CN119594802A - 一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法，属于无人机技术领域。通过继电器控制电磁铁电路接通，使电磁铁瞬时失去吸力，实现四个无刷电机迅速、同步、准确释放；利用无刷电机作为捕网展开的动力来源，带动捕网展开并罩住目标。其中隔磁板不仅在电磁铁断电时与电磁铁吸合以使捕网四角固定于无人机上，而且在全过程中有效隔离电磁铁对无刷电机的影响，确保飞行稳定性。并且使网环能自由转动，保持捕网牵引绳方向稳定，避免与电机或螺旋桨缠绕；滚珠轴承与隔磁板共同确保捕网牵引绳高度，防止捕网装置与电机分离，整体装置可以实现所有部件同步安全降落，实现回收功能。

Description

一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其是涉及一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法。

背景技术

随着民用无人机的普及应用，无人机“黑飞”、“滥飞”现象屡禁不止，而对低空空域无人机的技术反制研究仍相对空白，无人机的反制关系到社会稳定和公共安全，是当下迫切的社会需求。

国内外研发的反无人机系统主要分为电磁或光学干扰和物理捕获两类，其中电磁干扰指利用电磁或光学干扰无人机信号，可能影响周边区域正常通信；光学干扰指利用光学原理和技术手段对无人机的视觉系统、导航系统或传感器等关键部件进行干扰，从而削弱或破坏无人机的正常功能，实现对其的防御或控制；物理捕获如高能激光或撞击方法存在成本高、复用率低等缺点。本专利提出的捕网系统适用于需回收敌方无人机进行侦察，近年来被广泛应用。国外反无人机捕网系统如Drone Catcher，其捕网形式主要体现为一种空中发射的、能够快速展开并包裹住目标无人机的巨大捕捉网，但是存在尺寸大、重量重、速度慢的问题。

经检索，中国专利申请号2019108363222的发明专利申请，该专利公开一种空中反无人机捕网装置，通过在飞网后端设计回收伞，且回收伞由飞网牵引出，省去了回收伞的牵弓机构，同时实现网捕装置回收。该专利从头部至尾部依次包含多个功能舱段，由空中平台发射，捕获范围较广、拦截距离较远、捕获精度高。但该装置结构复杂紧凑，制造难度较大、成本较高且运用火工品使得产品安全稳定性降低。

经检索，中国专利申请号2019203219220的实用新型专利，该实用新型是一种新型智能网捕反无人机系统，包括底座、智能变速云台、发射单元和目标探测瞄准单元。系统具有创新高效的处置方式，智能化程度高，可全天候抓捕，使用安全高效，适应性强，维护便捷。但是该装置在空中平台的安装存在困难，只能用于车载移动平台或固定站点。

上述技术方案存在以下缺陷与不足：

(1)速度与机动性较低：已有无人机拦截器重量和尺寸较大，使载机速度无优势，较难或无法完成追捕小型穿越机(速度较高时可达到约45m/s)的任务。

(2)设备成本高：高性能的捕网系统需要采用先进的发射装置、网具材料和跟踪瞄准技术，这些都会显著增加系统的制造成本。

(3)设备安全性与可靠性较低：依靠高压气枪或火工品发射的捕网装置在运输阶段存在一定安全隐患，且捕网发射效果受温度影响较大，可靠性有待提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法，解决了现有技术速度与机动性较低、设备成本高和设备安全性与可靠性较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置，包括无人机机身主体，所述无人机机身主体固定在机架顶部，所述无人机机身主体顶部安装有整流罩，无人机机身主体的四角边缘处均设置有搭载电机机构的机臂，所述无人机机身主体集成安置有测距模块、主控模块和继电器模块，每个所述电机机构分别通过牵引绳与布置在整流罩内部的捕网连接。

优选的，所述整流罩由工程塑料或抗冲击性强、无磁性或弱磁性的3D打印材料构成，包括上盖和下盖，所述上盖和所述下盖之间通过微型电磁锁结构相扣合，所述下盖外表面还安装有舵机。

优选的，所述电机机构包括电磁块以及电磁块顶部安装的隔磁板，所述隔磁板上通过滚珠轴承与无刷电机连接，所述无刷电机的顶部设置有螺旋桨。其中无刷电机为市面常见型号的无刷电机，在无人机正常工作状态下通电带动螺旋桨转动，为无人机飞行提供动力，电磁铁，用于提供磁力，由市面常见型号的失电型电磁铁电磁铁构成，断电时可向铁磁性物质提供约1kg的吸力，通电时失去吸力。电磁铁为圆柱体，底部有螺纹孔，与机身始终保持螺栓连接，隔磁板，同时具有与通电时的电磁铁吸合、隔离电磁铁与无刷电机以防通电时电磁铁的磁力对无刷电机的正常工作状态造成影响的作用。由铁磁性较强的硅钢或坡莫合金制成，隔磁板上有孔，与无刷电机始终保持螺栓连接，同时隔磁板四周有固定扣，在隔磁筒竖直方向上与电磁铁吸合时，固定扣用于限制其水平运动的自由度。

优选的，所述机架底部的一侧设置有降落伞，由无人机下降时具有自主张开功能的Flyfire降落伞回收产品Manti或同类型产品构成。

优选的，所述捕网由柴隆材料构成，具有四边形网型和四边形网目，网孔规格为30×30cm。

优选的，所述滚珠轴承侧边加装由一个金属小环，所述捕网的四角均通过所述牵引绳与每个所述金属小环固定连接，捕网的几何中心有一根约1m的牵引绳始终与机架的几何中心连接，使得捕网飞出后捕网仍与机身相连，便于张开的降落伞带动其二者同时安全落地。

一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、拦截器正常飞行时，四块电磁铁所在的电路吸引隔磁板，此时，捕网未释放，四根捕网牵引绳从机舱中伸出并分布在追捕无人机机架的四个机臂上方，捕网按照降落伞收拢的方式，折叠为三角形后分别沿水平、竖直轴旋转收拢；

S2、当机身的测距模块检测到追捕无人机与被追捕无人机的距离小于等于设定值时，测距模块向主控模块发送信号，主控模块通过电平控制使整流罩下盖的电磁锁失去吸力，使整流罩上盖与下盖分离，露出整流罩中的捕网装置，同时使电磁铁所在电路接通；

S3、电磁铁电路接通后，电磁铁失去对隔磁板的吸力，此时4个电机在竖直方向上解除约束，与无人机机架脱离，依靠螺旋桨剩余升力保持继续地快速飞出，每个螺旋桨、无刷电机、网环与隔磁板作为质量块牵引捕网展开，实现网将目标罩住并缠绕，使目标失去动力而坠落；

S4、由于捕网几何中心与拦截器机身相连，二者一同坠落，降落伞模块检测到机身下落趋势后降落伞迅速从侧边弹出并张开，带动捕网装置、被捕获无人机和拦截器安全降落；

优选的，在步骤S1中，四块电磁铁所在的电路由电磁铁、电池、继电器开关构成，电磁铁由于电池供电、继电器控制的开关断开因而电磁铁具有吸引力，吸引隔磁板。

优选的，在步骤S2中，电磁铁所在电路接通的步骤为：

主控模块通过电平控制，令原本输出高电平或低电平的一路引脚变为输出低电平或高电平，使与该输出端相连的继电器开关闭合，使电磁铁所在电路接通。

因此，本发明采用上述结构的一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法，具备以下有益效果：

(1)本发明通过电机旋飞式结构释放捕网拦截无人机，相对于传统的应对低空的网弹反无人机系统，该装置可捕获低中高空无人机，机动灵活，且捕网展开面积大，适应多体型目标，对硬件和算法复杂度要求低。

(2)本发明可利用小型穿越机搭载结构简单的捕网机构，更加轻小型化，为反无人机拦截器飞行速度达到并超越小型穿越机速度(约50m/s)提供保证，且方便携带，适合布局在城市中。

(3)本发明使用失电型电磁释放装置，相对于使用弹簧、高压气瓶、电磁炮或点火装置，装置简单，可减轻重量，且使装置安全性与稳定性提高。

(4)发明使用一体化降落回收装置，通过捕网和拦截器机身几何中心相连使得捕网展开并成功捕获目标后捕网、目标和拦截器机身同步下落；此时降落伞展开，实现所有部件同步平稳降落回收。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法的整体结构示意图；

图2为本发明一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法的整流罩无上盖结构示意图；

图3为本发明一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法的隔磁板示意图；

图4为本发明一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法的整流罩上盖示意图；

图5为本发明一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法的整流罩下壳结构示意图；

图6为本发明一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法的滚珠轴承结构示意图；

图7为本发明一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法的电磁铁结构示意图；

图8为本发明一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法的捕网折叠方式示意图；

图9为本发明一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法的捕网控制模式示意图；

图10为本发明一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法的捕网张开时结构示意图；

图11为本发明一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法的捕网捕获目标过程示意图；

附图标记

1、无刷电机，2、电磁铁，3、舵机，4、螺旋桨，5、隔磁板，6、滚珠轴承，7、降落伞，8、机架，9、整流罩，10、捕网，11、牵引绳，12、无人机机身主体，13、机臂。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“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。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而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，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

如图1-11，本发明提供了一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置，包括无人机机身主体12，无人机机身主体12固定在机架8顶部，无人机机身主体12顶部安装有整流罩9，无人机机身主体12的四角边缘处均设置有搭载电机机构的机臂13，无人机机身主体12集成安置有测距模块、主控模块和继电器模块，每个电机机构分别通过牵引绳11与布置在整流罩9内部的捕网10连接。

整流罩9由工程塑料或其他抗冲击性强、无磁性或弱磁性的3D打印材料构成，上下盖间利用微型电磁锁结构相扣合，正常飞行时上下盖间锁扣锁紧，下盖内部的空间中盛放折叠状态的捕网。整流罩用于保护反无人机动力旋飞绳网捕获系统关键动力机构，同时使拦截器在高速飞行中受更少的阻力，提供更好的气动效果，达到预期的飞行性能，下盖外表面还安装有舵机3。

电机机构包括电磁块2以及电磁块2顶部安装的隔磁板5，隔磁板5上通过滚珠轴承6与无刷电机1连接，无刷电机1的顶部设置有螺旋桨4。其中无刷电机1为市面常见型号的无刷电机1，在无人机正常工作状态下通电带动螺旋桨转动，为无人机飞行提供动力，电磁块2，用于提供磁力，由市面常见型号的失电型电磁铁电磁铁构成，断电时可向铁磁性物质提供约1kg的吸力，通电时失去吸力。电磁块2为圆柱体，底部有螺纹孔，与机身始终保持螺栓连接，隔磁板5，同时具有与通电时的电磁块2吸合、隔离电磁块2与无刷电机1以防通电时电磁块2的磁力对无刷电机1的正常工作状态造成影响的作用。由铁磁性较强的硅钢或坡莫合金制成，隔磁板5上有孔，与无刷电机1始终保持螺栓连接，同时隔磁板5四周有固定扣，在隔磁筒竖直方向上与电磁块2吸合时，固定扣用于限制其水平运动的自由度。

机架8底部的一侧设置有降落伞7，由无人机下降时具有自主张开功能的Flyfire降落伞回收产品Manti或同类型产品构成。

捕网10由柴隆材料构成，具有四边形网型和四边形网目，网孔规格为30×30cm。

滚珠轴承6侧边加装由一个金属小环，捕网10的四角均通过牵引绳11与每个金属小环固定连接，捕网10的几何中心有一根约1m的牵引绳11始终与机架8的几何中心连接，使得捕网10飞出后捕网10仍与无人机机身主体12相连，便于张开的降落伞7带动其二者同时安全落地。

一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、拦截器正常飞行时，四块电磁块2所在的电路由电磁铁、电池、继电器开关构成，电磁铁由于电池供电、继电器控制的开关断开因而电磁铁具有吸引力，吸引隔磁板5，此时，捕网10未释放，四根捕网牵引绳11从机舱中伸出并分布在追捕机架8的四个机臂上方，捕网10按照降落伞收拢的方式，折叠为三角形后分别沿水平、竖直轴旋转收拢；

S2、当无人机机身主体12的测距模块检测到追捕无人机与被追捕无人机的距离小于等于设定值时，测距模块向主控模块发送信号，主控模块通过电平控制使整流罩下盖的电磁锁失去吸力，使整流罩9上盖与下盖分离，露出整流罩9中的捕网10，同时使电磁块2所在电路接通；

S3、电磁块2电路接通后，电磁块2失去对隔磁板5的吸力，此时四个无刷电机1在竖直方向上解除约束，与机架8脱离，依靠螺旋桨4剩余升力保持继续地快速飞出，每个螺旋桨4、无刷电机1、金属小环与隔磁板5作为质量块牵引捕网10展开，实现网将目标罩住并缠绕，使目标失去动力而坠落；

S4、由于捕网几何中心与拦截器无人机机身主体12相连，二者一同坠落，降落伞模块检测到无人机机身主体下落趋势后降落伞7迅速从侧边弹出并张开，带动捕网10、被捕获无人机和拦截器安全降落。

舵机3由几何尺寸只有约10mm的AS0017小舵机或同类型产品构成，提供电机模块飞出的瞬间操纵整流罩张开所需的机械能量，间接驱动抛射机构顺利工作。

滚珠轴承6由不锈钢等材料制作的滚珠轴承构成，侧边加装一个金属小环。使用时，将四边形捕网10一角的牵引绳缠绕捆绑在小环中，将滚珠轴承6主体嵌套啮合于无刷电机1外部，一方面网环可相对无刷电机1竖直轴线自由转动，故无刷电机1弹射出机身后无刷电机在空间作复杂运动时，滚珠轴承6内外环灵活的相对转动可保证牵引绳11方向基本稳定不变，牵引绳11不会和无刷电机1或螺旋桨4等部件缠绕；一方面和隔磁板5共同限制牵引绳11的水平高度高于无刷电机1底面，使捕网10不会与无刷电机装置脱离。

降落伞7由无人机下降时具有自主张开功能的Flyfire降落伞回收产品Manti或同类型产品构成，固定于无人机的机架8上，在拦截器解除动力装置开始下落时，可在不影响机身正上方的捕网10张开或与之缠绕的情形下，降落伞7从侧边张开，带动捕网10、被捕获无人机和拦截器安全降落。

测距模块由距离传感器构成、主控模块由飞控板构成、继电器模块由与主控模块的一路引脚电平作为输入信号，控制电磁铁电路通断的继电器构成。

因此，本发明采用上述的一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法，通过继电器控制电磁铁电路接通，使电磁铁瞬时失去吸力，实现四个无刷电机迅速、同步、准确释放；利用无刷电机作为捕网展开的动力来源，带动捕网展开并罩住目标。其中隔磁板不仅在电磁铁断电时与电磁铁吸合以使捕网四角固定于无人机上，而且在全过程中有效隔离电磁铁对无刷电机的影响，确保飞行稳定性。

本发明将捕网一角牵引绳固定在滚珠轴承的小环上，将滚珠轴承安装在无刷电机外部，使网环能自由转动，保持捕网牵引绳方向稳定，避免与电机或螺旋桨缠绕；同时，滚珠轴承与隔磁板共同确保捕网牵引绳高度，防止捕网装置与电机分离。

本发明通过捕网几何中心和和拦截器机身几何中心始终保持用牵引绳相连，使得捕网捕获目标后捕网、目标和拦截器机身同步下落；此时降落伞展开，实现所有部件同步安全降落，实现回收功能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置，其特征在于：包括无人机机身主体，所述无人机机身主体固定在机架顶部，所述无人机机身主体顶部安装有整流罩，无人机机身主体的四角边缘处均设置有搭载电机机构的机臂，所述无人机机身主体集成安置有测距模块、主控模块和继电器模块，每个所述电机机构分别通过牵引绳与布置在整流罩内部的捕网连接。

2.根据权利要求1所述的一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置，其特征在于：所述整流罩由工程塑料或抗冲击性强、无磁性或弱磁性的3D打印材料构成，包括上盖和下盖，所述上盖和所述下盖之间通过微型电磁锁结构相扣合，所述下盖外表面还安装有舵机。

3.根据权利要求1所述的一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置，其特征在于：所述电机机构包括电磁块以及电磁块顶部安装的隔磁板，所述隔磁板上通过滚珠轴承与无刷电机连接，所述无刷电机的顶部设置有螺旋桨，所述电磁块为圆柱体结构，其底部开设有螺纹孔，所述隔磁板上开设有若干通孔，且所述隔磁板四周设置有固定扣。

4.根据权利要求1所述的一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置，其特征在于：所述机架底部的一侧设置有降落伞。

5.根据权利要求1所述的一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置，其特征在于：所述捕网由柴隆材料构成，具有四边形网型和四边形网目，网孔规格为30×30cm。

6.根据权利要求3所述的一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置，其特征在于：所述滚珠轴承侧边加装由一个金属小环，所述捕网的四角均通过所述牵引绳与每个所述金属小环固定连接。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、拦截器正常飞行时，四块电磁块所在的电路吸引隔磁板，此时，捕网未释放，四根捕网牵引绳从机舱中伸出并分布在追捕机架的四个机臂上方，捕网按照降落伞收拢的方式，折叠为三角形后分别沿水平、竖直轴旋转收拢；

S2、当无人机机身主体的测距模块检测到追捕无人机与被追捕无人机的距离小于等于设定值时，测距模块向主控模块发送信号，主控模块通过电平控制使整流罩下盖的电磁锁失去吸力，使整流罩上盖与下盖分离，露出整流罩中的捕网，同时使电磁块所在电路接通；

S3、电磁块电路接通后，电磁块失去对隔磁板的吸力，此时四个无刷电机在竖直方向上解除约束，与机架脱离，依靠螺旋桨剩余升力保持继续地快速飞出，每个螺旋桨、无刷电机、金属小环与隔磁板作为质量块牵引捕网展开，实现网将目标罩住并缠绕，使目标失去动力而坠落；

S4、由于捕网几何中心与拦截器无人机机身主体相连，二者一同坠落，降落伞模块检测到无人机机身主体下落趋势后降落伞迅速从侧边弹出并张开，带动捕网、被捕获无人机和拦截器安全降落。

8.根据权利要求7所述的一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置的控制方法，其特征在于：在步骤S1中，四块电磁块所在的电路由电磁块、电池、继电器开关构成，电磁块由于电池供电、继电器控制的开关断开因而电磁块具有吸引力，吸引隔磁板。

9.根据权利要求7所述的一种反无人机动力旋飞绳网捕获装置及其控制方法，其特征在于：在步骤S2中，电磁块所在电路接通的步骤为：

主控模块通过电平控制，令原本输出高电平或低电平的一路引脚变为输出低电平或高电平，使与该输出端相连的继电器开关闭合，使电磁块所在电路接通。