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Title:
TAKE-OFF AND LANDING SYSTEM AND METHOD FOR FIXED-WING UNMANNED AERIAL VEHICLE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/093532
Kind Code:
A1
Abstract:
Disclosed are a take-off and landing system and method for fixed-wing unmanned aerial vehicle. The take-off and landing system comprises a base (1); an energy storage device is mounted at the front end of the base (1); the energy storage device includes an outer sleeve (3); a catapulting member (4) is nested inside the outer sleeve and can slide along the outer sleeve; an adjustable launching cradle is mounted at the front end of the catapulting member (4); a baffle plate (9) is arranged on the rear end surface of the outer sleeve (3); a lock mechanism is mounted on a groove frame (10) on the outer end surface of the outer sleeve; the end of the catapulting member (4) penetrates through the baffle plate (9) and is clamped in the lock mechanism; the end surface of the catapulting member (4) is connected with a driving control mechanism by a rope I (11), and is connected with a blocking recovery mechanism by a rope III (16); a signal transmission and control device is mounted in the middle of the upper surface of the base (1); and a blocking net (21) is hung under the front end of the base (1). The take-off and landing system has a compact and reasonable structure, can be easily operated, can realize the catapult-assisted take-off and stable blocking landing of fixed-wing unmanned aerial vehicle in various sizes, and has the advantages of good disguise performance, cost-effectiveness and good adaptation.

Inventors:
WANG KUN (CN)
ZHENG ZHILEI (CN)
WANG CHENGYI (CN)
LI KE (CN)
ZHANG QIUJU (CN)
Application Number:
CN2018/121909
Publication Date:
May 14, 2020
Filing Date:
December 19, 2018
Export Citation:
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Assignee:
UNIV JIANGNAN (CN)
International Classes:
B64F1/06; B64F1/02
Foreign References:
CN209097029U2019-07-12
CN103693206A2014-04-02
CN205256690U2016-05-25
CN105109685A2015-12-02
CN202848037U2013-04-03
CN106697317A2017-05-24
KR100954276B12010-04-23
US20040232282A12004-11-25
Attorney, Agent or Firm:
WUXI HUAYUAN PATENT AND TRADEMARK AGENCY (GENERAL PARTNERSHIP) (CN)
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Claims:
权利要求书

[权利要求 1] 一种固定翼无人机起降系统, 其特征在于: 包括基座 (i) , 基座 (i ) 前端通过凸台 (2) 安装有能量储存装置, 能量储存装置包括外套 筒 (3) , 其固定安装在凸台 (2) 上表面, 外套筒 (3) 内部嵌套有 沿其滑动的弹射件 (4) , 弹射件 (4) 前端安装有可调式发射架, 可 调式发射架包括发射台架 (5) , 其两侧分别转动连接有调节架 (6)

, 每个调节架 (6) 的内侧分别固定连接有无人机托架 (7) , 每个调 节架 (6) 后侧顶部安装有限位架 (8) ; 外套筒 (3) 后端面处设有 一块中部开有圆孔的挡板 (9) , 挡板 (9) 下方对接有沿凸台 (2) 后端面安装的槽架 (10) , 槽架 (10) 上安装有锁止机构, 弹射件 ( 4) 通过弹簧与挡板 (9) 连接, 弹射件 (4) 的末端穿过挡板 (9) 的 圆孔并卡入所述锁止机构;

弹射件 (4) 末端端面上通过绳索一 (11) 与驱动控制机构连接, 所 述驱动控制机构包括收线盘, 其通过安装在基座 (1) 上表面中部的 伺服电机 (13) 驱动, 沿收线圆盘圆周一圈开有卷绕所述绳索一 (11 ) 的主线槽 (12) , 收线圆盘外端面上沿轴向延伸有与主线槽 (12) 同心的副线槽 (14) , 其上绕卷有绳索二 (15) , 绳索二 (15) 的另 一端连接至所述锁止机构;

弹射件 (4) 的末端端面通过绳索三 (16) 与阻拦回收机构连接, 阻 拦回收机构包括连接在基座 (1) 尾部两侧的倾斜支架 (17) , 倾斜 支架 (17) 上端通过转轴安装有轻质滑轮 (33) , 两根倾斜支架 (17 ) 下方各安装有一根支脚 (18) , 两个支脚 (18) 及轻质滑轮 (33) 上缠绕阻拦绳索 (19) , 并将其布成三角形状, 阻拦绳索 (19) 的末 端连接有拉力传感器 (20) , 拉力传感器 (20) 的另一端连接所述绳 索三 (16) ;

凸台 (2) 底面上吊装有阻拦网 (21) , 基座 (1) 中部上表面安装有 信号传输及控制装置, 所述信号传输及控制装置包括安装在基座 (1 ) 中部上表面控制伺服电机 (13) 转动的伺服驱动器 (26) 、 计算并 传输动力参数的上位机 (24) 、 以及接收上位机 (24) 运动控制程序 并向伺服驱动器 (26) 传输信号的运动控制卡 (25) 。

[权利要求 2] 如权利要求 1所述的一种固定翼无人机起降系统, 其特征在于: 所述 锁止机构的结构为: 包括两个相对安装的锁止块 (27) , 两个锁止块 (27) 的下端分别通过转动副固定在槽架 (10) 上, 两个锁止块 (27 ) 的中部通过拉簧 (28) 连接, 两个锁止块 (27) 的上端构成与所述 挡板 (9) 上的圆孔相连通的圆环, 弹射件 (4) 的末端穿过挡板 (9 ) 的圆孔并卡入圆环内。

[权利要求 3] 如权利要求 2所述的一种固定翼无人机起降系统, 其特征在于: 槽架

(10) 成 L型, 包括竖直面, 其底部延伸有水平面, 两个锁止块 (27 ) 安装在竖直面的中部, 竖直面的四角处分别安装有一个过线轮 (29 ) , 水平面上间隔安装有两个所述过线轮 (29) , 两个锁止块 (27) 的顶端分别通过带孔螺栓固定有绳索二 (15) 的两个接头, 两个接头 从两侧分别绕经竖直面上的过线轮 (29) , 再分别绕过水平面上的两 个过线轮 (29) 后, 经过锁扣汇合成单条绳索后卷绕至所述副线槽 ( 14) 内。

[权利要求 4] 一种利用权利要求 1所述的固定翼无人机起降系统的起降方法, 其特 征在于: 其弹射无人机 (31) 的过程包括如下步骤: 第一步: 调整两个调节架 (6) 相对于发射台架 (5) 的角度, 调整调 节架 (6) 上安装的两个限位架 (8) 之间的水平距离, 将待起飞的无 人机 (31) 放置在发射台架 (5) 上;

第二步: 伺服电机 (13) 驱动收线盘旋转, 使收线盘的主线槽 (12) 释放绳索一 (11) , 释放完毕后, 副线槽 (14) 对绳索二 (15) 继续 进行牵引, 绳索二 (15) 分成两支分别绕过槽架 (10) 上的过线轮 ( 29) 后, 向两侧拉动两个锁止块 (27) , 进而释放弹射件 (4) ; 第三步: 弹射件 (4) 外壁上的压缩弹簧 (30) 推动弹射件 (4) 沿外 套筒 (3) 内壁向前运动, 同时带动可调式发射架及无人机 (31) — 起向前弹射; 其收回无人机 (31) 的过程包括如下步骤:

第一步: 无人机 (31) 背部的尾钩 (32) 勾住绕在支脚 (18) 线槽内 的阻拦绳索 (19) , 使阻拦绳索 (19) 拉动拉力传感器 (20) 和绳索 三 (16) ;

第二步: 绳索三 (16) 拉动弹射件 (4) 并压缩弹簧 (30) 以吸收无 人机 (31) 的动能, 无人机 (31) 拉动阻拦绳索 (19) 的同时产生环 绕着轻质滑轮 (33) 向上运动的惯性, 进而撞向阻拦网 (21) , 即完 成回收过程。

Description:
一种固定翼无人机起降系统及其起降方法 技术领域

[0001] 本发明涉及的是无人机起降装置技术领域, 具体说是一种固定翼无人机起降系 统及其起降方法。

背景技术

[0002] 目前, 固定翼无人机常见的起飞方式有滑行起飞, 垂直起飞, 空中抛投, 弹道 弹射起飞和手抛等方式; 而相比于起飞, 无人机的回收是一个更为复杂, 也是 更容易出现故障的阶段, 能否安全着陆已经成为评价无人机性能的一项 重要指 标, 目前无人机的回收方式主要有伞降回收、 撞网回收、 起落架滑轮着陆、 空 中勾取回收等。

发明概述

技术问题

[0003] 在现有技术中, 固定翼无人机的起飞和回收通常为相互独立的 系统, 且一种起 飞装置或回收系统只能满足单一型号的固定翼 无人机使用, 使用成本较高, 适 配性较低, 难以满足当前固定翼无人机起降的辅助需求。

问题的解决方案

技术解决方案

[0004] 本申请人针对上述现有生产技术中的缺点, 提供一种结构合理的固定翼无人机 起降系统及其起降方法, 从而满足不同尺寸型号的固定翼无人机的起飞 和降落 要求, 以便于提高无人的出勤效率, 降低无人机起降装置的占用空间。

[0005] 本发明所采用的技术方案如下:

[0006] 一种固定翼无人机起降系统, 包括基座, 基座前端通过凸台安装有能量储存装 置, 能量储存装置包括外套筒, 其固定安装在凸台上表面, 外套筒内部嵌套有 沿其滑动的弹射件, 弹射件前端安装有可调式发射架, 可调式发射架包括发射 台架, 其两侧分别转动连接有调节架, 每个调节架的内侧分别固定连接有无人 机托架, 每个调节架后侧顶部安装有限位架; 外套筒后端面处设有一块中部开 有圆孔的挡板, 挡板下方对接有沿凸台后端面安装的槽架, 槽架上安装有锁止 机构, 弹射件通过弹簧与挡板连接, 弹射件的末端穿过挡板的圆孔并卡入所述 锁止机构;

[0007] 弹射件末端端面上通过绳索一与驱动控制机构 连接, 所述驱动控制机构包括收 线盘, 其通过安装在基座上表面中部的伺服电机驱动 , 沿收线圆盘圆周一圈开 有卷绕所述绳索一的主线槽, 收线圆盘外端面上沿轴向延伸有与主线槽同心 的 副线槽, 其上绕卷有绳索二, 绳索二的另一端连接至所述锁止机构;

[0008] 弹射件的末端端面通过绳索三与阻拦回收机构 连接, 阻拦回收机构包括连接在 基座尾部两侧的倾斜支架, 倾斜支架上端通过转轴安装有轻质滑轮, 两根倾斜 支架下方各安装有一根支脚, 两个支脚及轻质滑轮上缠绕阻拦绳索, 并将其布 成三角形状, 阻拦绳索的末端连接有拉力传感器, 拉力传感器的另一端连接所 述绳索三;

[0009] 凸台底面上吊装有阻拦网, 基座中部上表面安装有信号传输及控制装置, 所述 信号传输及控制装置包括安装在基座中部上表 面控制伺服电机转动的伺服驱动 器、 计算并传输动力参数的上位机、 以及接收上位机运动控制程序并向伺服驱 动器传输信号的运动控制卡。

[0010] 所述锁止机构的结构为: 包括两个相对安装的锁止块, 两个锁止块的下端分别 通过转动副固定在槽架上, 两个锁止块的中部通过拉簧连接, 两个锁止块的上 端构成与所述挡板上的圆孔相连通的圆环, 弹射件的末端穿过挡板的圆孔并卡 入圆环内。

[0011] 槽架成 L型, 包括竖直面, 其底部延伸有水平面, 两个锁止块安装在竖直面的 中部, 竖直面的四角处分别安装有一个过线轮, 水平面上间隔安装有两个所述 过线轮, 两个锁止块的顶端分别通过带孔螺栓固定有绳 索二的两个接头, 两个 接头从两侧分别绕经竖直面上的过线轮, 再分别绕过水平面上的两个过线轮后 , 经过锁扣汇合成单条绳索后卷绕至所述副线槽 内。

[0012] 一种固定翼无人机起降系统的起降方法, 其弹射无人机的过程包括如下步骤:

[0013] 第一步: 调整两个调节架相对于发射台架的角度, 调整调节架上安装的两个限 位架之间的水平距离, 将待起飞的无人机放置在发射台架上; [0014] 第二步: 伺服电机驱动收线盘旋转, 使收线盘的主线槽释放绳索一, 释放完毕 后, 副线槽对绳索二继续进行牵引, 绳索二分成两支分别绕过槽架上的过线轮 后, 向两侧拉动两个锁止块, 进而释放弹射件;

[0015] 第三步: 弹射件外壁上的压缩弹簧推动弹射件沿外套筒 内壁向前运动, 同时带 动可调式发射架及无人机一起向前弹射;

[0016] 其收回无人机的过程包括如下步骤:

[0017] 第一步: 无人机背部的尾钩勾住绕在支脚线槽内的阻拦 绳索, 使阻拦绳索拉动 拉力传感器和绳索三;

[0018] 第二步: 绳索三拉动弹射件并压缩弹簧以吸收无人机的 动能, 无人机拉动阻拦 绳索的同时产生环绕着轻质滑轮向上运动的惯 性, 进而撞向阻拦网, 即完成回 收过程。

发明的有益效果

有益效果

[0019] 本发明可以实现多种尺寸的固定翼无人机弹射 起飞和平稳阻拦降落,具备弹良好 的隐蔽性、 经济性和适应性等优点。

[0020] 本发明通过改变调节架相对发射台架的倾角, 来改变无人机的两个限位件之间 的水平距离, 进而实现弹射不同尺寸的固定翼无人机。

[0021] 本发明能量储存装置既能为固定翼无人机的弹 射起飞时提供动力来源, 又能为 固定翼无人机阻拦回收时吸收能量, 将起飞和回收系统统一于同一系统中, 无 需独立设置两套独立的设备, 实现固定翼无人机的快速弹射起飞和平稳阻拦 撞 网回收, 降低了成本, 提高了系统的使用率。

[0022] 本发明节约了无人机起降的空间, 更能适应在舰船、 山区和沙漠环境中的固定 翼无人机起降辅助需求。

对附图的简要说明

附图说明

[0023] 图 1为本发明的立体结构示意图。

[0024] 图 2为本发明立体结构示意图 (另一视角) 。

[0025] 图 3为图 1中 A部的放大图。 [0026] 图 4为本发明拆去外套筒后的结构示意图。

[0027] 图 5的本发明在弹射起飞状态时的示意图。

[0028] 图 6为本发明在收回状态的示意图。

发明实施例

本发明的实施方式

[0029] 如图 1和图 2所不, 本实施例的固定翼无人机起降系统, 包括基座 1, 基座 1刖端 通过凸台 2安装有能量储存装置, 能量储存装置包括外套筒 3 , 其固定安装在凸 台 2上表面, 外套筒 3内部嵌套有沿其滑动的弹射件 4, 弹射件 4前端安装有可调 式发射架, 可调式发射架包括固定安装在弹射件 4上表面与其平行的发射台架 5 , 其两侧分别转动连接有调节架 6 , 每个调节架 6的内侧分别固定连接有无人机 托架 7 , 每个调节架 6的后侧顶部安装有限位架 8 ; 外套筒 3后端面处设有一块中 部开有圆孔的挡板 9 , 挡板 9下方连接有沿凸台 2后端面安装的槽架 10, 槽架 10上 设有锁止机构, 弹射件 4的末端穿过挡板 9的圆孔并卡入锁止机构;

[0030] 弹射件 4末端端面上通过绳索一 11与驱动控制机构连接, 驱动控制机构包括收 线盘, 其通过安装在基座 1上表面中部的伺服电机 13驱动, 沿收线圆盘圆周一圈 开有卷绕绳索一 11的主线槽 12, 收线圆盘外端面上沿轴向延伸有与主线槽 12同 心的副线槽 14, 其上绕卷有绳索二 15 , 绳索二 15的另一端连接至锁止机构; 弹 射件 4的末端端面通过绳索三 16与阻拦回收机构连接, 阻拦回收机构包括与基座 1尾部连接的倾斜支架 17 , 倾斜支架 17上端安装有轻质滑轮 33 , 倾斜支架 17下方 安装两侧安装有支脚 18 , 支脚 18上及轻质滑轮 33上缠绕有阻拦绳索 19 , 阻拦绳 索 19的末端连接有拉力传感器 20, 拉力传感器 20的另一端连接绳索三 16; 还包 括阻拦网 21, 其吊装在凸台 2底面上; 基座 1上表面中部还安装有信号传输及控 制装置。

[0031] 每个调节架 6均成梯形结构, 其顶部设有一圆杆, 圆杆下侧两端分别通过两根 斜杆与发射台架 5铰链连接, 圆杆前端面固定连接无人机托架 7 , 无人机托架 7成 L形结构, 并与圆杆位于同一水平面, 圆杆后端通过转动副连接限位架 8 , 限位 架 8成 L形, 并与圆杆位于同一竖直面; 两个调节架 6的限位架 8后端面上共同连 接有一根带滑槽的固定杆 23。 [0032] 如图 3所示, 锁止机构的结构为: 包括两个相对安装的锁止块 27, 两个锁止块 2 7的下端分别通过转动副固定在槽架 10上, 两个锁止块 27的中部通过拉簧 28连接 , 两个锁止块 27的上端构成与挡板 9上的圆孔相连通的圆环, 弹射件 4的末端穿 过挡板 9的圆孔并卡入圆环内。

[0033] 槽架 10成 L型, 包括竖直面, 其底部延伸有水平面, 两个锁止块 27安装在竖直 面的中部, 竖直面的四角处分别安装有一个过线轮 29 , 水平面上间隔安装有两 个过线轮 29 , 两个锁止块 27的顶端分别通过带孔螺栓固定有绳索二 15的两个接 头, 两个接头从两侧分别绕经竖直面上的过线轮 29 , 再分别绕过水平面上的两 个过线轮 29后, 经过锁扣汇合成单条绳索后卷绕至副线槽 14内。

[0034] 倾斜支架 17有两根, 通过螺栓连接固定在基座 1的尾端, 两根倾斜支架 17上端 通过转轴及止推轴承套座安装轻质滑轮 33 , 支脚 18有两根, 且成倒 V形对称安装 在两根倾斜支架 17下方, 两根支脚 18的上端分别通过铰链结构与两根倾斜支架 1 7连接, 两根支脚 18底端支撑在地面上, 且开有线槽, 阻拦绳索 19从拉力传感器 20的一端伸出绕经轻质滑轮 33后, 分成两股绕经两个支脚 18的线槽后汇合, 将 阻拦绳索 19布成等腰三角形状的线网。

[0035] 阻拦网 21采用弹性网面材质, 通过连接件 22吊装在凸台 2底面上。

[0036] 主线槽 12的半径大于副线槽 14的半径。

[0037] 信号传输及控制装置包括安装在基座 1中部上表面控制伺服电机 13转动的伺服 驱动器 26、 计算并传输动力参数的上位机 24、 以及接收上位机 24运动控制程序 并向伺服驱动器 26传输信号的运动控制卡 25。

[0038] 如图 4所示, 弹射件 4整体成圆柱状, 沿其外壁轴向安装有多个压缩弹簧 30, 压 缩弹簧 30的一端固定在弹射件 4外壁上, 另一端固定在挡板 9内壁上, 外套筒 3内 壁面上沿轴向开有多个容纳压缩弹簧 30的槽孔; 弹射件 4末端延伸有圆锥状结构 , 并与挡板 9的圆孔相配合。

[0039] 如图 5和图 6所示, 本实施例的固定翼无人机起降系统的起降方法 , 其弹射无人 机 31的过程包括如下步骤:

[0040] 第一步: 调整两各调节架 6相对于发射台架 5的角度, 调整调节架 6上两个限位 架 8之间的水平距离, 将待起飞的无人机 31放置在发射台架 5上; [0041] 第二步: 伺服电机 13驱动收线盘旋转, 使收线盘的主线槽 12释放绳索一 11, 释 放完毕后, 副线槽 14对绳索二 15继续进行牵引, 绳索二 15分成两支分别绕过槽 架 10上的过线轮 29后, 向两侧拉动两个锁止块 27 , 进而释放弹射件 4;

[0042] 第三步: 弹射件 4外壁上的压缩弹簧 30推动弹射件 4沿外套筒 3内壁向前运动, 同时带动可调式发射架及无人机 31—起向前弹射;

[0043] 其收回无人机 31的过程包括如下步骤:

[0044] 第一步: 无人机 31背部的尾钩 32勾住绕在支脚 18线槽内的阻拦绳索 19 , 使阻拦 绳索 19拉动拉力传感器 20和绳索三 16 ;

[0045] 第二步: 绳索三 16拉动弹射件 4并压缩弹簧 30以吸收无人机 31的动能, 无人机 3 1拉动阻拦绳索 19的同时产生环绕着轻质滑轮 33向上运动的惯性, 进而撞向阻拦 网 21, 即完成回收过程。

[0046] 本实施例的固定翼无人机起降系统的驱动控制 方式:

[0047] 阻拦绳索 19在勾住无人机尾钩 32之前, 无人机 31通过自身内置的无线传输模块 将自身的速度 V, 高度 h和等效质量 M等参数传递给上位机 24 , 上位机 24根据无人 机 31的动力参数, 计算出降落时动能差 AE和势能差 AP, 进而建立固定翼无人机 阻拦系统的动力学模型:

[0048]

[0049] 其中 1为无人机勾住阻拦绳索 19后拉力传感器的位移变化, 0为阻拦绳索 19的在 轻质滑轮 33及两个支脚 18之间布成的等腰三角形状线网的底角, L为拉力传感器 20的最大水平位移; 求解出无人机阻拦降落的运动学方程:

[0050]

[0051] 进而根据该运动学方程求解所需阻拦绳索的张 力 T(t)和伺服电机转速 co(t):

[0053] 其中 R为收线盘主线槽 12的半径, cp(t)为伺服电机 13的角位移补偿函数。 进而根 据伺服电机 13转速变化函数自动生成运动控制程序,并下载 到运动控制卡 25 , 当 阻拦绳索 19勾住无人机尾钩 32时, 拉力传感器 20测得阻拦绳索 19中的张力, 并 反馈到运动控制卡 25 , 若该张力的值超出预定范围后, 运动控制卡 25开始执行 运动控制程序, 并向伺服驱动器 26发送脉冲以驱动伺服电机 13 , 使伺服电机 13 带动收线盘转动, 并通过缠绕在主线槽 12中的绳索一 11拉动弹射件 4, 进而将阻 拦绳索 19的张力值降低到预定范围内, 以实现固定翼无人机 31的平稳阻拦降落