CN114802759A - 无人机投弹测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无人机投弹测试系统，采用无人机挂载投弹装置来进行载弹与投弹，采用地面监测雷达来测量弹体的下落弹道，采用无线传输技术使地面人员监控系统状态。本发明采用竖直式投放筒携带弹体以保证弹体下落初始状态，采用直线伺服电机实现载弹与投弹；采用遥控正反开关控制直线伺服电机的伸出与缩回；采用3‑6个拉杆来承受主要载荷；采用旋转机构来使投弹装置转动至水平，方便装弹；所述投弹装置可作为模块化使用。使用本发明进行投弹测试，可以较为方便地打击目标和研究弹体的末端弹道性能。

Description

无人机投弹测试系统
技术领域
本发明涉及无人机技术，具体涉及一种无人机投弹测试系统。
背景技术
弹药在研发过程中需要对其各个性能参数进行大量实验，其中对弹药的末端弹道性能研究尤其重要，这与弹药的命中率息息相关。在测试弹药性能时，通常通过炮射和高塔投放来模拟其末端弹道，但其需要耗费较大的人力物力财力；随着智能灵巧弹药的发展，对其飞行动力学与电子模块的研究必不可少，此类研究试验通常不含有火工品，因此需要摆脱炮射的方式，而高塔试验局限性较大，利用无人机投弹成为一种较为方便的试验方式。
中国专利201911035358.7中公开了《一种无人机投弹装置》，其利用连接板和挂弹装置将功能弹连接在无人机下方，通过解锁块和弹簧组件实现投弹释放。但其载弹方式为水平载弹，且需要在弹体上附加挂钩装置，而大多数攻顶弹药的末端弹道均为竖直姿态，此种投弹方式的投弹初始姿态无法保证，并且改变弹体外形会对其性能产生较大影响。
中国专利201910528087.2中公开了一种《投弹装置及消防救灾无人机》，其使用储弹筒和限位机构进行装载和投放灭火弹，其投弹装置与无人机固定连接且可以装载多个灭火弹。但由于其投弹装置的固定，只能竖直装弹，不适用于质量较大的弹药，而且在依次投放多个弹药时会对无人机产生较大的偏重，从而产生安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人机投弹测试系统，用于模拟和研究弹药的末端弹道特性，使试验研究和使用更加方便。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种无人机投弹测试系统，包括无人机、投弹装置、弹体、地面监测雷达、地面监控站、无线收发系统。
所述投弹装置与无人机连接，用于投放弹体。
所述地面监测雷达用于测量弹体下落过程中的弹道，其测量出的物体观测距离、方位角和沿观测方向的物体径向速度，通过计算公式可以得出弹体下落弹道中相对地面的位置与速度。
所述地面监控站配有无线收发装系统，可以控制无人机飞行、监控无人机状态信息、控制投弹装置装弹与投弹、配合地面监测雷达处理数据、获取并处理弹体的下落弹道。
所述投弹装置，包括连接板、上板、投放筒、电源、遥控正反开关、遥控接收天线、下板、遥控器，以及若干垫块、若干合页、若干卡销、若干拉杆、若干直线伺服电机。
所述连接板与无人机底部固定连接，并通过若干合页与上板连接，使连接板和上板可以相对转动，所述连接板上装有至少一个可以旋转的卡销，用于固定上板，每个合页配有一个垫块，用于匹配上板的厚度。
所述投放筒置于上板与下板之间并固定连接，其周围设有若干拉杆用来承受弹体的主要重力。
所述下板上固定有若干直线伺服电机，其伸缩杆在伸出时可以托住弹体，缩回时可以离开投放筒下方区域使弹体顺利下落，直线伺服电机内部设有限位装置，防止持续供电造成损坏。
所述遥控正反开关可以转换输出的正负极，在给直线伺服电机供电时通过转换正负极来实现其伸出和缩回动作，并配有遥控接收天线用于远距离信号传输。
所述电源用于给遥控装置和直线伺服电机供电。
所述遥控器用于控制遥控正反开关的输出正负极转换，在地面装弹时使用遥控器来控制直线伺服电机载弹，在无人机升空后地面人员使用遥控器控制投弹。
所述投弹装置有竖直状态和水平状态，通过若干合页和卡销来实现旋转和固定，装弹时将投弹装置旋转至水平，将弹体放入投放筒并控制直线伺服电机的伸缩杆伸出，载弹时将投弹装置旋转至竖直并旋转卡销进行固定，投弹时将无人机升空至指定位置，地面人员利用遥控器控制投弹。
所述投弹装置可以模块化使用或与无人机系统集成，所述电源可以使用无人机电池代替，所述遥控正反开关和遥控接收天线可以与无人机内部集成，所述遥控器可以与无人机控制器集成。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明采用竖直式投放筒携带弹体并保证投弹初始姿态，采用直线伺服电机实现载弹与投弹，可以较好地适用于所投弹体外形。
(2)本发明采用遥控正反开关控制直线伺服电机，并配有遥控接收天线，有利于地面人员远距离控制投弹。
(3)本发明投弹装置中的遥控正反开关、遥控接收天线和电源可以和无人机系统集成，方便操作与控制。
(4)本发明采用若干拉杆来承受弹体的主要重量，可以保证投弹装置的强度以及减轻投弹装置的重量。
(5)本发明采用旋转机构来使投弹装置转动至水平，方便装弹。
(6)本发明利用地面监测雷达和弹载记录系统来测量弹体的下落弹道，可以更好的保证测量准确性。
(7)本发明无需在弹体上附加挂弹结构，使用本发明进行投弹，可以较为方便地研究弹的末端弹道性能以及进行目标打击。
附图说明
图1为本发明无人机投弹测试系统组成图。
图2为本发明投弹装置安装示意图。
图3为本发明投弹装置装弹示意图。
图4为本发明投弹装置组成图。
图5为本发明投弹装置载弹状态图。
图6为本发明投弹装置投弹状态图。
图7为本发明投弹装置转动示意图。
图8为本发明投弹装置卡销关闭状态图。
图9为本发明投弹装置卡销打开状态图。
以上图中：1-无人机，2-投弹装置，3-弹体，4-地面监测雷达，5-地面监控站，6-无线收发系统，201-连接板，202-上板，203-垫块，204-合页，205-卡销，206-投放筒，207-拉杆，208-电源，209-遥控正反开关，210-遥控接收天线，211-下板，212-直线伺服电机，213-遥控器。
图10为弹体下落弹道速度-高度曲线图。
图11为弹体下落过程图。
图12为无环境风影响时弹体对地面目标的稳态扫描线。
图13为有环境风影响时弹体对地面目标的稳态扫描线，阴影块表示地面目标。
以上图中：H-弹体高度，V-弹体下落速度，A-弹体下落初始位置，B-稳态扫描时弹体位置，Ω-稳态扫描区域，O-稳态扫描区域中心位置，O1-起始状态稳态扫描区域中心，O2-偏移后的稳态扫描区域中心，α-弹体扫描角，Ⅰ-稳态扫描前阶段，Ⅱ-稳态扫描阶段，L1-弹体垂直下落时扫描线距离，L2-由横风引起的扫描线距离，L3-目标的最小特征长度，L4-一个扫描周期内目标的最大移动距离，Vf-环境风风速，Vm-目标移动速度，P0-弹体被投放时的位置，Om-打击区域中心位置。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图和工作原理，对本发明无人机投弹测试系统做进一步详细说明。
如图1所示，本发明所述的无人机投弹测试系统，包括无人机1、投弹装置2、弹体3、地面监测雷达4、地面监控站5、无线收发系统6。
所述投弹装置2与无人机1连接，用于投放弹体3；
所述地面监测雷达4用于测量弹体3下落过程中的弹道，其测量出的物体观测距离、方位角和沿观测方向的物体径向速度，通过计算公式可以得出弹体下落弹道中相对地面的位置与速度；
所述地面监控站5配有无线收发装系统6，可以控制无人机1飞行、监控无人机状态信息、控制投弹装置2装弹与投弹、配合地面监测雷达4处理数据、获取并处理弹体2的下落弹道。
结合图2～图9，本发明投弹装置包括连接板201、上板202、投放筒206、电源208、遥控正反开关209、遥控接收天线210、下板211、遥控器213，以及若干垫块203、若干合页204、若干卡销205、若干拉杆207、若干直线伺服电机212。
所述连接板201与无人机1底部固定连接，并通过若干合页204与上板202连接，使连接板201和上板202可以相对转动，所述连接板201上装有至少一个可以旋转的卡销205，用于固定上板202，每个合页204配有一个垫块203，用于匹配上板202的厚度。
所述投放筒206置于上板202与下板211之间并固定连接，其周围设有若干拉杆207用来承受弹体的主要重力。
所述下板211上固定有若干直线伺服电机212，其伸缩杆在伸出时可以托住弹体3，缩回时可以离开投放筒206下方区域使弹体3顺利下落，直线伺服电机212内部设有限位装置，防止持续供电造成损坏。
所述遥控正反开关209可以转换输出的正负极，在给直线伺服电机212供电时通过转换正负极来实现其伸出和缩回动作，并配有遥控接收天线210用于远距离信号传输。
所述电源208用于给遥控装置和直线伺服电机212供电。
所述遥控器213用于控制遥控正反开关209的输出正负极转换，在地面装弹时使用遥控器213来控制直线伺服电机212载弹，在无人机升空后地面人员使用遥控器213控制投弹。
所述投弹装置2有竖直状态和水平状态，通过若干合页204和卡销205来实现旋转和固定，装弹时将投弹装置2旋转至水平，将弹体3放入投放筒206并控制直线伺服电机212的伸缩杆伸出，载弹时将投弹装置2旋转至竖直并旋转卡销205进行固定，投弹时将无人机1升空至指定位置，地面人员利用遥控器213控制投弹。
所述投弹装置2可以模块化使用或与无人机系统集成，所述电源208可以使用无人机1电池代替，所述遥控正反开关209和遥控接收天线210可以与无人机内部集成，所述遥控器213可以与无人机控制器集成。
结合图10-11，本发明中弹体的下落过程包括稳态扫描前阶段Ⅰ和稳态扫描阶段Ⅱ，在稳态扫描前阶段Ⅰ，弹体3在A点被释放，做近似自由落体运动，在速度达到最大后，弹体做急剧减速运动并开始自旋，在B点时弹体进入稳态扫描阶段Ⅱ，弹体的下落速度和自转速度保持稳定，扫描角为α，扫描中心为O，扫描区域为Ω，弹体在下落过程中满足以下公式：
Figure BDA0003636088370000051
Figure BDA0003636088370000052
Figure BDA0003636088370000053
上述式中：m为弹体质量(跟随弹体状态变化)，VDx、VDy、VDh分别为弹体在笛卡尔坐标系OXYH中的速度分量，Vfx、Vfy、Vfh分别为环境风速在笛卡尔坐标系OXYH中的分量，Cx、Cy、Ch分别表示弹体沿三个坐标轴的空气阻力系数，Sx、Sy、Sh分别表示弹体沿三个坐标轴的迎风面积，ρ为空气密度，t表示时间，g表示重力加速度。
弹体在下落过程中，考虑受到环境风风速Vf以及地面目标移动速度Vm的影响，扫描轨迹及目标位置将不再像图12中所示的理想状态，而是会像图13中所示，随着弹体的下落，稳态扫描区域中心O将会由起始状态稳态扫描区域中心O1向偏移后的稳态扫描区域中心O2偏移，弹体在稳态扫描阶段的扫描轨迹满足以下公式：
Figure BDA0003636088370000061
Figure BDA0003636088370000062
上述式中：(x，y)表示扫描线在地面坐标系OXY中的位置，XD0、YD0、HD0分别表示弹体在刚进入稳态扫描阶段时刻的初始位置，α表示扫描角，ω表示弹体自转角速度。
所述扫描角为弹体轴线与垂直线之间的夹角。
在弹体下落的时间段内，目标会产生一定的移动距离，为使扫描轨迹不遗漏目标，还应满足以下公式：
L1+L2<L3-L4 (式6)
Figure BDA0003636088370000063
L1＝(VDh·T)·tanα (式8)
Figure BDA0003636088370000064
L4＝Vm·T (式10)
式中：T为弹体自转周期，Vm表示目标移动速度，L1表示在一个周期内扫描线的间距，L2表示在一个周期内由横风引起的扫描线水平移动距离，L3表示目标的最小特征长度，L4表示在一个扫描周期内目标的最大移动距离。

Claims (7)

1.一种无人机投弹测试系统，其特征在于：包括无人机(1)、投弹装置(2)、弹体(3)、地面监测雷达(4)、地面监控站(5)、无线收发系统(6)；
所述投弹装置(2)与无人机(1)连接，用于投放弹体(3)；
所述地面监测雷达(4)用于测量弹体(3)下落过程中的弹道，其测量出的物体观测距离、方位角和沿观测方向的物体径向速度，进而得到弹体下落弹道中相对地面的位置与速度；
所述地面监控站(5)配有无线收发装系统(6)，用于控制无人机(1)的飞行、监控无人机状态信息、控制投弹装置(2)装弹与投弹、配合地面监测雷达(4)处理数据、获取并处理弹体(2)的下落弹道。
2.根据权利要求1所述的无人机投弹测试系统，其特征在于：投弹装置包括连接板(201)、上板(202)、投放筒(206)、电源(208)、遥控正反开关(209)、遥控接收天线(210)、下板(211)、遥控器(213)、若干垫块(203)、若干合页(204)、若干卡销(205)、若干拉杆(207)、若干直线伺服电机(212)；
所述连接板(201)顶面与无人机(1)底部固连，连接板(201)一侧通过若干合页(204)与上板(202)实现转动连接，所述连接板(201)上装有1-3个能够旋转的卡销(205)，用于固定上板(202)，每个合页(204)配有一个垫块(203)，用于匹配上板(202)的厚度；
所述投放筒(206)置于上板(202)与下板(211)之间并固定连接，其周围设有3-6个拉杆(207)用来承受弹体的主要重力；
所述下板(211)上固定有若干直线伺服电机(212)，其伸缩杆在伸出时托住弹体(3)，缩回时离开投放筒(206)下方区域使弹体(3)顺利下落；
所述遥控正反开关(209)用于转换其输出的正负极，在给直线伺服电机(212)供电时通过转换正负极来实现其伸出和缩回动作，并配有遥控接收天线(210)用于远距离信号传输；
所述电源(208)用于给遥控正反开关(209)、遥控接收天线(210)和直线伺服电机(212)供电；
所述遥控器(213)用于控制遥控正反开关(209)的输出正负极转换，在地面装弹时使用遥控器(213)来控制直线伺服电机(212)载弹，在无人机升空后地面人员使用遥控器(213)控制投弹。
3.根据权利要求2所述的无人机投弹测试系统，其特征在于：所述投弹装置(2)存在竖直状态和水平状态，通过若干合页(204)和卡销(205)来实现旋转和固定，装弹时将投弹装置(2)旋转至水平状态，将弹体(3)放入投放筒(206)并控制直线伺服电机(212)的伸缩杆伸出，载弹时将投弹装置(2)旋转至竖直状态并旋转卡销(205)进行固定，投弹时将无人机(1)升空至指定位置，地面人员利用遥控器(213)控制投弹。
4.根据权利要求3所述的无人机投弹测试系统，其特征在于：所述投弹装置(2)通过模块化使用或与无人机系统集成。
5.根据权利要求4所述的无人机投弹测试系统，其特征在于：所述电源(208)使用无人机(1)电池代替，所述遥控正反开关(209)和遥控接收天线(210)能够与无人机内部集成，遥控器(213)能够与无人机控制器集成。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的无人机投弹测试系统，其特征在于：弹体(3)的下落过程包括稳态扫描前阶段I和稳态扫描阶段II，弹体在下落过程中满足以下公式：
Figure FDA0003636088360000021
Figure FDA0003636088360000022
Figure FDA0003636088360000023
上述式中：m为弹体质量，VDx、VDy、VDh分别为弹体在笛卡尔坐标系OXYH中的速度分量，Vfx、Vfy、Vfh分别为环境风速在笛卡尔坐标系OXYH中的分量，Cx、Cy、Ch分别表示弹体沿三个坐标轴的空气阻力系数，Sx、Sy、Sh分别表示弹体沿三个坐标轴的迎风面积，p为空气密度，t表示时间，g表示重力加速度；
弹体在稳态扫描阶段的扫描轨迹满足以下公式：
Figure FDA0003636088360000024
Figure FDA0003636088360000025
上述式中：(x，y)表示扫描线在地面坐标系OXY中的位置，XD0、YD0、HD0分别表示弹体在刚进入稳态扫描阶段时刻的初始位置，α表示扫描角，ω表示弹体自转角速度；
为使扫描轨迹不遗漏目标，还应满足以下公式：
L1+L2＜L3-L4 (式6)
Figure FDA0003636088360000031
L1＝(VDh·T)·tanα (式8)
Figure FDA0003636088360000032
L4＝Vm·T (式10)
式中：T为弹体自转周期，Vm表示目标移动速度，L1表示在一个周期内扫描线的间距，L2表示在一个周期内由横风引起的扫描线水平移动距离，L3表示目标的最小特征长度，L4表示在一个周期内目标的最大移动距离。
7.根据权利要求6所述的无人机投弹测试系统，其特征在于：所述扫描角为弹体轴线与垂直线之间的夹角。
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