CN110422331A - 一种大型无人机回收小型无人机技术 - Google Patents

Abstract

一种大型无人机回收小型无人机技术。其目的是实现大型无人机在飞行过程中对小型无人机的平稳回收。本发明的技术在大型固定翼无人机的主机翼和两个非水平尾翼上都装有可滑动的牵引头；主机翼上的牵引头可沿左右机翼内外滑动，尾翼上的牵引头可沿机翼上下滑动；牵引头连着回收网；回收网的中心部分连在大型无人机的机身上的一个竖向旋转滚筒上；旋转滚筒的筒心空间就是存放小型无人机的位置；当牵引头滑到主机翼外端和尾翼上端，则回收网张开，形成一个以竖向旋转滚筒为凹陷中心的大网；小型无人机进入回收网后，向着大网的凹陷中心运动，最后落入旋转滚筒的筒心空间；然后牵引头滑到主机翼内端和尾翼根端，同时竖向旋转滚筒转动以带动回收网收回。

Description

一种大型无人机回收小型无人机技术

技术领域：

本发明提供了一种大型无人机回收小型无人机技术，属于航空工程领域。

背景技术：

无人机已经在各行各业得到了广泛的应用，尤其在诸如勘探测绘、网络巡检、应急救灾等领域具有巨大的应用潜力。目前无人机在诸如勘探测绘、网络巡检、应急救灾等领域的应用中，通常需要在以下两个方面进行性能的折中考虑：大航程飞行性能，抵近目标的精细观测能力。勘探测绘、网络巡检、应急救灾所要求的飞行任务航程动则成百上千公里，远非目前中小型无人机，尤其是螺旋翼无人机所能胜任，而只能由飞行速度较高的大型固定翼无人机来完成。然而，大型固定翼无人机由于其较高的飞行速度以及其他相关性能的限制，无法对低空目标，尤其是对地面目标进行抵近目标的精细观测。抵近目标的精细观测通常需要螺旋翼无人机的低空低速靠近和空中悬停的飞行功能，这些都是大型固定翼无人机完全无法企及的飞行功能。所以，目前应用无人机进行勘探测绘、网络巡检、应急救灾等作业时，一般是先派出大型固定翼无人机进行大范围监视；当发现某处目标存在可疑问题需要进一步抵近目标的精细观测时，则派出地面人员前往该目标所在区域用相应设备进行抵近目标的精细观测，此时才可能应用到螺旋翼无人机。但是，在现场情况不断动态演变的环境中，从大型固定翼无人机发现目标存在可疑问题到派出地面人员去核实可疑问题所需要的时间往往可能导致错过了最佳的问题处置时机，这在应急救灾中尤为重要。所以，如果大型固定翼无人机自身携带有小型螺旋翼无人机，当大型固定翼无人机从高空高速飞行中发现目标存在可疑问题后，能够马上派出自身所携带的小型螺旋翼无人机前往开展抵近目标的精细观测，那么，就可以在最短的时间内搞清楚可疑问题的情况，从而缩短应对处置的时间。

其实，大型固定翼无人机携带有小型螺旋翼无人机不是问题的关键，关键是在小型螺旋翼无人机被派出并完成抵近目标的精细观测以后，大型固定翼无人机该如何回收小型螺旋翼无人机，以便给小型螺旋翼无人机充电并再次使用，因为大型固定翼无人机在大航程飞行过程中，可能会陆续发现多个存在可疑问题的目标，因此需要多次派出小型螺旋翼无人机。如果大型固定翼无人机不能有效回收小型螺旋翼无人机，则需要携带多架小型螺旋翼无人机。考虑到载荷限制，大型固定翼无人机所携带小型螺旋翼无人机的数量是非常有限的，很可能远远少于一次大航程飞行监测任务中所发现的需要抵近精细观测的目标的数量。而且，如果小型螺旋翼无人机只做无需回收的一次性使用，则经济成本太高；另外，遗弃在野外的小型螺旋翼无人机可能会带来意想不到的环境污染和火灾隐患等问题。

因此，如果不能实现大型固定翼无人机对小型螺旋翼无人机的有效回收，那么大型固定翼无人机携带小型螺旋翼无人机开展大航程飞行监测任务就无从谈起。而要实现大型固定翼无人机对小型螺旋翼无人机的回收，就需要安全有效的回收技术。然而，目前常见的相关无人机回收技术包括阻拦网和抛投网等，但这些回收技术大都用于地面有人参与的无人机回收任务。关于大型无人机在飞行过程中回收同样处于飞行状态的小型无人机的技术设备研发工作还鲜有报道。也有一些关于多架无人机在空中对接的技术，但这些技术仅适用于多架可以缓慢飞行、空中悬停和精确定位的螺旋翼无人机之间的空中对接，无法应用到有飞行速度很快的大型固定翼无人机参与的空中回收任务。显而易见，大型固定翼无人机飞行速度快，为了避免因为两架无人机的相对速度差过大而导致的剧烈碰撞，小型无人机在回收作业时也必须尽可能地高速飞行；而且大型固定翼无人机的飞行气流对小型无人机的干扰也大。因此，基于缓慢飞行、空中悬停和精确定位的空中对接技术难以直接应用到大型固定翼无人机对小型无人机的回收作业，除非大幅提升传感、定位以及飞控的能力和精度。然而，在高速大扰动情况下要获得高精度的传感、定位和飞控能力，就意味着需要添加高成本大重量的设备和系统，这通常是无人机的制造成本和有限载荷所不能负担的。

本发明提出一种大型无人机回收小型无人机技术，用以解决在高速大扰动的情况下大型固定翼无人机在飞行过程中对小型无人机的有效回收问题。

发明内容：

本发明的目的是要提供一种大型无人机回收小型无人机技术，以解决在高速大扰动的情况下大型固定翼无人机在飞行过程中对小型无人机的有效回收问题。本发明的技术主要包括以下部分：导轨、牵引头、牵引头驱动器、回收网、竖向旋转滚筒、竖向旋转滚筒驱动器、吸力风扇、阻隔栅网和吸力风扇排气孔。导轨分别安装在大型固定翼无人机的两个主机翼和两个非水平尾翼上；每根导轨上的分别安装有一个牵引头；牵引头驱动器可以驱动牵引头沿导轨双向移动，即，主机翼上的牵引头在驱动器的驱动下可沿左右机翼内外移动，尾翼上的牵引头在驱动器的驱动下可沿尾翼上下移动；牵引头连着回收网；竖向旋转滚筒位于大型无人机的机身内，大型无人机的机背上有竖向旋转滚筒的上端开口；回收网的中心部分连在竖向旋转滚筒上；竖向旋转滚筒驱动器可以带动竖向旋转滚筒转动，以便缠绕收起回收网；竖向旋转滚筒的筒心空间就是存放小型无人机的位置；竖向旋转滚筒的筒心空间的底部连着吸力风扇；由阻隔栅网把小型无人机存放位置和吸力风扇分隔开；吸力风扇排气孔安装在大型无人机的机身两侧。

当大型固定翼无人机对小型无人机开展回收作业时，两架无人机根据空管要求、航空气象条件和各自的飞行性能包络线进入回收作业飞行状态，即在回收过程中，两架无人机应该保持同向飞行，小型无人机的飞行高度应该大于大型无人机的飞行高度，小型无人机应该保持尽可能大的恒定飞行速度，大型无人机从小型无人机的后下方追赶上小型无人机，追赶过程中，随着两架无人机的距离减小，大型无人机应该逐渐减速以期当两架无人机的距离减小到最大回收距离之内时，两架无人机之间的速度差能够尽可能小，从而能够最小化回收作业所造成的两架无人机之间的碰撞力度；同时，牵引头驱动器驱动主机翼上的牵引头沿导轨从主机翼的内端移动到外端，驱动非水平尾翼上的牵引头沿导轨从尾翼的下端移动到上端，在移动到主机翼外端和尾翼上端的牵引头的牵引下，回收网张开，形成一个以竖向旋转滚筒为凹陷中心的大网；吸力风扇也同时启动，在位于回收网凹陷中心的竖向旋转滚筒的上端开口处产生强大的内吸气流，内吸气流从竖向旋转滚筒的上端开口处流入，流经竖向旋转滚筒内部的小型无人机存放空间，流过小型无人机存放空间与吸力风扇之间的阻隔栅网，再由吸力风扇从大型无人机机身两侧的排气孔吹出；一旦小型无人机进入到大型无人机机背上张开的回收网的范围内，回收网和内吸气流就可以有效将小型无人机引导并吸入到竖向旋转滚筒内部的小型无人机存放空间；然后，牵引头驱动器带动主机翼上的牵引头沿导轨从主机翼的外端移动到内端，带动非水平尾翼上的牵引头沿导轨从尾翼的上端移动到下端，同时竖向旋转滚筒驱动器驱动竖向旋转滚筒转动，以带动回收网以缠绕在竖向旋转滚筒上的方式收起，从而减小大型无人机的气动阻力；至此，大型无人机对小型无人机的回收作业完成。

当大型无人机需要释放出小型无人机时，小型无人机的发动机预先启动，然后吸力风扇反转，从排气孔吸入气流，将存放在竖向旋转滚筒内部的小型无人机从竖向旋转滚筒的上端开口处吹出，从而小型无人机离开大型无人机开始自己的飞行。

安装在大型固定翼无人机的机翼上的导轨可以不平行于机翼表面，而是安装在主机翼上的导轨在机翼内端低而在机翼外端高，安装在非水平尾翼上的导轨在尾翼下端紧靠机翼表面而在尾翼上端则向外侧远离机翼表面，以便回收网收起时对大型无人机的气动外形影响尽量小，而回收网张开时网的面积尽量大。

安装在主机翼上的导轨在机翼外端的高度可以小于安装在非水平尾翼上的导轨在尾翼上端的高度，以便回收网张开时，回收网的整个外缘网口是向着正前上方，从而有利于大型无人机从小型无人机的后下方追赶回收小型无人机。

牵引头驱动器可以通过齿轮和齿纹带动牵引头沿导轨双向移动，即导轨上有齿纹，牵引头驱动器有齿轮，齿轮和齿纹彼此啮合，啮合在导轨齿纹上的齿轮转动，从而带动牵引头沿导轨移动。

竖向旋转滚筒的筒心空间里可以加装小型无人机的充电装置和数据交换装置，充电装置和数据交换装置的接口是紧贴竖向旋转滚筒内壁安装的大块金属触片，充电装置的正极接口的金属触片与负极接口的金属触片相对成180度角安装在竖向旋转滚筒内壁上，正极和负极金属触片可以保持相对成180度角紧贴竖向旋转滚筒内壁转动。当小型无人机回收到竖向旋转滚筒内部后，小型无人机就按相对成180度角伸出两个充电触头，直到触到竖向旋转滚筒的内壁。然后充电装置的正极和负极金属触片紧贴竖向旋转滚筒内壁而转动，直到正极和负极金属触片分别接触到小型无人机伸出的两个充电触头，从而开始充电。充电结束后，数据交换装置也通过正极和负极金属触片以及小型无人机伸出的两个充电触头与小型无人机进行必要的数据交换。

本发明的一种大型无人机回收小型无人机技术中的各个部件可以采用适当的材料、形状、尺寸、大小、数量、颜色和布局位置设计。例如，机翼上供牵引头滑动的导轨的形状可以是笔直的，也可以是弯曲的；竖向旋转滚筒内的吸力风扇在机身侧面的排气孔的数量和位置可以灵活设计，以确保能够产生强劲的内吸和外吹气流的同时，不会影响大型无人机正常的飞行。

本发明的一种大型无人机回收小型无人机技术具有以下有益效果：在开展回收作业时，对两架无人机之间的相对位置精度要求不高，只要小型无人机进入到大型无人机的回收网范围内，回收网加上吸力风扇所产生的强劲内吸气流，就可以顺利地将小型无人机引导吸入到旋转滚筒的筒心空间里存放；张开的回收网具有一定的韧性，可以有效地缓冲因为两架无人机的相对速度差而造成的碰撞；另外，回收网是网状的，张开后对大型无人机的飞行气动特性影响不大。所以，本发明的技术能够在高速大扰动的情况下实现大型无人机在飞行过程中对小型无人机的有效回收。

附图说明：

附图给出本发明的一种大型无人机回收小型无人机技术的示意图：

图1：本发明的一种大型无人机回收小型无人机技术的主要结构示意图。

图2：本发明的一种大型无人机回收小型无人机技术中牵引头驱动器通过齿轮和齿纹带动牵引头的示例图。

图3：本发明的一种大型无人机回收小型无人机技术中竖向旋转滚筒的筒心空间加装小型无人机的充电装置和数据交换装置的示例图。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明的一种大型无人机回收小型无人机技术做进一步说明。附图中标号说明：1导轨2牵引头3牵引头驱动器4回收网5竖向旋转滚筒6竖向旋转滚筒驱动器7吸力风扇8阻隔栅网9吸力风扇排气孔10导轨上的齿纹11牵引头驱动器的齿轮12充电装置的正极金属触片13充电装置的负极金属触片14小型无人机伸出的充电触头。

图1给出了本发明的一种大型无人机回收小型无人机技术的主要结构。导轨(1)分别安装在大型固定翼无人机的两个主机翼和两个非水平尾翼上；每根导轨(1)上的分别安装有一个牵引头(2)；牵引头驱动器(3)可以驱动牵引头(2)沿导轨(1)双向移动，即，主机翼上的牵引头(2)在驱动器(3)的驱动下可沿左右机翼内外移动，尾翼上的牵引头(2)在驱动器(3)的驱动下可沿尾翼上下移动；牵引头(2)连着回收网(4)；竖向旋转滚筒(5)位于大型无人机的机身内，大型无人机的机背上有竖向旋转滚筒(5)的上端开口；回收网(4)的中心部分连在竖向旋转滚筒(5)上；竖向旋转滚筒驱动器(6)可以带动竖向旋转滚筒(5)转动，以便缠绕收起回收网(4)；竖向旋转滚筒(5)的筒心空间就是存放小型无人机的位置；竖向旋转滚筒的筒心空间的底部连着吸力风扇(7)；由阻隔栅网(8)把小型无人机存放位置和吸力风扇(7)分隔开；吸力风扇排气孔(9)安装在大型无人机的机身两侧。

当大型固定翼无人机对小型无人机开展回收作业时，牵引头驱动器(3)驱动主机翼上的牵引头(2)沿导轨(1)从主机翼的内端移动到外端，驱动非水平尾翼上的牵引头(2)沿导轨(1)从尾翼的下端移动到上端。在移动到主机翼外端和尾翼上端的牵引头(2)的牵引下，回收网(4)张开，形成一个以竖向旋转滚筒(5)为凹陷中心的大网。吸力风扇(7)也同时启动，在位于回收网凹陷中心的竖向旋转滚筒(5)的上端开口处产生强大的内吸气流，内吸气流从竖向旋转滚筒(5)的上端开口处流入，流经竖向旋转滚筒(5)内部的小型无人机存放空间，流过小型无人机存放空间与吸力风扇(7)之间的阻隔栅网(8)，再由吸力风扇(7)从大型无人机机身两侧的排气孔(9)吹出。一旦小型无人机进入到大型无人机机背上张开的回收网(4)的范围内，回收网(4)和内吸气流就可以有效将小型无人机引导并吸入到竖向旋转滚筒(5)内部的小型无人机存放空间。然后，牵引头驱动器(3)带动主机翼上的牵引头(2)沿导轨(1)从主机翼的外端移动到内端，带动非水平尾翼上的牵引头(2)沿导轨(1)从尾翼的上端移动到下端，同时竖向旋转滚筒驱动器(6)驱动竖向旋转滚筒(5)转动，以带动回收网(4)以缠绕在竖向旋转滚筒(5)上的方式收起，从而减小大型无人机的气动阻力。至此，大型无人机对小型无人机的回收作业完成。

图2给出了本发明的一种大型无人机回收小型无人机技术中牵引头驱动器通过齿轮和齿纹带动牵引头的示例图。牵引头驱动器(3)可以通过齿轮(11)和齿纹(10)带动牵引头(2)沿导轨(1)双向移动。即：导轨(1)上有齿纹(10)，牵引头驱动器(3)有齿轮(11)，齿轮(11)和齿纹(10)彼此啮合，啮合在导轨(1)的齿纹(10)上的齿轮(11)转动，从而带动牵引头(2)沿导轨(1)移动。需要强调的是，为了更清晰的示例牵引头驱动器通过齿轮和齿纹带动牵引头，图2只画出了无人机上的导轨(1)和牵引头(2)，而省略了本发明的技术中的其他部分。

图3给出了本发明的一种大型无人机回收小型无人机技术中竖向旋转滚筒的筒心空间加装小型无人机的充电装置和数据交换装置的示例图。充电装置和数据交换装置的接口是紧贴竖向旋转滚筒(5)内壁安装的大块金属触片(12)和(13)；充电装置的正极接口的金属触片(12)与负极接口的金属触片(13)相对成180度角安装在竖向旋转滚筒(5)内壁上，正极金属触片(12)和负极金属触片(13)可以保持相对成180度角紧贴竖向旋转滚筒(5)内壁转动。当小型无人机回收到竖向旋转滚筒(5)内部后，小型无人机就按相对成180度角伸出两个充电触头(14)，直到触到竖向旋转滚筒(5)的内壁；然后充电装置的正极金属触片(12)和负极金属触片(13)紧贴竖向旋转滚筒(5)内壁而转动，直到正极金属触片(12)和负极金属触片(13)分别接触到小型无人机伸出的两个充电触头(14)，从而开始充电。充电结束后，数据交换装置也通过正极金属触片(12)和负极金属触片(13)以及小型无人机伸出的两个充电触头(14)与小型无人机进行必要的数据交换。需要强调的是，为了更清晰的示例竖向旋转滚筒的筒心空间里的充电装置和数据交换装置，图3只画出了竖向旋转滚筒(5)及其筒心空间内的部分，而省略了本发明的技术中的其他部分。

Claims (6)

1.一种大型无人机回收小型无人机技术。其目的是实现在高速大扰动的情况下大型无人机在飞行过程中对小型无人机的有效回收。本发明的技术主要包括以下部分：导轨、牵引头、牵引头驱动器、回收网、竖向旋转滚筒、竖向旋转滚筒驱动器、吸力风扇、阻隔栅网和吸力风扇排气孔；导轨分别安装在大型固定翼无人机的两个主机翼和两个非水平尾翼上；每根导轨上的分别安装有一个牵引头；牵引头驱动器可以驱动牵引头沿导轨双向移动，即，主机翼上的牵引头在驱动器的驱动下可沿左右机翼内外移动，尾翼上的牵引头在驱动器的驱动下可沿尾翼上下移动；牵引头连着回收网；竖向旋转滚筒位于大型无人机的机身内，大型无人机的机背上有竖向旋转滚筒的上端开口；回收网的中心部分连在竖向旋转滚筒上；竖向旋转滚筒驱动器可以带动竖向旋转滚筒转动，以便缠绕收起回收网；竖向旋转滚筒的筒心空间就是存放小型无人机的位置；竖向旋转滚筒的筒心空间的底部连着吸力风扇；由阻隔栅网把小型无人机存放位置和吸力风扇分隔开；吸力风扇排气孔安装在大型无人机的机身两侧。当大型固定翼无人机对小型无人机开展回收作业时，两架无人机根据空管要求、航空气象条件和各自的飞行性能包络线进入回收作业飞行状态，即在回收过程中，两架无人机应该保持同向飞行，小型无人机的飞行高度应该大于大型无人机的飞行高度，小型无人机应该保持尽可能大的恒定飞行速度，大型无人机从小型无人机的后下方追赶上小型无人机，追赶过程中，随着两架无人机的距离减小，大型无人机应该逐渐减速以期当两架无人机的距离减小到最大回收距离之内时，两架无人机之间的速度差能够尽可能小，从而能够最小化回收作业所造成的两架无人机之间的碰撞力度；同时，牵引头驱动器驱动主机翼上的牵引头沿导轨从主机翼的内端移动到外端，驱动非水平尾翼上的牵引头沿导轨从尾翼的下端移动到上端，在移动到主机翼外端和尾翼上端的牵引头的牵引下，回收网张开，形成一个以竖向旋转滚筒为凹陷中心的大网；吸力风扇也同时启动，在位于回收网凹陷中心的竖向旋转滚筒的上端开口处产生强大的内吸气流，内吸气流从竖向旋转滚筒的上端开口处流入，流经竖向旋转滚筒内部的小型无人机存放空间，流过小型无人机存放空间与吸力风扇之间的阻隔栅网，再由吸力风扇从大型无人机机身两侧的排气孔吹出；一旦小型无人机进入到大型无人机机背上张开的回收网的范围内，回收网和内吸气流就可以有效将小型无人机引导并吸入到竖向旋转滚筒内部的小型无人机存放空间；然后，牵引头驱动器带动主机翼上的牵引头沿导轨从主机翼的外端移动到内端，带动非水平尾翼上的牵引头沿导轨从尾翼的上端移动到下端，同时竖向旋转滚筒驱动器驱动竖向旋转滚筒转动，以带动回收网以缠绕在竖向旋转滚筒上的方式收起，从而减小大型无人机的气动阻力；至此，大型无人机对小型无人机的回收作业完成。当大型无人机需要释放出小型无人机时，小型无人机的发动机预先启动，然后吸力风扇反转，从排气孔吸入气流，将存放在竖向旋转滚筒内部的小型无人机从竖向旋转滚筒的上端开口处吹出，从而小型无人机离开大型无人机开始自己的飞行。

2.根据权利要求1所述的一种大型无人机回收小型无人机技术，其特征是：安装在主机翼上的导轨可以在机翼内端低而在机翼外端高，安装在非水平尾翼上的导轨可以在尾翼下端紧靠机翼表面而在尾翼上端则向外侧远离机翼表面。

3.根据权利要求1所述的一种大型无人机回收小型无人机技术，其特征是：安装在主机翼上的导轨在机翼外端的高度可以小于安装在非水平尾翼上的导轨在尾翼上端的高度。

4.根据权利要求1所述的一种大型无人机回收小型无人机技术，其特征是：牵引头驱动器可以通过齿轮和齿纹带动牵引头沿导轨双向移动，即导轨上有齿纹，牵引头驱动器有齿轮，齿轮和齿纹彼此啮合，啮合在导轨齿纹上的齿轮转动，从而带动牵引头沿导轨移动。

5.根据权利要求1所述的一种大型无人机回收小型无人机技术，其特征是：竖向旋转滚筒的筒心空间里可以加装小型无人机的充电装置和数据交换装置，充电装置和数据交换装置的接口是紧贴竖向旋转滚筒内壁安装的大块金属触片，充电装置的正极接口的金属触片与负极接口的金属触片相对成180度角安装在竖向旋转滚筒内壁上，正极和负极金属触片可以保持相对成180度角紧贴竖向旋转滚筒内壁转动；当小型无人机回收到竖向旋转滚筒内部后，小型无人机就按相对成180度角伸出两个充电触头，直到触到竖向旋转滚筒的内壁；然后充电装置的正极和负极金属触片紧贴竖向旋转滚筒内壁而转动，直到正极和负极金属触片分别接触到小型无人机伸出的两个充电触头，从而开始充电；充电结束后，数据交换装置也通过正极和负极金属触片以及小型无人机伸出的两个充电触头与小型无人机进行必要的数据交换。

6.根据权利要求1所述的一种大型无人机回收小型无人机技术，其特征是：所述的回收技术中的各个部件可以采用适当的材料、形状、尺寸、大小、数量、颜色和布局位置设计。