摘 要

本文以小微型无人飞艇为研究对象，设计一个适用于这种类型飞艇的压力控制系统。与一般的平流层飞艇不同，本次研究的小型无人飞艇的工作区域是对流层，飞艇体积小，负载量小，各方面需求不同于大型飞艇，这就需要一种适用的压力控制系统。

对一个小型飞艇而言，气囊是其最主要的部分，飞艇的大部分自重来自囊体质量，以及囊体是飞艇受阻力最大的结构；气囊的作用在于提供升力用来抵消负载，这就需要设计一个适用于小气囊的压力控制系统，通过控制气囊的内部压力，可以改变气囊提供的升力大小、维持飞艇的外形，以及通过控制副气囊充气量，改变飞艇的飞行姿态。

则本次压力系统设计的工作分为了三个部分：

第一部分——设计一个适用的小型气囊外形。首先设计一个易于计算的囊体模型，其次采用多目标优化的方法，采用Isight作为设计软件，在选取的设计范围内，使用拉丁超立方体算法和邻域培植遗传算法进行数据计算，最终得到适用的囊体外形数据。

第二部分——设计一个适用于上述小气囊的压力控制系统，压力控制的作用分为安全控制、稳定控制和俯仰姿态控制三个方面。本次设计在假设的标准环境中，通过计算分析，将空气的充气量作为控制变量，使用BMP180压力传感器采集气压数据,51单片机作为处理芯片，设计完成囊体气压控制系统。

第三部分——环境因素分析。因为本次设计的飞艇工作区域在对流层，环境复杂，而且飞艇气囊体积较小，整个飞艇自重有限，更容易受到环境因素的干扰。因此，就外界因素对压力控制系统的影响进行分析，为前面设计的压力控制系统进行补充。

关键词：小微型无人飞艇；多目标优化计算；压力控制系统

ABSTRACT

In this paper, a small miniature unmanned airship as the object of study, designed a suitable type of airship pressure control system. Unlike the ordinary stratospheric airships, the working area of the small unmanned airship is the troposphere, the small size of the airship, the load is small, and the demand is different from that of the large airship, which requires a suitable pressure control system.

For small airship, the airbag is its most important part of the airship most of the weight from the capsule quality, and the capsule is the airship resistance of the largest structure; airbag is to provide the role of lift to offset the load, which requires Designing a pressure control system for small airbags, by controlling the internal pressure of the airbag, you can change the size of the lift provided by the airbag, maintain the shape of the airship, and change the flight attitude of the airship by controlling the airbag.

Then the pressure system design work is divided into three parts:

Part one -- Design a suitable small airbag profile. Firstly, an easy-to-calculate model of the capsule is designed. Secondly, the method of multi-objective optimization is adopted. Isight is used as the design software. The data is calculated using the Latin hypercube algorithm and NCGA-Neighborhood Cultivation Genetic Algorithm, Airbag shape data.

Part two -- the design of a pressure control system for the small air bag, the role of pressure control is divided into safety control, stability control and pitch attitude control three aspects. This design is assumed in the standard environment, through the calculation and analysis, the use of 51 single-chip as a processing chip, BMP180 pressure sensor to collect air pressure data, the air inflation as a control variable, designed to complete the capsule pressure control system.

Part three -- Analysis of Environmental Factors. Because the design of the airship work area in the troposphere, the environment is complex, and the airship capsule size is small, the entire airship weight is limited, more susceptible to environmental factors. Therefore, the external factors on the impact of pressure control system analysis, in front of the design of the pressure control system to add.

Key words: miniature unmanned airship; multi-objective optimization calculation;

pressure control system

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1研究对象介绍 1

1.2课题研究现状 2

1.3课题的意义及主要内容 4

第二章 气囊外形设计 6

2.1外形设计 6

2.1.1囊体外形的设计方法 6

2.1.2囊体的多目标优化 7

2.2数据计算及分析 8

2.2.1计算模型及参数选取 8

2.2.2计算过程及数据分析 11

2.3囊体模型分析 17

2.4本章小结 17

第三章 囊体压力控制系统 18

3.1压力控制概述 18

3.2控制变量分析 19

3.2.1加速度与平稳控制 19

3.2.2压差与安全控制 20

3.3设计方案论证 21

3.4硬件设计 23

3.4.1硬件电路设计 23

3.4.2硬件分析介绍 24

3.5软件设计 25

3.6系统功能调试 26

3.7本章小结 27

第四章 实际因素对压力控制的干扰 28

4.1大气温度的影响 28

4.2大气压力的影响 28

4.3氦气纯度的影响 29

4.4风的影响 29

4.5冰的影响 30

4.6本章小结 30

第五章 总结 31

附录A 硬件电路图

附录B 元器件清单

附录C 程序清单

附录D1 拉丁超立方体算法数据

附录D2 多目标遗传优化算法数据和优化日志

参考文献 32

致谢 34

第一章 绪论

1.1研究对象介绍

本次的研究课题来源于领域基金一般课题《复杂场景快速构建流程技术研究》(6140001010216QT69001)和武汉市科技计划项目《传统出版单位数字化转型示范与推广》(No.2014060303010170)，在这两个项目中，有进行大面积区域的地图信息采集的需求。

对于一些大面积区域（50km²以上）进行实时地图信息采集，所使用的方法有两种，一种是卫星地图。另一种是使用飞机进行巡航摄影。但是这两种方式都有缺点，对于卫星地图，它无法细致的识别物体，精度不足；其次它是通过电磁波识别分析，易被屏蔽，或误导。对于飞机拍摄，首先飞机的持续飞行时间短；其次隐蔽性不足，易被发现；因为相互将的电磁干扰，不能使用无人机构成一个监控阵列，就不能大范围的进行持续的实时监测。这两种方法还有共同的缺点：花费太高，以及不能对地面持续性的检测。