一種具有雀降功能的翼傘安全著陸系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有雀降功能的翼傘安全著陸系統(tǒng)和方法，系統(tǒng)包括主控制器、高度傳感器、三軸加速度傳感器、2個(gè)伺服電機(jī)、2個(gè)絞盤以及2個(gè)雀降裝置。主控制器通過高度傳感器和三軸加速度傳感器采集高度和下降速度，并據(jù)此控制四隊(duì)電機(jī)和雀降裝置，伺服機(jī)構(gòu)通過拉動兩側(cè)后緣操縱繩控制翼傘航向，并在接收到“電機(jī)雀降”指令后，同步下拉兩側(cè)后緣操縱繩，進(jìn)行雀降操縱；雀降裝置在接收到“彈簧雀降”指令時(shí)，收縮彈簧來下拉后緣操縱繩，進(jìn)行雀降。本發(fā)明能使翼傘以最低的速度矢量著陸，減小了著地時(shí)的沖擊，并根據(jù)情況采用不同的雀降方式，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
【專利說明】
一種具有雀降功能的翼傘安全著陸系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于翼傘降落技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種具有雀降功能的翼傘安全著陸系 統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 可控翼傘相比傳統(tǒng)降落傘，其操縱性能更加優(yōu)越，廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天以及 民用領(lǐng)域。隨著技術(shù)的進(jìn)步，可控翼傘的操縱方式由最初的飛行員操縱發(fā)展改為遙控操縱， 進(jìn)而可以脫離人為手動控制實(shí)現(xiàn)自主歸航。在翼傘歸航過程中，通過拉動兩側(cè)后緣操縱繩， 翼傘可以完成滑翔、轉(zhuǎn)彎、減速及雀降的動作。雀降可以定義為：當(dāng)翼傘以滑翔狀態(tài)接近地 面時(shí)，如果以較快的速度將兩操縱繩同時(shí)拉下，在很短的時(shí)間內(nèi)翼傘的前進(jìn)速度和垂直速 度將會先迅速地減小到極小值(接近零），如果開始操縱的高度選擇適當(dāng)，使落地時(shí)的速度 正好達(dá)到最小值，此種操縱便稱為雀降（陳自力，張昊，基于CFD方法的動力傘雀降控制優(yōu)化 研究.測控技術(shù)，2013 (02): p. 51 -55)。雀降操作有效降低了著陸時(shí)的速度，對于保障回收物 甚至飛行員的安全起到至關(guān)重要的作用。
[0003] 實(shí)際中，可控翼傘回收系統(tǒng)的操縱主要由伺服控制機(jī)構(gòu)完成。在雀降階段，整個(gè)下 拉過程需要的操縱力可達(dá)懸掛質(zhì)量所受重力的1〇%_15%，而為了保證雀降效果，整個(gè)操縱 過程必須限制在很短的時(shí)間內(nèi)，一旦載荷質(zhì)量較高，雀降所需的操縱力相應(yīng)提高，這對伺服 電機(jī)的功率提出了很高的要求，電機(jī)的功率限制了載荷的重量(趙秋艷，翼傘雀降技術(shù).航 天返回與遙感，1999(02) :p.5-9)。因此，如何利用盡可能輕便的裝置及盡可能少的能量使 翼傘系統(tǒng)在預(yù)定著陸點(diǎn)雀降，具有重要的研究意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述【背景技術(shù)】提出的技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供一種具有雀降功能的翼 傘安全著陸系統(tǒng)和方法，通過檢測翼傘的下降速度，智能選擇利用伺服電機(jī)或雀降裝置對 翼傘進(jìn)行雀降，從而保證雀降的穩(wěn)定性。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0006] -種具有雀降功能的翼傘安全著陸系統(tǒng)，包括主控制器、高度傳感器、三軸加速度 傳感器、2個(gè)伺服電機(jī)、2個(gè)絞盤以及2個(gè)雀降裝置，所述2個(gè)伺服電機(jī)、2個(gè)絞盤和2個(gè)雀降裝 置分別設(shè)置在系統(tǒng)兩側(cè)，從而控制翼傘兩側(cè)的后緣操縱繩，每個(gè)伺服電機(jī)分別與同側(cè)的絞 盤相連接，翼傘兩側(cè)的后緣操縱繩分別繞設(shè)在2個(gè)絞盤上，每個(gè)雀降裝置均包括推桿電機(jī)、 推桿、安全銷、渦卷彈簧和連接帶，渦卷彈簧內(nèi)側(cè)一端固定，它的外側(cè)一端通過連接帶與同 側(cè)的后緣操縱繩連接，推桿的兩端分別連接推桿電機(jī)和安全銷，連接帶上設(shè)有小孔，翼傘投 放前，安全銷穿過連接帶上的小孔，從而限止連接帶的位移;翼傘投放后，高度傳感器和三 軸加速度傳感器實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的高度和下降速度并傳送給主控制器，主控制器根據(jù)高度和 下降速度驅(qū)動2個(gè)伺服電機(jī)和2個(gè)推桿電機(jī)，伺服電機(jī)帶動絞盤轉(zhuǎn)動，并通過絞盤的轉(zhuǎn)動控 制兩側(cè)的后緣操縱繩，推桿電機(jī)帶動推桿發(fā)生位移，從而使安全銷脫離連接帶，渦卷彈簧收 縮產(chǎn)生下拉力，并通過連接帶將下拉力作用與兩側(cè)的后緣操縱繩上。
[0007] 進(jìn)一步地，連接帶與后緣操縱繩的連接點(diǎn)至絞盤之間的后緣操縱繩的長度L1與連 接帶自身長度L2相等，均為后緣操縱繩下拉的滿行程量。
[0008] 進(jìn)一步地，所述雀降裝置設(shè)在一外殼內(nèi)，該外殼上表面設(shè)有小孔，用于伸出連接 帶，在連接帶與后緣操縱繩的連接點(diǎn)處固定有卡扣，當(dāng)渦卷彈簧通過連接帶帶動后緣操縱 繩下拉時(shí)，卡扣移動到外殼的小孔位置后卡住，使后緣操縱繩不能被繼續(xù)下拉。
[0009] 進(jìn)一步地，在降落過程中，以翼傘前進(jìn)方向?yàn)榍胺?，則絞盤安裝在同側(cè)的雀降裝置 的前上方。
[0010] 進(jìn)一步地，所述連接帶上的小孔的內(nèi)邊緣用金屬包邊。
[0011] 基于上述具有雀降功能的翼傘安全著陸系統(tǒng)的著陸方法，包括以下步驟：
[0012] (1)在翼傘投放前，對三軸加速度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)；
[0013] (2)翼傘投放后，主控制器通過驅(qū)動伺服電機(jī)來控制后緣操縱繩，使翼傘向目標(biāo)著 陸點(diǎn)飛去，同時(shí)高度傳感器實(shí)時(shí)采集翼傘的高度信息，三軸加速度傳感器實(shí)時(shí)采集翼傘的 下降速度；
[0014] (3)在翼傘距地面高度匕時(shí)，系統(tǒng)調(diào)整翼傘航向逆風(fēng)對準(zhǔn)目標(biāo)著陸點(diǎn)，此時(shí)伺服電 機(jī)下拉兩側(cè)的后緣操縱繩至下拉滿行程的50% ;
[0015] (4)當(dāng)翼傘下降至雀降高度^時(shí)，主控制器根據(jù)當(dāng)前檢測到的下降速度v進(jìn)行判 斷，若v小于等于安全速度閾值V，則主控制器發(fā)出"電機(jī)雀降"指令，兩側(cè)的伺服電機(jī)迅速轉(zhuǎn) 動，下拉兩側(cè)的后緣操縱繩，此時(shí)下拉量為下拉滿行程量
大于V，則主控制器 發(fā)出"彈簧雀降"指令，伺服電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，推桿電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動推桿，推桿帶動安全銷脫離連 接帶，渦卷彈簧收縮產(chǎn)生下拉力，在時(shí)間t內(nèi)，通過連接帶拉動兩側(cè)的后緣操縱繩至下拉滿 行程處；
[0016] (5)通過雀降操作，使翼傘下降速度降低至安全的著陸速度，最終在目標(biāo)著陸點(diǎn)安 全著陸。
[0017] 進(jìn)一步地，在步驟⑶中，匕的取值是100~200m。
[0018] 進(jìn)一步地，在步驟(4)中，雀降高度h2 = 10m，安全速度閾值V=5m/s，時(shí)間t = 1S。 [0019]采用上述技術(shù)方案帶來的有益效果：
[0020] (1)本發(fā)明與傳統(tǒng)依賴于伺服電機(jī)的雀降操縱方式相比，通過檢測翼傘的下降速 度，從而選擇適合的雀降方式一一伺服電機(jī)雀降或彈簧雀降，拓寬載荷質(zhì)量范圍，提高系統(tǒng) 穩(wěn)定性，確保翼傘系統(tǒng)的安全著陸；
[0021] (2)本發(fā)明設(shè)計(jì)的雀降裝置較為輕便，且結(jié)構(gòu)簡單，可重復(fù)使用，雀降裝置執(zhí)行雀 降操縱時(shí)主要消耗預(yù)先儲存的機(jī)械能，對系統(tǒng)能量的消耗較小。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明中雀降裝置示意圖；
[0024] 圖3是本發(fā)明中安全銷解除后的雀降裝置示意圖；
[0025] 圖4是本發(fā)明中系統(tǒng)與翼傘連接示意圖；
[0026] 圖5是本發(fā)明中雀降裝置、絞盤與操縱繩的連接示意圖；
[0027] 圖6(a)、6(b)、6(c)是不同階段操縱繩與連接帶的示意圖。
[0028] 主要標(biāo)號說明：1、傘繩吊掛點(diǎn)，2、殼體，3、絞盤，4、雀降裝置，5、主控制器，6、伺服 電機(jī)，7、高度傳感器，8、卡扣，9、連接帶與后緣操縱繩的連接點(diǎn)至絞盤之間的后緣操縱繩， 10、推桿，11、推桿電機(jī)，12、渦卷彈簧裝置，13、連接帶，14、安全銷。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0030]如圖1所示，一種具有雀降功能的翼傘安全著陸系統(tǒng)，包括殼體2,殼體內(nèi)部設(shè)有主 控制器5、高度傳感器7、三軸加速度傳感器、2個(gè)伺服電機(jī)6,2個(gè)伺服電機(jī)分別安裝在殼體的 兩側(cè)內(nèi)壁上，殼體的兩側(cè)外壁上均設(shè)有絞盤3和雀降裝置4。每個(gè)伺服電機(jī)分別與同側(cè)的絞 盤相連接，翼傘兩側(cè)的后緣操縱繩分別繞設(shè)在2個(gè)絞盤上。
[0031 ]每個(gè)雀降裝置均包括推桿電機(jī)11、推桿10、安全銷14、渦卷彈簧12和連接帶13，渦 卷彈簧內(nèi)側(cè)一端固定，它的外側(cè)一端通過連接帶與同側(cè)的后緣操縱繩連接，推桿的兩端分 別連接推桿電機(jī)和安全銷，連接帶上設(shè)有小孔，翼傘投放前，安全銷穿過連接帶上的小孔， 從而限止連接帶的位移，如圖2所示。翼傘投放后，高度傳感器和三軸加速度傳感器實(shí)時(shí)采 集系統(tǒng)的高度和下降速度并傳送給主控制器，主控制器根據(jù)高度和下降速度驅(qū)動2個(gè)伺服 電機(jī)和2個(gè)推桿電機(jī)，伺服電機(jī)帶動絞盤轉(zhuǎn)動，并通過絞盤的轉(zhuǎn)動控制兩側(cè)的后緣操縱繩， 推桿電機(jī)帶動推桿發(fā)生位移，從而使安全銷脫離連接帶，渦卷彈簧收縮產(chǎn)生下拉力，并通過 連接帶將下拉力作用與兩側(cè)的后緣操縱繩上，如圖3所示。
[0032] 殼體2的上方設(shè)有多個(gè)傘繩吊掛點(diǎn)1，用于連接系統(tǒng)與翼傘，如圖4所示。
[0033] 如圖5所示，連接帶與后緣操縱繩的連接點(diǎn)至絞盤之間的后緣操縱繩9的長度L1與 連接帶13的自身長度L2相等，均為后緣操縱繩下拉的滿行程量。雀降裝置設(shè)在一外殼內(nèi)，該 外殼上表面設(shè)有小孔，用于伸出連接帶，在連接帶與后緣操縱繩的連接點(diǎn)處固定有卡扣8， 當(dāng)渦卷彈簧通過連接帶帶動后緣操縱繩下拉時(shí)，卡扣移動到外殼的小孔位置后卡住，使后 緣操縱繩不能被繼續(xù)下拉，避免當(dāng)操縱繩下拉過度，翼傘產(chǎn)生"抬頭后翻"的危險(xiǎn)動作。
[0034] 在降落過程中，以翼傘前進(jìn)方向?yàn)榍胺剑瑒t絞盤安裝在同側(cè)的雀降裝置的前上方， 避免在投放過程中，連接帶與絞盤發(fā)生纏繞。
[0035] 連接帶上的小孔的內(nèi)邊緣可以用金屬包邊，防止小孔因與安全銷長期接觸而磨 損。
[0036] 本發(fā)明還提出了基于上述系統(tǒng)的著陸方法，步驟如下：
[0037] 步驟1:在翼傘投放前，對三軸加速度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。翼傘下降速度可看成翼傘 在z軸方向加速度的積分，因此可由z軸方向加速度積分求解得到，在翼傘投放前對三軸加 速度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，減少積分漂移。
[0038] 步驟2:翼傘投放后，主控制器通過驅(qū)動伺服電機(jī)來控制后緣操縱繩，使翼傘向目 標(biāo)著陸點(diǎn)飛去，同時(shí)高度傳感器實(shí)時(shí)采集翼傘的高度信息，三軸加速度傳感器實(shí)時(shí)采集翼 傘的下降速度。
[0039]步驟3 :在翼傘距地面高度匕時(shí)，系統(tǒng)調(diào)整翼傘航向逆風(fēng)對準(zhǔn)目標(biāo)著陸點(diǎn)，此時(shí)伺 服電機(jī)下拉兩側(cè)的后緣操縱繩至下拉滿行程的50%。此處出的取值是100~200m。
[0040] 步驟4:當(dāng)翼傘下降至雀降高度^時(shí)，主控制器根據(jù)當(dāng)前檢測到的下降速度v進(jìn)行 判斷，若v小于等于安全速度閾值V，則主控制器發(fā)出"電機(jī)雀降"指令，兩側(cè)的伺服電機(jī)迅速 轉(zhuǎn)動，下拉兩側(cè)的后緣操縱繩，此時(shí)下拉量為下拉滿行程量的_
:若v大于V，則主控制 器發(fā)出"彈簧雀降"指令，伺服電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，推桿電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動推桿，推桿帶動安全銷脫離 連接帶，渦卷彈簧收縮產(chǎn)生下拉力，在時(shí)間t內(nèi)，通過連接帶拉動兩側(cè)的后緣操縱繩至下拉 滿行程處。此處雀降高度h2 = 10m，安全速度閾值V=5m/ s，時(shí)間t = 1 s。
[0041] 如圖6(a)所示，在翼傘投放前，連接帶與傘繩的連接點(diǎn)到絞盤之間的繩長與連接 帶的長度應(yīng)當(dāng)是相等的，且與翼傘下拉操縱的滿行程相同。如圖6(b)所示，在即將到達(dá)雀降 高度之前，兩側(cè)伺服電機(jī)將操縱繩拉至滿行程50%處，確保雀降時(shí)操縱繩有足夠的行程產(chǎn) 生下拉的動作。如圖6(c)所示，在到達(dá)雀降高度時(shí)，若主控制器發(fā)出"彈簧雀降"指令，安全 銷解除并釋放與連接帶的固定，渦卷彈簧裝置迅速回縮，拉動兩側(cè)操縱繩產(chǎn)生同步下拉的 雀降操縱，直至連接帶與操縱繩連接點(diǎn)處的卡扣到達(dá)渦卷彈簧的位置。
[0042] 步驟5:通過雀降操作，使翼傘下降速度降低至安全的著陸速度，最終在目標(biāo)著陸 點(diǎn)安全著陸。
[0043]以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是 按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍 之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有雀降功能的翼傘安全著陸系統(tǒng)，其特征在于:包括主控制器、高度傳感器、 三軸加速度傳感器、2個(gè)伺服電機(jī)、2個(gè)絞盤以及2個(gè)雀降裝置，所述2個(gè)伺服電機(jī)、2個(gè)絞盤和 2個(gè)雀降裝置分別設(shè)置在系統(tǒng)兩側(cè)，從而控制翼傘兩側(cè)的后緣操縱繩，每個(gè)伺服電機(jī)分別與 同側(cè)的絞盤相連接，翼傘兩側(cè)的后緣操縱繩分別繞設(shè)在2個(gè)絞盤上，每個(gè)雀降裝置均包括推 桿電機(jī)、推桿、安全銷、渦卷彈簧和連接帶，渦卷彈簧內(nèi)側(cè)一端固定，它的外側(cè)一端通過連接 帶與同側(cè)的后緣操縱繩連接，推桿的兩端分別連接推桿電機(jī)和安全銷，連接帶上設(shè)有小孔， 翼傘投放前，安全銷穿過連接帶上的小孔，從而限止連接帶的位移;翼傘投放后，高度傳感 器和三軸加速度傳感器實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的高度和下降速度并傳送給主控制器，主控制器根據(jù) 高度和下降速度驅(qū)動2個(gè)伺服電機(jī)和2個(gè)推桿電機(jī)，伺服電機(jī)帶動絞盤轉(zhuǎn)動，并通過絞盤的 轉(zhuǎn)動控制兩側(cè)的后緣操縱繩，推桿電機(jī)帶動推桿發(fā)生位移，從而使安全銷脫離連接帶，渦卷 彈簧收縮產(chǎn)生下拉力，并通過連接帶將下拉力作用與兩側(cè)的后緣操縱繩上。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有雀降功能的翼傘安全著陸系統(tǒng)，其特征在于:連接帶與 后緣操縱繩的連接點(diǎn)至絞盤之間的后緣操縱繩的長度Ll與連接帶自身長度L2相等，均為后 緣操縱繩下拉的滿行程量。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種具有雀降功能的翼傘安全著陸系統(tǒng)，其特征在于:所述雀降 裝置設(shè)在一外殼內(nèi)，該外殼上表面設(shè)有小孔，用于伸出連接帶，在連接帶與后緣操縱繩的連 接點(diǎn)處固定有卡扣，當(dāng)渦卷彈簧通過連接帶帶動后緣操縱繩下拉時(shí)，卡扣移動到外殼的小 孔位置后卡住，使后緣操縱繩不能被繼續(xù)下拉。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種具有雀降功能的翼傘安全著陸系統(tǒng)，其特征在于:在降落過 程中，以翼傘前進(jìn)方向?yàn)榍胺?，則絞盤安裝在同側(cè)的雀降裝置的前上方。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有雀降功能的翼傘安全著陸系統(tǒng)，其特征在于:所述連接 帶上的小孔的內(nèi)邊緣用金屬包邊。6. 基于權(quán)利要求1所述具有雀降功能的翼傘安全著陸系統(tǒng)的著陸方法，其特征在于，包 括以下步驟： (1) 在翼傘投放前，對三軸加速度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)； (2) 翼傘投放后，主控制器通過驅(qū)動伺服電機(jī)來控制后緣操縱繩，使翼傘向目標(biāo)著陸點(diǎn) 飛去，同時(shí)高度傳感器實(shí)時(shí)采集翼傘的高度信息，三軸加速度傳感器實(shí)時(shí)采集翼傘的下降 速度； (3) 在翼傘距地面高度In時(shí)，系統(tǒng)調(diào)整翼傘航向逆風(fēng)對準(zhǔn)目標(biāo)著陸點(diǎn)，此時(shí)伺服電機(jī)下 拉兩側(cè)的后緣操縱繩至下拉滿行程的50% ; (4) 當(dāng)翼傘下降至雀降高度^時(shí)，主控制器根據(jù)當(dāng)前檢測到的下降速度V進(jìn)行判斷，若V 小于等于安全速度閾值V，則主控制器發(fā)出"電機(jī)雀降"指令，兩側(cè)的伺服電機(jī)迅速轉(zhuǎn)動，下 拉兩側(cè)的后緣操縱繩，此時(shí)下拉量為下拉滿行程量的若V大于V，則主控制器發(fā)出 "彈簧雀降"指令，伺服電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，推桿電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動推桿，推桿帶動安全銷脫離連接 帶，渦卷彈簧收縮產(chǎn)生下拉力，在時(shí)間t內(nèi)，通過連接帶拉動兩側(cè)的后緣操縱繩至下拉滿行 程處； (5) 通過雀降操作，使翼傘下降速度降低至安全的著陸速度，最終在目標(biāo)著陸點(diǎn)安全著 陸。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的著陸方法，其特征在于:在步驟(3)中，hi的取值是100~200m。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的著陸方法，其特征在于:在步驟(4)中，雀降高度h2 = IOm，安全 速度閾值V = 5m/s，時(shí)間t = ls。
【文檔編號】B64C31/036GK106005403SQ201610352217
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】趙志豪, 趙敏, 馬敏毓, 陳奇, 張佳樂, 堵夢
【申請人】南京航空航天大學(xué)