CN114620243B - 一种飞行器智能起降捕获*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种飞行器智能起降捕获***，由安装在飞行器上的机载终端和地面终端组成；飞行器上的机载终端包括起降挂钩装置和机载通讯应答设备，地面终端包括运载车以及安装在运载车上的通讯应答***、控制***、视觉定位***、多自由度移动装置、捕获及锁紧装置，通讯应答***与视觉定位***建立运载车与飞行器的位置关系，控制***控制运载车、多自由度移动装置的位置调节、捕获及锁紧装置工作，捕获及锁紧装置配合安装于多自由度移动装置上。本发明减少起落架***重量和简化飞行器***的复杂程度，增加了航程和航时；减小了飞行器起飞和着陆滑跑距离，同时也减轻了飞行器对跑道的要求；可以实现飞行器的起降不依赖GNSS精度。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器设计领域，特别涉及一种飞行器智能起降捕获***。
背景技术
起落架是水平起降飞行器的重要装置。现有的飞行器起降时，以用轮式起落架支持跑道上起降为主。对于高速飞行器，还需要有起落架收放功能，相应的需要设置起落架舱、起落架收放机构、起落架舱门以及刹车***，起落架***重量大约占全机重量的4-5%左右。
对于强调航时和航程的飞行器，燃料装载可占到飞行器总重的60%，则起落架***的重量会占到空机重量的10%以上。如果能取消起落架，则航程可增加超过10%。
民航飞行器起飞前和着陆后往往需要滑行较长一段距离，而这时的工况对于发动机来说是低效率的，对于占据绝大多数的中短途航线，地面滑行油耗可占到全部航程的10%~20%。
某些无人靶机采用了车载滑跑起飞脱离的方案，但目前为止没有降落采用滑跑车捕获的方案。这主要是其采用的技术难以保证着陆过程中地面滑跑车与飞行器之间的速度和位置协调，及捕获动作的正确性和可靠性，这对飞行器来说是致命的。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，提供了一种飞行器智能起降捕获***，通过该***实现飞行器水平起降支持功能，达到取消飞行器上起落架装置，减少飞行器空机重量和机上***复杂度的目的。
本发明采用的技术方案如下：一种飞行器智能起降捕获***由安装在飞行器上的机载终端和地面终端组成；飞行器上的机载终端包括起降挂钩装置和机载通讯应答设备，地面终端与飞行器底部设置的起降挂钩装置配合使用，地面终端包括运载车以及安装在运载车上的通讯应答***、控制***、视觉定位***、多自由度移动装置、捕获及锁紧装置，通讯应答***与视觉定位***建立运载车与飞行器的位置关系，控制***控制运载车的加减速、多自由度移动装置的位置调节、捕获及锁紧装置的捕获、释放、锁紧与开锁动作，所述多自由度移动装置安装在运载车上方，捕获及锁紧装置配合安装于多自由度移动装置上，用于捕获或释放起降挂钩装置及捕获起降挂钩装置后的锁紧；控制***通过运载车与飞行器的位置关系控制多自由度移动装置调整捕获及锁紧装置位置，保证捕获及锁紧装置与飞行器底部的起降挂钩装置位置协调一致。
进一步的，所述多自由度移动装置包括至少四个作动筒、平板、第一滑轨组、第二滑轨组以及第一小车组、第二小车组、第三小车组；所述作动筒设置在平板下方，连接运载车与平板；所述第一滑轨组与第二滑轨组均由两条平行轨道组成，设置在平板上表面，且轨道方向与运载车前进方向垂直；第一小车组设置在第一滑轨组上，第二小车组、第三小车组设置在第二滑轨组上；第一小车组、第二小车组、第三小车组结构相同，上表面均对应设有小车滑轨组以及小车滑轨组上的小车，小车搭载有捕获及锁紧装置，小车滑轨组的轨道方向与第一滑轨组的轨道方向垂直。
进一步的，包括替换多自由度移动装置的三个位置调节装置，位置调节装置包括旋转底座、第一驱动关节、第二驱动关节、第一固定撑杆、可伸缩撑杆，所述旋转底座固定在运载车顶部，沿中心轴旋转；第一驱动关节设置在旋转底座上，并依次连接第一固定撑杆、第二驱动关节、可伸缩撑杆，捕获及锁紧装置安装在可伸缩撑杆末端；三个位置调节装置分别采用前三点式安装在运载车上，通过控制***移动位置调节装置以调整捕获及锁紧装置的位置。
进一步的，所述位置调节装置还包括第三驱动关节和第二固定撑杆；设置在第一固定撑杆与第二驱动关节之间，第一固定撑杆一端与第一驱动关节连接，另一端与第三驱动关节连接，第三驱动关节同时连接第二固定撑杆的一端，第二固定撑杆的另一端与第二驱动关节连接。
进一步的，所述机载终端的起降挂钩装置为内凹锥面结构，形状和地面终端的捕获及锁紧装置协调一致。
进一步的，所述捕获及锁紧装置由机械爪、支臂与机载终端的挂钩契合的锥面结构组成，支臂用于与起降挂钩装置配合定位，机械爪固定在支臂外侧锥面结构上设有传感器，在压力达到一定值时，机械爪向内抓紧起降挂钩装置。
进一步的，所述起降挂钩装置为U形挂钩，安装在起落架舱底板上。
进一步的，所述捕获及锁紧装置包括两块弹片、弹簧、挡块、底座以及承力块；所述底座由圆柱形底座与长方体底座构成，长方体底座固定在圆柱形底座上方；承力块的主体呈长方体形，一端固定在长方体底座侧面，另一端呈金字塔形，且主体两侧在金字塔底部与长方体交界部分做内凹处理；两块弹片分别设置于金字塔底部两侧的内凹处，并配合安装弹簧与挡块；U形挂钩通过挤压弹片，通过弹片后，弹片由于弹簧的弹力回归最大位置，限制飞行器上起降挂钩装置退出，此时承力块穿入U形挂钩完成捕获。
进一步的，所述承力块四周粘贴有减震缓冲材料。
进一步的，所述起降挂钩装置采用前三点式设置在飞行器底部。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
1、减少起落架***重量和简化飞行器***的复杂程度。
2、因起落架结构和***重量的减少，飞行器可携带更多的燃油，增加了航程和航时。
3、减小起飞和着陆滑跑距离，飞行器和运载车同时加速或减速，减小了飞行器起飞和着陆滑跑距离，同时也减轻了飞行器对跑道的要求。
4、可以实现飞行器的起降不依赖GNSS精度。
附图说明
图1为本发明一实施例中的智能起降辅助***示意图。
图2为本发明一实施例中飞行器起降挂钩装置示意图。
图3为本发明的智能起降辅助***控制示意图。
图4为本发明另一实施例中的智能起降辅助***示意图。
图5为本发明另一实施例中位置调节装置示意图。
图6为本发明另一实施例中的飞行器起降挂钩装置示意图。
图7为本发明另一实施例中的捕获及锁紧装置示意图。
附图标记：1-运载车，2-多自由度移动装置，3-捕获及锁紧装置，4-位置调节装置，
201-作动筒，202-平板，203-第一滑轨组，204-第二滑轨组，205-第一小车组，206-第二小车组，207-第三小车组，208-小车，
301-机械爪，302-支臂，303-弹片，304-弹簧，305-挡块，306-圆柱形底座，307-长方体底座，308-承力块，
401-旋转底座，402-第一驱动关节，403-第二驱动关节，404-第一固定撑杆，405-可伸缩撑杆，406-第三驱动关节，407-第二固定撑杆;
501-内凹锥面结构，502-U形挂钩。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
实施例1
如图1所示，本实施例提出了一种飞行器智能起降捕获***，由安装在飞行器上的机载终端和地面终端组成；飞行器上的机载终端包括起降挂钩装置和机载通讯应答设备，地面终端与飞行器底部设置的起降挂钩装置配合使用。
具体的，地面终端包括运载车1以及安装在运载车1上的通讯应答***、控制***、视觉定位***、多自由度移动装置2、捕获及锁紧装置3，通讯应答***与视觉定位***建立运载车与飞行器的位置关系，控制***控制运载车的加减速、多自由度移动装置2的位置调节、捕获及锁紧装置3的捕获、释放、锁紧与开锁动作，所述多自由度移动装置2安装在运载车1上方，捕获及锁紧装置3配合安装于多自由度移动装置2上，用于捕获或释放起降挂钩装置及捕获起降挂钩装置后的锁紧；其中，通讯应答***主要与飞行器中的机载通讯应答设备通讯并建立飞行器与地面终端精度较低的相对位置关系；视觉定位***主要用于建立飞行器与地面终端之间精度较高的相对位置关系。
在工作过程中，控制***通过运载车1与飞行器的位置关系控制多自由度移动装置2调整捕获及锁紧装置3位置，实现在俯仰、横滚、高度方向、前后和左右的位置调节，保证捕获及锁紧装置3与飞行器底部的起降挂钩装置位置协调一致，实现飞行器的捕获或释放。
具体的，述多自由度移动装置2包括至少四个作动筒201、平板202、第一滑轨组203、第二滑轨组204以及第一小车组205、第二小车组206、第三小车组207；所述作动筒201设置在平板202下方，连接运载车1与平板202；所述第一滑轨组203与第二滑轨组204均由两条平行轨道组成，设置在平板202上表面，且轨道方向与运载车1前进方向垂直；第一小车组205设置在第一滑轨组203上，第二小车组206、第三小车组207设置在第二滑轨组204上；第一小车组205、第二小车组206、第三小车组207结构相同，上表面均对应设有小车滑轨组以及小车滑轨组上的小车208，小车搭载有捕获及锁紧装置3，小车滑轨组的轨道方向与第一滑轨组203的轨道方向垂直。
第一小车组205可在第一滑轨组203上移动，第二小车组206、第三小车组207可在第二滑轨组204上移动。而搭载捕获及锁紧装置3的小车208在各自对应的滑轨组上移动。
在本实施例中，作动筒201的数量为四个，分别设置在平板202的四个角处。需要说明的是，本实施例提到的作动筒、小车组、各小车均由控制***控制移动，调整捕获及锁紧装置到合适的位置以捕获起降挂钩装置。
在本实施例中，通讯应答***在飞行器降落向飞行器提供地面装置准备就绪的信号，获取飞行器的位置和速度实时信息；
视觉定位***在着陆捕获阶段识别和定位飞行器起降挂钩装置，判断并反馈舱门打开状态；
控制***控制运载车的加速、刹车，在飞行器着陆阶段根据通讯应答***(距离较远时)和视觉定位***(飞行器进入视场范围后)提供的飞行器相对定位信息控制运载车的启动加速及对飞行器的位置跟踪保持，在飞行器降落进入捕获范围时根据视觉定位信息操纵机械爪可靠捕获飞行器进入着陆滑跑流程，起飞滑跑到达指定速度后操纵机械爪使飞行器进入起飞姿态并在飞行器升力达到条件后释放飞行器起飞。
一般飞行器上起落架***主要由起落架支柱、刹车***、转弯控制装置、舱门及收放结构、起落架收放结构及控制装置等组成。同时为了控制和给起落架收放及转弯、刹车***等还需增加了其它***的复杂程度，比如增加飞管计算机中刹车控制信号和刹车***需要的液压源及驱动力等。
而为了减少起落架***重量和简化飞行器***的复杂程度，本实施例中，飞行器上不设置起落架，同时减去了刹车***、转弯控制装置、起落架收放结构及控制装置等结构，仅设有与捕获及锁紧装置连接的起降挂钩装置以及与地面通信的机载通信应答设备（如飞行器上已经有其它通信手段，此设备可无），舱门在飞行中将起降挂钩装置盖住以保持飞行器表面完整光滑，起降时舱门打开。具体的起降挂钩装置以前三点式设置在飞行器底部，即前面设置一个起降挂钩装置，后面设置两个起降挂钩装置。
需要说明的是，本发明提出的运载车具有强大的驱动力，起飞滑跑时可为飞行器提供辅助加速驱动力，飞行器降落时可在较短距离内(如100m)从0速度加速到飞行器降落的速度；在另一实施例中运载车可配套弹射装置。
如图3所示，该飞行器智能起降捕获***通过运载车搭载和固定飞行器，在起飞时释放飞行器；飞行器降落是捕获飞行器。其具体工作过程如下：
当飞行器起飞时，捕获及锁紧装置将起降挂钩装置与捕获及锁紧装置锁紧，确保飞行器与运载车无相对运动，控制***控制运载车加速，待达到释放分离速度后，捕获及锁紧装置打开，飞行器与运载车分离。
飞行器降落时，在飞行器接近跑道时，飞行器通过无线电信号与运载车上的通讯应答***通信获取运载车绝对位置，并同时修正自身下降航线接近运载车；飞行器与运载车足够近时，控制***控制运载车加速确保运载车和飞行器在地面投影位置控制在一定范围内；到达一定相对位置后，通过视觉定位***计算运载车上的机械爪和飞行器上起将支座的相对位置关系，并将信号输出至多自由度移动装置；由多自由度移动装置微调机械爪位置并将捕获及锁紧装置托起与飞行器上的起降挂钩装置接触；通过视觉定位***及安装在飞行器上的起降挂钩装置反馈信号，判断机械爪与起降挂钩装置接触到位，接触到位时，捕获及锁紧装置锁紧，运载车和飞行器（如果有减速措施）共同减速，最后并将飞行器转运离开跑道到达指定停放位置。
一般无人驾驶飞行器在起降时，为使飞行器降落在宽度几十米的跑道上，一般对GNSS定位的要求比较高。而本实施例中，飞行器与运载车之间采用无线电信号通信，在特殊时期，GNSS收到干扰的情况下，利用飞行器和运载车之间的无线电信号可以不受GNSS信号的影响，能够准确判断飞行器和运载车的相对位置关系，通过运载车引导飞行器起降。
实施例2
本实施例提出了另一种飞行器智能起降捕获***，如图4所示，其主要组成与实施例1中的飞行器智能起降捕获***相似，区别仅在于采用了另一种位置调节装置4来替换多自由度移动装置2，该位置调节装置4设置在运载车1上，捕获及锁紧装置3安装在位置调节装置4上，控制***控制位置调节装置4来调整捕获及锁紧装置3的位置。
具体的，该位置调节装置4包括旋转底座401、第一驱动关节402、第二驱动关节403、第一固定撑杆404、可伸缩撑杆405，所述旋转底座401固定在运载车1顶部，沿中心轴旋转；第一驱动关节402设置在旋转底座401上，并依次连接第一固定撑杆404、第二驱动关节403、可伸缩撑杆405，捕获及锁紧装置3安装在可伸缩撑杆405末端。
其中，旋转底座401、第一驱动关节402、第二驱动关节403以及可伸缩撑杆405都由控制***进行调节。驱动关节可沿轴线旋转到指定位置并保持，可伸缩撑杆可沿竖直方向上下移动。
在本实施例中，位置调节装置数量为三个，与飞行器上的起降挂钩装置对应。工作时，其控制逻辑与实施例1相同，可参见附图3，控制***根据起降挂钩装置的位置，调节旋转、第一驱动关节、第二驱动关节以及可伸缩撑杆使得可伸缩撑杆上的捕获及锁紧装置接触起降挂钩装置，进行捕获。
采用位置调节装置替换多自由度移动装置的好处在于结构及其简单，成本降低，但是存在以第一驱动关节为中心的一定范围内的死角。
实施例3
本实施例在实施例2的基础上实现，针对实施例2中位置调节装置存在一定范围内死角的问题，提出另一种位置调节装置，如图5所示，新增了第三驱动关节406和第二固定撑杆407；设置在第一固定撑杆404与第二驱动关节403之间，第一固定撑杆404一端与第一驱动关节402连接，另一端与第三驱动关节406连接，第三驱动关节406同时连接第二固定撑杆407的一端，第二固定撑杆407的另一端与第二驱动关节403连接。控制***同时控制第三驱动关节406。
采用该种位置调节装置能够明显减小实施例2中位置调节装置的死角范围，有效增加了位置调节装置的调节范围。
实施例4
本实施例基于实施例1-3任一实施例实现，提出了配套使用的起降挂钩装置以及捕获及锁紧装置。
如图2所示，本实施例中，所述机载终端的起降挂钩装置为内凹锥面结构501，形状和地面终端的捕获及锁紧装置协调一致。
如图1所示，捕获及锁紧装置3由机械爪301、支臂302与机载终端的挂钩契合的锥面结构组成，支臂302用于与起降挂钩装置配合定位，机械爪301固定在支臂外侧，锥面结构上设有传感器，一旦在压力达到一定值时，机械爪301向内抓紧起降挂钩装置。
实施例5
本实施例基于实施例1-3任一实施例实现，提出了另一种配套使用的起降挂钩装置以及捕获及锁紧装置。
在本实施例中，如图6所示，起降挂钩装置为U形挂钩502，安装在起落架舱底板上。
相应的，如图7所示，配套使用的捕获及锁紧装置3包括两块弹片303、弹簧304、挡块305以及底座、承力块308；所述底座由圆柱形底座306与长方体底座307构成，长方体底座307固定在圆柱形底座306上方；承力块308的主体呈长方体形，一端固定在长方体底座307侧面，另一端呈金字塔形，且主体两侧在金字塔底部与长方体交界部分做内凹处理；两块弹片303分别设置于金字塔底部两侧的内凹处，并配合安装弹簧304与挡块305；U形挂钩502通过挤压弹片303，通过弹片后，弹片由于弹簧的弹力回归最大位置，限制飞行器上起降挂钩装置退出，此时承力块穿入U形挂钩502完成捕获。
优选的，为了避免捕获时捕获及锁紧装置所受冲击过大，在承力块308四周粘贴有减震缓冲材料，以避免捕获及锁紧装置的损坏。
需要说明的是，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种飞行器智能起降捕获***，其特征在于，由安装在飞行器上的机载终端和地面终端组成；飞行器上的机载终端包括起降挂钩装置和机载通讯应答设备，地面终端与飞行器底部设置的起降挂钩装置配合使用，地面终端包括运载车（1）以及安装在运载车（1）上的通讯应答***、控制***、视觉定位***、多自由度移动装置（2）、捕获及锁紧装置（3），通讯应答***与视觉定位***建立运载车（1）与飞行器的位置关系，控制***控制运载车（1）的加减速、多自由度移动装置（2）的位置调节、捕获及锁紧装置(3)的捕获、释放、锁紧与开锁动作，所述多自由度移动装置(2)安装在运载车(1)上方，捕获及锁紧装置(3)配合安装于多自由度移动装置(2)上，捕获及锁紧装置(3)用于捕获或释放起降挂钩装置及捕获起降挂钩装置后的锁紧；控制***通过运载车(1)与飞行器的位置关系控制多自由度移动装置(2)调整捕获及锁紧装置(3)位置，保证捕获及锁紧装置(3)与飞行器底部的起降挂钩装置位置协调一致；
所述多自由度移动装置(2)包括至少四个作动筒(201)、平板(202)、第一滑轨组(203)、第二滑轨组(204)以及第一小车组(205)、第二小车组(206)、第三小车组(207)；所述作动筒(201)设置在平板(202)下方，连接运载车(1)与平板(202)；所述第一滑轨组(203)与第二滑轨组(204)均由两条平行轨道组成，设置在平板(202)上表面，且轨道方向与运载车(1)前进方向垂直；第一小车组(205)设置在第一滑轨组(203)上，第二小车组(206)、第三小车组(207)设置在第二滑轨组(204)上；第一小车组(205)、第二小车组(206)、第三小车组(207)结构相同，上表面均对应设有小车滑轨组以及小车滑轨组上的小车（208），小车搭载有捕获及锁紧装置（3），小车滑轨组的轨道方向与第一滑轨组（203）的轨道方向垂直。
2.根据权利要求1所述的飞行器智能起降捕获***，其特征在于，所述机载终端的起降挂钩装置为内凹锥面结构（501），形状和地面终端的捕获及锁紧装置（3）协调一致。
3.根据权利要求2所述的飞行器智能起降捕获***，其特征在于，所述捕获及锁紧装置（3）由机械爪（301）、支臂（302）与机载终端的挂钩契合的锥面结构组成，支臂（302）用于与起降挂钩装置配合定位，机械爪（301）固定在支臂外侧锥面结构上设有传感器，在压力达到一定值时，机械爪（301）向内抓紧起降挂钩装置。
4.根据权利要求1所述的飞行器智能起降捕获***，其特征在于，所述起降挂钩装置中为U形挂钩（502），安装在起落架舱底板上。
5.根据权利要求4所述的飞行器智能起降捕获***，其特征在于，所述捕获及锁紧装置（3）包括两块弹片（303）、弹簧（304）、挡块（305）、底座以及承力块（308）；所述底座由圆柱形底座（306）与长方体底座（307）构成，长方体底座（307）固定在圆柱形底座（306）上方；承力块（308）的主体呈长方体形，一端固定在长方体底座（307）侧面，另一端呈金字塔形，且主体两侧在金字塔底部与长方体交界部分做内凹处理；两块弹片（303）分别设置于金字塔底部两侧的内凹处，并配合安装弹簧（304）与挡块（305）；U形挂钩（502）通过挤压弹片（303），通过弹片（303）后，弹片（303）由于弹簧（304）的弹力回归最大位置，限制飞行器上起降挂钩装置退出，此时承力块（308）穿入U形挂钩（502）完成捕获。
6.根据权利要求5所述的飞行器智能起降捕获***，其特征在于，所述承力块（308）四周粘贴有减震缓冲材料。
7.根据权利要求1所述的飞行器智能起降捕获***，其特征在于，起降挂钩装置采用前三点式设置在飞行器底部。
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