CN114408201B - 一种固定翼无人机回收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固定翼无人机回收系统及方法，在承载车上设置无人机支撑系统，通过承载车的自身运动为无人机提供可变速移动的回收平台。承载车具有很好地刹车性能，从而提升普通固定翼无人机的减速速度，缩短降落距离。设置柔性回收网，可以以减少无人机回收过程中对无人机的冲击损伤，降低了无人机自身的结构要求。设置通信设备、GPS模块和摄像模块，实现无人机和承载车的信息交互，便于实时保持同步运动，增强回收的可靠性。

Description

一种固定翼无人机回收系统及方法

技术领域

本发明涉及固定翼无人机回收技术领域，具体涉及一种固定翼无人机回收系统及方法。

背景技术

无人机在众多领域具有重要应用，无人机可以主要分为固定翼式无人机和旋翼式无人机两大类，固定翼具有速度快、航程远等优点，但是需要起飞和降落过程需要跑道；旋翼式具有起降灵活、可悬停等优点。本发明主要涉及固定翼回收技术领域。

固定翼无人机通过与空气的相对运动产生升力，需要非常高的飞行速度才能完成飞行。在普通的滑跑降落过程中，在降落接地之后无人机仍然具有很高的滑行速度，一般大型飞机具有阻力扰流板、轮胎刹车等机构来增大行驶阻力，尽快降低滑行速度，以防止飞机滑跑距离过长，冲出跑道。对于小型固定翼无人机来说，通常尽量简化其机械结构，一般不具备刹车机构或者扰流机构。围绕“如何通过其他辅助机构(非固定翼飞机自身携带机构)帮助固定翼无人机耗散动能，最终静止下来”这一问题，诞生了很多方法，例如，航母舰载机通过拦阻索辅助减速，防止舰载机冲出甲板；还有降落伞回收(空中开伞然后慢慢飘落)、撞网回收(无人机直接撞向回收网实现减速)、撞线回收(无人机撞向一根悬在空中的线，无人机通过自身的机械结构锁住回收线实现减速回收)。总之，固定翼无人机的回收核心问题是“如何从高速运动状态尽快减速到静止状态。”

总体而言，固定翼的回收过程就是“由动到静”，固定翼无人机回收可以分为两大类：跑道滑跑回收和拦阻机构拦阻回收。

跑道滑跑的主要问题：需要较长的跑道，而且对跑道平整度要求很高，否则容易冲出跑道或者损坏无人机起落架；

拦阻回收主要问题：伞降回收只适用于20kg以内的微小型无人机，风速不能过大，否则容易发生落点极度不可控、无人机降落后降落伞拖拽损坏无人机，此外还存在开伞失败等问题；撞网或者撞绳回收是一个非常短暂的过程，对无人机来说是一次非常强的“冲击力”，因此对无人机的机械结构强度要求非常高，因此会增加结构重量，降低无人机飞行性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种固定翼无人机回收系统及方法，能够为无人机的降落回收提供一个稳定的降落平台，同时降低了无人机降落时的冲击损伤，提高了无人机降落回收对不同路面环境的适应性。

本发明的具体技术方案如下：

一种固定翼无人机回收系统，包括：无人机的机腹固定件、无人机支撑系统、用于装载无人机支撑系统的承载车、通信设备以及装载于承载车上的GPS模块、摄像模块和处理模块；

所述无人机支撑系统包括支撑装置和回收装置；所述回收装置固定连接于所述支撑装置的顶部；所述支撑装置的底部与所述承载车的顶部固定连接；

所述回收装置包括刚性支架和柔性回收网；所述刚性支架为金属框架，所述柔性回收网铺设于所述刚性支架上，用于与无人机的机腹固定件配合对接；

所述通信设备用于无人机与所述承载车之间的信息传递，所述GPS模块用于采集所述承载车的速度并通过所述通信设备传递给无人机，所述摄像模块用于采集无人机的位置信息和姿态信息；

所述处理模块对所述承载车的速度、所述位置信息和所述姿态信息进行处理。

进一步地，所述支撑装置包括上台面、下台面和固定连接于所述上台面和所述下台面之间的多个支撑杆；

所述支撑杆用于实现所述上台面的姿态调整。

进一步地，多个所述支撑杆为长度可以伸缩变化的伺服电动缸；所述伺服电动缸中的伺服电机分别控制所述支撑杆伸缩至指定长度；

所述支撑杆通过虎克铰与所述上台面和所述下台面固定连接。

进一步地，所述上台面和所述下台面均设置有姿态传感器，所述上台面的姿态传感器采集到的上台面的姿态信息与所述下台面的姿态传感器采集到的车辆颠簸信息一起发送至处理模块，所述处理模块根据所述姿态信息和所述车辆颠簸信息确定每个所述支撑杆的期望伸缩长度并发送至所述伺服电机，用于控制上台面的姿态调整。

进一步地，所述支撑装置为六自由度stewart并联机构。

进一步地，所述机腹固定件为设置于无人机腹部的四爪锚钩；所述四爪锚钩为可转动结构，无人机降落过程中向下打开，非降落过程贴附于无人机的机腹部位。

一种固定翼无人机回收方法，其特征在于，包括：

步骤一、降落对准：无人机通过通信设备向承载车发送准备降落指令，承载车由静止加速至指定的降落对接速度，无人机飞到承载车上方并与承载车做同步运动，使得无人机与承载车的地面投影位置重合；此时，无人机的处于四爪锚钩贴附于无人机的机腹部位；

步骤二、降落回收：无人机与承载车继续保持同步运动；无人机打开所述四爪锚钩，无人机在保持与承载车同步运动的同时逐渐降落至所述四爪锚钩勾住所述柔性回收网，无人机关闭发动机，承载车减速停止，完成无人机回收。

进一步地，在所述降落对准与所述降落回收的过程中，所述支撑装置的上台面的姿态信息与车辆颠簸信息确定所述支撑装置的每个支撑杆的期望伸缩长度，并将所述期望伸缩长度实时发送至伺服电机，控制所述支撑杆的伸缩，保持所述上台面的姿态稳定。

进一步地，当无人机与所述承载车处于同步运动时，所述摄像模块实时采集无人机的位置信息和姿态信息，所述承载车根据所述位置信息和所述姿态信息对自身做机动调整，与无人机保持同步。

有益效果：

(1)一种固定翼无人机回收系统，在承载车上设置无人机支撑系统，通过承载车的自身运动为无人机提供可变速移动的回收平台。承载车具有很好地刹车性能，从而提升普通固定翼无人机的减速速度，缩短降落距离。同时承载车对地面的适应性，可以降低无人机对跑道的要求，无需单独的起落架，降低了结构复杂程度。设置柔性回收网，可以以减少无人机回收过程中对无人机的冲击损伤，降低了无人机自身的结构要求，可以携带更多的燃料和载荷。设置通信设备、GPS模块和摄像模块，实现无人机和承载车的信息交互，便于实时保持同步运动，增强回收的可靠性。

(2)在一优选实施例中，支撑装置包括上台面、下台面和固定连接于上台面和下台面之间的多个支撑杆，且支撑杆为长度可以伸缩变化的伺服电动缸，可以在保证上台面和无人机姿态平稳，减少路面颠簸等对无人机状态影响，同时可以通过姿态传感器实时采集的上台面姿态信息和车辆颠簸信息，实时调整支撑杆的伸缩长度，实现隔振效果，提高本发明回收系统的功能和通用性。

(3)无人机与承载车处于同步运动时，摄像模块实时采集无人机的位置信息和姿态信息，承载车根据位置信息和姿态信息对自身做机动调整，与无人机保持同步，防止因为无人机受到侧风影响有侧向位置偏差导致的回收安全性的问题。

附图说明

图1为本发明的一种固定翼无人机回收系统结构示意图。

图2为图1中回收系统的回收装置结构示意图。

图3为无人机的四爪锚钩结构示意图。

图4为无人机降落回收过程示意图。

其中，1-刚性支架，2-支撑装置，3-柔性回收网，4-姿态传感器，5-摄像模块，6-GPS模块。

具体实施方式

一种固定翼无人机回收系统及方法，在承载车上设置无人机支撑系统，通过承载车的自身运动为无人机提供可变速移动的回收平台。承载车具有很好地刹车性能，从而提升普通固定翼无人机的减速速度，缩短降落距离。设置柔性回收网，可以以减少无人机回收过程中对无人机的冲击损伤，降低了无人机自身的结构要求。设置通信设备、GPS模块和摄像模块，实现无人机和承载车的信息交互，便于实时保持同步运动，增强回收的可靠性。

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，一种固定翼无人机回收系统，包括：无人机的机腹固定件、无人机支撑系统、用于装载无人机支撑系统的承载车、通信设备以及装载于承载车上的GPS模块6和摄像模块5和处理模块。

无人机支撑系统包括支撑装置2和回收装置；回收装置固定连接于支撑装置2的顶部；支撑装置2的底部与承载车的顶部固定连接。

如图2所示，回收装置包括刚性支架1和柔性回收网3；刚性支架1为矩形金属框架，柔性回收网3铺设于刚性支架1上，用于与无人机的机腹固定件连接。

如图3所示的实施例中，机腹固定件为设置于无人机腹部的四爪锚钩；四爪锚钩为可转动结构，无人机降落过程中向下打开，非降落过程贴附于无人机的机腹部位。在实际实施过程中，机腹固定件的结构形式不仅仅局限于四爪锚钩这一种结构形式。四爪锚钩由一个舵机拖动，可以转动，降落过程中向下打开，非降落过程旋转90度贴在机腹部位。

在本发明的机腹固定件为四爪锚钩的实施例中，机腹固定件可旋转的连接于无人机的机腹部位，非降落过程中，机腹固定件贴附于无人机的机腹；降落过程中，机腹固定件向下旋转90展开。同时机腹固定件的四个爪也可以是可伸缩展开结构，当贴附时四个爪收缩聚拢，以减少体积。机腹固定件向下旋转90展开时，四个爪继续保持聚拢状态，直至机腹固定件的下端插进柔性回收网的网孔时，四个爪展开，实现无人机回收锁定即固定于支撑装置2上，同时四个爪的展开截面积应该大于柔性回收网的网孔面积，防止机腹固定件从网孔中脱出，四个爪展开之前即机腹固定件的下端的截面积应该小于柔性回收网的网孔面积，以便于机腹固定件顺利与柔性回收网配合对接。

通信设备用于无人机与承载车之间的信息传递，GPS模块6用于采集承载车的速度并通过通信设备传递给无人机，摄像模块5用于采集无人机的位置信息和姿态信息。

处理模块对承载车的速度、位置信息和姿态信息进行处理。在本发明的具体实施过程中，处理模块为回收系统控制器。

支撑装置2包括上台面、下台面和固定连接于上台面和下台面之间的多个支撑杆，支撑杆用于实现所述上台面的姿态调整。在具体实施过程中，多个支撑杆为长度可以伸缩变化的伺服电动缸；伺服电动缸中的伺服电机分别控制支撑杆伸缩至指定长度；支撑杆通过虎克铰与上台面和下台面固定连接。上台面和下台面均设置有姿态传感器4，上台面的姿态传感器4采集到的上台面的姿态信息与下台面的姿态传感器4采集到的车辆颠簸信息一起发送至回收系统控制器，回收系统控制器根据姿态信息和车辆颠簸信息确定每个支撑杆的期望伸缩长度并发送至伺服电机，用于控制上台面的姿态调整。

在本发明的具体实施过程中，支撑装置2采用了六自由度stewart并联机构。

六自由度stewart并联机构由上下圆形台面，6只可以独立控制伸缩长度的伺服电动缸，以及12只虎克铰组成，12只虎克铰又分为两组，分别用于连接6只电动缸和上下台面，每组6只虎克铰两两相邻成120度均匀分布在台面的圆周上。该六自由度并联机构的上台面相对于下台面可以在三维空间内的3轴平动和3轴转动。平动和转动是通过控制6个伺服电机带动的伸缩杆来实施的，当输入一个期望的位置和姿态，通过运动学解算可以算出每个伸缩杆的期望伸缩长度，期望伸缩长度信号发送给伺服电机执行。而上下姿态传感器可实时采集上下台面的姿态，当传感器采集到上台面的姿态偏离设定的姿态目标后，控制器会使用上下台面的姿态数据实时地计算期望的伸缩长度来控制上平台姿态稳定。

根据上述一种固定翼无人机回收系统，本发明还提供了一种固定翼无人机回收方法，如图4所示，为无人机的降落回收过程，承载车做匀速直线运动，无人机先从后上方追上承载车，到达承载车上方以后，无人机实时微调自身速度，保持与承载车位置同步即保持无人机位置在地面的投影与承载车重合，同时无人机缓慢下降高度，直至接触回收网。

回收过程具体包括：

步骤一、降落对准：无人机通过通信设备向承载车发送准备降落指令，承载车由静止加速至指定的降落对接速度，无人机飞到承载车上方并与承载车做同步运动，使得无人机与承载车的地面投影位置重合；此时，无人机的处于四爪锚钩贴附于无人机的机腹部位；

步骤二、降落回收：无人机与承载车继续保持同步运动；无人机打开四爪锚钩，无人机在保持与承载车同步运动的同时逐渐降落至四爪锚钩勾住柔性回收网3，无人机关闭发动机，承载车减速停止，完成无人机回收。

在降落对准与所述降落回收的过程中，支撑装置2的上台面的姿态信息与车辆颠簸信息确定支撑装置2的每个支撑杆的期望伸缩长度，并将期望伸缩长度实时发送至伺服电机，控制支撑杆的伸缩，保持上台面的姿态稳定。

六自由度并联机构的控制器采集两个姿态传感器的数据，经过计算以后可以得到六个支撑杆的伸缩长度，从而控制无论汽车如何颠簸，上平台可以保持姿态稳定。

当无人机与承载车处于同步运动时，摄像模块5实时采集无人机的位置信息和姿态信息，承载车根据位置信息和姿态信息对自身做机动调整，与无人机保持同步。

当无人机达到承载车的正上方，安装在无人上的摄像头可以实时计算出无人机相对于承载车坐标系的位置，此过程中如果承载车检测到无人机受到侧风影响有侧向位置偏差，承载车则根据无人机的位置误差做机动调整，主动承接无人机，防止无人机出现较大姿态变化，影响回收安全性。

本发明的一种固定翼无人机回收系统及方法，对跑道(道路)要求低，具有更强的适应性，不需要无人机具有滑跑功能，即省略无人机起落架部分，无人机可以携带更多燃料或者载荷，具有更强的飞行性能；可控制回收车减速快慢，对无人机来说，没有冲击力，因此不需要额外加强抗冲击能力；同时，可以显著缩短普通滑跑方式的滑跑距离；对于机动性较差的无人机(例如，大型长航时太阳能无人机为了追求极限航程，通常具有较差的操纵性)，地面车辆可以主动调整行驶路线，承接无人机；地面车辆或无人车底盘承载能力强，适用范围广，可以用于数十到数吨起飞重量的无人机回收。

以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种固定翼无人机回收方法，其特征在于，采用固定翼无人机回收系统实现，

其中，所述固定翼无人机回收系统包括：无人机的机腹固定件、无人机支撑系统、用于装载无人机支撑系统的承载车、通信设备以及装载于承载车上的GPS模块(6)、摄像模块(5)和处理模块；所述无人机支撑系统包括支撑装置(2)和回收装置；所述回收装置固定连接于所述支撑装置(2)的顶部；所述支撑装置(2)的底部与所述承载车的顶部固定连接；所述回收装置包括刚性支架(1)和柔性回收网(3)；所述刚性支架(1)为金属框架，所述柔性回收网(3)铺设于所述刚性支架(1)上，用于与无人机的机腹固定件配合对接；所述通信设备用于无人机与所述承载车之间的信息传递，所述GPS模块(6)用于采集所述承载车的速度并通过所述通信设备传递给无人机，所述摄像模块(5)用于采集无人机的位置信息和姿态信息；所述处理模块对所述承载车的速度、所述位置信息和所述姿态信息进行处理；所述机腹固定件为设置于无人机腹部的四爪锚钩；所述四爪锚钩为可转动结构，无人机降落过程中向下打开，非降落过程贴附于无人机的机腹部位；

所述固定翼无人机回收方法，包括：

步骤一、降落对准：无人机通过通信设备向承载车发送准备降落指令，承载车由静止加速至指定的降落对接速度，无人机飞到承载车上方并与承载车做同步运动，使得无人机与承载车的地面投影位置重合；此时，无人机的处于四爪锚钩贴附于无人机的机腹部位；

步骤二、降落回收：无人机与承载车继续保持同步运动；无人机打开所述四爪锚钩，无人机在保持与承载车同步运动的同时逐渐降落至所述四爪锚钩勾住所述柔性回收网(3)，无人机关闭发动机，承载车减速停止，完成无人机回收。

2.如权利要求1所述的固定翼无人机回收方法，其特征在于，在所述降落对准与所述降落回收的过程中，所述支撑装置(2)的上台面的姿态信息与车辆颠簸信息确定所述支撑装置(2)的每个支撑杆的期望伸缩长度，并将所述期望伸缩长度实时发送至伺服电机，控制所述支撑杆的伸缩，保持所述上台面的姿态稳定。

3.如权利要求1所述的固定翼无人机回收方法，其特征在于，当无人机与所述承载车处于同步运动时，所述摄像模块(5)实时采集无人机的位置信息和姿态信息，所述承载车根据所述位置信息和所述姿态信息对自身做机动调整，与无人机保持同步。

4.如权利要求1所述的固定翼无人机回收方法，其特征在于，其中，

所述支撑装置(2)包括上台面、下台面和固定连接于所述上台面和所述下台面之间的多个支撑杆；

所述上台面和所述下台面均设置有姿态传感器(4)，所述上台面的姿态传感器(4)采集到的上台面的姿态信息与所述下台面的姿态传感器(4)采集到的车辆颠簸信息一起发送至处理模块，所述处理模块根据所述姿态信息和所述车辆颠簸信息确定每个所述支撑杆的期望伸缩长度并发送至伺服电机，用于控制上台面的姿态调整。