CN115432199B - 一种无人机拦阻系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机拦阻系统及其工作方法，涉及航空航天技术的技术领域。由控制系统自主控制，且拦阻系统会回收部分无人机动能转化为电能，反补无人机拦阻系统的需求。所述无人机拦阻系统包括耗能系统、能量回收系统、传动系统和控制系统，所述耗能系统连接无人机回收系统中的拦阻索；所述能量回收系统包括离合器、飞轮蓄能器、发电机以及超级电容。该拦阻系统加入了主动控制技术，可以在无人机拦阻过程中实时控制拦阻力，使拦阻力变化更加平缓，改善拦阻中后期拦阻力下降的问题，提高拦阻效率。

Description

一种无人机拦阻系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术的技术领域，为6000kg~10000kg中大型无人机提供短距离低过载的平稳拦停功能与能量回收功能。

背景技术

在未来战争形态中，以无人机技术为基础的蜂群、僚机和协同作战技术将会成为战争冲突中取得胜利的关键。无人机协同作战需要将功能分散化，在空域内布置多种类多型号的无人机节点，形成信息网络，实现作战系统的去中心化，扩大信息优势，其中，维持无人机节点，补充损耗持续制空是信息网络得以维持的基本条件，维持无人机节点的基本途径是无人机的循环作业，修复损耗，及时补充损坏节点。循环作业的重要步骤是迅速回收无人机，然而无人机功能分散化导致无人机节点种类多样，质量不同，如何有效安全回收多种类、多质量无人机成为了重要的研究方向。而起降技术作为无人机技术的重要组成部分，必然同样要对未来的无人机进行适配，地基、空基和海基平台需要携带和释放大量无人机，空间非常有限，随之而来的是无人机如何于各种母巢平台安全起降的问题，以及在各种平台能源供给有限的条件下，合理利用能源的问题。

针对以上但不限于以上的场合，我国很少有相关产品出现，为了解决相关需求和问题，设计本产品。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种基于磁流变技术和能量回收技术的无人机拦阻系统，可以在无人机受拦阻过载较小的前提下，明显缩短无人机降落距离，且不局限于一种无人机，在拦阻系统结构参数不改变的条件下，满足一定质量范围内的无人机短距降落需求，且不需要人为选择适用于该重量的无人机的系统参数，而是由控制系统自主控制，且拦阻系统会回收部分无人机动能转化为电能，反补无人机拦阻系统的需求。在多型号无人机协同作战益重要的当下，该系统及其控制方法提高了无人机群的回收效率，节约了系统制造成本，减少人力资源投入，提高系统自动化程度，保障无人机降落安全，节约了起降平台能源。

本发明的技术方案为：所述无人机拦阻系统包括耗能系统100、能量回收系统200、传动系统300和控制系统400，所述耗能系统100连接无人机回收系统中的拦阻索；

所述耗能系统100包括机架、固定连接在机架上的定滑轮支架以及滑动连接在机架上的动滑轮支架，所述定滑轮支架中安装有定滑轮106，所述动滑轮支架中安装有动滑轮101，所述拦阻索依次绕过动滑轮101以及定滑轮106；在定滑轮支架和动滑轮支架之间设有主缓冲器103，所述主缓冲器103为磁流变阻尼器；

所述能量回收系统200包括离合器201、飞轮蓄能器202、发电机203以及超级电容204，所述定滑轮106、离合器201、飞轮蓄能器202同轴设置，所述离合器201的一端固定连接定滑轮106的转轴，并且另一端固定连接飞轮蓄能器202的转轴，所述飞轮蓄能器202和发电机203保持联动，并且发电机203的输出连接超级电容204；

所述飞轮蓄能器202的转轴的一段固定连接所述离合器201，并且另一端通过皮带与发电机203的转轴相连接；通过超级电容给控制系统以及耗能系统供电；

所述传动系统300包括换向滑轮和滑轮缓冲器，所述换向滑轮安装在甲板上，而滑轮缓冲器安装在甲板下，滑轮缓冲器铰接缓冲滑轮，经过换向滑轮将拦阻索由甲板上方引导至缓冲滑轮，经过缓冲滑轮后引导至耗能系统100后缠绕于耗能系统100的动滑轮和定滑轮上；使得滑轮可以做绕铰支座轴线的旋转运动和沿缓冲器轴线的平移运动；

所述控制系统连接主缓冲器、离合器、各个加速度传感器以及各个液控阀门；

在换向滑轮上设有加速度传感器，通过换向滑轮的角加速度计算线加速度，并传回至控制系统，用于控制主缓冲器103；与离合器201相连的定滑轮上也设有加速度传感器，将角加速度传回控制系统后，用于控制离合器201通断。

实际使用时，拦阻的过程中，通过无人机尾部的拦阻钩，钩挂拦阻索，牵拉拦阻索实现缓冲拦停。拦阻的过程中，可通过主缓冲器消耗无人机动能，并且通过能量回收系统中的发电机将动能转化为电能储存在超级电容中，实现能量回收，而在拦阻结束后，则通过蓄能作动器进行复位，并通过冷却器对主缓冲器中的磁流变阻尼液进行冷却。

进一步的，所述耗能系统100还包括蓄能作动器104以及固定安装在机架上的冷却器102、蓄能气瓶105，所述蓄能作动器104与主缓冲器103并列设置，并且其两端也分别连接定滑轮支架和动滑轮支架；

所述蓄能作动器104与蓄能气瓶105通过液控单向阀相连；所述主缓冲器103的两端则分别通过两个液控单向阀与冷却器102的两端相连；所有的液控单向阀均连接所述控制系统。

进一步的，所述主缓冲器103为剪切阀式结构，所述主缓冲器103包含活塞1032、外筒1033以及活塞杆导轨1034；所述活塞1032滑动连接在外筒1033的腔体中，并且活塞1032上固定连接有伸出外筒1033的活塞杆；所述外筒1033固定连接所述定滑轮支架，所述活塞杆则固定连接动滑轮支架；

在活塞1032的外壁上开设有凹陷，凹陷处缠绕线圈1031，线圈外径与活塞外径相同，所述活塞杆呈中空状，所述线圈1031的导线由中空的活塞杆内走线，连接至控制系统；

所述活塞杆导轨1034与活塞杆平行设置，所述活塞杆导轨1034的一端与动滑轮支架固定相连，并且另一端设有套装在外筒1033上的滑动套环，使得活塞杆沿活塞导轨仅能做滑移运动，运动方向与活塞运动方向相同；

在所述外筒1033的内部填充有磁流变阻尼液。

当所述拦阻系统处于拦阻状态时，设置于换向滑轮上的加速度将检测滑轮的角加速度，并换算为滑轮线加速度，进而推测拦阻索被拉伸的长度，通过三角形斜边和底边推测此时拦阻索与初始状态夹角，并通过拦阻索线加速度推测无人机加速度；所述控制系统将根据无人机加速度调整主缓冲器中线圈的电流，改变外筒与活塞流道间隙的磁场强度，进而改变磁流变液剪切强度改变拦阻力。

所述控制系统将基于控制算法，实时调整所述拦阻力，控制无人机峰值加速度小于40m/s²，使加速度维持在10~20m/s²的设定范围内，直至无人机停止；相比于不加控制的拦阻方式，添加控制的拦阻方式无人机峰值加速度绝对值下降23%，拦阻时间缩短3%，拦阻距离缩短9%。

上述控制方法在6000kg至10000kg不同质量无人机挂索时，通过推测无人机加速度，控制拦阻力实现无人机减速过程，而非根据无人机质量控制拦阻力，因此在拦阻系统所适应的质量范围内的无人机进行拦阻时，都可以通过上述控制过程实现拦停。

当无人机挂索过程开始时，控制系统控制连接主缓冲器的两个液控单向阀关闭，阻止阻尼液从外筒出入，使外筒建立封闭环境，当主缓冲器被压缩时，阻尼液仅能经由活塞与外筒的间隙从一侧流往另一侧；并且控制系统控制连接蓄能作动器的液控单向阀单向打开，使得蓄能作动器中的气体仅能从蓄能作动器进入蓄能气瓶中。

当设置于所述定滑轮上的加速度传感器检测到角加速度为正时，即角速度绝对值呈现增长状态时，控制离合器处于闭合状态，此时定滑轮将通过离合器带动飞轮蓄能器旋转，使飞轮蓄能器与定滑轮速度相同；当加速度传感器检测滑轮角加速度为负，即定滑轮速度处于下降状态时，控制离合器断开，所述飞轮蓄能器将进行空转，仅带动发电机转动，发电机产生的电能通过电路储存至超级电容内。

当无人机成功拦停并离开拦阻索后，控制系统控制连接蓄能作动器的液控单向阀进行换向，从而通过蓄能气瓶内的空气推动蓄能作动器沿拦阻相反方向运动，带动动滑轮进行复位工作，直至恢复至初始状态；

之后所述主缓冲器将进行阻尼液冷却过程，控制系统控制连接主缓冲器的两个液控单向阀打开，使得磁流变阻尼液将由液控单向阀从一端流出，流入冷却器内，经由另一端流入外筒内部；冷却过程结束后，控制系统控制连接主缓冲器的两个液控单向阀关闭，控制连接蓄能作动器的液控单向阀再次换向至初始状态，进入拦阻状态待用。

本发明的优点为：

一、针对中大型无人机设计了一种拦阻系统，可以在较短距离内成功拦停中大型无人机，市场很少有相关功能的产品出现，本产品弥补了相关类型产品的空缺。

二、基于为无人机集群作战、协同作战和体系作战需要多种、多质量无人机参与的需求，拦阻系统可以自主适应一定范围内的无人机质量变化，为无人机提供短距降落条件。

三、该拦阻系统加入了主动控制技术，可以在无人机拦阻过程中实时控制拦阻力，使拦阻力变化更加平缓，改善拦阻中后期拦阻力下降的问题，提高拦阻效率。

四、拦阻系统中加入了能量回收系统，可以回收无人机动能，转化为电能存储至超级电容中，反补拦阻装置能量，节约能源。

附图说明

图1是拦阻系统构成图，

图2是耗能系统的结构图，

图3是耗能系统的侧视图

图4是主缓冲器剖视图，

图5是图4中A处局部放大图，

图6是能量回收系统构成图，

图7是无人机在拦阻过程中有无自主控制过载对比图，

图8是不同质量无人机在拦阻效果图；

图中标号名称：

100-耗能系统、200-能量回收系统、300-传动系统、400-控制系统、101-动滑轮、102-冷却器、103-主缓冲器、104-蓄能作动器、105-蓄能气瓶、106-定滑轮、201-离合器、202-飞轮蓄能器、203-发电机、204-超级电容、1031-线圈、1032-活塞、1033-外筒、1034-活塞杆导轨、1035-支座。

具体实施方式

为能清楚说明本发明的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1所示，一种基于磁流变技术和能量回收技术的无人机拦阻系统包含耗能系统100、能量回收系统200、传动系统300和控制系统400；

拦阻索的一端固定连接在甲板下方，经过一个动滑轮后，交替绕过各个耗能系统100的定滑轮以及动滑轮之后，绕过换向滑轮至甲板上。

如图2、图3所示，所述耗能系统100包含定滑轮106、动滑轮101、冷却器102、主缓冲器103、蓄能作动器104、蓄能气瓶105，拦阻索缠绕在定滑轮106和动滑轮101之间，带动定滑轮106和动滑轮101相向运动；主缓冲器103和蓄能作动器104并联，两端与定滑轮支架、动滑轮支架固接，滑轮相向运动会同时压缩主缓冲器103和蓄能作动器104；蓄能作动器104与蓄能气瓶105通过液控单向阀相连；主缓冲器103与冷却器102通过液控单向阀相连；

如图4、图5所示，所述耗能系统100中的主缓冲器103为剪切阀式结构，包含活塞1032、外筒1033、磁流变阻尼液和活塞杆导轨1034；其中，活塞1032外壁中段凹陷，凹陷处缠绕线圈1031；活塞杆中空，线圈1031导线由中空杆内走线，连接至控制系统400；活塞杆导轨1034与外筒1033连接，活塞杆沿活塞杆导轨1034仅能做滑移运动，运动方向与活塞运动方向相同；外筒1033内部填充磁流变阻尼液，外筒1033两端设有接口，接口与液控单向阀相连，液控单向阀另一端通过导管与冷却器102相连，当无人机拦阻过程结束后，阻尼液将经由液控单向阀从一端流出，流入冷却器102内，经由另一端流入外筒1033内部，达到循环效果；当无人机挂索过程开始时，液控单向阀将阻止阻尼液从外筒1033流出，使外筒1033建立封闭环境，当主缓冲器103被压缩时，阻尼液仅能经由活塞1032与外筒1033的间隙从一侧流往另一侧；

如图6所示，所述能量回收系统200包含离合器201、飞轮蓄能器202、发电机203和超级电容204，其中离合器201一端与耗能系统100中的定滑轮106固接，另一端与飞轮蓄能器202固接，离合器201通断由加速度传感器的数据控制；飞轮蓄能器202与发电机203转轴通过传动连接，可以带动发电机203转轴旋转；发电机203与超级电容204通过电路连接，可以将发电机203电能传送至超级电容204内存储；

所述传动系统300包含一系列换向滑轮和滑轮缓冲器，将拦阻索由甲板引导至耗能系统100，缠绕于耗能系统100的动滑轮101和定滑轮106上；滑轮缓冲器与换向滑轮铰接，换向滑轮可以做绕铰支座轴线的旋转运动和沿缓冲器轴线的平移运动；

所述控制系统400的加速度传感器设置于传动系统300拦阻索甲板换向滑轮上。

本发明工作流程如下：

当无人机需要进行降落挂索动作时，无人机拦阻系统进入待机状态，甲板换向滑轮角加速度传感器进入工作状态。

当无人机成功挂索并牵拉拦阻索带动甲板换向滑轮转动时，设置于甲板换向滑轮的加速度传感器将检测滑轮角加速度，推测滑轮线加速度，进而推测拦阻索被拉伸的长度，通过三角形斜边和底边推测此时拦阻索与初始状态夹角，进而通过拦阻索线加速度推测无人机加速度；所述控制系统400将根据无人机加速度调整主缓冲器103活塞线圈1031电流，改变外筒1033与活塞1032流道间隙的磁场强度，进而改变磁流变液剪切强度改变拦阻力；所述控制系统400将基于控制算法，实时调整所述拦阻力，控制无人机加速度大小，使加速度维持在设定范围内，直至无人机停止。

设置于所述耗能系统100定滑轮106上的角加速度传感器检测角加速度为正时，即角速度绝对值呈现增长状态时，能量回收系统200离合器201将处于闭合状态，此时定滑轮106将通过离合器201带动飞轮蓄能器202旋转，使飞轮蓄能器202与定滑轮106速度相同；当加速度传感器检测滑轮角加速度为负，即定滑轮106速度处于下降状态时，离合器201将断开，所述飞轮蓄能器202将进行空转，仅带动发电机203转动，发电机203产生的电能通过电路储存至超级电容204内。

当无人机停止当无人机成功拦停并离开拦阻索后，所述耗能系统100的蓄能作动器104液控单向阀将进行换向，通过蓄能气瓶105内的空气推动蓄能作动器104沿拦阻相反方向运动，带动装置进行复位工作，直至恢复至初始状态。

当耗能系统100中主缓冲器103和蓄能作动器104恢复至初始状态时，连接蓄能作动器104的液控单向阀将进行反转，并且，冷却器102中的液泵开始工作，阻尼液将由单向阀从一端流出，流入冷却器102内，在冷却器102中冷却和除杂后，经由另一端液控单向阀重新流入外筒1033内部，当外筒1033内部的所有阻尼液恢复至最佳温度后，控制连接主缓冲器103的液控单向阀关闭，封闭外筒1033，拦阻系统重新进入待机状态。

进一步的，所述控制系统400控制结果如图7所示，图7点线为控制系统关闭时无人机拦阻结果，实线为控制系统开启时的控制结果，可以看出加入控制系统后拦阻初期加速度峰值下降，中期加速度曲线变化更加缓和，后期加速度曲线下降被改善，曲线更加平直，拦阻时间有所缩短，证明了该拦阻系统实现了对无人机拦阻效率的改善，实现了主动控制的功能。

进一步的，所述控制系统400对不同质量无人机拦阻控制结果如图8所示，可以看出拦阻系统在不改变结构参数、无人工控制的条件下，对6000kg至10000kg的无人机都成功拦停，拦阻结果较好，证明了该拦阻系统可以实现一定质量范围内的无人机的拦停功能。

本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无人机拦阻系统，其特征在于，所述无人机拦阻系统包括耗能系统（100）、能量回收系统（200）、传动系统（300）和控制系统（400），所述耗能系统（100）连接无人机回收系统中的拦阻索；

所述耗能系统（100）包括机架、固定连接在机架上的定滑轮支架以及滑动连接在机架上的动滑轮支架，所述定滑轮支架中安装有定滑轮（106），所述动滑轮支架中安装有动滑轮（101），所述拦阻索依次绕过动滑轮（101）以及定滑轮（106）；在定滑轮支架和动滑轮支架之间设有主缓冲器（103），所述主缓冲器（103）为磁流变阻尼器；

所述能量回收系统（200）包括离合器（201）、飞轮蓄能器（202）、发电机（203）以及超级电容（204），所述定滑轮（106）、离合器（201）、飞轮蓄能器（202）同轴设置，所述离合器（201）的一端固定连接定滑轮（106）的转轴，并且另一端固定连接飞轮蓄能器（202）的转轴，所述飞轮蓄能器（202）和发电机（203）保持联动，并且发电机（203）的输出连接超级电容（204）；

所述传动系统（300）包括换向滑轮和滑轮缓冲器，所述滑轮缓冲器安装在甲板上，所述换向滑轮铰接在滑轮缓冲器上，经过换向滑轮将拦阻索由甲板引导至耗能系统（100）后缠绕于耗能系统（100）的动滑轮和定滑轮上；

在换向滑轮上设有加速度传感器，通过换向滑轮的角加速度计算线加速度，并传回至控制系统，用于控制主缓冲器（103）；与离合器（201）相连的定滑轮上也设有加速度传感器，将角加速度传回控制系统后，用于控制离合器（201）通断；

所述主缓冲器（103）为剪切阀式结构，所述主缓冲器（103）包含活塞（1032）、外筒（1033）以及活塞杆导轨（1034）；所述活塞（1032）滑动连接在外筒（1033）的腔体中，并且活塞（1032）上固定连接有伸出外筒（1033）的活塞杆；所述外筒（1033）固定连接所述定滑轮支架，所述活塞杆则固定连接动滑轮支架；

在活塞（1032）的外壁上开设有凹陷，凹陷处缠绕线圈（1031），线圈外径与活塞外径相同，所述活塞杆呈中空状，所述线圈（1031）的导线由中空的活塞杆内走线，连接至控制系统；

所述活塞杆导轨（1034）与活塞杆平行设置，所述活塞杆导轨（1034）的一端与动滑轮支架固定相连，并且另一端设有套装在外筒（1033）上的滑动套环；

在所述外筒（1033）的内部填充有磁流变阻尼液；

当所述拦阻系统处于拦阻状态时，设置于换向滑轮上的加速度将检测滑轮的角加速度，并换算为滑轮线加速度，进而推测拦阻索被拉伸的长度，并通过拦阻索线加速度推测无人机加速度；所述控制系统将根据无人机加速度调整主缓冲器中线圈的电流，改变外筒与活塞流道间隙的磁场强度，进而改变磁流变液剪切强度改变拦阻力；

当设置于所述定滑轮上的加速度传感器检测到角加速度为正时，控制离合器处于闭合状态，此时定滑轮将通过离合器带动飞轮蓄能器旋转，使飞轮蓄能器与定滑轮速度相同；当加速度传感器检测到滑轮角加速度为负，即定滑轮速度处于下降状态时，控制离合器断开，所述飞轮蓄能器将进行空转，仅带动发电机转动，发电机产生的电能通过电路储存至超级电容内。

2.根据权利要求1所述的一种无人机拦阻系统，其特征在于，所述耗能系统（100）在已有主缓冲器（103）基础上，还包括蓄能作动器（104）以及固定安装在机架上的冷却器（102）、蓄能气瓶（105），所述蓄能作动器（104）与主缓冲器（103）并列设置，并且其两端也分别连接定滑轮支架和动滑轮支架；

所述蓄能作动器（104）与蓄能气瓶（105）通过液控单向阀相连；所述主缓冲器（103）的两端则分别通过两个液控单向阀与冷却器（102）的两端相连；所有的液控单向阀均连接所述控制系统。

3.一种权利要求1所述的无人机拦阻系统的工作方法，其特征在于，当无人机挂索过程开始时，控制系统控制连接主缓冲器的两个液控单向阀关闭，阻止阻尼液从外筒出入，使外筒建立封闭环境，当主缓冲器被压缩时，阻尼液仅能经由活塞与外筒的间隙从一侧流往另一侧；并且控制系统控制连接蓄能作动器的液控单向阀单向打开，使得蓄能作动器中的气体仅能从蓄能作动器进入蓄能气瓶中。

4.一种权利要求1所述的无人机拦阻系统的工作方法，其特征在于，当无人机成功拦停并离开拦阻索后，控制系统控制连接蓄能作动器的液控单向阀进行换向，从而通过蓄能气瓶内的空气推动蓄能作动器沿拦阻相反方向运动，带动动滑轮进行复位工作，直至恢复至初始状态；

之后所述主缓冲器将进行阻尼液冷却过程，控制系统控制连接主缓冲器的两个液控单向阀打开，使得磁流变阻尼液将由液控单向阀从一端流出，流入冷却器内，经由另一端流入外筒内部；冷却过程结束后，控制系统控制连接主缓冲器的两个液控单向阀关闭，控制连接蓄能作动器的液控单向阀再次换向至初始状态，进入拦阻状态待用。

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