一种飞艇副气囊体积监测装置及方法
阅读说明：本技术 一种飞艇副气囊体积监测装置及方法 (Airship ballonet volume monitoring device and method ) 是由 陶伟 唐浩然 熊思进 陈海燕 丁一杰 苏康 张朋 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种飞艇副气囊体积监测装置及方法,属于浮空器体积测量技术领域。本发明通过监测和控制飞艇副气囊充放气过程中的气体流量和时间,并结合飞艇副气囊温度和压力参数,动态计算副气囊内空气质量和气体体积,可连续在线监测副气囊体积变化情况。本发明较好地平衡了测量精度和测量成本,满足实际工程应用需求,可推广应用于各类具有副气囊结构的浮空器上。本发明可在现有浮空器充放气阀门基础上改进实现,可替代充放气阀门,实现浮空器副气囊充放气功能。(The invention relates to a device and a method for monitoring the volume of an auxiliary airbag of an airship, and belongs to the technical field of aerostat volume measurement. The invention dynamically calculates the air quality and the air volume in the ballonet by monitoring and controlling the air flow and the time in the process of charging and discharging the airship ballonet and combining the temperature and the pressure parameters of the airship ballonet, and can continuously monitor the change condition of the ballonet volume on line. The invention better balances the measurement precision and the measurement cost, meets the application requirements of practical engineering, and can be popularized and applied to various aerostats with auxiliary air bag structures. The invention can be improved and realized on the basis of the existing aerostat inflation and deflation valve, can replace the inflation and deflation valve, and realizes the inflation and deflation functions of the aerostat ballonet.)
技术领域
本发明属于浮空器体积测量技术领域，具体涉及一种飞艇副气囊体积监测装置及方法。
背景技术
飞艇是一种由质量较轻的气体，通常为氦气，提供浮力的浮空器，包括软式飞艇和硬式飞艇。囊体是飞艇的重要部件，通常由主气囊和副气囊组成。主气囊中充入氦气，形成飞艇流线外形，并提供飞艇上升的浮力。副气囊中充入空气，用于调节内部压力，保持飞艇外形，调整飞行姿态和飞行高度等。
飞艇在飞行高度变化过程中，副气囊不断通过气阀充入、排出空气，调节副气囊体积。当飞行高度增加，外部气压随海拔升高而降低，飞艇主气囊体积膨胀，为平衡飞艇气囊内外压差，需排除部分副气囊空气，降低囊体内部气压。当飞行高度下降时，需向副气囊中充入适量空气，增加飞艇净浮重，保持飞艇外形。
飞艇副气囊体积丰满度限定了飞行升限、影响飞行安全，是飞艇飞行过程中的重要状态参数，通常在飞行中需要实时监控。目前监测飞艇副气囊体积的方法多采用直接测量法，例如，中国专利公开号CN 203601556 U，公开日期2014年5月21日，名称为基于体积测量的飞艇多副气囊压力调节装置，该专利提及了一种飞艇副气囊体积测量方法，该方法采用二维激光扫描仪作为测量设备，粗略测量飞艇副气囊体积。不足之处是采用二维激光扫描仪测量副气囊体积存在较大误差。文章《无人飞艇气囊体积监测系统设计》，发表于《计测技术》2015年第35卷增刊，公开了一种利用三维激光扫描仪测量飞艇气囊体积的方法。该方法通过三维激光扫描仪构建气囊三维几何模型，定量计算气囊体积。该方法的不足之处是三维激光扫描仪价格昂贵，重量较大，放置于气囊内部，增加了飞艇浮重。采用间接方法测量飞艇副气囊体积，例如，中国专利公开号CN 109060064 A，公开日期2018年12月21日，名称为一种基于气体浓度变化对飞艇气囊体积的测量方法，公开了一种通过测量注入氢气浓度变化，计算飞艇副囊体体积的方法。该方法不足之处是测量气囊体积需要充入测试气体，通常被测气囊体积较大，但充入测试气体质量较小，测量变化量不显著，对气体浓度传感器精度要求较高，工程应用存在困难。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种飞艇副气囊体积在线监测装置及监测方法，用于飞艇飞行过程中副气囊体积实时动态计算与监测。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种飞艇副气囊体积监测装置，包括：控制系统11、阀门启合机构、阀门风机17和气体流量监测装置16；
所述控制系统11分别与阀门启合机构和阀门风机17连接，用于控制所述阀门启合机构开启与关闭，且用于控制所述阀门风机17旋转；
所述阀门风机17，可通过自身的叶片旋转，带动空气流动，实现副气囊2内空气吸入和排出；
所述气体流量监测装置16安装于装置内部的气流通道内，空气经飞艇副气囊体积监测装置5充入或排出副气囊2时，气体流量监测装置16可实时测量流经气体的流速。
优选地，所述阀门启合机构包含舵机支架12、伺服舵机13、阀门密封盖15和柔性绳14，所述伺服舵机13安装于舵机支架12上，通过柔性绳14与阀门密封盖15连接，所述伺服舵机13转动，可带动阀门密封盖15开启与关闭。
本发明还提供了一种基于所述的飞艇副气囊体积监测装置实现的飞艇副气囊体积监测方法，包括以下步骤：
S1，飞艇地面充气阶段，通过飞艇副气囊体积监测装置5向副气囊2内部充入空气，记录充气气体流量Q0(t)和充气时间t，充气结束后，测量副气囊2内部气体压力P0(pa)和副气囊2内部气体温度T0(k)，计算充入副气囊内部的空气质量m0和体积V0；
S2，飞艇飞行过程中，实时测量副气囊2压力P1(pa)和副气囊温度T1(k)，计算副气囊体积。
优选地，步骤S1中，计算充入副气囊内部的空气质量m0和体积V0的公式为：
优选地，步骤S2具体为：
飞艇飞行过程中，若未通过飞艇副气囊体积监测装置5向副气囊2中充入或排出空气，则根据理想气体状态方程，动态计算当前副气囊2体积V1的计算公式为：
其中，P1、T1为此时测得的副气囊2内部气压、温度，此过程中，若通过飞艇副气囊体积监测装置5向副气囊中充入或排出空气，则记录飞艇副气囊体积监测装置5开启时间t'和流经飞艇副气囊体积监测装置5的空气流量Q1(t')，计算当前副气囊空气质量m1和体积V1，计算公式为
其中，m为当前副气囊2剩余空气质量，以飞艇副气囊体积监测装置5关闭时刻的计算值为准。
优选地，所述充气气体流量Q0(t)为充气气体流量均值。
优选地，所述空气流量Q1(t')为空气流量均值。
本发明还提供了一种低空飞艇，包含1个主气囊1和1个副气囊2，副气囊2内部安装有如权利要求1或2所述的飞艇副气囊体积监测装置5，主气囊1中充入氦气，用于提供飞艇浮力，副气囊2中充入空气，用于调节气囊内外压差，保持飞艇外形。
优选地，所述副气囊2内部还安装有温度采集器3、压力采集器4。
本发明还提供了一种所述方法在浮空器体积测量技术领域中的应用。
(三)有益效果
本发明通过监测和控制飞艇副气囊充放气过程中的气体流量和时间，并结合飞艇副气囊温度和压力参数，动态计算副气囊内空气质量和气体体积，可连续在线监测副气囊体积变化情况。本发明较好地平衡了测量精度和测量成本，满足实际工程应用需求，可推广应用于各类具有副气囊结构的浮空器上。本发明可在现有浮空器充放气阀门基础上改进实现，可替代充放气阀门，实现浮空器副气囊充放气功能。
相比于二维激光雷达或激光测距仪测量副气囊体积，本发明测量精度有较大提高；
相比于三维激光雷达测量副气囊体积，本发明所需测量设备简单，价格较为低廉；
相比于通过气体浓度变化间接计算副气囊体积，本发明操作简单，便于实现。
附图说明
图1为某低空飞艇组成图；
图2为本发明的飞艇副气囊体积监测装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
某低空飞艇组成如图1所示，包含1个主气囊(1)和1个副气囊(2)，副气囊(2)内部安装有温度采集器(3)、压力采集器(4)和飞艇副气囊体积监测装置(5)，主气囊(1)中充入氦气，提供飞艇浮力，副气囊(2)中充入空气，用于调节气囊内外压差，保持飞艇外形。
本发明提供的一种飞艇副气囊体积监测装置(5)的结构如图2所示，具体为一种具有气体流量监测功能的充放气阀门，包括控制系统(11)、阀门启合机构、阀门风机(17)和气体流量监测装置(16)；
所述控制系统(11)与阀门启合机构和阀门风机(17)连接，用于通过控制所述阀门启合机构中的伺服舵机(13)转动来控制阀门启合机构开启与关闭，且用于控制所述阀门风机(17)旋转；
所述阀门启合机构包含舵机支架(12)、伺服舵机(13)、阀门密封盖(15)和柔性绳(14)，所述伺服舵机(13)安装于舵机支架(12)上，通过柔性绳(14)与阀门密封盖(15)连接，所述伺服舵机(13)转动，可带动阀门密封盖(15)开启与关闭；
所述阀门风机(17)，可通过自身的叶片旋转，带动空气流动，实现副气囊(2)内空气吸入和排出；
所述气体流量监测装置(16)安装于装置内部的气流通道内，空气经飞艇副气囊体积监测装置(5)充入或排出副气囊(2)时，气体流量监测装置(16)可实时测量流经气体的流速。
本发明还提供了一种基于上述的飞艇副气囊体积监测装置实现的飞艇副气囊体积监测方法，包括以下步骤：
S1，飞艇地面充气阶段(海拔1066m)，通过副气囊体积监测装置(5)向副气囊(2)中充入空气，测得充气流量均值Q0(t)＝14655slm，充气时间t＝650s。充气结束后，测量飞艇副气囊(2)内部气压为P0＝89409Pa，温度为T0＝14℃，根据如下公式计算充入副气囊内部的空气质量m0和体积V0：
计算得到初始状态下，充入副气囊(2)内的空气质量m0＝204.80kg，副气囊(2)初始体积V0＝186.67m3。
S2，飞艇飞行阶段，上升至海拔1100m，副气囊体积监测装置(5)未开启，此时测得副气囊(2)内部气压P1＝89501Pa，温度T1＝13.8℃，根据公式
计算当前时刻飞艇副气囊体积V1＝188.48m3；
此时通过副气囊体积监测装置(5)，排出副气囊(2)内部分空气，测得通过副气囊体积监测装置(5)的气体流量均值为Q1(t')＝-1287slm，t'＝20s后副气囊体积监测装置(5)关闭，测得飞艇副气囊(2)内部气压P1＝89430Pa，温度T1＝13.8℃，根据公式
计算副气囊(2)内剩余空气质量m1＝204.25kg，副气囊(2)体积V1＝188.12m3，其中，m为当前副气囊(2)剩余空气质量，以飞艇副气囊体积监测装置(5)关闭时刻的计算值为准。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
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