CN110920898A - 一种用于飞行器救援的吊舱及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及飞行器领域，特别涉及用于飞行器救援的吊舱及防止吊舱自转的控制方法。一种用于飞行器救援的吊舱，所述的飞行器具有垂直起降功能，其特征是，吊舱与飞行器通过绳连接，飞行器通过卷收或释放绳，控制吊舱接近或远离飞行器；吊舱内部具有容纳人员或货物的空间，吊舱上部与绳连接；吊舱包括探测器和控制器，探测器实时检测吊舱相对飞行器的旋转速度，当旋转速度超出设定阈值，控制器控制吊舱产生阻碍吊舱继续转动的力矩，阻碍吊舱相对飞行器继续旋转；这个力矩是与空气发生相互作用产生的。本发明解决了现有技术用于飞行器救援的吊舱在下洗气流作用下的转动问题。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器领域，特别涉及用于飞行器救援的吊舱及防止吊舱自转的控制方法。
背景技术
飞行器救援，能快速到达水、陆路不可通达的作业现场，实施救援、物资运送等工作，是世界上许多国家普遍采用的最有效的应急救援手段。具有快速、高效、受地理空间限制较少等优势，是普遍采用的最有效的应急救援手段，能够垂直起飞降落、不用大面积机场、能批量运载物资和伤员。
直升机是航空应急救援的核心装备，近些年来多旋翼无人机作为救援核心装备也有应用，本文中的飞行器主要是直升机和无人机等可垂直起降的飞行器。
现有技术中用于飞行器救援装载人员或货物的吊舱，通常应用绳索与飞行器连接，飞行器拉伸绳索实现吊舱与之接近和远离，比如飞行器悬停在待救援人员上空，当带救援人员被搬运到吊舱中，飞行器卷收绳索将将载有人员的吊舱拉向飞行器，在这个过程中，吊舱位于飞行器下洗气流的作用区域，由于吊舱装载人员吊舱可能有一定的倾角再加上外形的不规则，在下洗气流的作用下容易产生绕绳索轴线的旋转力矩，在这个力矩的作用下吊舱产生旋转运动，这个旋转动作是有害的，首先影响飞行器与吊舱顺利对接，另外可想而知吊舱上如果运载的是人员，高空的旋转对人员的身体和心理影响较大。
综上，现有技术的用于飞行器救援的吊舱，不能克服在下洗气流作用下的转动。
发明内容
本发明主要旨在解决现有技术的用于飞行器救援的吊舱，不能克服在下洗气流作用下转动的问题。
为了实现上述目的，所述的方案如下：
设计一种用于飞行器救援的吊舱，所述的飞行器具有垂直起降功能，其特征是，吊舱与飞行器通过绳连接，飞行器通过卷收或释放绳，控制吊舱接近或远离飞行器；吊舱内部具有容纳人员或货物的空间，吊舱上部与绳连接；吊舱包括探测器和控制器，探测器实时检测吊舱相对飞行器的旋转速度，当旋转速度超出设定阈值，控制器控制吊舱产生阻碍吊舱继续转动的力矩，阻碍吊舱相对飞行器继续旋转；这个力矩是与空气发生相互作用产生的。
进一步的，所述的一种用于飞行器救援的吊舱，其特征是，吊舱的长度方向的两端各设置一个舵，舵能够受控制器的控制绕转轴转动并保持角度，这个转轴与吊舱连接，且这个转轴与铅垂线垂直；舵的旋转用电机驱动。
进一步的，所述的一种用于飞行器救援的吊舱，其特征是，舵转动的角度是一个定值。
进一步的，所述的一种用于飞行器救援的吊舱，其特征是，探测器是与吊舱固连的图像采集设备，实时采集吊舱上方飞行器的图像，通过图像算法识别出飞行器的特征轴及指向，图像采集设备也探测吊舱的特征轴及指向。
进一步的，所述的一种用于飞行器救援的吊舱，其特征是，探测器计算获得吊舱相对飞行器旋转的方向和角速度。
进一步的，所述的一种用于飞行器救援的吊舱，其特征是，探测器是与吊舱固连的磁罗经，探测器通过磁罗经获得吊舱与地磁夹角；探测器也接收飞行器的磁罗经信号，获得飞行器与地磁的夹角。
进一步的，所述的一种用于飞行器救援的吊舱，其特征是，探测器计算获得吊舱相对飞行器旋转的方向和角速度。
进一步的，所述的一种用于飞行器救援的吊舱，其特征是，探测器接收飞行器的磁罗经信号的方式是无线传输。
进一步的，所述的一种用于飞行器救援的吊舱，其特征是，还包括电源，电源设置在吊舱内。
设计一种用于飞行器救援的吊舱的控制方法，其特征是，按照以下步骤控制，
1)探测器实时探测吊舱相对飞行器旋转的角度、旋转方向、角速度；
2)当角速度大于设定阈值A，其中阈值A是标定量，控制器控制舵，使得舵转动，舵转动的方向是舵上部偏转的方向与吊舱相对飞行器的转动方向相反，持续时间T后，舵回复初始位置，其中T是标定值，然后执行步骤1。
本发明解决了现有技术用于飞行器救援的吊舱在下洗气流作用下的转动问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1飞行器携带吊舱立体图，实施例一；
图2飞行器携带吊舱立体图，实施例一；
图3止转器结构示意图；
图4吊舱俯视图，实施例一；
图5飞行器携带吊舱立体图，实施例二；
图6飞行器携带吊舱立体图，实施例二；
图7吊舱安装舵的立体图；
图8吊舱安装舵的侧视图；
图9吊舱安装舵的俯视图；
图10飞行器携带吊舱立体图，实施例三；
图11飞行器携带吊舱立体图，实施例三；
图12吊舱安装动力桨的立体图；
图13吊舱安装动力桨的侧视图；
图14吊舱安装动力桨的俯视图。
图中标记为：
1、吊舱；11、止转器；111、旋转接头；12、舵；13、动力桨；
2、绳；
3、臂；
4、飞行器。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
如图1和图2所示，飞行器4具有垂直起降功能，如直升机或多旋翼遥控无人机，吊舱1与飞行器4通过绳2连接，飞行器4通过卷收或释放绳2，控制吊舱1接近或远离飞行器4，还包括从飞行器侧面伸出的臂3，用于吊舱1升起后拉入飞行器1的内部，臂3的第一端与飞行器4固连，臂3的第二端支撑绳2。
吊舱1内部具有容纳人员或货物的空间，吊舱1上部与绳2连接，包括探测器和控制器，探测器实时检测吊舱1相对飞行器4的旋转速度，当旋转速度超出设定阈值，控制器控制吊舱1产生阻碍吊舱1继续转动的力矩，阻碍吊舱1相对飞行器4继续旋转，直到吊舱1相对飞行器4的旋转速度降低到规定阈值。
具体的，
实施例一，
如图1和图2所示，飞行器4是直升机或遥控的多旋翼无人机，吊舱1上部与绳2下部连接，绳2上部与飞行器4连接，更具体的，绳2与从飞行器4侧面伸出的臂3的第二端连接，臂3的第二端设置有滑轮，绳2绕过滑轮与飞行器4内部的卷绳机连接，臂3的第一端与飞行器4固连；
如图3所示，更具体的，还包括止转器11，止转器11上端设置有与绳2下部固连的旋转接头111，旋转接头111在控制器的控制下由止转器11驱动旋转，旋转的方向是可控的；止转器11的下端与吊舱1上部固连；
探测器是与吊舱1固连的图像采集设备，实时采集吊舱1上方飞行器4的图像，通过图像算法识别出飞行器4的特征轴及指向(如通过大数据识别机尾和机头，从而计算出机尾到机头的长度特征轴，并标记特征轴的机头方向)，同时因图像采集设备本身固连在吊舱1上，图像采集设备也探测吊舱1的特征轴及指向，探测器将同一时刻的飞行器4与吊舱1的特征轴与指向进行比对即可得出此时飞行器4与吊舱1的夹角，不断采集数据，实时的夹角对时间微分，获得吊舱1相对飞行器4旋转的角速度，比对吊舱1相对飞行器4实时夹角的变化方向获得吊舱1相对飞行器4旋转的角速度方向，将角速度对时间微分，获得吊舱1相对飞行器4旋转的角加速度；这种方式的优势在于吊舱1与飞行器4之间不需要进行信号的有线或无线的通信，即吊舱1与飞行器4除了绳索连接外不需要其他的通信或校准方式，扩大了吊舱1的应用范围，吊舱1和飞行器4可以自由的搭配应用。
还可以，探测器是与吊舱1固连的磁罗经，探测器通过磁罗经获得吊舱1与地磁夹角，同时探测器也接收飞行器4的航向信号，进一步的，探测器也接收飞行器4的磁罗经信号，获得飞行器4与地磁的夹角；探测器将同一时刻的飞行器4与吊舱1各自相对地磁的夹角进行比对，即可得出此时飞行器4与吊舱1的夹角，不断采集数据，实时的夹角对时间微分，获得吊舱1相对飞行器4旋转的角速度，比对吊舱1相对飞行器4实时夹角的变化方向获得吊舱1相对飞行器4旋转的角速度方向，将角速度对时间微分，获得吊舱1相对飞行器4旋转的角加速度；探测器接收飞行器4的航向信号的方式可以是有线传输，优选无线传输。
为了便于表达，飞行器4和吊舱1的旋转方向规定从飞行器4向吊舱1的方向观察，因为旋转方向是相对的，本文这样规定并不影响本发明的实质性结构。
如图3和图4所示，当探测器检测到吊舱1相对飞行器4有绕绳2的顺时针旋转速度，且这个旋转速度大于设定阈值，控制器控制止转器11的旋转接头111也顺时针转动，旋转接头111的转动带动绳2捻紧，捻紧的绳2会对吊舱1产生逆时针方向的力矩，这个力矩阻碍吊舱1顺时针旋转；当探测器检测到吊舱1相对飞行器4有绕绳2的逆时针旋转速度，且这个旋转速度大于设定阈值，控制器控制止转器11的旋转接头111也逆时针转动，旋转接头111的转动带动绳2捻紧，捻紧的绳2会对吊舱1产生顺时针方向的力矩，这个力矩阻碍吊舱1逆时针旋转。
吊舱及控制方法,按照以下步骤控制：
1)探测器实时探测吊舱1相对飞行器4旋转的角度、旋转方向、角速度和角加速度；
2)当角速度大于设定阈值A，且角加速度也大于设定阈值B，其中阈值A和阈值B都是标定量，控制器控制止转器11的旋转接头111转动，其转动的方向与吊舱1相对飞行器4的转动方向相同，持续到角加速度变为负值，这个负值是iB,其中i是标定值，旋转接头111停止转动；执行步骤1；
3)当角速度大于设定阈值A，且角加速度未超过设定阈值B，控制器控制止转器11的旋转接头111转动，其转动的方向与吊舱1相对飞行器4的转动方向相同，持续到角速度变为kA，其中k是标定值，旋转接头111停止转动；执行步骤1。
实施例二，
如图5至图9所示，在实施例一的基础上取消止转器11，吊舱1上部与绳2下部连接，在吊舱1的长度方向的两端各设置一个舵12(这样做的原因是对吊舱1形成力偶，不会产生额外的侧向力)，舵12能够受控制器的控制绕转轴转动并保持角度，这个转轴与吊舱1连接，且这个转轴与铅垂线垂直(与吊舱1的长度方向平行)，进一步的舵12的旋转应用电机驱动；
当舵12与飞行器4下洗气流平行时，下洗气流与舵12之间无气动作用力，舵12对吊舱1无作用力；
当舵12绕转轴偏转一个小于90度的角度时，下洗气流冲击舵12上表面，舵12受到与舵12上部偏转方向同向的作用力，如8所示，吊舱1面向读者的一侧的舵12上部向左偏转，舵12受到向左的作用力，如图9所示，在下洗气流的作用下，舵12受到的气动分力对吊舱1施加顺时针方向的力矩；改变舵12的偏转方向能够获得对吊舱1作用的不同方向的力矩；改变舵12的偏转角度，能够获得不同的作用力矩。但是要实现对舵12的转动角度精确控制，对舵12的驱动电机有较高的要求，需要电机是数控电机，还要对舵面12设置转动角度的传感器，虽然也是本申请可选的驱动方式，但成本较高也比较复杂，本实施例优选舵12转动的角度预先在结构上进行限位，使得舵12转动的角度是一个定值；即沿舵12转轴方向从外侧向内侧看，舵12顺时针转动角度是一个定值，这个值大于0°小于90°，优选大于0°小于30°，即舵12一旦驱动顺时针转动就立即转动这个确定的角度，在结构上可以通过增加舵12顺时针转动位置的限位来实现，依靠电机的堵转使得舵12保持在限位状态；同样，舵12逆时针转动角度是一个定值，这个值大于0°小于90°，优选大于0°小于30°，即舵12一旦驱动逆时针转动就立即转动这个确定的角度，在结构上可以通过增加舵12逆时针转动位置的限位来实现，依靠电机的堵转使得舵12保持在限位状态；当舵12不被驱动转动，驱动舵12转动的电机，堵转作用解除，舵12在复位弹簧的帮助下回复到初始位置，即舵12与飞行器4下洗气流平行的状态；舵12的角度必须设计具有产生足够克服最大下洗气流状态下阻止吊舱1旋转的力矩。
吊舱及控制方法,按照以下步骤控制：
1)探测器实时探测吊舱1相对飞行器4旋转的角度、旋转方向、角速度；
2)当角速度大于设定阈值A，其中阈值A是标定量，控制器控制舵12，使得舵12转动，舵12转动的方向是舵12上部偏转的方向与吊舱1相对飞行器4的转动方向相反，持续时间T后，舵12回复初始位置，其中T是标定值，然后执行步骤1。
实施例三，
如图10至图14所示，在实施例二的基础上将舵12全部更改为动力桨13，在吊舱1的长度方向的两端各设置一个动力桨13(这样做的原因是对吊舱1形成力偶，不会产生额外的侧向力)，动力桨13能够受控制器的控制向侧面喷气，进一步的，动力桨13包括螺旋桨和电机，电机驱动螺旋桨旋转将空气吹向吊舱1的侧面；
如图13和图14所示，当动力桨13吹气的方向与吊舱1旋转的方向相同时，会阻碍吊舱1的转动；优选动力桨13接受到工作信号，立即向要求方向进行最大风力的喷气，这个最大的风力必须设计具有产生足够克服最大下洗气流状态下阻止吊舱1旋转的力矩，这样避免了使用调速控制的高成本和较为复杂的控制策略，当然也可以使用调速控制。
吊舱及控制方法,按照以下步骤控制：
1)探测器实时探测吊舱1相对飞行器4旋转的角度、旋转方向、角速度；
2)当角速度大于设定阈值A，其中阈值A是标定量，控制器动力桨13，使得动力桨13向要求方向喷气，动力桨13喷气的方向与吊舱1相对飞行器4的转动方向相同，持续时间T后，动力桨13停止喷气，其中T是标定值，然后执行步骤1。
上述实施例的电源优选由吊舱1携带；也可以从飞行器4上取电，取电的方式可以是无线传输，还可以是带有旋转滑环的电线连接。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何组合、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于飞行器救援的吊舱，所述的飞行器(4)具有垂直起降功能，其特征是，吊舱(1)与飞行器(4)通过绳(2)连接，飞行器(4)通过卷收或释放绳(2)，控制吊舱(1)接近或远离飞行器(4)；
吊舱(1)内部具有容纳人员或货物的空间，吊舱(1)上部与绳(2)连接；
吊舱(1)包括探测器和控制器，探测器实时检测吊舱(1)相对飞行器(4)的旋转速度，当旋转速度超出设定阈值，控制器控制吊舱(1)产生阻碍吊舱(1)继续转动的力矩，阻碍吊舱(1)相对飞行器(4)继续旋转；
这个力矩是与空气发生相互作用产生的。
2.根据权利要求1所述的一种用于飞行器救援的吊舱，其特征是，
吊舱(1)的长度方向的两端各设置一个舵(12)，舵(12)能够受控制器的控制绕转轴转动并保持角度，这个转轴与吊舱(1)连接，且这个转轴与铅垂线垂直；
舵(12)的旋转用电机驱动。
3.根据权利要求2所述的一种用于飞行器救援的吊舱，其特征是，舵(12)转动的角度是一个定值。
4.根据权利要求2所述的一种用于飞行器救援的吊舱，其特征是，探测器是与吊舱(1)固连的图像采集设备，实时采集吊舱(1)上方飞行器(4)的图像，通过图像算法识别出飞行器(4)的特征轴及指向，图像采集设备也探测吊舱(1)的特征轴及指向。
5.根据权利要求4所述的一种用于飞行器救援的吊舱，其特征是，探测器计算获得吊舱(1)相对飞行器(4)旋转的方向和角速度。
6.根据权利要求2所述的一种用于飞行器救援的吊舱，其特征是，探测器是与吊舱(1)固连的磁罗经，探测器通过磁罗经获得吊舱(1)与地磁夹角；
探测器也接收飞行器(4)的磁罗经信号，获得飞行器(4)与地磁的夹角。
7.根据权利要求6所述的一种用于飞行器救援的吊舱，其特征是，
探测器计算获得吊舱(1)相对飞行器(4)旋转的方向和角速度。
8.根据权利要求7所述的一种用于飞行器救援的吊舱，其特征是，
探测器接收飞行器(4)的磁罗经信号的方式是无线传输。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的一种用于飞行器救援的吊舱，其特征是，还包括电源，电源设置在吊舱(1)内。
10.根据权利要求2至8任意一项所述的一种用于飞行器救援的吊舱的控制方法，其特征是，按照以下步骤控制，
1)探测器实时探测吊舱(1)相对飞行器(4)旋转的角度、旋转方向、角速度；
2)当角速度大于设定阈值A，其中阈值A是标定量，控制器控制舵(12)，使得舵(12)转动，舵(12)转动的方向是舵(12)上部偏转的方向与吊舱(1)相对飞行器(4)的转动方向相反，持续时间T后，舵(12)回复初始位置，其中T是标定值，然后执行步骤1。
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