CN107402583B - 一种有动力氦气球的轻重量遥感传感器搭载装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有动力氦气球的轻重量遥感传感器搭载装置，主要用于搭载轻重量遥感传感器开展地表遥感监测任务。该装置由由飞行模块（1）、通讯及控制模块（2）、第一电池（3）、云台（4）和地面控制模块（5）组成；该装置通过操作地面控制模块控制绕线电机放控本装置。本发明的优点是：由于采用氦气球，一方面可提供浮力，并增加了安全性；因为采用了万向旋翼，可灵活改变方向，有更好的机动性能；另外，本装置可通过控制线回收，不用担心装置的丢失；旋翼无人机在起降时要求空域较为开阔，而本装置由于由氦气球和旋翼防护网对旋翼的保护，从而对起降空域要求更低，适应在树林和复杂地形下起降。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于有动力氦气球的轻重量遥感传感器搭载装置，主要用于搭载轻重量遥感传感器开展地表遥感监测任务。
背景技术
遥感监测作为地表监测的重要技术手段，其实现主要通过将相应的遥感传感器搭载到某种平台，如人造卫星、飞机、无人机或者气球上开展遥感监测任务。卫星搭载的传感器即卫星遥感一般用于较大范围的监测任务，缺点在于受到云或者地形遮蔽影响，受遮蔽的区域无法获取监测数据；飞机搭载的传感器即航天遥感也可用于范围较大的区域，缺点在于飞行航线需要提前定制以及申请空域，同时飞行也很受天气的影响；无人机遥感用于范围较小区域的监测任务，缺点在于无人机的起飞和降落需要较为平坦，开阔的地面，否则会加大起降时无人机坠毁、搭载仪器受损的风险，同时，在山区定位信号弱的条件下，无人机易失联；遥感气球通过调整气球的上升高度，可适合范围较大和较小的遥感监测任务，问题在于如果是热气球则还需要携带燃料，有一定风险，起降也需要较大场地，一般的氦气球或者氢气球起降非常方便，但由于缺乏动力，难以调整空中姿态，受到风的作用，会影响监测和成像数据质量，而且氢气属于易燃易爆气体，存在安全隐患。
在已有的发明中，发明申请号CN201521053595.3提供了一种用于果树拍照的悬停及姿态控制系统，该系统采用氮气球悬停，产生的浮力没有本装置采用的氦气球大，另外，该装置缺乏卫星定位信号接收器，因此，无法获知采样位置，对于定点精确采样工作仍有欠缺。
发明申请号CN201610387041.X提供了用氦气球克服一部分种类的多旋翼载人飞行器，该飞行器主要用于进行载人飞行，起降条件和场地要求较高，而本装置对于起降场地要求较小，同时属于无人装置。
发明申请号CN201610089021.4提供了一种采用新能源的长航时无人机，该发明通过太阳能电池供电，延长无人机飞行时间，同时搭载氢气球从而增加该装置的浮力，采用一般的旋翼。而本装置采用氦气球，一方面可为装置提供浮力，同时，氦气属于惰性气体，化学成分稳定，不易燃易爆，增加了装置的安全性；此外，本装置采用万向旋翼，装置可灵活改变方向，有更好的机动性能；另外，本装置可通过控制线回收，即使在通讯信号差的地方也不用担心装置的丢失；最后，旋翼无人机在起降时要求空域较为开阔，否则容易产生擦到旋翼导致坠机的事故，而本装置由于由氦气球和旋翼防护网对旋翼的保护，从而对起降空域要求更低，适应在树林和复杂地形下起降。
基于此，有必要开发一种有动力氦气球的遥感传感器搭载平台，使其容易起降同时可以调整空中飞行姿态和位置，进而适应复杂地表和植被覆盖区域的遥感监测任务。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种有动力氦气球的轻重量遥感传感器搭载装置。该装置可搭载不同的轻重量遥感传感器，从而适应复杂地形条件下的遥感监测任务，如：山区森林的植被调查，农田样地遥感监测，小型水体遥感监测以及中低层建筑物的三维测量等。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种有动力氦气球的轻重量遥感传感器搭载装置，该装置由由飞行模块、通讯及控制模块、第一电池、云台和地面控制模块组成；
飞行模块由氦气球、万向旋翼组和旋翼防护网组成；其中氦气球位于万向旋翼组和旋翼防护网的上方，旋翼防护网位于万向旋翼组相同水平位置的外围；
其中，万向旋翼组由3个或者4个万向旋翼构成，每个万向旋翼由旋翼、旋翼电机、固定框、水平转轴和垂直转轴组成；旋翼连接旋翼电机，旋翼电机通过垂直转轴连接在固定框上，固定框通过水平转轴固定在氦气球的底部和通讯及控制模块的顶部之间；
通讯及控制模块固定在飞行模块的下方，由卫星定位信号接收器、垂直测距仪、风向风速传感器、摄像头、信号接收及传输模块和控制器组成；卫星定位信号接收器、垂直测距仪、风向风速传感器和摄像头的输出端分别与信号接收及传输模块的接收端连接，信号接收及传输模块接收到的信号通过无线的方式传输到地面控制模块，信号接收及传输模块接收来自于地面控制模块中无线传输单元的控制指令，并将控制指令发送至控制器，控制器控制飞行模块中的万向旋翼组，控制旋翼的方向及转速；
第一电池分别与万向旋翼组、卫星定位信号接收器、垂直测距仪、风向风速传感器、摄像头和信号接收及传输模块连接；
云台固定在通讯及控制模块的下方；
地面控制模块由无线传输单元，平板电脑，绕线电机、控制线和第二电池组成；无线传输单元的输出端与平板电脑的接收端连接，无线传输单元的接收端与平板电脑的输出端连接，平板电脑的另一个输出端与绕线电机连接，控制线的一端安置在绕线电机上，另一端连接在通讯及控制模块的下方，无线传输单元、平板电脑、绕线电机和控制线分别与第二电池连接。
本发明的优点是：与现有的带气球的飞行装置相比，本装置采用氦气球，一方面可为装置提供浮力，同时，氦气属于惰性气体，化学成分稳定，不易燃易爆，增加了装置的安全性；此外，本装置采用万向旋翼，装置可灵活改变方向，有更好的机动性能；另外，本装置可通过控制线回收，即使在通讯信号差的地方也不用担心装置的丢失；最后，旋翼无人机在起降时要求空域较为开阔，否则容易产生擦到旋翼导致坠机的事故，而本装置由于由氦气球和旋翼防护网对旋翼的保护，从而对起降空域要求更低，适应在树林和复杂地形下起降。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图。
其中：1为飞行模块、2为通讯及控制模块、3为第一电池、4为云台、5为地面控制模块；
图2 为飞行模块结构示意图。
其中：11为氦气球、12为万向旋翼组、13为旋翼防护网；
图3 为飞行模块的万向旋翼组单个万向旋翼的结构示意图。
其中：12.1为旋翼、12.2为旋翼电机、12.3为固定框（12.3）、12.4为水平转轴、12.5为和垂直转轴；
图4 为通讯及控制模块结构示意图。
其中：21为卫星定位信号接收器、22为垂直测距仪、23为风向风速传感器、24为摄像头，25为信号接收及传输模块、26为控制器；
图5 为地面控制模块结构示意图。
其中：51为无线传输单元51、52为平板电脑、53为绕线电机、54为控制线、55为第二电池；
图6 为本装置的工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明涉及一种有动力氦气球的轻重量遥感传感器搭载装置，具体地，提供了一种姿态可调整，起降安全稳定的轻重量遥感传感器搭载装置；在进行航空遥感监测任务时，可将相应的轻型遥感传感器搭载在本装置的云台上，在地面给本装置的氦气球充适量的氦气，同时，通过地面控制模块的平板电脑操作绕线电机放控制线，将遥感传感器升空，通讯及控制模块将相关飞行信息传输到地面控制模块，使操作员获取本装置离地面的高度、经纬度、风向风速、图像和视频等信息；通过地面控制模块操作绕线电机收放控制线，同时发出指令控制飞行模块，从而调整飞行方向、高度和速度，使得遥感传感器到达指定位置上方的所在空域。遥感监测任务结束后，通过操作本装置地面控制模块的平板电脑控制绕线电机收紧系在通讯及控制模块的控制线，从而将本装置和搭载的遥感传感器回收。
本发明的优点是：克服了在复杂山区和复杂植被覆盖条件下，无人机难以起降、容易失联的缺陷，同时也克服了遥感气球飞行姿态无法调整的缺陷。此外，本装置也可作为GNSS接收天线使用，克服了一般GNSS接收装置在森林和复杂地形下，因信号遮蔽导致的难以定位的问题。
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种有动力氦气球的轻重量遥感传感器搭载装置，该装置由飞行模块1、通讯及控制模块2、第一电池3、云台4、地面控制模块5组成； 其中，飞行模块1位于最上方；通讯及控制模块2和飞行供电模块3集成在一起，位于飞行模块1下方；云台4固定在通讯及控制模块2的下方；通讯及控制模块2和地面控制模块5通过控制线54相连。
如图2所示，飞行模块1由氦气球11、万向旋翼组12和旋翼防护网13组成；其中氦气球11位于万向旋翼组12和旋翼防护网13的上方，旋翼防护网13位于万向旋翼组12相同水平位置的外围；飞行模块1下方固定在通讯及控制模块2上方。
如图3所示，万向旋翼组12由3个或者4个万向旋翼构成，每个万向旋翼由旋翼12.1、旋翼电机12.2、固定框12.3、水平转轴12.4和垂直转轴12.5组成；旋翼12.1连接旋翼电机12.2，旋翼电机通过垂直转轴12.5连接在固定框12.3上，固定框12.3通过水平转轴12.4连接氦气球11的底部和通讯及控制模块2的顶部；旋翼12.1依靠电机12.2提供动力旋转，旋翼12.1依靠垂直转轴12.4实现垂向的方向变化，固定框12.3依靠水平转轴12.4带动旋翼12.1实现水平方向转动。
如图4所示，通讯及控制模块2固定在飞行模块1的下方，由卫星定位信号接收器21、垂直测距仪22、风向风速传感器23、摄像头24，信号接收及传输模块25和控制器26组成；卫星定位信号接收器21、垂直测距仪22、风向风速传感器23和摄像头24的输出端分别与信号接收及传输模块25的接收端连接；信号接收及传输模块25输出端和控制器26输入端相连，控制器26连接并控制万向旋翼组12，万向旋翼组12、卫星定位信号接收器21、垂直测距仪22、风向风速传感器23、摄像头24、信号接收及传输模块25和控制器26分别与第一电池3相连，并由第一电池3供电。
如图5所示，地面控制模块5由无线传输单元51，平板电脑52，绕线电机53、控制线54和第二电池55组成，无线传输单元51的输出端与平板电脑52的接收端连接，无线传输单元51的接收端与平板电脑52的输出端连接；平板电脑52的另一个输出端与绕线电机53连接；控制线54的一端安置在绕线电机53上，另一端连接在通讯及控制模块2的下方。无线传输单元51，平板电脑52，绕线电机53和控制线54分别与第二电池55连接，由第二电池55供电。
如图6所示，操作人员在将遥感传感器搭载到云台4、将氦气球11充气后本装置的一次完整的工作流程为：
操作人员通过地面控制模块5的平板电脑52操作绕线电机53放控制线54，同时，平板电脑52通过无线传输单元51发送升空指令给通讯及控制模块2中的信号接收及传输模块25，信号接收及传输模块25将升空指令传达给控制器26，由控制器26控制飞行模块1中的万向旋翼组12中的各个旋翼12.1通过水平转轴12.4 调整至水平位置，同时，控制器26控制旋翼电机12.2使得各个旋翼12.1转动，从而使本装置及搭载的遥感传感器升空。
升空后，通讯及控制模块2中的信号接收及传输模块25从卫星定位信号接收器21获取卫星定位信号、从垂直测距仪22获取飞行高度、从风向风速传感器23获取风向风速、从摄像头24获取地面及周边空域的图像和视频，信号接收及传输模块25将以上飞行信息传输到地面控制模块5的无线传输单元51，无线传输单元51又将以上飞行信息传输给平板电脑52，从而使操作人员获取飞行信息。操作人员通过飞行信息作出判断，通过平板电脑52控制绕线电机53收放控制线54，同时，用平板电脑52发出飞行控制指令传输到无线传输单元51，通过无线传输单元51将飞行控制指令传给信号接收及传输模块25，通过信号接收及传输模块25将指令传给控制器26，由控制器26控制飞行模块1中万向旋翼组12的水平转轴12.4、垂直转轴12.5的转向和电机12.2的输出功率，达到对各个旋翼12.1水平、垂直方向和转速的控制，从而实现对本装置空中飞行方向、速度和高度的控制。
遥感监测作业完成后，操作员通过地面控制模块5的平板电脑52操作绕线电机53收线，同时通过通过无线传输单元51向信号接收及传输模块25发出返航指令，返航指令传达给控制器26后，控制器26控制万向旋翼组12调整航向，使本装置从指定方向返回。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种有动力氦气球的轻重量遥感传感器搭载装置，其特征在于，该装置由由飞行模块（1）、通讯及控制模块（2）、第一电池（3）、云台（4）和地面控制模块（5）组成；
飞行模块（1）由氦气球（11）、万向旋翼组（12）和旋翼防护网（13）组成；其中氦气球（11）位于万向旋翼组（12）和旋翼防护网（13）的上方，旋翼防护网（13）位于万向旋翼组（12）相同水平位置的外围；
其中，万向旋翼组（12）由3个或者4个万向旋翼构成，每个万向旋翼由旋翼（12.1）、旋翼电机（12.2）、固定框（12.3）、水平转轴（12.4）和垂直转轴（12.5）组成；旋翼（12.1）连接旋翼电机（12.2），旋翼电机（12.2）通过垂直转轴（12.5）连接在固定框（12.3）上，固定框（12.3）通过水平转轴（12.4）固定在氦气球（11）的底部和通讯及控制模块（2）的顶部之间；
通讯及控制模块（2）固定在飞行模块（1）的下方，由卫星定位信号接收器（21）、垂直测距仪（22）、风向风速传感器（23）、摄像头（24）、信号接收及传输模块（25）和控制器（26）组成；卫星定位信号接收器（21）、垂直测距仪（22）、风向风速传感器（23）和摄像头（24）的输出端分别与信号接收及传输模块（25）的接收端连接，信号接收及传输模块（25）接收到的信号通过无线的方式传输到地面控制模块（5），信号接收及传输模块（25）接收来自于地面控制模块（5）中无线传输单元（51）的控制指令，并将控制指令发送至控制器（26），控制器（26）控制飞行模块（1）中的万向旋翼组（12），控制旋翼的方向及转速；
第一电池（3）分别与万向旋翼组（12）、卫星定位信号接收器（21）、垂直测距仪（22）、风向风速传感器（23）、摄像头（24）和信号接收及传输模块（25）连接；
云台（4）固定在通讯及控制模块（2）的下方；
地面控制模块（5）由无线传输单元（51），平板电脑（52），绕线电机（53）、控制线（54）和第二电池（55）组成；无线传输单元（51）的输出端与平板电脑（52）的接收端连接，无线传输单元（51）的接收端与平板电脑（52）的输出端连接，平板电脑（52）的另一个输出端与绕线电机（53）连接，控制线（54）的一端安置在绕线电机（53）上，另一端连接在通讯及控制模块（2）的下方，无线传输单元（51）、平板电脑（52）、绕线电机（53）和控制线（54）分别与第二电池（55）连接。
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Non-Patent Citations (2)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107402583A (zh) | 2017-11-28 |
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