CN114313273B - 一种无人机主动伞降回收装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种无人机主动伞降回收装置及方法，属于无人机回收领域；包括伞舱组件、伞舱盖、伞舱盖位置指示装置和开舱装置，伞舱组件安装与无人机机体上，伞舱盖安装于伞舱组件的伞舱开口处；伞舱盖位置指示装置和开舱装置安装于伞舱开口处，并与伞舱盖自由端的位置对应，用于检测伞舱盖的位置，及控制其开启；伞舱组件中采用射伞火箭，连接带固定在火箭下部，可为回收伞提供稳定的拉力，具有一定的定向能力，可沿垂直方向向上拉出回收伞。伞舱盖中部预制薄弱环节，打开后沿薄弱环节折断，减小其阻力板效应，减小对无人机高度速度的影响。本发明射伞火箭将主伞垂直于机身拉出，在主伞气动阻力作用下，无人机可调整至正常回收姿态，避免损毁无人机。

Description

一种无人机主动伞降回收装置及方法

技术领域

本发明属于无人机回收领域，具体涉及一种无人机主动伞降回收装置及方法。

背景技术

当今世界无人机广泛应用于军事或民用领域。根据任务和使用环境的不同，无人机回收方式多种多样，伞降回收是其中一种常见和重要的方式，在众多型号中小型无人机中得到广泛应用。在《指挥控制与仿真》的《无人机伞降回收系统设计与实现》这一文章中，刘靖介绍了无人机典型伞降回收方式，回收系统由引导伞系统、主伞系统、悬挂装置、脱离装置和控制电路等组成，当无人机进入回收程序，按照飞行控制系统或操控人员发出的指令，回收系统工作程序为：发动机停车、打开伞舱盖、引导伞自动抛出并牵引主伞拉直充气、伞与无人机先减速在过渡至匀速降落、落地瞬间抛掉主伞，无人机安全着地。

采用上述典型伞降回收方式的无人机，尤其对于采用活塞式发动机后置、双尾撑或高平尾布局形式的无人机来说，被动充气式开伞通道不通畅，回收伞拉直充气过程中极易发生与螺旋桨缠绕或与无人机平垂尾碰撞的情况，导致不能正常开伞，造成回收失败无人机损毁，特别是在发动机工作时应急开伞，极易发生引导伞与桨缠绕，导致回收伞无法出舱充气，并最终发生无人机坠毁灾难性事故。对于低空低速或者无人机失控存在大姿态角的情况下，被动充气式开伞的伞衣不能及时张满，导致无人机落地速度较大机体损毁严重。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种无人机主动伞降回收装置及方法，开伞装置主动把回收伞沿竖直方向拉出伞舱，拉直伞衣伞绳，使伞衣迅速充气张满，可以避开后推式活塞发动机的螺旋桨、垂尾或高置的平尾，可以用于特定布局或其他布局无人机的回收，亦可用于正常回收或无人机速度较低或无人机姿态角较大等情况下的应急回收，具有可靠性高、适用于各种严酷工况的优点。

本发明的技术方案是：一种无人机主动伞降回收装置，其特征在于：包括伞舱组件、伞舱盖、伞舱盖位置指示装置和开舱装置，伞舱组件安装与无人机机体上，伞舱盖安装于伞舱组件的伞舱开口处；伞舱盖位置指示装置和开舱装置安装于伞舱开口处，并与伞舱盖自由端的位置对应；

所述伞舱组件包含伞舱及设置与其内的伞包和射伞组件；所述伞包内容纳有主伞和连接吊带，所述主伞为底边延伸圆伞，由伞衣、伞绳和主伞吊带组成；所述连接吊带包括前吊带、后吊带、主伞和射伞组件之间的连接带，所述主伞的伞绳底端通过主伞吊带与前吊带、后吊带连接，通过前吊带和后吊带实现主伞与无人机的连接；所述射伞组件为射伞火箭，采用上喷口形式，连接带固定在射伞火箭下部，点火后利用其拉力将主伞拉出伞舱；

所述伞舱盖位置指示装置通过其内微动开关电路的通断来判断伞舱盖开启与否，并为飞控系统提供伞舱盖位置反馈信号；

所述开舱装置包括动力源火工品和紧固螺钉；所述动力源火工品通过尾部外螺纹与机体基座螺纹连接，其顶部开有螺纹孔；所述紧固螺钉穿过伞舱盖的自由端，旋入动力源火工品的螺纹孔，将伞舱盖与机身固定连接，保证无人机飞行过程中气动外形的完整性；接通电源工作后爆炸释放伞舱盖，与所述伞舱盖位置指示装置一起为伞舱盖提供打开的初始推力。

本发明的进一步技术方案是：所述伞舱为正方体容器，其上端开口。

本发明的进一步技术方案是：所述主伞吊带上安装有分离装置，分离装置以火工品为动力源，火工品作用后，分离装置在预设的位置分为两部分，实现主伞与无人机的自动脱离；防止风吹动主伞，在地面拖拽飞机造成机体损伤。

本发明的进一步技术方案是：所述主伞上设置有收口绳和切割器，收口绳设置于伞衣底边外缘处，对主伞有收口功能，能够减小开伞过载，减小开伞对系统造成的干扰；切割器设置于收口绳上，并设置有延时功能，能够在设定时间内切断收口绳，释放主伞使其充气长满。

本发明的进一步技术方案是：所述伞舱盖的固定端通过鹅颈接头、销钉与伞舱开口的一侧铰接，自由端通过开舱装置与伞舱开口的另一侧连接；其固定端和自由端的中间预制薄弱区域，受载后沿薄弱区域向外折弯，减小其阻力板效应，且伞舱盖不会坠落。

本发明的进一步技术方案是：所述伞舱盖位置指示装置包括微动开关、销子、压簧和壳体，微动开关包括弹片和滚珠，壳体固定于机身框腹板上；所述销子沿竖直方向设置于壳体内，其上下端均为直杆，同轴穿出壳体位于上下端的通孔，其中部的径向截面从下到上逐渐增大；中部下方设置有轴肩；所述弹簧套装于销子的下端，一端与轴肩端面接触，另一端与壳体下端内壁接触，通过其回弹力使销子向上位移复位；所述销子中部一侧设置有微动开关，其外周面与滚珠接触，销子通过上下移动，对滚珠压紧和释放，从而实现微动开关电路的通断。

本发明的进一步技术方案是：还包括延时装置，所述延时装置配合主伞对无人机进行水平减速。

一种无人机主动伞降回收装置的回收方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：无人机飞行至设定高度和速度，进入回收航线；

步骤二：t0时刻，在预定的地点关停发动机；

步骤三：t1＝5s时刻，所述开舱装置工作，伞舱盖敞开，露出主伞；

步骤四：t2＝5s时刻，所述开伞装置工作，沿几乎垂直的方向发射并拉出主伞；

步骤五：所述开伞装置与主伞分离，主伞逐渐充气，使无人机水平减速，机伞位置转换，主伞带着无人机垂直下降；

步骤六：t3＝10s时刻，主伞上的收口绳解除，机伞系统稳降；

步骤七：t4＝10s时刻，所述延时装置工作，把无人机放平，机伞系统稳降；

步骤八：触地后，无人机自动判定将回收伞与无人机分离。

有益效果

本发明的有益效果在于：除满足无人机正常回收要求外，本发明可满足应急状态下回收飞机，解决背景技术中现有无人机伞降回收技术的问题。典型应急状态包括无人机失控姿态角过大、无人机失控飞行高度过低或速度过小、发动机停车失败螺旋桨缠绕回收伞等。若无人机姿态角过大，比如进入俯冲甚至倒扣状态，上述现有被动充气回收技术不能正常开伞，本发明射伞火箭可将回收伞垂直于机身拉出，在回收伞气动阻力作用下，无人机可调整至正常回收姿态，避免损毁无人机；若飞机飞行高度过低，上述现有技术伞降回收过程中，回收伞充气时间长，本发明采用火箭主动射伞，回收伞充气迅速，避免出现伞未张满飞机已触地的情况；若飞机飞行速度过低甚至失速时，上述现有回收技术的引导伞效率低甚至不能拉出主伞，但本发明射伞火箭可保证回收伞正常拉出拉直，并快速充气；本发明射伞火箭将回收伞沿垂直于机身的方向将伞拉出，避开了飞机平垂尾或旋转的螺旋桨，有效解决了上述现有回收技术中伞从平尾下方穿过或缠入螺旋桨的问题。所述回收技术工作流程合理清晰，可靠性高，开伞高度小落点精度高，能够应对无人机各种正常和应急工况回收需求。

附图说明

图1是本实施例系统组成左视图；

图2是本实施例系统组成俯视图；

图3是本实施例伞舱盖变形示意图；

图4是本实施例开伞装置布置示意图；

图5是本实施例回收伞工作流程原理图；

图6是本实施例伞舱盖位置指示装置组成图；

图7是本实施例伞舱盖位置指示装置中选用的微动开关示意图；

附图标记说明：1，伞舱盖；2，伞舱；3，伞包；4，开伞装置；5，伞舱盖位置指示装置；6，延时装置；7，开舱装置；8，前吊带；9，后吊带；10，前吊点；11，后吊点；12，无人机重心；13，螺旋桨；14，平尾，15，发动机冷却气道。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1、2所示，本发明一种无人机主动伞降回收装置，包括伞舱组件、伞舱盖、伞舱盖位置指示装置和开舱装置，伞舱组件安装与无人机机体上，伞舱盖安装于伞舱组件的伞舱开口处；伞舱盖位置指示装置和开舱装置安装于伞舱开口处，并与伞舱盖自由端的位置对应；

所述伞舱组件采用模块化设计，可以单独储存和运输，安装时可放入机体相应的空间内，与机体通过机械和电接插件进行连接。伞舱组件包含伞舱及设置与其内的伞包和射伞组件；伞舱为正方体容器，其上端开口；所述伞包内容纳有主伞和连接吊带，所述主伞为底边延伸圆伞，由伞衣、伞绳和主伞吊带组成；所述连接吊带包括前吊带、后吊带、主伞和射伞组件之间的连接带，所述主伞的伞绳底端通过主伞吊带与前吊带、后吊带连接，通过前吊带和后吊带实现主伞与无人机的连接；所述射伞组件为射伞火箭，采用上喷口形式，连接带固定在射伞火箭下部，点火后利用其拉力将主伞拉出伞舱；

所述主伞上设置有收口绳和切割器，收口绳设置于伞衣底边外缘处，对主伞有收口功能，能够减小开伞过载，减小开伞对系统造成的干扰；切割器设置于收口绳上，并设置有延时功能，能够在设定时间内切断收口绳，释放主伞使其充气长满。

所述主伞吊带上安装有分离装置，分离装置以火工品为动力源，火工品作用后，分离装置在预设的位置分为两部分，实现主伞与无人机的自动脱离；防止风吹动主伞，在地面拖拽飞机造成机体损伤。

所述伞舱盖的固定端通过鹅颈接头、销钉与伞舱开口的一侧铰接，自由端通过开舱装置与伞舱开口的另一侧连接；其固定端和自由端的中间预制薄弱区域，受载后沿薄弱区域向外折弯，减小其阻力板效应，且伞舱盖不会坠落；

参照图6、7所示，所述伞舱盖位置指示装置通过其内微动开关电路的通断来判断伞舱盖开启与否，并为飞控系统提供伞舱盖位置反馈信号；位置指示装置包括微动开关、销子、压簧和壳体，微动开关包括弹片和滚珠，壳体固定于机身框腹板上；所述销子沿竖直方向设置于壳体内，其上下端均为直杆，同轴穿出壳体位于上下端的通孔，其中部的径向截面从下到上逐渐增大；中部下方设置有轴肩；所述弹簧套装于销子的下端，一端与轴肩端面接触，另一端与壳体下端内壁接触，通过其回弹力使销子向上位移复位；所述销子中部一侧设置有微动开关，其外周面与滚珠接触，销子通过上下移动，对滚珠压紧和释放，从而实现微动开关电路的通断。

所述开舱装置包括动力源火工品和紧固螺钉；所述动力源火工品通过尾部外螺纹与机体基座螺纹连接，其顶部开有螺纹孔；所述紧固螺钉穿过伞舱盖的自由端，旋入动力源火工品的螺纹孔，将伞舱盖与机身固定连接，保证无人机飞行过程中气动外形的完整性；接通电源工作后爆炸释放伞舱盖，与所述伞舱盖位置指示装置一起为伞舱盖提供打开的初始推力。

实施例：

如图1所示，对于开伞通道不通畅的情况的无人机来说，本发明提供了一种安全高效的回收方式，亦可应对无人机起降阶段或空中大姿态角状态下的应急回收，使无人机以安全的速度着陆，优点包括可靠性高，适应性强等。

本实施例包括回收伞伞包3及其包装部分伞舱2，开伞装置4用于拉出伞包，上述组件安装在无人机相应位置，该位置回收伞安装与否不应引起无人机重心的巨大变化，即开伞前后无人机姿态不应有巨大变化。

本实施例伞舱盖1能够保持无人机完整的气动外形，用快拆快卸设计，后侧可与机体采用销钉快速连接和卸下，前侧通过所述动力源火工品与机体连接，接收开舱指令后，伞舱盖在其位置指示装置的初始推力和气动力作用下可快速打开。伞舱盖1中部预制薄弱环节，打开后沿薄弱环节折断，减小其阻力板效应，减小对无人机高度速度的影响。伞舱盖位置指示装置5提示伞舱盖是否打开，是发出射伞指令的必要条件，开舱装置7控制伞舱盖的开合。

所述实施例伞舱盖1位置指示装置是一种带电路的机械装置，被伞舱盖压下后电路接通提示所述伞舱盖已关上，伞舱盖打开后电路断开，证明伞舱盖已打开，可执行所述射伞组件工作流程。

本实施例延时装置6用于控制回收伞充气过程中的无人机姿态；前后吊带8和9通过前后吊点10和11与无人机相连，螺旋桨13和平尾14说明了其与无人机的相对位置关系。

本实施例中的开舱装置7飞出部分的动能把伞舱盖1开启一个角度，在风阻的作用下伞舱盖可完全开启，为避免形成阻力板效应(图3虚线部分)，可采用碰撞后变形或者铰链等结构设计，使伞舱盖在碰撞发动机冷却气道唇口(图3中15的前缘)后产生形变，变形部分紧贴无人机机体上缘。

本实施例连接吊带与机体采用后三点连接形式，重心12前有两个吊点(前吊点10)，重心后有一个后吊点(后吊点11)，吊带和机体的连接形式也可选择四点即重心前后各两个，或者后三点即重心前一个、重心后两个。也可通过四个点与机体连接。

本实施例的回收伞可与起落架、滑橇减震器或者缓冲气囊配合使用，回收伞使无人机减速，起落架等装置吸收无人机触地时的载荷。

本实施例中的开伞装置的位置有多种布置方式，如图4所示，根据空间协调需求，可放置在伞舱内部伞包左前(图4中①)、右前(图4中②)或伞舱外部正前方(图4中③)，由于发动机和油管安装在无人机后部，一般不布置在伞舱内部伞包左后、右后或伞舱外部正后方。相应的，伞包可为图2中的不规则形状或者规则的六面体。

本实施例设计方案开伞装置采用了火箭，在其他方案中也可采用高压气瓶、压缩弹簧或射伞枪等动力把回收伞拉出伞舱。射伞火箭采用上喷口形式，连接带固定在火箭下部，可为回收伞提供稳定的拉力，具有一定的定向能力，可沿垂直方向向上拉出回收伞。

本实施例中的伞舱盖位置指示装置5可布置在多个位置，如图2中伞舱的前面或后面，甚至可布置在伞舱侧面伞舱盖可压下的位置。

本实施例中的延时装置作用是在回收伞充气过程中使无人机保持稳定的姿态，在回收重量较小的无人机上，为简化回收流程，可不选装该装置。

本实施例中的伞降回收技术可用于螺旋桨后推式等开伞通道不通畅的无人机上，也可用于其他构型无人机甚至通航类有人机上，用于飞机失去控制等紧急情况下的应急回收。

本实施例主动伞降回收技术的工作流程为：进入回收航路→开舱→射伞→延时→稳降→着陆→抛伞，各个阶段之间间隔一定时间，时间间隔可预置在回收程序中，抛伞条件自动判断，无人机整个回收流程自动完成。

如图5所示，对本发明伞降回收技术的工作流程进行说明：

(1)无人机先降至要求的高度和速度，进入回收航线；

(2)t0时刻，在预定的地点关停发动机；

(3)t1＝5s时刻，开舱装置7工作，伞舱敞开，露出回收伞系统；

(4)t2＝5s时刻，开伞装置4工作，沿几乎垂直的方向拉出回收伞；

(5)开伞装置4与伞分离，回收伞逐渐充气，使无人机水平减速，机伞位置转换，回收伞带着无人机(机头冲下)垂直下降；

(6)t3＝10s时刻，回收伞收口解除，机伞系统稳降；

(7)t4＝10s时刻，延时装置6工作，把无人机放平，机伞系统稳降；

(8)触地后，无人机自动判定将回收伞与无人机分离。

本发明中时间间隔t0～t4预制在无人机飞控系统中，适用于本发明所描述构型的无人机和回收装置，在其他无人机系统中应做相应的调整，调整后参数值与本实施例不同，但这未脱离本发明技术方案的内容和范围。

本发明实施例中，无人机触地后，飞控系统根据落速、过载、飞行速度和高度等参数判断是否执行抛伞动作，也可根据其中上述参数的若干项或其他参数进行判断，但这未脱离本发明技术方案的内容和范围。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种无人机主动伞降回收装置，其特征在于：包括伞舱组件、伞舱盖、伞舱盖位置指示装置和开舱装置，伞舱组件安装与无人机机体上，伞舱盖安装于伞舱组件的伞舱开口处；伞舱盖位置指示装置和开舱装置安装于伞舱开口处，并与伞舱盖自由端的位置对应；

所述伞舱组件包含伞舱及设置与其内的伞包和射伞组件；所述伞包内容纳有主伞和连接吊带，所述主伞为底边延伸圆伞，由伞衣、伞绳和主伞吊带组成；所述连接吊带包括前吊带、后吊带、主伞和射伞组件之间的连接带，所述主伞的伞绳底端通过主伞吊带与前吊带、后吊带连接，通过前吊带和后吊带实现主伞与无人机的连接；所述射伞组件为射伞火箭，采用上喷口形式，连接带固定在射伞火箭下部，点火后利用其拉力将主伞拉出伞舱；

所述伞舱盖位置指示装置通过其内微动开关电路的通断来判断伞舱盖开启与否，并为飞控系统提供伞舱盖位置反馈信号；

所述开舱装置包括动力源火工品和紧固螺钉；所述动力源火工品通过尾部外螺纹与机体基座螺纹连接，其顶部开有螺纹孔；所述紧固螺钉穿过伞舱盖的自由端，旋入动力源火工品的螺纹孔，将伞舱盖与机身固定连接，保证无人机飞行过程中气动外形的完整性；接通电源工作后爆炸释放伞舱盖，与所述伞舱盖位置指示装置一起为伞舱盖提供打开的初始推力；

所述主伞吊带上安装有分离装置，分离装置以火工品为动力源，火工品作用后，分离装置在预设的位置分为两部分，实现主伞与无人机的自动脱离；防止风吹动主伞，在地面拖拽飞机造成机体损伤；

所述伞舱盖的固定端通过鹅颈接头、销钉与伞舱开口的一侧铰接，自由端通过开舱装置与伞舱开口的另一侧连接；其固定端和自由端的中间预制薄弱区域，受载后沿薄弱区域向外折弯，减小其阻力板效应，且伞舱盖不会坠落；

还包括延时装置，所述延时装置配合主伞对无人机进行水平减速；

所述伞舱盖位置指示装置包括微动开关、销子、压簧和壳体，微动开关包括弹片和滚珠，壳体固定于机身框腹板上；所述销子沿竖直方向设置于壳体内，其上下端均为直杆，同轴穿出壳体位于上下端的通孔，其中部的径向截面从下到上逐渐增大；中部下方设置有轴肩；弹簧套装于销子的下端，一端与轴肩端面接触，另一端与壳体下端内壁接触，通过其回弹力使销子向上位移复位；所述销子中部一侧设置有微动开关，其外周面与滚珠接触，销子通过上下移动，对滚珠压紧和释放，从而实现微动开关电路的通断。

2.根据权利要求1所述无人机主动伞降回收装置，其特征在于：所述伞舱为正方体容器，其上端开口。

3.根据权利要求1所述无人机主动伞降回收装置，其特征在于：所述主伞上设置有收口绳和切割器，收口绳设置于伞衣底边外缘处，对主伞有收口功能，能够减小开伞过载，减小开伞对系统造成的干扰；切割器设置于收口绳上，并设置有延时功能，能够在设定时间内切断收口绳，释放主伞使其充气长满。

4.一种权利要求1-3任一项所述无人机主动伞降回收装置的回收方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一：无人机飞行至设定高度和速度，进入回收航线；

步骤二：t0时刻，在预定的地点关停发动机；

步骤三：t1＝5s时刻，所述开舱装置工作，伞舱盖敞开，露出主伞；

步骤四：t2＝5s时刻，所述射伞组件工作，沿几乎垂直的方向发射并拉出主伞；

步骤五：所述射伞组件与主伞分离，主伞逐渐充气，使无人机水平减速，机伞位置转换，主伞带着无人机垂直下降；

步骤六：t3＝10s时刻，主伞上的收口绳解除，机伞系统稳降；

步骤七：t4＝10s时刻，所述延时装置工作，把无人机放平，机伞系统稳降；

步骤八：触地后，无人机自动判定将回收伞与无人机分离。