CN108146639B - 用于中小型无人机回收的高速伞降系统、方法、及弹射伞 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于中小型无人机回收的高速伞降控制系统、方法、弹射伞，其特点在于：包括地面控制站控制单元、环境和飞机信息数据采集单元、飞控系统、数据处理和执行信息生成单元、弹射程序启动单元；该方法包括：设置无人机低空低速开伞的高度参数、速度参数；无人机飞临指定着陆区上空并接收地面站指令；确定着陆区并按照指定路线进场；启动控制系统弹射开伞、着陆；该弹射伞包括降落伞和安装在降落伞四角的弹射气瓶枪；本发明通过低空开伞，节省了无人机进入着陆区以后50%的垂直降落时间；通过开伞过程全部自动化，实现了无人机着陆预定目标点的精准定位；通过弹射开伞，提高了开伞速度。

Description

用于中小型无人机回收的高速伞降系统、方法、及弹射伞

技术领域

本发明涉及无人机回收技术领域，特别涉及一种用于中小型无人机回收的高速伞降系统、方法、及弹射伞。

背景技术

伞降回收方式是中小型无人机常规采用的回收方式。中小型无人机适用的范围很广泛，但是回收中小型无人机始终是无人机应用的一大障碍。

由于中小型无人机常在森林、山区、河湖、高寒地区和近海使用，起飞和着陆回收由于地貌和条件限制，必须具备多种起飞和回收技术。

伞降回收技术通常采用无人机所携带的降落伞在空中开伞，然后缓慢的降落到地面。当无人机在山地或森林和水面飞行时，伞降的最终着陆点往往由于风向、风力的原因，无人机的真实着陆地点偏离预定目的地，以至于造成摔失、损坏等问题；或由于无人机自身开伞缓慢的原因，以至于造成无人机无法及时回收等问题。对于和平时期，使用者还可以利用后期搜索来寻回无人机。当在战场使用，不仅损失无人机，而且所执行任务的结果和计划将全部损失，严重影响战局。

解决无人机自身开伞缓慢的问题，首先分析普通降伞技术的瓶颈问题：

无论无人机的重量，飞行速度的不同，开伞高度通常是离地300米-100米高度上开伞。开伞时间从开伞指令发出到伞抛出或由牵引伞开始拉伞，大约要3-5秒，这个开伞过程取决于无人机开伞前的飞行速度。对于中型无人机，重量为200公斤-300公斤重的飞机，开伞速度约为120-150公里/时，对于小型无人机，开伞速度约为60公里-100公里/时，而牵引伞或降落伞在60公里这样低速全展开时间需2-3秒。这样当降落伞开始承受全部飞机重量而减速时，已经有大约5-7秒时间过去。而开伞后飞机减速到近似下降状态，还需要1-2秒，因此从开伞指令到垂直降落几乎要用7-9秒钟。

尽管从开伞指令到垂直降落几乎要用7-9秒钟，然而开伞必需有一定高度，让垂直下降速度降到和保持无人机可以被接受的着地速度是需要相当高度的。这个高度按常规设计的降落伞而言，一般需要100米-300米高度，可以被接受的设定的着陆速度不大于6米/秒，对于小型轻型无人机甚至可以是8米/秒。

尽管着陆速度6-8米/秒已经是可接受极限，但对于着陆速度6-8米/秒的无人机，如果没有足够的保护措施会造成无人机结构、设备、动力系统相当大，以至于无法修复的损坏。通常采用火箭反冲、气垫缓冲等措施，但是总体来看效果不是很好，时有损坏和失效的情况。

普通降伞技术不仅存在上述问题，还存在偏离目标点问题。当无人机最终开伞时的风速达到8米-10米/秒（这是十分常见的情况，尤其是山区和海边），那么由于风力的原因，假设飞机从100米高空下降到地面，如果需要10秒的话，由于每秒偏离8-10米，到达地面时，就会偏离预定着陆点大约100米。如果开伞高度是300米高度，当着飞机下降到陆地时，就会偏离预定着陆点约300米。

问题还不仅仅是距离的偏移，主要的困难时整个着陆回收过程是非可控的。这对于军用的无人机来讲是难以被接受的。

综上，现有技术存在无人机开伞高度不可降的难题、存在开伞过程时间长的难题、存在飞机着陆后偏离预定目标点的难题。

发明内容

本发明针对现有技术的问题，提出了一种用于中小型无人机回收的高速伞降系统、方法、及弹射伞，用以达到无人机快速回收、低空开伞回收，精确回收的目的。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种用于中小型无人机回收的高速伞降控制系统，其特点是：包括地面控制站控制单元、环境和飞机信息数据采集单元、飞控系统、数据处理和执行信息生成单元、弹射程序启动单元；所述的飞控系统分别与环境和飞机信息数据采集单元、弹射程序启动单元单向连接，与数据处理和执行信息生成单元双向连接；所述的数据采集单元与地面控制站控制单元自动无线双向连接。

所述的弹射程序启动单元包括开启伞舱模块、高压弹射器启动模块、弹射开伞模块、着陆弃伞模块；所述弹射开伞模块包括：高压弹射器启动模块、牵引伞启动模块。

所述的数据采集单元采集的环境信息包括周围环境数据和地面信息；所述周围环境数据包括：大气压、湿度、窑度、温度、风向、风速、飞行高度、飞行速度、方向、GPS地址；所述地面信息包括照相图像信息，数据采集单元将照相图像信息传送给地面站并接收地面站指令。

一种用于中小型无人机回收的高速伞降控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、设置无人机低空低速开伞的高度参数、速度参数；

步骤二：无人机飞临指定着陆区上空并接收地面站指令；

步骤三、确定着陆区并按照指定路线进场；

步骤四、启动控制系统弹射开伞、着陆。

所述步骤一的低空开伞高度为50米、低空开伞速度为最小安全飞行速度；

所述步骤二的无人机飞临指定着陆区上空并接收指令，具体为无人机飞临预进入区上空时，接收地面控制站指令以及着陆地点的GPS坐标，根据该GPS坐标，确定预进入区以及着陆区的范围。

所述步骤三的确定着陆区并按照指定路线进场，具体包括以下过程：

确定进场方向、高度、飞航路线，并通知地面站；

准备手控着陆过程用作备份开伞指令，同时放下起落架；

所述伞材采用轻质、特殊折叠降的降落伞；

所述的起落架为带有缓冲作用的起落架；

所述起落架可以承受1.5G过载冲击；

按指定路线进场，进入100米直径着陆区；

激光测距指定路线到所述着陆区中心点的距离；

无人机收油门减速至最小允许飞行速度。

所述步骤四的启动控制系统弹射开伞、着陆，具体包括以下过程：

（1）飞控系统接收无人机信息收集器收集的环境和飞机信息；

（2）飞控系统发送指令通知数据处理单元进行数据处理；

（3）数据处理单元生成执行信息反馈给飞控系统；

所述的执行信息为开伞过程执行信息；

（4）飞控系统接收开伞过程执行信息并启动弹射程序。

所述过程（4）飞控系统启动的弹射程序执行以下过程：

i、开启伞舱；

ii、弹射开伞并且顶风开伞；

所述弹射开伞包括：高压弹射器启动、牵引伞启动；

所述顶风开伞是用逆风速来降低开伞后的速度，相对风速大，有利于缩短开伞时间，1秒开伞。

ii、无人机着陆；

所述无人机着陆为垂直降落着陆，垂直降落速度最高约8米/秒；

iv、启动指令弃伞。

所述高压弹射器启动即是通过安装在降落伞四角的高压气瓶枪瞬时把降落伞弹出伞舱，使伞很快张开充满，弹射过程为1-2秒间；弹射气瓶枪和伞折叠方式相配合，弹射枪方向是向上、向外、向前的综合方向，由计算和试验方式确定。

所述牵引伞启动为高压气弹射枪牵引出小牵引伞，再由小牵引伞拉出主伞，或者直接由高压气弹射枪直接牵引出主伞。

一种用于中小型无人机回收的高速伞降控制系统的高压弹射气瓶枪降落伞，其特点是：包括降落伞和安装在降落伞四角的弹射气瓶枪，所述弹射气瓶枪为筒状的内外两层，外层为高压气瓶，内层为发射筒，发射筒的底部沿中心区域圆周方向连接有气塞或开关，发射筒的顶部为半球形，半球形顶部对称设置有一对环孔，环控上设置有半圆形的连接环，半圆形连接环的直径边通过伞面边缘缝制的加强布和伞面、伞绳缝合在一起。

本发明的优点和积极效果是：

1、低空开伞，节省了无人机进入着陆区以后50%的垂直降落时间。本发明打破了传统的思维模式，采用顶风降速代替高空降速，用逆风速来降低开伞后的速度，使得开伞高度从100米下降到仅有50米高度，有效缩短了无人机回收时间，解决了本领域技术人员长期以来难以解决的开伞高度降不下来的难题。

2、本发明实现开伞过程全部自动化，过程可控，精确回收。通过200米直径预进入区的设置，解决了从程序执行到着陆区的时间延时问题，从而保证了着陆精度；通过控制系统数据处理单元与地面控制站控制单元的双向通讯，使得地面站能够通过数据处理单元反馈的照相图片信息实时掌控无人机与预定目标点的相对位置情况，从而实时控制伞降回收的全过程；通过数据采集单元收集环境信息并发送给飞控系统、通过数据处理单元对环境信息的处理并自动生成开伞过程信息并将其反馈给飞控系统，实现了开伞、降伞、着陆全部过程智能化。

3、弹射开伞、精确定位。本发明通过在降落伞四角安装的高压气瓶枪瞬时把降落伞弹出伞舱，使伞很快张开充满，开伞时间由3秒缩短到1秒；本发明还采用弹射气瓶枪和伞折叠方式相配合的方式、由计算和试验方式确定弹射枪的向上、向外、向前的综合方向的方式，不仅缩短了开伞时间，还解决了风速、风向造成的无人机回收偏离目标点的问题。

4、本发明采用带有缓冲装置的起落架，使得起落架可以承受1.5G过载冲击，在一定程度上解决了保护机身下部安装的天线、照像、通信、侦测设备问题；同时，通过前起架可更换、以及液-气减震栓结构，允许前起落架轻度损伤，可以修复性损伤。

附图说明

图1为本发明高精度降伞原理图；

图2为本发明控制系统架构示意图；

图3为本发明起落架安装图；

图4为本发明高压弹射气瓶抢开伞示意图；

图5为本发明高压气弹射枪引出小牵引伞开伞示意图；

图6为本发明高压气瓶弹射弹降落伞结构图；

图7为本发明控制系统弹射开伞处理流程图。

图中：1-0：100米半径开伞预进入区；1-1：50米半径低空开伞区；2：机载起落架；2-1：前起架；2-2：后起架；2-3：液-气减震栓；3-0：伞舱盖；3-1：主伞；3-2：小牵引伞；3-3：高压气弹射枪；3-4：高压气瓶弹射弹；3-4-0：气塞或开关；3-4-1：高压气瓶；3-4-2：发射筒；3-4-3：连接环环孔；3-4-4：连接环；3-4-5：加强布；4：降落伞。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明设计原理。

如图1所示，为本发明高精度降伞原理图。图2中设置有两个圆形区域，从外向内，分别有100米半径、80米高度的预进入区；50米半径、50米高度的开伞区；图2中还标识有弹射气枪开伞的位置：在低空50米半径的圆周上；还展示了顶风开伞时弹射器向前的方向和风向是相对的方向；还标识了开伞时的速度为低速：8米/每秒、飞机进入预进入区的速度为7米/每秒。下面对图2的高精度降伞原理进行解释。

1、低空开伞的设计原理。低空开伞先解决条件问题，再解决方法问题。条件是：低空开伞起始点速度必须是低速度，也就是50米低空开伞速度应该与100米高空作为起始点、速度随着高度下降而下降、降落到50米时的速度相等；解决低空开伞的方法问题是如何获得起始点的低速度，也就是飞机如何从图2中200米直径的预进入区的~17米/每秒下降到100米直径着陆区的8米/每秒，本发明采用的方法是顶风开伞，用逆风速来降低开伞后的速度。逆风速能够降低开伞后速度是因为原有垂直下降的速度一部分被分解为抵御迎面来风的速度，而垂直下降的分速度相比原来就减小了。

2、精确定位的设计原理。

解决精确定位的环节有三个，解决精确定位的第一环节：重新校正空中着陆区的起始点，假设着陆区的中心点为预定目标点，再假设由于风向风力原因预计偏离中心点50米，那么，空中开伞起始点不应该在50米半径的中心点上，而应该在偏离中心点、以中心点为圆心，以50米为半径的圆周上，如图1所示；解决精确定位的第二环节：高压弹射枪的弹射角度。本发明采用两种弹射方式，这里，高压气瓶弹射弹和高压气弹射枪统称为高压弹射枪。不论哪种方式，高压弹射抢将降落伞弹射到什么位置是个关键，高压弹射枪应把降落伞弹射到空中50米半径的圆周上，具体位于圆周上的哪个点因该根据风向和风力而计算得到。降落伞被弹出的位置太远、太近都不能克服风力的影响而准确着陆在预定目标点。具体方法是调整高压弹射枪的向上、向外、向前的综合方向，而调整综合方向的依据是通过本发明控制系统的数据收集单元和数据处理单元，数据收集单元将大气压、湿度、窑度、温度、风向、风速、飞行高度、飞行速度、方向、GPS地址采集后，通过数据处理单元汇总分析，生成开伞过程执行信息，弹射程序启动单元根据这些信息计算弹射枪的向上、向外、向前的综合方向；解决精确定位的第三环节：执行程序的初始位置。由于开伞时间从开伞指令发出到伞抛出或由牵引伞开始拉伞，大约要3-5秒，伞打开的过程也需要1-2秒，由于这个时间延时，需要将执行程序的时间向前推移。具体为图2中的100米半径、80米高度的预进入区，在飞机刚刚进入100米半径、80米高度的预进入区时执行开伞程序，从100米半径到50米半径是时间延时的范围，当进入50米半径区域时，超过了延时时间范围，此时，降落伞被完全打开为充满状态。

根据以上发明原理，本发明设计了一种用于中小型无人机回收的高速伞降控制系统，如图2所示，包括地面控制站控制单元、环境和飞机信息数据采集单元、飞控系统、数据处理和执行信息生成单元、弹射程序启动单元；所述的飞控系统分别与环境和飞机信息数据采集单元、弹射程序启动单元单向连接，与数据处理和执行信息生成单元双向连接；所述的数据采集单元与地面控制站控制单元自动无线双向连接。所述的弹射程序启动单元包括开启伞舱模块、高压弹射器启动模块、弹射开伞模块、着陆弃伞模块。

所述弹射开伞模块包括：高压弹射器启动模块、牵引伞启动模块；所述的数据采集单元采集的环境信息包括周围环境数据和地面信息；所述周围环境数据包括：大气压、湿度、窑度、温度、风向、风速、飞行高度、飞行速度、方向、GPS地址；所述地面信息包括照相图像信息，数据采集单元将照相图像信息传送给地面站并接收地面站指令。

一种用于中小型无人机回收的高速伞降控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、设置无人机低空低速开伞的高度参数、速度参数；

所述低空开伞高度为50米、低空开伞速度为最小安全飞行速度；

步骤二：无人机飞临指定着陆区上空并接收指令；

所述无人机飞临指定着陆区上空，即是飞临图1的100半径的预进入区，在飞临这个区域时，接收地面控制站指令以及着陆地点的GPS坐标，根据该GPS坐标，确定100米半径的预进入区和50米半径的着陆区。

步骤三、确定着陆区并按照指定路线进场。

具体包括以下过程：

确定进场方向、高度、飞航路线，并通知地面站；

准备手控着陆过程用作备份开伞指令，同时放下起落架；

所述伞材采用轻质、特殊折叠降的降落伞；

所述的起落架为带有缓冲作用的起落架；

如图3所示，为本发明机载起落架安装示意图，该起落架包括前起架2-1、后起架2-2、液-气减震柱2-3，机载起落架起缓冲作用，起落架可以承受1.5G过载冲击，用以保护机身下部安装天线、照明设备。允许前起落架轻度损坏，也允许有可以修复性损伤；

按指定路线进场，进入100米直径着陆区；

所述按指定路线进场，具体为根据由地面控制站指令着陆地点GPS坐标，确定直接为100米着陆区；

激光测距指定路线到所述着陆区中心点的距离；

无人机收油门减速至最小允许飞行速度。

步骤四、启动控制系统弹射开伞、着陆。

如图7所示，本发明控制系统弹射开伞处理流程图，具体流程如下：

(1)飞控系统接收无人机信息收集器收集的环境和飞机信息；

(2)飞控系统发送指令通知数据处理单元进行数据处理；

(3)数据处理单元生成执行信息反馈给飞控系统；

所述的执行信息为开伞过程执行信息；

(4)飞控系统接收开伞过程执行信息并启动弹射程序。

飞控系统启动的弹射程序具体如下：

i、开启伞舱；

ii、弹射开伞并且顶风开伞；

所述弹射开伞包括：高压弹射器启动、牵引伞启动；

如图4所示，所述高压弹射器启动即是通过安装在降落伞四角的高压气瓶枪3-4，瞬时把降落伞弹出伞舱，使伞很快张开充满，弹射过程为1-2秒间；弹射气瓶枪和伞折叠方式相配合，弹射枪方向是向上、向外、向前的综合方向，由计算和试验方式确定。

如图5所示，为本发明高压气弹引出牵引伞开伞示意图，3-0为伞舱盖、3-1为主伞、3-2为小牵引伞、3-3为高压气弹射枪。

所述牵引伞启动为高压气弹射枪牵引出小牵引伞3-2，再由小牵引伞拉出主伞3-1，或者直接由高压气弹射枪直接牵引出主伞3-1。

所述顶风开伞是用逆风速来降低开伞后的速度，相对风速大，有利于缩短开伞时间，1秒开伞。

iii、无人机着陆；

所述无人机着陆为垂直降落着陆，垂直降落速度最高约8米/秒；

iv、启动指令弃伞。

如图6所示，一种用于中小型无人机回收的高速伞降控制系统的高压弹射气瓶枪降落伞，其特点在于：包括降落伞4和安装在降落伞四角的弹射气瓶枪3-4，所述弹射气瓶枪为筒状的内外两层，外层为高压气瓶3-4-1，内层为发射筒3-4-2，发射筒的底部沿中心区域圆周方向连接有气塞或开关3-4-0，发射筒的顶部为半球形，半球形顶部对称设置有一对环孔3-4-3，环控上3-4-4设置有半圆形的连接环3-4-4，半圆形3-4-4的直径边通过伞面边缘缝制的加强布3-4-5和伞面、伞绳缝合在一起。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (3)

1.一种用于中小型无人机回收的高速伞降方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、设置无人机低空低速开伞的高度参数、速度参数；

步骤二：无人机飞临指定着陆区上空并接收地面站指令；

步骤三、确定着陆区并按照指定路线进场；

步骤四、启动控制系统弹射开伞、着陆；

所述步骤一的低空开伞高度为50米、低空开伞速度为最小安全飞行速度；

所述步骤二的无人机飞临指定着陆区上空并接收指令，具体为无人机飞临预进入区上空时，接收地面控制站指令以及着陆地点的GPS坐标，根据该GPS坐标，确定预进入区以及着陆区的范围；

所述步骤三的确定着陆区并按照指定路线进场，具体包括以下过程：

确定进场方向、高度、飞航路线，并通知地面站；

准备手控着陆过程用作备份开伞指令，同时放下起落架；

伞材采用轻质、特殊折叠的降落伞；

所述的起落架为带有缓冲作用的起落架；

所述起落架承受1.5G过载冲击；

按指定路线进场，进入100米直径着陆区；

激光测距指定路线到所述着陆区中心点的距离；

无人机收油门减速至最小允许飞行速度；

所述步骤四的启动控制系统弹射开伞、着陆，具体包括以下过程：

（1）飞控系统接收无人机信息收集器收集的环境和飞机信息；

（2）飞控系统发送指令通知数据处理单元进行数据处理；

（3）数据处理单元生成执行信息反馈给飞控系统；

所述的执行信息为开伞过程执行信息；

（4）飞控系统接收开伞过程执行信息并启动弹射程序；

所述过程（4）飞控系统启动的弹射程序执行以下过程：

i、开启伞舱；

ii、弹射开伞并且顶风开伞；

所述弹射开伞包括：高压弹射器启动、牵引伞启动；

所述顶风开伞是用逆风速来降低开伞后的速度，相对风速大，有利于缩短开伞时间，1秒开伞；

iii、无人机着陆；

所述无人机着陆为垂直降落着陆，垂直降落速度最高8米/秒；

iv、启动指令弃伞。

2.根据权利要求1所述的一种用于中小型无人机回收的高速伞降方法，其特征在于：所述高压弹射器启动即是通过安装在降落伞四角的高压气瓶枪瞬时把降落伞弹出伞舱，使伞很快张开充满，弹射过程为1-2秒间；弹射气瓶枪和伞折叠方式相配合，弹射枪方向是向上、向外、向前的综合方向，由计算和试验方式确定。

3.根据权利要求2所述的一种用于中小型无人机回收的高速伞降方法，其特征在于：所述牵引伞启动为高压气弹射枪牵引出小牵引伞，再由小牵引伞拉出主伞，或者直接由高压气弹射枪直接牵引出主伞。