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。

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。

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。

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。

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。