一种弹射网捕捉式空中低速无人机回收装置的制作方法

本发明涉及空中低速无人机的回收装置。属于无人机技术领域。

背景技术：

随着航空科技的发展，无人机领域的应用研究也如火如荼。无人机是一种由自身程序控制或由无线电遥控的，用来执行特定任务的无人驾驶飞行器。其具有应用范围广泛，成本低，无人员伤亡风险，生存能力强,机动性能好,隐蔽能力高等特点，在军用、民用等诸多领域均受到了广泛的应用。但相比于无人直升机和多旋翼无人机，其发射和回收具有一定难度。同时，无人机回收时间的长短也将直接影响无人机工作效率，进而影响作战效果。

空基回收是众多回收方法中的一种，美国和俄罗斯最早开始空基回收的研究，这种发射与回收方式通过航程较远、载重较大的母机将子机运输到任务区域，可以极大的增加子机的巡航半径，摆脱了地面机场限制，增大了子机起降的灵活性。然而受技术、风险和成本限制，飞机空基发射与回收技术并没有得到很好的发展。

目前，国际上中小型固定翼无人机的空中回收方式主要包括刚性回收和柔性回收。刚性回收主要包括：机械臂抓取回收、空中钩取回收和空中托盘回收等，但刚性回收机械结构复杂、回收过程控制难度大，且大多处于方案阶段；柔性回收主要是缆绳浮标回收和空中网回收，但柔性回收效率低，同样具有收过程控制难度大的问题，很难实现无人机的批量快速回收。

技术实现要素：

本发明提供一种弹射网捕捉式空中低速无人机回收装置，为了解决现有的无人机回收装置机械结构复杂、回收过程控制难度大的问题，实现精准、可靠及高效回收。

它包括空中回收载机、弹射网式捕捉器b、视觉导航子系统和回收控制子系统d；

所述空中回收载机：用于承载弹射网式捕捉器b、视觉导航子系统和回收控制子系统d，与欲回收的无人机伴随飞行，并用于装载被捕捉到的无人机；

弹射网式捕捉器b：运动到空中回收载机的机舱下开口处，向下弹射出捕捉网，包覆与空中回收与载机伴随飞行的无人机，并拖拽会机舱；

视觉导航子系统：实时采集无人机的视频信号，从而监控欲回收的无人机的位置和姿态；

回收控制子系统d：根据采集到的空中回收载机和欲回收的无人机的相对位置和相对姿态信息，控制弹射网式捕捉器b的工作，从而抵消空中气流的影响，顺利完成捕捉回收工作。

本发明解决了无人机空中精准、可靠及高效回收的问题和提高载机安全性的问题，将弹射网式捕捉系统应用在无人机的空基回收过程中，提出了一种全新、高效和精准的空基回收装置。

附图说明

图1是弹射网式捕捉器的结构示意图。图2是弹射网式捕捉器工作过程的一个示意图。图3是弹射网式捕捉器工作过程的另一个示意图。图4是双立柱桁架机器人子系统和循环料库子系统的结构示意图。图5是双立柱桁架机器人子系统中，可控伸缩带50-3处于收缩状态的结构示意图。图6是回收控制子系统d的结构示意图。图7是无人机与载机的相对位置示意图。图8是无人机回收的四个阶段的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式包括空中回收载机、弹射网式捕捉器b、视觉导航子系统和回收控制子系统d；

所述空中回收载机：用于承载弹射网式捕捉器b、视觉导航子系统和回收控制子系统d，与欲回收的无人机伴随飞行，并用于装载被捕捉到的无人机；

弹射网式捕捉器b：运动到空中回收载机的机舱下开口处，向下弹射出捕捉网，包覆与空中回收载机伴随飞行的无人机，并拖拽会机舱；

视觉导航子系统：实时采集无人机的视频信号，从而监控欲回收的无人机的位置和姿态；

回收控制子系统d：根据采集到的空中回收载机和欲回收的无人机的相对位置和相对姿态信息，控制弹射网式捕捉器b的工作，从而抵消空中气流的影响，顺利完成捕捉回收工作。

在本实施方式中，以运输机为空中回收载机，以中小型低速固定翼无人机为待回收无人机。无人机的翼展尺寸或机身长度不超过载机机舱口60最大截面尺寸。无人机的飞行速度应大于载机巡航飞行速度。

本方案中的弹射网式回收装置是一种快速、高效回收方案，设定回收速率为每分钟不少于一架无人机。为了便于实现无人机的空中回收，将无人机的回收过程分为四个阶段，分别为大范围初始对准阶段、密集编队飞行阶段、预回收阶段与空中回收阶段，如图8所示。

在大范围初始对准阶段，载机和无人机通过一定的预先约定方式各自进入指定空域，并完成初始对准。在密集编队飞行阶段，根据任务规划要求，确定好无人机的回收次序，并以密集编队飞行方式进入等待状态。无人机集群保持密集编队飞行，有利于快速、有序地转换为回收状态。该阶段使用gps导航，保持与载机通讯链路的畅通。

具体实施方式二：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式一作进一步说明，本实施方式中，弹射网式捕捉器b包括铺装仓b1、高压空气仓b2、捕捉网b3,、多个铅坠b4、外壳b5和收网机构b7，具有圆锥形内表面的铺装仓b1设置在外壳b5的前端，捕捉网b3均匀铺在铺装仓b1的圆锥形内表面上，捕捉网b3的后端与收网机构b7固定，铺装仓b1的椎体圆周外侧环绕着高压空气仓b2且封闭的高压空气仓b2向前端开有多个喷口b6，所述多个喷口b6沿着铺装仓b1的圆周方向均匀分布，每个喷口b6中都由一个铅坠b4填充封闭，每个铅坠b4通过连接绳与捕捉网b3的边缘相固定。使用时，随着捕捉命令发出，高压空气仓b2突然施加高压气体，高压气体作用于铅坠b4，使铅坠b4向前飞出，带动捕捉网b3向前飞出。当捕捉网b3与无人机接触后无人机的发动机立即关闭，铅坠b6在惯性作用下会迅速向中心部位汇集，并通过连接绳缠绕在一起，此时拉动收网机构b7从而将无人机拉上来，为了有效降减小关闭发动机后无人机的摆动，以及降低无人机冲量对桁架机器人的影响，在回收网末端安装了旋转阻尼器。无人机的机体上安装背钩使捕捉更可靠。此过程与撒网捕鱼的原理具有异曲同工之处，弹射网式捕捉器工作过程如图2和图3所示。

收网机构b7可以由一段长绳和卷弹簧机构组成，类似于钢卷尺的结构。

具体实施方式三：下面结合图4和图5具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式二的不同点是它还包括双立柱桁架机器人子系统和循环料库子系统，双立柱桁架机器人子系统由两个立柱、横梁50-1、行走机器人50-2、可控伸缩带50-3和真空吸盘50-4组成，两个立柱位于空中回收载机的机舱口60的两侧，横梁50-1固定在两个立柱的顶部，行走机器人50-2沿横梁50-1运动，可控伸缩带50-3的上端固定在行走机器人50-2上，真空吸盘50-4连接在可控伸缩带50-3的下端上；循环料库子系统包括内圈滑道51-1、外圈滑道51-2和多个滑车51-3，内圈滑道51-1与外圈滑道51-2形成同心环形并围绕机舱口60，滑车51-3沿着内圈滑道51-1与外圈滑道51-2组成的双条导轨行走，每个滑车51-3的上表面承载一个弹射网式捕捉器b。

工作时，可控伸缩带50-3初始状态是收缩，并由行走机器人50-2悬吊着真空吸盘50-4到达某个滑车51-3的上方，并实现真空吸盘50-4吸住弹射网式捕捉器b后顶部，弹射网式捕捉器b前端始终朝向下方。然后，行走机器人50-2悬吊着弹射网式捕捉器b先横向运动到达机舱口60的上方，可控伸缩带50-3接到指令，伸长，把弹射网式捕捉器b送出机舱口60，去捕捉无人机。

行走机器人50-2采用齿轮齿条驱动横向移动，运输速度快；可控伸缩带50-3采用多层叉臂铰接结构，伸缩比可达10以上，及其适合在狭小的空间内使用。真空吸盘50-4最大理论吸取压力可以达到以1kg/cm²。因此可以用于小型无人机抓取。

为了提高无人机的空中捕获效率，本发明可以使用三个或三个以上的行走机器人50-2，每个行走机器人50-2携带一套可控伸缩带50-3和真空吸盘50-4，轮换工作。成功捕捉无人机后，桁架机器人子系统将无人机回收到运输机的机舱内，借助于循环料库子系统实现载机舱内无人机的高效回收及码垛，完成回收任务。

双立柱桁架机器人子系统50的可控伸缩带50-3长度受到载机机舱高度、无人机自身尺寸以及载机尾流对无人机的干扰限制，为了确定可控伸缩带50-3长度，建立了双立柱桁架机器人子系统动力学模型，对方案进行了动力学特性仿真。基于仿真结果，本发明中的桁架机器人子系统的可控伸缩带50-3伸长长度设定为10米。

具体实施方式四：下面结合图6具体说明本实施方式。本实施方式主要针对无人机空中回收任务的预回收阶段和空中回收阶段进行研究。无人机空中回收控制原理如图6所示。

回收控制子系统d为一台计算机，其功能结构图如图6所示。1–电视摄像机；2–测距仪；3–视频监视器；5–控制面板；6–无线电发射机；7–姿态参数测量模块；8–无人机相对于电视摄像机光轴的角位置确定模块(下文称之为无人机角位置确定模块)；9–无人机相对于回收装置的线性坐标确定模块(下文称之为无人机线性位置确定模块)；10–回收装置的当前位移确定模块；11–回收装置的预测位置确定模块；12–无人机与载机间进近速度确定模块；13–轨迹校正信号生成模块；14–电视摄像机的视野确定模块；15–画面稳定信号生成模块；16–轨迹图像投影生成模块；17–固定结构参数的存储模块；18–控制和反馈回路调谐模块；19–加法器；20–图像投影切换开关；21–控制模式切换模块；22–电视摄像机视野调节旋钮；23，24–系数调节旋钮。

在图6中，电视摄象机1的信号输出与画面稳定信号生成模块15的信号输入，无人机角位置确定模块8的信号输入以及视频监视器3的信号输入(借助于图像投影切换开关20的第1个触点)相连。图像投影切换开关20的第2、3和4触点与轨迹图像投影生成模块16的信号输出相连。画面稳定信号生成模块15的信号输出与轨迹图像投影生成模块16的信号输入相连。

载机振荡参数测量模块7的信号输出分别与着陆装置的当前位移确定模块10的信号输入，画面稳定信号生成模块15的信号输入以及电视摄像机视野确定模块14的信号输入相连。电视摄像机视野确定模块14输出的图像聚焦信号uzum通过加法器19与电视摄象机1的信号输入相连，加法器19的另一个信号输入端与安装在控制面板5上的电视摄象机视野控制(信号uizum)旋钮22相连。

可以使用与测量载机俯仰角ψ、滚转角γ、偏航角θ以及载机质心垂直位移h的传感器相连的计算机作为载机振荡参数测量模块7。此时，模块7输出的信号是表征载机的俯仰、滚转、偏航以及载机质心垂直振荡的幅值、频率和相位的时间函数ψro(t),,,。如果，载机上配备了导航系统，那么，上述数据直接来自于导航系统。

测距仪2的信号输出分别与无人机线性坐标确定模块9，无人机和载机间进近速度确定模块12，画面稳定信号生成模块15和轨迹图像投影生成模块16的信号输入相连。

根据固定结构参数储存模块17的输出数据计算从回收装置18到载机相应振荡轴的距离值r^γ，r^ψ，r^θ，电视摄像机6相对于回收装置的水平和垂直坐标(z1，y1)以及测距仪2相对于回收装置的水平和垂直坐标(z2，y2)。固定结构参数储存模块17的信号输出分别与电视摄象机视野确定模块14，回收装置的当前位移确定模块10，画面稳定信号生成模块15以及轨迹校正信号生成模块13的信号输入相连。从固定结构参数储存模块17的输出端获取角ψ和θ控制回路的反馈系数的程序值他们与控制和反馈回路调节模块18的第1和第2信号输入端相连，模块18的第3和第4信号输入端与安装在控制面板5上的系数和调节旋钮23和24相连，模块18的输出与轨迹校正信号生成模块13相应的信号输入相连。

在无人机角位置确定模块8的信号输出端生成了无人机的当前角坐标值ψat，θat，模块8的信号输出与无人机线性坐标确定模块9的信号输入相连，无人机线性坐标确定模块9的信号输出(yaφ(t)，zaφ(t))分别与轨迹校正信号生成模块13的信号输入以及轨迹图像投影生成模块16的信号输入相连。

在回收装置的当前位移确定模块10的输出端生成回收装置的当前坐标yro(t)，zro(t)。模块10的信号输出与回收装置的预测位置确定模块11的信号输入相连，模块11的另一个信号输入与无人机和载机间进近速度确定模块12的信号输出相连。回收装置的预测位置确定模块11的信号输出(ypr(t)，zpr(t))分别与轨迹校正信号生成模块13相应的信号输入相连。通过安装在控制面板5上的控制模式切换模块21，轨迹校正信号生成模块13的信号输出(信号ψcor，θcor)与船载无线电发射机6的输入相连。

具体实施方式五：下面结合图7具体说明本实施方式。

当回收任务进入预回收阶段后，无人机根据载机的回收指令进入回收过程的初始位置，启动无人机视觉导航系统，载机上的ccd锁定无人机上的辅助合作光标。将gps导航切换到回收近距离导航系统，无人机开始接受由载机发送的相对导航数据。

无人机的视觉导航子系统包括以下几个部分：(1)辅助识别标志，由2个850nm近红外led组成，安装在无人机的机头；(2)一台ccd摄像机及850nm近红外滤光片，安装在载机上；(3)视觉导航计算机，专门用于图像信号的处理及位姿参数的计算；(4)综合导航计算机，负责接收gps模块、惯性测量元件等传感器的测量数据，并将该数据与视觉导航计算机处理结果进行数据融合，得到飞行控制系统所需的导航数据。该数据有通讯链路传送给无人机，从而无人机控制自身按照预设轨迹飞行，实现准确回收。

当无人机结束预回收任务，进入空中回收阶段后，通过机载的载机运动轨迹预测与定位系统，根据载机与无人机的相对距离、速度及加速度，控制无人机的运动方位，以满足空中回收的相对位置的需求。然后，对其进行向前n步预测。

如，无人机机可通过最近时刻的3组位置信息推测出下一个时刻载机的运动轨迹与飞行参数。无人机与载机在导航标系中的运动轨迹如图7所示。

假设无人机t与载机r在导航标系中无人机与载机当前位置为ti+1与ri+1。它们在同一时刻对应位置序列表示即t1，t2，t3，…，ti-1，ti，ti+1和r1，r2，r3，…，ri-1，ri，ri+1。将其测量的无人机与载机相对位姿转换为载机在导航坐标系内的位置。

根据载机的运动学方程可知，当前时刻以后t时间的预测无人机运动轨迹。以第i时刻为例，设无人机的相对位姿估算值为δti，载机在导航坐标系内的位置ti可表示为

ti＝ri+δti

其中无人机ri的位置坐标。

可得在某一时刻t载机与无人机之间距离f(t)。根据空中回收策略可知在回收阶段需控制无人机飞行轨迹r(t)满足：

即无人机与载机若以当前的飞行轨迹飞行，它们经一段时间后二者间距最小，另外还要调整无人机的飞行方向使其与载机平行飞行，即确定的无人机飞行方向。

当无人机进入捕捉区域后，弹射网式捕捉器进入工作状态。其中，弹射网式捕捉器由空气仓、网仓、捕捉网、捕捉网回收组件、旋转阻尼器等组成。为了提高无人机捕获概率，本专利中的弹射捕捉网完全张开后的直径为无人机翼展的2-3倍。