CN112706911A - 一种多功能便携式浮空器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的属于微型浮空器技术领域，具体为一种多功能便携式浮空器，其包括微型浮空器、快速充放气装置、快速收放装置、G‑HUB、自组网自组网通信中继设备、光电吊舱设备、地面手持控制平台和背部背囊；该微型浮空器无需考虑地面供电问题，减少空中无用设备质量，提高空中有效载荷；微型浮空器可不考虑动力及机械磨损、故障率等问题，达到长时间有效留空；对设备操作人员要求简单，同时可回避因人为差错导致的无人机失控坠毁事故发生现象；降低使用风险，不会出现如无人机因飞控故障等意外情况导致失控坠毁以及坠机伤人飞行事故；降低采购成本以及后期大量使用维护成本；可在更多复杂环境下开展正常作业，防止因环境恶劣导致坠机事故发生。

Description

一种多功能便携式浮空器
技术领域
本发明涉及微型浮空器技术领域，具体为一种多功能便携式浮空器。
背景技术
目前在低空范围内（≤300米）的通信中继、空中侦察、周界预警，目前主要采用各类多旋翼无人机等飞行器来实施作业，其中无人机分为三类：1.多旋翼无人机，通常多旋翼无人机均为电力驱动，且飞行所需升力均由若干无刷直流电机与桨叶快速旋转提供，由于电池能量密度较低，导致无人机在挂载一定载荷后，无刷直流电机及桨叶需增加功率使整机提供升力大于无人机整机重量，在飞行过程中，电池电压将快读下降，单机航时将受到极大影响，若放电电压低于临界值（以6S电池为例，最低电压临界值≮22.2V），将可能整机断电，发生坠机事故，因此导致无人机在多载荷状态下留空作业时间短。2.固定翼无人机，固定翼无人机一般采用电池驱动，由于飞行气动特性，固定翼无人机飞行升力由机翼机身等整体气动布局产生，与多旋翼无人机相比较，对无刷直流电机要求较低，但仍需无刷直流电动机功率满足固定翼无人机飞行使用。但是固定翼无人机由于其主要升力由机翼升力系数决定，且在飞行过程中由机翼上下表面空气流速差产生（根据伯努利原理在机翼上下表面产生空气压差），因此固定翼无人机需要维持一定的飞行速度，才可以保持升力。因此，固定翼无人机无法在需作业目标升空进行悬停。同时，当任务载荷重量较大，导致整机重量超过无人机最大起飞重量时，则需要更换更大翼展、大机翼面积或升力系数更大翼型的无人机执行任务，这就决定了固定翼无人机在执行综合性任务时，对固定翼无人机性能要求较为苛刻。3.系留无人机，通常的系留无人机主要采用地面复合凯夫拉牵引缆为无人机进行供电，将地面220VAC或330VAC交流电通过整流等技术手段，使用复合凯夫拉牵引缆内的电缆将电力输送至无人机上，通过AC-DC模块，完成降电压升电流一整套作业，使无人机可不携带电池，通过地面供电持续向无人机输送电能，使系留式无人机理论上可达到7×24小时不间断空中悬停能力。然而在使用过程中，其主要特点对地面供电依赖较大，需要大量电能持续输出至无人机上，其次理论可达到的7×24小时作业时间，当遭遇雨雪大风天气，无人机不具备恶劣环境飞行作业能力。其次电机寿命以及长时间大负载飞行环境下，无刷直流电机进入高功率转速工况下，可靠性将急速下降，极易发生因长时间恶劣环境工况下的飞行事故。
目前微型浮空器在国内外主要应用在科研以及军事用途，主要用于通信中继、战略侦查、战略监听任务，存在以下几点问题：1.造价十分高昂，2.实际维护成本不可估计，3.操作使用难度较大，4.无法适应基层单兵或分队级使，因此需要研发一种多功能便携式浮空器。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种多功能便携式浮空器，其包括微型浮空器、快速充放气装置、快速收放装置、G-HUB、自组网自组网通信中继设备、光电吊舱设备、地面手持控制平台和背部背囊；
所述微型浮空器的直径为2米；
所述快速充放气装置采用串口开关、充气电磁阀、减压阀、压力传感器、小型碳纤维轻量化氮气瓶、真空泵、泄压阀组成；
所述快速收放装置根据所述微型浮空器的囊体体积及有效浮力作为参考，具备串口控制能力，具备3.34米/秒的匀速收放速度；
所述自组网自组网通信中继设备基于Ad-Hoc网络模式，构成动态拓扑的无中心多跳中继的无线局域网络，为用户提供一个IP透传的网络通路；
所述G-HUB与光电吊舱设备进行连接，实现图像的实时传输与网络内分发处理，所述光电吊舱通过自组所述自组网自组网通信中继设备进行远程控制，帮助各个节点获取现场信息；
所述地面手持控制平台为战术背心式设计，胸前装配有可收纳于胸前的三防平板，安装有整体系统的控制软件；
所述背部背囊设置有所述微型浮空器、所述小型碳纤维轻量化氮气瓶、收放装置，所述背部背囊两侧有两组所述小型碳纤维轻量化氮气瓶、所述背部背囊设置下部设置有所述收放装置和地面电源系统，所述背部背囊设置顶端设置囊体；
作为本发明所述的一种多功能便携式浮空器的一种优选方案，其中：所述微型浮空器由软质囊体组成，囊体设计有充气单向阀及泄压阀，下端固定有载荷连接器，所述装置载荷连接器的接口主要由上行/下行控制指令UART/RJ45以及下行图像数据HDMI/SDI组成。
作为本发明所述的一种多功能便携式浮空器的一种优选方案，其中：所述地面手持控制平台集成所述微型浮空器参数界面和图像显示界面，地面任务计算机，自组网地面端，所述载荷控制器，周界预警自动化平台。
作为本发明所述的一种多功能便携式浮空器的一种优选方案，其中：所述地面手持控制平台的外部接口包含电源接口、天线SMA接口以及AP分发天线，内部采用RS232及RJ45接口。
作为本发明所述的一种多功能便携式浮空器的一种优选方案，其中：所述微型浮空器还具有氦气自补模块，所述氦气自补模块由高压氦气瓶、安全阀、减压阀、放气、旋拧开关、充气接口和放气接口组成。
作为本发明所述的一种多功能便携式浮空器的一种优选方案，其中：所述快速收放装置由绞盘控制器、绞盘电机和复合线缆组成，其中所述绞盘控制器电性连任务所述地面手持控制平台，所述复合线缆连接所述微型浮空器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、相对无人机，微型浮空器无需考虑地面供电问题，减少空中无用设备质量，提高空中有效载荷；
2、相对无人机，微型浮空器可不考虑动力及机械磨损、故障率等问题，达到长时间有效留空；
3、相对无人机，对设备操作人员要求简单，同时可回避因人为差错导致的无人机失控坠毁事故发生现象；
4、相对无人机，降低使用风险，不会出现如无人机因飞控故障等意外情况导致失控坠毁以及坠机伤人飞行事故；
5、相对无人机，降低采购成本以及后期大量使用维护成本；
6、相对无人机，微型浮空器可在更多复杂环境下开展正常作业，防止因环境恶劣导致坠机事故发生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明微型浮空器硬件结构示意图；
图2为本发明微型浮空器接口结构示意图；
图3为本发明地面手持控制平台硬件结构示意图；
图4为本发明地面手持控制平台接口结构示意图；
图5为本发明氦气自补模块结构示意图；
图6为本发明快速收放装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明提供如下技术方案：一种多功能便携式浮空器，在使用过程中，
请参阅图1至图6，包括微型浮空器、快速充放气装置、快速收放装置、G-HUB、自组网自组网通信中继设备、光电吊舱设备、地面手持控制平台和背部背囊；
所述微型浮空器的一般采用直径2米的微型浮空器，整体充气时间小于30秒，理论具备约3140g的载荷，根据可靠性分析，设计指标为2500g载荷，按使用高度200米计算，牵引凯夫拉线缆重量约700g，剩余载荷为1800g，可实现500g云台与200g自组网自组网通信中继设备以及机载电池的挂载安装。任务载荷可以由回收微型浮空器、更换电池、完全展开微型浮空器时间≯1min；
所述快速充放气装置采用串口开关、充气电磁阀、减压阀、压力传感器、小型碳纤维轻量化氮气瓶、真空泵、泄压阀组成；氮气瓶与微型浮空器用软管及保险单向密封连接件连接，当给串口开关下达充气指令后，充气电磁阀打开，氮气瓶内高压氮气通过减压阀向微型浮空器快速充气，当充气到达压力传感器设定阈值后，自动断开充气电磁阀开关，若充气过多，超出压力传感器阈值，则泄压阀自动泄压，防止微型浮空器囊体破裂。当需要回收微型浮空器时，可通过串口开关打开真空泵，可在回收地面后，将微型浮空器囊体内的氦气快速抽出。充放气时间≯1min（设定微型浮空器直径为2米）；
所述快速收放装置根据所述微型浮空器的囊体体积及有效浮力作为参考，完成小型化设计，并具备串口控制能力，具备3.34米/秒的匀速收放速度，同时当遇到严重事态及特情冲突状态下，具备充气完成后，自由升空与阻尼预收紧能力，防止线缆冲击过大断裂现象。在回收过程，可实现微型浮空器囊体紧急放气同步收放装置具备5米/秒的紧急回收速度；
所述自组网自组网通信中继设备基于Ad-Hoc网络模式，构成动态拓扑的无中心多跳中继的无线局域网络，为用户提供一个IP透传的网络通路；
所述G-HUB与光电吊舱设备进行连接，实现图像的实时传输与网络内分发处理，所述光电吊舱通过自组所述自组网自组网通信中继设备进行远程控制，帮助各个节点获取现场信息；
所述地面手持控制平台为战术背心式设计，胸前装配有可收纳于胸前的三防平板，安装有整体系统的控制软件；可实现微型浮空器充放气、收放装置工作与应急处理、自组网通信状态监控、当前微型浮空器定位、图像显示、数据分发共享、G-HUB管理、其他设备开关控制、以及相关软件定制开发界面功能；
所述背部背囊设置有所述微型浮空器、所述小型碳纤维轻量化氮气瓶、收放装置（含凯夫拉牵引线），所述背部背囊两侧有两组所述小型碳纤维轻量化氮气瓶、所述背部背囊设置下部设置有所述收放装置和地面电源系统，所述背部背囊设置顶端设置囊体；当充气时，解开背囊顶部卡扣，打开背囊顶部，微型浮空器可由背囊内部向外自动展开；
请再次参阅图1和图2；所述微型浮空器由软质囊体组成，囊体设计有充气单向阀及泄压阀，下端固定有载荷连接器，所述装置载荷连接器的接口主要由上行/下行控制指令UART/RJ45以及下行图像数据HDMI/SDI组成；
请再次参阅图3；所述地面手持控制平台集成所述微型浮空器参数界面和图像显示界面，地面任务计算机，自组网地面端，所述载荷控制器，周界预警自动化平台；
请再次参阅图4；所述地面手持控制平台的外部接口包含电源接口、天线SMA接口以及AP分发天线，内部采用RS232及RJ45接口；
请再次参阅图5；所述微型浮空器还具有氦气自补模块，所述氦气自补模块由高压氦气瓶、安全阀、减压阀、放气、旋拧开关、充气接口和放气接口组成；
请再次参阅图6；所述快速收放装置由绞盘控制器、绞盘电机和复合线缆组成，其中所述绞盘控制器电性连任务所述地面手持控制平台，所述复合线缆连接所述微型浮空器。
虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (6)

1.一种多功能便携式浮空器，其特征在于：包括微型浮空器、快速充放气装置、快速收放装置、G-HUB、自组网自组网通信中继设备、光电吊舱设备、地面手持控制平台和背部背囊；
所述微型浮空器的直径为2米；
所述快速充放气装置采用串口开关、充气电磁阀、减压阀、压力传感器、小型碳纤维轻量化氮气瓶、真空泵、泄压阀组成；
所述快速收放装置根据所述微型浮空器的囊体体积及有效浮力作为参考，具备串口控制能力，具备3.34米/秒的匀速收放速度；
所述自组网自组网通信中继设备基于Ad-Hoc网络模式，构成动态拓扑的无中心多跳中继的无线局域网络，为用户提供一个IP透传的网络通路；
所述G-HUB与光电吊舱设备进行连接，实现图像的实时传输与网络内分发处理，所述光电吊舱通过自组所述自组网自组网通信中继设备进行远程控制，帮助各个节点获取现场信息；
所述地面手持控制平台为战术背心式设计，胸前装配有可收纳于胸前的三防平板，安装有整体系统的控制软件；
所述背部背囊设置有所述微型浮空器、所述小型碳纤维轻量化氮气瓶、收放装置，所述背部背囊两侧有两组所述小型碳纤维轻量化氮气瓶、所述背部背囊设置下部设置有所述收放装置和地面电源系统，所述背部背囊设置顶端设置囊体。
2.根据权利要求1所述的一种多功能便携式浮空器，其特征在于：所述微型浮空器由软质囊体组成，囊体设计有充气单向阀及泄压阀，下端固定有载荷连接器，所述装置载荷连接器的接口主要由上行/下行控制指令UART/RJ45以及下行图像数据HDMI/SDI组成。
3.根据权利要求1所述的一种多功能便携式浮空器，其特征在于：所述地面手持控制平台集成所述微型浮空器参数界面和图像显示界面，地面任务计算机，自组网地面端，所述载荷控制器，周界预警自动化平台。
4.根据权利要求1所述的一种多功能便携式浮空器，其特征在于：所述地面手持控制平台的外部接口包含电源接口、天线SMA接口以及AP分发天线，内部采用RS232及RJ45接口。
5.根据权利要求1所述的一种多功能便携式浮空器，其特征在于：所述微型浮空器还具有氦气自补模块，所述氦气自补模块由高压氦气瓶、安全阀、减压阀、放气、旋拧开关、充气接口和放气接口组成。
6.根据权利要求1所述的一种多功能便携式浮空器，其特征在于：所述快速收放装置由绞盘控制器、绞盘电机和复合线缆组成，其中所述绞盘控制器电性连任务所述地面手持控制平台，所述复合线缆连接所述微型浮空器。
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