一种新型氦气球无人机的设计研究黄俊华田壮摘要：随着无人机技术的快速发展，当前无人机已经广泛应用于监控、测绘、喷洒等各个方面，但一般的旋翼无人机的续航能力较差，针对该问题，本文研究设计了一种新型氦气球无人机，阐述了该无人机的结构特点与工作过程，具体分析了氦气球无人机的垂直起飞模式、水平飞行模式和前进中上升模式，为无人机的创新使用提供了新思路。关键词：氦气球;无人机;滞空飞行DOI：10.16640/jki.37-1222/t.2019.21.0970引言当前，我国社会经济水平快速提升，科学技术不断创新发展，无人机的技术水平得到了有效提升，并广泛应用于不同行业和领域中，采用无人机进行空中监控、测绘已经较为普及，但无人机飞行时间较短，以大疆无人机为例，“悟”系列的无人机飞行时间只有十至二十分钟，无法满足长时间监控、测绘的工作需要。因此，本文研究设计了一种新型氦气球无人机，用氦气球平衡无人机的重力，延长了无人机的滞空时间，以期解决现有无人机滞空时间短的问题。1氦气球无人机结构设计本文设计的氦气球无人机由无人机和氦气球两部分组成，氦气球设置在无人机的框架顶部，框架上设置有三组螺旋桨组件，三组螺旋桨组件的质心连线构成等边三角形，分布在等边三角形两底角处的第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件呈镜面对称设置，第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件分别通过对应的电机角度控制舵机设置在框架尾部，位于等边三角形顶角处的第一组螺旋桨组件的转轴垂直于框架顶平面。无人机的控制器和飞行控制传感器通过控制器固定架设置在框架上。无人机的数据收集传感器通过数据收集传感器固定架设置在框架上。氦气球呈三棱柱结构或三棱台结构，氦气球的中央设置有由底面向顶面延伸的通孔，其尾部侧面上对称地设置有两个半圆柱形凹槽。氦气球的结构设计图如图1所示。2工作过程该新型氦气球无人机的工作过程主要分为三部分。步骤一：无人机起飞并运动到达预定空域的预定高度，包括垂直起飞模式、水平飞行模式和前进中上升模式。垂直起飞模式：给控制器、各组螺旋桨组件的无刷电机、飞行控制传感器、数据收集传感器通电;经飞行控制传感器检测无人机状态，在保证无人机处于水平状态、第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的无刷电机的转轴与第一组螺旋桨组件无刷电机的转轴平行且与地面垂直时，第一组螺旋桨组件的无刷电机、第三组螺旋桨组件的无刷电机逆时针旋转，第二组螺旋桨组件的无刷电机顺时针旋转，分别带动相应螺旋桨转动，为无人机提供竖直方向的升力，无人机垂直起飞。水平飞行模式：当飞行控制传感器检测无人机到达预定高度但没到预定空域时，控制器根据飞行控制傳感器的信号下达位置移动命令，电机角度控制舵机转动，使第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的无刷电机转轴转动至与第一组螺旋桨组件无刷电机的转轴垂直且与地面平行;第一组螺旋桨组件的无刷电机、第三组螺旋桨组件的无刷电机逆时针旋转，第二组螺旋桨组件的无刷电机顺时针旋转，分别带动相应螺旋桨转动，为无人机提供水平方向的动力，无人机水平飞行直到预定空域。前进中上升模式：当飞行控制传感器同时检测到高度上升和水平前进信号时，控制器根据飞行控制传感器的信号下达位置移动命令，电机角度控制舵机转动，使第二组螺旋桨组件和第三组螺旋桨组件的无刷电机转轴转动至与地面存在夹角，第一组螺旋桨组件的无刷电机、第三组螺旋桨组件的无刷电机逆时针旋转，第二组螺旋桨组件的无刷电机顺时针旋转，分别带动相应螺旋桨转动，为无人机提供倾斜向上的力，使无人机在前进的过程中上升到预定空域的预定高度。步骤二：信息采集。当飞行控制传感器检测无人机到达预定空域的预定高度时，各组螺旋桨组件的无刷电机断电，使无人机保持滞空状态，数据收集传感器通电，开始收集该地域的图像、温度、湿度等信息。步骤三：无人机返航。在信息收集完毕后，数据收集传感器断电，各组螺旋桨组件的无刷电机通电，无人机返航。3优点（1）该新型氦气球无人机可以实现较长时间的滞空，可以替代一些农业、林业、测绘无人机，搭载多种传感器进行长时间空中监测、测绘。（2）该新型氦气球无人机的结构简单，重量...