CN102272003A - 带有柔性机翼的飞行器的自动起飞方法、帆和飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有柔性机翼的飞行器的自动起飞的方法，其中所述飞行器包括由吊件悬挂在帆上的小车。根据该方法：为所述小车装备自动驾驶仪，该自动驾驶仪控制作用于所述吊件的致动器；为所述帆装备机翼高度传感器，该机翼高度传感器包括双轴加速度计和双轴陀螺测试仪，以及用于与所述自动驾驶仪通信的装置，其中所述陀螺测试仪能够确定帆参考系相对于地面的位置；当起飞时，收集来自于所述机翼高度传感器的信息，以将其传输给自动驾驶仪，以向所述致动器发出指令。本发明还涉及一种实施该方法的帆，其包括带有惯性仪的机翼高度传感器，该惯性仪带有双轴加速度计和双轴陀螺测试仪，以及用于与自动驾驶仪通信的装置。本发明还涉及一种包括这种帆的飞行器。

Description

带有柔性机翼的飞行器的自动起飞方法、帆和飞行器

技术领域

本发明涉及包括至少一个帆（voile）的、带有柔性机翼的飞行器或无人机的自动起飞的管理方法，飞行器或无人机包括至少一个由吊件悬挂在至少所述帆上的小车（chariot）或背带装置（harnais）。

本发明还涉及用于实施该方法的帆。

本发明还涉及带柔性机翼的飞行器或无人机，其包括至少一个由吊件悬挂在至少一个所述帆上的小车或背带装置，所述小车或背带装置包括自动驾驶仪，其被设计为能够对所述无人机或飞行器所包括的致动器发出指令，以作用于所述吊件，或/和作用于驱动装置或/和作用于舵面。

本发明涉及带有柔性机翼的飞行器领域，所述飞行器包括背带装置或小车（以下称为小车），以承载负荷或/和人员，该小车悬挂在升力柔性机翼下，该升力柔性机翼与山崖跳伞的翼相似，以下称为帆，其优选地包括驱动装置。在驱动装置发生故障的情况下柔性机翼因此提供了高的安全性。

背景技术

由文档WO93/01087已知一种这样的飞行器。

尤其是机动化的、带有柔性机翼的飞行器或无人机能够执行不同性质的任务，如运输人员、材料，海上救援，观察和监测地面、火灾、边境、交通，航空摄影，采集样本，测量物理量，气象学，污染或传染区域的干预，空中作业，跳伞，空投，军事应用或类似的任务。这种可以在有驾驶员或者没有驾驶员的情况下使用的飞行器是很有利的，具有高度的独立性，运输每千克的成本很低，并且承载能力强。

没有驾驶员情况下的使用允许增加有效负荷。因此，飞行器具有非常特别的优点，特别地能够为前方救援站补给或类似目的运输危险材料，尤其是燃料。同样地，它还可以用于污染或辐射区域，例如用于采集样本、拍照、测量物理量或类似的用途。

然而，对于带柔性机翼的飞行器，就某些飞行阶段需要驾驶员的一定的技巧或在飞行器例如是无线电控制时需要远程驾驶员（télé –pilote）的一定的技巧而言，驾驶的人体工程舒适性一直是主要的困扰。事实上，对于该仪器的起飞，通常至少一个远程驾驶员是必不可少的，该仪器的起飞是需要很大的精确度和很多经验的棘手操作。对于起飞，希望在飞行器起飞的地面上有远程驾驶员。

带柔性机翼的、无驾驶员的飞行器或无人机的起飞、尤其是自动起飞是特别棘手的。事实上，帆被设计为能够被相对风所鼓起，相对风产生承载负荷所需的升力，负荷由借助吊件悬挂在所述帆下的小车所构成。该小车在地面上可以通过滚动或滑动或相似的方式来活动，其被设计为能够承载有效负荷，并且具有用于牵引或推进的装置，尤其是发动机,其允许产生保持飞行或/和起飞所需的能量。帆的鼓起可以通过例如鼓风机或斜面的附属装置来实现。然而，这种无人机或飞行器的真正独立性要求其包括机动化装置。

通常，为了使带柔性机翼的飞行器或无人机起飞，帆被置于小车后面的地面上，启动发动机并使其加速。这样产生的相对风使置于小车上的帆鼓起。在滑行数米之后，整体就可以起飞。在一个变型中，小车通过牵引或推进装置（例如：绞车或相似装置）来驱动，这允许展开帆并且将其在小车上方升起。

实际上，当小车加速时，不被控制的机翼表现混乱，并且遭受尤其是自我放大的晃动、闭合、方向改变等故障，这可能会引起小车的翻转，或者造成能够导致仪器毁坏的晃动运动。同样地，在强烈的侧向风的情况下，帆的鼓起被干扰，这体现在帆相对于小车偏离。滚动和俯仰现象使得飞行器难以控制，且会使起飞失败。如果起飞操作由远程控制来实现，相关的延迟和远程驾驶员的错误预判会放大晃动现象。

在更加先进的仪器版本中，为了允许自动化的工作，小车设有一个或多个高度感应器和传感器，例如磁力计、遥测计、动态和静态压力测量传感器、“GPS”或类似装置。这些感应器和传感器告知自动驾驶仪，该自动驾驶仪被设计为能够向致动器发出指令，这些致动器管理飞行控制，尤其是一方面的推进或牵引驱动装置的控制，和另一方面的作用于吊件（例如：千斤顶、卷绕机、机翼制动器或类似装置）的控制。在以下说明中，小车高度传感器指的是装载在小车中的高度传感器，其包括例如测斜计或类似装置的传感器，以测量在小车轴和绝对地面参考系之间的移动角度或/和速度。

已知的带柔性机翼的飞行器不可以使用小车的小车高度传感器来干预起飞参数。事实上，这种飞行器类型的困难在于，在鼓起帆、将帆升到小车之上、将帆竖直地置于小车上和滚动或滑动的整个阶段中，容纳有高度传感器的小车不飞行，而翼本身已经在飞行。因此，小车的高度传感器不能够描述帆的工作状态。

发明内容

本发明旨在通过使完全可靠并不需要机载或起飞地点驾驶员技能的自动起飞变得可能，来解决该问题。本发明涉及开发一种相对于帆相对地面参考系的运动同步的、或至少具有非常快速反应的起飞管理方法。

本发明还旨在通过准许完全自动的起飞来方便使用带柔性机翼的飞行器。

为此，本发明涉及包括至少一个帆的、带柔性机翼的飞行器或无人机的自动起飞的管理方法，所述飞行器或无人机包括至少一个由吊件悬挂在至少所述帆上的小车或背带装置，所述方法的特征在于：

-为所述小车或背带装置装备至少一个自动驾驶仪，该至少一个自动驾驶仪被设计为能够向所述无人机或飞行器所装备有的致动器提供运动指令，以至少作用于所述吊件；

-为所述帆装备至少一个机翼高度传感器，该至少一个机翼高度传感器在至少两个轴上包括至少一个加速度计，在至少两个轴上包括至少一个被设计为能够确定所谓的帆参考系相对于地面参考系的位置的陀螺测试仪，并包括用于与所述自动驾驶仪通信的装置；

-至少在所述无人机或飞行器起飞时，收集来自于所述机翼高度传感器的信息，以将其传递给自动驾驶仪，以向所述致动器发出指令。

本发明还涉及用于实施该方法的帆，其特征在于，其包括至少一个机翼高度传感器，该至少一个机翼高度传感器自身包括机载惯性仪，该惯性仪在至少两个轴上装备有至少一个加速度计，并在至少两个轴上装备有至少一个陀螺测试仪，所述帆的特征还在于，其还包括用于与自动驾驶仪通信的装置。

本发明还涉及一种带柔性机翼的飞行器或无人机，其包括至少一个由吊件悬挂在至少一个如上述权利要求所述的帆上的小车或背带装置，所述小车或背带装置包括所述自动驾驶仪，该自动驾驶仪被设计为能够向所述无人机或飞行器所包括的致动器发出指令，以作用于所述吊件，或/和作用于驱动装置或/和作用于舵面，所述带柔性机翼的飞行器或无人机的特征在于，所述通信装置被设计为能够传输来自于所述机翼高度传感器的信息，以将其传递给所述自动驾驶仪，以向所述致动器发出指令。

本发明包括起飞参数的管理软件，以借助于使用惯性仪来确保可靠和稳定的起飞。该参数控制为驾驶员提供了宝贵的帮助。其还允许不需要驾驶员。

阅读以下解释本发明的一个非限制性实施例的说明，本发明的其他特征将变得显而易见。

具体实施方式

本发明涉及带柔性机翼的飞行器或无人机（以下称为飞行器）的起飞的自动化。所述飞行器包括至少一个小车或背带装置（以下称为小车），其由吊件悬挂在至少一个帆上。该小车包括被设计为能够向不同的致动器发出指令的自动驾驶仪。

自动驾驶仪为装备有软件的计算器，该软件被设计为能够处理：传感器信号，尤其是来自于至少一个惯性仪的陀螺仪信号、加速度计信号和磁力计信号；来自于“GPS”的定位信号；其他传感器（例如：测高仪、升降速度仪、燃料测定仪、速度仪，或其他传统航空机载仪器）发出的信号，尤其是发动机数据；或视觉元件、雷达或类似装置所发出的信号。因此，软件被用于处理为信号为测量值的物理量，将其与整定值（consigne）比较，并且生成用于控制致动器（例如：伺服机构、千斤顶或其他装置）的信号。这些致动器被设计为能够作用于吊件，如果飞行器包括驱动装置就能够作用于驱动装置，并且能够作用于其他装置（例如：导向装置、机翼制动装置、飞行控制装置、舵面或类似装置）。

根据本发明的起飞管理方法使用所述的自动驾驶仪，其目的在于管理所述致动器，以至少在起飞阶段以合适的方式作用于飞行控制，甚至作用于其他飞行阶段。

根据本发明，包括至少一个帆的、带有柔性机翼的飞行器或无人机的自动起飞管理方法在于实现以下操作，其中所述飞行器或无人机包括至少一个由吊件悬挂在至少所述帆上的小车或背带装置：

-为所述小车或背带装置装备至少一个自动驾驶仪，该至少一个自动驾驶仪被设计为能够向所述无人机或飞行器所装备有的致动器发出运动指令，以至少作用于所述吊件；

-为所述帆装备至少一个机翼高度传感器，该至少一个机翼高度传感器在至少两个轴上包括至少一个加速度计，在至少两个轴上包括至少一个被设计为能够确定所谓的帆参考系相对于地面参考系的位置的陀螺测试仪，并包括用于与所述自动驾驶仪通信的装置；

-至少当所述无人机或飞行器起飞时，收集来自于所述机翼高度传感器的信息，以将其传递给自动驾驶仪，以向所述致动器发出指令。

根据本发明，设计为用于实施所述方法的帆包括至少一个机翼高度传感器，该至少一个机翼高度传感器自身包括机载惯性仪，该惯性仪在至少两个轴上装备有至少一个加速度计，并在至少两个轴上装备有至少一个陀螺测试仪，所述帆的特征在于，其还包括用于与自动驾驶仪通信的装置。

轴系统包括优选地沿着重力方向的第一轴，以及相互不重合的、优选地是水平的另外两个轴。优选地为了简化计算，但非必须地，轴系统的三个轴被选择为彼此正交。可以理解，优选地而非必须地，在其上收集加速度计信号和陀螺测试仪信号的两个轴是相同的。因此，惯性仪在至少两个轴上装备有至少一个加速度计，并且在至少所述相同的两个轴上装备有至少一个陀螺测试仪。

在一个特定的实施例中，为帆装备至少一个机翼高度传感器，其在三个轴上包括至少一个加速度计，并在三个轴上包括至少一个被设计为能够确定帆参考系相对于地面参考系的位置的陀螺测试仪，以及包括用于与自动驾驶仪通信的装置。

机翼高度传感器优选地安装在帆本身的中心，因此被设计为同时是轻的且坚固的，沿着至少两个轴包括至少一个加速度计，并沿着优选地是与加速度计相同的轴相同的至少两个轴包括至少一个陀螺测试仪。机翼高度传感器通过例如“蓝牙”发射器的通信装置、或其他无线电频率、或导线来发送呈原始数据形式的、关于在帆鼓起阶段、帆布置在小车上方的阶段、滑行直至起飞的阶段帆高度的信息。自然地，如果希望，机翼高度传感器可以在整个飞行阶段发送相同类型的信息。

为了允许实施根据本发明的方法，通信装置被设计为能够传输来自于机翼高度传感器的信息，以将其传递给自动驾驶仪，以向致动器发出指令。

根据本发明，从机翼高度传感器向自动驾驶仪传输原始惯性测量值，自动驾驶仪通过以最优化的方式估计帆的角速度和高度来处理所述测量值，其中所述估计通过积分由陀螺测试仪所提供的角速度和根据加速度计测量值确定重力方向来实现。

这些原始数据被过滤，以为传感器的误差和不确定性建模。过滤之后的值被发送到自动驾驶仪，该自动驾驶仪解读这些值，并向作用于飞行控制的致动器发送合适的指令。

自动驾驶仪还被设计为能够控制所述无人机或飞行器所包括的致动器，以便在飞行器包括内部驱动装置时作用于内部驱动装置或/和在飞行器包括舵面时作用于舵面。

根据情况，飞行器包括被设计为能够允许其起飞的内部驱动装置、或/和与被设计为能够允许其起飞的外部驱动装置（例如：绞车或类似装置）连接的装置。因此，根据内部或/和外部情况，致动器被设计为能够控制驱动装置。

在一个特定的实施例中，飞行器还包括致动器被设计为能够控制的导向装置、或/和机翼制动装置、或/和飞行控制装置、或/和舵面。因此，当飞行器包括导向装置、或/和机翼制动装置、或/和飞行控制装置、或/和舵面时，自动驾驶仪被设计为能够控制这些装置。

牵引或推进装置的管理、尤其是热机的气体或电机的转速或类似物的管理因此本身也是自动的。由此，驾驶员、操作员或远程驾驶员只要致动例如控制按钮或类似物的、构成传递装置的发动装置，就可以使飞行器起飞。

机翼高度传感器包括至少一个“IMU”（惯性测量单元，英文为“Inertial Measurement Unit”）惯性仪，其优选地基于使用三轴加速度计和三轴陀螺测试仪的“MEMS”技术。该惯性仪与通信模块关联。通信可以无线或有线地实现。这样，惯性仪将原始惯性测量值传输给自动驾驶仪，自动驾驶仪根据这些值以最优化的方式来估计帆的高度及其角速度。

“MEMS”技术是优选的，因为其允许机翼高度传感器在尺寸和重量方面上的微型化，这是所希望的，以免改变帆的特性（profil）和干扰飞行中的帆。

自动驾驶仪使用专用软件，其通过积分由所选择的轴系统的至少两个轴或三个轴上的陀螺测试仪所提供的角速度来估计帆的高度。加速度计允许确定重力方向，因此提供稳定的参考。软件进行这些数据的过滤，以确定高度和旋转速度的最优估计值。其还通过为每个感应器估计偏差和比例系数来实现惯性测量的标定。

为此，自动驾驶仪由用于计算发送给致动器的指令数值的有限元积分程序来控制，所述程序基于欧拉角理论、或者四元理论或方向余弦理论。

根据这些测量值，自动驾驶仪确定适宜发送给致动器、尤其是发送给帆的机翼制动器的千斤顶的合适指令，以将帆修正于能够允许起飞的角位置上。千斤顶指令的计算有利地考虑小车的移动速度。事实上，小车的速度越高，越应该精细地控制帆。

为了摆脱与三维高度确定相关的、不可避免的数学奇点，所开发的过滤优选地基于四元群。选择该数学工具，是因为其允许在数值计算中具有更好的稳定性。

在帆中集成惯性仪允许精确地确定其位置，以及其俯仰角速度和滚动角速度。

因此，自动驾驶仪既可以控制要在提升机和帆上实施的操作，也可以控制要在机动化装置上实施的操作，以及要在例如导向装置的小车引导装置上实施的操作。自动驾驶仪还可以为在机上的驾驶员显示要进行的操作或矫正。但是，优选地，应避免产生干扰的任何人为控制。使用本发明允许持续地进行帆相对于地面的重新定心，并因此准许实现优化的起飞。

控制原理如下：

-如果帆偏移中心，则机翼制动指令被发送给位于相反侧的机翼制动器；

-如果帆倾向于远离其理想位置，则适当的修正指令被发送给控制。这对于起飞阶段和飞行阶段是一样的；

-在俯仰情况下，在机翼制动器上的联合作用允许控制位置；

-如果帆和小车不是一个在另一个下方地居中，则旋转指令被发送给方向轮。

特别地，如有必要，自动驾驶仪能够作用于飞行器可能包括的舵面，在例如附接于小车的尾翼或类似处。

可以理解，所有这些动作的组合倾向于再现人类驾驶员会做的动作。

在一个特定的变型中，小车包括至少一个小车高度传感器，其被设计为能够确定小车参考系相对于地面参考系的位置，并且还包括自动驾驶仪，其被设计为能够向该飞行器所包括的致动器发出指令，以作用于这些吊件。在该变型中，自动驾驶仪被设计为能够在传输装置上的动作的作用下切断由小车高度传感器所提供的信息，并且将其替换为由插入到帆本身中的机翼高度传感器所提供的信息，以向致动器发出指令。

为此，飞行器还包括切换装置，其被设计为能够给予机翼高度传感器高于小车高度传感器的优先权，以通知自动驾驶仪并生成由自动驾驶仪发送给致动器的指令。

因此，自动起飞管理方法由以下步骤来完善：

-为所述小车或背带装置装备至少一个小车高度传感器，该至少一个小车高度传感器被设计为能够确定小车参考系相对于地面参考系的位置；

-至少当所述无人机或飞行器起飞时，使用切换装置，以给予机翼高度传感器高于小车高度传感器的、与自动驾驶仪通信以向致动器发出指令的优先权。

可以理解，在帆由于安全性而装备有多个机翼高度传感器的情况下，或/和在小车装备有多个自动驾驶仪的情况下，优先规则被确定为给予一个机翼高度传感器高于其他的优先权、或/和给予一个自动驾驶仪高于其他的优先权，飞行器因此装备有管理和传输装置，以应用这些优先权的实施。

本发明在其不同形式下的实施允许在地面阶段和飞行阶段中保持帆和小车一个在另一个下方。自动驾驶仪尤其能够验证小车的惯性中心相对于帆的推力中心的相对位置。

由于根据本发明的自动起飞方法允许摆脱驾驶员的存在，该方法还允许在视为危险的情况下、尤其是山崖跳伞或动力飞行伞测试的情况下使用。事实上，存在相对于人工驾驶的大优点：在控制上动作的重复性、飞行参数和关联动作可能的记录以及因此的事后分析能力、容易地可调的飞行器质量、消除人员事故风险、在任意地面上的试飞。

总之，本发明准许合适地装备有柔性机翼的飞行器在极好的安全性条件下以低成本来完全自动地起飞。

Claims (12)

1. 一种包括至少一个帆的、带有柔性机翼的飞行器或无人机的自动起飞的管理方法，所述飞行器或无人机包括至少一个由吊件悬挂在至少所述帆上的小车或背带装置，所述方法的特征在于：

-为所述小车或背带装置装备至少一个自动驾驶仪，该至少一个自动驾驶仪被设计为能够向所述无人机或飞行器所装备有的致动器发出运动指令，以至少作用于所述吊件；

-为所述帆装备至少一个机翼高度传感器，该至少一个机翼高度传感器在至少两个轴上包括至少一个加速度计，在至少两个轴上包括至少一个陀螺测试仪，并包括用于与所述自动驾驶仪通信的装置，其中所述至少一个陀螺测试仪被设计为能够确定帆参考系相对于地面参考系的位置；

-至少在所述无人机或飞行器起飞时，收集来自于所述机翼高度传感器的信息，以将该信息传递给自动驾驶仪，以向所述致动器发出指令。

2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述机翼高度传感器向所述自动驾驶仪传输原始惯性测量值，所述自动驾驶仪通过以最优化的方式估计所述帆的角速度和高度来处理原始惯性测量值，该估计是通过积分由所述陀螺测试仪所提供的角速度和根据所述加速度计的测量值来确定重力方向而实现的。

3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述自动驾驶仪由有限元积分程序来控制，用于计算向所述致动器发出的指令的数值，所述有限元积分程序基于欧拉角理论、或四元理论、或方向余弦理论。

4. 如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述自动驾驶仪来控制所述飞行器或无人机所包括的致动器，以便在所述飞行器或无人机包括内部驱动装置的时候作用于内部驱动装置、或/和在所述飞行器或无人机包括舵面的时候作用于舵面。

5. 如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述飞行器或无人机包括导向装置、或/和机翼制动装置、或/和飞行控制装置、或/和舵面的时候，还通过自动驾驶仪来控制导向装置、或/和机翼制动装置、或/和飞行控制装置、或/和舵面。

6. 如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：

-为所述小车或背带装置装备至少一个小车高度传感器，该至少一个小车高度传感器被设计为能够确定小车参考系相对于地面参考系的位置；

-至少在所述飞行器或无人机起飞时，使用切换装置，以给予所述机翼高度传感器高于所述小车高度传感器的、与所述自动驾驶仪通信以向所述致动器发出指令的优先权。

7. 如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

-为所述帆装备至少一个机翼高度传感器，该至少一个机翼高度传感器在三个轴上包括至少一个加速度计，在三个轴上包括至少一个陀螺测试仪，并包括用于与所述自动驾驶仪通信的装置，其中所述至少一个陀螺测试仪被设计为能够确定帆参照系相对于地面参照系的位置。

8. 一种用于实施所述方法的帆，其特征在于，所述帆包括至少一个机翼高度传感器，该至少一个机翼高度传感器本身包括机载惯性仪，该机载惯性仪在至少两个轴上装备有至少一个加速度计，在至少两个轴上装备有至少一个陀螺测试仪，所述帆的特征还在于，所述帆还包括用于与自动驾驶仪通信的装置。

9. 一种带有柔性机翼的飞行器或无人机，包括至少一个由吊件悬挂在至少一个如权利要求8所述的帆上的小车或背带装置，所述小车或背带装置包括所述自动驾驶仪，该自动驾驶仪被设计为能够向所述飞行器或无人机所包括的致动器发出指令，以作用于所述吊件或/和作用于驱动装置或/和作用于舵面，所述飞行器或无人机的特征在于，所述通信装置被设计为能够传输来自于所述机翼高度传感器的信息，以将该信息传递给所述自动驾驶仪，用于向所述致动器发出指令。

10. 如权利要求9所述的带有柔性机翼的飞行器或无人机，其特征在于，所述飞行器或无人机还包括被设计为能够允许其起飞的内部驱动装置，或/和与被设计为能够允许其起飞的外部驱动装置连接的装置，所述外部驱动装置例如为绞车或类似装置，所述飞行器或无人机的特征还在于，根据内部或/和外部情况，所述致动器被设计为能够控制所述驱动装置。

11. 如权利要求9或10所述的带有柔性机翼的飞行器或无人机，其特征在于，所述飞行器或无人机还包括舵面，或/和导向装置，或/和机翼制动装置，或/和飞行控制装置，所述飞行器或无人机的特征还在于，所述致动器被设计为能够控制。

12. 如权利要求9至11中任一项所述的带有柔性机翼的飞行器或无人机，其特征在于，所述小车或背带装置包括小车高度传感器，该小车高度传感器被设计为能够确定小车参考系相对于地面参考系的位置，所述飞行器或无人机的特征还在于，所述飞行器或无人机还包括切换装置，该切换装置被设计为能够给予所述机翼高度传感器高于所述小车高度传感器的优先权，以通知所述自动驾驶仪，并生成由所述自动驾驶仪发送给所述致动器的指令。