CN111959749A - 具备地形自适应起降和行走能力的直升机四足起落架 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具备地形自适应起降和行走能力的直升机四足起落架，包括四支仿生腿和控制系统，所述仿生腿包括摇臂、一级缓冲器、二级缓冲器、大作动筒、小作动筒和足垫。所述控制系统包括控制器、激光测距传感器和位移传感器。该起落架主要有三种工作模式：在各类崎岖不平地形下正常着陆模式、抗坠毁着陆模式和行走模式。控制器通过处理激光测距传感器和位移传感器采集的数据信号，发送指令信号控制液压伺服阀驱动作动筒，来保证在各类地形下各支腿能够同时着地，并能够在着陆后行走。提高了起落架的地形适应能力，拓展了直升机执行任务的灵活性和实用性。
Description
技术领域
本发明涉及直升机起降技术领域，具体涉及具备地形自适应起降和行走能力的直升机四足起落架。
背景技术
传统的直升机相比于固定翼飞机有更好的地形适应能力，常被用来边境巡防，但是传统的滑撬式和轮式起落架仍然无法在复杂地形着陆。目前，传统的直升机起落架，包括滑撬式和轮式起落架，只能着陆在水平且平整度较高的地面。在崎岖不平和倾斜的地面难以着陆，会导致侧翻、机尾擦地等各类事故。
现有的地形自适应起落架的发明较少，大多都是用于小型无人机的自适应起落装置，用于直升机的地形自适应起落架的发明基本没有。发明号为CN209739327U的《一种基于多足结构的垂直起降无人机自适应起落架系统》中提出了一种用于无人机的多足结构的起落架，采用串联多节结构，对关节电机的驱动力矩要求较大；单个仿生腿有三个关节，结构稳定性不好。本发明每个单腿只有两个自由度，采用液压作动筒，结构稳定性好。发明号为CN110834722A 的《一种用于多旋翼无人机的自适应着陆装置》中提出了一种自适应着陆装置，采用四足结构，但是每个单足无法承受侧向力，结构可靠性不足。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种能够在山地、乱石滩等各类崎岖不平以及斜坡地形表面起降和行走的直升机四足起落架。
技术方案：本发明所述的具备地形自适应起降和行走能力的直升机四足起落架，包括四支仿生腿和控制系统，
每支所述仿生腿含有两个自由度，具体包括摇臂、一级缓冲器、二级缓冲器、大作动筒、小作动筒和足垫，所述摇臂前端与所述一级缓冲器外筒下端铰接，摇臂中段通过耳片与所述大作动筒活塞杆前端铰接，所述摇臂末端和大作动筒外筒末端分别铰接在机身上，所述小作动筒外筒末端铰接在大作动筒外筒上，小作动筒活塞杆前端铰接在一级缓冲器外筒上端，所述足垫通过球铰与一级缓冲器活塞杆前端铰接，所述二级缓冲器设置在大作动筒内部；
所述控制系统包括控制器、激光测距传感器、位移传感器，所述激光测距传感器测量起落架足垫与地面的高度信息，所述位移传感器测量大作动筒和小作动筒的位移信息，所述控制器接收来自位移传感器的数据信号，运算得到当前的起落架位置和姿态，同时接收激光测距传感器的数据信号，运算得到起落架调节的目标姿态，最后运算得到大作动筒和小作动筒所需的位移信息的数据信号，并将数据信号发出至给大作动筒和小作动筒，两个作动筒运动至目标姿态位置，完成起落架姿态的自适应。
进一步的，所述一级缓冲器为磁流变缓冲器，通过接收控制器发出的指令信号，控制磁流变缓冲器的电流强度来调节缓冲器参数，智能自适应不同的着陆速度，达到缓冲性能的最优。
进一步的，所述大作动筒、小作动筒均为液压作动筒，并且均安装有液压伺服阀。
进一步的，所述大作动筒的液压伺服阀接收控制器的指令，控制大作动筒主动驱动摇臂绕机身连接轴转动，改变仿生腿着陆点，并锁死目标姿态。
进一步的，小作动筒的液压伺服阀接收控制器的指令，控制小作动筒主动驱动一级缓冲器绕外筒下端的铰接轴转动，着陆前使一级缓冲器垂直于地面并锁死目标状态，减小一级缓冲器受到的弯矩。
进一步的，所述二级缓冲器为蜂窝缓冲器，当着陆能量能够被一级缓冲器吸收的时候，蜂窝缓冲器不工作，大作动筒根据控制器发送的质量信号，控制其内部油压保证在正常着陆时不会压溃蜂窝材料；一级缓冲器不能完全吸收着陆能量，剩余能量通过蜂窝压溃的形式吸收，缓冲系统吸收了全部能量保证机体不受损坏，即抗坠毁模式着陆（直升机以6m/s下沉速度着陆）。
进一步的，所述摇臂末端部分为三角形结构，中心位置设置有加强板，用来抵抗可能的侧向力产生的弯矩。
进一步的，足垫可以绕球铰转动，在着陆后，足垫随动绕球铰转动，足垫可以时刻保持与地面的贴合。所述足垫与球铰连接处，安装有橡胶防尘套，不仅防尘还可以让足垫自动复位。
进一步的，所述控制器集成于控制盒中，所述控制盒固定于飞机机身上，所述激光测距传感器设置于足垫上，通过螺纹连接，所述位移传感器设置于大作动筒和小作动筒外侧，通过铰接于作动筒的连接点处。
有益效果：本发明所述四足起落架，首先，采用仿生四足结构，使起落架可以改变各仿生腿的着陆点，保证了在各类地形起降时机体处于水平姿态，提高了起落架的地形适应能力。其次，采用作动筒驱动的四足结构，每个单腿都具有两个主动自由度，具备在着陆后主动行走的能力，拓展了直升机执行任务的灵活性和实用性。第三，采用两级缓冲器设计，使起落架具备了抗坠毁能力。大作动筒采用缓冲—作动一体化设计，减小了体积，减轻了重量。最后，一级缓冲器采用磁流变缓冲器，可以通过控制器来主动控制调节缓冲器参数，智能自适应不同的着陆速度，达到最优的缓冲性能。
附图说明
图1是本发明四足起落架的结构示意图；
图2是本发明四足起落架的单个仿生腿的结构示意图；
图3是本发明四足起落架的控制系统功能框图；
图4是本发明四足起落架在斜坡上起降的示意图；
图5是本发明四足起落架在高低台阶上起降的示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。
本实施例所述的具备地形自适应起降和行走能力的直升机四足起落架，包括四支仿生腿和控制系统，如图1-2所示，每支所述仿生腿1含有两个自由度，包括摇臂4、磁流变缓冲器（一级缓冲器3）、蜂窝缓冲器（二级缓冲器5）、大作动筒6、小作动筒7和足垫8。摇臂是四足起落架的主承力构件之一，摇臂末端部分为三角形结构，中线位置设置有加强板，抵抗可能的侧向力产生的弯矩，所述摇臂前端与所述磁流变缓冲器外筒下端铰接，摇臂中段通过耳片与所述大作动筒活塞杆前端铰接，所述摇臂末端和大作动筒外筒末端分别铰接在机身上，所述小作动筒外筒末端铰接在大作动筒外筒上，小作动筒活塞杆前端铰接在磁流变缓冲器外筒上端，所述蜂窝缓冲器和大作动筒一体化设计，蜂窝缓冲器设置在大作动筒内部，所述足垫通过球铰与磁流变缓冲器活塞杆前端连接；所述大作动筒、小作动筒均为液压作动筒，并且均安装有液压伺服阀，每个足垫设一个激光测距传感器，每个作动筒外侧设置一个位移传感器。
控制系统包括控制器、激光测距传感器、位移传感器；
控制器集成于控制盒2中，所述控制盒固定于飞机机身上；
激光测距传感器测量起落架足垫与地面的高度信息；
位移传感器测量大作动筒和小作动筒的位移信息；
控制器接收来自位移传感器的数据信号，运算得到当前的起落架位置和姿态，同时接收激光测距传感器的数据信号，运算得到起落架调节的目标姿态，最后运算得到大作动筒和小作动筒所需的位移信息，发送数据信号至其各自的液压伺服阀；
大作动筒的液压伺服阀接收控制器的指令，控制大作动筒主动驱动摇臂绕机身连接轴转动，改变仿生腿着陆点，并锁死目标姿态；
小作动筒的液压伺服阀接收控制器的指令，控制小作动筒主动驱动磁流变缓冲器绕外筒下端的铰接轴转动，着陆前使磁流变缓冲器垂直于地面并锁死当前状态；
磁流变缓冲器接收控制器给出的信号，控制磁流变缓冲器的电流强度来调节缓冲器参数，智能自适应不同的着陆速度，达到缓冲性能的最优。
当着陆能量能够被磁流变缓冲器吸收的时候，蜂窝缓冲器不工作，大作动筒根据控制器发送的指令信号，控制其内部油压保证在正常着陆时不会压溃蜂窝材料；当抗坠毁工况时，磁流变缓冲器不能完全吸收着陆能量，剩余能量通过蜂窝压溃的形式吸收。
本发明工作过程描述：
本发明的起落架主要有三种工作模式：在各类崎岖不平地形下正常着陆模式、抗坠毁着陆模式和行走模式。
如图3所示是本发明四足起落架的控制系统功能结构图。在各类崎岖不平地形下正常着陆模式时，直升机在着陆点上方悬停，各足垫8的激光测距传感器测得离地面的高度信息，将数据信号传输给控制盒2。控制盒2根据需要调整的起落架目标姿态信息：各足垫8距离地面高度一样，同时保证一级缓冲器3即磁流变缓冲器处于竖直状态。再根据大作动筒6和小作动筒7上位移传感器传输来的位移数据信号，运算得到达到目标姿态需要的作动筒移动量，将该数据信号传输给两个作动筒的液压伺服阀，最终液压伺服阀调整大作动筒6和小作动筒7的行程量达到目标姿态。在调整好姿态后，控制盒2给出锁死信号，控制液压伺服阀调整油压，通过油液力锁死液压大作动筒6和小作动筒7。保证了机体在着陆过程中大作动筒6和小作动筒7不会发生行程变化，所有的着陆能量都被一级缓冲器3，即磁流变缓冲器吸收了。同时，控制盒2给出控制信号，控制大作动筒6的油压小于二级缓冲器5即蜂窝缓冲器的工作压力。所以二级缓冲器5即蜂窝缓冲器并不工作。
图4是本发明四足起落架在斜坡上起降的示意图。
如图5，在高低台阶的地形下，四足起落架的各足在达到着陆前的目标调整姿态后，四足可以同时着地，因此可以平稳地落下，在着陆过程中，四个仿生腿1的一级缓冲器3的压缩量相同，保证机体一直处于水平姿态。
在抗坠毁着陆模式下，直升机难以保证稳定的悬停，控制盒2直接发送信号给大作动筒6和小作动筒7的液压伺服阀，驱动两个作动筒运动。使大作动筒6处于拉开状态，保证有足够行程预留量给二级缓冲器5即蜂窝缓冲器工作。调整小作动筒7的行程，保证一级缓冲器3即磁流变缓冲器处于竖直方向。着陆过程中，一部分的着陆能量被一级缓冲器3吸收，剩下的能量被二级缓冲器5吸收，使能量不传到机身上，保证了机体的安全。
在各类崎岖不平地形下正常着陆模式和抗坠毁着陆模式下，激光位移传感器通过实时测量得到的高度信息，传输给控制盒2，运算得出着陆速度，进而发送对应的电流调节信号给磁流变缓冲器，调节磁流变缓冲器的电流值，最终改变了缓冲器内的磁流变液的屈服强度，使得缓冲器的磁流变液阻尼力改变，得到当前着陆速度下的最优缓冲性能。
直升机着陆后，可以转为行走模式，根据控制盒2内设计好的行走步态算法，依据激光测距传感器和位移传感器的测量数据信号，发送对应控制信号给伺服阀，驱动大作动筒6和小作动筒7运动。每个仿生腿1都有两个自由度，能够完成在仿生腿安装平面内的横向行走。四足起落架的行走能力使得直升机着陆后可以躲入掩体，可以改变地点在新地点起飞。
Claims (9)
1.一种具备地形自适应起降和行走能力的直升机四足起落架，其特征在于，包括四支仿生腿（1）和控制系统，
每支所述仿生腿包括摇臂（4）、一级缓冲器（3）、二级缓冲器（5）、大作动筒（6）、小作动筒（7）和足垫（8），所述摇臂前端与所述一级缓冲器外筒下端铰接，摇臂中段通过耳片与所述大作动筒活塞杆前端铰接，所述摇臂末端和大作动筒外筒末端分别铰接在机身上，所述小作动筒外筒末端铰接在大作动筒外筒上，小作动筒活塞杆前端铰接在一级缓冲器外筒上端，所述足垫通过球铰与一级缓冲器活塞杆前端铰接，所述二级缓冲器设置在大作动筒内部；
所述控制系统包括控制器、激光测距传感器、位移传感器，所述激光测距传感器测量起落架足垫与地面的高度信息，所述位移传感器测量大作动筒和小作动筒的位移信息，所述控制器接收来自位移传感器的数据信号，运算得到当前的起落架位置和姿态，同时接收激光测距传感器的数据信号，运算得到起落架调节的目标姿态，最后运算得到大作动筒和小作动筒所需的位移信息的数据信号，并将数据信号发出至给大作动筒和小作动筒，两个作动筒运动至目标姿态位置，完成起落架姿态的自适应。
2.根据权利要求1所述的具备地形自适应起降和行走能力的直升机四足起落架，其特征在于，所述大作动筒、小作动筒均为液压作动筒，并且均安装有液压伺服阀。
3.根据权利要求2所述的具备地形自适应起降和行走能力的直升机四足起落架，其特征在于，所述大作动筒的液压伺服阀接收控制器的指令，控制大作动筒主动驱动摇臂绕机身连接轴转动，改变仿生腿着陆点，并锁死目标姿态。
4.根据权利要求1所述的具备地形自适应起降和行走能力的直升机四足起落架，其特征在于，所述一级缓冲器为磁流变缓冲器，接收控制器的指令，主动控制磁流变缓冲器的电流强度来调节缓冲器参数。
5.根据权利要求3所述的具备地形自适应起降和行走能力的直升机四足起落架，其特征在于，小作动筒的液压伺服阀接收控制器的指令，控制小作动筒主动驱动一级缓冲器绕外筒下端的铰接轴转动，着陆前使一级缓冲器垂直于地面，并锁死目标姿态。
6.根据权利要求1所述的具备地形自适应起降和行走能力的直升机四足起落架，其特征在于，所述二级缓冲器为蜂窝缓冲器，当着陆能量能够被一级缓冲器吸收的时候，蜂窝缓冲器不工作，大作动筒根据控制器发送的指令信号，控制其内部油压保证在正常着陆时不会压溃蜂窝材料；当一级缓冲器不能完全吸收着陆能量，剩余能量通过蜂窝压溃的形式吸收，即抗坠毁着陆降落。
7.根据权利要求1所述的具备地形自适应起降和行走能力的直升机四足起落架，其特征在于，所述摇臂末端部分为三角形结构，中间位置设置有加强板。
8.根据权利要求1所述的具备地形自适应起降和行走能力的直升机四足起落架，其特征在于，所述足垫与球铰连接处，安装有橡胶防尘套。
9.根据权利要求1所述的具备地形自适应起降和行走能力的直升机四足起落架，其特征在于，所述控制器集成于控制盒（2）中，所述控制盒固定于飞机机身上，所述激光测距传感器设置于足垫上，所述位移传感器设置于大作动筒和小作动筒外侧。
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