一种用于无人热气球的飞行高度控制系统技术方案

本发明专利技术属于热气球控制技术领域，涉及一种用于无人热气球的飞行高度控制系统。包括:飞控计算机、GNSS接收机、数传电台、主驱动器；所述GNSS接收机设置在无人热气球吊舱内，用于接收热气球当前的经度、纬度、高度和速度数据，并将接收的数据传递至飞控计算机；所述数传电台设置在无人热气球吊舱内，飞控计算机通过数传电台与地面控制站通信；所述主驱动器设置在吊舱内，包括：燃料罐、燃烧器、点火器；所述燃料罐用于存储并为燃烧器供给燃料；所述点火器用于点燃燃烧器，所述燃烧器用于加热热气球内空气；飞控计算机接收地面控制站发送的高度指令并与无人热气球当前高度比较，根据比较结果控制燃烧器燃烧时间，从而控制无人热气球飞行高度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种用于无人热气球的飞行高度控制系统


[0001]本专利技术属于热气球控制
，涉及一种用于无人热气球的飞行高度控制系统。

技术介绍

[0002]热气球是一种利用球囊内部密度低于环境空气的热空气来产生浮力的一种常见的飞行器。热气球球囊底部设有供冷空气加热用的开口和吊篮，开口正对燃烧器火焰喷射口，燃烧器架设于吊篮正上方，吊篮中负载存储有丙烷或液化气的高压燃气瓶。热气球相对其他飞行器不仅具有悬浮时长、状态稳定、经济性高等优点，还可以利用空气热膨胀特性通过自身携带的加热器加热球囊内空气来调节球囊内空气温度，从而达到控制气球升降的目的。
[0003]热气球本身无动力，只是随风而行，由于风在不同的高度具有不同的方向和速度，热气球驾驶员可以根据飞行需要的方向选择适当的高度。热气球一般最大下降速度6m/s，最大上升速度5m/s。热气球内一般配置的仪表有：高度计、升降速度表、温度表。温度计指示球囊内的空气温度。
[0004]热气球的飞行目前一般采用人工操纵飞行，飞行员在起飞前根据风向预报制定飞行轨迹，在热气球飞行过程中，地面工作人员驾车跟随热气球的飞行轨迹或者预先达到热气球的落地点进行接应。整个热气球的准备时间很短，一般在15min
‑
20min之间。热气球的飞行依赖飞行员多年的飞行经验，有经验的飞行员可以根据空中不同高度风向不同来控制热气球的飞行路径。
[0005]一般的，热气球主要用于观光旅游或飞行表演，由热气球飞行员人工操纵热气球进行飞行，目前无人热气球很少看到，用于无人热气球的飞行控制系统基本没有公开文献介绍。

技术实现思路

[0006]针对无人热气球提出一种飞行控制系统，在无人热气球上面加装气压传感器、温度传感器、GNSS接收机、飞控计算机、数传电台等，对热气球的飞行环境进行感知，通过飞行控制计算机和地面控制站对无人热气球的飞行高度进行控制。
[0007]一种用于无人热气球的飞行高度控制系统,包括:飞控计算机、GNSS接收机、数传电台、主驱动器；
[0008]所述GNSS接收机设置在无人热气球吊舱内，用于接收热气球当前的经度、纬度、高度和速度数据，并将接收的数据传递至飞控计算机；所述数传电台设置在无人热气球吊舱内，飞控计算机通过数传电台与地面控制站通信；
[0009]所述主驱动器设置在吊舱内，包括：燃料罐、燃烧器、点火器；所述燃料罐用于存储并为燃烧器供给燃料；所述点火器用于点燃燃烧器，所述燃烧器用于加热热气球内空气；
[0010]飞控计算机接收地面控制站发送的高度指令并与无人热气球当前高度比较，根据
比较结果控制燃烧器燃烧时间，从而控制无人热气球飞行高度。
[0011]进一步,所述主驱动器还包括：第一电磁阀和第二电磁阀；所述第一电磁阀和第二电磁阀并联设置在燃料罐和燃烧器之间；
[0012]所述第一电磁阀为常火电磁阀，第二电磁阀为大火电磁阀，且第一电磁阀燃气流量小于第二电磁阀；
[0013]所述第一电磁阀用于维持燃烧器处于小火燃烧状态；所述第二电磁阀用于维持燃烧器处于大火燃烧状态以快速加热热气球内空气。
[0014]进一步,所述系统还包括：备驱动器；所述备驱动器与主驱动器相同且互为备份。
[0015]进一步,所述系统还包括：气压高度计；所述气压高度计设置在无人热气球上，用于采集无人热气球周围环境的气压并根据气压计算气压高度后发送至飞控计算机；
[0016]所述飞控计算机根据气压高度计测量的气压高度和GNSS测量的高度计算融合高度，并将融合高度作为无人热气球当前高度。
[0017]进一步,所述系统还包括：环境温度传感器；
[0018]所述环境温度传感器设置在无人热气球上，用于测量周围环境温度并将环境温度数据传递至飞控计算机；飞控计算机根据周围环境温度对燃烧器燃烧时间进行修正。
[0019]进一步,所述环境温度传感器包括：顶部温度传感器和吊舱温度传感器；
[0020]所述顶部温度传感器设置在热气球顶部，吊舱温度传感器设置在吊舱外；飞控计算机根据顶部温度传感器和吊舱温度传感器的温度差值对燃烧器燃烧时间进行修正。
[0021]一种用于无人热气球的飞行高度控制方法，所述方法用于所述的系统，所述方法包括以下步骤：
[0022]步骤一：飞控计算机通过数传电台接收地面站的设定高度；
[0023]步骤二：飞控计算机将气压高度Hp和GNSS高度Hg融合得到融合高度；
[0024]步骤三：飞控计算机将设定高度与融合高度比较后的高度差传递至高度控制回路控制器；
[0025]步骤四：高度控制回路控制器根据高度差进行高度PID控制生成升降速度制令，并将升降速度制令传递至升降速度控制回路控制器；
[0026]步骤五：飞控计算机对气压高度Hp进行微分得到无人热气球当前升降速度传递至升降速度控制回路控制器；
[0027]步骤六：升降速度控制回路控制器根据升降速度制令和当前升降速度进行速度PID控制生成主驱动器控制量或副驱动器控制量；
[0028]步骤七：飞控计算机将主驱动器控制量或副驱动器控制量转换为脉冲输出信号，控制第二电磁阀开关，从而控制燃烧器大火燃烧时间。
[0029]进一步,所述步骤六中，飞控计算机还将顶部温度传感器和吊舱温度传感器测量得到的温度差值作为速度PID控制的前馈增益。
[0030]本专利技术具有以下效果：
[0031]本专利技术在无人热气球上增加飞行控制系统，地面控制站根据热气球上的传感器测量的环境信息对热气球的飞行环境进行感知、建模，建立风层数据，通过飞行控制系统对无人热气球的飞行高度进行控制。
附图说明
[0032]图1为飞行高度控制系统结构框图；
[0033]图2为飞行高度控制原理框图；
[0034]图3为燃烧器控制示意图。
具体实施方式
[0035]本专利技术为一种无人热气球飞行高度的控制系统，热气球上安装有气压传感器、温度传感器、GNSS接收机、飞控计算机、数传电台等，热气球由于是无动力飞行，可以通过GNSS接收机测量的地速来代表当前高度层的风速，热气球通过数传电台将高度、风速等信息发送到地面控制站，通过飞行控制计算机和地面控制站对无人热气球的飞行高度进行控制。
[0036]在热气球上安装有飞行控制系统，功能主要有两个：一是飞行控制，当无人热气球在飞行的过程中受到外界环境的干扰时，能够做出实时的反应，保持热气球的高度，同时能够从地面控制站接受指令改变热气球的飞行高度状态。二是飞行管理，能够进行导航计算和无线数据传输，在出现故障的情况下采取应急措施等。
[0037]温度传感器和气压传感器用于检测热气球周围的大气温度和压力。GNSS接收机用于得到热气球的经度、纬度、高度、速度等信息。数传电台用于传输遥控遥测数据，地面控制站对热气球的数据进行建模、显示热气球的各项状态、轨迹规范及发送控制指令。
[0038]热气球的控制属于一个大时滞系统，当燃烧器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于无人热气球的飞行高度控制系统,其特征在于,所述系统包括:飞控计算机、GNSS接收机、数传电台、主驱动器；所述GNSS接收机设置在无人热气球吊舱内，用于接收热气球当前的经度、纬度、高度和速度数据，并将接收的数据传递至飞控计算机；所述数传电台设置在无人热气球吊舱内，飞控计算机通过数传电台与地面控制站通信；所述主驱动器设置在吊舱内，包括：燃料罐、燃烧器、点火器；所述燃料罐用于存储并为燃烧器供给燃料；所述点火器用于点燃燃烧器，所述燃烧器用于加热热气球内空气；飞控计算机接收地面控制站发送的高度指令并与无人热气球当前高度比较，根据比较结果控制燃烧器燃烧时间，从而控制无人热气球飞行高度。2.根据权利要求1所述的飞行高度控制系统,其特征在于,所述主驱动器还包括：第一电磁阀和第二电磁阀；所述第一电磁阀和第二电磁阀并联设置在燃料罐和燃烧器之间；所述第一电磁阀为常火电磁阀，第二电磁阀为大火电磁阀，且第一电磁阀燃气流量小于第二电磁阀；所述第一电磁阀用于维持燃烧器处于小火燃烧状态；所述第二电磁阀用于维持燃烧器处于大火燃烧状态以快速加热热气球内空气。3.根据权利要求2所述的飞行高度控制系统,其特征在于,所述系统还包括：备驱动器；所述备驱动器与主驱动器相同且互为备份。4.根据权利要求2所述的飞行高度控制系统,其特征在于,所述系统还包括：气压高度计；所述气压高度计设置在无人热气球上，用于采集无人热气球周围环境的气压并根据气压计算气压高度后发送至飞控计算机；所述飞控计算机根据气压高度计测量的气压高度和GNSS测量的高度计算融合高度，并将融合高度作为无人热气球当前高度。5.根据权利要求4所述的飞行高度控制系统,其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王朋辉，庞成龙，邓琛，贾圣羽，
申请(专利权)人：中国特种飞行器研究所，
类型：发明
国别省市：