CN116835398B - 系留线缆的收放控制方法、收放控制装置及飞行器组件 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种系留线缆的收放控制方法、收放控制装置及飞行器组件。收放控制方法包括：获取作用于系留线缆的合外力的方向与重力方向之间的第一夹角。获取在绞盘处作用于系留线缆上的横向拉力和在横向导轮组处作用于系留线缆上的拉力的竖直分量。若，则控制横向导轮组释放系留线缆，若，则控制绞盘回收系留线缆。如此有利于最小化飞行器所受到的系留线缆的载荷，从而可以节省运行过程中需要的能量。

Description

系留线缆的收放控制方法、收放控制装置及飞行器组件

技术领域

本申请涉及系留飞行领域，尤其涉及一种系留线缆的收放控制方法、收放控制装置及飞行器组件。

背景技术

系留飞行器通常使用系留线缆进行供电和信号传输，系留线缆可以将系留飞行器系留在一定高度的位置，使得系留飞行器可以长时间停留于空中开展作业。一些系留飞行器的系留线缆会对飞行器产生额外的载荷，飞行器运行过程中需要的能量高。

发明内容

本申请提供一种系留线缆的收放控制方法、收放控制装置及飞行器组件，可以节省飞行器运行过程中需要的能量。

本申请提供一种系留线缆的收放控制方法，应用于收放控制装置，所述收放控制装置包括绞盘和导轮组；所述导轮组包括纵向导轮组和横向导轮组，所述绞盘用于沿横向方向卷收经过所述横向导轮组和所述纵向导轮组的系留线缆的一端，所述系留线缆的另一端用于连接于飞行器；所述收放控制方法包括：

获取作用于所述系留线缆的合外力的方向与重力方向之间的第一夹角；

获取在所述绞盘处作用于所述系留线缆上的横向拉力和在所述横向导轮组处作用于所述系留线缆上的拉力的竖直分量/>；

若，则控制所述横向导轮组释放所述系留线缆，若/>，则控制所述绞盘回收所述系留线缆。

进一步地，所述获取作用于所述系留线缆的合外力的方向与重力方向之间的第一夹角，包括：

获取当前作用于单位长度的所述系留线缆上的横向风力的大小和横向风力的方向；

确定所述横向风力的方向与所述系留线缆的两端点连线所在的竖直平面之间的第二夹角；

根据所述横向风力的大小和所述第二夹角，确定所述横向风力的风力分量；

根据所述系留线缆单位长度的重量和所述横向风力的风力分量，确定作用于系留线缆的合外力的方向与重力方向之间的第一夹角。

进一步地，所述获取当前作用于单位长度的所述系留线缆上的横向风力的大小，包括：

获取当前风速计采集的测量风速值；

从风速参考值与横向风力参考值的映射关系中，确定与获取的测量风速值匹配的所述风速参考值对应的所述横向风力参考值，作为当前作用于单位长度的所述系留线缆上的横向风力的大小。

进一步地，所述获取当前作用于单位长度的所述系留线缆上的横向风力的方向，包括：获取当前风速计采集的横向风力的方向。

进一步地，所述根据所述系留线缆单位长度的重量和所述横向风力的风力分量，确定作用于系留线缆的合外力的方向与重力方向之间的第一夹角，包括：

采用下述公式计算所述第一夹角：/>；

其中，表示所述风力分量，/>表示线缆单位长度的重量，/>表示重力加速度。

进一步地，所述收放控制装置包括第一测力传感器和第二测力传感器，所述第一测力传感器设置于所述绞盘，所述第二测力传感器设置于所述横向导轮组；所述获取在所述绞盘处作用于所述系留线缆上的横向拉力，包括：获取所述第一测力传感器测量的在所述绞盘处作用于所述系留线缆的横向拉力/>；

所述获取在所述横向导轮组处作用于所述系留线缆上的拉力的竖直分量，包括：获取所述第二测力传感器测量的在所述横向导轮组处作用于所述系留线缆上的拉力的竖直分量/>。

本申请提供一种系留线缆的收放控制装置，用于收放系留线缆，其中包括绞盘、导轮组和控制器；所述导轮组包括横向导轮组和纵向导轮组；所述绞盘用于沿横向方向卷收经过所述横向导轮组和所述纵向导轮组的系留线缆；所述控制器连接于所述绞盘和所述横向导轮组，所述控制器用于执行如上述任一实施例所述的收放控制方法。

进一步地，所述横向导轮组包括旋转轴沿水平方向设置的一对导轮，用于限制所述系留线缆在竖直方向上的运动；所述纵向导轮组包括旋转轴沿竖直方向设置的一对导轮，用于限制所述系留线缆在水平方向上的运动；其中，所述横向方向、所述水平方向和所述竖直方向相互垂直。

进一步地，包括电连接于所述控制器的第一测力传感器和第二测力传感器，所述第一测力传感器设置于所述绞盘，用于检测在所述绞盘处作用于所述系留线缆上的横向拉力；所述第二测力传感器设置于所述纵向导轮组；所述第二测力传感器用于检测在所述横向导轮组处作用于所述系留线缆上的拉力的竖直分量。

本申请提供一种飞行器组件，其中包括飞行器、系留线缆和如上述任一实施例所述的系留线缆的收放控制装置；所述系留线缆的一端连接于所述飞行器，另一端连接于所述收放控制装置。

本申请提供的系留线缆的收放控制方法，可以在时，控制横向导轮组释放系留线缆，在/>时，控制绞盘回收系留线缆，如此使得可以将飞行器维持于受到系留线缆的载荷最小的状态，有利于最小化飞行器所受到的系留线缆的载荷，从而可以节省飞行器运行过程中所需要的能量。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1所示为本申请一实施例的飞行器组件的结构示意图；

图2所示为本申请一实施例的系留线缆的收放控制方法的流程图；

图3所示为形状符合悬链线方程的系留线缆在坐标系中的示意图；

图4所示为在横向导轮组处关于系留线缆所受拉力的受力分析图；

图5所示为图2所示的收放控制方法的子流程图；

图6所示为图5所示的收放控制方法的子流程图；

图7所示为关于系留线缆所受合外力的受力分析图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

参见图1所示，飞行器组件10包括飞行器11、系留线缆12和系留线缆12的收放控制装置13。飞行器11可以包括但不限于气球式系留飞行器、多旋翼式系留飞行器、固定翼式系留飞行器、复合翼式系留飞行器或其他可以飞行的装置。系留线缆12的一端连接于飞行器11，另一端连接于收放控制装置13。收放控制装置13用于收放系留线缆12，以适应于飞行器11不同的飞行位置，从而可以保证飞行器11的稳定飞行。

再次参见图1所示，收放控制装置13包括绞盘14、导轮组15和控制器16。导轮组15包括横向导轮组17和纵向导轮组18。控制器16连接于绞盘14和横向导轮组17，控制器16可以通过控制绞盘14旋转以实现系留线缆12的回收，此时，横向导轮组17和纵向导轮组18从动。控制器16可以通过控制横向导轮组17旋转以实现系留线缆12的释放，此时，绞盘14和纵向导轮组18从动。其中，控制器16用于执行收放控制方法。

绞盘14用于沿横向方向X卷收经过横向导轮组17和纵向导轮组18的系留线缆12。绞盘14可以用于沿横向方向X卷收经过横向导轮组17和纵向导轮组18的系留线缆12的一端，系留线缆12的另一端用于连接于飞行器11。可以理解的是，系留线缆12的一端连接于飞行器11，另一端经过横向导轮组17和纵向导轮组18卷收于绞盘14。其中，纵向导轮组18可以相对于横向导轮组17靠近绞盘14设置。绞盘14可以卷收系留线缆12，如此便于系留线缆12的释放。

在一些实施例中，横向导轮组17包括旋转轴沿水平方向Y设置的一对导轮，用于限制系留线缆12在竖直方向Z上的运动。横向导轮组17的导轮的旋转轴沿水平方向Y延伸设置。横向导轮组17的一对导轮可以夹持于系留线缆12，以限制系留线缆12在竖直方向Z上的运动。纵向导轮组18包括旋转轴沿竖直方向Z设置的一对导轮，用于限制系留线缆12在水平方向Y上的运动。纵向导轮组18的导轮的旋转轴沿竖直方向Z延伸设置，纵向导轮组18的一对导轮可以夹持于系留线缆12，以限制系留线缆12在水平方向Y上的运动。其中，横向方向X、水平方向Y和竖直方向Z相互垂直。设置横向导轮组17和纵向导轮组18可以约束系留线缆12从绞盘14引出的位置，起到限位的作用。

在一些实施例中，收放控制装置13包括电连接于控制器16的第一测力传感器19和第二测力传感器20。第一测力传感器19设置于绞盘14，用于检测在绞盘14处作用于系留线缆12上的横向拉力。第一测力传感器19可以设置于绞盘14的旋转轴。第二测力传感器20设置于横向导轮组17，用于检测在横向导轮组17处作用于系留线缆12上的拉力的竖直分量。第二测力传感器20可以设置于横向导轮组17的旋转轴。设置第一测力传感器19和第二测力传感器20进行测量，如此测量方式简单。

参见图1和图2所示，系留线缆12的收放控制方法应用于收放控制装置13。收放控制方法包括步骤S101~S102。

在步骤S101中，获取作用于系留线缆12的合外力的方向与重力方向之间的第一夹角。其中，作用于系留线缆12的合外力可以指重力和风力的合力。

在步骤S102中，获取在绞盘14处作用于系留线缆12上的横向拉力T和在横向导轮组17处作用于系留线缆12上的拉力的竖直分量F。在一些实施例中，获取在绞盘14处作用于系留线缆12上的横向拉力T，包括：获取第一测力传感器19测量的在绞盘14处作用于系留线缆12的横向拉力T。横向拉力T可以是绞盘14提供给系留线缆12的拉力。获取在横向导轮组17处作用于系留线缆12上的拉力的竖直分量F，包括：获取第二测力传感器20测量的在横向导轮组17处作用于系留线缆12上的拉力的竖直分量F。由于横向导轮组17可以限制系留线缆12在竖直方向Z上的位移，因此，第二测力传感器20设置于横向导轮组17，可以测量到作用于系留线缆12上的拉力的竖直分量F。如此获取横向拉力T和拉力的竖直分量F的方式更加简单。

若，则控制横向导轮组17释放系留线缆12，若/>，则控制绞盘14回收系留线缆12。可以在/>时，释放系留线缆12，可以在/>时，回收系留线缆12，以使F可以向/>接近，从而可以减少飞行器11所受系留线缆12的载荷，从而可以减少飞行器11运行时所消耗的能量。

理由如下：首先，假设在重力作用下的系留线缆12的两端收到水平方向的力N，对于系留线缆12上的/>至/>的任意一小段来说，受力分析如下：

整理可得：；

→0，/>式（1）

可以知道：，a为整理后得到的常数。

求导后可知：

带入式（1）可以得到：，/>

由此可知，一条两端固定的系留线缆12在重力作用下，其形状符合悬链线方程：。

参见图3所示，系留线缆12的形状符合悬链线方程：；

设绞盘14位于系留线缆12上的点，飞行器11位于系留线缆12上的点，则可以得到：

式（2）

其中，系留线缆12对飞行器11施加的力沿着系留线缆12的切线方向，则系留线缆12对飞行器11施加的力的方向为；系留线缆12对飞行器11施加的力在水平方向上的分量为/>，则可以知道飞行器11承受的拉力：

；

根据式（2）计算处微分，可解得：

式（3）

将式（2）代入式（3），可得：

式（4）

由此可知，当取最小值时，/>取最小值。

根据式（2）可知，由于、/>、/>中仅有一个因变量，可以等效为：/>；

求解后可知，在时，/>可以取最小值，/>可以取最小值。

由此可知，当系留线缆12连接于收放控制装置13一端的延伸方向水平、且与重力方向相垂直时，飞行器11受到的系留线缆12的拉力最小。由于实际应用中，系留线缆12会受到风力和重力的作用，风力和重力的合外力相对于重力方向偏移的角度为/>。如此系留线缆12连接于收放控制装置13一端的延伸方向与水平方向的角度相应的为/>时，可以认为飞行器11受到的系留线缆12的拉力/>最小。

参见图4所示，在横向导轮组17处进行受力分析，通过第一测力传感器19检测到作用于系留线缆12上的横向拉力T。通过第二测力传感器20检测到在横向导轮组17处作用于系留线缆12上的拉力的竖直分量F。则在横向导轮组17处作用于系留线缆12上的拉力的竖直分量时，飞行器11受到的系留线缆12的拉力/>最小。如此可以在时，控制横向导轮组17释放系留线缆12，在/>时，控制绞盘14回收系留线缆12，如此使得可以将飞行器11维持于受到系留线缆12的载荷最小的状态，有利于最小化飞行器11所受到的系留线缆12的载荷，从而可以节省飞行器11运行过程中所需要的能量。

参见图5和图6所示，在一些实施例中，获取作用于系留线缆12的合外力的方向与重力方向之间的第一夹角，包括步骤S201~S204。

在步骤S201中，获取当前作用于单位长度的系留线缆12上的横向风力的大小和横向风力的方向。可以获取风速计采集的横向风速的大小和横向风力的方向。其中，可以根据风速计采集的横向风速的大小，确定作用于单位长度的系留线缆12上的横向风力的大小。

在一些实施例中，获取当前作用于单位长度的系留线缆12上的横向风力的方向，包括：获取当前风速计采集的横向风力的风向。可以通过水平放置的风速计，采集横向方向上风的风向。

在一些实施例中，获取当前作用于单位长度的系留线缆12上的横向风力的大小，包括步骤S301~S302。

在步骤S301中，获取当前风速计采集的测量风速值。可以通过水平放置的风速计，采集横向方向上的风速值。

在步骤S302中，从风速参考值与横向风力参考值的映射关系中，确定与获取的测量风速值匹配的风速参考值对应的横向风力参考值，作为当前作用于单位长度的系留线缆上的横向风力的大小。可以确定与获取的测量风速值匹配的风速参考值。在风速参考值和横向风力参考值的数据组或数据表中，可以确定与该风速参考值对应的横向风力参考值，该横向风力参考值作为当前作用于单位长度的系留线缆上的横向风力的大小。

上文所述的匹配可以指相等、也可以指近似。可以从风速参考值和横向风力参考值的数据组或数据表中，确定与获取的测量风速值相等或近似的风速参考值。其中，可以利用差值法确定与获取的测量风速值近似的风速参考值，也可以使用其他方法，本申请不做限制。可以根据与测量风速值匹配的风速参考值，在风速参考值与横向风力参考值的映射关系中，确定该风速参考值对应的横向风力参考值。

在步骤S202中，确定横向风力的方向与系留线缆12的两端点连线所在的竖直平面之间的第二夹角。系留线缆12的一端经过横向导轮组17和纵向导轮组18卷收于绞盘14，系留线缆12的另一端连接于飞行器11。可以根据飞行器11和绞盘14的位置，确定系留线缆12的两端点的位置。其中，可以通过GPS等定位方式确定飞行器11的位置。

在步骤S203中，根据横向风力的大小和第二夹角，确定横向风力的风力分量。横向风力的风力分量可以指横向风力在系留线缆12的两端点连线所在的竖直平面内的投影。如此可以根据横向风力的大小、横向风力的方向与系留线缆12的两端点连线所在的竖直平面之间的第二夹角，确定横向风力的风力分量。

在步骤S204中，根据系留线缆12单位长度的重量和横向风力的风力分量，确定作用于系留线缆12的合外力的方向与重力方向之间的第一夹角。

参见图7所示，在一些实施例中，根据系留线缆12单位长度的重量和横向风力的风力分量，确定作用于系留线缆12的合外力的方向与重力方向之间的第一夹角，包括：

采用下述公式计算第一夹角：/>；

其中，表示风力分量，/>表示线缆单位长度的重量，/>表示重力加速度。如此可以确定第一夹角/>，确定方式简单。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种系留线缆的收放控制方法，其特征在于，应用于收放控制装置，所述收放控制装置包括绞盘和导轮组；所述导轮组包括纵向导轮组和横向导轮组，所述绞盘用于沿横向方向卷收经过所述横向导轮组和所述纵向导轮组的系留线缆的一端，所述系留线缆的另一端用于连接于飞行器；所述收放控制方法包括：

获取作用于所述系留线缆的合外力的方向与重力方向之间的第一夹角；

获取在所述绞盘处作用于所述系留线缆上的横向拉力和在所述横向导轮组处作用于所述系留线缆上的拉力的竖直分量/>；

若，则控制所述横向导轮组释放所述系留线缆，若/>，则控制所述绞盘回收所述系留线缆；

所述获取作用于所述系留线缆的合外力的方向与重力方向之间的第一夹角，包括：

获取当前作用于单位长度的所述系留线缆上的横向风力的大小和横向风力的方向；

确定所述横向风力的方向与所述系留线缆的两端点连线所在的竖直平面之间的第二夹角；

根据所述横向风力的大小和所述第二夹角，确定所述横向风力的风力分量；

根据所述系留线缆单位长度的重量和所述横向风力的风力分量，确定作用于系留线缆的合外力的方向与重力方向之间的第一夹角；

所述根据所述系留线缆单位长度的重量和所述横向风力的风力分量，确定作用于系留线缆的合外力的方向与重力方向之间的第一夹角，包括：

采用下述公式计算所述第一夹角：/>；

其中，表示所述风力分量，/>表示线缆单位长度的重量，/>表示重力加速度。

2.根据权利要求1所述的收放控制方法，其特征在于，所述获取当前作用于单位长度的所述系留线缆上的横向风力的大小，包括：

获取当前风速计采集的测量风速值；

从风速参考值与横向风力参考值的映射关系中，确定与获取的测量风速值匹配的所述风速参考值对应的所述横向风力参考值，作为当前作用于单位长度的所述系留线缆上的横向风力的大小。

3.根据权利要求1所述的收放控制方法，其特征在于，所述获取当前作用于单位长度的所述系留线缆上的横向风力的方向，包括：获取当前风速计采集的横向风力的方向。

4.根据权利要求1所述的收放控制方法，其特征在于，所述收放控制装置包括第一测力传感器和第二测力传感器，所述第一测力传感器设置于所述绞盘，所述第二测力传感器设置于所述横向导轮组；所述获取在所述绞盘处作用于所述系留线缆上的横向拉力，包括：获取所述第一测力传感器测量的在所述绞盘处作用于所述系留线缆的横向拉力/>；

所述获取在所述横向导轮组处作用于所述系留线缆上的拉力的竖直分量，包括：获取所述第二测力传感器测量的在所述横向导轮组处作用于所述系留线缆上的拉力的竖直分量/>。

5.一种系留线缆的收放控制装置，用于收放系留线缆，其特征在于，包括绞盘、导轮组和控制器；所述导轮组包括横向导轮组和纵向导轮组；所述绞盘用于沿横向方向卷收经过所述横向导轮组和所述纵向导轮组的系留线缆；所述控制器连接于所述绞盘和所述横向导轮组，所述控制器用于执行如权利要求1-4任一项所述的收放控制方法。

6.根据权利要求5所述的收放控制装置，其特征在于，所述横向导轮组包括旋转轴沿水平方向设置的一对导轮，用于限制所述系留线缆在竖直方向上的运动；所述纵向导轮组包括旋转轴沿竖直方向设置的一对导轮，用于限制所述系留线缆在水平方向上的运动；其中，所述横向方向、所述水平方向和所述竖直方向相互垂直。

7.根据权利要求5所述的收放控制装置，其特征在于，包括电连接于所述控制器的第一测力传感器和第二测力传感器，所述第一测力传感器设置于所述绞盘，用于检测在所述绞盘处作用于所述系留线缆上的横向拉力；所述第二测力传感器设置于所述纵向导轮组；所述第二测力传感器用于检测在所述横向导轮组处作用于所述系留线缆上的拉力的竖直分量。

8.一种飞行器组件，其特征在于，包括飞行器、系留线缆和如权利要求5-7任一项所述的系留线缆的收放控制装置；所述系留线缆的一端连接于所述飞行器，另一端连接于所述收放控制装置。