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巧妙!给无人机续电就像“放风筝”

2019-9-17 8:26:15 来源:山东商报

        今年7月,第34届全国青少年科技创新大赛在澳门举行。山东省实验中学高二(12)班学生史博元凭借他发明的“基于恒张力长行程有线供电平台的便携式无人机地面保障系统”,获得全国总决赛二等奖、中国科学院大学科技创新奖和“十佳最受公众喜爱”展位奖第一名,成为此次总决赛中获奖等级最高、奖项最多的山东学生。昨天,记者在学校见到了史博元,他兴奋地向记者介绍了他的专利发明。从小就爱玩无人机的他,从放风筝和卷尺中获得灵感,破解了无人机滞空时间短、无法获取地面供电、遥控指挥失灵、数据有线传输等问题。文/记者 张雯雯 图/记者 王晓峰

 

史博元在操作他改进的无人机

史博元在介绍他的设计原理

 

  从小喜欢无人机
     屡次遭遇无人机没电的尴尬
  

 

  今年7月,山东省实验中学高二(12)班学生史博元参加了第34届全国青少年科技创新大赛。比赛中,他发明的“基于恒张力长行程有线供电平台的便携式无人机地面保障系统”引发关注,并获得三项大奖。

 

  史博元告诉记者,从小他就对无人机比较感兴趣,中考后的暑假,他在家看《国家地理》节目,发现很多镜头都是用无人机拍摄的。“因为很多镜头一看就是悬停在空中某个位置拍摄很久,当时我就想,如果无人机没电了,返航后更换电池,那太耽误事了。而且很多时候摄影师在野外,一个人不可能背太多的电池,所以这个问题他们是怎么解决的?”高一运动会时,学校摄影社团也用无人机拍摄运动会场景,但飞一会儿就没电了,就要返航换电池,在这期间很多画面就错过了。

 

  史博元说:“我自己在家玩无人机时,也屡次遭遇无人机没电被迫返航的尴尬,所以我就想,能有什么好的办法让无人机不再受电量的困扰,可以长时间滞空飞行?”

 

  从放风筝和卷尺中获得灵感
  破解无人机滞空时间短难题
  

 

  高中课业紧张,但史博元从来没有停止过对无人机的探索和思考。一有空闲时间,他就查找资料,并请教老师。后来,他从放风筝和收放卷尺中获得灵感,运用高中物理学的力学(重力、张紧力和弹力)、电学、磁学等原理,应用PLC控制、步进电机和集成DC-DC隔离电源模块等,最终用了一年多的时间,设计发明了包括供电、卷放线、检测和驱动四个子系统的无人机地面有线保障系统,实现无人机长行程供电。

 

  “目前无人机无法长时间旋停或巡航,特别是在灾害及群体事件现场等应急状态以及野外科考、岗哨值守等场景下,无人机需长时间滞空,提供实时监控、通讯基站、航标塔信等服务。有了这个系统,就破解了无人机滞空时间短、无法获取地面供电、遥控指挥失灵、数据有线传输等问题。”史博元说。

 

  测试无人机最长工作72小时
  适合岗哨值守,已申请专利
  

 

  史博元向记者介绍,这个发明看似很复杂,其实有点像放风筝的原理,他用一根线缆安装在无人机电池接口处,这跟线缆采用直流变压,且材质很轻,无人机达到100米以上,线缆重量可以控制在1.2千克左右。然后,运用简洁的扭簧机制、编码器反馈等技术实现高精度恒张力控制,根据飞行高度和距离实现自动收放线缆。“这种无人机适用于固定场景的拍摄,只要下面有电源,他就可以一直持续工作。”史博元说。最初,他利用锂电池作为电源测试无人机,在100米高空实现了72小时以上滞空,而且整个系统安装于小工具箱内,重量不足10kg,方便携带。

 

  另外,该系统还可为爬壁、巡检机器人等需要长时间、高能耗作业的移动装置提供长行程供电及实时数据传输、失控目标招回等应急保障。这将极大地提升无人机及该系统在各个领域、各种环境中的应用价值。

 

  据悉,目前,史博元的这项发明已申请并获得了专利证书,因为特别适合岗哨值守,所以有军队方面已和他取得联系,对他的这个发明产生了浓厚兴趣。

 


  比赛中获三项大奖
  现场讲解获点赞
  

 

  记者了解到,第34届全国青少年科技创新大赛由中国科协、教育部、科技部等九部委和澳门特别行政区政府共同主办,是亚洲规模最大、参赛国别最多、影响最广的青少年科技竞赛活动,共1600余人参加了本次竞赛活动。本届大赛历时六个月,史博元的科技创新项目经过市赛省赛选拔、网上盲审、专家评选、封闭问辩、公众展示、网上公示等步骤,入围国赛。总决赛历时6天,这期间,史博元获得了全国总决赛二等奖、中国科学院大学科技创新奖和“十佳最受公众喜爱”展位奖第一名。成为此次总决赛中获奖等级最高、奖项最多的山东学生。

 

  史博元告诉记者,公开展示期间,中国科协党组书记、常务副主席、书记处第一书记怀进鹏带领有关专家、学者来到展示现场。“当时怀书记走到我的展位前,停下了脚步,被我这个为无人机提供长行程电力保障的项目吸引住了。他向我提问了项目主要解决的问题、实现恒张力长行程的机械原理、技术特点以及未来的应用领域等,我逐一作了回答,并打开收纳箱向怀书记介绍了整个装置的构造和飞行试验等情况。”史博元笑着对记者说。现在想起当时的场景,史博元仍记忆犹新。