CN114408203B - 一种固定翼无人机助推发射系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固定翼无人机助推发射系统及方法，通过在承载车上设置无人机支撑系统，实现车载无人机，通过承载车的自身运动为无人机提供起飞速度。承载车动力充足，可以帮助无人机迅速获得取初始速度，加快起飞过程。无人机支撑系统的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。同时，在发射无人机时，还能通过调整支撑杆的伸缩长度，实现对无人机发射角度的调整。
Description
技术领域
本发明涉及固定翼无人机发射技术领域，具体涉及一种固定翼无人机助推发射系统及方法。
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发射技术领域。
固定翼无人机的飞行原理使得其必须具有初始速度才能起飞，为了缩短起飞滑跑距离，或者摆脱对跑道的依赖，已经诞生了多种改进方式，如橡皮筋弹射器弹射、压缩气体弹射、航母电磁弹射、航母蒸汽弹射、火箭发动机助推弹射等手段。总体而言，这些改进措施都是为了帮助无人机快速积累初始动能(也或者可以说是初始速度)。
现有的方案例如航母甲板弹射适用于大型舰载机；橡皮筋弹射主要适用于5kg重量以内的小型无人机；压缩气体和火箭发动机弹射方式主要适用于50kg以内的无人机；而50kg以上的小型无人机目前还主要依靠滑跑的方式起飞。而弹射方式一般需要复杂的蓄能装置来完成弹射过程，具有一定的操作危险性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种固定翼无人机助推发射系统及方法，能够帮助无人机迅速获得取初始速度，加快起飞过程，且对地面条件复杂的路面或者跑道具有很好的适应性。
本发明的具体技术方案如下：
一种固定翼无人机助推发射系统，包括：无人机支撑系统和用于装载无人机支撑系统的承载车；
所述无人机支撑系统包括支撑装置、无人机固定支架和锁死机构；
所述无人机固定支架固定连接于所述支撑装置的顶部；所述锁死机构一端与无人机的机腹固定件配合对接，另一端与所述支撑装置的顶部固定连接；
所述支撑装置的底部与所述承载车的顶部固定连接；
所述承载车通过自身运动为固定在所述无人机支撑系统上的无人机提供起飞速度。
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。
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发射系统控制器，所述发射系统控制器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。
进一步地，所述支撑装置为六自由度stewart并联机构。
进一步地，所述锁死机构为设置有U型槽的长方体结构，所述U型槽与所述机腹固定件卡接固定。
进一步地，所述机腹固定件为固定环，所述锁死机构的一侧设置有舵机，所述舵机的转轴固定连接有摇臂，所述摇臂的一端固定连接有双头铰链，所述双头铰链的一端固定连接有插销，所述插销穿设于所述U型槽内，用于固定所述固定环；
所述转轴通过转动带动所述摇臂摆动，进而通过所述双头铰链带动所述插销往复抽插，实现对所述固定环的固定和释放。
一种固定翼无人机助推发射方法，其特征在于，包括：
步骤一、存储：无人机放置在所述无人机固定支架上，同时插销穿过固定环，实现无人机在所述无人机支撑系统上的固定，无人机与所述承载车均处于静止状态或者同步运动状态；
步骤二、加速：所述承载车做加速运动，无人机继续固定在所述无人机支撑系统上并与所述承载车保持同步运动状态；
步骤三、起飞：发射系统控制器检测到所述承载车的速度即无人机的速度达到起飞速度，舵机转动，带动所述插销由所述固定环拔出，无人机释放起飞。
进一步地，当无人机与所述承载车处于同步运动状态时，所述发射系统控制器实时根据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。
有益效果：
(1)一种固定翼无人机助推发射系统，通过在承载车上设置无人机支撑系统，实现车载无人机并通过承载车的自身运动为无人机提供起飞速度。承载车动力充足，可以帮助无人机迅速获得取初始速度，加快起飞过程。且承载车对于地面条件复杂的路面或者跑道具有更好的适应性，避免了无人机的轮胎直径非常小，无法适应复杂路面情况的问题。同时采用承载车为无人机提供起飞速度，避免了传统的无人机弹射器机械结构复杂的问题，同时避免了弹射器“蓄能”过程具有一定的危险性的问题。且承载车的加速度灵活可控，不会像传统的弹射器的飞快的弹射过程对无人机造成冲击力，一方面保护了无人机的结构，一方面降低了无人机的机械强度要求。
(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。同时，在发射无人机时，还能通过调整支撑杆的伸缩长度，实现对无人机发射角度的调整，提高本发明助推发射系统的功能和通用性。
(3)在一优选实施例中，锁死机构设置有舵机，舵机根据发射系统控制器的信息控制插销与固定环的固定和释放，提高了无人机发射的自动化程度，通过自动检测的方式，节省了人工成本。
附图说明
图1为本发明的一种固定翼无人机助推发射系统结构示意图。
图2为图1中助推发射系统的无人机支撑系统结构示意图。
图3为无人机固定于助推发射系统的位置关系示意图。
图4为固定环与锁死机构的结构示意图。
图5为无人机助推起飞过程示意图。
图6为图1中助推发射系统的信号传递控制过程示意图。
其中，1-无人机固定支架，2-支撑装置，3-姿态传感器，4-舵机，5-转轴，6-双头铰链，7-插销，8-U型槽，9-固定环，10-摇臂。
具体实施方式
一种固定翼无人机助推发射系统及方法，通过在承载车上设置无人机支撑系统，实现车载无人机，通过承载车的自身运动为无人机提供起飞速度。承载车动力充足，可以帮助无人机迅速获得取初始速度，加快起飞过程。无人机支撑系统的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。同时，在发射无人机时，还能通过调整支撑杆的伸缩长度，实现对无人机发射角度的调整。
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种固定翼无人机助推发射系统，如图1所示，包括：无人机支撑系统和用于装载无人机支撑系统的承载车。
如图1所示，无人机支撑系统包括支撑装置2、无人机固定支架1和锁死机构。
无人机固定支架1固定连接于支撑装置2的顶部；锁死机构一端与无人机的机腹固定件固定连接，另一端与支撑装置2的顶部固定连接；支撑装置2的底部与承载车的顶部固定连接。
如图2所示，上台面上方固连一个组根据不同无人机机体形状定制的无人机固定支架1，在静止和加速过程中，无人机需要“停靠在固定支架上”，在图2中，使用两个弧形支架示意。如图3所示，为无人机停靠在固定支架上。
承载车通过自身运动为固定在无人机支撑系统上的无人机提供起飞速度。
在一具体实施例中，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。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。在实际操作过程中，支撑装置2的结构形式不仅仅局限于上述一种结构，只要能够起到支撑无人机的作用即可，例如停放平台等，当然支撑杆的数量和与上、下台面的连接方式也不局限于上述一种情况。
在一具体实施例中，上台面和下台面均设置有姿态传感器3，上台面的姿态传感器3采集到的上台面的姿态信息与下台面的姿态传感器3采集到的车辆颠簸信息一起发送至发射系统控制器，发射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。本发明通过姿态传感器的设计控制支撑杆的伸缩，实现上台面的转动和平动，通过维持上台面的姿态平稳，从而维持无人机的姿态平稳，达到减振的效果。同时还能够通过支撑杆的伸缩，调整上台面的角度从而调整无人机的发射角度，最终为无人机提供更好的发射速度和发射姿态。在实际操作过程中，支撑结构达到减振效果和角度调整效果的结构形式和实现方式不仅仅局限于这一种，比如还可以通过具有减振功能的升降台实现。
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。
在一具体实施例中，锁死机构为设置有U型槽8的长方体结构，如图4所示，U型槽8与机腹固定件卡接固定。
如图4所示，机腹固定件为固定环9，锁死机构的一侧设置有舵机4，舵机4的转轴5固定连接有摇臂10，摇臂10的一端固定连接有双头铰链6，双头铰链6的一端固定连接有插销7，插销7穿设于U型槽8内，用于实现固定环9的锁死固定。转轴5通过转动带动摇臂10摆动，进而通过双头铰链6带动插销7往复抽插，实现对固定环9的固定和释放。在实际操作过程中，锁死机构和机腹固定件的结构形式不仅仅局限于这一种，只要能够实现固定锁死即可，比如机腹固定件可以为卡接柱，锁死机构可以为卡接槽等。
舵机的输出是一个转动量，在转轴上固定一个摇臂，摇臂可以绕转动轴往复摆动；而插销需要在固定锁死机构的插销孔里做往复式直线运动，由于摆动和直线运动存在运动耦合关系，因此需要通过三连杆传动机构实现解耦合即插销、双头铰链和舵机的摇臂组成的三连杆传动机构。三者之间两两铰接，两个铰接轴平行，从而可以将摇臂的往摆动转换成插销在插销孔里面的往复式直线运动，以此实现舵机拖动插销运动。
本发明的具体实施例中，采用的舵机根据发射系统控制器的信息控制插销与固定环的固定和释放，提高了无人机发射的自动化程度，通过自动检测的方式，节省了人工成本。且舵机便于控制，可以更简单高效地完成锁死和释放工作。采用三连杆传动机构既符合舵机的特点，同时也简化了传动过程，提高了传动效率，使用三连杆传动机构的灵活性更强，传动效果更好，且体积小，不会增大锁死机构的体积，在一定程度上减少了承载车的负载，简化了结构方案。
本发明提供的一种固定翼无人机助推发射系统中，承载车上还装有GPS模块，可以用于采集车辆速度即加速过程中无人机的速度。
根据上述的一种固定翼无人机助推发射系统，本发明还提供了一种固定翼无人机助推发射方法，包括：
步骤一、存储：无人机放置在无人机固定支架1上，同时插销7穿过固定环9，实现无人机在无人机支撑系统上的固定，无人机与承载车均处于静止状态或者同步运动状态。
此时，无人机放置到圆弧形状的无人机固定支架1上，机身上的固定环9放置到锁死装置内，固定环9的孔心对准锁死插销7的轴心，舵机4转动，通过三连杆机构，推动插销7，使插销7穿过固定环9和锁死装置的U型槽8的一个侧板，此时，由于固定环9被锁死装置锁死，无人机跟承载车只能同步运动或者均处于静止。
步骤二、加速：承载车做加速运动，无人机继续固定在无人机支撑系统上并与承载车保持同步运动状态。
如图6所示，是本发明的发射系统中，信号控制传递原理。汽车开始加速，发射系统控制器采集汽车的GPS速度和两个姿态传感器3的数据，经过计算以后可以得到六个支撑杆的伸缩长度，从而控制无论承载车如何颠簸，无人机支撑系统都可以保持姿态稳定。
步骤三、起飞：发射系统控制器检测到承载车的速度即无人机的速度达到起飞速度，舵机4转动，带动插销7由固定环9拔出，无人机释放起飞。
当发射系统控制器检测到已经达到要求的起飞速度，控制舵机4向拔出插销7的方向转动，通过三连杆传动关系，拔出插销7，释放无人机，完成助推起飞过程。如图5所示，为无人机加速起飞过程。
当无人机与承载车处于同步运动状态时，发射系统控制器实时根据支撑装置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。
本发明的承载车不限于皮卡车，包括货车，面包车，suv等，或者无人车底盘等。
本发明提供了一种固定翼无人机助推发射系统及方法，相对于起飞重量小于200kg的小型固定翼无人机的加速性能，地面车辆动力充足，可以帮助小型无人机迅速获得取初始速度，加快起飞过程；对于地面条件复杂的路面或者跑道，汽车具有更好的适应性，而小型无人机的轮胎直径非常小，对于路面具有弱的适应性；对于高空长航时的太阳能动力无人机来说，其动力性能很差，如果仅仅依靠自身动力起飞，速度积累非常慢，因此将需要非常长的滑跑距离，使用本系统也将大大加快起飞过程；本发明使用一种六自由度并联机构，当路况不好时，车辆会出现颠簸的情况，剧烈的颠簸将造成无人机的机械损伤，因此，需要做必要的“隔振”措施；而六自由度平台一直以来被用作“飞行仿真模拟器”来培养飞行员，具有良好的伺服性能和动态性能，通过伺服控制，可以解决以上问题。
其他的弹射器方法一方面需要复杂的机械结构，另一方面需要“蓄能”过程，例如将空气压缩到气罐中形成高压，然后瞬间释放，压缩空气推动活塞运动，活塞牵引无人机获得加速度，高压的压缩气体具有一定的危险性，其他类的的火箭发动机、橡皮筋也是类似的原理。另外值得注意的是，汽车的加速度是可控的，通过控制汽车的油门踏板可以获得一个平稳的加速过程，而弹射是的过程是非常快的，相当于一个非常大的“冲击力”，因此对无人机的机械强度具有极高的要求，本发明不存在这个问题。
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 (7)
1.一种固定翼无人机助推发射系统，其特征在于，包括：无人机支撑系统和用于装载无人机支撑系统的承载车；
所述无人机支撑系统包括支撑装置(2)、无人机固定支架(1)和锁死机构；
所述无人机固定支架(1)固定连接于所述支撑装置(2)的顶部；所述锁死机构一端与无人机的机腹固定件配合对接，另一端与所述支撑装置(2)的顶部固定连接；
所述支撑装置(2)的底部与所述承载车的顶部固定连接；
所述承载车通过自身运动为固定在所述无人机支撑系统上的无人机提供起飞速度；
所述锁死机构为设置有U型槽(8)的长方体结构，所述U型槽(8)与所述机腹固定件卡接固定；
所述机腹固定件为固定环(9)，所述锁死机构的一侧设置有舵机(4)，所述舵机(4)的转轴(5)固定连接有摇臂(10)，所述摇臂(10)的一端固定连接有双头铰链(6)，所述双头铰链(6)的一端固定连接有插销(7)，所述插销(7)穿设于所述U型槽(8)内，用于固定所述固定环(9)；所述转轴(5)通过转动带动所述摇臂(10)摆动，进而通过所述双头铰链(6)带动所述插销(7)往复抽插，实现对所述固定环(9)的固定和释放。
2.如权利要求1所述的固定翼无人机助推发射系统，其特征在于，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。
3.如权利要求2所述的固定翼无人机助推发射系统，其特征在于，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。
4.如权利要求3所述的固定翼无人机助推发射系统，其特征在于，所述上台面和所述下台面均设置有姿态传感器(3)，所述上台面的姿态传感器(3)采集到的上台面的姿态信息与所述下台面的姿态传感器(3)采集到的车辆颠簸信息一起发送至发射系统控制器，所述发射系统控制器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。
5.如权利要求4所述的固定翼无人机助推发射系统，其特征在于，所述支撑装置(2)为六自由度stewart并联机构。
6.一种采用如权利要求1-5任一所述的固定翼无人机助推发射系统的固定翼无人机助推发射方法，其特征在于，包括：
步骤一、存储：无人机放置在所述无人机固定支架(1)上，同时插销(7)穿过固定环(9)，实现无人机在所述无人机支撑系统上的固定，无人机与所述承载车均处于静止状态或者同步运动状态；
步骤二、加速：所述承载车做加速运动，无人机继续固定在所述无人机支撑系统上并与所述承载车保持同步运动状态；
步骤三、起飞：发射系统控制器检测到所述承载车的速度即无人机的速度达到起飞速度，舵机(4)转动，带动所述插销(7)由所述固定环(9)拔出，无人机释放起飞。
7.如权利要求6所述的固定翼无人机助推发射方法，其特征在于，当无人机与所述承载车处于同步运动状态时，所述发射系统控制器实时根据所述支撑装置(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。
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