CN111516851A - 一种无人机长时间应用系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种无人机长时间应用系统及方法。该系统包括：高空超压气球系统、通讯系统和无人机投放系统，高空超压气球系统分别与通讯系统和无人机投放系统相连；其中：所述高空超压气球系统用于搭载所述通讯系统和所述无人机投放系统，并控制系统在任务地点上空的预设高度范围内进行定点飞行；所述通讯系统用于接收无人机信号，并与卫星系统进行通信；所述无人机投放系统用于搭载若干无人机至任务地点上空并按照预设模式进行投放。所述方法用于执行所述系统。本发明实施例通过搭载高空超压气球系统，可实现跨洲际的无人机自主发放，可实现对操控手无法到达区域的超远距离数据收集，并克服需要操控手到达任务地点进行无人机操作的弊端。

Description

一种无人机长时间应用系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机长时间应用系统及方法。

背景技术

上世纪90年代中小型无人机的概念被提出，由于其隐蔽性，安全性，制造简单及成本低廉等特性，其在科研，工程和军事中的应用前景被广泛看好。例如，中小型无人机携带微型摄像头，则可对一定点区域进行飞行监控且不被发现。又如，中小型无人机携带温度传感器，则可飞到对应大气高度测量大气温度。近些年，世界各国针对中小型无人机的低雷诺数气动设计，结构设计以及控制律设计均取得了长足的进步。

目前对中小型无人机的使用方式分为两种，一是需要操控手亲自到任务地点附近进行包括发射，飞行，数据收集，回收等作业。二是由高空气球携带中小型无人机，从高空投射，之后无人机自主飞行至任务地点进行作业任务。第一种现场操作目前已经在军队及科研机构得到部分应用，第二种通过气球投放目前还在探究阶段，部分国家进行了投放试验，但还未进入到实际大规模应用。

虽然在近年中针对中小型无人机的研究已经较为透彻，但是在中小型无人机的应用价值方面并没有取得更大范围的拓宽，其核心原因在于上述两种对中小型无人机的使用方式各有缺陷。对于第一种需要操控手到达现场作业的情况，由于无人机本身小尺寸的限制，使得无人机携带的能源十分有限，无法进行长时间的飞行及数据收集等工作。目前主流的中小型无人机的飞行时间均在30分钟左右，而对于任务载荷的使用，常常要求几个小时甚至几天的时间，因此能源问题导致的极短飞行时间缺陷制约了载荷的应用。此外，由于必须要求操控手到达任务地点附近进行操作，针对某些特殊任务，如战时对敌方地区的监控，或针对无人区的数据采集等操控手难以到达目的地附近的任务，难以应用中小型无人机做进一步工作。对于第二种应用高空气球进行投放的情况，由于使用的零压高空气球为载具，可一次携带多架中小型无人机飞至较远的地方进行作业，且避免了操控手必须到达任务地点的限制，但高空气球不具有可控性，只能随风飞行，因此无法携带中小型无人机精确飞行至任务地点上空，无人机的投放点距离任务地点较远，则需要耗费大量能源飞行至目标点或因距离过远无法抵达目标点，这极大限制了无人机最后的落点精度及任务执行的时长。同时，由于目前使用的气球系统只是载具，并没有信号接收功能，因此无人机收集的数据只能通过无人机上的铱星直接传回卫星。这导致了两个缺陷，一是由于铱星的重量较重，因此要求无人机尺寸较大才能携带，破坏了隐蔽性。二是铱星本身数据传送速度很慢，这会限制数据采集的及时性。此外，能源限制会导致无人机仍然存在可工作时间较短的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种无人机长时间应用系统及方法，用以解决现有技术中受操控手必须到达任务地点的限制和使用高空气球具有不可控性的限制。

第一方面，本发明实施例提供一种无人机长时间应用系统，包括：

高空超压气球系统、通讯系统和无人机投放系统，所述高空超压气球系统分别与所述通讯系统和所述无人机投放系统相连；其中：

所述高空超压气球系统用于搭载所述通讯系统和所述无人机投放系统，并控制系统在任务地点上空的预设高度范围内进行定点飞行及驻留；

所述通讯系统用于接收无人机信号，并与卫星系统进行通信；

所述无人机投放系统用于搭载若干无人机至任务地点上空并按照预设模式进行投放。

进一步地，所述高空超压气球系统包括超压气球球体、副气囊、风机和吊舱；其中：

所述副气囊安装在所述超压气球球体的主气囊内部，与所述风机进行连接，并由所述风机通过调整向所述副气囊供给的空气量，来调整所述超压气球球体的高度；

所述超压气球球体与所述吊舱通过缆绳进行连接。

进一步地，所述吊舱包括飞控计算机、能源循环系统、锂电池和太阳能电池板；其中：

所述飞控计算机与所述风机相连，用于控制所述风机的运转来实现对所述超压气球球体的飞行高度调节；

所述太阳能电池板向所述锂电池进行电能转换，所述锂电池用于向所述风机和所述无人机投放系统提供电能；

所述能源循环系统分别与所述锂电池和所述太阳能电池板进行连接，用于控制所述太阳能电池板的输入电能大于所述锂电池的输出电能。

进一步地，所述通讯系统包括移动基站，所述移动基站安装于吊舱内，用于接收无人机发送的数据，并将数据传送至卫星系统。

进一步地，所述无人机投放系统包括无人机投放舱和若干无人机，所述若干无人机搭载于所述无人机投放舱内。

第二方面，本发明实施例提供一种无人机长时间应用方法，包括：

将超压气球球体充氦气升空，根据预测风场结果，调整风机输送给副气囊的空气量，使所述超压气球球体飞向任务地点；

待所述超压气球球体抵达所述任务地点上空，开启定点模式；

由无人机投放舱按照预设模式开始投放若干无人机；

所述若干无人机到达所述任务地点后开启任务载荷进行工作并收集数据，将数据通过无人机天线传送回移动基站；

所述移动基站将数据传送至卫星系统，再由地面接收站接收所述卫星系统发送的数据。

进一步地，所述待所述超压气球球体抵达所述任务地点上空，利用平流层零风层上下风向相反的特点，开启定点模式，具体包括：

根据预测风场结果获得平流层零风层高度；

若所述超压气球球体的飞行高度大于所述平流层零风层高度加上预设高度值，则由飞控计算机控制所述风机运转，驱动所述副气囊开始充气，使所述超压气球球体的高度下降；

若所述超压气球球体的飞行高度小于于所述平流层零风层高度减去预设高度值，则由所述飞控计算机控制所述风机运转，驱动所述副气囊开始排气，使所述超压气球球体的高度上升。

进一步地，所述由无人机投放舱按照预设模式开始投放若干无人机，具体包括：

所述无人机投放舱按照预设时间间隔投放所述若干无人机，或所述无人机投放舱同时将所述若干无人机一次全部投放。

本发明实施例提供的无人机长时间应用系统及方法，通过搭载高空超压气球系统，可实现跨洲际的无人机自主发放，可实现对操控手无法到达区域的超远距离数据收集，并克服需要操控手到达任务地点进行无人机操作的弊端。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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。

图1为本发明实施例提供的无人机系统结构图；

图2为本发明实施例提供的无人机方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术中中小型无人机的应用缺陷，本发明实施例提出一种无人机长时间应用系统及方法，该系统及方法可避免操控手到达现场这一苛刻要求以及任务时效极短这一技术缺陷，同时解决了零压高空气球投放时精度不足且数据传输慢的缺陷，使得无人机系统可长距离，长时间自主进行数据收集工作，极大拓宽了中小型无人机的应用价值。

图1为本发明实施例提供的无人机系统结构图，如图1所示，包括：

高空超压气球系统、通讯系统和无人机投放系统，所述高空超压气球系统分别与所述通讯系统和所述无人机投放系统相连；其中：

所述高空超压气球系统用于搭载所述通讯系统和所述无人机投放系统，并控制系统在任务地点上空的预设高度范围内进行定点飞行及驻留；

所述通讯系统用于接收无人机信号，并与卫星系统进行通信；

所述无人机投放系统用于搭载若干无人机至任务地点上空并按照预设模式进行投放。

具体地，整个系统由三大部分组成：一是高空超压球系统，二是通讯系统，三是无人机投放系统。高空超压球系统负责为整个系统提供动力和承载支持，将通讯系统和无人机投放系统搭载至任务地点的上空，并控制系统在既定的高度范围内保持悬浮状态；通讯系统负责与目标进行通信和交换数据，还负责与卫星系统进行通信；无人机投放系统则负责装载多台中小型无人机至任务地点进行投放，进行荷载任务。

本发明实施例通过搭载高空超压气球系统，可实现跨洲际的无人机自主发放，可实现对操控手无法到达区域的超远距离数据收集，并克服需要操控手到达任务地点进行无人机操作的弊端。

基于上述实施例，所述高空超压气球系统包括超压气球球体、副气囊、风机和吊舱；其中：

所述副气囊安装在所述超压气球球体的主气囊内部，与所述风机进行连接，并由所述风机通过调整向所述副气囊供给的空气量，来调整所述超压气球球体的高度；

所述超压气球球体与所述吊舱通过缆绳进行连接。

其中，所述吊舱包括飞控计算机、能源循环系统、锂电池和太阳能电池板；其中：

所述飞控计算机与所述风机相连，用于控制所述风机的运转来实现对所述超压气球球体的飞行高度调节；

所述太阳能电池板向所述锂电池进行电能转换，所述锂电池用于向所述风机和所述无人机投放系统提供电能；

所述能源循环系统分别与所述锂电池和所述太阳能电池板进行连接，用于控制所述太阳能电池板的输入电能大于所述锂电池的输出电能。

其中，所述通讯系统包括移动基站，所述移动基站安装于吊舱内，用于接收无人机发送的数据，并将数据传送至卫星系统。

其中，所述无人机投放系统包括无人机投放舱和若干无人机，所述若干无人机搭载于所述无人机投放舱内。

具体地，如图1所示，高空超压气球系统包括：超压气球球体1，位于球体内部的副气囊2，风机3及吊舱4。其中，吊舱4中包含了能源循环系统7，锂电池9，飞控计算机10及太阳能电池板11等为整套系统提供能源及控制飞行轨迹，吊舱与球体由缆绳6连接。

通讯系统包括：移动基站8，其安装于吊舱4中。

无人投放系统包括：无人机投放舱5及舱内的无人机12等。

此处，在气球的飞行、驻留及数据收集和传输期间，整套系统的供电，包括风机的运转，无人机在投放舱内的电量保持，以及基站进行数据接收传送操作时，均由吊舱4上的太阳能板11、能源循环系统7和锂电池9进行维持，能源循环系统7的设计可保证太阳能板11输入的电能大于锂电池9输出的电能，从而保证系统长久工作的能力。

本发明实施例通过航迹可控的高空超压气球，并提供稳定可靠的能源保障，确保了实现飞行时的航迹控制及对目标点上空的驻留，极大提升了无人机发放时的落点精度，克服了普通气球投放时无人机精度极差的弊端。

图2为本发明实施例提供的无人机方法流程图，如图2所示，包括：

S1，将超压气球球体充氦气升空，根据预测风场结果，调整风机输送给副气囊的空气量，使所述超压气球球体飞向任务地点；

S2，待所述超压气球球体抵达所述任务地点上空，开启定点模式；

S3，由无人机投放舱按照预设模式开始投放若干无人机；

S4，所述若干无人机到达所述任务地点后开启任务载荷进行工作并收集数据，将数据通过无人机天线传送回移动基站；

S5，所述移动基站将数据传送至卫星系统，再由地面接收站接收所述卫星系统发送的数据。

其中，所述待所述超压气球球体抵达所述任务地点上空，开启定点模式，具体包括：

根据预测风场结果获得平流层零风层高度；

若所述超压气球球体的飞行高度大于所述平流层零风层高度加上预设高度值，则由飞控计算机控制所述风机运转，驱动所述副气囊开始充气，使所述超压气球球体的高度下降；

若所述超压气球球体的飞行高度小于于所述平流层零风层高度减去预设高度值，则由所述飞控计算机控制所述风机运转，驱动所述副气囊开始排气，使所述超压气球球体的高度上升。

其中，所述由无人机投放舱按照预设模式开始投放若干无人机，具体包括：

所述无人机投放舱按照预设时间间隔投放所述若干无人机，或所述无人机投放舱同时将所述若干无人机一次全部投放。

具体地，首先，在地面将超压气球球体1充氦气并发放升空，在升空过程中，根据预测的风场结果，调整气球内风机3给副气囊2的打的空气量，从而调整气球的高度，使其可以利用风场沿大气垂直高度分布不同这一特性，利用合理风向飞向任务地点。到达任务地点上空后，开启定点模式，此时气球高度依靠风机3为副气囊2充气和排气保持在平流层零风层上下的预设高度值范围内，例如2km浮沉，利用平流层零风层上下风向相反的特点，使气球保持在任务地点上空驻留。如：根据预测的风场结果得出零风层在20km，如果18km西风，则在22km时为东风，气球在18km时排出副气囊空气使气球升高，气球向东飘，在超过20km零风层后，由于风向变为东风，此时开启风机为副气囊充气，则气球高度下降，向西飘，回到任务地点上空。实际情况下零风层的风速虽然很小，但也不是完全无风，因此即使驻留在20km，仍需对气球进行高度调节以完成驻留。上述调节过程由吊舱内的飞控计算机10完成。

气球驻留在任务地点上空后，开始向任务地点投放无人机12。投放舱5内携带的无人机若是微型无人机，由于单架微型无人机只有100g重，体积较小，因此可携带上百架左右。携带的无人机若是翼展大于1m的中型无人机，也可携带约10架左右。无人机的投放方式根据任务需求决定，如：若需要对一定点目标进行长时间监控，则可每半个小时向任务地点发放一架无人机，半个小时的时间间隔是考虑到当前无人机的能源续航时间为半个小时。按此方法，用携带的微型无人机对一固定目标的连续监控可长达50小时。若需要更长时间的监控，则可考虑携带更多的无人机，或同时发放多个球体驻留在任务地点。若同时需要对气球驻留区域内的多个目标进行监控，则可一次将所携带的无人机全部投放，无人机按照内置导航算法各自飞向对应目标地点执行任务。由于气球在20km的平流层且气球材料本身对雷达波保持高透射率特性，因此即使是长时间驻留也很难被侦测到。此处，本发明实施例对球体的数量和无人机投放的方式不作限制，可以一次发射多个球体飞向同一目标地点进行组网通信，增强驻留能力的同时提高数据收集效率。此外，吊舱和投放舱的结构形式都可根据要搭载的设备进行灵活调整。

无人机到达任务地点后开启任务载荷进行工作，载荷所收集的数据通过无人机的天线传送回气球上携带的移动基站，再由基站传送至卫星，最后由地面接收站接收卫星数据。携带的无人机尺寸较小，在执行任务过程中保持了极好的隐蔽性，不易被发现。

本发明实施例通过球上系统搭载的移动基站，实现无人机数据的高速传输，极大增强数据获取的及时性，避免传统气球投放时无移动基站，只能依靠无人机携带铱星通讯传回数据，传输速度慢的弊端。同时，由于无人机不必再携带铱星进行通讯，无人机本身的设计也得到解放，可进一步减小体积，减轻重量，增加隐蔽性。另外对携带的无人机间隔发放，可实现对目标地点数据的超长时间采集，避免了传统单架无人机任务执行时间极短的弊端，同时也可对携带的无人机进行一次性投放，实现同时对多个目标地点的数据采集工作。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种无人机长时间应用系统，其特征在于，包括：高空超压气球系统、通讯系统和无人机投放系统，所述高空超压气球系统分别与所述通讯系统和所述无人机投放系统相连；其中：

所述高空超压气球系统用于搭载所述通讯系统和所述无人机投放系统，并控制系统在任务地点上空的预设高度范围内进行定点飞行及驻留；

所述通讯系统用于接收无人机信号，并与卫星系统进行通信；

所述无人机投放系统用于搭载若干无人机至任务地点上空并按照预设模式进行投放。

2.根据权利要求1所述的无人机长时间应用系统，其特征在于，所述高空超压气球系统包括超压气球球体、副气囊、风机和吊舱；其中：

所述副气囊安装在所述超压气球球体的主气囊内部，与所述风机进行连接，并由所述风机通过调整向所述副气囊供给的空气量，来调整所述超压气球球体的高度；

所述超压气球球体与所述吊舱通过缆绳进行连接。

3.根据权利要求2所述的无人机长时间应用系统，其特征在于，所述吊舱包括飞控计算机、能源循环系统、锂电池和太阳能电池板；其中：

所述飞控计算机与所述风机相连，用于控制所述风机的运转来实现对所述超压气球球体的飞行高度调节；

所述太阳能电池板向所述锂电池进行电能转换，所述锂电池用于向所述风机和所述无人机投放系统提供电能；

所述能源循环系统分别与所述锂电池和所述太阳能电池板进行连接，用于控制所述太阳能电池板的输入电能大于所述锂电池的输出电能。

4.根据权利要求1所述的无人机长时间应用系统，其特征在于，所述通讯系统包括移动基站，所述移动基站安装于吊舱内，用于接收无人机发送的数据，并将数据传送至卫星系统。

5.根据权利要求1所述的无人机长时间应用系统，其特征在于，所述无人机投放系统包括无人机投放舱和若干无人机，所述若干无人机搭载于所述无人机投放舱内。

6.一种基于权利要求1至5中任一权利要求所述系统的无人机长时间应用方法，其特征在于，包括：

将超压气球球体充氦气升空，根据预测风场结果，调整风机输送给副气囊的空气量，使所述超压气球球体飞向任务地点；

待所述超压气球球体抵达所述任务地点上空，开启定点模式；

由无人机投放舱按照预设模式开始投放若干无人机；

所述若干无人机到达所述任务地点后开启任务载荷进行工作并收集数据，将数据通过无人机天线传送回移动基站；

所述移动基站将数据传送至卫星系统，再由地面接收站接收所述卫星系统发送的数据。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述待所述超压气球球体抵达所述任务地点上空，开启定点模式，具体包括：

根据预测风场结果获得平流层零风层高度；

若所述超压气球球体的飞行高度大于所述平流层零风层高度加上预设高度值，则由飞控计算机控制所述风机运转，驱动所述副气囊开始充气，使所述超压气球球体的高度下降；

若所述超压气球球体的飞行高度小于于所述平流层零风层高度减去预设高度值，则由所述飞控计算机控制所述风机运转，驱动所述副气囊开始排气，使所述超压气球球体的高度上升。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述由无人机投放舱按照预设模式开始投放若干无人机，具体包括：

所述无人机投放舱按照预设时间间隔投放所述若干无人机，或所述无人机投放舱同时将所述若干无人机一次全部投放。

Images