CN107600383A - 一种太阳能WiFi系留艇 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能WiFi系留艇。飞艇艇体铺设CGIS太阳能薄膜阵列，通过飞艇巨大的受光面积产生姿态控制以及WiFi信号发射所需的能量，维持飞艇更长的留空时间。此外，通过空气副气囊，双向风扇以及空气阀的设计调整飞艇俯仰，再加上绳索的约束力，飞艇不需要任何的动力装置，这就减轻了飞艇的负重并减少能量损耗，从而进一步增添了飞艇的续航能力。飞艇吊舱中搭载有WiFi信号发生器，通过在高空中接收地面基站的4G信号，并朝地面定向发射WiFi信号，从而能够为通讯不便的区域提供无线信号。本发明航时持久，信号稳定，能够为通讯不便的区域提供稳定的WiFi信号。

Description

一种太阳能WiFi系留艇

技术领域

本发明涉及一种系留艇，尤其涉及一种利用太阳能，稳定性较强，能够实现WiFi覆盖的系留艇，属于浮空器技术领域。

背景技术

在现代生活中WiFi已经成为了必不可少的设备，然而在许多场合下我们都没有办法获取WiFi信号或者能获取的信号强度非常弱，比如在大型的会场，体育赛事中，人流量巨大，地面上的WiFi受到的阻碍非常大，信号传播受到限制。另外在森林等荒郊地区，由于太过偏僻，不易应用WiFi设备，而且信号不能到达，这就需要一种新型的能够提供WiFi信号的设备来解决人们上网的需求。并且要求这种设备能够提供稳定的信号，易于携带，信号强度高，覆盖面积大。本发明将WiFi设备搭载于飞艇之上，利用太阳能为飞艇提供动力，同时满足wifi设备电力需求。飞艇悬空的稳定性以及在高空中信号阻碍较少的优点，使WiFi可以方便地搭设，将信号投射到所需要的区域。

现有技术中的飞艇主要用于广告，航拍等领域，发明专利CN201621107223.9提出的基于系留艇的广域Wi-Fi覆盖系统，设计了能够装载在系留艇上的无线信号发射和接收的无线接入装置，但并没有给出具体的系留艇设计方案。并且由于需要不断的向地面辐射WiFi信号，能源供给不足，缩短了系留艇的有效留空时间。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明提供了一种能够长时间留空的WiFi系留艇设计方案，飞艇艇体铺设太阳能薄膜阵列，利用飞艇巨大的受光面积产生姿态控制以及WiFi 信号发射所需的能量，维持飞艇更长的留空时间。此外，通过副气囊及空气阀的设计来调整飞艇俯仰，再加上绳索的约束力，飞艇不需要任何的动力装置，这就减少了能量损耗及质量负担，从而进一步增添飞艇的续航能力。

本发明的技术方案是：一种太阳能WiFi系留艇，包括囊体4、吊舱9、垂直尾翼6、水平尾翼7、控制系统和地面锚泊机构，还包括太阳能薄膜阵列1、两个副气囊、空气阀11、氦气阀、氦气囊24、双向风扇12和WiFi设备；系留艇顶部铺设有太阳能薄膜阵列；两个副气囊位于囊体4下方并相互贯通，和囊体4其余内腔隔开，两个副气囊之间设有两个互不接触的空气阀11，两个空气阀11之间设有双向风扇10；两个副气囊内充有空气；氦气囊24位于囊体4内，为独立腔体，通过第一氦气阀释放氦气提供升力；囊体4除副气囊和氦气囊外的其余腔体内充有氦气；WiFi设备位于吊舱9内；太阳能薄膜阵列吸收太阳能，为系留艇供电并同时为控制系统内的电源充电，使得在太阳能不足情况下，电源能够继续供电，实现WiFi设备不间断为地面使用者提供WiFi信号；当需要调整飞艇俯仰时，通过双向风扇10和空气阀11对两个副气囊中的空气量进行控制；地面锚泊机构用于拴接系留绳从而固定系留艇的位置。

本发明的进一步技术方案是：所述控制系统包括艇载飞行控制计算机21、传感器模块18、A/D转换器13和电源模块20，传感器模块18将采集到系留艇的速度、高度、加速度、角速度信息经A/D转换器13传入艇载飞行控制计算机21进行分析处理，飞行控制计算机21对尾翼、空气阀11和双向风扇10发出控制指令信号，通过调整垂直尾翼活动面倾斜角度调节飞艇朝向，保证飞艇前端始终为迎风面,通过双向风扇10和空气阀 11对两个副气囊中的空气量进行控制，从而调整飞艇俯仰；通过调整水平尾翼活动面倾斜角度产生相应的扭矩，协助调整飞艇的俯仰姿态。

本发明的进一步技术方案是：所述传感器模块18包括速度传感器14、高度传感器15、加速度传感器16和角速度陀螺仪17；传感器模块18将信息经A/D转换器13 转化成数字信号传到艇载飞行控制计算机21，然后发出指令控制尾翼和双向风扇10。

本发明的进一步技术方案是：所述两个副气囊为前副气囊12和后副气囊8，前副气囊12靠近系留艇头部，后副气囊8靠近系留艇尾部。

本发明的进一步技术方案是：所述氦气阀包括第一氦气阀25和第二氦气阀5，所述第一氦气阀25用于释放氦气囊24中的氦气提供升力，第二氦气阀5用于释放囊体4中的氦气量从而调节主气囊内外压差。

本发明的进一步技术方案是：所述地面锚泊机构包括系留绳2、电动绞盘3和系留环26；系留艇通过系留绳2与地面电动绞盘3相连，系留环位于系留艇头部。

本发明的进一步技术方案是：所述囊体4材料为层压材料，由单层涤纶、聚脂薄膜与聚氟乙烯层压而成，通过高频热合的方式粘接。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明太阳能系留艇搭载有WiFi设备，可以充分发挥处在高空位置，信号覆盖范围广的优势，在大型体育赛事、大型庆典活动、风景区等需要大面积覆盖无线网络的场合进行部署，方便快捷、工作稳定且成本低廉。同时，利用太阳能供电，蓄电池储电实现24小时不间断提供WiFi信号覆盖。考虑到WiFi信号稳定的因素，省去常规飞艇的动力装置，同时利用太阳能作为主要能源供给，航时持久。光照充足情况下，能够实现24小时持续续航。采用CIGS太阳能薄膜电池，轻薄，可折叠，便于收纳与携带，快速部署。系留艇设有压缩氦气囊和第一氦气阀，用于升力不足时释放氦气提供升力，以弥补氦气漏气导致的升力下降，提高飞艇的续航能力。飞艇装配有失控保护器，一旦系留绳脱落失控，该装置自动放气，飞艇连同吊舱会缓慢降落至地面，避免人员伤害及设备损坏。

附图说明

图1为本发明太阳能WiFi系留艇系统结构示意图。

图2为本发明太阳能WiFi系留艇艇体结构正视图。

图3为本发明太阳能WiFi系留艇艇体结构俯视图。

图4为本发明太阳能WiFi系留艇飞行控制系统的结构示意图。

图中：

1.太阳能薄膜阵列 2.系留绳 3.电动绞盘 4.主气囊 5.第二氦气阀 6.垂直尾翼7.水平尾翼 8.后副气囊 9.吊舱 10.双向风扇 11.空气阀 12.前副气囊 13.A/D转化器14.空速计 15.高度计 16.加速度计 17.角速度陀螺仪 18.传感器模块 19.执行机构 20.电源管理模块 21.艇载飞行控制计算机 22.失控保护器 23.锂离子电池 24.压缩氦气囊25.第一氦气阀2 26.系留环

具体实施方式

参见图1—图4，本发明采用的技术方案是：包括飞艇本体，地面锚泊系统，飞行控制系统。其中飞艇本体包括艇囊，副气囊，压缩氦气囊，太阳能薄膜阵列，储电电池，吊舱(内含WiFi设备)，尾翼及起落架。飞行控制系统包括飞行控制计算机，传感器模块，执行机构和电源管理模块。

飞艇采用仿生学水滴型型线构建飞艇囊体外形，最大宽度位于囊体中部。飞艇尾部采用直线收尾形式，直线段长度与囊体最大宽度比值为0.45。此时囊体正面迎风阻力较小，浮空稳定性较强。

气囊材料为层压材料，由单层涤纶、聚脂薄膜与聚氟乙烯层压而成，选用Hytrel作为胶合剂，通过高频热合的方式粘接。主气囊内部充满氦气提供升力，飞艇前后另有两个副气囊充填空气，可根据需要充压或放气，以达到在不排放主气囊内气体的条件下维持主气囊内外压力差为定值。同时，前后副气囊间的双向风扇还可调节飞艇浮力中心位置，正向旋转向后气囊充气可使飞艇产生抬头力矩，反向旋转向前气囊充气可产生低头力矩，用以调节飞艇俯仰。双向风扇工作时，空气阀打开；双向风扇停止工作时，空气阀关闭。囊体靠后位置靠近系留艇顶部设有压缩氦气囊和第一氦气阀，用于升力不足时释放氦气提供升力。

十字型飞行控制翼面安装于飞艇尾部，由与外表面垂直的固定面与活动面组成，活动面面积为尾翼总面积四分之一，由单片机控制对称电机调节，材料为KT板材。它包括方向舵和升降舵，用以控制飞艇偏航与俯仰。

头锥压条材料为木材与碳纤维，从飞艇端头呈辐射状延伸支撑艇体结构，加强局部结构强度的同时使飞艇形成符合空气动力学设计的囊体外形。艇首帽大小为艇囊直径的12％，能够将系留装置的反作用载荷分布到艇囊较大的面积上。除压条与艇首帽外，系留环也位于飞艇头部，通过缆绳与地面电动绞盘连接。

空气阀门用于调整前后副气囊空气量，同时可调节主气囊中氦气压力。第二氦气阀位于主气囊上，可在氦气压力超过安全值时自动打开释放氦气。

设备吊舱与支撑条连接固定于飞艇底部，搭载飞艇控制电路与WiFi设备。吊舱采用密闭结构，将复杂高空环境与任务载荷隔绝，保证电路元件正常工作。

飞艇搭载设备及控制所需电力由覆盖于飞艇顶部蒙皮的太阳能薄膜阵列提供，多余电能通过导电线储存于位于吊舱的锂离子电池内，用于日照不足时供电。

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

本实施例是一种利用太阳能的WiFi飞艇。

参阅图1及图2，艇囊通过系留绳2，材料为尼龙纤维，耐磨耐疲劳，多用于吊装绳，强力省，安全绳等。本实施例中，高度范围200～350m，绳长约450m，与地面电动绞盘3相连，艇囊上方上铺设有太阳能薄膜阵列1，薄膜阵列近似呈椭圆形，长轴与艇囊对称轴平行，形心距艇首沿艇囊对称轴方向的距离为艇长的三分之一左右，艇囊采用仿生学水滴型型线构建飞艇囊体外形，最大宽度位于囊体中部。飞艇尾部采用直线收尾形式，直线段长度与囊体最大宽度比值为0.4。

气囊材料为层压材料，由单层涤纶、聚脂薄膜与聚氟乙烯层压而成，选用Hytrel作为胶合剂，通过高频热合的方式粘接。主气囊4内部充满氦气提供升力，前副气囊 12，后副气囊8充填空气，可根据需要充压或放气，以达到在不排放主气囊内浮升气体的条件下维持主气囊内外压力差为定值。另外一方面，飞艇迎角应保持在一定范围内，超过临界值时，前后副气囊还可调节飞艇浮力中心位置，打开空气阀，风扇正转，向后副气囊8充气可使飞艇产生抬头力矩，反之向前副气囊12充气可产生低头力矩，用以调节飞艇俯仰，使得飞艇迎角保持在一定范围内。囊体4靠后位置靠近系留艇顶部设有压缩氦气囊和第一氦气阀，用于升力不足时释放氦气提供升力，以弥补氦气漏气导致的升力下降，同时调节主气囊内外压差维持飞艇形状。

十字型飞行控制翼面安装于飞艇尾部，由与外表面垂直的固定面与活动面组成，活动面面积为尾翼总面积四分之一，由单片机控制对称电机调节，材料为KT板材。它包括水平尾翼7和垂直尾翼6，用以控制飞艇俯仰与偏航。

头锥压条材料为木材与碳纤维，从飞艇端头呈辐射状延伸支撑艇体结构，加强局部结构强度的同时使飞艇形成符合空气动力学设计的囊体外形。艇首帽大小为艇囊直径的12％，能够将系留装置的反作用载荷分布到艇囊较大的面积上。除压条与艇首帽外，系留环也位于飞艇头部，通过系留绳2与地面电动绞盘3连接。

空气阀11用于调整前后副气囊空气量，同时可调节主气囊中氦气压力。第二氦气阀5位于主气囊上，可在氦气压力超过安全值时自动打开释放氦气。

设备吊舱与支撑条连接固定于飞艇底部，搭载飞艇控制电路与WiFi设备。吊舱采用密闭结构，将复杂高空环境与任务载荷隔绝，保证电路元件正常工作。

飞艇搭载设备及控制所需电力由覆盖于飞艇顶部蒙皮的太阳能薄膜阵列1提供，多余电能通过导电线储存于位于吊舱的锂离子电池内。

请参考图1，本实施例提供了一种利用太阳能作为能源，能够辐射WiFi信号的系留艇。系留艇通过系留绳2与地面电动绞盘3相连，系留绳主要起到两个作用，一是用于承力，使得地面电动绞盘对系留飞艇进行锚泊；二是用于系留艇的收放。系留艇主要包括艇体和艇体下方的吊舱，吊舱内设置有无线信号转化装置，包括信号接收机，信号转化器以及信号发射机。

请参考图3，艇载飞控系统位于吊舱中，主要分为3个部分：艇载飞行控制计算机21，传感器模块18，执行机构和电源管理模块20。飞行控制计算机主要负责对传感器采集到的数据进行分析和处理，并对执行机构做出有效地控制，实现飞艇的自主飞行。传感器模块主要是用来采集飞艇飞行过程中姿态、位置、高度等飞行参数，在本系统中，使用的传感器主要包括加速度计16、角速率陀螺仪17、空速计14、高度计15等。传感器模块(18)将信息经A/D转换器(13)转化成数字信号传到艇载飞行控制计算机(21)，然后向执行机构发出指令。执行机构主要包括水平尾翼7、垂直尾翼6和副气囊双向风扇10，飞行舵面主要包括方向、升降控制舵面，通过控制舵机来改变飞艇的翼面，可以产生相应的扭矩，结合系留绳索的约束力，实现飞艇姿态的调整。其中，飞艇的“俯仰”状态由升降舵和副气囊双向风扇控制，“偏航”状态由方向舵控制，保证飞艇前端始终为迎风面，减小风力对系留艇稳定性的影响。具体来说，当飞艇轴向和风向产生一定角度时，空速计、角速度陀螺仪等各类传感器获得的模拟信号经A/D转化器转化成数字信号传递给控制计算机，控制计算机通过选定的控制律求解出一个电信号驱动垂直尾翼舵机调节翼面，使得飞艇迎风面与风向垂直；当控制器计算出的迎角超过设定的临界值时，控制计算机通过选定的控制律求解出电信号驱动水平尾翼舵机和双向风扇调节俯仰，使飞艇迎角恢复到预定的范围之内。

太阳能薄膜电池和锂电池可以为飞艇姿态调整和吊舱内设备工作提供电力，白天主要依靠太阳能薄膜电池提供能量，夜晚或者阴雨天则可以利用锂电池供电。在白天，太阳能比较充足的情况下，太阳能电池除了给飞艇供电以外，还可以为锂电池充电，确保在太阳能板出现意外的情况下或者在夜晚阴雨天太阳能电池不能提供充足的能量的情况下，锂电池有充足的能量为飞艇提供能量。能源管理和分配系统能够对太阳能电池的能量进行有效地管理、使用和分配，以确保飞艇在夜晚和白天的飞行功率以及 WiFi供电。

本实施例工作过程

在一实施例中，地面锚泊系统为电动绞盘。

系留艇应在天气晴朗条件下进行放飞。首先固定地面锚泊设备，将电动绞盘固定在平整的地面上，然后用氦气罐，压缩空气罐分别对飞艇主气囊，副气囊进行充气，铺设太阳能薄膜阵列，并利用搭扣固定在飞艇表面，通过悬挂缆索连接吊舱，并在吊舱内放置WiFi设备，通过导线连接飞艇飞行控制系统后便可以通过收放电动绞盘的绳索进行放飞。结合光照强度，WiFi信号强度，系留绳受力等因素分析计算，相对系留高度225m为最佳。

放飞后飞艇便可以通过艇载飞行控制系统自动调节迎角和偏航角度，保证飞艇前端始终为迎风面，减小风力对系留艇稳定性的影响，使得覆盖区域的WiFi信号更为稳定。

使用完成后通过电动绞盘回收系留绳，飞艇着陆后通过第二氦气阀进行放气对飞艇进行回收。

Claims (7)

1.一种太阳能WiFi系留艇，包括囊体(4)、吊舱(9)、垂直尾翼(6)、水平尾翼(7)、控制系统和地面锚泊机构，其特征在于，还包括太阳能薄膜阵列(1)、两个副气囊、空气阀(11)、氦气阀、氦气囊(24)、双向风扇(12)和WiFi设备；系留艇顶部铺设有太阳能薄膜阵列；两个副气囊位于囊体(4)下方并相互贯通，和囊体(4)其余内腔隔开，两个副气囊之间设有两个互不接触的空气阀(11)，两个空气阀(11)之间设有双向风扇(10)；两个副气囊内充有空气；氦气囊(24)位于囊体(4)内，为独立腔体，通过氦气阀释放氦气提供升力；囊体(4)除副气囊和氦气囊外的其余腔体内充有氦气；WiFi设备位于吊舱(9)内；太阳能薄膜阵列吸收太阳能，为系留艇供电并同时为控制系统内的电源充电，使得在太阳能不足情况下，电源能够继续供电，实现WiFi设备不间断为地面使用者提供WiFi信号；当需要调整飞艇俯仰时，通过双向风扇(10)和空气阀(11)对两个副气囊中的空气量进行控制；地面锚泊机构用于拴接系留绳从而固定系留艇的位置。

2.如权利要求1所述的一种太阳能WiFi系留艇，其特征在于，所述控制系统包括艇载飞行控制计算机(21)、传感器模块(18)、A/D转换器(13)和电源模块(20)，传感器模块(18)将采集到系留艇的速度、高度、加速度、角速度信息经A/D转换器(13)传入艇载飞行控制计算机(21)进行分析处理，飞行控制计算机(21)对尾翼、空气阀(11)和双向风扇(10)发出控制指令信号，通过调整垂直尾翼活动面倾斜角度调节飞艇朝向，保证飞艇前端始终为迎风面,通过双向风扇(10)和空气阀(11)对两个副气囊中的空气量进行控制，从而调整飞艇俯仰；通过调整水平尾翼活动面倾斜角度产生相应的扭矩，协助调整飞艇的俯仰姿态。

3.如权利要求2所述的一种太阳能WiFi系留艇，其特征在于，所述传感器模块(18)包括速度传感器(14)、高度传感器(15)、加速度传感器(16)和角速度陀螺仪(17)；传感器模块(18)将信息经A/D转换器(13)转化成数字信号传到艇载飞行控制计算机(21)，然后发出指令控制尾翼和双向风扇(10)。

4.如权利要求1所述的一种太阳能WiFi系留艇，其特征在于，所述两个副气囊为前副气囊(12)和后副气囊(8)，前副气囊(12)靠近系留艇头部，后副气囊(8)靠近系留艇尾部。

5.如权利要求1所述的一种太阳能WiFi系留艇，其特征在于，所述氦气阀包括第一氦气阀(25)和第二氦气阀(5)，所述第一氦气阀25用于释放氦气囊24中的氦气提供升力，第二氦气阀5用于释放囊体4中的氦气量从而调节主气囊内外压差。

6.如权利要求1所述的一种太阳能WiFi系留艇，其特征在于，所述地面锚泊机构包括系留绳(2)、电动绞盘(3)和系留环(26)；系留艇通过系留绳2与地面电动绞盘3相连，系留环位于系留艇头部。

7.如权利要求1所述的一种太阳能WiFi系留艇，其特征在于，所述囊体(4)材料为层压材料，由单层涤纶、聚脂薄膜与聚氟乙烯层压而成，通过高频热合的方式粘接。