IMU等传感器技术让国庆大红灯笼做到纹丝不动

在2019年十一国庆庆典现场,70个大型充气灯笼是如何实现保持在稳定高度、几乎一动不动的?其中便有IMU、无线传感器技术的参与,它们让大灯笼数据监测更精准。

  在2019年十一国庆庆典现场,70个大型充气灯笼分成两组,每组35个,沿南北方向分列广场两侧,每个灯笼之间大约相隔20米。不少观众发出赞叹,直径5米、高4.2米的这种庞大灯笼,是如何实现保持在稳定的高度、几乎始终一动不动的?这其中,少不了传感器技术,如无线温度传感器、压力传感器、IMU等传感器技术的参与。一起来了解一下吧。

IMU等传感器技术让国庆大红灯笼做到纹丝不动

十一国庆阅兵期间,天安门广场东西侧路上空悬浮着70个大型充气灯笼,飘立在空中一动不动。资料图

  据灯笼总体技术负责人、中国航天科技集团航天五院508所回收着陆专业青年专家陈旭透露,为保证安全性和稳定性,大型充气灯笼的技术标准完全采用了航天标准。其中,支撑灯笼的6毫米粗的系留绳,采用的是芳纶绳,能承受800公斤的力,确保了灯笼的绝对安全。

  508所的主业之一是航天器回收着陆技术研究,而回收卫星、飞船的减速部件降落伞就是柔性材料,然而设计同样是柔性材料做成的大型充气灯笼,对他们来说还是存在挑战。

IMU等传感器技术让国庆大红灯笼做到纹丝不动

大灯笼研制采用了航天标准,资料图

  所谓一动不动,是从观众的视角看,而从检测数据看,采用五点系留法的灯笼能够基本实现在一定风力下,幅度相对较小的位移。实际上,这些灯笼在空中会有10厘米到20厘米的摆幅。三四级风时,会有0.5米到1米的摆幅。六级风以下,灯笼都可正常使用。

  平稳悬在20多米空中的灯笼背后,并不只是简单的“放灯笼”,而是要综合运用空气动力学和理论力学等专业知识。所谓“系留”技术,其实从字面上也很好理解,就是“系住并留住”,把大型灯笼稳稳地留在空中。

  据了解,以前在太阳暴晒的情况下,灯笼会不会爆、里面气压多大,全凭手拍。这次,我们在灯笼里内置了防刺的无线测量设备,内部气压多大,随时可测量。

IMU等传感器技术让国庆大红灯笼做到纹丝不动

技术人员为大灯笼安装传感器监测装置,资料图

  为了能实时监测到大型充气灯笼内部的压力、温度参数,灯笼自身的位移、姿态变化以及各系留绳的受力情况,研制人员在试验中采用了多种无线传感器进行测量。在试验过程中,技术团队特意在灯笼上安装了无线温度压力传感器,对灯笼的抗风、抗压、抗晒等性能有了更深入细致的了解。在技术上做到了万无一失。

         灯笼是柔性结构,内部测量设备不能对球体产生破坏,同时固定在球体上的姿态测量装置又需要有良好的刚性连接。针对这些问题,在具体安装时,研制人员集思广益,将内部测量压力、温度的传感器安装在一个泡沫球壳内,但又让传感器露出。这样,即便传感器在灯笼内部翻滚,也可以保证既准确测量到参数又对球体不产生破坏。据介绍,借助于无线温度压力传感器,可以了解打灯笼随着温度变化的压力变化情况,以及透气性能。

  在增加了传感器测量手段后,技术团队对整个灯笼抗风性能,还有升温抗压性能等的认识更为深刻,也更有信心了。

IMU等传感器技术让国庆大红灯笼做到纹丝不动

传感器技术让大灯笼数据监测更加精准,资料图

  此外,技术人员还在灯笼顶部加装了IMU(惯性测量单元)无线传感姿态测量设备。当灯笼升空后,是“纹丝不动”还是“看着一动不动”,都有精确的数据。IMU(Inertial Measurement Unit)即惯性测量单元,是测量运动物体惯性运动,输出三轴加速度和三轴角速度等信息的电子元件,用于姿态角和运动路径等测量。IMU常常还包含了磁力计、压力计、温度计和GPS等辅助单元,相互配合完成更复杂的任务。目前,IMU可广泛用于姿态角确定、动作捕捉、无人机镜头防抖等应用中。

        在具体安装时,为将IMU姿态测量装置固定在灯笼上,技术人员在灯笼顶部缝制了一圈扣襻,将姿态测量装置的刚性支座通过绳带连接在这圈扣襻上。当灯笼充气达到设计压力后,这圈扣襻上的绳带都均匀绷紧,将支座牢牢地固定在宫灯顶部。此外,研制人员还将多种无线传感器在同一时间下进行记录,从而获得灯笼在风力作用下的位移姿态变化、内部压力、温度、系留绳上拉力等的相互关系,为灯笼的设计完善提供更精准的依据。

  据陈旭介绍,在大灯笼研制和测试过程中,有了无线温度压力传感器、IMU等传感器测得的传感器数据,让技术人员随时调整设计参数变得更加方便,数据监测验证更加精准。

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