CN111727791B - 一种人工影响天气催化作业装置及其控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工影响天气催化作业装置及其控制系统和控制方法，属于人工影响天气安全作业技术领域；该作业装置包括在箭体内依次设置的降落伞仓、仪表仓、控制仓、电池仓、旋翼仓、催化剂播撒仓和发动机仓，及设置在箭体尾部的尾翼，控制仓内置控制电路、导航电路和安全发射电路，其中控制电路控制火箭点火、装置飞行以及催化剂播撒。本发明通过将旋翼无人机与火箭有机结合，改进设计了新型催化剂播撒作业装置，并且通过改进后的发射控制器进行作业装置安全发射；与现有技术相比，本发明提高了人工影响天气作业催化作业的准确性、有效性和安全性，实现了可重复使用，同时大大地降低了人工影响天气作业的成本。

Description

一种人工影响天气催化作业装置及其控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及人工影响天气作业技术领域，具体涉及一种人工影响天气催化作业装置及其控制系统和控制方法。

背景技术

目前，人工影响天气的主要手段是地面利用高炮和火箭发射器发射催化弹进行催化，空中利用有人驾驶飞机实施碘化银焰条燃烧播撒等方式进行人工影响天气作业。

利用高炮或火箭发射器发射催化炮弹或火箭弹的方式存在如下问题：高炮催化弹使用延时引信，时间到就会爆炸，完成所载催化剂的播撒，但播撒的温度和时机都不一定是最佳的；火箭弹的催化播撒时间固定或根据雷达探测数据现场装定播撒时间，这样和云层实际情况不符，发射后也属于与弹道一致的线状播撒，无法达到按需播撒，变模式播撒。现有高炮催化炮弹和火箭催化弹射高固定且均属于一次性使用产品，使用完成后要么炸毁，要么通过伞降到地面，无法重复使用，射高也无法调整，导致催化作业成本高，催化效果不理想。有人驾驶飞机实施催化可以根据云层的实际情况进行，但有人驾驶飞机属于固定翼飞机，不灵活，运行成本也非常高昂，适合大面积作业。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种人工影响天气催化作业装置及其控制系统和控制方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种人工影响天气催化作业装置，包括在箭体内依次设置的降落伞仓、仪表仓、控制仓、电池仓、旋翼仓、催化剂播撒仓和发动机仓，及设置在箭体尾部的尾翼；所述降落伞仓用于在紧急情况下打开降落伞以将作业装置安全降落到地面；所述仪表仓用于利用检测仪器探测作业数据；所述控制仓用于控制作业装置运行，并根据探测的作业数据控制催化剂播撒；所述电池仓用于为作业装置中的电路供电；所述旋翼仓用于利用可展开的多个旋翼进行作业装置的飞行运动；所述催化剂播撒仓用于填放催化剂并进行播撒；所述发动机仓用于将作业装置发射到指定作业云层高度；所述尾翼用于保持作业装置在飞行时保持稳定状态并在降落时支撑整个作业装置。

进一步地，所述降落伞仓内置有降落伞和降落伞释放控制机构，所述降落伞释放控制机构用于在旋翼打开失效或飞控电路失效时打开降落伞以将作业装置安全降落到地面。

进一步地，所述仪表仓内置有温度检测仪器、云粒子检测仪器、微型雷达检测仪器和高速光学和红外摄像头，用于探测适合作业的温度、云层中云粒子大小和云层中粒子视频信息。

进一步地，所述控制仓内置有通信电路、北斗导航电路、ADS-B广播电路、飞控电路和播撒控制电路，分别用于进行通信、导航、ADS-B信息广播、飞控及根据探测的作业数据控制催化剂播撒。

进一步地，所述旋翼仓内置有可展开的多个旋翼，用于根据飞控电路的控制指令进行作业装置的上升、下降、悬停、前飞、后飞和降落运行动作。

进一步地，所述催化剂播撒仓内置有可更换催化剂和催化剂播撒机构，所述催化剂在每次作业时进行更换填充，所述催化剂播撒机构用于进行催化剂的播撒操作。

进一步地，所述发动机仓内置有发动机点火控制器、火箭发动机和推进剂药柱，所述推进剂药柱用于为火箭发动机提供动力源，所述火箭发动机用于根据发动机点火控制器的控制指令将作业装置发射到指定作业云层高度。

本发明还提出了一种人工影响天气催化作业装置的控制系统，包括上述人工影响天气催化作业装置，安装在发射架上的发射控制器，以及指挥中心；

所述发射控制器用于获取发动机点火控制器的唯一编码和作业装置的唯一编码，将上述编码和作业装置的经纬度位置数据发送至指挥中心进行编码校验和空域申请，完成后从指挥中心获取发射密码并发送给发动机点火控制器；

所述指挥中心用于根据上述编码查询发射密码，并根据云层位置和作业装置的经纬度位置数据进行空域申请，完成后将发射密码发送给发射控制器。

进一步地，所述发射控制器内置有中央控制单元、北斗定位装置、卫星通信装置、与作业装置内点火控制器通信的装置通信电路、发射控制器操作员生物特征识别装置、加解密模块和以太网接口电路。

本发明还提出了一种人工影响天气催化作业装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、上述人工影响天气催化作业装置加电后进行自检，自检完成后与发射控制器连接；

S2、发射控制器获取发动机点火控制器的唯一编码和作业装置的唯一编码，将上述编码和作业装置的经纬度位置数据发送至指挥中心；

S3、指挥中心根据上述编码查询发射密码，并根据云层位置和作业装置的经纬度位置数据进行空域申请，完成后将发射密码发送给发射控制器；

S4、发射控制器将发射密码发送给发动机点火控制器，由发动机点火控制器进行发射密码比对后进行点火发射作业装置；

S5、作业装置在发射过程中探测温度、高度和速度数据，并广播其经纬度、高度和速度信息；

S6、作业装置在推进剂药柱燃烧完后控制旋翼打开，并飞行至进行催化作业的云层中播撒催化剂；

S7、作业装置在播撒完成后下降至设定高度飞行至发射地降落。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过将旋翼无人机与火箭有机结合，改进设计了新型催化剂播撒作业装置，重新加注催化剂和固体推进剂燃料后可重复使用，并且通过改进后的发射控制器进行作业装置发射；与现有技术相比，本发明提高了人工影响天气作业催化作业的准确性、有效性和安全性，实现了可重复使用，同时大大地降低了人工影响天气作业的成本。

附图说明

图1为本发明的人工影响天气催化作业装置结构示意图；

图2为本发明的人工影响天气催化作业装置的控制系统结构示意图；

图3为本发明的人工影响天气催化作业装置的控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，本发明实施例提供了一种人工影响天气催化作业装置，包括在箭体内依次设置的降落伞仓、仪表仓、控制仓、电池仓、旋翼仓、催化剂播撒仓和发动机仓，及设置在箭体尾部的尾翼；所述降落伞仓用于在紧急情况下打开降落伞以将作业装置安全降落到地面；所述仪表仓用于利用检测仪器探测作业数据；所述控制仓用于控制作业装置运行，并根据探测的作业数据控制催化剂播撒；所述电池仓用于为作业装置中的电路供电；所述旋翼仓用于利用可展开的多个旋翼进行作业装置的飞行运动；所述催化剂播撒仓用于填放催化剂并进行播撒；所述发动机仓用于将作业装置发射到指定作业云层高度；所述尾翼用于保持作业装置在飞行时保持稳定状态并在降落时支撑整个作业装置。

本发明解决了目前高炮、火箭催化弹和飞机催化方法中存在的问题，可重复使用并实现按需准确地低成本催化作业。

本发明的降落伞仓设置在箭体顶部，降落伞仓内置有降落伞和降落伞释放控制机构，降落伞释放控制机构用于在出现紧急情况时打开降落伞以将作业装置安全降落到地面。这里的紧急情况包括但不限于旋翼打开失效或飞控电路失效时，通过打开降落伞保护作业装置的安全降落。

本发明的仪表仓设置在降落伞仓之后，仪表仓内置有温度检测仪器、云粒子检测仪器、微型雷达检测仪器和高速光学和红外摄像头等检测设备，用于保护和存放检测仪器，探测适合作业的温度、云层中云粒子大小和云层中粒子视频信息等功能。本发明通过在仪表仓搭载探测和研究仪器，实现了对云层中的情况进行上下左右全方位的探测，从而为人影作业效果评估和对云物理的研究提供了新途径。

仪表仓仓壁有耐高温玻璃窗，分别成90度夹角，用于安装摄像头。仪表仓内仪器通过高速总线或以太网与控制仓控制电路连接。

本发明的控制仓设置在仪表仓之后，控制仓内置有通信模块、北斗导航模块、ADS-B广播模块、飞控模块和播撒控制模块，分别用于进行通信、导航、ADS-B信息广播、飞控及根据仪表仓检测仪器探测的作业数据控制催化剂播撒等功能。导航通信所用天线采用共形天线，与控制仓仓壁共形。

本发明的电池仓设置在控制仓之后，电池仓内置有可充电电池，用于为仪表仓中的检测仪器、控制仓中的功能模块、播撒控制模块和旋翼电机等整个作业装置中的电路供电。

本发明的旋翼仓设置在电池仓之后，旋翼仓为可展开和折叠结构，其内置有可展开的多个旋翼，用于根据飞控模块的控制指令进行作业装置的上升、下降、悬停、前飞、后飞和降落等飞行动作。

本发明的催化剂播撒仓设置在旋翼仓之后，催化剂播撒仓内置有可更换催化剂和催化剂播撒机构，催化剂在每次作业时进行更换填充，催化剂播撒机构用于进行催化剂的播撒操作。

本发明的发动机仓设置在催化剂播撒仓之后，发动机仓内置有发动机点火控制器、火箭发动机和推进剂药柱，推进剂药柱用于为火箭发动机提供动力源，火箭发动机用于根据发动机点火控制器的控制指令将作业装置发射到指定作业云层高度。

发动机点火控制器包含中央控制单元或微控制器或专用芯片，实现双向通信的通信电路，存储模块唯一编码、作业装置唯一编码和发射密码的存储电路，比对发射密码的比对电路和接通点火直流特定高压波形的点火电路，同时发动机点火控制器还将测量该特定波形是否满足时间宽度组合的要求，以防人为产生；不满足时间宽度的信号组合将无法完成点火。发动机点火控制器中点火通路只有在模块的唯一编码、弹壳唯一编码从平台获取的发射密码与本地发射密码比对一致后才能接通，为特定点火波形提供通路。

发动机点火控制器与多个作业装置内置点火控制模块之间通过有线连接，使用低于36V以下的安全电压如9V供电并采用双极性差分编码实现双向加密可靠通信。

唯一编码包括厂家编码、生产日期及批次、产品编码和CRC校验字段；厂家编码可用8比特表示（可表示256个厂家），生产日期及批次可用16比特表示年月日，8比特表示批次，4个字节表示产品编码，2个字节表示CRC字段。

本发明的尾翼设置在发动机仓仓之后，尾翼用于作业装置在飞行时处于稳定状态并在降落时用于支撑整个作业装置。

基于上述人工影响天气催化作业装置，本发明还提出了一种人工影响天气催化作业装置的控制系统，如图2所示，包括上述人工影响天气催化作业装置，安装在发射架上的发射控制器，以及指挥中心；

发射控制器用于获取发动机点火控制器的唯一编码和作业装置的唯一编码，将上述编码和作业装置的经纬度位置数据发送至指挥中心进行编码校验和空域申请，完成后从指挥中心获取发射密码并发送给发动机点火控制器；

指挥中心用于根据上述编码查询发射密码，并根据云层位置和作业装置的经纬度位置数据进行空域申请，完成后将发射密码发送给发射控制器。

本发明的发射控制器内置控制CPU或MCU或专用芯片、北斗定位装置、移动通信或卫星通信装置、与作业装置内置点火控制器通信的通信电路、产生作业装置点火所需的特定高压波形发生电路、发射控制器操作员生物特征识别装置如人脸、指纹和掌纹等、以太网接口和加密解密模块。

发射控制器在发射前需要向管理平台加密上报发射控制器的经纬度信息、发射员信息和所发射的作业装置的点火控制器唯一编码和作业装置唯一编码以获取发射密码；发射控制器的经纬度信息由内置的北斗模块获取，发射员信息通过生物特征获取装置如摄像头或指纹或掌纹获取模块获得，作业装置内置点火控制器唯一编码和作业装置唯一编码通过发射控制器和作业装置内置的点火控制器之间的通信协议获取。作为优选的实施方案，通信内容可采用AES算法或哈希算法加解密。

发射控制器所在的经纬度所表示的位置上报平台后属于不允许发射位置，发射控制器无法获取发射密码；如作业装置发射控制器申请发射的时间段上报平台后，平台发现发射控制器所在空域不允许发射也无法获取发射密码；如作业装置发射控制器上报的发射器操作员无发射资格，发射控制器也无法获取发射密码，从而确保发射活动的安全性。

本发明利用发射控制器与作业装置内的发动机点火控制器配合，完成作业装置的点火发射，实现作业装置的安全可控发射和与作业装置通过卫星进行实时通信，通过地面发射控制器实现对作业装置的作业全程数据、信息和视频的实时通信。

如图3所示，本发明还提出了一种人工影响天气催化作业装置的控制方法，包括以下步骤S1至S7：

S1、上述人工影响天气催化作业装置加电后进行自检，自检完成后与发射控制器连接；

本发明开始作业装置发射时，首先由人工影响天气作业点接收指挥中心作业准备指令后，根据作业要求向作业装置加装合适的催化剂，根据云层的方位和高度加装发动机推进剂药柱。

再对人工影响天气催化作业装置加电，作业装置进行各部分检测、控制、通信和导航电路自检，所有检查正常后向发射控制器发送自检正常信息，与发射控制器通信连接。

S2、发射控制器获取发动机点火控制器的唯一编码和作业装置的唯一编码，将上述编码和作业装置的经纬度位置数据发送至指挥中心；

S3、指挥中心根据上述编码从数据库中查询发射密码，并根据云层位置和作业装置的经纬度位置数据进行空域申请，空域申请完成后将发射密码发送给发射控制器；

本发明中空域申请包括判断发射控制器所在的经纬度所表示的位置是否属于不允许发射位置，若是则拒绝向发射控制器下发发射密码，否则再判断射控制器申请发射的时间段所在空域是否不允许发射，若是则拒绝向发射控制器下发发射密码，否则再判断发射控制器上报的发射器操作员是否无发射资格，若是则拒绝向发射控制器下发发射密码，否则空域申请完成，从而确保发射活动的安全性。

S4、发射控制器将发射密码发送给发动机点火控制器，由发动机点火控制器进行发射密码比对后进行点火发射作业装置；

S5、作业装置在发射过程中探测温度、高度和速度数据，并广播其经纬度、高度和速度信息；

本发明的作业装置发射后，利用仪表仓中的检测仪器开始沿途探测温度、高度和速度等数据，并通过ADS-B广播模块广播其经纬度、高度和速度信息。

S6、作业装置在推进剂药柱燃烧完后控制旋翼打开，并飞行至进行催化作业的云层中播撒催化剂；

本发明利用飞控模块控制旋翼工作，并飞行到合适催化的云层（例如-4摄氏度的云层）中进行催化剂播撒。

S7、作业装置在播撒完成后下降至设定高度飞行至发射地降落。

本发明利用飞控模块控制旋翼下降至合适的高度（如300米）后再飞行至发射地降落。

特别地，如果旋翼打开失败，则启动降落伞释放控制机构，弹出降落伞让作业装置安全降落并报告降落地的经纬度信息便于回收。

本发明的作业装置还支持集群作业，通过内置北斗导航模块实现协同作业，迅速完成预定区域内的催化作业。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种人工影响天气催化作业装置的控制系统，其特征在于，包括人工影响天气催化作业装置，安装在发射架上的发射控制器，以及指挥中心；

所述人工影响天气催化作业装置包括在箭体内依次设置的降落伞仓、仪表仓、控制仓、电池仓、旋翼仓、催化剂播撒仓和发动机仓，及设置在箭体尾部的尾翼；所述降落伞仓用于在紧急情况下打开降落伞以将作业装置安全降落到地面；所述仪表仓用于利用检测仪器探测作业数据；所述控制仓用于控制作业装置运行，并根据探测的作业数据控制催化剂播撒；所述电池仓用于为作业装置中的电路供电；所述旋翼仓用于利用可展开的多个旋翼进行作业装置的飞行运动；所述催化剂播撒仓用于填放催化剂并进行播撒；所述发动机仓内置有发动机点火控制器、火箭发动机和推进剂药柱，用于将作业装置发射到指定作业云层高度；所述尾翼用于保持作业装置在飞行时保持稳定状态并在降落时支撑整个作业装置；

所述人工影响天气催化作业装置用于在加电后进行自检，并在自检完成后与发射控制器连接；在发射过程中探测温度、高度和速度数据，并广播其经纬度、高度和速度信息；在推进剂药柱燃烧完后控制旋翼打开，并飞行至进行催化作业的云层中播撒催化剂；在播撒完成后下降至设定高度飞行至发射地降落；

所述发射控制器用于获取发动机点火控制器的唯一编码和作业装置的唯一编码，将上述两个编码和作业装置的经纬度位置数据发送至指挥中心进行编码校验和空域申请，完成后从指挥中心获取发射密码并发送给发动机点火控制器；所述发动机点火控制器进行发射密码比对后进行点火发射作业；

所述指挥中心用于根据上述两个编码查询发射密码，并根据云层位置和作业装置的经纬度位置数据进行空域申请，完成后将发射密码发送给发射控制器。

2.根据权利要求1所述的人工影响天气催化作业装置的控制系统，其特征在于，所述降落伞仓内置有降落伞和降落伞释放控制机构，所述降落伞释放控制机构用于在旋翼打开失效或飞控电路失效时打开降落伞以将作业装置安全降落到地面。

3.根据权利要求1所述的人工影响天气催化作业装置的控制系统，其特征在于，所述仪表仓内置有温度检测仪器、云粒子检测仪器、微型雷达检测仪器和高速光学和红外摄像头，用于探测适合作业的温度、云层中云粒子大小和云层中粒子视频信息。

4.根据权利要求1所述的人工影响天气催化作业装置的控制系统，其特征在于，所述控制仓内置有通信电路、北斗导航电路、ADS-B广播电路、飞控电路和播撒控制电路，分别用于进行通信、导航、ADS-B信息广播、飞控及根据探测的作业数据控制催化剂播撒。

5.根据权利要求4所述的人工影响天气催化作业装置的控制系统，其特征在于，所述旋翼仓内置有可展开的多个旋翼，用于根据飞控电路的控制指令进行作业装置的上升、下降、悬停、前飞、后飞和降落运行动作。

6.根据权利要求1所述的人工影响天气催化作业装置的控制系统，其特征在于，所述催化剂播撒仓内置有可更换催化剂和催化剂播撒机构，所述催化剂在每次作业时进行更换填充，所述催化剂播撒机构用于进行催化剂的播撒操作。

7.根据权利要求1所述的人工影响天气催化作业装置的控制系统，其特征在于，所述发动机仓内置有发动机点火控制器、火箭发动机和推进剂药柱，所述推进剂药柱用于为火箭发动机提供动力源，所述火箭发动机用于根据发动机点火控制器的控制指令将作业装置发射到指定作业云层高度。

8.根据权利要求1所述的人工影响天气催化作业装置的控制系统，其特征在于，所述发射控制器内置有中央控制单元、北斗定位装置、卫星通信装置、与作业装置内点火控制器通信的装置通信电路、发射控制器操作员生物特征识别装置、加解密模块和以太网接口电路。

9.一种人工影响天气催化作业装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、如权利要求8所述的人工影响天气催化作业装置加电后进行自检，自检完成后与发射控制器连接；

S2、发射控制器获取发动机点火控制器的唯一编码和作业装置的唯一编码，将上述两个编码和作业装置的经纬度位置数据发送至指挥中心；

S3、指挥中心根据上述两个编码查询发射密码，并根据云层位置和作业装置的经纬度位置数据进行空域申请，完成后将发射密码发送给发射控制器；

S4、发射控制器将发射密码发送给发动机点火控制器，由发动机点火控制器进行发射密码比对后进行点火发射作业；

S5、作业装置在发射过程中探测温度、高度和速度数据，并广播其经纬度、高度和速度信息；

S6、作业装置在推进剂药柱燃烧完后控制旋翼打开，并飞行至进行催化作业的云层中播撒催化剂；

S7、作业装置在播撒完成后下降至设定高度飞行至发射地降落。

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