CN113428367B - 用于控制降落伞开伞的方法及其电子自动开伞系统 - Google Patents

用于控制降落伞开伞的方法及其电子自动开伞系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于控制降落伞开伞的方法及其电子自动开伞系统，该方法根据有效大气压力与气压高度的关系实时解算出气压高度h，根据气压高度，确定待开伞高度值和速度值，并将待开伞高度值与速度值与开伞高度和速度设定值进行比较，当开伞高度≤开伞高度设定值且开伞速度≥开伞速度设定值，触发切割器使降落伞开伞。它包括电池、ARM控制单元、气压温度传感器和地磁传感器和切割器，所述电池通过供电电路分别与ARM控制单元、气压温度传感器和地磁传感器连接为它们供电；ARM控制单元通过驱动电路与切割器连接；本发明具有结构简单、成本低廉的特点、其能够改善动压影响、同时抗干扰能力强，可以得到广泛应用。

Description

用于控制降落伞开伞的方法及其电子自动开伞系统
技术领域
本发明涉及跳伞安全技术领域，具体涉及一种用于控制降落伞开伞的方法及其电子自动开伞系统。
背景技术
目前，普遍使用的开伞控制器，都是机械产品，其控制方式为机械控制，通过对时间或时间/高度的控制，在预定的高度和延迟时间，输出开伞动力，将救生伞拉开。这种属于主动控制，需要跳伞员操作控制装置，该设备在以下场景无法处理：
(1)当跳伞员离开飞机或坠落时，失去了知觉；
(2)由于跳伞员过度紧张，忘记操作控制装置；
(3)由于主伞在某些特殊情况下，导致主伞设备的损坏。
目前，现有降落伞均是单独使用气压传感器来实现电子自动开伞，但是存在以下缺点：
(1)没有解决动压对气压传感器的精度影响；
(2)在气压发生突变的情况下，容易出现误触发；
(3)该设备不能用于主伞。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种用于控制降落伞开伞的方法及其电子自动开伞系统。本方法通过地磁传感器提供跳伞员或物体的方向，滤除掉一些不准确的气压数据，留下准确的气压数据，开启降落伞，应对紧急情况；为打开降落伞而产生释放信号，该释放信号不依赖于所述装置所附物体的方位。本电子自动开伞系统能够在与降落伞相连的跳伞员或物体坠落时自动打开降落伞，本系统决定了伞的开启高度。本系统实际使用时，电子自动开伞系统与主降落伞或应急或辅助降落伞配合使用，确定降落伞打开的高度，并控制降落伞开启。
为实现上述目的，本发明所设计一种用于控制降落伞开伞的方法，包括以下步骤：
1)当跳伞员/物体离开飞机时，气压温度传感器和地磁传感器分别接收感受大气压力变化和三个正交轴测量的磁场值变化；
2)根据地磁传感器收集的空中任意一点的三个正交轴测量的磁场值(在空中任意一点上的总磁矩不受地磁传感器的方位的变化而变化)，计算磁倾角和磁偏角来确定跳伞员/物品的方向，从而对跳伞员/物品在下降过程中的不适当方向上产生的不准确数据进行过滤；得到有效数据；其中，
Z＝TsinI (3)
Y＝HsinD (4)
公式中，
T为空中某一点的总磁矩，nT；
H为空中某一点的平面磁矩，nT；
X为空中某一点X轴方向的磁通量，nT；
Y为空中某一点Y轴方向的磁通量，nT；
Z为空中某一点Z轴方向的磁通量，nT；
I为空中某一点的磁倾角，°；
D为空中某一点的磁偏角，°；
3)基于步骤2)有效数据，筛选得到有效大气压力，再根据有效大气压力与气压高度的关系实时解算出气压高度h，
4)根据气压高度h，确定待开伞高度值和速度值，并将待开伞高度值与速度值与开伞高度和速度设定值进行比较，当开伞高度≤开伞高度设定值且开伞速度≥开伞速度设定值，触发切割器单元使降落伞开伞。
进一步地，所述步骤3)中，气压高度h的计算公式如下：
公式中，
h为海拔高度，m；
hb为大气层底部高度，m；
Tb为海平面标准温度，K；
Lb为标准温度下降率，K/m；
P为测量气压，Pa；
Pb为海平面静态压力，Pa；
R为通用气体常数，(N*m)/(mol*K)；
g0为重力加速度常数，m/s2；
M为地球空气摩尔质量，kg/mol。
本发明还提供了一种电子自动开伞系统，它安装跳伞员/物品上，包括电池、ARM控制单元、气压温度传感器和地磁传感器和切割器单元，所述电池通过供电电路分别与ARM控制单元、气压温度传感器和地磁传感器连接为它们供电；ARM控制单元通过驱动电路6与切割器单元连接；其中，
所述气压温度传感器为用于感受大气压力变化并将气压力值转成电信号传递到ARM控制单元的接收设备中，
所述地磁传感器为用于检测三个正交轴测量的磁场值并将磁场值传递到ARM控制单元的接收设备中，
所述ARM控制单元为用于接收气压温度传感器传递的气压力值电信号和地磁传感器传递的三个正交轴测量的磁场值，解算瞬时位置值；
所述切割器单元分别与主降落伞的开伞绳索和副降落伞的开伞绳索连接，用于在接收ARM控制单元的开伞控制信号时，切割器单元启动工作，将开伞绳索割断，降落伞开开伞。
进一步地，所述电池还通过供电电路分别与显示单元和按键单元连接，所述显示单元和按键单元与ARM控制单元连接；
所述显示单元用于显示ARM控制单元处理的相对高度数据；
所述按键单元用于控制系统开启和关闭，及控制显示单元数据显示。
再进一步地，所述ARM控制单元还连接有定时触发单元。
再进一步地，所述ARM控制单元还连接有存储单元。
本发明的原理：
1.气压传感器
气压传感器是用来测量实时大气压强数值的传感器，主要分为模拟气压传感器和数字气压传感器；
数字式的气压传感器更符合需求，高精度的数字式气压传感器内部电路可等效为高阻抗的惠斯登电桥，该电桥一般是利用MEMS技术在单晶硅片上加工，传感器经过温度补偿修正及标定后具有体积小，精度高，响应速度快等特点，并且和单片机、ARM等芯片连接也很方便，是市场上的主流。
在本系统中，传感器单元要求以10次/秒的速率采集实时气压数据；由于本设备开启的高度是相对高度，所以对气压传感器的长期稳定性有要求，要满足1hPa/yr，精度能够达到1.5hPa，温度值达到±1℃。传感器能够通过IIC协议与控制单元保持通信，将实时测量数据发送给ARM控制单元。
2.地磁传感器
气压传感器被用作测高手段，该传感器用于确定初始高度值和进一步确定压力值，并与理论值进行比较；然而，这些理论值并不十分准确，因为在下降过程中测量到的压力高度依赖于跳伞员/物品的位置；气压传感器其压力读数就会因人所处的位置而异，例如，一个人从腹部向上到腹部向下的位置所造成的高度误差就会比较大。
本发明通过地磁传感器收集三个正交轴测量的磁场值，确定跳伞员/物品的位置，对在跳伞员/物品的不适当方向上产生的不准确的数据，以及在跳伞员/物品的下落期间产生的不准确数据来进行滤波；用于过滤所述收集的数据并提高所述数据处理系统的准确性，数据处理系统释放辅助降落伞的开启信号，这允许在自由落体阶段执行受控或被控制的运动时，提高所述装置的精度。
在本系统中，地磁传感器要求以10次/秒的速率采集实时方向数据。由于本设备使用的是干电池供电，需要低电流低功耗，所以在选择芯片的过程中尽可能选择低的功耗和电流的芯片。对位置信息要求有一定要求，初步定位角度精度为10°以内，能够满足风压带来的误差降到5米以内。
3.定时触发单元
目前普遍使用的开伞控制器，其控制方式为机械控制，通过对时间的控制，在预定的延迟时间，输出开伞动力，将降落伞拉开。这种以时间为控制方式的机械式开伞控制器的缺点是：
(1)无法根据实际情况任意设定延迟时间；
(2)延迟时间误差较大，因此这种开伞控制器已经不能适应现代部队装备的需求。使用电子式延迟时间可以精确控制时间，以适应不同的应用场合。定时机构触发单元进行时间触发，定时器在控制单元中实现。一般的晶振的精度都能够控制在20ppm以内，完全满足现今的应用场合。
本发明的有益效果：
综上所述：本发明具有结构简单、成本低廉的特点、其能够改善动压影响、同时抗干扰能力强，可以得到广泛应用。
附图说明
图1为电子自动开伞系统的连接示意图；
图中，电池1、ARM控制单元2、气压温度传感器3、地磁传感器4和切割器单元5、驱动电路6、显示单元7、按键单元8、定时触发单元9、存储单元10。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。
如图1所示的电子自动开伞系统，它安装跳伞员/物品上，包括电池1、ARM控制单元2、气压温度传感器3和地磁传感器4和切割器单元5，所述电池1通过供电电路分别与ARM控制单元2、气压温度传感器3和地磁传感器4连接为它们供电；ARM控制单元2通过驱动电路6与切割器单元5连接；
电池1还通过供电电路分别与显示单元7和按键单元8连接，显示单元7和按键单元8与ARM控制单元2连接；ARM控制单元2还分别连接有定时触发单元9和存储单元10；其中，
气压温度传感器3为用于感受大气压力变化并将气压力值转成电信号传递到ARM控制单元2的接收设备中，
地磁传感器4为用于检测三个正交轴测量的磁场值并将磁场值传递到ARM控制单元2的接收设备中，
ARM控制单元2为用于接收气压温度传感器3传递的气压力值电信号和地磁传感器4传递的三个正交轴测量的磁场值，解算瞬时位置值；
切割器单元5分别与主降落伞的开伞绳索和副降落伞的开伞绳索连接，用于在接收ARM控制单元2的开伞控制信号时，切割器单元5启动工作，将收缩绳索割断，降落伞开开伞。
显示单元7用于显示ARM控制单元2处理的相对高度数据；
按键单元8用于控制系统开启和关闭，及控制显示单元7数据显示。
上述电子自动开伞系统控制降落伞开伞的方法，该系统分别控制主降落伞和副降落伞；其方法如下：
1)控制主降落伞开伞方法如下：
当跳伞员/物品下落时间s到达ARM控制单元2中预先设定时间值时，定时触发单元9瞬时触发切割器单元5使主降落伞开伞；
2)当主降落伞无法开启时，控制副降落伞开伞方法如下：
1)当跳伞员/物体离开飞机时，气压温度传感器3和地磁传感器4分别接收感受大气压力变化和三个正交轴测量的磁场值变化；
2)根据地磁传感器4收集的空中任意一点的三个正交轴测量的磁场值(在空中任意一点上的总磁矩不受地磁传感器的方位的变化而变化)，计算磁倾角和磁偏角来确定跳伞员/物品的方向，从而对跳伞员/物品在下降过程中的不适当方向上产生的不准确数据进行过滤；得到有效数据；其中，
Z＝TsinI (3)
Y＝HsinD (4)
公式中，
T为空中某一点的总磁矩，nT；
H为空中某一点的平面磁矩，nT；
X为空中某一点X轴方向的磁通量，nT；
Y为空中某一点Y轴方向的磁通量，nT；
Z为空中某一点Z轴方向的磁通量，nT；
I为空中某一点的磁倾角，°；
D为空中某一点的磁偏角，°；
3)基于步骤2)有效数据，筛选得到有效大气压力，再根据有效大气压力与气压高度的关系实时解算出气压高度h，其中，
气压高度h的计算公式如下：
公式中，
h为海拔高度，m；
hb为大气层底部高度，m；
Tb为海平面标准温度，K；
Lb为标准温度下降率，K/m；
P为测量气压，Pa；
Pb-海平面静态压力，Pa；
R-通用气体常数，(N*m)/(mol*K)；
g0为重力加速度常数，m/s2；
M为地球空气摩尔质量，kg/mol；
4)根据气压高度h，确定待开伞高度值和速度值，并将待开伞高度值与速度值与开伞高度和速度设定值进行比较，当开伞高度≤开伞高度设定值且开伞速度≥开伞速度设定值，触发切割器5使降落伞开伞。
其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (3)

1.一种电子自动开伞系统，其特征在于：它安装跳伞员/物品上，包括电池(1)、ARM控制单元(2)、气压温度传感器(3)和地磁传感器(4)和切割器单元(5)，所述电池(1)通过供电电路分别与ARM控制单元(2)、气压温度传感器(3)和地磁传感器(4)连接为它们供电；ARM控制单元(2)通过驱动电路(6)与切割器单元(5)连接；其中，
所述气压温度传感器(3)为用于感受大气压力变化并将气压力值转成电信号传递到ARM控制单元(2)的接收设备中，
所述地磁传感器(4)为用于检测三个正交轴测量的磁场值并将磁场值传递到ARM控制单元(2)的接收设备中，
所述ARM控制单元(2)为用于接收气压温度传感器(3)传递的气压力值电信号和地磁传感器(4)传递的三个正交轴测量的磁场值，解算瞬时位置值；
所述切割器单元(5)与降落伞的开伞绳索连接，用于在接收ARM控制单元(2)的开伞控制信号时，切割器单元(5)启动工作，将收缩绳索割断，降落伞开开伞；所述电池(1)还通过供电电路分别与显示单元(7)和按键单元(8)连接，所述显示单元(7)和按键单元(8)与ARM控制单元(2)连接；
所述显示单元(7)用于显示ARM控制单元(2)处理的相对高度数据；
所述按键单元(8)用于控制系统开启和关闭，及控制显示单元(7)的数据显示；所述电子自动开伞系统用于控制降落伞开伞的方法包括以下步骤：
1)当跳伞员/物体离开飞机时，气压温度传感器和地磁传感器分别接收感受大气压力变化和三个正交轴测量的磁场值变化；
2)根据地磁传感器收集的空中任意一点的三个正交轴测量的磁场值，计算磁倾角和磁偏角来确定跳伞员/物品的方向，从而对跳伞员/物品在下降过程中的不适当方向上产生的不准确数据进行过滤；得到有效数据；其中，
Z＝TsinI (3)
Y＝HsinD (4)
公式中，
T为空中某一点的总磁矩，nT；
H为空中某一点的平面磁矩，nT；
X为空中某一点X轴方向的磁通量，nT；
Y为空中某一点Y轴方向的磁通量，nT；
Z为空中某一点Z轴方向的磁通量，nT；
I为空中某一点的磁倾角，°；
D为空中某一点的磁偏角，°；
3)基于步骤2)有效数据，筛选得到有效大气压力，再根据有效大气压力与气压高度的关系实时解算出气压高度h；其中，气压高度h的计算公式如下：
公式中，
h为海拔高度，m；
hb为大气层底部高度，m；
Tb为海平面标准温度，K；
Lb为标准温度下降率，K/m；
P为测量气压，Pa；
Pb为海平面静态压力，Pa；
R为通用气体常数，(N*m)/(mol*K)；
g0为重力加速度常数，m/s2；
M为地球空气摩尔质量，kg/mol；
4)根据气压高度h，确定待开伞高度值和速度值，并将待开伞高度值与速度值与开伞高度和速度设定值进行比较，当开伞高度≤开伞高度设定值且开伞速度≥开伞速度设定值，触发切割器单元使降落伞开伞。
2.根据权利要求1所述电子自动开伞系统，其特征在于：所述ARM控制单元(2)还连接有定时触发单元(9)。
3.根据权利要求1所述电子自动开伞系统，其特征在于：所述ARM控制单元(2)还连接有存储单元(10)。
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