150。

具体地，气球球体110例如采用橡胶、PVC膜、铝塑膜等材料制成，采用氦气等低密度气体充填，低密度气体指密度低于空气密度的气体。

气球阀门120设置在气球球体上(例如设置在气球开口处)，用于在打开时进行智能气球100的排气。在本发明的一个实施例中，气球阀门120包括无压电磁阀和抽气泵，无压电磁阀和抽气泵由同一信号控制。具体地说，无压电磁阀的开闭可通过高低电平控制，正常情况下无压电磁阀关闭，当电磁阀打开时气球会向外排气。当需要加快排气速度时，则可增加抽气泵，从而加快排气速率。无压电磁阀和抽气泵可以串联连接，也可以并联连接，但无压电磁阀开闭的和抽气泵的启停由同一信号控制，以保证二者同时开启或关闭。

压载装置130用于抛卸压载。在本发明的一个实施例中，结合图3所示，压载装置130例如包括压载容器131和舵机132。具体地，压载容器131固定连接在舵机132上，控制器150控制舵机132旋转，从而带动压载容器131旋转，当压载容器131的开口端向下时，抛卸压载133。在图3所示的示例中，例如压载容器131为固接在舵机132上的细口容器，如一端开放的沙漏，沙漏(容器)内装有易于抛掷且不对地表人身或财产安全产生损伤的压载133(如细砂、无毒防冻液体等)。当沙漏开口端向下时抛卸压载133，沙漏开口端向上时不抛卸压载133。

采集装置140用于采集环境参数及智能气球的飞行状态信息。

具体地，在本发明的一个实施例中，采集装置140例如包括温压测量模块和位置测量模块。温压测量模块例如包括设置在气球内外两个温压传感器，用于获取气球球体的内外压强，并根据内外压强得到气球内外压差。位置测量模块例如通过卫星定位模块获取智能气球100的经纬度、飞行高度(即高程)、水平速度、上升速度及下降速度，并进一步利用外部温压传感器校准上升速度。换言之，采集模块140采集的环境参数及智能气球100的飞行状态信息例如包括：气球球体的内外压强、气球内外压差、智能气球100的经纬度、飞行高度、水平速度、上升速度及下降速度。

控制器150分别与气球阀门120、压载装置130及采集装置140相连，以根据及智能气球100的飞行状态信息确定智能气球100的飞行模式，并根据飞行模式、环境参数及飞行状态信息对气球阀门120和压载装置130进行控制。

在本发明的一个实施例中，控制器150例如为单片机或其他智能主机。其中，控制器150中可包括一个存储模块，例如通过固态记忆体(如SD卡)进行本地数据的存储，如预先输入的控制参数或工作过程中采集的图像与数据等。

具体地说，控制器150根据智能气球100的飞行状态判断是否需要进行升降控制。当选择加速上升或减小下降速度时，控制器150(如单片机)向压载装置130的舵机发送命令，舵机旋转，压载容器口向下抛卸压载，达到一定抛载量后，舵机逆向旋转，容器口向上，压载抛卸结束。当选择加速下降或减小上升速度时，控制器150(如单片机)向气球阀门120发送命令，气球阀门120打开以进行排气，达到一定排气量后，气球阀门120关闭，排气结束。

在本发明的一个实施例中，智能气球100的飞行模式包括：升空模式、平稳飞行模式、高度调整模式及安全降落模式，其中，当智能气球升空时，进入升空模式；当飞行高度达到目标高度时，进入平稳飞行模式；当目标高度发生变化(即气球更改飞行高度)时，进入高度调整模式；当智能气球下降回收时，进入安全降落模式。各飞行模式的参数和切换条件可预先写好指令并存储控制器150的存储模块中，也可在气球升空后经人工发送命令进行人工控制。四种飞行模式的具体实现由主控程序中各控制参数决定，控制参数可由用户根据工作任务制定。以下对各飞行模式的具体内容与控制参数做详细介绍：

升空模式：气球升空即进入升空模式。升空模式涉及的控制参数有内外压差(气球内外气压之差)、内外额定最大压差(气球爆破时临界内外压差)、飞行高度(当前时刻气球飞行的高度)、目标高度(要求气球平稳飞行时的高度)、上升速度(当前时刻气球的上升速度)、额定上升速度(满足气球在目标高度稳定飞行时，气球在当前高程应具有的速度)。在升空模式下，当气球内外压差大于预存的内外额定最大压差时，控制气球阀门120打开以进行排气，从而防止气球爆炸；以及，当飞行高度与目标高度的距离小于预设距离时，根据预设控制方式控制智能气球逐步趋近目标高度，并在达到目标高度时控制智能气球的上升速度近似为零，其中，预设控制方式例如为PID控制方法；以及，当上升速度大于预存的额定上升速度时，控制气球阀门120以预设排气速率进行缓慢排气，以降低上升速度，并使上升速度小于或等于额定上升速度。

平稳飞行模式：当气球距离目标高度一定范围(预设距离)时进入平稳飞行模式。平稳飞行模式涉及控制参数有内外压差、内外额定最大压差、飞行高度、目标高度。在平稳飞行模式下，当气球内外压差大于内外额定最大压差时，控制气球阀门120打开以进行排气，从而防止气球爆炸；以及，当飞行高度高于目标高度预设距离时，控制气球阀门120以预设排气速率进行缓慢排气，以使飞行高度降低并趋近目标高度，且智能气球的下降速度近似为零；以及，当飞行高度低于目标高度预设距离时，控制压载装置130抛卸部分压载，以使飞行高度上升并趋近目标高度，且上升速度近似为零。需要说明的是，在目标高度允许误差范围内，以上操作可反复执行。合理设定目标高度允许误差，并保证排气量、抛载量的控制精度，可通过较少的操作次数使气球长时间保持在平稳飞行模式运行。

高度调整模式：当气球目标高度发生变化时，气球进入高度调整模式。高度调整模式涉及控制参数有内外压差、内外额定最大压差、飞行高度、目标高度。在高度调整模式下，当气球内外压差大于内外额定最大压差时，控制气球阀门120打开以进行排气，从而防止气球爆炸；以及，当飞行高度高于调整后的目标高度预设距离时，控制气球阀门120以预设排气速率进行缓慢排气，以使飞行高度降低并趋近调整后的目标高度，并在达到调整后的目标高度时下降速度近似为零；以及，当飞行高度低于调整后的目标高度预设距离时，控制压载装置130抛卸部分压载，以使飞行高度上升并趋近调整后的目标高度，并在达到调整后的目标高度时上升速度近似为零。高度调整模式是平稳飞行模式的扩展，快速进行高度调整后，需要进行平稳飞行模式的操作，使目标飞行高度稳定控制在误差范围内。

安全降落模式：当气球需要降落时进入安全降落模式。安全降落模式涉及控制参数有内外压差、内外额定最大压差、降落速度(当前时刻气球的降落速度)、额定降落速度下限(气球降落时允许的气球下降速度最低值)、额定降落速度上限(气球降落时允许的气球下降速度最高值)。在安全降落模式下，当气球内外压差大于内外额定最大压差时，控制气球阀门打开以进行排气，从而防止气球爆炸；以及，当智能气球100的降落速度小于预存的额定降落速度下限时，控制气球阀门120以预设排气速率进行缓慢排气，以增加降落速度，并使降落速度大于额定降落速度下限；以及，当降落速度大于预存的额定降落速度上限时，控制气球阀门120关闭，气球停止排气，逐步降低降落速度，以使降落速度小于额定降落速度上限。进一步地，当智能气球100的降落时间大于第一预设时间时，控制气球阀门120关闭，停止排气，节约氦气或其他低密度气体。换言之，即当较长时间内气球没有下降时，可结合GPS和温压传感器信息判断气球已经落地，停止放气，节约氦气或其他低密度气体。

在本发明的一个实施例中，结合图2所示，该智能气球100例如还包括：通讯装置170和地面服务器160。

其中，地面服务器160用于接收用户输入的控制指令，并将控制指令发送至通讯装置170，并在接收到通讯装置170传输的环境参数(如气球球体的内外压强、气球内外压差等)和智能气球100的运行状态(如智能气球100的经纬度、飞行高度、水平速度、上升速度及下降速度等)及飞行模式后，向通讯装置170反馈确认指令，即地面服务器160接收到数据后会与通讯装置170确认通讯状态。

通讯装置170分别与采集模块140、地面服务器160和控制器150相连，用于每隔预设时间间隔将采集的环境参数和智能气球100的运行状态及飞行模式发送给地面服务器160，并接收地面服务器160的发送的控制指令和确认指令，并将接收到的控制指令发送至控制器150，以使控制器150根据控制指令切换智能气球100的飞行模式，并对气球阀门120和压载装置130进行相应控制。换言之，即在通讯良好的情况下，智能气球100可降级为人工控制飞行模式。在降级飞行模式下，可更改之前的自动控制指令，可通过地面服务器160人工输入控制指令，并通过通讯装置170传输至控制器150，以使控制器150执行该控制指令，更为具体地，人工输入的控制指令例如包括：飞行模式切换指令、降落指令、排气指令和/或抛载指令，换言之，即在降级飞行模式下，可更改之前的自动控制指令，可人工调整飞行模式或下达降落命令，也可直接发送排气和抛载命令，从而实现人工更改智能气球100的飞行状态和飞行模式。

进一步地，通讯装置170还用于在第三预设时间内未接收到确认指令时，向控制器150发送预设控制指令，以使控制器150根据预设控制指令控制智能气球100按照预设方案进行飞行或降落。换言之，即当通讯装置170长时间没有收到地面服务器160发送的确认指令时，即认为通讯装置170与地面服务器160失去联系，也即气球与地面服务器160失去联系，将重新连接地面服务器160，并在反复连接失败后，气球认为其处于失联状态，则可按默认预案(即预设方案)控制气球飞行或降落。

在本发明的一个实施例中，上述的通讯装置170例如为蜂窝移动通讯模块、WIFI通讯模块、ZigBee或卫星通讯模块等无线电通讯模块，从而可实现远距离通讯。

进一步地，在本发明的一个实施例中，结合图2所示，该智能气球100还包括安全监测模块180。安全监测模块180例如为看门狗模块或延时模块，其分别与地面服务器160和控制器150相连，用于监测控制器150的运行状态，并在控制器150出现异常或故障时，向地面服务器160发送报警信号，并控制气球阀门120打开以进行排气，从而迫使气球着陆回收，保证空域安全。

作为具体的示例，如图3所示，为智能气球100在一个具体实施例中的结构示意图。其中，1为塞，气球阀门120可放置于此处，也可从塞中引出软管连接阀门进气口；2为导气软管，本示意图气球阀门120例如放置在气球外部，故通过导气软管连接气球内部与气球阀门120；110为气球球体；4为绳，连接气球球体110与控制器150；5为导线，控制器150(如单片机)通过此导线5获取气球球体110内的温压传感器的数据和控制可能位于塞内的气球阀门120。

进一步地，如图4所示，为智能气球100的压载装置130在该具体实施例中的结构示意图。其中，132为舵机，舵机132旋转可由控制器150控制；131为压载容器；133为压载，示意图中采用细砂作为压载133。左图为容器口向上时，压载133静置；右图为容器口向下时，压载133外泄，即抛卸压载133。

基于此，在本实施例中，首先对智能气球100进行拼装。智能气球100的拼装按照图5中的智能气球主控模块(即控制器)的电路图示例作为参考。本实施例中的控制器150例如为单片机，具体采用Arduino，温压传感器采用温压模块，卫星定位模块采用GPS模块，通讯装置140采用无线通讯模块。

其中，结合图5所示，Arduino是智能气球的控制器，由Battery2负责供给电源。MH19a是气球外的温压传感器，能够监测大气的温度与压强。MH19b是气球内的温压传感器，能够监测气球内部的温度与压强。Relay是气球的电磁继电器模块，信号与Arduino的pin2相连，当pin2为高电位时继电器控制的电磁阀电路开路，当pin2为低电位时电磁阀电路闭路，以此通过Arduino控制电磁阀的开关，从而控制气球放气下降。Valve是气球的阀门，进气端与由气球伸出的橡胶软管相连，当电磁阀工作时气球放气，当阀门不工作时良好密闭，由Battery0与Battery1负责供给电源。Switch为手动控制放气开关，当闭合时阀门电路闭路，气球放气。

进一步地，在智能气球拼装完成之后，即可向单片机录入程序。具体地说，对于卫星定位、温压，采取定时读取，去掉粗大值，取多次内平均，作为现在的位置温压数据。按照前文描述中的四个飞行模式的要求编写单片机程序，录入到单片机。

进一步地，地面人工控制通过一个网页执行。无线通讯模块将气球数据传送到地面接收端(即地面服务器)，地面接收端将数据传输到服务器某一个端口，网页监听这个端口获得气球数据并进行整理，用户登录该网页即可查看气球目前的运行状况。用户可以通过网页向监听发送命令传送给无线通讯模块，再由无线通讯模块将命令传送给单片机，从而实现人工控制。

需要说明的是，地面接收到无线通讯模块的信号后要返回一个信号表示收到，当无线通讯模块较长时间内没有收到地面返回的信号时可认为与地面失去联系，则需要重新连接地面。

进一步地，在智能气球组装完成后，根据工作要求、气球本身参数、电池的寿命，设定各类参数，以及需要进行模式变换的时间节点。

当气球升空后，通过地面服务器即可了解气球飞行状况。当出现意外时，如天气突变导致气球远远偏离设想中的飞行路线，或临时更改气球飞行任务时，可通过地面服务器发送人工命令，改变智能气球的飞行模式。当气球落地后，根据气球返回的卫星定位寻找气球回收即可。为方便回收，可设定一定范围，当智能气球到达该范围时，即放气着陆。

综上，根据本发明实施例的智能气球，具有如下优点：

1、能够根据气球内外压差进行调整，避免发生爆破，使得工作寿命大大延长；

2、利用阀门与压载进行气球升降的控制，可令气球往复上下工作，从而实现智能控制飞行高度；

3、工作寿命的延长和高程的智能控制使得气球的工作范围大大扩大，即扩大了工作空间；

4、气球在平稳飞行时期高程稳定，可对该高程进行长时间测量，获取更多数据，避免偶然误差，因此具有飞行平稳的优点；

5、除气球自动控制飞行之外，地面服务器可发送控制指令改变气球飞行模式，从而达到人工控制气球飞行的目的；

6、智能气球的安全降落模式可控制气球平稳安全着陆，利用卫星定位信息可以方便的找到着陆后的气球，从而实现气球的可回收利用；

7、工作寿命较普通气球更长，应用智能气球可以减少气球放飞次数达到同样的观测目的，而且由于气球可回收利用，因此，大大降低了成本；

8、智能气球利用单片机作为控制器，可以方便的增加其他拓展模块如湿度模块、光照强度模块、地磁模块、空气质量监测模块，增加气球工作性能，即方便对接拓展模块；

9、可进行航拍工作。由于智能气球可以回收，故携带高分辨率相机在高空进行航拍作业时，可将航拍内容储存在固态记忆体中，减少信息传送造成的大量的电量损耗。且气球飞行高度高于无人机，低于卫星，可获取范围大于无人机，精度高于卫星的航拍图像。适合水利工程等大型工程地质勘探、施工监测、后期管理的需要；

10、可采集空气样本进行深层分析。智能气球可携带空气样本采集装置升至高空采集空气样本，带回地面进行全面深层的分析。不必在气球本身携带气体监测装置，减少气球载荷；

11、可实现高空高精度作业。由于气球的升降可以控制，故可使其长时间锁定在某一高程进行高空作业。如携带碘化银条至云层进行精确人工降雨作业。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (5)

1.一种智能气球，其特征在于，包括：

气球球体；

气球阀门，所述气球阀门设置在所述气球球体上，用于在打开时进行所述智能气球的排气，其中，所述气球阀门包括无压电磁阀和抽气泵，所述无压电磁阀和抽气泵由同一信号控制；

压载装置，所述压载装置用于抛卸压载，其中，所述压载装置包括：压载容器和舵机，所述压载容器固定连接在所述舵机上，控制器控制所述舵机旋转，当所述压载容器的开口端向下时，抛卸压载；

采集装置，所述采集装置用于采集环境参数及所述智能气球的飞行状态信息，其中，采集装置包括：

温压测量模块，所述温压测量模块用于获取所述气球球体的内外压强，并根据所述内外压强得到气球内外压差；

位置测量模块，所述位置测量模块用于获取所述智能气球的经纬度、飞行高度、水平速度、上升速度及下降速度；

控制器，所述控制器分别与所述气球阀门、压载装置及采集装置相连，以根据及所述智能气球的飞行状态信息确定所述智能气球的飞行模式，并根据所述飞行模式、所述环境参数及飞行状态信息对所述气球阀门和压载装置进行控制；

地面服务器，所述地面服务器用于接收用户输入的控制指令，并将所述控制指令发送至通讯装置，并在接收到所述通讯装置传输的所述环境参数和所述智能气球的运行状态及飞行模式后，向所述通讯装置反馈确认指令；

通讯装置，所述通讯装置分别与所述采集装置、所述地面服务器和所述控制器相连，用于每隔预设时间间隔将采集的所述环境参数和所述智能气球的运行状态及飞行模式发送给所述地面服务器，并接收所述地面服务器的发送的控制指令和确认指令，并将接收到的所述控制指令发送至所述控制器，以使所述控制器根据所述控制指令切换所述智能气球的飞行模式，并对所述气球阀门和压载装置进行相应控制；以及

安全监测模块，所述安全监测模块分别与所述地面服务器和控制器相连，用于监测所述控制器的运行状态，并在所述控制器出现故障时，向所述地面服务器发送报警信号，并控制所述气球阀门打开以进行排气。

2.根据权利要求1所述的智能气球，其特征在于，所述智能气球的飞行模式包括：升空模式、平稳飞行模式、高度调整模式及安全降落模式，其中，

当所述智能气球升空时，进入所述升空模式；

当所述飞行高度达到目标高度时，进入所述平稳飞行模式；

当所述目标高度发生变化时，进入所述高度调整模式；

当所述智能气球下降回收时，进入所述安全降落模式。

3.根据权利要求2所述的智能气球，其特征在于，所述控制器用于：

在所述升空模式下，当所述气球内外压差大于预存的内外额定最大压差时，控制所述气球阀门打开以进行排气，以及，当所述飞行高度与所述目标高度的距离小于预设距离时，根据预设控制方式控制所述智能气球趋近所述目标高度，并在达到所述目标高度时控制所述智能气球的上升速度近似为零，以及，当所述上升速度大于预存的额定上升速度时，控制所述气球阀门以预设排气速率进行排气，以使所述上升速度小于或等于所述额定上升速度；

在所述平稳飞行模式下，当所述气球内外压差大于所述内外额定最大压差时，控制所述气球阀门打开以进行排气，以及，当所述飞行高度高于所述目标高度预设距离时，控制所述气球阀门以所述预设排气速率进行排气，以使所述飞行高度降低并趋近所述目标高度，且所述智能气球的下降速度近似为零，以及，当所述飞行高度低于所述目标高度预设距离时，控制所述压载装置抛卸部分压载，以使所述飞行高度上升并趋近所述目标高度，且所述上升速度近似为零；

在所述高度调整模式下，当所述气球内外压差大于所述内外额定最大压差时，控制所述气球阀门打开以进行排气，以及，当所述飞行高度高于调整后的目标高度预设距离时，控制所述气球阀门以所述预设排气速率进行排气，以使所述飞行高度降低并趋近所述调整后的目标高度，且所述下降速度近似为零，以及，当所述飞行高度低于所述调整后的目标高度预设距离时，控制所述压载装置抛卸部分压载，以使所述飞行高度上升并趋近所述调整后的目标高度，且所述上升速度近似为零；

在所述安全降落模式下，当所述气球内外压差大于所述内外额定最大压差时，控制所述气球阀门打开以进行排气，以及，当所述智能气球的降落速度小于预存的额定降落速度下限时，控制所述气球阀门以所述预设排气速率进行排气，以使所述降落速度大于所述额定降落速度下限，以及，当所述降落速度大于预存的额定降落速度上限时，控制所述气球阀门关闭，以使所述降落速度小于所述额定降落速度上限，以及，当所述智能气球的降落时间大于第一预设时间时，控制所述气球阀门关闭，停止排气。

4.根据权利要求1所述的智能气球，其特征在于，所述通讯装置还用于在第三预设时间内未接收到所述确认指令时，向所述控制器发送预设控制指令，以使所述控制器根据所述预设控制指令控制所述智能气球按照预设方案进行飞行或降落。

5.根据权利要求1所述的智能气球，其特征在于，所述控制器为单片机。

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