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新型智慧探空气球装置:搭载GPS模块和温度传感器等

近期,清华大学水利系的三名学生开发出了一种智慧气球,它内置有温度传感器、GPS模块等传感元件,可实现升空、着陆以及在空中悬停,可以航拍,还可监测不同高度PM2.5的浓度。

 

智慧气球搭载航拍仪拍摄的清华校园平面图。资料图


开发者称,目前使用的四旋翼无人机价格高昂,且受能耗、载重量等多重因素制约。而高空气象探测气球虽价格便宜,但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。最后,他们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。

他们买了几个气象专用气球,并注入氦气。同时,他们还购入了GPS模块,温度传感器、压强传感器以及GPRS无线及传输设备。其中,GPS模块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。他们找来编程课本自学,硬是自学成才,用单片机编出了一条条指令。

经过几次失败的试飞和调试,团队决定通过更换更耐用的气球传感器电池;调节控制程序,加快气球泄气速度;同时,使用脉冲控制阀门,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。

据悉,这款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。目前,团队目前已经在为他们的科研成果申报专利。团队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。

今后,他们还打算将整套传感器装置轻量化,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,足以负担其他观测设备。

例如,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传感器设备测出不同高度上的数值。此外,他们还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。

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