CN104470804A - 用于自动地控制绞盘装置的装置和方法以及装备有所述装置的车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于自动地控制适于拉入或放出缆线(T)的绞盘装置(2)的运动的方法，至少一个飞行装置4连接到该缆线。该方法的特征在于包括以下步骤：a)确定绞盘装置2和飞行装置(4)之间的相对位置；b)作为在前述步骤期间确定的相对距离的函数，计算缆线“T”的最佳长度；c)启用所述绞盘装置2，以便获得在前述步骤期间计算得到的缆线“T”的期望长度；d)重复步骤a)-c)的序列一段期望的时间；以便作为绞盘装置(2)和飞行装置(4)之间的相对位置的变化的函数，实时获得缆线(T)的最佳长度。

Description

用于自动地控制绞盘装置的装置和方法以及装备有所述装置的车辆
技术领域
本发明涉及用于自动地控制绞盘装置的装置和方法，具体地，控制绞盘装置的运动，所述绞盘装置应用于车辆，车辆包括飞行监管和巡查装置，该飞行监管和巡查装置通过缆线连接到所述车辆。
监管装置和车辆之间的相对位置由所述控制装置和相关的方法控制，该控制装置适于启用和停用绞盘装置。
背景技术
飞行监管装置是已知的，其连接到固定或移动单元，并且适于相对于固定或移动单元到达指定的高度，以便不断地监控陆地和海上的预定区域，例如边界区域。
这些监管装置设置有推进装置，该推进装置适于将所述装置保持在指定高度处。所述推进装置被电气地操作，并且是例如电动马达。通常，借助于所述缆线向所述马达供电，所述缆线包括至少一个供电线路。
所述监管装置用在必须不断地进行监管的地方，因此，所述装置必须在恒定的基础上保持在指定高度处。仅仅在任务结束时，所述装置借助于通用绞盘而被覆盖，这是手动地或自动地操作的。
此外，所述监管装置用在对它们的运动没有障碍的地方。具体地，与所述监管装置连接的移动单元适于沿着没有障碍的路径运动，这些障碍可能阻碍监管装置的运动，或者阻碍适于将监管装置连接到移动单元的缆线的运动。
最后，所述装置适于总是保持在缆线的长度所限定的最大高度处，并且如上所述当它们的任务结束时或者当必须进行修复时将所述装置带回到地面。
在具有可能冲击缆线或监管装置的障碍的情况下，将不可能避免冲击，原因是拉入或放出缆线的绞盘不适于跟随监管装置的运动，因此对监管装置自身产生损伤。此外，在监管装置和移动单元之间的相对高度或位置变化的情况下，绞盘不能够跟随监管装置的运动。事实上，如果监管装置损失高度，那么缆线将变得太松，因此增大了缆线自身卡在其它物体或移动单元自身中的机会，原因是绞盘不能够自主地启用自身以拉入多余的缆线。另一方面，如果监管装置试图增加其飞行高度，那么其将受到阻碍，原因是绞盘不能够在合理的时间内向其提供到达期望高度所需量的缆线。
发明内容
本发明的目的在于通过提供用于控制绞盘装置的装置和相关方法来解决上述问题，其能够通过确定缆线自身的最佳长度和通过启用所述绞盘以获得缆线的最佳和/或期望长度，而实时跟随借助于缆线与所述绞盘连接的飞行监管装置的运动。
本发明的一个方面涉及根据权利要求1所述的用于控制绞盘的方法。
本发明的另一个方面涉及根据权利要求6所述的用于控制绞盘的装置。最后，本发明的另一个方面涉及根据权利要求15所述的包括绞盘控制装置的车辆。
在所附的从属权利要求中列出的另外的附加特征。
附图说明
参考附图，在阅读以下至少一个优选实施例的描述的情况下，将最佳地理解本发明的特征和优点，以下的附图分别示出了：
·图1示出了根据本发明的控制装置在车辆上的应用；
·图2示出了飞行装置和包括绞盘装置的基部单元，该绞盘装置由根据本发明的控制装置控制；
·图3示出了根据本发明的控制方法的流程图；
·图4示出了根据本发明的控制装置的方框图。
具体实施方式
参考上述附图，绞盘装置2适于拉入或放出缆线“T”，至少一个飞行装置4连接到该缆线，用于自动地控制绞盘装置2的运动的方法包括以下后续步骤：
a)确定所述绞盘装置2和飞行装置4之间的相对位置；
b)作为在前述步骤期间确定的相对位置的函数，计算缆线“T”的最佳长度；
c)启用所述绞盘装置2，以便获得在前述步骤期间计算得到的缆线“T”的期望长度；
d)重复步骤a)-c)的序列一段期望的时间段，以便作为绞盘装置2和飞行装置4之间的相对位置的变化的函数而实时获得缆线“T”的最佳长度。
在图3所示的流程图中示出了根据本发明的方法的步骤的优选序列。
与所述方法相关的控制装置5适于控制施加到基部单元3的绞盘装置2。
因此，绞盘装置2适于拉入或放出缆线“T”，该缆线将至少一个飞行装置4连接到所述基部单元3，以举例的方式，如图2所示。所述飞行装置4包括未示出的至少一个推进装置，推进装置适于允许飞行装置4自身例如在“XYZ”空间中运动。
所述推进装置例如是至少一个推进器，推进器平齐地配合到至少一个马达(优选地是电动马达)的转子。所述推进装置的马达可以借助于布置在飞行装置4的内侧上的电池进行供电，或者其可以借助于例如布置在所述缆线“T”内侧的供电线路进行供电。
优选地，所述电动马达的供电电压为400-600V，例如供应有直流电。所述飞行装置4遵循用于管理和设计无人驾驶车辆(也被称为“UAV”或“UAS”)的标准。
所述飞行装置4的运动仅仅借助于所述推进装置启动，并且能够与通过绞盘装置2拉入或放出的缆线“T”无关地执行。
所述缆线“T”优选地由金属材料制成，例如网线，具有预定的断裂载荷，其能够挠曲并抵抗可能的无意中的障碍。
所述缆线“T”的尺寸优选地直径为6-8mm，长度为例如100m。
绞盘装置2优选地是绞盘或卷扬机，包括电动马达，该电动马达所供应的直流电的供电电压也为400-600V。
优选地，根据本发明的方法，确定相对位置的步骤a)包括：第一子步骤a1)，确定所述绞盘装置2的空间位置；第二子步骤a2)，确定飞行装置4的空间位置；以及另一个子步骤a3)，计算飞行装置4和绞盘装置2之间的相对位置。步骤a1)和a2)执行的顺序可以颠倒，在步骤a3)中执行的计算的结果不会改变。
根据步骤a1)，为了确定绞盘装置2的空间位置，基部单元3包括第一空间定位系统51，例如GPS系统，其适于以小于一米的不确定性来确定在由三个笛卡尔轴(X、Y、Z)限定的空间“XYZ”中的空间位置。
此外，根据步骤a2)，为了确定飞行装置4的空间位置，所述至少一个飞行装置4包括第二空间定位系统52，例如GPS系统，其适于以小于一米的不确定性来确定在由三个笛卡尔轴(X、Y、Z)限定的空间“XYZ”中的空间位置。
控制装置5包括数据处理单元50，其适于作为从所述第一和第二空间定位系统(51、52)获得数据的函数来确定所述至少一个飞行装置4和所述基部单元3之间的相对位置。确定所述至少一个飞行装置4和所述基部单元3之间的相对位置导致实时控制所述绞盘装置2的运动，以便作为相对位置的变化的函数获得缆线“T”的最佳长度。所述至少一个飞行装置4和所述基部单元3之间的相对距离的变化是实时的。
就本发明的目的而言，术语“实时”指的是，目的在于计算相对位置的操作是作为根据本发明的方法所实施的速度的函数，在不变的基础上以预定的时间间隔执行的。
以举例的方式，所述数据处理单元50是微处理器，其适于处理来自第一和第二空间定位系统(51、52)的数据，从而计算飞行装置4和基部单元3之间的相对位置。
飞行装置4和基部单元3之间的相对位置的计算除了确定线性距离“D”之外，还允许用户获得多项额外的信息，例如，仰角“α”以及飞行装置4和基部单元之间的方位角3。这些数据，即线性距离“D”、仰角“α”和方位角，允许用户例如在极坐标中明确地确定飞行装置4相对于基部单元3的基准位置的位置。
此外，所述数据处理单元50能够执行步骤b)：计算缆线“T”的最佳长度。实际上，借助于预定的微积分，例如递归算法，用户可以计算缆线“T”的最佳张力，并且由此作为在计算相对位置的步骤a3)中获得的结果的函数来确定最佳长度。
优选地，所述算法可以存储在非易失性存储介质(54)中，该非易失性存储介质适于连接到所述数据处理单元50，以举例的方式如图4所示。就本发明的目的而言，术语“最佳长度”表明允许飞行装置4执行预定运动的缆线“T”长度，该预定运动为例如增加小于一米的飞行高度。
术语缆线“T”的“最佳张力”表明避免缆线自身形成环的缆线“T”张力，缆线形成环可能被卡在布置于基部单元3和飞行装置4之间的物体中。在任何情况下，缆线“T”的张力以及由此其长度允许飞行装置4能够在控制装置5已经启用绞盘装置2放出缆线“T”之前缆线“T”没有到达张紧状态的情况下执行运动。
在计算缆线“T”的最佳长度的步骤b)之前，根据本发明的方法包括另一个步骤b0)：获取环境参数，该环境参数用来计算缆线“T”的最佳长度。这些参数例如是风力、湿度等，或者是存在靠近飞行装置和/或缆线“T”和/或基部单元3的障碍。所述环境参数还可以包括靠近单元3的地面的形态。
为了获取所述环境参数，控制装置5以及尤其是数据处理单元51，适于连接到多个传感器8，这些传感器适于获取环境参数，例如温度、湿度和风力，这些环境参数用来计算缆线“T”的最佳长度。
控制装置5适于连接到传感器，传感器能够检测障碍和物体的存在，例如声纳、雷达、红外线传感器和可视传感器(例如摄像机)。
所述飞行装置4包括多个所述传感器8，这些传感器除了获取环境参数之外，还能够提供从所述基部单元3通常所处的地面不能够直接看到的地方的图像，以便在敏感区域中执行监管或巡查任务。借助于位于所述飞行装置4上的所述多个传感器8，能够巡查敏感区域，而不需要车辆或人员直接靠近待经受监管和巡查操作的所述区域。
就本发明的目的而言，术语“敏感区域”表示由于自然和地缘政治原因而来回移动较为困难的地方，例如战场和边界区域。
因此，所述飞行装置4允许用户扩宽它们的视野，而不需要直接暴露人员或车辆。
所述多个传感器8优选地适于监控预定空间部分，这些部分识别为例如假想锥形或可视锥形。
所述算法优选地是递归算法，例如能够实时跟随飞行装置4的运动的算法。
根据本发明的方法，启用所述绞盘装置2的步骤c)包括步骤c1)：根据预定发展及时加速和减速所述绞盘2的旋转速度。优选地，作为所述飞行装置4相对于单元3运动的加速度的函数，控制装置由于数据处理单元50和计算算法而能够向所述绞盘装置2发送启用信号，该信号还指定所述绞盘装置2必须旋转以放出或拉入缆线“T”的加速度。
作为从所述第一和第二空间定位系统(51、52)获得的数据的函数，确定飞行装置4相对于单元3和单元3相对于飞行装置4运动的加速度。
优选地，因为绞盘装置2必须跟随所述飞行装置4的运动，所以所述绞盘装置2必须旋转以放出或拉入缆线“T”的加速度与飞行装置4运动的加速度直接成比例。
此外，在加速度等于零的情况下，也就是在飞行装置4的运动具有恒定速度的情况下，绞盘装置2用以拉入或放出缆线“T”的旋转具有的加速度/减速度使得缆线“T”的长度总是最佳长度。为了确定旋转速度和加速度/减速度，还必须考虑已经缠绕在绞盘装置2中的缆线“T”的量，以使得缆线“T”被拉入或放出，而总是确保绞盘装置2和飞行装置4之间的缆线“T”的最佳长度。实际上，本领域技术人员已知的是，绞盘装置2的旋转速度作为缠绕在绞盘装置2自身中的缆线的长度的函数而变化。
控制装置5由于所述数据处理单元50而能够生成用于绞盘装置2的控制信号，该控制信号用以根据预定函数获得旋转速度和/或旋转速度的加速度/减速度，以便实时跟随飞行装置4和单元3之间的相对运动。
所述控制信号作为从所述多个传感器8获得的以及从步骤b)之后获得的数据获得的多个参数的函数而由所述控制装置5生成。
所述函数被确定为使得绞盘装置2和飞行装置4之间的缆线“T”的长度总是最佳长度。
在第一个优选实施例中，所述控制装置5可以应用于任何绞盘装置2。
在可供选择的优选实施例中，控制装置5是绞盘装置2的整体部分，所述绞盘包括所述控制装置5。
在另一个实施例中，根据本发明的控制装置5优选地应用于车辆30，该车辆被看作是上述基部单元3。
如图1所示，所述车辆30包括绞盘装置2，该绞盘装置适于拉入或放出将至少一个飞行装置4连接到车辆30自身的缆线“T”。
在这个实施例中，车辆是履带式的和/或设置有车轮。
所述车辆30还可以是水运工具，例如船只。所述车辆30可以是自动化的，或者可以设置有领航员。
在当前实施例中，所述缆线“T”包括处于所述飞行装置4和所述控制装置5之间的至少一个数据通信线路81，以举例的方式，该控制装置布置在所述车辆30中。
来自所述多个传感器8的数据和用于飞行装置4的运动的命令两者均借助于所述数据通信线路81进行传递。
优选地，飞行装置4由控制台或操纵杆83远程控制，以举例的方式，控制台或操纵杆布置在所述车辆30中。
来自所述控制台或操纵杆83的控制信号借助于所述数据线81进行发送。
所述多个传感器8能够提供车辆30视野之外(即不能够直接看到)的地方的图像。
在优选实施例中，所述飞行装置4优选地是小型直升机，其能够沿着任何期望的方向运动，可以绕其自身旋转，并且可以保持静止、漂浮一段期望的时间，以便容易地避开沿着其路径的障碍。这种飞行装置的尺寸是小型的，以降低制造成本并降低被第三方识别的风险；因此，这样的飞行装置还尤其是无声的。
所述飞行装置4借助于所述控制台或操纵杆83进行运动，该控制台或操纵杆可以是便携式的，或者可以布置在所述车辆30上。所述控制台或操纵杆83能够以无线模式或者通过缆线连接而与所述飞行装置4通信。优选地，所述控制台或操纵杆83布置在车辆30中，并且通过所述数据线81与所述飞行装置4通信，所述数据线包含在缆线“T”中。
根据本发明的用于控制绞盘装置2的装置和方法允许所述飞行装置4自由地运动，以便在存在许多障碍的区域中执行监管和/或巡查任务；实际上，作为从所述多个传感器8获得的数据以及飞行装置3和基部单元3或车辆30之间的相对位置的函数，缆线“T”的长度用以减少缆线“T”卡在靠近两个装置(3、4)而能够获得的物体或障碍中的机会。
此外，由于飞行装置4借助于包含在所述缆线“T”中的供电线路进行供电的事实，而使得巡查操作的持续时间可以远远长于利用具有自主推进系统的巡查装置执行的巡查操作的持续时间；此外，由于根据本发明的控制装置5及其相关的方法，而使得被实施以执行监管和巡查操作的运动是非常动态的，这确保了自足的监管装置。
单个缆线“T”能够完成许多不同的任务，也就是将使飞行装置4运动所需的能量传递到推进装置，接收来自所述多个传感器8的数据，借助于所述数据线81接收来自所述空间定位系统(51、52)的数据，并且在需要的情况下传递由所述控制台或操纵杆83生成的用于飞行装置4运动的命令。在可供选择的实施例中，例如在如图4所示的实施例中，数据的一部分可以以无线模式进行传递。
在能够使飞行装置4实时动态地运动期望时间段的情况下，这种方案允许用户在特定的区域中执行巡查和监管任务。此外，当将根据本发明的控制装置5应用于车辆30上时，用户还可以改进飞行装置4的巡查和/或监管能力，原因是它们能够将车辆30定位在能够及时改变的期望位置中。
附图标记列表
绞盘装置 2
基部单元 3
车辆 30
飞行装置 4
控制装置 5
数据处理单元 50
第一空间定位系统 51
第二空间定位系统 52
非易失性存储介质 54
传感器 8
数据通信线路 81
控制台或操纵杆 83
缆线 “T”

Claims (16)

1.一种用于自动地控制绞盘装置(2)的运动以拉入或放出缆线(T)的方法，至少一个飞行装置(4)连接到所述缆线，所述方法的特征在于包括以下的步骤：
a)确定所述绞盘装置(2)和所述飞行装置(4)之间的相对位置；
b)作为在前述步骤期间确定的相对距离的函数，计算所述缆线(T)的最佳长度；
c)启用所述绞盘装置(2)，以便获得在前述步骤期间计算得到的所述缆线(T)的期望长度；
d)重复步骤a)-c)的序列一段期望的时间段；
以便作为所述绞盘装置(2)和所述飞行装置(4)之间的相对位置的变化的函数而实时获得所述缆线(T)的最佳长度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定相对距离的步骤a)包括以下子步骤：
a1)确定所述绞盘装置(2)的空间位置；
a2)确定所述飞行装置(4)的空间位置；
a3)计算所述飞行装置(4)和所述绞盘装置(2)之间的相对位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述缆线(T)的最佳长度的步骤b)是借助于递归算法执行的。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其中在计算所述缆线(T)的最佳长度的步骤b)之前设有另一个步骤b0)：获取环境参数，这些环境参数用于计算所述缆线(T)的最佳长度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中启用所述绞盘装置(2)的步骤c)包括步骤c1)：根据预定的发展及时加速和减速所述绞盘装置(2)的旋转速度。
6.一种用于施加到基部单元(3)的绞盘装置(2)的控制装置(5)；
所述绞盘装置(2)适于拉入或放出缆线(T)，所述缆线将至少一个飞行装置(4)连接到所述基部单元(3)；
其特征在于，所述基部单元(3)设置有第一空间定位系统(51)；
所述至少一个飞行装置(4)设置有第二空间定位系统(52)；
所述控制装置(5)包括数据处理单元(50)，以用于作为从所述第一空间定位系统和第二空间定位系统(51、52)获得的数据的函数来确定所述至少一个飞行装置(4)和所述基部单元(3)之间的相对位置，以便控制所述绞盘装置(2)的运动，从而作为所述相对位置的变化的函数而实时获得所述缆线(T)的最佳长度。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一空间定位系统(51)是GPS系统，以用于以小于一米的不确定性来确定在由三个笛卡尔轴(X、Y、Z)限定的空间中的空间位置。
8.根据权利要求6所述的装置，其中所述第二空间定位系统(52)是GPS系统，以用于以小于一米的不确定性来确定在由三个笛卡尔轴(X、Y、Z)限定的空间中的空间位置。
9.根据权利要求6所述的装置，其中所述控制装置(5)包括与所述数据处理单元(50)连接的非易失性存储介质(54)，递归算法存储在所述非易失性存储介质中，以用于计算所述缆线(T)的最佳张力，并且由此确定所述缆线(T)的最佳长度。
10.根据权利要求6所述的装置，其中所述控制装置(5)适于连接到多个传感器(8)，以用于获取环境参数，这些环境参数用于计算所述缆线(T)的最佳长度。
11.根据权利要求6所述的装置，其中作为从所述数据处理单元(50)接收的信号的函数并且作为多个参数的函数，同一个控制装置(5)能够生成用于所述绞盘装置(2)的控制信号，以便根据预定的函数获得所述绞盘装置(2)的旋转速度的加速度或减速度。
12.一种车辆(30)，其包括用于拉入或放出缆线(T)的绞盘装置(2)，所述缆线将至少一个飞行装置(4)连接到所述车辆(30)；
其特征在于，所述车辆包括根据权利要求1所述的控制装置(5)。
13.根据权利要求12所述的车辆，其中所述至少一个飞行装置(4)包括至少一个推进构件。
14.根据权利要求12或13所述的车辆，其中所述缆线(T)包括用于所述飞行装置(4)和所述控制装置(5)之间的数据通信的至少一个数据通信线路(81)。
15.根据权利要求12所述的车辆，其中所述飞行装置(4)借助于布置在所述车辆(30)中的控制台或操纵杆(83)进行远程控制。
16.根据权利要求12所述的车辆，其中所述飞行装置(4)包括多个传感器(8)，这些传感器用于获取环境参数和提供从所述车辆(30)不能够直接看到的地方的图像。
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