CN110816803A - 小型氦气球双螺旋桨控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞行器控制领域，具体涉及一种小型氦气球双螺旋桨控制装置及方法。该装置通过双螺旋桨提供动力使浮力有限的小型氦气球实现飞行控制，两个螺旋桨安装在氦气球下方的固定轴的左右两侧，与固定轴具有不同的相对位置，上螺旋桨的朝向向下，且与水平方向成45度，下部螺旋桨的朝向向上，且与垂直方向成45度，通过分别控制两个螺旋桨进行正转反转实现推力方向的改变，分别控制两个螺旋桨的转速实现推力大小的变化，进而实现装置的上升下降、前进以及左转右转。适用于浮力及载重有限的小型氦气球，对于批量生产的情况，使用双螺旋桨可以减少载重、降低整体成本，进而可以安装额外的装置。

Description

小型氦气球双螺旋桨控制装置及方法

技术领域

本发明涉及飞行器控制领域，具体涉及一种小型氦气球双螺旋桨控制装置及方法。

背景技术

随着物联网技术的发展，社会生产生活中需要越来越多的小型飞行器完成越来越多样化的任务，但是如今的人为控制或自主控制的小型飞行器大多基于四轴旋翼无人机，耗电速度快且滞空时间短，无法长时间滞空完成观测与物联网感知任务。

氦气球自身具有浮力且比氢气球更安全，对于大型的氦气球的控制方式多样，但是对于未来应用在物联网中的大量小型氦气球，由于其浮力有限，总体上不能安装过多的设备，飞行控制装置越重，其他功能性装置或者电源就搭载的更少，越重的飞行控制装置意味着搭载更少的其他装置或者更少的滞空时间，使用简化且重量小的装置对氦气球进行有效的飞行控制是实现小型氦气球飞行器发展的重要问题。

发明内容

本发明的目的是针对氦气球浮力有限，不能搭载过多的装备的不足，提出了通过双螺旋桨对小型氦气球进行飞行控制，通过分别控制两个螺旋桨进行正转反转及转速实现推力方向及大小的变化，进而实现装置的上升下降、前进以及左转右转，实现了使用双螺旋桨对小型氦气球进行飞行控制的装置及方法。

本发明具体采用如下技术方案：

小型氦气球双螺旋桨控制装置，安装于氦气球的下部，包括上螺旋桨、固定轴、下螺旋桨和飞行控制部，所述飞行控制部包括两个螺旋桨电机、控制器、通信模块和电源模块，控制器通过通信模块接收外部设备的控制命令对两个螺旋桨电机进行控制，两个螺旋桨电机分别给上螺旋桨和下螺旋桨提供动力，电源模块为整个装置供电。

优选地，上螺旋桨的朝向向下，且与水平方向成45度，下部螺旋桨的朝向向上，且与垂直方向成45度。

优选地，控制器能够控制上螺旋桨和下螺旋桨进行正转或反转，实现推力方向的改变，上螺旋桨和下螺旋桨正转时推力朝向固定轴所在方向，反转时远离固定轴所在方向。

小型氦气球双螺旋桨控制方法，采用如上所述的小型氦气球双螺旋桨控制装置，选择氦气球使氦气球浮力与自身重量以及飞行控制部的重量抵消，外部设备发送控制命令到通信模块，控制器通过通信模块获得控制命令对两个螺旋桨电机的旋转方向和转速大小进行控制，控制实现上升、下降、前进、左转和右转；

上升的实现过程为，当上螺旋桨反转，推力方向远离固定轴，产生垂直向上方向和水平向后方向的分力，下螺旋桨正转，推力方向朝向固定轴，产生垂直向上方向和水平前进方向的分力，当上下螺旋桨产生的推力相同时，两个螺旋桨电机在水平方向的推力的分力相互抵消，在垂直向上方向产生合力，实现装置的上升；

下降的实现过程为，当上螺旋桨正转，下螺旋桨反转且两个螺旋桨产生的推力相同时，上螺旋桨在垂直向下方向和水平前进方向产生分力，下螺旋桨在垂直向下方向和水平向后方向产生分力，水平方向两个螺旋桨的分力相互抵消，在垂直向下方向形成合力，实现装置的下降；

前进的实现过程为，当上螺旋桨与下螺旋桨都正转时，上螺旋桨在垂直向下方向和水平前进方向产生分力，下螺旋桨在垂直向上和水平前进方向产生分力，两个螺旋桨在垂直方式产生的分力相互抵消，在水平前进方向产生合力实现装置的前进；

右转的实现过程为，当上螺旋桨与下螺旋桨都正转且推力不同时，当上螺旋桨的推力大于下螺旋桨推力时，上螺旋桨在水平前进方向的分力大于下螺旋桨在水平前进方向的分力，左侧的推进速度大于右侧推进速度，装置实现右转，同时由于上螺旋桨的推力大于下螺旋桨的推力，上螺旋桨在垂直方向的分力大于下螺旋桨在垂直方向的分力，合力向下，装置在右转的同时向下运动；

左转的实现过程为，当上螺旋桨与下螺旋桨都正转且推力不同时，当下螺旋桨的推力大于上螺旋桨推力时，下螺旋桨在水平前进方向的分力大于上螺旋桨在水平前进方向的分力，右侧的推进速度大于左侧的推进速度，装置实现左转，同时由于下螺旋桨的推力大于上螺旋桨的推力，下螺旋桨在垂直方向的分力大于上螺旋桨在垂直方向的分力，合力方向向上，装置在左转的同时向上运动。

本发明具有如下有益效果：

仅使用两个螺旋桨电机实现小型氦气球的飞行控制，相比使用三个或者更多螺旋桨电机的方案能够减少小型氦气球的负载，而且使用两个螺旋桨电机空余的负载可以配置更多的电源模块，使用更多的电源供给更少的螺旋桨电机，可以实现更长的滞空时间。使用更少的螺旋桨电机实现飞行控制对于大量部署的小型氦气球飞行器，有效的降低了成本。

附图说明

图1为小型氦气球双螺旋桨控制装置固定轴与两个螺旋桨的三维示意图；

图2为小型氦气球双螺旋桨控制装置与小型氦气球配合的整体结构示意图；

图3为小型氦气球双螺旋桨控制装置俯视图；

图4为小型氦气球双螺旋桨控制装置侧视图；

图1至图4中，1为上螺旋桨，2为固定轴，3为下螺旋桨，。

图5为小型氦气球双螺旋桨控制装置的上升过程受力示意图；

图6为小型氦气球双螺旋桨控制装置的右转过程受力示意图；

图7为小型氦气球双螺旋桨控制装置的左转过程受力示意图；

图8为小型氦气球双螺旋桨控制装置的组成模块连接示意图。

其中，1为上螺旋桨，2为固定轴，3为下螺旋桨，4为上螺旋桨推力方向，5为侧视固定轴位置，6为下螺旋桨推力方向，7为两个螺旋桨合力方向，8为控制器及其他模块安装位置，9为控制器，10为电源模块，11为通信模块，12为氦气球，13为飞行控制部。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图1-图4所示，小型氦气球双螺旋桨控制装置，安装于氦气球12的下部，氦气球12选用铝膜气球可以实现更长的滞空时间，氦气球的尺寸不小于18寸，充入氦气后的氦气球的浮力能够抵消自身重量和飞行控制装置的重量。

该装置包括上螺旋桨1、固定轴2、下螺旋桨3和飞行控制部13，所述飞行控制部包括两个螺旋桨电机、控制器、通信模块和电源模块，控制器通过通信模块接收外部设备的控制命令对两个螺旋桨电机进行控制，两个螺旋桨电机分别给上螺旋桨和下螺旋桨提供动力，电源模块为整个装置供电。该装置的安装框架能够稳定的挂载在氦气球下方，框架使用碳纤维等具有较高强度不易弯折且重量轻的材料，螺旋桨所选尺寸要保证旋转时不会触碰到其他装置以及氦气球，驱动螺旋桨的电机使用空心杯电机等重量轻、体积小且转速高的电机，控制器可以使用但不限于STM32系列芯片、8051系列芯片以及树莓派等，控制器可以通过MOS管或其他方式改变螺旋桨电机的转速与旋转方向，通信模块可以使用但不限于蓝牙、WiFi等，通信模块直接连接控制器，可以使用其他控制设备向控制器发送命令实现飞行控制，电源模块可以使用但不限于锂电池，电源模块为整个装置供电，参照图2所示，控制器、通信模块与电源模块安装在控制器及其他模块安装位置8的位置，固定轴2连接氦气球12、控制器9、上螺旋桨1以及下螺旋桨3。

参照图8所示，双螺旋桨电机、通信模块11、电源模块10直接与控制器9相连，可以但不限于使用连线等方式，电源模块10为控制器、通信模块以及两个螺旋桨电机供电，通信模块接收外部控制命令发送给控制器，控制器根据命令改变两个螺旋桨电机的推力方向及转速大小。

上螺旋桨的朝向向下，且与水平方向成45度，下部螺旋桨的朝向向上，且与垂直方向成45度，控制器能够控制上螺旋桨和下螺旋桨进行正转或反转，实现推力方向的改变，上螺旋桨和下螺旋桨正转时推力朝向固定轴所在方向，反转时远离固定轴所在方向。

小型氦气球双螺旋桨控制方法，采用如上所述的小型氦气球双螺旋桨控制装置，选择氦气球使氦气球浮力与自身重量以及飞行控制部的重量抵消，外部设备发送控制命令到通信模块，控制器通过通信模块获得控制命令对两个螺旋桨电机的旋转方向和转速大小进行控制，控制实现上升、下降、前进、左转和右转。

上升下降：参照图1所示，上部螺旋桨安装位置与水平前进方向为45度夹角，产生推力时会在水平方向和垂直方向产生相同大小的分力，下部螺旋桨安装位置与垂直方向为45度夹角，下部螺旋桨产生推力时会在水平方向和垂直方向产生相同大小的分力，当下部螺旋桨正转，推力朝向框架固定轴位置时，会产生一个垂直向上和水平前进的分力，当上部螺旋桨反转时，推力朝向远离框架固定轴位置，产生一个水平向后的分力和一个垂直向上的分力。

参照图5所示，当上部螺旋桨反转时，推力方向为4，下部螺旋桨正转，其推力方向为6，而且两个螺旋桨的转速相同时，推力在水平方向产生的分力相互抵消，两个螺旋桨在垂直方向产生的合力7现装置的上升；同理，当下螺旋桨反转，上螺旋桨正转且推力相同时，上部螺旋桨产生的水平前进方向的分力与下螺旋桨产生的水平向后的分力抵消，上螺旋桨和下螺旋桨在垂直向下方向分力形成合力实现装置的下降。

前进：当上螺旋桨与下螺旋桨都正转时，上螺旋桨的推力会在垂直向下和水平前进方向产生分力，下螺旋桨的推力会在垂直向上与水平前进方向产生分力，当两个螺旋桨推力相同时，在垂直方向的两个分力抵消，在水平前进方向的两个分力形成合力实现水平前进。

左转右转：当上螺旋桨与下螺旋桨都正转且推力不同时，即可实现飞行装置的左转与右转，参照图6所示，在俯视方向，当上螺旋桨推力1大于下部螺旋桨推力3时，左侧推进速度大于右侧推进速度，飞行装置实现右转，参照图7所示，在俯视方向，当下螺旋桨推力3大于上螺旋桨推力1时，飞行装置实现左转，同时由于两个螺旋桨推力不相同，在垂直方向产生的分力大小不同，当右转时会产生向下合力，所以飞行装置会在向右转的同时下降，当向左转时会产生向上的合力，所以飞行装置会在向左转的同时上升。

上升的实现过程为，当上螺旋桨反转，推力方向远离固定轴，产生垂直向上方向和水平向后方向的分力，下螺旋桨正转，推力方向朝向固定轴，产生垂直向上方向和水平前进方向的分力，当上下螺旋桨产生的推力相同时，两个螺旋桨电机在水平方向的推力的分力相互抵消，在垂直向上方向产生合力，实现装置的上升。

下降的实现过程为，当上螺旋桨正转，下螺旋桨反转且两个螺旋桨产生的推力相同时，上螺旋桨在垂直向下方向和水平前进方向产生分力，下螺旋桨在垂直向下方向和水平向后方向产生分力，水平方向两个螺旋桨的分力相互抵消，在垂直向下方向形成合力，实现装置的下降。

前进的实现过程为，当上螺旋桨与下螺旋桨都正转时，上螺旋桨在垂直向下方向和水平前进方向产生分力，下螺旋桨在垂直向上和水平前进方向产生分力，两个螺旋桨在垂直方式产生的分力相互抵消，在水平前进方向产生合力实现装置的前进。

右转的实现过程为，当上螺旋桨与下螺旋桨都正转且推力不同时，当上螺旋桨的推力大于下螺旋桨推力时，上螺旋桨在水平前进方向的分力大于下螺旋桨在水平前进方向的分力，左侧的推进速度大于右侧推进速度，装置实现右转，同时由于上螺旋桨的推力大于下螺旋桨的推力，上螺旋桨在垂直方向的分力大于下螺旋桨在垂直方向的分力，合力向下，装置在右转的同时向下运动。

左转的实现过程为，当上螺旋桨与下螺旋桨都正转且推力不同时，当下螺旋桨的推力大于上螺旋桨推力时，下螺旋桨在水平前进方向的分力大于上螺旋桨在水平前进方向的分力，右侧的推进速度大于左侧的推进速度，装置实现左转，同时由于下螺旋桨的推力大于上螺旋桨的推力，下螺旋桨在垂直方向的分力大于上螺旋桨在垂直方向的分力，合力方向向上，装置在左转的同时向上运动。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.小型氦气球双螺旋桨控制装置，安装于氦气球的下部，其特征在于，包括上螺旋桨、固定轴、下螺旋桨和飞行控制部，所述飞行控制部包括两个螺旋桨电机、控制器、通信模块和电源模块，控制器通过通信模块接收外部设备的控制命令对两个螺旋桨电机进行控制，两个螺旋桨电机分别给上螺旋桨和下螺旋桨提供动力，电源模块为整个装置供电。

2.如权利要求1所述的小型氦气球双螺旋桨控制装置，其特征在于，上螺旋桨的朝向向下，且与水平方向成45度，下部螺旋桨的朝向向上，且与垂直方向成45度。

3.如权利要求1所述的小型氦气球双螺旋桨控制装置，其特征在于，控制器能够控制上螺旋桨和下螺旋桨进行正转或反转，实现推力方向的改变，上螺旋桨和下螺旋桨正转时推力朝向固定轴所在方向，反转时远离固定轴所在方向。

4.小型氦气球双螺旋桨控制方法，采用如权利要求1-3任一所述的小型氦气球双螺旋桨控制装置，其特征在于，选择氦气球使氦气球浮力与自身重量以及飞行控制部的重量抵消，外部设备发送控制命令到通信模块，控制器通过通信模块获得控制命令对两个螺旋桨电机的旋转方向和转速大小进行控制，控制实现上升、下降、前进、左转和右转；

上升的实现过程为，当上螺旋桨反转，推力方向远离固定轴，产生垂直向上方向和水平向后方向的分力，下螺旋桨正转，推力方向朝向固定轴，产生垂直向上方向和水平前进方向的分力，当上下螺旋桨产生的推力相同时，两个螺旋桨电机在水平方向的推力的分力相互抵消，在垂直向上方向产生合力，实现装置的上升；

下降的实现过程为，当上螺旋桨正转，下螺旋桨反转且两个螺旋桨产生的推力相同时，上螺旋桨在垂直向下方向和水平前进方向产生分力，下螺旋桨在垂直向下方向和水平向后方向产生分力，水平方向两个螺旋桨的分力相互抵消，在垂直向下方向形成合力，实现装置的下降；

前进的实现过程为，当上螺旋桨与下螺旋桨都正转时，上螺旋桨在垂直向下方向和水平前进方向产生分力，下螺旋桨在垂直向上和水平前进方向产生分力，两个螺旋桨在垂直方式产生的分力相互抵消，在水平前进方向产生合力实现装置的前进；

右转的实现过程为，当上螺旋桨与下螺旋桨都正转且推力不同时，当上螺旋桨的推力大于下螺旋桨推力时，上螺旋桨在水平前进方向的分力大于下螺旋桨在水平前进方向的分力，左侧的推进速度大于右侧推进速度，装置实现右转，同时由于上螺旋桨的推力大于下螺旋桨的推力，上螺旋桨在垂直方向的分力大于下螺旋桨在垂直方向的分力，合力向下，装置在右转的同时向下运动；

左转的实现过程为，当上螺旋桨与下螺旋桨都正转且推力不同时，当下螺旋桨的推力大于上螺旋桨推力时，下螺旋桨在水平前进方向的分力大于上螺旋桨在水平前进方向的分力，右侧的推进速度大于左侧的推进速度，装置实现左转，同时由于下螺旋桨的推力大于上螺旋桨的推力，下螺旋桨在垂直方向的分力大于上螺旋桨在垂直方向的分力，合力方向向上，装置在左转的同时向上运动。

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