CN207580143U - 系留气球失控保护系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及系留气球失控保护系统，包括有：监测模块，包括定位器、高度传感器、压力传感器和定时器，用于实时监测系留气球的位置、高度和缆绳的张力，同时对系留气球的飞行时间进行计时，并将监测信号传输给控制模块；控制模块，包括控制器，用于接收和处理监测模块的监测信号并根据检测信号对执行模块发送指令；执行模块，包括电控阀，用于接收控制模块的指令，对系留气球进行放气。本实用新型能在绳索断裂后对失控的系留气球重新控制，以保证气球设备和地面人员的安全。

Description

系留气球失控保护系统

技术领域

本实用新型属于环境监测设备领域，尤其涉及一种系留气球失控保护系统。

背景技术

系留气球是使用缆绳将其拴在地面绞车上并可控制其在大气中飘浮高度的气球。升空高度2km以下，可以在空中特定范围内实现定高度、一段时间驻留观测。特别适用于用于大气污染监测和研究大气边界层等。系留气球作为大气污染监测和研究大气边界层等科学研究中的重要研究工具，研究人员通过其搭载科研仪器，检测大气环境中的风向、风速、气温、气压、太阳辐射强度、相对湿度等气象参数，以及二氧化硫，二氧化氮，臭氧，气溶胶，pm2.5，pm10等分子及粒子状污染物。这些关键的空中气象数据在气象预报，环境监测，城市规划等方面起着重要的参考、指导作用。

由于气象研究的，以及高空环境的特殊性，所以对系留气球的安全性有较高的要求。但是气象气球主要工作的对流层的大气环境并不稳定，往往伴随着大风、强降雨、冰、雪和雷电等恶劣气象环境变化。突然的大风、雨、雪和冰，容易使系留气球在空中颠簸，系留缆绳等损伤断裂，使气球陷入随风飘走的失控危险状态。

在空中乱飘的失控系留气球不但带着昂贵的科研仪器飞走，浪费了科研人员的珍贵科研数据。失控系留气球的还会成为一个危害程度非常高的影响因子，可能会对社会造成重大的影响。因为失控的系留气球不但体积较大，升空气体量足，仪器设备沉重，所以其不但能够影响天空上的民航的飞行器的安全，还有可能会飘落在繁忙的高速公路（造成重大的交通安全事故），飘落在高压输电线路上（造成大面积的停电事故），还可能飘落到某些敏感的安全单位里面（造成不必要的麻烦）。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种系留气球失控保护系统，其能在绳索断裂后对失控的系留气球重新控制，以保证气球设备和地面人员的安全。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种系留气球失控保护系统，包括有：

监测模块，包括定位器、高度传感器、压力传感器和定时器，用于实时监测系留气球的位置、高度和缆绳的张力，同时对系留气球的飞行时间进行计时，并将监测信号传输给控制模块；

控制模块，包括控制器，用于接收和处理监测模块的监测信号并根据检测信号对执行模块发送指令；

执行模块，包括电控阀，用于接收控制模块的指令，对系留气球进行放气。

进一步的，监测模块还包括有光学摄像头和超声波传感器，用于监测系留气球底盘和地面障碍物的距离并将监测信号和影像传输至控制模块；

执行模块还包括有缓冲气囊和锚，当超声波传感器检测到系留气球底盘和地面障碍物的距离小于设定值后，控制模块控制执行模块打开缓冲气囊和抛锚。

进一步的，控制器中设置有pid控制模块，放气量由pid控制模块进行高度实时监控，实时调节下降速度，使得下降速度稳定在一个定值。

进一步的，执行模块包括有声光告示器和降落灯。

进一步的，电控阀包括锂电池、继电器和电磁阀。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本专利针对系留气球在遭遇高空险情，缆绳断裂，气球失控的情况下，设计了一套系统的危机情况下的处理方案。其能够迅速自动完成情况判断，紧急降落，预测落点等一系列保护动作。它能有效及时地控制气球紧急降落，保护科研仪器（数据）以及地面人员安全，还能准确地预测气球落地点，从而高效地指导仪器的回收工作，避免盲目的搜索。

附图说明

图1是本实用新型的系留气球示意图；

图2是本实用新型的模块图。

图中，1、绞盘；11、缆绳；2、系留气球。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

一种系留气球失控保护系统，包括绞盘1，绞盘1通过缆绳11连接系留气球2，缆绳11长为2000m。系留气球上设置有监测模块、控制模块和执行模块。

监测模块包括：

GYGPSV5 M8N定位模块，用于监测系留气球的位置；

GY-BMP-280-3.3高度传感器，用于监测系留气球的飞行高度；

HX711AD压力传感器，用于监测缆绳张力；

GY-85 IMU角姿态传感器，用于监测系留气球是否产生波动；

定时器，用于对系留气球的飞行时间进行计时；

光学摄像头(包括前视摄像头和下视摄像头)和US-100超声波传感器，用于提供系留气球降落位置的影像资料并监测系留气球底盘和地面障碍物的距离；

控制模块包括：

PLC控制器，用于接收和处理监测模块的监测信号并根据检测信号对执行模块发送指令；

执行模块，包括锂电池、继电器和电磁阀，用于接收控制模块的指令，对系留气球进行放气；还包括起警示作用的声光告示器和降落灯。

工作原理说明：

1、起飞。起飞前装置自动通过GYGPSV5 M8N定位模块，利用全球卫星定位系统（gps）和北斗定位系统（bds）进行初始化定位，划定半径为2000m的安全电子围栏；高度传感器记录并设定当前点的高度为0m；在定时器中设置最长飞行时间。

2.触发。为保证飞行器的安全性，装置使用了多种方式联合触发的触发方式。可实现准确、灵敏的自\被动触发方式，包括：

位置触发，系留气球的位移超出以起飞点为中心的2000m电子安全围栏后，GYGPSV5 M8N 位置传感器将该信号传输至控制器；

高度触发，当高度传感器检测气球高度超出设定的最大任务高度后，将该信号传输至控制器；

断裂触发，当HX711AD压力传感器监测到缆绳的拉力异常后，将该信号传输至控制器；或者当GY-85 IMU角姿态传感器检测到系留气球发生急速倾斜，然后恢复水平状态这样一个较大的波动时，表明缆绳断裂，对控制器发送信号；

定时触发，当定时器的时间超过最大飞行时间后，将该信号传输至控制器。

控制器在接收到上述任一触发信号后，对继电器发出指令，从而开启电磁阀对系留气球进行放气。

3、降落。在控制器中设置有pid控制模块，其中放气量由pid控制模块进行高度实时监控，实时调节使下降率稳定在5m/s。在高度传感器检测到系留气球离地50m时，控制器打开声光告示器和降落灯。光学摄像头利用了图像识别技术，既可以判断障碍物类型，也可以判断距离，当距离地面15米时，前视摄像头判断前方是否有障碍物，如果有就进行紧急抛锚停车。下视摄像头判断降落的类型，水面上以及平整地面降落时，打开安全气囊，作为缓冲和漂浮保护；超声波在光照或者成像条件不好的情况下可以代替光学摄像头提供距离数据。

4.预测。通过定位接收器获得飞行器的位移信息，并且通知地面接应人员相关信息。

5.通信。由多种通信方式构成，涵盖直接/间接通讯，高频/低频的联合通信方式，保证连接的稳定性。让人员及时了解飞行器情况以及对飞艇的远程控制。

直接通讯模式：

1、高频传输。系留气球上和地面上个一对5.8GHz（高频）的无线数据通讯器，把系留气球数据传输回地面后进行解算，以数据表单的形式把飞艇状态呈现给地面人员。此频段用户率教少，干扰小。

2、低频传输。传输模块为72MHz（低频），原理如上，72MHz就是普通fm电台广播的频段，信号稳定。

间接通讯模式：

系留气球设置有sim 800c模块持续发报，地面上任何的电话信号基站接受到上述信号后通过网络传输给地面。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。上面对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种系留气球失控保护系统，其特征在于，包括有：

监测模块，包括定位器、高度传感器、压力传感器和定时器，用于实时监测系留气球的位置、高度和缆绳的张力，同时对系留气球的飞行时间进行计时，并将监测信号传输给控制模块；

控制模块，包括控制器，用于接收和处理监测模块的监测信号并根据检测信号对执行模块发送指令；

执行模块，包括电控阀，用于接收控制模块的指令，对系留气球进行放气。

2.根据权利要求1所述的一种系留气球失控保护系统，其特征在于，

监测模块还包括有光学摄像头和超声波传感器，用于监测系留气球底盘和地面障碍物的距离并将监测信号和影像传输至控制模块；

执行模块还包括有缓冲气囊和锚，当超声波传感器检测到系留气球底盘和地面障碍物的距离小于设定值后，控制模块控制执行模块打开缓冲气囊和抛锚。

3.根据权利要求1所述的一种系留气球失控保护系统，其特征在于，控制器中设置有pid控制模块，放气量由pid控制模块进行高度实时监控，实时调节下降速度，使得下降速度稳定在一个定值。

4.根据权利要求1所述的一种系留气球失控保护系统，其特征在于，执行模块包括有声光告示器和降落灯。

5.根据权利要求1所述的一种系留气球失控保护系统，其特征在于，电控阀包括锂电池、继电器和电磁阀。