一种氦气球无人机的设计

陈毅豪 冷俊男

(西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

0 引言

目前，人们大多用无人机进行森林防火监测，农田信息采集。这些无人机自身重量较重，耗电快，成本高，无法长时间连续工作，在农林方面的信息监测上具有一定的局限性。为此，本文提出了一种氦气球无人机，旨在提高工作时间，降低成本，替代一些农业、林业无人机，搭载多种传感器进行长时间空中监测。

1 氦气球无人机的结构

氦气球无人机的主视图如图1所示，左视图如图2所示，一种氦气球无人机，由氦气球及设置在氦气球下部中央的起落架2个部分组成。

图1 氦气球无人机主视图

图2 氦气球无人机左视图

1.1 氦气球起落架

起落架上设置有检测云台、飞行控制器和电池。检测云台包括摄像机、温度检测装置和湿度检测装置，这些检测装置主要对相应的信息进行采集。飞行控制器包括主控制器及与所述主控制器连接的高度检测传感器，用于控制无人机的飞行。起落架采用碳管加工而成。

1.2 氦气球

氦气球包括氦气球本体，氦气球本体上设置有若干上下向的通孔，且各通孔内均设置有无刷电机和桨叶的组合件，氦气球本体的上表后部设置有尾翼气囊、左右部分别设置有侧翼气囊，氦气球本体的下表设置有4个起落气囊，氦气球本体与各气囊之间分别设置有气阀；气阀、无刷电机、检测云台与飞行控制器连接。氦气球是左右对称结构，氦气球本体是扁圆状结构梭形结构或碟形结构。无刷电机和桨叶的组合件通过龙骨碳管与氦气球本体连接，桨叶设置在无刷电机的输出端。龙骨碳管还通过连接件与起落架连接，通孔有4个。

2 氦气球无人机的工作过程

氦气球无人机结构图如图3所示，工作时，首先要完成起飞准备，即各气囊处于收缩状态，内无氦气，相应的各气阀处于截流状态；氦气球本体内氦气体积充至提供浮力为无人机总重力的87%左右(氦气提供的浮力按1.44kg/m3计算)。

起飞时，飞行控制器控制各个无刷电机带动相应桨叶旋转，提供剩余所需的为无人机总重力13%左右的浮力，无人机完成起飞。

当无人机到达一定高度时，氦气球本体外部的大气压降低，外界大气压降低，氦气球本体内气压为使内外气压平衡，会将氦气球本体撑大，并给球体壁一定的压力。当飞行控制器的高度检测传感器测量到无人机到达设定的某一海拔高度时，飞行控制器启动高空模式，即将各气阀开启，氦气球本体内的气体沿各气阀进入各气囊，使得氦气球体积扩大，浮力进一步增大，可以进一步减小电机转速，减小电量消耗，保障无人机的滞空时间和在高空飞行的安全性。

当高度检测传感器检测到无人机到达指定高度时，飞行控制器控制各无刷电机停止转动，使无人机保持滞空状态，检测云台开始工作，开始收集该地域的图像、温度、湿度等信息。在信息收集完毕后，飞行控制器控制各无刷电机转动，无人机按原路径返航。

当飞行控制器收到检测云台发送的信息收集完毕信号区，也即转变方向信号时，飞行控制器控制各无刷电机的转速、转向存在差异，使无人机的质心出现力矩，无人机方向改变。

图3 氦气球结构

3 总结

本文设计一种氦气球无人机，通过氦气球平衡无人机的重量，延长了无人机的滞空时间；增加导通气囊，在高空外界气压减小的情况下可以增大体积，保持内外气压平衡，增加浮力，进一步减小电机转速，延长滞空时间，同时可以提高无人机的飞行高度。可以实现较长时间、较高飞行高度的滞空，替代一些农业、林业无人机，搭载多种传感器进行长时间空中监测，也可以替代一些高空气球、高空气象气球进行可重复长时间飞行。