基于无线遥控的孔明灯装置*
2022-06-24赵国栋郭趁趁许一靖李成林
赵国栋，郭趁趁，许一靖，李成林
(河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471023)
0 引言
孔明灯又叫天灯，是一种古老的汉族手工艺品。它象征着厄运的离去，好运的到来。在古代，多做军事用途；在现代，人们放孔明灯多做祈福用。在重大节日人们常会在公园、广场等公共场所放飞孔明灯，寓意向往美好生活的到来。但是，随着经济社会的发展,近年来被大量燃放,而且有愈演愈烈的趋势,造成的火灾事故也屡见不鲜[1]。现有的孔明灯在点火升空后，不受控制，在空中乱飞，由于孔明灯内含有燃烧的火料，乱飞的孔明灯容易落在高楼或者林木上，极容易造成部分地区火灾，此外，现有的孔明灯点火升空后因不受控制，最终会掉落损坏，多为一次性消耗品，造成大量的资源浪费和环境污染。
1 解决方案
为解决上述问题，本文提供一种基于无线遥控的孔明灯装置，其能够通过调节燃烧盒盖板的开合程度调整燃料的燃烧状态，从而通过调节灯罩内空气密度及浮力的大小控制孔明灯装置的升降，提高飞行的安全性，此外，还能够多次回收再利用，提高资源利用率，减少环境污染。
1.1 设计模块组成
基于无线遥控的孔明灯装置，包括置物架、通过支柱固定在置物架上的灯罩、固定在置物架上用于加热灯罩内空气的燃烧盒、以及遥控器。
所述燃烧盒的开口处设有用于调节进入燃烧盒空气量的盖板，盖板由设置在置物架上的驱动电机驱动，以完全盖合或者部分盖合在所述燃烧盒上[2]。
所述置物架还设有用于控制所述驱动电机的控制器。
所述遥控器与所述控制器无线通信连接，用于遥控所述控制器。
1.2 设计框架构成
所述盖板包括可开合连接的第一盖板和第二盖板，燃烧盒的外缘上设有与所述第一盖板固定连接的第一转轴以及与所述第二盖板固定连接的第二转轴，所述第一转轴固定连接所述驱动电机的输出轴，且第一转轴上设有第一齿轮，第二转轴上设有与所述第一齿轮啮合的第二齿轮。
所述第一盖板和第二盖板均为与燃烧盒开口尺寸相适配的半圆形。在置物架的四周均布有多个水平设置的旋翼，置物架上固定设有多个与旋翼数量匹配的空心杯电机，每个旋翼均由一个空心杯电机驱动，各空心杯电机均与所述控制器电路连接，所述旋翼共设有四个。
所述置物架上设有与所述控制器连接的高度传感器。并且置物架上还设有与所述控制器连接的陀螺检测仪，陀螺检测仪用于检测置物架的倾斜程度。所述燃烧盒的下方固定有与控制器连接的云台，云台上设有摄像头。所述置物架上固定设有一对用于支撑整个孔明灯装置的支架，来保证孔明灯在空中可以完全展开，增大其工作效果。
1.3 设计在实际应用上的优点
1)该装置可在燃烧盒上设置可以调节开合程度的盖板，通过遥控器控制盖板的开合程度以调节燃烧盒内燃料的燃烧状态，进而调节灯罩内的浮力大小，从而控制孔明灯装置的飞行高度，防止孔明灯装置在空中乱飞，提高孔明灯装置飞行的安全性。
2)该装置可通过在置物架上设置多个旋翼，每个旋翼由一个空心杯电机驱动，通过遥控器控制空心杯电机的转动，不仅可以有效调整孔明灯装置在空中的飞行姿态，还可以在孔明灯装置受意外因素干扰发生倾斜时及时做出调整，恢复孔明灯装置的正常姿态，进一步提高孔明灯装置飞行的安全性。
3)该装置可以控制孔明灯装置的飞行高度和飞行姿态，使孔明灯装置可以回收利用，从而提高资源利用率，减少对环境的污染。
基于无线遥控的孔明灯装置结构示意图如图1所示，图2为图1的仰视示意图。1为灯罩，2为盖板，3为燃烧盒，4为支柱，5为旋翼，6为支架，7为置物架，8为摄像头，9为云台。
图1 孔明灯装置结构示意图
图2 孔明灯装置结构示意图的仰视示意图
盖板的结构示意图，如图3所示，201为第一盖板，202为第一齿轮，203为第一转轴，204为第二转轴，205为第二齿轮，206为第二盖板。
图3 盖板结构示意图
2 具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本装置作进一步说明。
2.1 控制结构组成
基于无线遥控的孔明灯装置如图1、图2、图3所示，包括置物架7、通过支柱4固定在置物架7上的灯罩1、固定在置物架7上用于加热灯罩1内空气的燃烧盒3、以及遥控器，具体实施时，燃烧盒3可设置在置物架7的中心处，灯罩1通过四个固定在置物架7上的支柱4设置于燃烧盒3的正上方，灯罩1由高级防火阻燃纸制成。所述燃烧盒3的开口处设有用于调节进入燃烧盒3空气量的盖板2，盖板2由设置在置物架7上的驱动电机驱动，以完全盖合或者部分盖合在所述燃烧盒3上，以便调节进入燃烧盒3的空气量，调整燃烧盒3内燃料的燃烧状态。
2.2 具体控制作用
具体实施时，所述盖板2包括可开合连接的第一盖板201和第二盖板206，燃烧盒3的外缘上设有与所述第一盖板201固定连接的第一转轴203以及与所述第二盖板206固定连接的第二转轴204，所述第一转轴203固定连接所述驱动电机的输出轴，且第一转轴203上设有第一齿轮202，第二转轴204上设有与所述第一齿轮202啮合的第二齿轮205，当驱动电机转动时，驱动电机带动第一转轴203转动，第一齿轮202带动啮合的第二齿轮205转动，从而使第二转轴204带动第二盖板206转动，通过驱动电机控制第一盖板201与第二盖板206的开合程度实现精细化调节进入燃烧盒3内的空气量，以此控制燃烧盒3内燃料的燃烧状态，达到调节灯罩1内空气密度的效果，进而可以控制灯罩1内上升浮力的大小，实现整个装置高度的调节。所述第一盖板201和第二盖板206均为与所述燃烧盒3开口尺寸相适配的半圆形，第一盖板201和第二盖板206均为轻质金属板，方便了控制盖板201与盖板206之间的开合角度，以进一步提升调节进入燃烧盒3内空气量的精确度。
2.3 该装置上各设备的功能
2.3.1 无线控制
所述置物架7还设有用于控制所述驱动电机的控制器，所述遥控器与所述控制器无线通信连接，用于遥控所述控制器，具体实施时，所用的无线通讯模块可以是NRF24L01+PA+3 dbi天线[3]，操作人员站在地面通过遥控器遥控控制器实现对驱动电机的控制，实现对燃烧盒3内燃料燃烧状态的远程控制。
当孔明灯上升到一定位置后，通过遥控器控制控制器使驱动电机带动盖板2旋转，减少燃烧盒3内进气量，燃烧盒3内燃料不能充分燃烧，灯罩1内温度降低，浮力减少，孔明灯停止上升并开始下降，当孔明灯下降到一定高度时，通过遥控器控制控制器使驱动电机带动盖板2旋转，增加燃烧盒3内进气量，燃烧盒3内燃料燃烧状态得到改善，灯罩1内温度上升，浮力增加，孔明灯停止下降并开始上升，从而实现对孔明灯装置高度的可控调节，避免孔明灯装置在空中乱飞，进而提高孔明灯装置的安全性，避免因乱飞的孔明灯掉落在高楼或者林木上而引发部分地区火灾。
2.3.2 高度传感器
所述置物架7上设有与所述控制器连接的高度传感器，高度传感器用于检测整个孔明灯装置在空中的位置，当孔明灯上的高度传感器检测到孔明灯上升到指定的高度后，会发送信号给控制器，再由控制器发送数据给遥控器，遥控器收到信号后，控制控制器使驱动电机带动盖板2旋转，减少燃烧盒3内进气量，燃烧盒3内燃料不能充分燃烧，灯罩1内温度降低，浮力减少，孔明灯停止上升并开始下降，当孔明灯下降到一定高度时，遥控器控制控制器使驱动电机带动盖板2旋转，增加燃烧盒3内进气量，燃烧盒3内燃料燃烧状态得到改善，灯罩1内温度上升，浮力增加，孔明灯停止下降并开始上升，由此组成具有反馈的高度自动控制系统[4]，最终盖板2会在某一稳定位置不再移动，燃烧盒3内的进气量保持稳定，灯罩1内部保持一个稳定的温度，内部空气密度稳定，使孔明灯到达并稳定在设定的高度。
2.3.3 旋翼
在所述置物架7的四周均布有多个水平设置的旋翼5，置物架7上固定设有多个与所述旋翼5匹配的空心杯电机，每个旋翼5均由一个空心杯电机驱动，通过控制各旋翼5可以实现对整个孔明灯装置飞行姿态的调整，以便对整个孔明灯装置进行控制。具体实施时，旋翼5可以设置四个，还可以根据对飞行姿态调整的需求调整旋翼5的设置，例如若要增加使孔明灯装置悬停的需求，可将多个旋翼5中的部分旋翼5设置呈与其他旋翼5相反的旋转，即部分旋翼5呈顺时针旋转，部分旋翼5呈逆时针旋转，当孔明灯装置上升到一定高度后，开启各空心杯电机后使总力仍然等于孔明灯装置的重力，若要使孔明灯侧向飞行，可降低其中一个旋翼5的角速度，使所有旋翼5的推力产生一个净推力。
2.3.4 陀螺检测仪
在所述置物架7上设有陀螺检测仪，陀螺检测仪用于检测置物架7的倾斜程度，以便及时对孔明灯装置的飞行姿态进行调整[5]。当在孔明灯装置上升或悬浮过程中，陀螺检测仪检测到由于不可抗力等意外因素的干扰导致孔明灯倾斜时，可通过控制器控制旋翼5的旋转来使孔明灯装置恢复正常姿态，保持孔明灯装置的稳定。此外，还可在置物架7上安装定位装置，通过遥控器实时查询孔明灯装置的位置，防止孔明灯装置的丢失。
2.3.5 摄像头
所述燃烧盒3的下方固定有与所述控制器连接的云台9，云台9上设有摄像头8，通过云台9和摄像头8实现全方位拍摄的目的，置物架7上还可装载空气检测设备，进行实时监测特定高度空气的各项指标，并将监测到的数据通过控制器发送至遥控器上显示[6]，以此实现孔明灯装置的多功能化利用。
2.3.6 支架
在具体实施时，还可在所述置物架7上固定设置一对用于支撑整个孔明灯装置的支架6，所述支架6可由坚硬的金属丝制成，以便放置整个孔明灯装置以及方便在回收孔明灯装置时，使整个装置平稳落地。
3 结论
本装置的设计是基于对市面上孔明灯的常见隐患进行分析，通过遥控装置对孔明灯的运动轨迹加以控制，将原本的孔明灯运动的不可测性通过遥控信号加以干涉，从而避免和大大减少因不可预知的因素对孔明灯的影响造成隐患的可能性。在我们享受节日带来快乐的同时，保证了产品的安全。且产品在使用结束后，在保证燃料充足的情况下，依旧可以回收利用。提高资源利用率，减少环境污染。
