CN102765480A - 新型降落伞自动开伞装置及其高度检测方法 - Google Patents

Abstract

新型降落伞自动开伞装置及其高度检测方法，属跳伞安全技术领域。以0g加速度传感器测量加速度值，当跳伞员跳离飞机的加速度变为重力加速度g时触发系统计时，根据测算的时间-高度的关系系统计算出跳伞员下落的高度，当到达危险高度后，系统发出信号并系统执行弹出降落伞。本发明包括高度检测系统和降落伞自动弹出系统。在跳伞运动员下落到危险高度后，自动打开降落伞，保证人员安全。本发明还可推广作为电梯的附加保护装置。

Description

新型降落伞自动开伞装置及其高度检测方法

技术领域

本发明技术领域所属跳伞安全技术领域，具体为是新型降落伞自动开伞装置及其高度检测方法。 

背景技术

现在降落伞上配备AAD(automatic active device)装置，即自动开伞器，自动开伞器是在运动员或双人伞教练在空中发生意外时，可以在特定的高度速度比例值达到一个临界点的情况下自动打开降落伞的备份伞，来保证跳伞人的安全，该传统装置是通过检测气压得到高度值的原理来工作。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型降落伞自动开伞装置及其高度检测方法，在跳伞运动员下落到危险高度后，自动打开降落伞，保证人员安全。 

本发明应用于降落伞自动开伞的高度检测方法，其技术方案是：以0g加速度传感器测量加速度值，当跳伞员跳离飞机的加速度变为重力加速度g时触发系统计时，根据测算的时间-高度的关系系统计算出跳伞员下落的高度，当到达危险高度后，系统发出信号并系统执行弹出降落伞。 

本发明新型降落伞自动开伞装置，其技术方案是：包括高度检测系统和降落伞自动弹出系统。所述高度检测系包括0g加速度传感器和直流电机驱动电路和微处理器，所述加速度传感器和微处理器的输入端连接，所述直流电机驱动电路与微处理器的输出端连接。所述降落伞自动弹出系统包括直流电机3、质量块1、弹簧5、弹簧插销2、软绳6、定滑轮7、外壳8和软绳9；所述直流电机3固定在外壳8上；所述质量块1和弹簧5置于外壳8轴向腔体内，弹簧5由质量块1压紧且径向由弹簧插销2限位；弹簧插销2与软绳6的一端连接，软绳6另一端绕在电机主轴上，软绳6的中间段经过定滑轮7；质量块1顶端的钩环4通过软绳9和阻力伞相栓连。高度检测系统的直流电机驱动电路和降落伞自动弹出系统的直流电机3相连。 

本发明原理是，利用0g加速度传感器，根据下落时间来测量跳伞员下落的高度，判断是否达到危险高度而尚未打开降落伞： 

（1）以0g加速度传感器触发，当加速度变化为重力加速度g时开始计时，即：当运动员在飞机水平飞行时，竖直加速度为0，故而从飞机上跳下时，可以通过0g 加速度传感器检测 出加速度由0瞬变到9.8m/s²，然后开始计时；

（2）由位移-时间关系，经过一定时间后，运动员下降到开伞高度，检测装置检测是否已打开降落伞，如果没有，则自动打开，保证跳伞安全。达到危险高度尚未打开降落伞，微处理器发出信号驱动直流电机拉出弹簧插销，弹簧弹出质量块从而拉出与之相连的降落伞伞包插销，弹出降落伞。

本发明首次利用下落时间与下落高度的关系来测量跳伞的下落高度，在达到危险高度后，若跳伞员仍未打开降落伞，那么高度检测系统就向降落伞自动弹出系统发出信号，降落伞自动弹出系统执行弹出降落伞。 

而传统跳伞用高度计，是基于气压测量高度。受天气影响大，如果气压影响因素变化大，需要不断对高度计进行校正，对高度的测量不如本方法简单可靠。 

本发明装置应用面广，可以作为电梯的附加保护装置，如果电梯由于严重故障下落，该装置即可检测到加速度变化，发出信号避免伤亡。 

附图说明

图1本发明跳伞开伞装置原理框图。 

图2为是降落伞自动弹出系统机械装置示意图。 

图3为位移-时间曲线。 

图4所示两种运动员的姿态：水平飞行态和加速态。 

标记说明：质量块1、弹簧插销2、直流电机3、钩环4、弹簧5、软绳6、定滑轮7、外壳8、软绳9。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明技术方案作进一步说明。 

如图1所示跳伞开伞装置原理框图：本发明利用下落时间来测量下落高度，受外界影响主要是来自空气阻力，而空气阻力的不确定性仅仅只受风阻系统C_D的影响。 

任何物体的风阻系数都由两个因素影响：物体表面的摩擦形式和物体的形状。在跳伞运动中，运动员的姿态较固定，主要是如图4所示的水平飞行态和加速态，它们形态的的风阻面积都可以测定，而人体的风阻摩擦也是固定的，所以，整个测量过程受外接影响小。本发明采用时间测量也是精确可靠的。 

本发明装置包括高度检测系统和降落伞自动弹出系统。 

所述高度检测系为本发明核心的电控系统，是由0g加速度传感、微处理器、直流电机驱动电路和外围电路组成，这部分结构和功能的实现皆采用现有技术，不是本发明对现有 技术的贡献部分。 

所述高度检测系包括0g加速度传感器和直流电机驱动电路和微处理器，所述加速度传感器和微处理器的输入端连接，所述直流电机驱动电路与微处理器的输出端连接。 

降落伞自动弹出系统是一套轻便简单的机械装置，如图2所示，包括直流电机3、质量块1、弹簧5、弹簧插销2、软绳6、定滑轮7、外壳8和软绳9；所述直流电机3固定在外壳8上；所述质量块1和弹簧5置于外壳8轴向腔体内，弹簧5由质量块1压紧且径向由弹簧插销2限位；弹簧插销2与软绳6的一端连接，软绳6另一端绕在电机主轴上，软绳6的中间段经过定滑轮7（定滑轮7可固定在整个装置的外壳8上）；质量块1顶端的钩环4通过软绳9和阻力伞（图中未示）相栓连。直流电机驱动电路和直流电机3相连。当直流电机收到信号开始转动，直流电机转动绕紧软绳6将插销2拉出，然后弹簧5将物块4弹出，即将阻力伞拉出，达到弹出降落伞的目的。阻力伞为现有技术，非本发明对现有技术的贡献部分，所以其结构、功能、使用情况皆为公知内容。 

实际跳伞运动中，跳伞运动员在打开降落伞之前并不是做自由落体运动的，在运动员不断下落的过程中，其下落速度逐渐增加，因而所受到的空气阻力F_D也不断增加。所以，根据牛顿第二定律，有： 

ma＝F_D-F_G     (1)

m-运动员及其装备的整体质量

a-下落的瞬时加速度

F_D-空气阻力

F_G-运动员及其装备的整体所受重力

由于在地表附近，任何自由落体的加速度约为9.8m/s²，与其质量无关。由(1)可以看出，随着空气阻力F_D增大，最终运动员将会达到一个“终点速度”(terminal velocity)，约为56m/s。 达到该“终点速度”受很多因素影响，如：质量，风阻系数，地球表面的位置，足够的下落高度等等。

将（1）式变形，代入阻力和重力具体参数，得到如下方程： 

$m\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{C}_D{\mathrm{Av}}^2-\mathrm{mg}---\left(2\right)$

其中，

ρ-空气密度，大气空气密度约为1.22kg/m³

C_D-风阻系数，跳伞运动员的风阻系数在1.1~1.3

A-跳伞运动员整体横截面积

v-下落的瞬时速率

在空气密度一定的情况下，运动员由一定高度由静止下落，速率方程为：  

$v\left(t\right)=-v_{\∞}\tanh \left(\frac{\mathrm{gt}}{v_{\∞}}\right)---\left(3\right)$

其中，

V∞-为“终点速度”

g-为重力加速度， 9.8m/s²

由上面的分析可知，达到“终点速度”的条件是：  

F_D-F_G=ma=0       (4)

代入F_D=1/2ρC_DAV²，F_G=mg 得，

$v_{\∞}=\√\left(\frac{2\mathrm{mg}}{\mathrm{\ρ}{C}_{D}A}\right)---\left(5\right)$

则，可以得到位移时间关系：

$y=h-\frac{v_{\∞}^2}{g}\ln \cosh \left(\frac{\mathrm{gt}}{v_{\∞}}\right)---\left(6\right)$

其中，

h-为跳伞高度

y-为瞬时高度

通常，跳伞高度h=3000m，跳伞达到的“终点速度”V∞约为56m/s,地表重力加速度g=9.8m/s²,代入式（6） 得，

$y=3000-\frac{{56}^2}{9.8}\ln \cosh \left(\frac{9.8t}{56}\right)---\left(7\right)$

绘制出位移-时间曲线如图3。

在跳伞运动中，运动员在离地面760m时打开降落伞，即y=760,代入式（7），反解时间t，得到t=43.96s， 

即，从3000m高度跳伞，在0g加速度传感器检测到加速度变为g时计时，计时到43.96s时触发中断，打开降落伞，开始安全减速下降。 

Claims (2)

1.一种应用于降落伞自动开伞的高度检测方法，其特征在于，以0g加速度传感器测量加速度值，当跳伞员跳离飞机的加速度变为重力加速度g时触发系统计时，根据测算的时间-高度的关系系统计算出跳伞员下落的高度，当到达危险高度后，系统发出信号并系统执行弹出降落伞。

2.一种实现权利要求1检测方法的新型降落伞自动开伞装置，其特征在于，包括高度检测系统和降落伞自动弹出系统，

所述高度检测系包括0g加速度传感器和直流电机驱动电路和微处理器，所述加速度传感器和微处理器的输入端连接，所述直流电机驱动电路与微处理器的输出端连接， 

所述降落伞自动弹出系统包括直流电机（3）、质量块（1）、弹簧（5）、弹簧插销（2）、软绳（6）、定滑轮（7）、外壳（8）和软绳（9）；所述直流电机（3）固定在外壳（8）上；所述质量块（1）和弹簧（5）置于外壳（8）轴向腔体内，弹簧（5）由质量块（1）压紧且径向由弹簧插销（2）限位；弹簧插销（2）与软绳（6）的一端连接，软绳（6另一端绕在电机主轴上，软绳（6）的中间段经过定滑轮（7）；质量块（1）顶端的钩环（4）通过软绳（9）和阻力伞相栓连； 

高度检测系统的直流电机驱动电路和降落伞自动弹出系统的直流电机（3）相连。

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