当前位置:首页 >> 新闻动态 >>  行业动态

新闻动态

联系我们

电话:(0) 181-6155-8778
地址:上海-天津-宁夏
电邮:info@vantageship.com

行业动态

清华学生发明"智慧气球":能升降能悬停 测PM2.5更灵活
发布时间:2016-08-11 10:49:45| 浏览次数:

       翱翔天空一直是人类追求的梦想,从过去“高大上”的飞机、火箭,到现在已经炙手可热的航模、四旋翼无人 机。不知道你有没有想过,看似普通的气球也可以成为我们了解天空或者从天空了解大地的“利器”,清华大学水利系的苏洋、陈科迪、魏强强三名学生就研发出了 一种“智慧气球”,它可以升空、着陆以及在空中悬停,可以航拍,还能监测不同高度PM2.5的浓度。

        初衷是为了研究水汽传输

       苏洋、陈科迪、魏强强都是清华水利系水利水电工程专业的本科生。从字面上理解,他们干的似乎应该是修大坝、疏河道、防水患的事儿,为什么会跟在天上 的气球打起了交道?苏洋笑着说,河湖大坝只是水利研究的很小一部分内容,事实上降雨、降雪等可能影响地表径流的因素都属于水文研究的范围。“我们的这项研 究就跟水汽传输有关。”苏洋说。

去年下半年,他们通过清华的“学生科研训练计划”加入了水利系的这个研究项目。地表水蒸发,水汽在高空传输,然后通过降雨、降雪落地,汇入河湖。研究水汽如何传输,显然要把天上的过程弄清楚。“这就是我们做‘智慧气球’的最初缘由。”苏洋说。

观察水汽在高空传输过程,可以用最热门的四旋翼无人机,也可以通过最传统的高空气象探测气球。前者价格高昂,且受能耗、载重量的多重因素制约,后者 虽价格便宜,可一旦放飞就无法收回,气球只能在高空自爆,属于一锤子买卖。“我们商量后决定自己研发一种智慧气球,能放飞还能降落回收,通过传感器实时传 输高空数据,能耗小,空中停留时间长。”陈科迪告诉记者。

       首次户外试飞被强风吹走

说干就干。他们通过淘宝买了5个气象专用气球,这些气球和我们日常看到的玩具版可完全不一样,它们最小的直径也有1米多,最大的直径有3米多。要让气球升空,必须得注入分子量很低的气体,常用的是氢气或者氦气,氢气有爆炸的危险,因此氦气成为了学生们的选择,“800块钱一钢瓶,一米多的气球可以充大约四次。”苏洋说。

       同时,他们还购入了GPS传感器,温度、压强传感器以及GPRS数据传输设备。GPS可以通过定位数据来测出气球的水平移动速度,温度、压强的数值变化可以反映出垂直升降的速度,至于GPRS则用于接收数据和发布操控指令。

       硬件到位了,软件还是一大问题。计算机软件编程可不是水利系学生的专业技能,但他们没有气馁,对着产品说明书研究,找来编程课本自学,硬是“自学成才”,用单片机编出了一条条指令,“最多的时候代码有上千行。”陈科迪说。

       去年12月,他们的气球第一次在校内试飞,飞行高度最高达300米。由于害怕气球一去不回,他们特意给气球拴上了绳子。问题很快出现,由于天气寒 冷,他们给传感器配置的普通电池太不禁用,几分钟就没电了。“以后气球肯定要长期在高空作业,缺电肯定不行。”回到地面,他们想办法把气球传感器的电池换 了。

      随着几次试飞,“智能气球”的表现越来越稳定,真正户外放飞实验的时机到了。今年4月,通过指导老师的联络,他们带着气球来到了天津蓟县一个乡村的 放飞场。这是一片空旷的平原,视野良好,非常适合气球升空及观测。由于多次校内放飞都非常顺利,他们放松了警惕,没有给气球拴上绳子。没想到,这次大意让 放飞出现了意外。

       气球升空后,很快就到了200米的预定高度。按照计划,他们开始控制气球降落。气球以0.02克/秒的速度泄气下降,但是短短10米之后,突然上空刮起了一股强风,气球高度迅速升高,任何人为操纵干预都不再有效果。最终,他们只能目送气球越飞越远,最终消失在视野里。

       加装螺旋桨实现空中悬停

      回到学校,他们对这次意外进行了仔细分析和总结。虽然突遭强风是失败的重要原因,但也同时暴露出了气球泄气速度过慢导致自然环境抵抗力弱、升空后只能降落无法调整姿态的缺陷,“之前在学校里实验,教学楼相对密集,没有空旷的自然风,没有发现这个问题。”苏洋说。

      改进立即进行。他们通过调节控制程序,让泄气速率加快了5倍。他们还使用了脉冲控制阀门,来控制气球在目标高度实现近似悬停,然后加装一部螺旋桨,实现在垂直方向上对气球的升降进行微调,使其可以维持在目标高度。

此外,他们还对数据传输方式进行了改进,从GPRS手机信号改为无线Wi-Fi信号。对此陈科迪说,手机GPRS信号在基站密集的城市里使用没有问题,但到了偏僻的户外,信号就大大减弱,而Wi-Fi信号可以实现地面控制器和气球传感器“点对点”连接,不受影响。

      苏洋告诉记者,与四旋翼飞行器相比,螺旋桨为保持气球高程稳定所需要提供的升力仅有前者的1/1000左右。换而言之,获得同样长的滞空时间,“智慧气球”所需要的电池容量远远小于普通的四旋翼飞行器。

      观测雾霾污染更加灵活

记者了解到,团队目前已经在为他们的科研成果申报专利。苏洋说,今后他们还计划给气球在水平方向也装一部螺旋桨,这样气球就能彻底变成一艘轻量化的“飞艇”,利用舵机来调整螺旋桨的方向,从而人为控制气球的水平移动。

苏洋说,他们还打算将整套传感装置轻量化,最理想的效果就是集合在一块几十克甚至更轻的芯片里,“实际应用时可以三个气球一起绑定升空,这样载荷就 能达到三公斤左右,足以负担其他的科研观测设备。”在之前的实验中,他们曾经在气球上搭载过航拍仪,留下了清华校园的平面图,也曾用PM2.5传感仪测出 不同高度上的数值,“在雾霾重污染时,通过气球升空观测,可以获得各个高度的数据用来分析,这比高塔固定点观测要更加灵活。”他说。

      未来,他们期待智能气球还可以做更多的工作,比如城市巡逻,采集高空气体样本带回地面进行精确分析,携带碘化银至高空湿气团实现精确人工降雨作业等。他们希望为气球这个原始的飞行工具增添最新的科技,带来新的活力。

 
 
打印本页 || 关闭窗口
 上一篇:飞艇“天空登陆者”首次离开艇库进行测试
 下一篇:4名清华博士生走进珞璜工业园试验飞艇挂网除霾技术