CN112379466B - 一种自定位可回收探空仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自定位可回收探空仪，包括：氢气球、GPS模块、温湿压探测模块、风向风速反演模块、无线通信模块、存储模块、控制模块、云台以及螺旋桨。氢气球的固定绳索安装在云台的固定平面，固定平面上布置了各种模块，云台下方放置着螺旋桨。自定位可回收探空仪上升时通过GPS模块得到方向位置等信息，经过控制模块处理，由云台改变螺旋桨推力方向，从而调节自定位可回收探空仪得以定位上升；下降时，云台通过翻转，使得螺旋桨方向向上，通过螺旋桨的升力，使得装置平稳下降，从而达到可回收效果。本发明用于测量大气气象要素的垂直分布，同时提供了一种自定位可回收探空仪。

Description

一种自定位可回收探空仪
技术领域
本发明涉及探空仪领域，具体地，涉及一种自定位可回收探空仪。
背景技术
探空仪用于探测高空大气中任意高度上气象要素瞬时分布状况。氢气球携带探空仪从地面升至约30km高空，升空过程中探空仪实时探测空中的气温、气压、湿度、风向和风速等要素，并回传至地面接收设备。当氢气球上升到约30km高空时，膨胀到极限，在内压作用下炸毁破裂，探空仪掉落，单次探空过程结束。
探空仪在上升过程中受到风力影响，测量位置随机、不可控，得到测量数据存在较大偏差。
现有的风向风速测量是通过雷达测量探空仪上升过程中的水平位置变化实现的，其测量效率较低、代价昂贵。
探空仪下落过程中受到风的影响，其落地点完全随机，并且从高空掉落后，探空仪上的气象传感器一般会出现损坏。因此，目前的探空仪在探空测量过程结束后，一般不会进行回收，从而造成较大浪费。目前虽有相关技术中为探空仪增加降落伞装置，待探空仪落地后通过定位进行回收，但仍然存在探空仪落地点可能较远而难以回收的问题。
发明内容
本发明鉴于上述问题，提出了一种自定位可回收探空仪，以解决探空仪的自定位与回收问题，同时尝试用新的方法来解决风向风速测量的问题。
为实现本发明的目的，提供一种自定位可回收探空仪，包括：氢气球、GPS模块、温湿压探测模块、风向风速反演模块、无线通信模块、存储模块、控制模块、云台和螺旋桨。氢气球通过绳索固定在云台固定板上，其余各个模块作为负载安装在云台固定板中央，螺旋桨固定在云台的连接杆上。
当氢气球开始上升时，所述云台、螺旋桨用于控制探空仪的水平位置，使得探空仪得以定位上升，即探空仪进入上升模式；当氢气球破裂，探空仪下降时，所述云台、螺旋桨用于控制探空仪下降速度，使得探空仪安全平稳下降，进入下降模式。
上升模式与下降模式，由控制模块进行判断控制变换。上升模式状态下，启动温湿压探测模块、风向风速反演模块、无线通信模块和存储模块，用于收集、存储及发送采集或是演算出的数据信息；下降模式状态下，通过云台翻转螺旋桨，螺旋桨朝上提供升力，系统关闭温湿压探测模块与风向风速反演模块。
温湿压探测模块，用于收集温度、湿度、气压等信息，其收集的数据通过存储模块进行存储，并通过无线通信模块实时传输。
风向风速反演模块，通过收集螺旋桨转速、功耗信息以及GPS模块提供的定位信息，进行风向风速的数据反演，其数据储存于存储模块，并通过无线通信模块实时传输。
无线通信模块，包括无线电信号接收装置，用于接收地面气象站的指令；无线电信号发射装置，用于发送存储模块中保存的测量要素信息。
存储模块，用于存储测量要素信息，实时位置高度信息，保存控制模块的决策信息，同时通过无线通信模块发送必要信息。
控制模块，包括：微型控制计算机，用于数据的运算与决策；功率与螺旋桨转速测量装置，针对螺旋桨的要素进行测量。
云台，螺旋桨于上升模式下，由控制模块控制云台对螺旋桨进行方位调整，并直接控制螺旋桨动力，从而达到控制探空仪定位上升；于下降模式下，探空仪整体翻转，由控制模块通过云台控制螺旋桨的动力及方向，使得探空仪平稳下降，得以回收。
跟现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)定位上升，有效控制探空仪的水平运动范围，可以得到特定区域内更为精确的空间气象要素数据。
(2)通过用云台和螺旋桨代替降落伞来作为可回收的解决方案，控制了落地范围与落地速度，方便了装置的回收。
(3)探空仪在经过回收检查后可重复使用，其模块化的状态使其更换破损模块也十分方便。
附图说明
图1为本发明上升模式下的组成结构示意图；
图2为本发明下降模式的状态示意图；
图3为云台的双自由度结构示意图；
图4为本发明设备工作流程图。
附图说明：1-氢气球，2-GPS模块，3-温湿压探测模块，4-风向风速反演模块，5-无线通信模块，6-存储模块，7-控制模块，8-云台，9-螺旋桨。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
本发明提供的自定位可回收探空仪设计方法，其结构可以大致分为氢气球1，负载以及动力装置；
其中氢气球1通过绳索固定在动力装置中云台8的固定板上，负载同样固定于固定板上，动力装置则固定于固定板下方(上升模式下)；
如图1所示，负载包括GPS模块2、温湿压探测模块3、风向风速反演模块4、无线通信模块5、存储模块6和控制模块7。其中温湿压探测模块3和风向风速反演模块4用于气象要素的探测与演算；无线通信模块5用于和地面系统进行通信，实时传输测得的温湿压风等气象要素，同时接收地面系统的控制命令来控制自定位可回收探空仪的定位；存储模块6用于存储实时气象要素信息及位置信息，同时保存控制模块7的决策信息；控制模块7则用于决策控制动力装置。
动力装置包括云台8和螺旋桨9。其中云台用于控制螺旋桨9的方向，同时保证螺旋桨9作用力方向的稳定，螺旋桨9则提供推力作用。
该自定位可回收探空仪在运行时具有两种模式，分别为上升模式与下降模式，如图1所示，为探空仪上升模式状态，该模式下探空气球将装置拉离地面，负载内所有模块都进行工作。其中GPS模块2提供的位置信息，来确定自身定位与预定位置的方向与距离，从而控制云台与螺旋桨进行位置的调整。如图2所示，为探空仪下降模式，当探空气球达到预定位置破裂后，探空仪通过云台8调整动力方向，翻转后螺旋桨9的方向朝上，此时，通过螺旋桨9的升力来控制自定位可回收探空仪的下落速度，使得探空仪可以平稳下降。
本发明采取自定位垂直上升方式，因此在风速测量时将采用风向风速反演模块。风速的反演原理则是测量螺旋桨9的运转消耗功率、空气密度、螺旋桨转速、通道面积等基础要素，再根据GPS模块2提供的位置信息，推算出水平方向风速和风向。
本发明在上升模式下时，将实时发送测量要素信息。存储模块6在存储时将依次收集时间、温湿压测量要素信息、位置信息、风向风速信息。当一组数据要素收集完毕后，将该组数据打包，通过无线通信模块5发送出去。
本发明的动力装置，在上升模式状态下，通过控制模块7进行控制，其原理是控制模块7通过位置信息进行自身定位，将螺旋桨9的作用力方向指向定点位置反方向，通过控制螺旋桨9的方向与转速，从而不断接近于定点位置，其中云台8用于调控与稳定螺旋桨9指向方向。在下降模式下，螺旋桨9则是提供向上升力，云台8则是稳定螺旋桨9，防止装置翻转。
本发明的云台8的装置具有两个自由度，如图3所示，其中位置10为第一自由度，具有360度无死角旋转能力，对螺旋桨9的水平作用力方向进行控制；位置11为第二自由度，可向固定两个方向进行135度的旋转，对螺旋桨9的垂直方向作用力进行控制。
本发明中负载涵盖的各个模块自行提供电力支持，云台8与螺旋桨9的电力支持设备设置在云台8的固定板上，云台8的固定板由硬质材料构成，对负载提供保护作用。
本发明的设备工作流程图如图4所示，温湿压探测模块3从外部环境获取数据，GPS模块2获取位置信息，GPS模块2和温湿压探测模块3将数据存入存储模块6，风向风速反演模块4从存储模块6获取位置信息以及平台速度控制信息，进行反演运算，得出数据后再次传回存储模块6；存储模块6将测量的数据信息传入无线通信模块5，由无线通信模块5将数据传回气象站通讯系统；若需要远程对探空仪进行干预性控制，由气象站通讯系统发送控制指令，由无线通信模块5进行接收，并存入存储模块6，待控制模块7进行读取；控制模块7从存储模块6获取位置信息、风向风速信息、控制指令，进行处理后，对云台8和螺旋桨9进行控制；控制模块7需要将处理后的控制信息传回存储模块6。
最后应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种自定位可回收探空仪，其特征在于，包括：氢气球（1）、GPS模块（2）、温湿压探测模块（3）、风向风速反演模块（4）、无线通信模块（5）、存储模块（6）、控制模块（7）、云台（8）和螺旋桨（9）；
所述氢气球（1）通过绳索固定在所述云台（8）的固定板上，前述所有模块作为负载安装在所述云台（8）的固定板中央，所述螺旋桨（9）固定在所述云台（8）的连接杆上；
所述自定位可回收探空仪包括上升模式和下降模式；
上升模式：所述氢气球（1）上升时，所述云台（8）和螺旋桨（9）用于控制所述自定位可回收探空仪的水平位置，使得其得以定位上升；
下降模式：所述氢气球（1）破裂且所述自定位可回收探空仪下降时，所述云台（8）和螺旋桨（9）用于控制所述自定位可回收探空仪的下降速度，使得其安全平稳下降；
所述控制模块（7）进行判断且控制所述上升模式和下降模式的变换；
在上升模式中，所述控制模块（7）根据所述GPS模块（2）提供的位置信息，通过所述云台（8）对所述螺旋桨（9）进行方位和动力调整，实现所述自定位可回收探空仪的上升；
在下降模式中，所述自定位可回收探空仪整体垂直翻转，所述控制模块（7）通过对所述螺旋桨（9）进行动力和方向调整，使得所述自定位可回收探空仪平稳下降以便回收。
2.根据权利要求1所述的一种自定位可回收探空仪，其特征在于，
上升模式中，启动所述温湿压探测模块（3）、风向风速反演模块（4）、无线通信模块（5）和存储模块（6），用于收集、存储及发送采集与演算出的信息。
3.根据权利要求1所述的一种自定位可回收探空仪，其特征在于，
下降模式中，所述自定位可回收探空仪整体垂直翻转，所述螺旋桨（9）朝上提供升力，且关闭所述温湿压探测模块（3）和所述风向风速反演模块（4）。
4.根据权利要求1所述的一种自定位可回收探空仪，其特征在于，
所述温湿压探测模块（3）收集温度、湿度和气压，收集的数据通过所述存储模块（6）进行存储，并通过所述无线通信模块（5）实时传输。
5.根据权利要求1所述的一种自定位可回收探空仪，其特征在于，
所述风向风速反演模块（4），通过收集的所述螺旋桨（9）的转速和功耗信息以及所述GPS模块（2）提供的定位信息，进行风向风速的数据反演，收集的数据通过所述存储模块（6）进行存储，并通过所述无线通信模块（5）实时传输。
6.根据权利要求1所述的一种自定位可回收探空仪，其特征在于，
所述无线通信模块（5）包括：无线电信号接收装置和无线电信号发射装置；
所述无线电信号接收装置用于实时接收气象站传递的指令信息；
所述无线电信号发射装置用于发送测量要素信息。
7.根据权利要求1所述的一种自定位可回收探空仪，其特征在于，
所述存储模块（6）用于存储测量要素信息并保存所述控制模块（7）的决策信息。
8.根据权利要求1所述的一种自定位可回收探空仪，其特征在于，
所述控制模块（7）包括：微型控制计算机和功率与螺旋桨转速测量装置；
所述微型控制计算机用于数据的运算与决策；
所述功率与螺旋桨转速测量装置用于对所述螺旋桨（9）的要素进行测量。
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