CN113716049B - 一种子母式无人机系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无人机侦察与协同作业技术领域，涉及一种子母式无人机系统，包括母机和子机，在母机上安装有装载平台，装载平台上设有固定闭锁装置，子机通过固定闭锁装置固定在装载平台上；子机包括旋翼系统、电源模块、飞控航电模块、侦察相机模块、定位模块和视觉识别系统；侦察相机模块包括相机和图像传输模块，相机和图像传输模块连接，用于在侦察作业阶段负责实时搜索成像和图像回传；定位模块和视觉识别系统共同组成子机的定位系统。还公开了其工作方法，利用母机进行高空长航程巡航侦察任务，子机分离后可独自进行低空局部精细侦察与搜索任务；子机通过固定闭锁装置固定在母机机身，结构稳定性与抗干扰能力强。

Description

一种子母式无人机系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及无人机侦察与协同作业技术领域，特别涉及一种子母式无人机系统及其工作方法。
背景技术
传统中型固定翼侦察无人机只能利用航拍设备进行高空远距离、大范围侦察，对于复杂且隐蔽的地形(如丘陵，地穴，树林，楼房等)，无法进行低空局部精细侦察搜索；而传统小型无人机(旋翼)虽然可以进行近距离局部侦察搜索，但缺陷在于航程小，航时短。而在很多需要侦察作业的实际情况中，一般既需要远距离长航时巡航侦察，又需要局部精确侦察搜索；传统的侦察无人机通常难以满足需求，需要对同时满足复杂工况与环境的侦察无人机进行研究与设计。
子母式构型的多无人机系统可以解决当前问题，但现有技术方案存在诸多缺陷，其中最主要的是结构缺陷：现有子母回收机构采用悬吊式外置机构，结构稳定性差，抗干扰能力弱，难以应对各种突发情况与恶劣空况；此外性能方面：母机机动性不足，子母回收机构限制了子母双系统的灵活分离与回收；系统体积较大，隐蔽性弱，在进行局部精细侦察时极易暴露目标；并且母机功能受限，主要作为子机载具，子母协同能力弱；子机数量(单架)少，不足以满足实际侦察作业中多地点，多目标协同作业需求。因此，需要结合侦察作业的实际要求，对子母式无人机系统的稳定性，机动性与协同性方面做出改进与进一步设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种子母式无人机系统及其工作方法，解决了传统子母式构型无人机结构稳定性差，抗干扰能力弱，难以应对各种突发情况与恶劣空况的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种子母式无人机系统，包括母机和子机；
在母机上安装有装载平台，装载平台上设有固定闭锁装置，子机通过固定闭锁装置固定在装载平台上；
子机包括旋翼系统、电源模块、飞控航电模块、侦察相机模块、定位模块和视觉识别系统；
飞控航电模块，用于负责飞行控制、卫星定位和数据链路传输；
侦察相机模块包括相机和图像传输模块，相机和图像传输模块连接，用于在侦察作业阶段负责实时搜索成像和图像回传；
视觉识别系统，用于对装载平台上的固定闭锁装置进行识别与搜索，并引导子机飞到固定闭锁装置处；
定位模块包括电磁装置，用于将子机牵引降落到固定闭锁装置上；
定位模块和视觉识别系统共同组成子机的定位系统，用于实现子机在回收阶段时在装载平台上进行定位与降落。
进一步，装载平台设置在母机的机身上方，装载平台上方设有防护罩、第一步进电机和牵引环，防护罩一侧与装载平台铰接，另一侧与装载平台通过牵引环连接；牵引环与第一步进电机连接，步进电机与飞控航电模块连接，第一步进电机的工作指令通过飞控航电模块由地面站实时操纵。
进一步，固定闭锁装置包括限位装置和闭锁装置，限位装置为磁性吸附块，用于吸附子机；
闭锁装置包括重量感应器、机械卡锁和第二步进电机，第二步进电机内部装有电机螺柱，电机螺柱一端与机械卡锁的中心孔套接并紧固；重量感应器安装在磁性吸附块下方，第二步进电机固定在母机机身上；
子机上开有限位槽，在子机回收降落后，机械卡锁另一端插入在限位槽内。
进一步，子机包括至上而下依次连接的底座、第一壳体、第二壳体和转轴，定位模块和视觉识别系统安装在底座下方，相机安装在第一壳体上，图像传输模块集成在第一壳体内部；飞控航电模块集成在第二壳体内，旋翼系统安装在转轴上。
进一步，子机上还设有太阳能帆板，太阳能帆板与电源模块连接，用于在子机作业阶段为子机充电；太阳能帆板安装在第二壳体上方。
进一步，子机上还设有战斗模块，用于在作业阶段的突发情况下进行攻击。
进一步，战斗模块集成在第一壳体上，战斗模块包括小型弩箭、弹性储存机构、卡扣和第三步进电机，卡扣一端与第三步进电机的输出轴连接，另一端与弹性储存机构连接，弹性存储机构与小型弩箭接触。
进一步，弹性储存机构采用压缩弹簧或卡簧。
进一步，母机采用可垂直起降的固定翼无人机，子机采用可动态起降的小型旋翼无人机。
本发明还公开了所述子母式无人机系统的工作方法，包括以下过程：
侦察任务派出后，地面控制站控制母机垂直起飞；母机到达预设高度后，在预设高度空域进行巡航和高空侦察作业；
当发现可疑目标后，地面控制站控制母机降低高度，子机的旋翼系统开始工作，固定闭锁装置解锁，子机与母机完成分离；
地面控制站控制子机从装载平台上起飞，下降至预设高度后，对近地局部区域进行侦察搜索任务；
地面控制站控制母机上升指定高度空域等待子机或前往下一地点继续执行任务；
待子机任务完成，地面控制站控制母机到达指定位置并下降到回收高度；子机上升高度，到达母机上方；子机的视觉识别系统开启，执行图像识别与视觉定位指令，使自身动态调整姿态下降到装载平台上；
子机的旋翼系统停止工作，固定闭锁装置锁紧，母机与子机锁紧，子机完成回收。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种子母式无人机系统，主要包括母机、子机，在母机上安装有装载平台，装载平台上设有固定闭锁装置，利用母机进行高空长航程巡航侦察任务，子机通过固定闭锁装置固定在装载平台上，子机在高空可从装载平台起飞释放，子机分离后可独自进行低空局部精细侦察与搜索任务；子机完成任务后可在指定高度与母机进行汇合，子机上设有定位模块和视觉识别系统，子机通过定位模块和视觉识别系统准确降落在装载平台上，并保证多次释放，可回收，重复利用性。固定闭锁装置位于母机机身内部，结构稳定性与抗干扰能力强，相比已有技术，能够可靠应对各种突发情况与恶劣空况，回收与释放可靠性也得到了很大的提高；母机不仅可以作为子机的载机，还可以在分离子机后继续执行高空侦察任务，辅助子机的局部精细侦察作业，母机与子机协同作业，共同满足当下侦察工况与环境的复杂需求，同时兼顾了实际侦察作业任务中远距离长航时巡航侦察与局部精确侦察搜索，实现无人机系统的功能多样性与灵活性；本发明相比已有技术，通过对子母机系统进行集成化优化设计与功能导向的设计，保证子母机系统的小型化，以提高了作业的隐蔽性与灵活性；实现子机的多架次释放与回收，满足实际侦察作业中多地点，多目标协同作业需求，进而降低了侦察成本，节约了人力侦察消耗，提高了侦察的安全性。
进一步，固定闭锁装置包括限位装置和闭锁装置，限位装置安装磁性介质以吸附子机，闭锁装置包括重量感应器、机械卡锁和第二步进电机，重量感应器安装在磁性吸附块下方，第二步进电机固定在母机机身上；子机上开有限位槽。在子机回收阶段，当子机停留在磁性吸附块上后，重量感应器就会感应到，第二步进电机在重量感应器感应下开始工作，电机螺柱转动并前推，带动机械卡锁弹出并接触子机限位槽，从而锁紧子机；在子机分离阶段，由地面站控制第二步进电机工作，螺柱反转后退，牵引机械卡锁回退，使机械卡锁脱离子机限位槽，进而开锁释放子机。该固定闭锁装置结构简单，实现了母机与子机的锁紧与释放功能。
进一步，在子机上还设置了太阳能帆板，利用太阳能为子机供电，合理利用资源。
进一步，子机上还设有战斗模块，用于在作业阶段的突发情况下进行攻击，使得子机具有局部目标定位打击的能力，战斗模块集成在第一壳体上，可发射小型弩箭，箭矢数量和类型可根据任务需求自行改装设计。为保证机体安全，战斗模块的动力由弹性储存机构的预紧力提供，弹性储存机构由卡扣限位与控制；进行攻击时，步进电机牵引卡扣释放弹性储存机构，弹簧变形推动箭矢射出。
进一步，母机采用可垂直起降的固定翼无人机，子机采用可动态起降的小型旋翼无人机，为子母两机分离和回收提供合适的动态环境。
附图说明
图1为本发明的子母式无人机系统的整体结构示意图；
图2为本发明的母机的结构示意图；
图3为本发明的子机的结构示意图；
图4为本发明的防护罩结构示意图(其中防护罩左右已分离展开一角度)；
图5为本发明的闭锁装置结构示意图。
其中，1为母机，2为子机，3为机翼，4为母机旋翼系统，5为装载平台，6为发动机，7为光电吊舱，8为起落架，9为机身，10为限位装置，11为牵引环，12为防护罩，13为机械卡锁，14为电机螺柱，15为第二步进电机；
21为底座，22为第一壳体，23为第二壳体，24为太阳能帆板，25为转轴，26为子机旋翼系统，27为视觉识别系统，28为定位模块，29为战斗模块，210为侦察相机模块。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，本发明公开了一种子母式无人机系统，包括母机1和子机2，其中可垂直起降的固定翼无人机作为母机1机型，可动态起降的小型旋翼无人机作为子机2机型。利用母机1进行高空长航程巡航侦察任务，子机2分离后可独自进行低空局部精细侦察与搜索任务。
如图2所示，母机1包括机身9、机翼3和母机旋翼系统4，机翼3对称设置在机身9左右两侧，固定翼无人机机体配备柴油发动机6、光电吊舱7和起落架8，在母机1上设有装载平台5，装载平台5上设有防护罩12和固定闭锁装置。光电吊舱7负责在母机1巡航工作阶段进行高空实时对地面的侦察和图像回传；防护罩12主要用于空中防护整流作用；固定闭锁装置主要用于装载固定子机2，通过固定闭锁装置来控制母机1与子机2的分离与锁紧。
装载平台5的装载位置有多种选择，包括不限于机身9上部，机身9下部，机翼3处，尾翼处等；机身9上部最优。
母机旋翼系统4由4个旋翼组成，无刷电机作为驱动装置，在机载电源供电条件下进行工作，实现无人机平台的垂直起降功能和空中悬停模式的切换。
如图3所示，子机2包括至上而下依次连接的底座21、第一壳体22、第二壳体23和转轴25，在底座21下方安装有定位模块28和视觉识别系统27，在第一壳体22上安装有侦察相机模块210，侦察相机模块210包括相机和图像传输模块，相机和图像传输模块连接，用于在侦察作业阶段负责实时搜索成像，并将图像通过图传天线实时回传于地面站；相机安装在第一壳体22上，图像传输模块集成在第一壳体22内部；在第二壳体23内集成有飞控航电模块，在转轴25上安装旋翼系统。
飞控航电模块，用于负责飞行控制，卫星定位，数据链路传输；
定位模块28包括电磁装置，用于将子机2牵引降落到固定闭锁装置上；
视觉识别系统27依靠相机进行图像识别，以识别具体的位置信息为定位标记，从而精确到达母机1降落平台，进行降落与回收；
子机2的定位模块28和视觉识别系统27共同组成子机2的定位系统，主要实现子机2在回收阶段时在母机1的装载平台5上进行定位与降落。
具体地，如图4所示，装载平台5设置在母机1的机身9上方，装载平台5上方设有防护罩12、第一步进电机和牵引环11，防护罩12一侧与装载平台5铰接，另一侧与装载平台5通过牵引环11连接；牵引环11与第一步进电机连接，第一步进电机与飞控航电模块连接，第一步进电机的工作指令通过飞控航电模块由地面站实时操纵。防护罩12的开合由第一步进电机带动牵引环11分段式控制，保证开合状态下子机2可以顺利分离和回收。
具体地，固定闭锁装置包括限位装置10和闭锁装置，限位装置10为磁性吸附块，以吸附子机2，子机2机体在限位装置10的磁性吸附作用下限位于指定位置；
闭锁装置包括重量感应器、机械卡锁13和第二步进电机15，如图5所示，第二步进电机15内部装有电机螺柱14作为传动组件，电机螺柱14一端与机械卡锁13中心孔套接并紧固，进而由步进电机控制机械卡锁13的运动；重量感应器安装在磁性吸附块下方，第二步进电机15固定在母机1机身9上；子机2上开有限位槽。在子机2回收阶段，当子机2停留在磁性吸附块上后，重量感应器就会感应到，第二步进电机15在重量感应器感应下开始工作，电机螺柱14转动并前推，带动机械卡锁13弹出并接触子机2限位槽，从而锁紧子机2；在子机2分离阶段，由地面站控制第二步进电机15工作，螺柱反转后退，牵引机械卡锁13回退，使机械卡锁13脱离子机2限位槽，进而开锁释放子机2。
更优地，子机2上还设有战斗模块29，主要在作业阶段的突发情况下进行攻击。具体地，战斗模块29集成在第一壳体22上，战斗模块29包括小型弩箭、弹性储存机构、卡扣和第三步进电机，卡扣一端与第三步进电机的输出轴连接，另一端与弹性储存机构连接，弹性存储机构与小型弩箭接触。战斗模块29的动力由弹性储存机构的预紧力提供，弹性储存机构由卡扣限位与控制；进行攻击时，步进电机牵引卡扣释放弹性储存机构，弹簧变形推动箭矢射出。
弹性储存机构采用压缩弹簧或卡簧。
更优地，子机2上还设有太阳能帆板24，太阳能帆板24与电源模块连接，用于在子机2作业阶段为子机2充电；太阳能帆板24安装在第二壳体23上方。
其中子机旋翼系统26由无刷电机驱动，电源模块一般采用机载电池，机载电池和太阳能帆板24作为电力来源。太阳能帆板24为展开式，在子机2作业阶段为子机2充电。
其实际作业原理为：
侦察任务派出，子机2装载并待机，地面控制站控制母机1垂直起飞；母机1到达一定高度转换飞行模式为固定翼飞行模式，在预设高度空域进行巡航和高空侦察作业。
发现可疑目标后，母机1降低高度，打开防护罩12，子机旋翼系统26开始工作，固定闭锁装置解锁，子机2与母机1完成分离；子机2下降高度飞行，对近地局部区域进行侦察搜索任务；在地面站控制或母机1自主控制关闭母机1防护罩12；母机1上升指定高度空域等待子机2或前往下一地点继续执行任务。
待子机2任务完成，母机1到达指定位置并下降到回收高度：悬停模式开启，打开防护罩12。子机2上升高度，到达母机1上方；子机2定位系统—视觉识别系统27开启，执行图像识别与视觉定位指令，使自身动态调整姿态精确下降到母机1的装载平台5。
子机旋翼系统26停止工作，固定闭锁装置卡紧子机2后，关闭防护罩12，子机2完成回收。
母机1改变飞行模式，提升高度进行下一任务或者返回驻点垂直降落。
本发明提供的子母式无人机系统，可以实现多架子机2的装载和释放与回收多架子机2可同步，也可异步，根据任务需求进行调控，且回收距离可控，简捷方便。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种子母式无人机系统，其特征在于，包括母机（1）和子机（2）；
在母机（1）上安装有装载平台（5），装载平台（5）上设有固定闭锁装置，子机（2）通过固定闭锁装置固定在装载平台（5）上，装载平台（5）作为子机（2）的装载、分离起飞和回收降落平台；
子机（2）包括旋翼系统、电源模块、飞控航电模块、侦察相机模块（210）、定位模块（28）和视觉识别系统（27）；
飞控航电模块，用于负责飞行控制、卫星定位和数据链路传输；
侦察相机模块（210）包括相机和图像传输模块，相机和图像传输模块连接，用于在侦察作业阶段负责实时搜索成像和图像回传；
视觉识别系统（27），用于对装载平台（5）上的固定闭锁装置进行识别与搜索，并引导子机（2）飞到固定闭锁装置处；
定位模块（28）包括电磁装置，用于将子机（2）牵引降落到固定闭锁装置上；
定位模块（28）和视觉识别系统（27）共同组成子机（2）的定位系统，用于实现子机（2）在回收阶段时在装载平台（5）上进行定位与降落；
装载平台（5）设置在母机（1）的机身（9）上方，装载平台（5）上方设有防护罩（12）、第一步进电机和牵引环（11），防护罩（12）一侧与装载平台（5）铰接，另一侧与装载平台（5）通过牵引环（11）连接；牵引环（11）与第一步进电机连接，第一步进电机与飞控航电模块连接，第一步进电机的工作指令通过飞控航电模块由地面站实时操纵；
母机（1）采用可垂直起降的固定翼无人机，子机（2）采用可动态起降的小型旋翼无人机；
固定闭锁装置包括限位装置（10）和闭锁装置，限位装置（10）为磁性吸附块，用于吸附子机（2）；
闭锁装置包括重量感应器、机械卡锁（13）和第二步进电机（15），第二步进电机（15）内部装有电机螺柱（14），电机螺柱（14）一端与机械卡锁（13）的中心孔套接并紧固；重量感应器安装在磁性吸附块下方，第二步进电机（15）固定在母机（1）机身（9）上；
子机（2）上开有限位槽，在子机（2）回收降落后，机械卡锁（13）一端插入在限位槽内；
子机（2）包括至上而下依次连接的底座（21）、第一壳体（22）、第二壳体（23）和转轴（25），定位模块（28）和视觉识别系统（27）安装在底座（21）下方，相机安装在第一壳体（22）上，图像传输模块集成在第一壳体（22）内部；飞控航电模块集成在第二壳体（23）内，旋翼系统安装在转轴（25）上；
子机（2）上还设有战斗模块（29），用于在作业阶段的突发情况下进行攻击；战斗模块（29）集成在第一壳体（22）上，战斗模块（29）包括小型弩箭、弹性储存机构、卡扣和第三步进电机，卡扣一端与第三步进电机的输出轴连接，另一端与弹性储存机构连接，弹性存储机构与小型弩箭接触。
2.根据权利要求1所述的一种子母式无人机系统，其特征在于，子机（2）上还设有太阳能帆板（24），太阳能帆板（24）与电源模块连接，用于在子机（2）作业阶段为子机（2）充电；太阳能帆板（24）安装在第二壳体（23）上方。
3.根据权利要求1所述的一种子母式无人机系统，其特征在于，弹性储存机构采用压缩弹簧或卡簧。
4.权利要求1-3任意一项所述子母式无人机系统的工作方法，其特征在于，包括以下过程：
侦察任务派出后，地面控制站控制母机（1）垂直起飞；母机（1）到达预设高度后，在预设高度空域进行巡航和高空侦察作业；
当发现可疑目标后，地面控制站控制母机（1）降低高度，子机（2）的旋翼系统开始工作，固定闭锁装置解锁，子机（2）与母机（1）完成分离；
地面控制站控制子机（2）从装载平台（5）上起飞，下降至预设高度后，对近地局部区域进行侦察搜索任务；
地面控制站控制母机（1）上升指定高度空域等待子机（2）或前往下一地点继续执行任务；
待子机（2）任务完成，地面控制站控制母机（1）到达指定位置并下降到回收高度；子机（2）上升高度，到达母机（1）上方；子机（2）的视觉识别系统（27）开启，执行图像识别与视觉定位指令，使自身动态调整姿态下降到装载平台（5）上；
子机（2）的旋翼系统停止工作，固定闭锁装置锁紧，母机（1）与子机（2）锁紧，子机（2）完成回收。
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