一种轻小型多旋翼无人机应急伞降系统的制作方法

1.本发明属于飞行器回收与着陆技术领域，涉及一种适用于轻小型多旋翼无人机的应急伞降系统。


背景技术：

2.轻小型多旋翼无人机具有体积小、可垂直起降、定点悬停等优点，不仅广泛应用于航空摄影、快递运输、农业植保等商业领域，而且还应用于敌后侦查、战场突击、后援补给等军事领域，已经成为世界各国争相研发的对象。轻小型多旋翼无人机的工作场景较为特殊，飞行高度离地面相对高度较低、地面人群较多、周边建筑物群密集，多旋翼无人机发生坠机事件后，不仅会损坏机体结构，造成所携带有效载荷的失效，而且还会造成地面人员及周边建筑的破坏。
3.多旋翼无人机事故多发生在空中飞行和降落过程，针对空中飞行的情况，一部分原因是多旋翼无人机在空中发生碰撞，致使机体损坏后完全失去控制的情况；另一部分原因是无线控制的无人机很容易受到干扰，在靠近建筑物、大树、山体时容易受到遮蔽而丢失无线电信号、gps信号，最终导致飞行控制信号丢失，失去控制发生坠毁。随着多旋翼无人机执行飞行任务的复杂性呈指数型增长，再加上某些无人机自身结构和控制系统匹配性较差，无人机出现事故的几率大大增加。
4.大多数无人机缺少安全保护功能，性能稳定、安全可靠的控制系统可能因为环境影响、电子设备损坏等而产生故障，进而发生坠毁事故。为扩展其应用领域、保证无人机安全可靠运行，特别是在人员、建筑密集的运行区域，针对轻小型旋翼无人机配备应急回收系统成为不可阻挡的趋势。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：针对轻小型多旋翼无人机应急回收系统的成本低、可靠性高、重量轻的需求，本发明设计一种适用于轻小型多旋翼无人机的低成本高可靠应急伞降系统。
6.本发明解决技术的方案是：一种轻小型多旋翼无人机应急伞降系统，包括：减速伞组件、动力源组件、伞舱结构组件；
7.所述伞舱结构组件用于放置减速伞组件和动力源组件
8.所述减速伞组件用于将出现故障的无人机的着陆速度减速到规定要求下；
9.所述动力源组件采用车规级别的气体发生器mgg作为动力源，用于弹出减速伞组件弹出，确保减速伞组件内的减速伞拉直开伞。
10.优选的，所述伞舱结构组件包括筒盖、牵顶绳固定件、密封圈、剪切销、筒体、活塞、减速伞吊座；
11.密封圈放置于筒盖凹槽内侧，与筒体为过盈配合，由筒体和筒盖组成封闭空间，所述筒盖由剪切销约束；活塞放置在上述封闭空间内并将所述封闭空间分成上下两部分空
间，下部分空间用于安装气体发生器mgg并作为mgg的建压空间，减速伞吊座安装在所述下部分空间；上部分空间用于放置减速伞组件，并安装牵顶绳固定件。
12.优选的，还包括缓冲防护带，所述的缓冲防护带安装在筒壁内侧，用于mgg工作瞬间的缓冲，避免mgg破坏筒体。
13.优选的，所述的减速伞组件包括牵顶绳、减速伞、连接环、减速伞吊带；
14.牵顶绳与筒盖上的牵顶绳固定件相连接，用于连接减速伞顶孔绳与筒盖；连接环作为伞绳和减速伞吊带的连接承载结构，减速伞吊带的一端与连接环相连，另一端与减速伞吊座连接，负责将载荷传递给筒体。
15.优选的，所述减速伞采用轻型特纺材料制作，面密度不超过23g/m2，回收重量不大于8.5kg时，稳降速度不大于4m/s，自身总重量不超过220g。
16.优选的，所述的减速伞吊带数量为三根，减速伞吊座数量与减速伞吊带数量相同，均布安装在筒体的侧壁。
17.优选的，放置在上部分空间内的减速伞处于被压实状态。
18.优选的，所述车规行业的气体发生器mgg通过mgg固定件固定在筒体底部，工作时产生的碰撞气体会提供活塞向上运动的力，其mgg提供的轴向力的方向朝向筒体内壁。
19.优选的，所述减速伞组件、动力源组件、伞舱结构组件采用模块化设计，便于拆装及可重复使用。
20.一种利用所述多旋翼无人机应急伞降系统实现的无人机应急降落方法，包括：
21.当需要应急降落时，无人机发出点火指令，气体发生器mgg起爆点火开始工作，产生气体扩散至活塞与筒体组成的下部分密闭空间，建立起推动活塞运动的压力空间；
22.活塞底部受到压力推动开始作功，在mgg燃气推动下剪断剪切销，继续加速运动，将减速伞推出筒体，当运行到减速伞连接环位置处停止，此时减速伞已经被弹射出舱；
23.减速伞以正拉方式出舱后，在空中快速展开充气，从而产生气动力，待减速伞产生的气动力与无人机重力平衡后，无人机处于稳降状态，达到安全着陆的目的。
24.本发明与现有技术相比的有益效果是：
25.本发明满足轻小型多旋翼无人机应急伞降回收需求，确保运行过程中地面人和物的安全。筒盖、筒体和活塞等结构组件为碳纤维增强复合材料，减速伞为轻质特纺材料，开伞动力源采用微型气体发生器。该系统成本低、重量轻、可靠性高、环境适应范围广，不仅可有效提高无人机发生应急故障坠落后的生存率，还可以降低地面人员和周边建筑承受二次伤害的概率，更好的服务于市场。
26.本发明适用于轻小型多旋翼无人机的应急伞降回收，回收重量范围在8kg～10kg，最低开伞高度为40m(相对地面高度，海拔高度约100m)，最低着陆速度可达到3.5m/s。
27.本发明利用成熟的、低成本的车规气体发生器进行火工品作动，实现减速伞的出舱，所研制的筒体能够短时间承受爆压68mpa(10ml)；
28.本发明可靠性高、成本低、储存寿命时间长，自身重量不大于380g，环境适用范围广，适用温度范围为-20℃～50℃，相对湿度范围为70％rh～95％rh，满足ip54防尘防水条件，中性盐雾浓度适用范围5％
±
1％。
29.本发明利用安装于筒盖的剪切销和密封圈的设计有效解决了应急伞降系统对密封性的高要求，避免了筒体内部受外界环境的影响。本发明在减速伞伞衣全部浸湿后也可
正常开伞减速，使得无人机安全性得到大大提高。
30.本发明采用模块化设计，拆卸组装方便，可重复性使用。
附图说明
31.图1为应急伞降系统工作过程示意图；
32.图2为减速伞组件压缩过程及受力示意图；
33.图3为无人机应急回收系统组成示意图。
具体实施方式
34.下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
35.一种轻小型多旋翼无人机的应急伞降系统包括减速伞组件、动力源组件、结构组件。
36.减速伞组件的功能是将出现故障的无人机的着陆速度减速到规定要求下。
37.动力源组件采用车规级别的气体发生器(mgg)作为动力源，其功能是将减速伞组件等以一定的速度弹出筒体，确保减速伞组件内的减速伞拉直开伞。
38.结构组件功能是：
39.1)容纳减速伞组件、mgg、mgg线束；
40.2)能够将mgg固定在筒体底部；
41.3)能够满足mgg转接电缆穿线连接功能；
42.4)能够实现密封功能，满足ip54防尘防水；
43.5)能够承受mgg工作瞬间产生的爆压；
44.6)保障减速伞出舱过程顺滑，无多余物影响；
45.7)弹伞过后，无其它物品散落，能够实现筒盖、活塞等物品的回收；
46.8)连接减速伞组件。
47.图3给出本发明结构组件一优选实现方式，包括筒盖1、牵顶绳固定件2、密封圈3、剪切销4、筒体5、活塞7、减速伞吊座6、缓冲防护带。筒盖用于封闭筒体。密封圈放置于筒盖凹槽内侧，与筒体为过盈配合，主要是防止气体泄漏，保证工作性能稳定，同时在贮存期间防止筒体内各组件进尘进水。采用剪切销的形式约束筒盖，剪切销为两侧剪切，起着两个作用，一方面用于固定筒盖，另一方面用于约束筒盖、筒体构造火工品的建压空间，为减速伞出舱提供必须的初始动能。
48.筒体采用碳纤维复合材料，用于容纳减速伞组件、mgg、mgg线束，和筒盖组成封闭空间，实现密封功能，承受mgg9工作瞬间产生的爆压。筒体强度为各项异性，需确保筒体壁面沿轴线(从筒体底部至筒体顶端)方向的强度大于剪切销的剪切强度。
49.活塞与筒体组成mgg的建压空间，活塞是应急伞降系统的直接作功部件，通过活塞的直线运动完成减速伞的出舱。活塞完成工作后束缚在减速伞的连接环处，避免对人员、建筑造成二次伤害。
50.减速伞吊座用于连接减速伞吊带，每个减速伞吊座采用两个m3螺钉固定在筒体内侧，共3个减速伞吊座。
51.所述的减速伞组件包括牵顶绳、减速伞(图3中10指示的放置位置)、连接环、减速
伞吊带。
52.牵顶绳与筒盖上的牵顶绳固定件2相连接，用于连接减速伞顶孔绳与筒盖，防止弹伞过程中，筒盖砸伤行人或者造成建筑物的二次危害。减速伞采用轻型特纺材料制作，该材料具有耐高温、耐盐雾、重量轻的特点，面密度不超过23g/m2，回收重量不大于8.5kg时，稳降速度不大于4m/s，自身总重量不超过220g。减速伞采用常规伞型，折叠包装于筒体内，紧密压实后，不采用伞包固定，充气展开后提供气动力，用于无人机的减速着陆。连接环作为伞绳和吊带的连接承载结构，占用体积小，可以将伞绳传递过来的开伞载荷、气动力等载荷，安全可靠的传递至减速伞吊带。单根减速伞吊带一端与连接环相连，一端与位于筒体底部的减速伞吊座相连，负责将开伞载荷、气动力等载荷传递给筒体。两端的绳结固定方式都为收口节，防止减速伞吊带脱落。减速伞吊带数量为三根。
53.所述的动力源采用mgg。本发明为首次采用车规行业微型气体发生器(mgg)作为弹射开伞的动力源，该mgg占用空间体积小、爆压高(10ml爆压68mpa)、可靠性高，用于提供减速伞出舱的动力。气体发生器mgg9通过mgg固定件8固定在筒体底部，缓冲防护带用于mgg工作瞬间的缓冲，避免mgg破坏筒体。
54.工作过程
55.应急伞降系统的工作过程如图1所示，如下：1)无人机飞行；2)出现故障后，螺旋桨停桨；送应急伞降系统启动信号，利用mgg将减速伞弹出无人机螺旋桨绕流区；3)减速伞以正拉方式出伞，减速伞在气流作用下开伞，并使无人机减速；4)无人机最终以较低的速度降落于地面。
56.工作原理
57.mgg将减速伞弹出筒体过程，将加压密实放置的伞衣假设为具有可压缩性的质量体，压缩过程及受力情况如图2所示，(a)中初始状态，该状态下减速伞组件a2在筒盖1的作用下处于压实状态；(b)为弹伞瞬间状态。该状态下压力空间内的膨胀气体b7推动活塞7作功，顶开筒盖1，顶开筒盖后会形成一个空腔b4，此时被压实的减速伞组件a2变成被压实的减速伞组件b6和不在压实的减速伞组件b5。
58.计算式为，
[0059][0060][0061][0062]
式中，v
sh
、v
p
分别为筒盖和伞衣组件的速度，m/s；fg、f
pt
和f
τ
分别为弹射推力、伞衣组件内弹力和剪切销的剪切力，n；f
sh
、f
pt
分别为筒盖和伞衣组件的摩擦力，n；m
sh
、m
pt
分别为筒盖和伞衣组件质量，kg；p为筒体建压空间内的燃气压力，pa；a为活塞面积，m2；
△
x为压实伞衣的变形率；f
ptmax
和
△
x
max
分别为压实伞衣的弹力和伸长率。
[0063]
从上述分析可以看出气体膨胀可以将减速伞弹出伞舱。
[0064]
应急伞降系统的详细工作原理如下：
[0065]
当无人机发出点火指令，放置于筒体底部的mgg发火线路被接通，mgg内的起爆器在电流作用下起爆发火，然后点燃mgg主装药，药剂燃烧产生高温高压气体扩散至活塞与筒体组成的密闭空间，建立起推动活塞运动的压力空间。
[0066]
由于放置在活塞顶端的减速伞伞衣处于被压实状态，可以将其等效为一个密实的柔性质量块。活塞在工作前被密实的伞衣柔性质量块压住，伞衣上部贴合筒盖，而筒盖又和密封圈过盈配合再加上嵌入筒体的剪切销固定，使得活塞被约束，防止飞行中因振动冲击发生运动。活塞底部受到压力推动开始作功。
[0067]
活塞在mgg燃气推动下剪断剪切销，继续加速运动，将伞衣推出筒体，当运行到减速伞连接环位置处停止，此时减速伞已经被弹射出舱。
[0068]
减速伞以正拉方式出舱后，在空中快速展开充气，从而产生气动力，进而使得无人机的垂直方向速度快速下降，待减速伞产生的气动力与无人机重力平衡后，无人机处于稳降状态，达到安全着陆的目的。
[0069]
本发明具有开伞高度低、着陆速度低、可靠性高、成本低、自身重量低、环境适应范围广，可在减速伞伞衣全部浸湿的条件下开伞，满足目前轻小型多旋翼无人机的应急回收需求。该发明主要适用于轻小型多旋翼无人机在故障条件下的应急回收，包括不限于影视航拍、农林植保、电力巡检、快递物流、安防应急、航空测绘以及交通执法方面的无人机安全回收。
[0070]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。