CN106005403A - 一种具有雀降功能的翼伞安全着陆系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有雀降功能的翼伞安全着陆系统和方法，系统包括主控制器、高度传感器、三轴加速度传感器、2个伺服电机、2个绞盘以及2个雀降装置。主控制器通过高度传感器和三轴加速度传感器采集高度和下降速度，并据此控制四队电机和雀降装置，伺服机构通过拉动两侧后缘操纵绳控制翼伞航向，并在接收到“电机雀降”指令后，同步下拉两侧后缘操纵绳，进行雀降操纵；雀降装置在接收到“弹簧雀降”指令时，收缩弹簧来下拉后缘操纵绳，进行雀降。本发明能使翼伞以最低的速度矢量着陆，减小了着地时的冲击，并根据情况采用不同的雀降方式，提高了系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于翼伞降落技术领域，特别涉及了一种具有雀降功能的翼伞安全着陆系统和方法。
背景技术
可控翼伞相比传统降落伞，其操纵性能更加优越，广泛应用于军事、航空航天以及民用领域。随着技术的进步，可控翼伞的操纵方式由最初的飞行员操纵发展改为遥控操纵，进而可以脱离人为手动控制实现自主归航。在翼伞归航过程中，通过拉动两侧后缘操纵绳，翼伞可以完成滑翔、转弯、减速及雀降的动作。雀降可以定义为：当翼伞以滑翔状态接近地面时，如果以较快的速度将两操纵绳同时拉下，在很短的时间内翼伞的前进速度和垂直速度将会先迅速地减小到极小值(接近零)，如果开始操纵的高度选择适当，使落地时的速度正好达到最小值，此种操纵便称为雀降(陈自力,张昊,基于CFD方法的动力伞雀降控制优化研究.测控技术,2013(02):p.51-55)。雀降操作有效降低了着陆时的速度，对于保障回收物甚至飞行员的安全起到至关重要的作用。
实际中，可控翼伞回收系统的操纵主要由伺服控制机构完成。在雀降阶段，整个下拉过程需要的操纵力可达悬挂质量所受重力的10％-15％，而为了保证雀降效果，整个操纵过程必须限制在很短的时间内，一旦载荷质量较高，雀降所需的操纵力相应提高，这对伺服电机的功率提出了很高的要求，电机的功率限制了载荷的重量(赵秋艳,翼伞雀降技术.航天返回与遥感,1999(02):p.5-9)。因此，如何利用尽可能轻便的装置及尽可能少的能量使翼伞系统在预定着陆点雀降，具有重要的研究意义。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种具有雀降功能的翼伞安全着陆系统和方法，通过检测翼伞的下降速度，智能选择利用伺服电机或雀降装置对翼伞进行雀降，从而保证雀降的稳定性。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种具有雀降功能的翼伞安全着陆系统，包括主控制器、高度传感器、三轴加速度传感器、2个伺服电机、2个绞盘以及2个雀降装置，所述2个伺服电机、2个绞盘和2个雀降装置分别设置在系统两侧，从而控制翼伞两侧的后缘操纵绳，每个伺服电机分别与同侧的绞盘相连接，翼伞两侧的后缘操纵绳分别绕设在2个绞盘上，每个雀降装置均包括推杆电机、推杆、安全销、涡卷弹簧和连接带，涡卷弹簧内侧一端固定，它的外侧一端通过连接带与同侧的后缘操纵绳连接，推杆的两端分别连接推杆电机和安全销，连接带上设有小孔，翼伞投放前，安全销穿过连接带上的小孔，从而限止连接带的位移；翼伞投放后，高度传感器和三轴加速度传感器实时采集系统的高度和下降速度并传送给主控制器，主控制器根据高度和下降速度驱动2个伺服电机和2个推杆电机，伺服电机带动绞盘转动，并通过绞盘的转动控制两侧的后缘操纵绳，推杆电机带动推杆发生位移，从而使安全销脱离连接带，涡卷弹簧收缩产生下拉力，并通过连接带将下拉力作用与两侧的后缘操纵绳上。
进一步地，连接带与后缘操纵绳的连接点至绞盘之间的后缘操纵绳的长度L1与连接带自身长度L2相等，均为后缘操纵绳下拉的满行程量。
进一步地，所述雀降装置设在一外壳内，该外壳上表面设有小孔，用于伸出连接带，在连接带与后缘操纵绳的连接点处固定有卡扣，当涡卷弹簧通过连接带带动后缘操纵绳下拉时，卡扣移动到外壳的小孔位置后卡住，使后缘操纵绳不能被继续下拉。
进一步地，在降落过程中，以翼伞前进方向为前方，则绞盘安装在同侧的雀降装置的前上方。
进一步地，所述连接带上的小孔的内边缘用金属包边。
基于上述具有雀降功能的翼伞安全着陆系统的着陆方法，包括以下步骤：
(1)在翼伞投放前，对三轴加速度传感器进行校准；
(2)翼伞投放后，主控制器通过驱动伺服电机来控制后缘操纵绳，使翼伞向目标着陆点飞去，同时高度传感器实时采集翼伞的高度信息，三轴加速度传感器实时采集翼伞的下降速度；
(3)在翼伞距地面高度h1时，系统调整翼伞航向逆风对准目标着陆点，此时伺服电机下拉两侧的后缘操纵绳至下拉满行程的50％；
(4)当翼伞下降至雀降高度h2时，主控制器根据当前检测到的下降速度v进行判断，若v小于等于安全速度阈值V，则主控制器发出“电机雀降”指令，两侧的伺服电机迅速转动，下拉两侧的后缘操纵绳，此时下拉量为下拉满行程量的若v大于V，则主控制器发出“弹簧雀降”指令，伺服电机停止运转，推杆电机运转带动推杆，推杆带动安全销脱离连接带，涡卷弹簧收缩产生下拉力，在时间t内，通过连接带拉动两侧的后缘操纵绳至下拉满行程处；
(5)通过雀降操作，使翼伞下降速度降低至安全的着陆速度，最终在目标着陆点安全着陆。
进一步地，在步骤(3)中，h1的取值是100～200m。
进一步地，在步骤(4)中，雀降高度h2＝10m，安全速度阈值V＝5m/s，时间t＝1s。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)本发明与传统依赖于伺服电机的雀降操纵方式相比，通过检测翼伞的下降速度，从而选择适合的雀降方式——伺服电机雀降或弹簧雀降，拓宽载荷质量范围，提高系统稳定性，确保翼伞系统的安全着陆；
(2)本发明设计的雀降装置较为轻便，且结构简单，可重复使用，雀降装置执行雀降操纵时主要消耗预先储存的机械能，对系统能量的消耗较小。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明中雀降装置示意图；
图3是本发明中安全销解除后的雀降装置示意图；
图4是本发明中系统与翼伞连接示意图；
图5是本发明中雀降装置、绞盘与操纵绳的连接示意图；
图6(a)、6(b)、6(c)是不同阶段操纵绳与连接带的示意图。
主要标号说明：1、伞绳吊挂点，2、壳体，3、绞盘，4、雀降装置，5、主控制器，6、伺服电机，7、高度传感器，8、卡扣，9、连接带与后缘操纵绳的连接点至绞盘之间的后缘操纵绳，10、推杆，11、推杆电机，12、涡卷弹簧装置，13、连接带，14、安全销。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，一种具有雀降功能的翼伞安全着陆系统，包括壳体2，壳体内部设有主控制器5、高度传感器7、三轴加速度传感器、2个伺服电机6，2个伺服电机分别安装在壳体的两侧内壁上，壳体的两侧外壁上均设有绞盘3和雀降装置4。每个伺服电机分别与同侧的绞盘相连接，翼伞两侧的后缘操纵绳分别绕设在2个绞盘上。
每个雀降装置均包括推杆电机11、推杆10、安全销14、涡卷弹簧12和连接带13，涡卷弹簧内侧一端固定，它的外侧一端通过连接带与同侧的后缘操纵绳连接，推杆的两端分别连接推杆电机和安全销，连接带上设有小孔，翼伞投放前，安全销穿过连接带上的小孔，从而限止连接带的位移，如图2所示。翼伞投放后，高度传感器和三轴加速度传感器实时采集系统的高度和下降速度并传送给主控制器，主控制器根据高度和下降速度驱动2个伺服电机和2个推杆电机，伺服电机带动绞盘转动，并通过绞盘的转动控制两侧的后缘操纵绳，推杆电机带动推杆发生位移，从而使安全销脱离连接带，涡卷弹簧收缩产生下拉力，并通过连接带将下拉力作用与两侧的后缘操纵绳上，如图3所示。
壳体2的上方设有多个伞绳吊挂点1，用于连接系统与翼伞，如图4所示。
如图5所示，连接带与后缘操纵绳的连接点至绞盘之间的后缘操纵绳9的长度L1与连接带13的自身长度L2相等，均为后缘操纵绳下拉的满行程量。雀降装置设在一外壳内，该外壳上表面设有小孔，用于伸出连接带，在连接带与后缘操纵绳的连接点处固定有卡扣8，当涡卷弹簧通过连接带带动后缘操纵绳下拉时，卡扣移动到外壳的小孔位置后卡住，使后缘操纵绳不能被继续下拉，避免当操纵绳下拉过度，翼伞产生“抬头后翻”的危险动作。
在降落过程中，以翼伞前进方向为前方，则绞盘安装在同侧的雀降装置的前上方，避免在投放过程中，连接带与绞盘发生缠绕。
连接带上的小孔的内边缘可以用金属包边，防止小孔因与安全销长期接触而磨损。
本发明还提出了基于上述系统的着陆方法，步骤如下：
步骤1：在翼伞投放前，对三轴加速度传感器进行校准。翼伞下降速度可看成翼伞在z轴方向加速度的积分，因此可由z轴方向加速度积分求解得到，在翼伞投放前对三轴加速度传感器进行校准，减少积分漂移。
步骤2：翼伞投放后，主控制器通过驱动伺服电机来控制后缘操纵绳，使翼伞向目标着陆点飞去，同时高度传感器实时采集翼伞的高度信息，三轴加速度传感器实时采集翼伞的下降速度。
步骤3：在翼伞距地面高度h1时，系统调整翼伞航向逆风对准目标着陆点，此时伺服电机下拉两侧的后缘操纵绳至下拉满行程的50％。此处h1的取值是100～200m。
步骤4：当翼伞下降至雀降高度h2时，主控制器根据当前检测到的下降速度v进行判断，若v小于等于安全速度阈值V，则主控制器发出“电机雀降”指令，两侧的伺服电机迅速转动，下拉两侧的后缘操纵绳，此时下拉量为下拉满行程量的若v大于V，则主控制器发出“弹簧雀降”指令，伺服电机停止运转，推杆电机运转带动推杆，推杆带动安全销脱离连接带，涡卷弹簧收缩产生下拉力，在时间t内，通过连接带拉动两侧的后缘操纵绳至下拉满行程处。此处雀降高度h2＝10m，安全速度阈值V＝5m/s，时间t＝1s。
如图6(a)所示，在翼伞投放前，连接带与伞绳的连接点到绞盘之间的绳长与连接带的长度应当是相等的，且与翼伞下拉操纵的满行程相同。如图6(b)所示，在即将到达雀降高度之前，两侧伺服电机将操纵绳拉至满行程50％处，确保雀降时操纵绳有足够的行程产生下拉的动作。如图6(c)所示，在到达雀降高度时，若主控制器发出“弹簧雀降”指令，安全销解除并释放与连接带的固定，涡卷弹簧装置迅速回缩，拉动两侧操纵绳产生同步下拉的雀降操纵，直至连接带与操纵绳连接点处的卡扣到达涡卷弹簧的位置。
步骤5：通过雀降操作，使翼伞下降速度降低至安全的着陆速度，最终在目标着陆点安全着陆。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有雀降功能的翼伞安全着陆系统，其特征在于：包括主控制器、高度传感器、三轴加速度传感器、2个伺服电机、2个绞盘以及2个雀降装置，所述2个伺服电机、2个绞盘和2个雀降装置分别设置在系统两侧，从而控制翼伞两侧的后缘操纵绳，每个伺服电机分别与同侧的绞盘相连接，翼伞两侧的后缘操纵绳分别绕设在2个绞盘上，每个雀降装置均包括推杆电机、推杆、安全销、涡卷弹簧和连接带，涡卷弹簧内侧一端固定，它的外侧一端通过连接带与同侧的后缘操纵绳连接，推杆的两端分别连接推杆电机和安全销，连接带上设有小孔，翼伞投放前，安全销穿过连接带上的小孔，从而限止连接带的位移；翼伞投放后，高度传感器和三轴加速度传感器实时采集系统的高度和下降速度并传送给主控制器，主控制器根据高度和下降速度驱动2个伺服电机和2个推杆电机，伺服电机带动绞盘转动，并通过绞盘的转动控制两侧的后缘操纵绳，推杆电机带动推杆发生位移，从而使安全销脱离连接带，涡卷弹簧收缩产生下拉力，并通过连接带将下拉力作用与两侧的后缘操纵绳上。
2.根据权利要求1所述一种具有雀降功能的翼伞安全着陆系统，其特征在于：连接带与后缘操纵绳的连接点至绞盘之间的后缘操纵绳的长度L1与连接带自身长度L2相等，均为后缘操纵绳下拉的满行程量。
3.根据权利要求2所述一种具有雀降功能的翼伞安全着陆系统，其特征在于：所述雀降装置设在一外壳内，该外壳上表面设有小孔，用于伸出连接带，在连接带与后缘操纵绳的连接点处固定有卡扣，当涡卷弹簧通过连接带带动后缘操纵绳下拉时，卡扣移动到外壳的小孔位置后卡住，使后缘操纵绳不能被继续下拉。
4.根据权利要求3所述一种具有雀降功能的翼伞安全着陆系统，其特征在于：在降落过程中，以翼伞前进方向为前方，则绞盘安装在同侧的雀降装置的前上方。
5.根据权利要求1所述一种具有雀降功能的翼伞安全着陆系统，其特征在于：所述连接带上的小孔的内边缘用金属包边。
6.基于权利要求1所述具有雀降功能的翼伞安全着陆系统的着陆方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在翼伞投放前，对三轴加速度传感器进行校准；
(2)翼伞投放后，主控制器通过驱动伺服电机来控制后缘操纵绳，使翼伞向目标着陆点飞去，同时高度传感器实时采集翼伞的高度信息，三轴加速度传感器实时采集翼伞的下降速度；
(3)在翼伞距地面高度h1时，系统调整翼伞航向逆风对准目标着陆点，此时伺服电机下拉两侧的后缘操纵绳至下拉满行程的50％；
(4)当翼伞下降至雀降高度h2时，主控制器根据当前检测到的下降速度v进行判断，若v小于等于安全速度阈值V，则主控制器发出“电机雀降”指令，两侧的伺服电机迅速转动，下拉两侧的后缘操纵绳，此时下拉量为下拉满行程量的若v大于V，则主控制器发出“弹簧雀降”指令，伺服电机停止运转，推杆电机运转带动推杆，推杆带动安全销脱离连接带，涡卷弹簧收缩产生下拉力，在时间t内，通过连接带拉动两侧的后缘操纵绳至下拉满行程处；
(5)通过雀降操作，使翼伞下降速度降低至安全的着陆速度，最终在目标着陆点安全着陆。
7.根据权利要求6所述的着陆方法，其特征在于：在步骤(3)中，h1的取值是100～200m。
8.根据权利要求6所述的着陆方法，其特征在于：在步骤(4)中，雀降高度h2＝10m，安全速度阈值V＝5m/s，时间t＝1s。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180216 Termination date: 20190525 |