CN110979628B - 一种智能浮空器及控制终端 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种智能浮空器及控制终端，解决当前针对户外工作缺少携带且组装简单的户外遮蔽防护装备的问题。智能浮空器包括：可伸展和收缩的浮空器本体，置于浮空器本体中的压缩气罐、中控器以及一个或多个气囊，所述气囊具有进气阀和排气阀，所述压缩气罐具有控制阀，所述压缩气罐的控制阀通过气体管道与所述气囊的进气阀连接；所述中控器通过控制气囊充气放气实现升降。本发明的智能浮空器具有携带方便和组装快捷的特点，可以实现设备互联互通和快速反馈调节，实现了智能控制。

Description

一种智能浮空器及控制终端

技术领域

本申请涉及作业安全与防护技术领域，尤其涉及一种智能浮空器及控制终端。

背景技术

对于需要长时间在户外活动的人员，例如户外科研人员、交警、工程建造人员或环卫工作人员，在高温日晒或者降雨落雪环境下工作时，一方面要坚守岗位持续工作，另一方面还要承受恶劣环境带来的对身体健康和人员安全的危害。目前，遮阳挡雨采用的措施主要是采用固定于地面的遮阳棚或遮阳伞，上述遮阳装置若面积太小则作用有限，若面积太大又存在携带及收放不便等问题，同时因其为固定设置也无法随太阳移动角度或落雨角度变化而自动调整达到最佳遮蔽效果。尤其，对于自然灾害应急救援工作、紧急开展的户外科研工作、户外伤病救治工作等领域，更需要便于携带且组装简单的户外遮蔽防护装置。

发明内容

本申请实施例提供一种智能浮空器及控制终端，解决当前针对户外工作缺少携带且组装简单的户外遮蔽防护装备的问题。

本申请实施例提供一种智能浮空器，包括：可伸展和收缩的浮空器本体，置于浮空器本体中的压缩气罐、中控器以及一个或多个气囊，所述气囊具有进气阀和排气阀，所述压缩气罐具有控制阀，所述压缩气罐的控制阀通过气体管道与所述气囊的进气阀连接；所述中控器用于在需要气囊充气时控制打开所述控制阀和进气阀对所述气囊充气，气囊充气使得智能浮空器到预定位置后关闭所述控制阀和进气阀停止对所述气囊充气；所述中控器用于在需要气囊放气时控制打开所述放气阀对所述气囊放气，气囊放气使得智能浮空器下降到预定位置后关闭所述放气阀停止对所述气囊放气。

所述浮空器本体具有中心体，可以是围绕中心体的伞状可伸展收缩结构、或者是基于中心体的平面伸展收缩结构、或者是围绕中心体边缘转轴的转动伸展收缩结构。

所述浮空器本体的中控器包括：中控管理单元，以及被所述中控管理单元管理控制的电源管理单元、定位单元、无线通信单元、信息采集单元、指示单元。

所述浮空器本体的上表面具有太阳能电池，所述太阳能电池与所述电源管理单元相连接。

所述电源管理单元包括锂电池组、充放电管理电路和电压变换电路。所述信息采集单元包括但不限于如下信息采集器件：加速度传感器、高度传感器、气压传感器、风速风向传感器、温度传感器。

所述浮空器本体为多边形结构，浮空器本体的边缘具有拼接结构，多个浮空器本体之间可通过所述拼接结构进行拼接扩展。

所述浮空器本体的边缘具有电源接口和挂钩，所述挂钩用于连接4轴飞行器，所述电源接口与所述电源管理单元相连，用于为所述飞行器补充电能。

本发明还提供一种智能浮空器的控制终端，用于智能浮空器进行控制，包括电池单元、电源管理模块、显示模块、定位模块、无线通信模块，其中，电池单元用于为控制终端提供电能；电源管理模块用于为显示模块、定位模块、无线通信模块提供稳定的工作电源；显示模块用于显示智能浮空器的状态信息，同时通过控制按钮对浮空器的控制和调节；无线通信模块用于实现与浮空器之间的无线通信，还用于与远程云端服务器之间的通信实现对浮空器远程监控。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本发明立足于解决户外工作者当前缺乏防护的现状，提出了一种便携式的智能户外防护浮空器，其通过对气囊充气放气实现快速展开升空以及收缩下降，同时还可通过模块化设计实现自由拼接，更进一步还可与无人机连接实现跟随防护遮蔽。还将物联网等新技术推广到浮空器领域，该浮空器集成多种传感器，并且依靠Zigbee搭建无线局域网，实现设备互联互通和快速反馈调节，实现了智能控制。本发明的智能浮空器具有携带方便和组装快捷的特点，为户外工作尤其是救灾抢险和科研攻坚提供了一道保护屏障，让户外工作者少遭受自然环境的伤害，在户外条件下依然可以健康高效的工作，对社会和谐高效的发展具有重要意义。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为智能浮空器和通过无线网络连接的控制终端示意图；

图2为智能浮空器结构示意图；

图3为气囊和压缩气罐连接示意图；

图4为浮空器本体的伞状可伸展收缩结构示意图；

图5为浮空器本体的平面伸展收缩结构示意图；

图6为浮空器本体的侧面伸展收缩结构示意图；

图7为智能浮空器的浮空器本体的中控器结构框图；

图8为智能浮空器的浮空器本体的中控器与太阳能电池连接示意图；

图9为中控器的电源管理单元的示意图；

图10为中控器的信息采集单元的示意图；

图11为多个智能浮空器的浮空器本体的拼接示意图；

图12为智能浮空器的浮空器本体与无人机连接示意图；

图13为智能浮空器对应使用的控制终端的结构框图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

通过分析影响户外工作者健康的主要因素，综合多种技术手段，本发明专利申请提出了一种智能户外防护浮空器，主要用于保障户外工作者的健康和安全，在特定场景下也可以用于大型建筑的室内防护遮蔽。

如图1所示，智能浮空器，可以通过无线网络由对应的控制终端控制，或者可以通过无线网络与远程服务器连接实现云端控制，或还可以智能浮空器自主控制实现无人控制。所述控制终端可以固定在地面进行操作控制或者人员随身携带进行操作控制。控制终端用于遥控和调节智能浮空器工作状态，同时接收浮空器实时状态信息。

如图2所示，所述智能浮空器，包括：可伸展和收缩的浮空器本体，置于浮空器本体中的压缩气罐、中控器以及一个或多个气囊。

更进一步，如图3所示，所述气囊具有进气阀和排气阀，所述压缩气罐具有控制阀，所述压缩气罐的控制阀通过气体管道与所述气囊的进气阀连接；

所述中控器用于在需要气囊充气时控制打开所述控制阀和进气阀对所述气囊充气，气囊充气使得智能浮空器到预定位置后关闭所述控制阀和进气阀停止对所述气囊充气；

所述中控器用于在需要气囊放气时控制打开所述放气阀对所述气囊放气，气囊放气使得智能浮空器下降到预定位置后关闭所述放气阀停止对所述气囊放气。

具体的，如图4所示，所述浮空器本体具有中心体，浮空器本体可以是围绕中心体的伞状可伸展收缩结构，通过对气囊充气而自动打开伸展浮空器本体，通过对气囊排气而自动收缩浮空器本体。

如图5所示，所述浮空器本体具有中心体，该浮空器本体是基于中心体的平面伸展收缩结构，通过对气囊充气而自动向侧面伸展浮空器本体，通过对气囊排气而自动收缩浮空器本体。

如图6所示，所述浮空器本体具有中心体，浮空器本体是围绕中心体边缘转轴的转动伸展收缩结构，通过对气囊充气而自动向侧面伸展浮空器本体，通过对气囊排气而自动收缩浮空器本体。

智能浮空器包含的气囊可以是微型气囊，微型气囊可以分成若干组，组内气囊间通过气体管道连接，每组气囊均有1个进气阀和1个排气阀，或者每个气囊有1个进气阀和1个排气阀，进气阀用于控制器气囊中气体的充入，排气阀用于控制器气囊中气体的排出，所有进气阀通过气体管道与压缩气罐连接，压缩气罐内充满压缩氢气或氦气。

智能浮空器启动时，进气阀打开，排气阀关闭，压缩气罐的压缩气体会迅速充满每一个微型气囊，浮力会托起整个浮空器脱离地面。当智能浮空器停止工作时，会关闭进气阀，打开排气阀，依靠浮空器自身重力实现缓慢降落，成功着陆以后收缩装置将气囊中的气体迅速排除，从而实现体积压缩。

如图7所示，所述的智能浮空器的浮空器本体的中控器包括：中控管理单元，以及被所述中控管理单元管理控制的电源管理单元、定位单元、无线通信单元、信息采集单元、指示单元。其中，定位单元用于提供浮空器位置信息，包括北斗定位模块和/或GPS定位模块。所述无线通信单元包括Zigbee无线通信芯片和/或4G通信模块和/或5G通信模块。Zigbee无线通信芯片用于与控制终端以及其他智能浮空器节点之间通信，以便于实时获取浮空器位置等信息，进行局域组网控制。指示单元用于在浮空器夜间工作时，亮起闪烁的指示灯，避免与其他飞行物体发生碰撞。电源管理单元主要由锂电池组、充放电管理电路和电压变换电路组成，为其他部件提供稳定的工作电源。

中控器安装在浮空器中心位置，主要是为了获取更精确的位置信息；中控器满足IP68防护等级，可以适应复杂的应用环境，中控器周围覆盖一圈缓冲部件，防止浮空器降落时中控器的电子单元受损。

如图8所示，所述浮空器本体的上表面具有太阳能电池，所述太阳能电池与所述电源管理单元相连接。智能浮空器的浮空器本体的最外侧为柔性太阳能电池。智能浮空器的外表面镶嵌多块重量轻且可弯曲的柔性太阳能电池。太阳能电池为可以为电池组充电，保证智能浮空器的电子单元和动力单元长时间正常工作。太阳能能电池板展开时呈圆弧状，保证在不同的太阳照射角度都可以获得足够的太阳能。浮空器表面呈圆弧状，保证太阳能电池在不同的太阳照射角度都可以获得足够的光照强度，同时圆弧可以方便雨滴滑落，避免雨水囤积对浮空器造成浮空器重量过载。

如图9所示，所述电源管理单元包括锂电池组、充放电管理电路和电压变换电路。

如图10所示，所述信息采集单元包括但不限于如下信息采集器件：加速度传感器、高度传感器、气压传感器、风速风向传感器、温度传感器。加速度传感器用于获取浮空器加速度信息，高度传感器用于获取浮空器高度信息，气压传感器用于获取浮空器环境气压信息，风速风向传感器用于获取浮空器风速风向信息，温度传感器用于获取浮空器温度信息。

如图11所示，所述浮空器本体为多边形结构，浮空器本体的边缘具有拼接结构，多个浮空器本体之间可通过所述拼接结构进行拼接扩展。浮空器拼接方式为人工手动拼接，采用拉链+挂钩结构，满足防水和强度双重要求。

如图12所示，所述浮空器本体的边缘具有电源接口和挂钩，所述挂钩用于连接无人机(例如无人机可以为4轴飞行器)，所述电源接口与所述电源管理单元相连，用于为所述飞行器补充电能。浮空器单个使用时，浮空器本体结构外观为六边形时，六边形的每个角均可挂接1台4轴飞行器，使用挂钩连接方式方便拆卸；此外，每个角还预留防水电源接口，便于通过太阳能电池板给4轴飞行器充电。4轴飞行器满足户外防水要求。

每个浮空器使用时至少需要3台4轴飞行器，便于实现浮空器平衡，具体数量根据载重要求进行选择。如果使用3台浮空器，需要呈三角分布，而且需要在控制终端上将4轴飞行器分布和设备编号进行录入，平台自动控制系统即可根据飞行器位置采用相关算法进行调节和控制。浮空器降落时，关闭进气阀，打开排气阀，借助收缩装置缓慢排出气囊中气体，减少浮力，同时借助4轴飞行器缓慢降落到达指定位置。收缩装置最终可以将浮空器体积收缩到最小，便于携带。浮空器降落以后自动转入低功耗模式，通过控制终端zigbee无线通信模块可以唤醒和再次启动浮空器工作。

如图13所示，智能浮空器的控制终端用于对智能浮空器进行控制，所述智能浮空器包括电池单元、电源管理模块、显示模块、定位模块、无线通信模块，其中，电池单元用于为控制终端提供电能；电源管理模块用于为显示模块、定位模块、无线通信模块提供稳定的工作电源；显示模块用于显示智能浮空器的状态信息，同时通过控制按钮对浮空器的控制和调节；无线通信模块用于实现与浮空器之间的无线通信，还用于与远程云端服务器之间的通信实现对浮空器远程监控。所述电池单元是可充电锂电池。所述定位模块包括北斗定位模块和/或GPS定位模块、无线通信模块包括4G/5G无线通信模块以及Zigbee无线通信芯片。显示模块用于显示浮空器状态等信息，同时通过相应的按钮可以实现对浮空器的控制和调节；4G/5G无线通信模块主要实现设备接入云端，实现对浮空器远程监控；Zigbee无线通信模块则实现与浮空器之间的无线通信。

更具体的，控制终端用于实时收集智能浮空器的实时信息，同时将控制指令通过Zigbee低功耗无线局域网传输给浮空器或者4轴飞行器。例如，通过控制终端控制智能浮空器到达指定高度，4轴飞行器和智能浮空器(具体为浮空器中央控制单元)组成的局域网实现三维坐标数据共享，浮空器中央控制单元对飞行器进行统一调度管理，实现最终的预期位置和高度。

所述智能浮空器采用模块化设计结构，整体外观形状可以为正六边形或四边形或矩形，根据不同应用需求可以采用多个智能浮空器进行拼接扩展，从而实现更大的防护面积。例如，浮空器为六边形结构式，边缘6个角均配有电源接口和挂钩，每个角都可以连接1个4轴飞行器，电源接口为飞行器补充电能。4轴飞行器帮助浮空器快速展开，并且维持浮空器在稳定悬浮在空中。每个4轴飞行器均配有Zigbee通信模块、高度传感模块和GPS定位模块，高度传感模块和GPS定位模块用于获取飞行器三维位置信息，Zigbee通信模块用于实现组网和数据共享，快速实现浮空器平衡。

进一步地，4轴飞行器可以实现浮空器的跟随防护遮蔽。浮空器实时读取控制终端的位置信息，在目标跟随功能开启的条件下，当控制终端的位置发生变化或者控制终端位置与浮空器位置信息不一致时，4轴飞行器牵引浮空器进行跟随，保证浮空器中心位置尽量接近控制终端的位置。

当浮空器面积较大，同时水平位置长时间无需发生移动时，可以通过浮空器进一步可以在中心体上具有悬挂线缆，将浮空器拴在地面物体上，避免受大风影响。此外，悬挂线缆包含电源导线，必要时可以从地面取电或者进行电量快速补充。

当浮空器电池电量不足时，会不断向地面控制终端发送报警信息，如果控制终端在规定时间内未给浮空器进行回复，浮空器会进行强制降落，避免电池电量耗尽浮空器无法回收，确保浮空器安全着陆。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种智能浮空器，其特征在于，包括：可伸展和收缩的浮空器本体，置于浮空器本体中的压缩气罐、中控器以及一个或多个气囊，

所述气囊具有进气阀和排气阀，所述压缩气罐具有控制阀，所述压缩气罐的控制阀通过气体管道与所述气囊的进气阀连接；

所述气囊是微型气囊，分成若干组，组内气囊间通过气体管道连接，每组气囊均有1个进气阀和1个排气阀；

所述中控器用于在需要气囊充气时控制打开所述控制阀和进气阀对所述气囊充气，气囊充气使得智能浮空器到预定位置后关闭所述控制阀和进气阀停止对所述气囊充气；

所述中控器用于在需要气囊放气时控制打开所述排气阀对所述气囊放气，气囊放气使得智能浮空器下降到预定位置后关闭所述排气阀停止对所述气囊放气；

所述浮空器本体具有中心体，所述浮空器是围绕中心体边缘转轴的转动伸展收缩结构，通过对气囊充气而自动向侧面伸展浮空器本体，通过对气囊排气而自动收缩浮空器本体；

所述浮空器本体为多边形结构，浮空器本体的边缘具有拼接结构，多个浮空器本体之间通过所述拼接结构进行拼接扩展；

所述浮空器本体的中控器包括：中控管理单元，以及被所述中控管理单元管理控制的电源管理单元、定位单元、无线通信单元、信息采集单元、指示单元。

2.如权利要求1所述的智能浮空器，其特征在于，所述浮空器本体的上表面具有太阳能电池，所述太阳能电池与所述电源管理单元相连接。

3.如权利要求1所述的智能浮空器，其特征在于，所述电源管理单元包括锂电池组、充放电管理电路和电压变换电路。

4.如权利要求1所述的智能浮空器，其特征在于，所述信息采集单元包括但不限于如下信息采集器件：加速度传感器、高度传感器、气压传感器、风速风向传感器、温度传感器。

5.如权利要求1所述的智能浮空器，其特征在于，所述浮空器本体的边缘具有电源接口和挂钩，所述挂钩用于连接4轴飞行器，所述电源接口与所述电源管理单元相连，用于为所述飞行器补充电能。

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