智能气球

    飞行一直是人类追逐的梦想，随着智能城市概念的提出，空地一体化的快速信息获取技术的需要越来越急迫。目前的空中设备多为卫星、无人机、四旋翼飞行器等，但这些飞行器很大一部分能量用来抵消自身重力，所以其功耗大，工作时间短。而气球作为一种低耗能的飞行器材，可利用氦气提供的浮力平衡系统的重力，故仅需要很小的动力即可用来抵消空气阻力维持其运动，所以成为很多研究者新的对象。

清华大学水利系2013级本科生苏洋、陈科迪、魏强强三名同学针对传统气象气球加以改造，对其飞行进行控制，从而不仅延长气球的使用寿命，使其可回收利用，更可以依此实现更多的功能。他们研发的“智能气球”不仅可以升空、着陆、悬停、航拍，还能实现PM2.5不同高程的浓度检测、大气成分分析与精准降雨等功能。

智能气球的缘起

2015年7月，苏洋、陈科迪与魏强强三名同学报名参加了水利系的科研项目，在河流研究所李铁键老师的指导下，研究水汽的高空传输过程。

在当下，观察水汽在高空传输过程，可以用最热门的四旋翼无人机，也可以通过最传统的高空气象探测气球。前者价格高昂，且受能耗、载重量的多重因素制约，后者虽价格便宜，可一旦放飞就无法收回再利用，气球在一定的高空会自行爆裂，在某一高程只能进行单次测量。且迫于单次放飞只能进行实时传输的压力，通过气球所能收集的数据着实有限。

                                          陈科迪（左）苏洋（右）

在激烈的商量探讨过后，团队决定自己研发一种智能气球，能放飞还能降落回收，通过传感器实时传输高空数据，不仅能耗小，在空中停留时间长，更极大地丰富了数据的收集量，可待气球落地后进行传输和分析，不受实时传输的容量限制。且若试验成功，亦能够增加许多后期的功能，将小小的气球发挥出巨大的效用。

                         实验中的一波三折

光有构思还不够，实践方能出真知。

研究团队通过淘宝购买了5个气象专用气球。直径从1米到3米不等，为了升到高空之中，气球中所填充的一般为分子量小的气体，如氢气和氦气。基于氢气有爆炸之虞，苏洋等人最终选择了氦气作为填充气体，“800块钱一钢瓶，一米多的气球可以充大约四次。”此外，为了检测气球的水平移动与垂直升降速度，团队购买了GPS和温度、压强传感器，而为了实现通讯和控制，则准备了微型处理器与GPRS等电子硬件。所有的材料并不是一步购买就能到位的，每当购买一个新的硬件时，团队需要进行反复的实验操作验证，以检验其合适性，有的硬件在地上测试的时候效果良好，一上天就不能用了。在挑选合适的传感器和测试器上，光是阀门和泵就买了不下十种。硬件的调试是一个复杂而漫长的过程。

脉脉

                                          脉冲控制悬停原理图

但光集齐硬件还不够，软件系统也是科研中的拦路虎。从零开始制作复杂的控制系统和通讯系统，对于毫无电路学、通讯学基础的水利系学生来说，是个不小的挑战。在陌生的领域里进行探索，除了李铁键老师给出的大方向的建议以外，只能自己买书，进行单片机的学习和实践。在项目开始推动的最初几个月里，陈科迪几乎每天都要去实验室学习编写调试代码，早出晚归，多的时候一天代码甚至要写上千行。此外，电路板的绘制，无线通讯的基础原理，也在团队成员孜孜不倦的学习下，被逐步掌握运用。

                                                                        智能气球飞行过程模拟

2015年12月末，在几个月的努力之后，团队第一次在校园内进行气球放飞。由于飞行的高度高达300米，苏洋等人担心气球会一去不复返，别出心裁地拴上绳子才进行放飞。在高空之中，智能气球很快出现了问题，传感器的耐寒度和电池续航时间都出现了问题，只能一次次更换试飞更换试飞，以矫正。但随着多次试飞调试，气球的性能越发稳定。2016年4月，在李铁键老师的联络牵头之下，研究团队第一次到天津蓟县进行野外的放飞实验。在空旷的平原上，气球逐渐平稳升空，数据传输稳定，就在众人以为实验将圆满完成的时候，却出现了一个大问题。

由于此前多次校内实验都很顺利，研究团队放松了警惕，此次放飞并没有给气球拴上绳子，就在气球即将降落之际，突然出现了一股强风，将之卷到天际，实验人员只得目送气球渐渐消失。在对此次失败进行仔细的分析之后，团队得出结论：虽然突遭强风是失败的重要原因，但也同时暴露出了气球泄气速度过慢导致自然环境抵抗力弱、升空后只能降落无法调整姿态的缺陷。“之前在学校里实验，教学楼相对密集，没有空旷的自然风，没有发现这个问题。”苏洋说。

                                               智能求改进版控制系统

                        智能气球前景展望

在吸取了此次的教训之后，研究团队将气球的泄气速率和控制、通讯系统都加以改进，得到了性能更佳的“智能气球”，可以被运用在监测PM2.5含量与CO₂含量随高程的变化关系，并进行了航拍测试。

最终，“一种可控升降和落点范围的多功能智能气球”项目在清华大学第三十四届“挑战杯”学生课外科学技术作品竞赛中获得一等奖，给研究团队带来了巨大的荣誉，而项目从无到有的进展过程也给成员们带来了不小的成就感。但在苏洋看来，“智能气球”的征程才刚开始：“智能气球还可以做更多的工作，比如城市巡逻，采集高空气体样本带回地面进行精确分析，携带碘化银至高空湿气团实现精确人工降雨作业等。气球有着更加广阔的应用前景，希望我们的工作能够为气球这个原始的飞行工具带来新的活力。”

                                                                                 智能气球拍摄的全景图                  

                                                                                               （水利系校友会学生记者王晓维、尤日淳供稿）