CN107792373A - 一种飞行器空中回收无人机的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行器空中回收无人机的方法及其系统，结合了无人机系统技术和导引飞行控制技术，构建空中飞行器自动对接技术。其技术方案涵盖了空中与地面交互控制、两个飞行器之间自动对接、对接过程的决策与控制、空中回收网等技术。本发明涉及相应的技术标准、操作方法、航空器设计与制造技术、军事应用与商业应用的拓展与发展。空中回收对于军事应用、边海防及应急救援应用等提供了更多的技术和应用方案，特别是机组作业模式，将为复杂应用环境提供新的选择，满足特殊应用的需求。

Description

一种飞行器空中回收无人机的方法及其系统

技术领域

本发明涉及航空通信领域，特别是航空无线电短波数据通信的应用，以及飞行器远程与低空飞行的通信应用。

背景技术

现役的小型无人机一般是执行低空飞行任务，主要是因为小型无人机所携带的机载任务设备，包括光学的，雷达的设备，因为受到载机体积重量和能源的限制，只能执行低空任务。所空投的无人机也是如此。但是，空中投放小型无人机，有利于保存所空投的无人机能源，有利于执行远程的，以及长时间待机的出动的任务。一些人迹罕至的陆地，或海洋岛屿，使用空投型无人机有助于实现抵近观测，节省能源的要求。同样而来的问题是，空投后的无人机如何回收。空投后的回收主要是两类问题。一是经济上的，回收后可以节省。但是一些地域难以回收，因此限制了空投型无人机的使用。二是技术上的，空投后需要建立本房名所述的机组通信模式，并且实施空中回收。机组通信模式需要本机与空投型无人机之间建立数据链连接，通常的无人机载机有能力实现。难点是空中回收技术。

因此，现有技术依然不够理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞行器空中回收无人机的方法及其系统，特别是用于农业植保、货运、测绘、巡线、海洋监视等作业飞行的飞机或飞行器，该技术方案基于回收流程的设计和本机回收网的设计。实现空中回收，就可以支持机组应用模式，满足一类社会应用的需求，特别是军事应用的需求。

本发明的技术方案如下：

本发明首先提出了一种飞行器空中回收无人机的方法，这里所述飞行器系统由飞行器，空投型无人机以及地面监控站组成；飞行器是有人驾驶状态，包括有人驾驶飞机，或合驾飞机，或者，所述飞行器是无人驾驶状态，包括无人机系统，或标配无人机系统。并且，各状态的飞行器分别可以在机身内或机身外装载可投放的一种空投型无人机。在飞行器的机身尾部或腹部安装空中回收该空投型无人机的回收网。

该方法包括以下步骤：

S1，飞行器对空投型无人机按照程序实施机上投放，进行机组通信，空中回收；

S2，投放前，通过飞行器与空投型无人机的线缆连接或无线连接，起动数据装订，或起动空投型无人机的机载系统上电，进入准备投放状态；

S3，根据地面监控站的控制指令，或机载系统任务管理程序，飞行器将安装在机身外或机身内的空投型无人机进行投放，其动力点火时机选择在投放前或投放后；

S4，投放后，空投型无人机按预定程序降低飞行高度前出，飞行器作为通信中继平台，通过数据链为空投型无人机提供持续式或间歇式的指令或信息，包括装订针对目标的新任务航线；

S5，由飞行器解算出，或由空投型无人机解算出空投型无人机的剩余航程，并更新回收空投型无人机的返航点，即返回飞行器回收窗口的牵连运动航点，以及飞行器航向数据，将这些信息发送给空投型无人机；

S6，回收时，空投型无人机进入返航回收窗口后，按照预置的或飞行器临时装订的抵达本机的进近航线，由飞行器监测空投型无人机的飞行航向，航速及航线参数，并在其到达距离飞行器机尾回收网附近的接收点时，由飞行器机尾安装的光学或雷达导引头对空投型无人机进行精密引导，修正其回收及触网航线；

S6，飞行器通过数据分析系统评估回收追尾风险，如存在安全风险时，为保飞行器安全选择是否放弃回收，如不存在追尾严重碰撞风险则允许空投型无人机继续前飞，在进入本机机尾回收网的关车点时，通过自动生成的有设计余度的组合开关信号，即由遥控指令加激光或雷达探测的开关信号，触发空投型无人机自动进入程序化的关车，滑行，并触撞回收网；

S7，触网后，当飞行器收到触撞信号时，自动起动回收网伺服机构，通过电动或液压或气压或机械及组合的动力，回收网以一定速度抬起收押触网的空投型无人机按压于飞行器机尾舱门内网，或机尾舱门外壁，或机身腹部舱门，同时，回收网框架上的张紧机构起动，拉紧网绳，完成空中回收；

S8，当飞行器机身宽度较小不足于收容空投型无人机时，回收网将空投型无人机按压于本机机尾或机腹外壁上，完成回收；

S9，当本机机身宽度大于空投型无人机翼展宽度的条件下，可以实施空中回收多架空投型无人机，并且，回收网逐个将回收的空投型无人机推入机身舱门内部，完成回收。

其中，对于空中回收多架空投型无人机时，要求载机机身宽度大于空投型无人机的翼展及机身长度，或设计空投型无人机在关车点实施机翼的自动折叠或自动脱落；为此，在机身内部设计粘贴网，粘贴网是应用包含魔术贴的多种网状材料制作；回收时先打开机尾舱门，由最贴近机尾舱门的首张粘贴网开始回收，由机身内的收网机构展开粘贴网，当空投型无人机被机身外的回收网收押并按压进入机身内，粘贴网与空投型无人机上铺贴的魔术贴粘连，并根据无人机触撞粘贴网的信号，首张粘贴网自动滑入机身前舱；然后，粘贴网下部的紧固机构相应松开，粘贴网拖带首架空投型无人机进舱，同时，自动展开第二张粘贴网，重复前述过程，完成回收多架无人机。

与飞行器对应的，地面监控站的设计具有与有人驾驶状态配套使用，包括与有人驾驶飞机，或合驾飞机配套，或者与无人驾驶状态配套使用，包括与无人机系统，或标配无人机系统配套。在地面监控站内，操控员席位提供话音通信系统，提供航行态势监控系统信息，设置对异常遥测数据的自动报警；操控员席位提供视距通信或卫星中继通信系统，以及BD短报文或应急短波通信系统。在执行投放空投型无人机的机组联合行动中，机载数据链充当空中中继数据链，与地面监控站连通，支持机组通信模式的应用，将空投型无人机的侦察信息传送到地面监控站，并给空投型无人机发送指令或信息。地面监控站制作成固定式或可移动式；多个地面监控站之间的无线连通采用合作驾驶飞行器的技术实现数据链的通用性。

基于以上方法，本发明的空中回收无人机的飞行器系统是这样的：所述飞行器是有人驾驶状态，包括有人驾驶飞机，或合驾飞机，或者，所述飞行器是无人驾驶状态，包括无人机系统，或标配无人机系统；各状态的飞行器分别在机身内或机身外装载用于投放的空投型无人机；空投型无人机的机翼是折叠状态或保持展开状态，发动机的螺旋桨也是折叠状态或保持展开状态；在飞行器的机身尾部或腹部安装空中回收网用于回收空投型无人机。

进一步的，所述飞行器的机尾设有用于对空投型无人机进行精密引导的机尾导引头，所述机尾导引头是光学或雷达导引头，所述机尾导引头通过组合开关信号对空投型无人机进行精密引导。所述空投型无人机表面铺贴有魔术贴，所述空中回收网上也对应设有魔术贴。所述空中回收网设有回收网张紧机构。

本发明结合无人机系统技术和导引飞行控制技术，构建空中飞行器自动对接技术，提供一种由飞行器在空中回收无人机的系统。它涵盖了空中与地面交互控制、两个飞行器之间自动对接、对接过程的决策与控制、回收网等技术，涉及相应的技术标准、操作方法、航空器设计与制造技术、军事应用与商业应用的拓展与发展。空中回收对于军事应用、边海防及应急救援应用等提供了更多的技术和应用方案，特别是机组作业模式，将为复杂应用环境提供新的选择，满足特殊应用的需求。

附图说明

图1为机身尾部机外回收，回收网宽度约为机身宽度，触网之前示意图；

图2为机身尾部机外回收，回收网张紧机构拉紧网绳，回收状态示意图；

图3为机身机腹外部回收示意图；

图4为回收网框架上的张紧机构示意图，通过张紧机构的转动拉紧网绳，网绳疏密度可以选择。

图中标记分别为：1-空投型无人机，2-空中回收网，3-组合开关信号，4-机身机尾，5-机尾导引头，6-弹性缓冲材料，7-飞行器，8-转轮，9-机尾机构，10-框结构，11-网带，12-编织网。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的任何限制。

请参阅图1-图4：本发明的系统由飞行器7，空投型无人机1，以及地面监控站组成，地面监控站并未在图中有所体现，其与现有的空管的地面监控站类似。其中，飞行器7是有人驾驶状态，包括有人驾驶飞机，或合驾飞机；或者，飞行器7是无人驾驶状态，包括无人机系统，或标配无人机系统。并且，各状态的飞行器7分别可以在机身内或机身外装载可投放的一种空投型无人机1，空投型无人机1体型比较小，载机可装载1架或多架。为节省载机的装载空间，其空投型无人机1的机翼可以是折叠状态或保持展开状态，发动机的螺旋桨也可以是折叠状态或保持展开状态。在飞行器的机身尾部4(附图1-2)或腹部(附图3)安装空中回收网2(附图4)用于回收空投型无人机1。

本机对空投型无人机1按照程序实施机上投放，进行机组通信，空中回收。当机载空投的空投型无人机1数量较多，而执行空中回收的机载空间只能够回收1架的情况，比如机外回收的情况，则可以只回收其中1架。

投放前，通过本机与空投型无人机1的线缆连接或无线连接，起动数据装订，或起动空投型无人机1的机载系统上电，进入准备投放状态。根据地面监控站的控制指令，或机载系统任务管理程序，本机将安装在机身外，或机身内的空投型无人机1进行投放，其动力点火时机可以选择在投放前，或投放后。对于其折叠机翼以及折叠螺旋桨的展开时机，也可以选择投放前，或投放后。

投放后，空投型无人机1按预定程序降低飞行高度前出，本机作为通信中继平台，通过数据链为空投型无人机1提供持续式或间歇式的指令或信息，包括装订针对目标的新任务航线。同时，由本机解算出，或由空投型无人机1解算出空投型无人机1的剩余航程，并及时更新回收空投型无人机1的返航点，即返回本机回收窗口的牵连运动航点，以及本机航向数据，将这些信息发送给空投型无人机1。

回收时，空投型无人机1进入返航回收窗口后，按照预置的或本机临时装订的抵达本机的进近航线，由本机监测空投型无人机1的飞行航向，航速及航线参数，并在其到达距离本机机身机尾4的空中回收网2附近的接收点时，由本机机身机尾4安装的光学或雷达的机尾导引头5对空投型无人机1进行精密引导，修正其回收及触网航线，本机通过数据分析系统评估回收追尾风险，如存在安全风险时，为保本机安全可以放弃回收，如不存在追尾严重碰撞风险则允许空投型无人机1继续前飞，在进入本机机身机尾4的空中回收网2的关车点时，通过自动生成的有设计余度的组合开关信号3，即由遥控指令加激光或雷达探测的组合开关信号3，触发空投型无人机1自动进入程序化的关车，滑行，并触撞空中回收网2。为防止触撞空中回收网2的过程发生掉落或滑移，在空投型无人机1的几个部位上铺贴的魔术贴，便于与空中回收网2上的魔术贴粘连。

触网后，当本机收到触撞信号时，空中回收网2以一定速度抬起收押触网的空投型无人机1按压于本机机尾舱门内网，或机尾舱门外壁，或机身腹部舱门，同时，空中回收网2的框结构10上的回收网张紧机构起动，拉紧网绳，完成空中回收。

回收网张紧机构由安装在回收网框架上的转轮8，以回收网框架一边(如图4所示)的框结构10为支撑轴，转轮8安装在该框结构10上，通过转轮8的电机转动，转轮8拉紧编织网12上的网带11，从而收紧编织网12，将回收的无人机挤压在机身机尾9的弹性缓冲材料6上。

当本机机身宽度较小不足于收容空投型无人机1时，空中回收网2将空投型无人机1按压于本机机尾或机腹外壁上，完成回收。当本机机身宽度大于空投型无人机1翼展宽度的条件下，可以实施空中回收多架空投型无人机1，并且，空中回收网2逐个将回收的空投型无人机1推入机身舱门内部，完成回收。对于空中回收多架空投型无人机1的设计细节，要求载机机身宽度大于空投型无人机1的翼展及机身长度，或设计空投型无人机1在关车点实施机翼的自动折叠或自动脱落。为此，在机身内部设计粘贴网，粘贴网也是应用包含魔术贴的多种网状材料制作，打开机尾舱门，由最贴近机尾舱门的首张粘贴网开始回收，由机身内的收网机构展开粘贴网，比如自上而下展开，或使用包括机械臂的推压，拖拉来展开，以及采用如同展开卷筒式窗帘，或制作成如一扇纱窗并张开紧固，形成阻挡机身通道的展开状态，当空投型无人机1被机身外的空中回收网2收押并按压进入机身内，粘贴网与空投型无人机1上铺贴的魔术贴粘连，并根据无人机触撞粘贴网的信号，首张粘贴网自动滑入机身前舱。其中，粘贴网下部的紧固机构，比如电磁铁地板相应松开，粘贴网拖带首架空投型无人机1进舱，同时，自动展开第二张粘贴网，重复前述过程，完成回收多架无人机。对于多架回收的情况，机身外的空中回收网2上不采用魔术贴材料，以避免空中回收网2、空投型无人机1、以及机身内部的粘贴网之间发生拉扯故障。

地面监控站的设计能够与有人驾驶状态配套使用，包括与有人驾驶飞机，或合驾飞机配套，或者与能够无人驾驶状态配套使用，包括与无人机系统，或标配无人机系统配套。在地面监控站内，操控员席位提供话音通信系统，能够通过本机的通信中继与机场航管员或战场指挥员话音联系，而航行态势监控系统信息，能够与航管系统协调行动，并设置对异常遥测数据的自动报警，能够让操控员对本机机载故障，空投型无人机1失联或降落位置等信息及时采取应对措施。操控员席位提供视距通信或卫星中继通信系统，以及BD短报文或对本机的应急短波超视距通信系统，相应配装短波电台。在执行空投型无人机1的机组行动中，机载数据链充当空中中继数据链，与地面监控站连通，支持机组通信模式的应用，将空投型无人机1的观测信息传送到地面监控站，并给空投型无人机1发送指令或信息，特别是当空投型无人机1在空中回收进入接收点到关车点之间的关键阶段，地面监控站操控员可以发送指令调整空投型无人机1的姿态，航向及俯仰角，甚至由操控员执行手动关车，帮助空投型无人机1顺利触网。多个地面监控站之间的无线连通可采用合驾飞机(如中国专利文献中公开的专利申请号为ZL201510438906.6的发明专利)的技术以实现数据链的通用性。

实施例1：山区灾害救援应用

选择本机的气动布局为上单翼双发，装载重量800kg，升限7000m，续航时间16h，1架空投型无人机1重量45kg，后置动力单发螺旋桨，机身尾部安装空中回收网2设备。执行任务为山区灾害救援，当地天气乌云密布间有雷鸣闪电，地面洪水泛滥，可见山洪及泥石流。接到任务后从远方机场起飞，避开恶劣天气，升高至云端出航，接近灾区上空后，地面监控站询问当地气象数据。决定投放空投型无人机1低空云下观察灾情。从机腹外挂点投放后，空投型无人机1降高到山谷巅峰以上，由于云层较厚仍然不能看清地面情况，继续降高到地面200m左右，跟随地形飞行，将地面及所到之处影像上传给本机，中继到地面监控站及指挥中心数据节点。空投型无人机1配置的地形跟随软件及激光防撞探测帮助其低空复杂地形飞行，云下看清地面目标，对灾区灾情给出初步测绘数据。预案规划本机在灾区较远处天气窗口地段降高到3000m接纳空投型无人机1回收，由于空投型无人机飞1行时间较长，由本机与当地救灾指挥部协商，改为空投型无人机1降落在当地指定地点回收。

实施例2，海上执法机组应用

飞行器同上，机身尾部安装空中回收网2设备，空投型无人机1同上。执行任务为某海域巡逻监视，距离海岸较远，附近没有岛礁。按照指挥中心引导，本机飞抵某舰船30km附近，投放空投型无人机1执行抵近识别拍照的高风险任务，观测数据实时传到本机并中继给指挥中心。空投型无人机1跟随该舰船一段距离，盘旋于舰船上空，通过机上广播器传送指挥中心的喊话。接到本机给出的返航指令后，空投型无人机1脱离该舰船，在距离舰船约40km处进行回收作业，整个回收作业在地面监控站互动中进行。为此，本机降低高度到海平面约2000m左右，空投型无人机1升高航线并切入回收航向窗口，进入进近航线后，调整飞行参数及飞行姿态，接收到本机尾部的引导信号，继续减速接近，直到接收到本机发出的关车指令，空投型无人机1关闭动力，惯性触网并被回收网举起收押到本机机尾外壁粘贴的缓冲弹性垫上，完成空中回收。直到本机返航着陆后，放松回收网，放下空投型无人机1，完成任务。

以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞行器空中回收无人机的方法，所述飞行器系统由飞行器，空投型无人机以及地面监控站组成；其特征在于该方法包括以下步骤：

S1，飞行器对空投型无人机按照程序实施机上投放，进行机组通信，空中回收；

S2，投放前，通过飞行器与空投型无人机的线缆连接或无线连接，起动数据装订，或起动空投型无人机的机载系统上电，进入准备投放状态；

S3，根据地面监控站的控制指令，或机载系统任务管理程序，飞行器将安装在机身外或机身内的空投型无人机进行投放，其动力点火时机选择在投放前或投放后；

S4，投放后，空投型无人机按预定程序降低飞行高度前出，飞行器作为通信中继平台，通过数据链为空投型无人机提供持续式或间歇式的指令或信息，包括装订针对目标的新任务航线；

S5，由飞行器解算出，或由空投型无人机解算出空投型无人机的剩余航程，并更新回收空投型无人机的返航点，即返回飞行器回收窗口的牵连运动航点，以及飞行器航向数据，将这些信息发送给空投型无人机；

S6，回收时，空投型无人机进入返航回收窗口后，按照预置的或飞行器临时装订的抵达本机的进近航线，由飞行器监测空投型无人机的飞行航向，航速及航线参数，并在其到达距离飞行器机尾回收网附近的接收点时，由飞行器机尾安装的光学或雷达导引头对空投型无人机进行精密引导，修正其回收及触网航线；

S6，飞行器通过数据分析系统评估回收追尾风险，如存在安全风险时，为保飞行器安全选择是否放弃回收，如不存在追尾严重碰撞风险则允许空投型无人机继续前飞，在进入本机机尾回收网的关车点时，通过自动生成的有设计余度的组合开关信号，即由遥控指令加激光或雷达探测的开关信号，触发空投型无人机自动进入程序化的关车，滑行，并触撞回收网；

S7，触网后，当飞行器收到触撞信号时，回收网伺服机构自动起动，回收网以一定速度抬起收押触网的空投型无人机按压于飞行器机尾舱门内网，或机尾舱门外壁，或机身腹部舱门，同时，回收网框架上的张紧机构起动，拉紧网绳，完成空中回收；

S8，当飞行器机身宽度较小不足于收容空投型无人机时，回收网将空投型无人机按压于本机机尾或机腹外壁上，完成回收；

S9，当本机机身宽度大于空投型无人机翼展宽度的条件下，可以实施空中回收多架空投型无人机，并且，回收网逐个将回收的空投型无人机推入机身舱门内部，完成回收。

2.根据权利要求1所述的飞行器空中回收无人机的方法，其特征在于：对于空中回收多架空投型无人机时，要求载机机身宽度大于空投型无人机的翼展及机身长度，或设计空投型无人机在关车点实施机翼的自动折叠或自动脱落；为此，在机身内部设计粘贴网，粘贴网是应用包含魔术贴的多种网状材料制作；回收时先打开机尾舱门，由最贴近机尾舱门的首张粘贴网开始回收，由机身内的收网机构展开粘贴网，当空投型无人机被机身外的回收网收押并按压进入机身内，粘贴网与空投型无人机上铺贴的魔术贴粘连，并根据无人机触撞粘贴网的信号，首张粘贴网自动滑入机身前舱；然后，粘贴网下部的紧固机构相应松开，粘贴网拖带首架空投型无人机进舱，同时，自动展开第二张粘贴网，重复前述过程，完成回收多架无人机。

3.根据权利要求1或2所述的飞行器空中回收无人机的方法，其特征在于：地面监控站的设计具有与有人驾驶状态配套使用，包括与有人驾驶飞机，或合驾飞机配套，或者与无人驾驶状态配套使用，包括与无人机系统，或标配无人机系统配套。

4.根据权利要求3所述的飞行器空中回收无人机的方法，其特征在于：在地面监控站内，操控员席位提供话音通信系统，提供航行态势监控系统信息，设置对异常遥测数据的自动报警；操控员席位提供视距通信或卫星中继通信系统，以及BD短报文或应急短波通信系统。

5.根据权利要求4所述的飞行器空中回收无人机的方法，其特征在于：在执行投放空投型无人机的机组联合行动中，机载数据链充当空中中继数据链，与地面监控站连通，支持机组通信模式的应用，将空投型无人机的侦察信息传送到地面监控站，并给空投型无人机发送指令或信息。

6.根据权利要求5所述的飞行器空中回收无人机的方法，其特征在于：地面监控站制作成固定式或可移动式；多个地面监控站之间的无线连通采用合作驾驶飞行器的技术实现数据链的通用性。

7.一种空中回收无人机的飞行器系统，其特征在于：所述飞行器(7)是有人驾驶状态，包括有人驾驶飞机，或合驾飞机，或者，所述飞行器(7)是无人驾驶状态，包括无人机系统，或标配无人机系统；各状态的飞行器(7)分别在机身内或机身外装载用于投放的空投型无人机(1)；空投型无人机(1)的机翼是折叠状态或保持展开状态，发动机的螺旋桨也是折叠状态或保持展开状态；在飞行器(7)的机身尾部(4)或腹部安装空中回收网(2)用于回收空投型无人机(1)。

8.根据权利要求7所述的空中回收无人机的飞行器系统，其特征在于：所述飞行器(7)的机尾设有用于对空投型无人机(1)进行精密引导的机尾导引头(5)，所述机尾导引头(5)是光学或雷达导引头，所述机尾导引头(5)通过组合开关信号(3)对空投型无人机(1)进行精密引导。

9.根据权利要求7或8所述的空中回收无人机的飞行器系统，其特征在于：所述空投型无人机(1)表面铺贴有魔术贴，所述空中回收网(2)上也对应设有魔术贴。

10.根据权利要求9所述的空中回收无人机的飞行器系统，其特征在于：所述空中回收网(2)设有回收网张紧机构。