CN116101492A - 一种无人直升机吊挂主动增稳装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人直升机吊挂主动增稳装置及其工作方法，属于无人机技术领域。该装置包括机体，机体上设有第一推进器、第二推进器、第三推进器、第四推进器、第五推进器和第六推进器。该工作方法中，吊挂物受到扰动获得了摆动/转动能量，惯性测量单元测量吊挂物姿态，并判断吊挂物是否平衡，如果不平衡，则通过控制模块控制相应的推进器动作，推进器的动力源产生反向的推力/力矩消除摆动/转动能量。本发明的有益效果：能够自主消除外吊挂物摆动带来的影响，避免观察员或飞行员的额外操纵，提升飞行安全；能够完全自主消除无人直升机外吊挂物转动对伤员和无人直升机姿态的影响；吊挂系统响应时间短、稳定性高、震荡小。

Description

一种无人直升机吊挂主动增稳装置及其工作方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种无人直升机吊挂主动增稳装置及其工作方法。

背景技术

空中转运伤员作为一种高效率的医疗后送模式，将大大缩短长途转运的时间，对于危重患者争分夺秒的抢救提供了更有利的时间保障。目前，国外救护直升机在应急救援中发挥了重要作用，对有人机而言，一般采用有人直升机机体内转运，也有采用近距离外吊挂转运的案例。这种方式就对外吊挂系统的稳定性提出了更高的要求，即外吊挂的主动增稳装置。

无人直升机在飞行过程中，无人直升机的姿态直接决定飞行状态，外挂吊挂货物摆动与飞行姿态及控制耦合，有发散的可能，危及飞行安全，现有技术，一般是采用被动消摆的方式，这种方式在一定程度上起到了外挂物消摆的效果，但是只是货物摆动不影响无人直升机飞行姿态，外吊挂货物本身的摆动还是客观存在的。而且，外挂物的转动是无法解决的，这种方式对于医疗转运伤员的应用场景并不适用，医疗转运伤员需要无人直升机一直处于稳定状态。而且，对于吊挂运输一些关键的、易碎的物资，也需外挂物消除摆动和转动的使用要求。

国外自动增稳系统的应用场景为有人直升机吊挂救援，在国内无人直升机吊挂主动增稳的研究成果很少。本发明提出一种无人直升机吊挂主动增稳原理，还可以稳定外挂物的转动，用于应急救援。

发明内容

本发明的目的在于：本发明提供了一种无人直升机吊挂主动增稳装置及其工作方法，解决了无人机吊挂物摆动的问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种无人直升机吊挂主动增稳装置，包括机体，机体上设有位于航后侧的第一推进器、第二推进器、第三推进器以及位于航前侧的第四推进器、第五推进器和第六推进器，第一推进器朝向横向右侧，第二推进器朝向纵向航后侧，第三推进器朝向横向左侧，第四推进器朝向横向左侧，第五推进器朝向纵向航前侧，第六推进器朝向横向右侧。

进一步的，所述的机体为“王”字形结构，第一推进器位于航后右侧角，第二推进器位于航后中段，第三推进器位于航后左侧角，第四推进器位于航前左侧角，第五推进器位于航前中段，第六推进器位于航前右侧角。

进一步的，所述的机体内设有电池、电调、电源平衡模块、控制模块和通讯链路。

进一步的，所述的机体包括电池隔框、电气安装板、大肋板、小肋板、支撑肋板、前横梁和后横梁，电池隔框和电气安装板的两侧均连接有大肋板，大肋板的外侧连接有前横梁和后横梁，前横梁与后横梁之间连接有小肋板和支撑肋板，电池隔框上设有电池，电气安装板上设有电调、电源平衡模块、控制模块和通讯链路，第一推进器位于前横梁和支撑肋板的外侧，第六推进器位于前横梁和支撑肋板的外侧，第二推进器位于前横梁、后横梁、小肋板和支撑肋板形成的“井”字形的中心内，第五推进器位于前横梁、后横梁、小肋板和支撑肋板形成的“井”字形的中心内，第三推进器位于后横梁和支撑肋板的外侧，第四推进器位于后横梁和支撑肋板的外侧。

进一步的，所述的机体还包括机体蒙皮、机体盖和进气网口，机体蒙皮上连接有与电气设备相对的机体盖，机体蒙皮上连接有与推进器进气口相对的进气网口。

进一步的，所述的第一推进器、第二推进器、第三推进器、第四推进器、第五推进器和第六推进器均为涵道风扇，涵道风扇包括出气引射套、电风扇、电机整流罩，电风扇位于出气引射套的内部，电风扇上罩设有位于出风口的电机整流罩。

进一步的，机体上设有安装座，吊床上设有与安装座相对的安装接口，吊床的底部设有高于机体的脚架。

一种无人直升机吊挂主动增稳的工作方法，采用上述的无人直升机吊挂主动增稳装置，控制模块的惯性测量单元对吊挂物的状态进行测量，吊挂作业时，吊挂物受到扰动获得了摆动/转动能量，惯性测量单元测量吊挂物姿态，并判断吊挂物是否平衡，如果不平衡，则通过控制模块控制相应的推进器动作，推进器的动力源产生反向的推力/力矩消除摆动/转动能量。

进一步的，电源平衡模块将所有电池的能量汇总，通过模块内平衡算法，使得多套动力源根据实际工况来分配电量；控制模块的惯性测量单元包括三轴陀螺仪和三轴加速度计，对吊挂物各种状态进行测量；控制模块还具有多个电调输出接口、多个信号传输，用于控制推进器的电机输出；通讯链路用于将控制模块内测得的各种加速度数据下发到地面站，完成地面站人员对系统的监控。

进一步的，通过惯性测量单元测量吊挂装置角度、加速度、角加速度，惯性测量单元测得的吊挂物角加速度的时候为平衡位置，要消除摆动/转动能量，需要动力提供反向推力作为阻尼，去抑制吊挂物的摆动/转动能量，建立控制反馈机制：控制指令作用在角度环控制器，角度环控制器作用在角速度环控制器，角速度环控制器通过动力源驱动相应的推进器的动作，从而实现横向摆动、纵向摆动或转动的动作，并将动作后的角速度反馈至角速度环控制器的上一节点，角速度进行积分得到角度并反馈至角度环控制器上一节点。

本发明的有益效果：

1.能够自主消除无人直升机外吊挂物摆动对无人直升机姿态带来的影响，避免观察员或飞行员的额外操纵，提升飞行安全。

2.能够完全自主消除无人直升机外吊挂物转动对伤员和无人直升机姿态的影响。

3.吊挂系统响应时间短、稳定性高、震荡小。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，（各非冲突选择）选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是本发明的主动增稳装置自由度示意图。

图3是本发明的主动增稳装置内部布置图。

图4是本发明的主动增稳装置内部布置图。

图5是本发明的横向涵道风机布置图。

图6是本发明的纵向涵道风机布置图。

图7是本发明的吊床结构示意图。

图8是本发明的主动增稳装置结构装配图。

图9是本发明的工作逻辑图。

图10是本发明的电气原理图。

图11是本发明的运动学原理图。

图12是本发明的控制反馈逻辑图。

图中：1-第一推进器，2-第二推进器，3-第三推进器，4-第四推进器，5-第五推进器，6-第六推进器，7-电池隔框，8-电气安装板，9-安装座，10-电池，11-电调，12-电源平衡模块，13-控制模块，14-通讯链路，15-大肋板，16-小肋板，17-支撑肋板，18-前横梁，19-后横梁，20-涵道风扇，21-机体蒙皮，22-机体盖，23-进气网口，24-出气引射套，25-电机整流罩，26-电调安装件，27-吊床，28-脚架，29-安装接口，30-主动增稳装置，31-挂环，32-钢索，33-旋转挂钩，34-挂绳，35-连接螺栓。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例1：

参考图1所示，无人直升机在货物运输或医疗救援转运伤员时，挂绳34底端会安装一个旋转挂钩33，旋转挂钩33的作用是将下端的吊挂物的转动与无人直升机机体隔离开，以避免货物转动的扭矩传递给无人直升机。

挂绳34上端与投放挂钩相连，下端连接旋转挂钩33，旋转挂钩33通过四个钢索32、挂环31与吊床27相连，吊床27通过四个连接螺栓35与主动增稳装置相连，伤员或货物吊挂在吊床27上。通过主动增稳装置30实现吊挂应急救援系统的六个方向的稳定。

横向和纵向摆动力臂 L ₁表示无人直升机机体下端到主动增稳装置30的距离，转动力臂 L ₂表示系统绕吊挂中心轴转动力臂。在各种吊挂飞行工况下，主动增稳装置30要保持稳定状态，就需要主动增稳装置的动力系统提供充足的动力来消除吊挂系统的摆动能力。

参考图2所示，一种无人直升机吊挂主动增稳装置，包括机体，机体上设有位于航后侧（航向后侧）的第一推进器1、第二推进器2、第三推进器3以及位于航前侧（航向前侧）的第四推进器4、第五推进器5和第六推进器6，第一推进器1朝向横向右侧，第二推进器2朝向纵向航后侧，第三推进器3朝向横向左侧，第四推进器4朝向横向左侧，第五推进器5朝向纵向航前侧，第六推进器6朝向横向右侧。

机体为“王”字形结构，电气设备主要位于中间部位，第一推进器1位于航后右侧角，第二推进器2位于航后中段（中间与端侧之间的位置），第三推进器3位于航后左侧角，第四推进器4位于航前左侧角，第五推进器5位于航前中段，第六推进器6位于航前右侧角。

主动增稳装置30一共有六个自由度，包括横向左右摆动、纵向前后摆动，沿吊挂中心轴逆时针和顺时针转动，需要提供六个方向的动力源或者采用矢量动力源来平衡。

我们定义纵向为无人直升机的航向。纵向摆动有两个方向自由度，需要两个动力源提供推力，推力方向相反，推进器单独工作，即第二推进器2工作，系统向航前摆动，第五推进器5工作，系统向航后摆动。

横向摆动有两个方向自由度，需要两个动力源提供推力，推力方向相同。即第一推进器1和第六推进器6同时工作，增稳系统向左摆动，或第三推进器3和第四推进器4同时工作，系统向右摆动。

转动也有两个方向自由度，需要两个动力源提供推力，推力方向相反，即第一推进器1和第四推进器4同时工作，增稳系统向顺时针转动（俯视），或第三推进器3和第六推进器6同时工作，增稳系统逆顺时针转动（俯视）。

在实际工作中，要使得货物或者伤员的状态保持稳定，需要一套可靠的控制算法，保持六个推进器耦合、差动工作。电机工作会带来一定的反扭力，需要将同时工作的两个动力源一个逆时针转动，另一个顺时针转动，以抵消电机产生的反扭力。

为实现对主动增稳装置位置的精确感知，可采用在吊挂系统中安装控制模块的方案。控制模块通过内置陀螺仪、加速度计，测量静态重力加速度，通过六自由度控制算法来主动稳定。

根据上述增稳系统的运动原理，进一步分析吊挂装置的消摆机理：吊挂装置在运动过程中，吊挂系统受到扰动获得了摆动/转动能量，主动增稳装置的动力源产生反向的推力/力矩消除摆动/转动能量。

第一推进器1、第二推进器2、第三推进器3、第四推进器4、第五推进器5和第六推进器6均为涵道风扇20，六个涵道风扇呈三三对称布置在机体航前侧和航后侧，六个涵道风扇中相邻的电机转向相反，通过机体蒙皮21内预埋金属安装件进行固定。

参考图3~图6所示，机体内设有电池10、电调11、电源平衡模块12、控制模块13和通讯链路14。机体包括电池隔框7、电气安装板8、大肋板15、小肋板16、支撑肋板17、前横梁18和后横梁19、机体蒙皮21、机体盖22和进气网口23。

电池隔框7和电气安装板8的两侧均连接有大肋板15，大肋板15的外侧连接有前横梁18和后横梁19，前横梁18与后横梁19之间连接有小肋板16和支撑肋板17。前横梁18、后横梁19、大肋板15、小肋板16、支撑肋板17之间均通过咬合结构，形成内部主承力部件。

电池隔框7上设有电池10，电气安装板8上设有电调11、电源平衡模块12、控制模块13和通讯链路14，前横梁18与后横梁19之间也安装有靠近中间的电调11。四个电调11安装在电气安装板8上，另外两个电调分别安装在两侧前横梁18和后横梁19之间进气网口23下方的电调安装件26上。电气设备保证系统重心基本靠近几何中心处。

机体蒙皮21上连接有与电气设备相对的机体盖22，机体蒙皮21上连接有与推进器进气口相对的进气网口23。在合模前，需要提前将内部承力部件安装好，然后将机体蒙皮21合模，机体盖22、进气网口23均是通过螺钉连接与机体蒙皮21固定，前者是为了方便检查内部电气设备，后者是为了方便涵道风扇的安装。

前横梁18、后横梁19、小肋板16、支撑肋板17之间形成“井”字形的结构，第一推进器1位于前横梁18和支撑肋板17的外侧，第六推进器6位于前横梁18和支撑肋板17的外侧，第二推进器2位于前横梁18、后横梁19、小肋板16和支撑肋板17形成的“井”字形的中心内，第五推进器5位于前横梁18、后横梁19、小肋板16和支撑肋板17形成的“井”字形的中心内，第三推进器3位于后横梁19和支撑肋板17的外侧，第四推进器4位于后横梁19和支撑肋板17的外侧，即航前/后侧的三个推进器，其中两个位于“井”字形的外部两侧角，其中一个位于“井”字形的中心内。

横向和纵向的涵道风扇20均包括出气引射套24、电风扇、电机整流罩25、进气网口23和出气口。电风扇位于出气引射套24的内部，电风扇上罩设有位于出风口的电机整流罩25，出气引射套和电机整流套的作用是提高涵道风扇效率。机体外形即机体蒙皮21采用流线型外形减阻设置，尽可能减少迎风面积，最大程度上减少系统在吊挂过程中阻力，提高系统续航时间。纵向涵道风扇两侧小进气网口，所行形成的风道中布置电调，有利于电调快速散热。

参考图7和图8所示，机体上设有安装座9，安装座9为金属件，机体蒙皮合模前，提前预埋到横梁和大肋板相交处。安装座9的作用是将主动增稳装置通过四个螺栓，安装在吊床27下方。

吊床27的作用是容纳伤员，采用圆管焊接而成，在吊床中预留四个安装主动增稳装置的安装接口29。在吊床27内铺一层柔软的床垫，其两侧有脚架28，用于吸收降落瞬间产生的冲击能量。

实施例2：

一种无人直升机吊挂主动增稳的工作方法，采用实施例1的无人直升机吊挂主动增稳装置。

参考图9所示，控制模块13的惯性测量单元对吊挂物的状态进行测量，吊挂作业时，吊挂物受到扰动获得了摆动/转动能量，惯性测量单元测量吊挂物姿态，并判断吊挂物是否平衡，如果不平衡，则通过控制模块13控制相应的推进器动作，推进器的动力源产生反向的推力/力矩消除摆动/转动能量。

参考图10所示，电源平衡模块12将所有电池10的能量汇总，通过模块内平衡算法，使得多套动力源根据实际工况来分配电量。如果采用一个电池对应一个动力源，会造成不同电机能量消耗不均匀，导致主动增稳装置工作时间出现短板效应。

控制模块13的惯性测量单元包括三轴陀螺仪和三轴加速度计，对吊挂物各种状态进行测量。控制模块13还具有六个电调输出接口、六个信号传输，用于控制推进器的电机输出。通讯链路14用于将控制模块13内测得的各种加速度数据下发到地面站，完成地面站人员对系统的监控。

参考图11所示，控制吊挂装置使得它做加速运动，以消除吊挂物的摆动能量。在吊挂装置上，吊挂装置受到一个额外的惯性力，该力与无人直升机的加速度方向相反，大小成正比，可以得出：

其中，当 θ很小时，假设负反馈控制的无人直升机加速度与偏转角成正比。为了让吊挂装置能够尽快回到平衡位置，还需要增加阻尼力，增加的阻尼力与吊挂装置角度 θ成正比，方向相反。可以得出控制吊挂装置摆动加速度的算法：

其中， θ为吊挂装置角度， θ'为角速度。 k ₁， k ₂为比例系数，建立速度的比例微分负反馈控制，假设外力干扰引起的吊挂装置产生的角加速度为 x（ t），沿着无人直升机飞行方向进行受力分析，可以得出，吊挂装置的倾角与无人直升机加速度以及外界扰动加速度之间的运动方程：

其中， L为摆长， x（ t）为任意时刻t外界引起的角加速度， a（ t）为任意时刻 t的吊装装置摆动角加速度， θ（ t）为任意时刻 t的吊装装置摆动角度， t为时刻， m为吊挂装置的质量， g为重力加速度， mg为吊挂装置所受重力，在角度反馈控制中，上面系数 k ₁， k ₂分别称为比例和微分控制参数，其中微分控制参数相当于阻尼力，可有效抑制吊挂装置震荡，转动控制也同样适用。

参考图12所示，通过惯性测量单元测量吊挂装置角度、加速度、角加速度，惯性测量单元测得的吊挂物角加速度的时候为平衡位置，要消除摆动/转动能量，需要动力提供反向推力作为阻尼，去抑制吊挂物的摆动/转动能量，建立控制反馈机制。

控制指令作用在角度环控制器，角度环控制器作用在角速度环控制器，角速度环控制器通过动力源驱动相应的推进器的动作，从而实现横向摆动、纵向摆动或转动的动作，并将动作后的角速度反馈至角速度环控制器的上一节点，角速度进行积分得到角度并反馈至角度环控制器上一节点。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人直升机吊挂主动增稳装置，包括机体，其特征在于：所述的机体上设有位于航后侧的第一推进器（1）、第二推进器（2）、第三推进器（3）以及位于航前侧的第四推进器（4）、第五推进器（5）和第六推进器（6），第一推进器（1）朝向横向右侧，第二推进器（2）朝向纵向航后侧，第三推进器（3）朝向横向左侧，第四推进器（4）朝向横向左侧，第五推进器（5）朝向纵向航前侧，第六推进器（6）朝向横向右侧。

2.根据权利要求1所述的无人直升机吊挂主动增稳装置，其特征在于：所述的机体为“王”字形结构，第一推进器（1）位于航后右侧角，第二推进器（2）位于航后中段，第三推进器（3）位于航后左侧角，第四推进器（4）位于航前左侧角，第五推进器（5）位于航前中段，第六推进器（6）位于航前右侧角。

3.根据权利要求1所述的无人直升机吊挂主动增稳装置，其特征在于：所述的机体内设有电池（10）、电调（11）、电源平衡模块（12）、控制模块（13）和通讯链路（14）。

4.根据权利要求1或3所述的无人直升机吊挂主动增稳装置，其特征在于：所述的机体包括电池隔框（7）、电气安装板（8）、大肋板（15）、小肋板（16）、支撑肋板（17）、前横梁（18）和后横梁（19），电池隔框（7）和电气安装板（8）的两侧均连接有大肋板（15），大肋板（15）的外侧连接有前横梁（18）和后横梁（19），前横梁（18）与后横梁（19）之间连接有小肋板（16）和支撑肋板（17），电池隔框（7）上设有电池（10），电气安装板（8）上设有电调（11）、电源平衡模块（12）、控制模块（13）和通讯链路（14），第一推进器（1）位于前横梁（18）和支撑肋板（17）的外侧，第六推进器（6）位于前横梁（18）和支撑肋板（17）的外侧，第二推进器（2）位于前横梁（18）、后横梁（19）、小肋板（16）和支撑肋板（17）形成的“井”字形的中心内，第五推进器（5）位于前横梁（18）、后横梁（19）、小肋板（16）和支撑肋板（17）形成的“井”字形的中心内，第三推进器（3）位于后横梁（19）和支撑肋板（17）的外侧，第四推进器（4）位于后横梁（19）和支撑肋板（17）的外侧。

5.根据权利要求4所述的无人直升机吊挂主动增稳装置，其特征在于：所述的机体还包括机体蒙皮（21）、机体盖（22）和进气网口（23），机体蒙皮（21）上连接有与电气设备相对的机体盖（22），机体蒙皮（21）上连接有与推进器进气口相对的进气网口（23）。

6.根据权利要求1或2所述的无人直升机吊挂主动增稳装置，其特征在于：所述的第一推进器（1）、第二推进器（2）、第三推进器（3）、第四推进器（4）、第五推进器（5）和第六推进器（6）均为涵道风扇（20），涵道风扇（20）包括出气引射套（24）、电风扇、电机整流罩（25），电风扇位于出气引射套（24）的内部，电风扇上罩设有位于出风口的电机整流罩（25）。

7.根据权利要求1所述的无人直升机吊挂主动增稳装置，其特征在于：所述的机体上设有安装座（9），吊床（27）上设有与安装座（9）相对的安装接口（29），吊床（27）的底部设有高于机体的脚架（28）。

8.一种无人直升机吊挂主动增稳的工作方法，采用权利要求1~7任一所述的无人直升机吊挂主动增稳装置，其特征在于：控制模块（13）的惯性测量单元对吊挂物的状态进行测量，吊挂作业时，吊挂物受到扰动获得了摆动/转动能量，惯性测量单元测量吊挂物姿态，并判断吊挂物是否平衡，如果不平衡，则通过控制模块（13）控制相应的推进器动作，推进器的动力源产生反向的推力/力矩消除摆动/转动能量。

9.根据权利要求8所述的无人直升机吊挂主动增稳的工作方法，其特征在于：电源平衡模块（12）将所有电池（10）的能量汇总，通过模块内平衡算法，使得多套动力源根据实际工况来分配电量；控制模块（13）的惯性测量单元包括三轴陀螺仪和三轴加速度计，对吊挂物各种状态进行测量；控制模块（13）还具有多个电调输出接口、多个信号传输，用于控制推进器的电机输出；通讯链路（14）用于将控制模块（13）内测得的各种加速度数据下发到地面站，完成地面站人员对系统的监控。

10.根据权利要求8或9所述的无人直升机吊挂主动增稳的工作方法，其特征在于：通过惯性测量单元测量吊挂装置角度、加速度、角加速度，惯性测量单元测得的吊挂物角加速度的时候为平衡位置，要消除摆动/转动能量，需要动力提供反向推力作为阻尼，去抑制吊挂物的摆动/转动能量，建立控制反馈机制：控制指令作用在角度环控制器，角度环控制器作用在角速度环控制器，角速度环控制器通过动力源驱动相应的推进器的动作，从而实现横向摆动、纵向摆动或转动的动作，并将动作后的角速度反馈至角速度环控制器的上一节点，角速度进行积分得到角度并反馈至角度环控制器上一节点。

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