趙國棟，郭趁趁，許一靖，李成林

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

0 引言

孔明燈又叫天燈，是一種古老的漢族手工藝品。它象征著厄運(yùn)的離去，好運(yùn)的到來。在古代，多做軍事用途；在現(xiàn)代，人們放孔明燈多做祈福用。在重大節(jié)日人們常會(huì)在公園、廣場等公共場所放飛孔明燈，寓意向往美好生活的到來。但是，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,近年來被大量燃放,而且有愈演愈烈的趨勢,造成的火災(zāi)事故也屢見不鮮[1]。現(xiàn)有的孔明燈在點(diǎn)火升空后，不受控制，在空中亂飛，由于孔明燈內(nèi)含有燃燒的火料，亂飛的孔明燈容易落在高樓或者林木上，極容易造成部分地區(qū)火災(zāi)，此外，現(xiàn)有的孔明燈點(diǎn)火升空后因不受控制，最終會(huì)掉落損壞，多為一次性消耗品，造成大量的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

1 解決方案

為解決上述問題，本文提供一種基于無線遙控的孔明燈裝置，其能夠通過調(diào)節(jié)燃燒盒蓋板的開合程度調(diào)整燃料的燃燒狀態(tài)，從而通過調(diào)節(jié)燈罩內(nèi)空氣密度及浮力的大小控制孔明燈裝置的升降，提高飛行的安全性，此外，還能夠多次回收再利用，提高資源利用率，減少環(huán)境污染。

1.1 設(shè)計(jì)模塊組成

基于無線遙控的孔明燈裝置，包括置物架、通過支柱固定在置物架上的燈罩、固定在置物架上用于加熱燈罩內(nèi)空氣的燃燒盒、以及遙控器。

所述燃燒盒的開口處設(shè)有用于調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒盒空氣量的蓋板，蓋板由設(shè)置在置物架上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以完全蓋合或者部分蓋合在所述燃燒盒上[2]。

所述置物架還設(shè)有用于控制所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制器。

所述遙控器與所述控制器無線通信連接，用于遙控所述控制器。

1.2 設(shè)計(jì)框架構(gòu)成

所述蓋板包括可開合連接的第一蓋板和第二蓋板，燃燒盒的外緣上設(shè)有與所述第一蓋板固定連接的第一轉(zhuǎn)軸以及與所述第二蓋板固定連接的第二轉(zhuǎn)軸，所述第一轉(zhuǎn)軸固定連接所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸，且第一轉(zhuǎn)軸上設(shè)有第一齒輪，第二轉(zhuǎn)軸上設(shè)有與所述第一齒輪嚙合的第二齒輪。

所述第一蓋板和第二蓋板均為與燃燒盒開口尺寸相適配的半圓形。在置物架的四周均布有多個(gè)水平設(shè)置的旋翼，置物架上固定設(shè)有多個(gè)與旋翼數(shù)量匹配的空心杯電機(jī)，每個(gè)旋翼均由一個(gè)空心杯電機(jī)驅(qū)動(dòng)，各空心杯電機(jī)均與所述控制器電路連接，所述旋翼共設(shè)有四個(gè)。

所述置物架上設(shè)有與所述控制器連接的高度傳感器。并且置物架上還設(shè)有與所述控制器連接的陀螺檢測儀，陀螺檢測儀用于檢測置物架的傾斜程度。所述燃燒盒的下方固定有與控制器連接的云臺(tái)，云臺(tái)上設(shè)有攝像頭。所述置物架上固定設(shè)有一對用于支撐整個(gè)孔明燈裝置的支架，來保證孔明燈在空中可以完全展開，增大其工作效果。

1.3 設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)

1)該裝置可在燃燒盒上設(shè)置可以調(diào)節(jié)開合程度的蓋板，通過遙控器控制蓋板的開合程度以調(diào)節(jié)燃燒盒內(nèi)燃料的燃燒狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)節(jié)燈罩內(nèi)的浮力大小，從而控制孔明燈裝置的飛行高度，防止孔明燈裝置在空中亂飛，提高孔明燈裝置飛行的安全性。

2)該裝置可通過在置物架上設(shè)置多個(gè)旋翼，每個(gè)旋翼由一個(gè)空心杯電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過遙控器控制空心杯電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，不僅可以有效調(diào)整孔明燈裝置在空中的飛行姿態(tài)，還可以在孔明燈裝置受意外因素干擾發(fā)生傾斜時(shí)及時(shí)做出調(diào)整，恢復(fù)孔明燈裝置的正常姿態(tài)，進(jìn)一步提高孔明燈裝置飛行的安全性。

3)該裝置可以控制孔明燈裝置的飛行高度和飛行姿態(tài)，使孔明燈裝置可以回收利用，從而提高資源利用率，減少對環(huán)境的污染。

基于無線遙控的孔明燈裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖2為圖1的仰視示意圖。1為燈罩，2為蓋板，3為燃燒盒，4為支柱，5為旋翼，6為支架，7為置物架，8為攝像頭，9為云臺(tái)。

圖1 孔明燈裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 孔明燈裝置結(jié)構(gòu)示意圖的仰視示意圖

蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，201為第一蓋板，202為第一齒輪，203為第一轉(zhuǎn)軸，204為第二轉(zhuǎn)軸，205為第二齒輪，206為第二蓋板。

圖3 蓋板結(jié)構(gòu)示意圖

2 具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本裝置作進(jìn)一步說明。

2.1 控制結(jié)構(gòu)組成

基于無線遙控的孔明燈裝置如圖1、圖2、圖3所示，包括置物架7、通過支柱4固定在置物架7上的燈罩1、固定在置物架7上用于加熱燈罩1內(nèi)空氣的燃燒盒3、以及遙控器，具體實(shí)施時(shí)，燃燒盒3可設(shè)置在置物架7的中心處，燈罩1通過四個(gè)固定在置物架7上的支柱4設(shè)置于燃燒盒3的正上方，燈罩1由高級防火阻燃紙制成。所述燃燒盒3的開口處設(shè)有用于調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒盒3空氣量的蓋板2，蓋板2由設(shè)置在置物架7上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以完全蓋合或者部分蓋合在所述燃燒盒3上，以便調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒盒3的空氣量，調(diào)整燃燒盒3內(nèi)燃料的燃燒狀態(tài)。

2.2 具體控制作用

具體實(shí)施時(shí)，所述蓋板2包括可開合連接的第一蓋板201和第二蓋板206，燃燒盒3的外緣上設(shè)有與所述第一蓋板201固定連接的第一轉(zhuǎn)軸203以及與所述第二蓋板206固定連接的第二轉(zhuǎn)軸204，所述第一轉(zhuǎn)軸203固定連接所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸，且第一轉(zhuǎn)軸203上設(shè)有第一齒輪202，第二轉(zhuǎn)軸204上設(shè)有與所述第一齒輪202嚙合的第二齒輪205，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)第一轉(zhuǎn)軸203轉(zhuǎn)動(dòng)，第一齒輪202帶動(dòng)嚙合的第二齒輪205轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使第二轉(zhuǎn)軸204帶動(dòng)第二蓋板206轉(zhuǎn)動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制第一蓋板201與第二蓋板206的開合程度實(shí)現(xiàn)精細(xì)化調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒盒3內(nèi)的空氣量，以此控制燃燒盒3內(nèi)燃料的燃燒狀態(tài)，達(dá)到調(diào)節(jié)燈罩1內(nèi)空氣密度的效果，進(jìn)而可以控制燈罩1內(nèi)上升浮力的大小，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置高度的調(diào)節(jié)。所述第一蓋板201和第二蓋板206均為與所述燃燒盒3開口尺寸相適配的半圓形，第一蓋板201和第二蓋板206均為輕質(zhì)金屬板，方便了控制蓋板201與蓋板206之間的開合角度，以進(jìn)一步提升調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒盒3內(nèi)空氣量的精確度。

2.3 該裝置上各設(shè)備的功能

2.3.1 無線控制

所述置物架7還設(shè)有用于控制所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制器，所述遙控器與所述控制器無線通信連接，用于遙控所述控制器，具體實(shí)施時(shí)，所用的無線通訊模塊可以是NRF24L01+PA+3 dbi天線[3]，操作人員站在地面通過遙控器遙控控制器實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)對燃燒盒3內(nèi)燃料燃燒狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制。

當(dāng)孔明燈上升到一定位置后，通過遙控器控制控制器使驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)蓋板2旋轉(zhuǎn)，減少燃燒盒3內(nèi)進(jìn)氣量，燃燒盒3內(nèi)燃料不能充分燃燒，燈罩1內(nèi)溫度降低，浮力減少，孔明燈停止上升并開始下降，當(dāng)孔明燈下降到一定高度時(shí)，通過遙控器控制控制器使驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)蓋板2旋轉(zhuǎn)，增加燃燒盒3內(nèi)進(jìn)氣量，燃燒盒3內(nèi)燃料燃燒狀態(tài)得到改善，燈罩1內(nèi)溫度上升，浮力增加，孔明燈停止下降并開始上升，從而實(shí)現(xiàn)對孔明燈裝置高度的可控調(diào)節(jié)，避免孔明燈裝置在空中亂飛，進(jìn)而提高孔明燈裝置的安全性，避免因亂飛的孔明燈掉落在高樓或者林木上而引發(fā)部分地區(qū)火災(zāi)。

2.3.2 高度傳感器

所述置物架7上設(shè)有與所述控制器連接的高度傳感器，高度傳感器用于檢測整個(gè)孔明燈裝置在空中的位置，當(dāng)孔明燈上的高度傳感器檢測到孔明燈上升到指定的高度后，會(huì)發(fā)送信號給控制器，再由控制器發(fā)送數(shù)據(jù)給遙控器，遙控器收到信號后，控制控制器使驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)蓋板2旋轉(zhuǎn)，減少燃燒盒3內(nèi)進(jìn)氣量，燃燒盒3內(nèi)燃料不能充分燃燒，燈罩1內(nèi)溫度降低，浮力減少，孔明燈停止上升并開始下降，當(dāng)孔明燈下降到一定高度時(shí)，遙控器控制控制器使驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)蓋板2旋轉(zhuǎn)，增加燃燒盒3內(nèi)進(jìn)氣量，燃燒盒3內(nèi)燃料燃燒狀態(tài)得到改善，燈罩1內(nèi)溫度上升，浮力增加，孔明燈停止下降并開始上升，由此組成具有反饋的高度自動(dòng)控制系統(tǒng)[4]，最終蓋板2會(huì)在某一穩(wěn)定位置不再移動(dòng)，燃燒盒3內(nèi)的進(jìn)氣量保持穩(wěn)定，燈罩1內(nèi)部保持一個(gè)穩(wěn)定的溫度，內(nèi)部空氣密度穩(wěn)定，使孔明燈到達(dá)并穩(wěn)定在設(shè)定的高度。

2.3.3 旋翼

在所述置物架7的四周均布有多個(gè)水平設(shè)置的旋翼5，置物架7上固定設(shè)有多個(gè)與所述旋翼5匹配的空心杯電機(jī)，每個(gè)旋翼5均由一個(gè)空心杯電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過控制各旋翼5可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)孔明燈裝置飛行姿態(tài)的調(diào)整，以便對整個(gè)孔明燈裝置進(jìn)行控制。具體實(shí)施時(shí)，旋翼5可以設(shè)置四個(gè)，還可以根據(jù)對飛行姿態(tài)調(diào)整的需求調(diào)整旋翼5的設(shè)置，例如若要增加使孔明燈裝置懸停的需求，可將多個(gè)旋翼5中的部分旋翼5設(shè)置呈與其他旋翼5相反的旋轉(zhuǎn)，即部分旋翼5呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，部分旋翼5呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)孔明燈裝置上升到一定高度后，開啟各空心杯電機(jī)后使總力仍然等于孔明燈裝置的重力，若要使孔明燈側(cè)向飛行，可降低其中一個(gè)旋翼5的角速度，使所有旋翼5的推力產(chǎn)生一個(gè)凈推力。

2.3.4 陀螺檢測儀

在所述置物架7上設(shè)有陀螺檢測儀，陀螺檢測儀用于檢測置物架7的傾斜程度，以便及時(shí)對孔明燈裝置的飛行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整[5]。當(dāng)在孔明燈裝置上升或懸浮過程中，陀螺檢測儀檢測到由于不可抗力等意外因素的干擾導(dǎo)致孔明燈傾斜時(shí)，可通過控制器控制旋翼5的旋轉(zhuǎn)來使孔明燈裝置恢復(fù)正常姿態(tài)，保持孔明燈裝置的穩(wěn)定。此外，還可在置物架7上安裝定位裝置，通過遙控器實(shí)時(shí)查詢孔明燈裝置的位置，防止孔明燈裝置的丟失。

2.3.5 攝像頭

所述燃燒盒3的下方固定有與所述控制器連接的云臺(tái)9，云臺(tái)9上設(shè)有攝像頭8，通過云臺(tái)9和攝像頭8實(shí)現(xiàn)全方位拍攝的目的，置物架7上還可裝載空氣檢測設(shè)備，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測特定高度空氣的各項(xiàng)指標(biāo)，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過控制器發(fā)送至遙控器上顯示[6]，以此實(shí)現(xiàn)孔明燈裝置的多功能化利用。

2.3.6 支架

在具體實(shí)施時(shí)，還可在所述置物架7上固定設(shè)置一對用于支撐整個(gè)孔明燈裝置的支架6，所述支架6可由堅(jiān)硬的金屬絲制成，以便放置整個(gè)孔明燈裝置以及方便在回收孔明燈裝置時(shí)，使整個(gè)裝置平穩(wěn)落地。

3 結(jié)論

本裝置的設(shè)計(jì)是基于對市面上孔明燈的常見隱患進(jìn)行分析，通過遙控裝置對孔明燈的運(yùn)動(dòng)軌跡加以控制，將原本的孔明燈運(yùn)動(dòng)的不可測性通過遙控信號加以干涉，從而避免和大大減少因不可預(yù)知的因素對孔明燈的影響造成隱患的可能性。在我們享受節(jié)日帶來快樂的同時(shí)，保證了產(chǎn)品的安全。且產(chǎn)品在使用結(jié)束后，在保證燃料充足的情況下，依舊可以回收利用。提高資源利用率，減少環(huán)境污染。