CN113212782B - 一种固定翼无人机超短距降落系统 - Google Patents
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Abstract
一种固定翼无人机超短距降落系统，特别涉及到缩短固定翼无人机飞行着陆后滑跑距离。本发明提供一种在电磁场环境中，固定翼无人机通过滑跑使自身产生的安培力，使其在超短距离实现快速减速停稳的系统。固定翼无人机超短距降落系统包括复合电源模块、固定翼无人机、机载安培力发生装置、机载安培力发生装置控制模块、机载信号接收装置、地面传感器装置、地面信号发射装置、地面磁场发生装置和地面磁场发生装置控制模块。复合电源模块给固定翼无人机机翼边框上提供稳定的高电流的大匝数矩形电路，降落在地面磁场发生装置环境中，机翼不断的切割磁场，产生与滑跑方向相反的安培力，提供与运动方向相反的加速度，从而达到快速短距离拦阻的效果。本发明一种固定翼无人机超短距降落系统具有着陆时有效加速度大、减速效果突出，提高降落效果，缩短降落时间的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种固定翼无人机超短距降落系统，特别涉及到缩短固定翼无人机飞行着陆后滑跑距离。
背景技术
目前固定翼无人机降落减速的方式有4种，第一种车轮滑动摩擦减速，这是最常用的减速方式，固定翼无人机车轮接触跑道后与跑道产生滑动摩擦力，使其减速直至停稳，需要长跑道；第二种动力反推减速，固定翼无人机滑跑时，其发动机向后喷出高速气流，产生反推力使其快速减速，能源消耗大；第三种增加空气阻力减速，降落时固定翼无人机放下前缘襟翼，增加飞行器的空气阻力，大型固定翼无人机使用较多，小型固定翼无人机使用不便。第四种使用阻拦索减速，固定翼无人机即将着陆时放下尾勾，勾住位于跑道尾部的阻拦索，利用阻拦索的巨大拉力迅速减速直至静止，使用效率低，需要多次试勾才能成功。这四种减速方法中，均不足以使固定翼无人机快速静止，减速效果不足、实施条件限制多、操作难度大、降落前后准备事多等。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种固定翼无人机超短距降落系统，实现了快速降落、滑跑距离短、降落效率高和操作简单的固定翼无人机降落目标。
本发明的技术解决方案是：
一种固定翼无人机超短距降落系统，包括复合电源模块、固定翼无人机、机载安培力发生装置、机载安培力发生装置控制模块、机载信号接收装置、地面传感器装置、地面信号发射装置、地面磁场发生装置、地面磁场发生装置控制模块；
所述的复合电源模块、机载安培力发生装置、机载安培力发生装置控制模块、机载信号接收装置均安装在固定翼无人机中；所述的复合电源模块用于为固定翼无人机供电来源，给机载安培力发生装置提供电能；所述的机载安培力发生装置为固定翼无人机降落到停稳过程提供与运动方向相反的安培力；所述的机载安培力发生装置控制模块控制机载安培力发生装置的开启与关闭；所述的机载信号接收装置分布在固定翼无人机前段位置，接收固定翼无人机处于地面磁场发生装置中的位置信号以及机载安培力发生装置控制模块的控制信号；所述的地面磁场发生装置控制模块控制地面磁场发生装置的开启与关闭；
所述的地面传感器装置、地面信号发射装置、地面磁场发生装置和地面磁场发生装置控制模块均安装在固定翼无人机降落跑道两边；所述的地面传感器装置用于获得固定翼无人机处于地面磁场发生装置中的位置信号；所述的地面信号接收装置用于接收固定翼无人机处于地面磁场发生装置中的位置信号；所述的地面磁场发生装置为固定翼无人机降落到停稳过程中所需实的安培力提供磁场环境。
所述复合电源模块包括超级电容器系统、锂离子电池系统、电源控制系统和机箱；机箱采用合金材料加工成型，机箱内部分为电源舱和电路舱，电源舱用于安装超级电容器系统和锂离子电池系统，电路舱用于安装电源控制系统；电源控制系统通过线束与超级电容器系统和锂离子电池系统进行电气连接，超级电容器系统给机载安培力发生装置提供降落短时电流，锂离子电池系统作为储能单元给超级电容器系统充电，以保证多次降落，电源控制系统控制超级电容器系统对外输出电能的通断和锂离子电池系统给超级电容器系统充电的通断。
所述机载安培力发生装置包括机翼边框、导线、第一开关；导线安装在机翼边框周围，在通过第一开关与复合电源模块组成闭合电路，根据公式F＝BiL1，通电后的机载安培力发生装置产生满足短距离拦阻时必备的安培力，即为滑跑阻力；其中F为安培力，B为磁场强度，i为机翼边框上导体的电流，L1为滑跑长度。
所述机载安培力发生装置控制模块根据机载信号接收装置获得固定翼无人机位置，控制地面信号发射装置的信号发出，从而控制地面磁场发生装置开启与关闭。
所述地面传感器装置包括第一位置传感器、第二位置传感器和第三位置传感器，分别布置在地面磁场发生装置水平方向，识别固定翼无人机进入磁场区域位置，第一位置传感器用于获得固定翼无人机进入磁场环境1位置，开启地面磁场发生装置；第二位置传感器用于获得固定翼无人机进入磁场环境2位置，开启地面磁场发生装置；第三位置传感器用于获得固定翼无人机进入磁场环境3位置，开启地面磁场发生装置；
所述磁场环境1位置为固定翼无人机降落着陆进入磁场环境，此时速度最大；所述磁场环境位置为固定翼无人机完全进入磁场环境，开始降速阶段；所述磁场环境位置为固定翼无人机完全离开磁场环境，开始降速结束到停靠阶段。
所述地面信号发射装置包括第一发射装置、和第二发射装置，分别布置在地面磁场发生装置水平方向，用于识别固定翼无人机进入磁场区域位置；第一发射装置用于发射固定翼无人机刚进入磁场环境时，开启机载安培力发生装置信号，产生与固定翼无人机进入磁场环境方向相反的安培力，第二发射装置用于发射固定翼无人机刚穿过磁场环境时，关闭机载安培力发生装置信号。
所述地面磁场发生装置包括第二开关、地面电源、励磁线圈绕组和励磁磁体；励磁线圈绕组环绕在励磁磁体，通过第二开关与地面电源正负极组合成闭合电路；所述地面电源为市电，根据公式
通电后地面磁场发生装置产生满足短距离拦阻时必备的磁场环境；其中H为磁场强度，n为励磁线圈的匝数，I为励磁线圈上的电流，L2为有效励磁长度。
所述地面磁场发生装置控制模块根据地面传感器装置判断固定翼无人机位置，控制地面信号发射装置的信号发出，从而控制地面磁场发生装置开启与关闭。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过固定翼无人机在磁场环境行驶，产生安培力，达到减速的效果；
(2)本发明通过在有限跑道两侧布置的地面磁场发生装置，可在超短距离实现快速降落；
(3)本发明通过机载安培力发生装置的技术手段，提高了减速效果、增加降落效率和极大的节约成本资源；
(4)本发明通过复合电源模块的技术手段，可在短时间内提供必需的安培力发生电流；
(5)本发明通过模块化的结构布局、轻量化的结构设计，减小操作难度，在有限的实施条件，实现快速降落停稳的目标。
(6)本发明不仅在固定翼无人机降落时产生安培力，可根据磁场强度大小，电流的大小，从而调节安培力的大小，改变降落时间。
附图说明
图1是本发明系统原理图。
图2是本发明复合电源模块示意图。
图3是本发明地面磁场发生装置示意图。
图4是本发明机载安培力发生装置示意图。
图5是本发明控制逻辑图。
具体实施方式
下面结合说明书附图1-5和具体实施方式对本发明进行进一步解释和说明。
如图1，一种固定翼无人机超短距降落系统，其特征在于：包括复合电源模块1、固定翼无人机2、机载安培力发生装置3、机载安培力发生装置控制模块4、机载信号接收装置5、地面传感器装置6、地面信号发射装置7、地面磁场发生装置8、地面磁场发生装置控制模块9；
所述的复合电源模块1、机载安培力发生装置3、机载安培力发生装置控制模块4、机载信号接收装置5均安装在固定翼无人机2中；
所述的复合电源模块1用于为固定翼无人机2供电来源，给机载安培力发生装置3提供电能；
所述的机载安培力发生装置3主要为固定翼无人机2降落到停稳过程提供与运动方向相反的安培力；
所述的机载安培力发生装置控制模块4控制机载安培力发生装置3的开启与关闭；
所述的机载信号接收装置5分布在固定翼无人机2前段位置，主要接收固定翼无人机2处于地面磁场发生装置8中的位置信号以及机载安培力发生装置控制模块4的控制信号；
所述的地面传感器装置6、地面信号发射装置7、地面磁场发生装置8和地面磁场发生装置控制模块9均安装在固定翼无人机2降落跑道两边；
所述的地面传感器装置6主要获得固定翼无人机2处于地面磁场发生装置8中的位置信号；
所述的地面信号接收装置7主要接收固定翼无人机2处于地面磁场发生装置8中的位置信号；
所述的地面磁场发生装置8主要为固定翼无人机2降落到停稳过程中所需实的安培力提供磁场环境；
所述的地面磁场发生装置控制模块4控制地面磁场发生装置8的开启与关闭。
如图2，所述的复合电源模块1，其特征包括超级电容器系统11、锂离子电池系统13、电源控制系统10和机箱12。机箱12采用合金材料加工成型，机箱内部分为电源舱和电路舱，电源舱可供安装超级电容器系统11和锂离子电池系统13，电路舱可供安装电源控制系统10。电源控制系统10通过线束与超级电容器系统11和锂离子电池系统13进行电气连接，超级电容器系统11给机载安培力发生装置3提供降落短时电流，锂离子电池系统13作为储能单元给超级电容器系统11充电，以保证多次降落，电源控制系统10控制超级电容器系统11对外输出电能的通断和锂离子电池系统13给超级电容器系统11充电的通断。
如图4，所述的机载安培力发生装置3，其特征包括机翼边框20、导线19、第一开关18。导线19安装在机翼边框20周围，在通过第一开关18与复合电源模块1组成闭合电路，根据公式F＝BiL1，F为安培力，B为磁场强度，i为机翼边框20上导体的电流，L1为滑跑长度，通电后的机载安培力发生装置3可产生满足短距离拦阻时必备的安培力，即为滑跑阻力。
如图1和图5，所述的机载安培力发生装置控制模块4，是根据机载信号接收装置5获得固定翼无人机2位置，控制地面信号发射装置7的信号发出，从而控制地面磁场发生装置8开启与关闭。
如图1和图5，地面传感器装置6，其特征包括位置第一传感器、第二位置传感器和第三位置传感器，分别布置在地面磁场发生装置8水平方向，识别固定翼无人机2进入磁场区域位置，位置第一传感器用于获得固定翼无人机2进入磁场环境1位置，开启地面磁场发生装置8。第二位置传感器用于获得固定翼无人机2进入磁场环境2位置，开启地面磁场发生装置8；第三位置传感器用于获得固定翼无人机2进入磁场环境3位置，开启地面磁场发生装置8。1位置为固定翼无人机(2)降落着陆进入磁场环境，此时速度最大；2位置为固定翼无人机(2)完全进入磁场环境，开始降速阶段；3位置为固定翼无人机(2)完全离开磁场环境，开始降速结束到停靠阶段
如图1和图5，所述的地面信号发射装置7，其特征包括第一发射装置、和第二发射装置，分别布置在地面磁场发生装置8水平方向，识别固定翼无人机2进入磁场区域位置，第一发射装置用于发射固定翼无人机2刚进入磁场环境时，开启机载安培力发生装置3信号，产生与固定翼无人机2进入磁场环境方向相反的安培力，第二发射装置用于发射固定翼无人机2刚穿过磁场环境时，关闭机载安培力发生装置3信号。
如图3，所述的地面磁场发生装置8，其特征包括第二开关14、地面电源15、励磁线圈绕组16和励磁磁体17。励磁线圈绕组15环绕在励磁磁体16，通过第二开关14与地面电源15正负极组合成闭合电路，地面电源15为市电，根据公式
H为磁场强度(可用矢量磁场强度B代替)，n为励磁线圈的匝数，I为励磁线圈上的电流，L2为有效励磁长度，通电后的地面磁场发生装置8可产生满足短距离拦阻时必备的磁场环境。
如图1和图5，所述的地面磁场发生装置控制模块9，是根据地面传感器装置6判断固定翼无人机2位置，控制地面信号发射装置7的信号发出，从而控制地面磁场发生装置8开启与关闭。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (1)
1.一种固定翼无人机超短距降落系统，其特征在于：包括复合电源模块（1）、固定翼无人机（2）、机载安培力发生装置（3）、机载安培力发生装置控制模块（4）、机载信号接收装置（5）、地面传感器装置（6）、地面信号发射装置（7）、地面磁场发生装置（8）、地面磁场发生装置控制模块（9）；
所述的复合电源模块（1）、机载安培力发生装置（3）、机载安培力发生装置控制模块（4）、机载信号接收装置（5）均安装在固定翼无人机（2）中；所述的复合电源模块（1）用于为固定翼无人机（2）供电，给机载安培力发生装置（3）提供电能；所述的机载安培力发生装置（3）为固定翼无人机（2）降落到停稳过程提供与运动方向相反的安培力；所述的机载安培力发生装置控制模块（4）控制机载安培力发生装置（3）的开启与关闭；所述的机载信号接收装置（5）分布在固定翼无人机（2）前段位置，接收固定翼无人机（2）处于地面磁场发生装置（8）中的位置信号以及机载安培力发生装置控制模块（4）的控制信号；所述的地面磁场发生装置控制模块（9）控制地面磁场发生装置（8）的开启与关闭；
所述的地面传感器装置（6）、地面信号发射装置（7）、地面磁场发生装置（8）和地面磁场发生装置控制模块（9）均安装在固定翼无人机（2）降落跑道两边；所述的地面传感器装置（6）用于获得固定翼无人机（2）处于地面磁场发生装置（8）中的位置信号；所述的地面信号发射装置（7）用于接收固定翼无人机（2）处于地面磁场发生装置（8）中的位置信号；所述的地面磁场发生装置（8）为固定翼无人机（2）降落到停稳过程中所需实的安培力提供磁场环境；
所述复合电源模块（1）包括超级电容器系统（11）、锂离子电池系统（13）、电源控制系统（10）和机箱（12）；机箱（12）采用合金材料加工成型，机箱内部分为电源舱和电路舱，电源舱用于安装超级电容器系统（11）和锂离子电池系统（13），电路舱用于安装电源控制系统（10）；电源控制系统（10）通过线束与超级电容器系统（11）和锂离子电池系统（13）进行电气连接，超级电容器系统（11）给机载安培力发生装置（3）提供降落短时电流，锂离子电池系统（13）作为储能单元给超级电容器系统（11）充电，以保证多次降落，电源控制系统（10）控制超级电容器系统（11）对外输出电能的通断和锂离子电池系统（13）给超级电容器系统（11）充电的通断；
所述机载安培力发生装置（3）包括机翼边框（20）、导线（19）、第一开关（18）；导线（19）安装在机翼边框（20）周围，在通过第一开关（18）与复合电源模块（1）组成闭合电路，根据公式F=BiL1，通电后的机载安培力发生装置（3）产生满足短距离拦阻时必备的安培力，即为滑跑阻力；其中F为安培力，Ｂ为磁场强度，ｉ为机翼边框（20）上导体的电流，L1为滑跑长度；
所述机载安培力发生装置控制模块（4）根据机载信号接收装置（5）获得固定翼无人机（2）位置，控制地面信号发射装置（7）的信号发出，从而控制地面磁场发生装置（8）开启与关闭；
所述地面传感器装置（6）包括第一位置传感器、第二位置传感器和第三位置传感器，分别布置在地面磁场发生装置（8）水平方向，识别固定翼无人机（2）进入磁场区域位置，第一位置传感器用于获得固定翼无人机（2）进入磁场环境1位置，开启地面磁场发生装置（8）；第二位置传感器用于获得固定翼无人机（2）进入磁场环境2位置，开启地面磁场发生装置（8）；第三位置传感器用于获得固定翼无人机（2）进入磁场环境3位置，开启地面磁场发生装置（8）；
所述磁场环境1位置为固定翼无人机（2）降落着陆进入磁场环境，此时速度最大；所述磁场环境2位置为固定翼无人机（2）完全进入磁场环境，开始降速阶段；所述磁场环境3位置为固定翼无人机（2）完全离开磁场环境，开始降速结束到停靠阶段；
所述地面信号发射装置（7）包括第一发射装置、和第二发射装置，分别布置在地面磁场发生装置（8）水平方向，用于识别固定翼无人机（2）进入磁场区域位置；第一发射装置用于发射固定翼无人机（2）刚进入磁场环境时，开启机载安培力发生装置（3）信号，产生与固定翼无人机（2）进入磁场环境方向相反的安培力，第二发射装置用于发射固定翼无人机（2）刚穿过磁场环境时，关闭机载安培力发生装置（3）信号；
所述地面磁场发生装置（8）包括第二开关（14）、地面电源（15）、励磁线圈绕组（16）和励磁磁体（17）；励磁线圈绕组（16）环绕在励磁磁体（17），通过第二开关（14）与地面电源（15）正负极组合成闭合电路；所述地面电源（15）为市电，根据公式H=ｎＩ/ L2通电后地面磁场发生装置（8）产生满足短距离拦阻时必备的磁场环境；其中Ｈ为磁场强度，ｎ为励磁线圈的匝数，Ｉ为励磁线圈上的电流，L2为有效励磁长度；
所述地面磁场发生装置控制模块（9）根据地面传感器装置（6）判断固定翼无人机（2）位置，控制地面信号发射装置（7）的信号发出，从而控制地面磁场发生装置（8）开启与关闭。
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