面向小型舰船的无人机着陆制动装置

1.本发明涉及在小型舰船上的无人机着陆技术，属于无人机着陆制动技术领域。


背景技术：

2.固定翼无人机在小型舰船上着陆时，受舰船空间的限制一般不允许直接降落在甲板上。陆地上经常采用“撞网回收”和“全地形回收”方式也不适合海上回收，一旦回收失误，无人机将有可能撞在舰船的建筑、雷达等相应的设施上。世界上普遍使用的海上无人机回收方式，是让无人机飞到军舰附近海域，利用伞降方式降落在海中，再进行人工回收。不过，这种耗时费力、风险较高的回收方式，需要对无人机进行防护处理。关于无人机在小型舰船上着陆的问题，至今仍没有令人满意的解决方案。尤其是大质量和高着陆速度的固定翼无人机，其着陆问题变得尤其复杂。为此，美国国防预研局(darpa)研发了“侧臂”舰上无人机回收设备(sidearm)，它是一个下方安装了拦截索与弹性网的短轨，当无人机进通过轨道下方，无人机上的捕捉勾扣到拦截索，网子就会就会精准拦住并停下无人机，这套设备体积小、精准度高，既是回收装置也是发射装置，有效解决了无人机在小型舰船上安全着陆问题，当无人机在“侧臂”式回收装置上着陆时，制动距离的长度变得尤为重要，其决定着回收装置的尺寸以及将其放置在小型舰船或其他移动平台针对制动性能要求较高，现有“侧臂”舰上无人机回收设备(sidearm)的制动距离大，导致回收装置整体尺寸相对长，制动性能相对差。
3.因此，针对以上不足，需要提供一种能够有效缩小制动距离的无人机捕获技术，使得无人机回收装置整体尺寸进一步缩小，以提高制动性能，使其适用于更小型舰船或其他移动平台。


技术实现要素：

4.针对现有无人机回收装置制动距离大导致制动性能不高问题，本发明提供一种面向小型舰船的无人机着陆制动装置。
5.本发明所述面向小型舰船的无人机着陆制动装置，包括u型上盖100、滚轮单元200、压板弹簧单元300、导轨400和捕获单元500；压缩压板弹簧单元300包括铰接在一起的平坦压板30和弓形弹簧31；
6.u型上盖100和捕获单元500沿运行方向并列安装在导轨400上的首末端；
7.u型上盖100为向下开口，u型上盖侧板内壁首末铰接点分别铰接支撑双弧结构的压板弹簧单元300的两端，滚轮单元200由导轨400支撑沿该导轨滚动；
8.捕获单元500用于捕获无人机，并通过绳索拉动滚轮单元200沿导轨400向末端滚动，滚轮单元200沿平坦压板30下表面向末端滚过程中推动弧形压板30绕首端铰接点向上转动，进而在竖直方向压缩弓形弹簧31以开始无人机制动，制动过程中无人机的动能转换为摩擦热能和弹性势能，直至滚轮单元200滑至导轨400的末端锁止，完成无人机制动着陆。
9.优选地，u型上盖100包括两个侧板10和顶盖，两个侧板10下部沿长度方向开有长
条孔11，两个长条孔11用于约束滚轮单元200沿导轨方向滚动，所述长条孔11末端设置有凹槽作为锁止槽12；两个侧板10的首端顶部对称设置一对安装孔，并通过一号旋转铰链13与平坦压板30的首端铰接，两个侧板10的末端顶部对称设置一对安装孔，并通过二号旋转铰链14与弓形弹簧31的末端铰接，平坦压板30的末端与弓形弹簧31的首端通过三号旋转铰链32铰接；
10.两个侧板10的底部均具有外翻安装沿。
11.优选地，导轨400包括向上开口的u型架40，u型架40内部设90
°
v型导轨，u型架40的底板中段设置镂空工作空间41，作为压缩压板弹簧单元300形变所需空间；
12.u型架40的两个侧板上端和下端均设置外翻安装沿，分别为上端安装沿42和下端安装沿43，所述上端安装沿42与u型上盖100的外翻安装沿通过螺钉安装在一起，所述下端安装沿43用于与外部连接。
13.优选地，滚轮单元200包括滚轮20和绳索接头21，滚轮20两侧45
°
倒角，与u型架40的90
°
v型导轨构成滚动副，滚轮20的滚轴置于长条孔11内，滚轴两个端部分别铰接一个绳索接头21。
14.优选地，捕获单元500包括绳索51、滑轮支座52、定滑轮组、绳索挡板55和绳索挡杆56；
15.一对滑轮支座52通过螺钉对称安装于u型上盖100末端，每个滑轮支座52中安装一个滑轮组，滑轮组由上定滑轮53和下定滑轮54构成，绳索挡杆56架设在两个滑轮支座52顶端，每个滑轮支座52顶端设置一个绳索挡板55，用于限定绳索挡杆56以防止其从滑轮组脱落；
16.绳索51的两个端头同时从绳索挡杆56两端穿出，分别绕过两个滑轮组后与滚轮单元200的两个绳索接头21固连，绳索51的中段与绳索挡杆56组成口形捕获端，用于捕获无人机，无人机拉动绳索51，进而带动滚轮20沿导轨400向末端滚动。
17.优选地，平坦压板30采用平坦的且绝对刚性板材，弓形弹簧31采用非线性的弓形弹簧。
18.本发明提供另一个技术方案：面向小型舰船的无人机着陆制动方法，该方法为：
19.利用绳索51捕获无人机，绳索51被无人机拉动、在滑轮组的导向下拉动滚轮向末端滚动，滚轮20推动平坦压板30绕首端铰接点向上转动，进而竖直方向压缩弓形弹簧31以开始无人机制动，制动过程中无人机的动能转换为滚轮20与导轨400之间的摩擦热能、滚轮20与平坦压板30之间的摩擦热能和弓形弹簧31的弹性势能，当滚轮20两侧的转轴滑入u型上盖100两侧长条孔11末端的锁止槽12内时，借助弓形弹簧31施加在平坦压板30上的推力实现滚轮20的锁止，完成无人机在小型舰船上的着陆。
20.本发明的有益效果：本发明提出的面向小型舰船的无人机着陆制动装置，采用压板与弓形弹簧配合作为制动储能关键部件，将无人机制动过程中的动能转换为滚轮与导轨之间的摩擦热能、滚轮与压板之间和弓形弹簧的弹性势能，弓形弹簧被压缩形变，且该形变主要占用竖直方向的空间，有效缩小水平制动距离，当滚轮两侧的转轴滑入u型上盖两侧长条孔末端的锁止槽内时，弓形弹簧的储存的势能达到最大值，对与弓形弹簧铰接的压板端具有向下推力，借助弓形弹簧施加在压板上的推力将滚轮转轴锁止在锁止槽内，完成无人机在小型舰船上的着陆。
21.本发明制动装置简单，且巧妙的利用竖直空间来弥补小型舰船水平空间的不足，缩小制动距离，使制动装置小型化。
附图说明
22.图1为本发明的制动装置立体结构示意图；
23.图2为本发明的制动装置的侧面剖视图；
24.图3为本发明的制动装置的滚轮机构与导轨的立体结构示意图；
25.图4是导轨立体结构示意图；
26.图5为本发明的制动装置初始状态下的原理简图；
27.图6为本发明的制动装置锁止状态下的原理简图；
28.图7为本发明的不同比率l
p0
/l下的制动装置静态特性f
x
(x
p
)变化曲线图；
29.图8为本发明的不同初始倾角α0下的制动装置静态特性f
x
(x
p
)变化曲线图；
30.图9为本发明的不同刚度c下的制动装置的静态特性f
x
(x
p
)变化曲线图；
31.图10为本发明的不同预紧力f0下的制动装置的静态特性f
x
(x
p
)变化曲线图；
32.图中：
33.100、u型上盖；
34.10、侧板；11、长条孔；12、锁止槽；13、一号旋转铰链；14、二号旋转铰链；
35.200、滚轮单元；
36.20、滚轮；21、绳索接头；
37.300、压板弹簧单元；
38.30、平坦压板；31、弓形弹簧；
39.400、导轨；
40.40、u型架；41、镂空工作空间；42、上端安装沿；43、下端安装沿；
41.500、捕获单元；
42.51、绳索；52、滑轮支座；53、上定滑轮；54、下定滑轮；55、绳索挡板；56、绳索挡杆。
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
44.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
45.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
46.具体实施方式一：下面结合图1～10说明本实施方式，本实施方式所述面向小型舰船的无人机着陆制动装置，包括u型上盖100、滚轮单元200、压板弹簧单元300、导轨400和捕获单元500；平坦压板30弓形弹簧31
47.u型上盖100和捕获单元500沿运行方向并列安装在导轨400上的首末端；u型上盖100和捕获单元500之间有少许距离。
48.u型上盖100为向下开口，u型上盖侧板内壁铰接支撑压板弹簧单元300，压缩压板弹簧单元300包括铰接在一起的平坦压板30和弓形弹簧31，平坦压板30采用平坦的且绝对刚性板材，弓形弹簧31采用非线性的弓形弹簧；平坦压板30首端与u型上盖100首端铰接点铰接，平坦压板30末端与弓形弹簧31首端铰接，弓形弹簧31末端与u型上盖100的末端铰接点铰接；u型上盖100首、末端铰接点分别设置侧板首、末端偏上位置，滚轮单元200由导轨400支撑沿该导轨滚动；
49.捕获单元500用于捕获无人机，并通过绳索拉动滚轮单元200沿导轨滚动，滚轮单元200在滚动过程中推动平坦压板30绕首端铰接点向上转动，进而竖直方向压缩弓形弹簧31以开始无人机制动，制动过程中无人机的动能转换为摩擦热能和弹性势能，直至滚轮单元200滑至导轨末端锁止，完成无人机制动着陆。
50.u型上盖100包括两个侧板10和顶盖，两个侧板10下部沿长度方向开有长条孔11，两个长条孔11用于约束滚轮单元200沿导轨方向滚动，且能够在竖直方向承受大的载荷，该载荷包括滚轮单元200的重力及平坦压板30对滚轮单元200的反向推力，所述长条孔11末端设置有凹槽作为锁止槽12；两个侧板10的首端顶部对称设置一对安装孔，并通过一号旋转铰链13与平坦压板30的首端铰接，两个侧板10的末端顶部对称设置一对安装孔，并通过二号旋转铰链14与弓形弹簧31的末端铰接，平坦压板30的末端与弓形弹簧31的首端通过三号旋转铰链32铰接；
51.两个侧板10的底部均具有外翻安装沿。
52.导轨400包括向上开口的u型架40，u型架40内部设90
°
v型导轨，滚轮单元200包括滚轮20和绳索接头21，滚轮20两侧45
°
倒角，与u型架40的90
°
v型导轨构成滚动副，滚轮20的滚轴置于长条孔11内，滚轴两个端部分别铰接一个绳索接头21。u型架40的底板分三部分，首端大概三分之一具有板状底部，用于支撑滚轮20，末端设置一窄条底部，用于力学框架支撑，u型架40的底板中段近三分之二的区域设置镂空工作空间41，上下通透，作为压缩压板弹簧单元300形变所需空间，未形变时，平坦压板30与水平面的初始夹角大，倾斜设置，平坦压板30与弓形弹簧31的铰接点穿过镂空工作空间41位于导轨400下方，被压缩时，平坦压板30以首端铰接点为中心向上转动，平坦压板30与水平面的夹角变小，平坦压板30与弓形弹簧31的铰接点向上移动，最终高于底板高度，弓形弹簧31的形变主要为竖直方向，节省了有限的水平空间，缩短了水平制动距离；
53.u型架40的两个侧板上端和下端均设置外翻安装沿，分别为上端安装沿42和下端安装沿43，所述上端安装沿42与u型上盖100的外翻安装沿通过螺钉安装在一起，所述下端安装沿43用于与外部连接。
54.捕获单元500包括绳索51、滑轮支座52、定滑轮组、绳索挡板55和绳索挡杆56；
55.一对滑轮支座52通过螺钉对称安装于u型上盖100末端，每个滑轮支座52中安装一个滑轮组，滑轮组由上定滑轮53和下定滑轮54构成，绳索挡杆56架设在两个滑轮支座52顶端，每个滑轮支座52顶端设置一个绳索挡板55，用于限定绳索挡杆56以防止其从滑轮组脱落；
56.绳索51的两个端头同时从绳索挡杆56两端穿出，分别绕过两个滑轮组后与滚轮单元200的两个绳索接头21固连，绳索51的中段与绳索挡杆56组成口形捕获端，用于捕获无人机，无人机拉动绳索51，进而带动滚轮20沿导轨400向末端滚动。
57.两个滑轮支座52分别固定在导轨400的两侧，两个滑轮支座52中间的区域是空闲的，不会防碍弓形弹簧31竖直方向形变时同时存在向末端的水平形变空间。每个滑轮支座52安装一个滑轮组，上定滑轮53和下定滑轮54在水平面上的投影重合，滑轮组起到导向作用，将绳索51拉动滚轮20产生的水平运动方向转换为竖直运动方向，绳索51从上定滑轮53向上穿入绳索挡杆56的两端，绳索挡杆26与绳索51固连，位于上定滑轮53上方，其作用在于一方面避免绳索51脱离上定滑轮53，另一方面确保绳索51始终与上定滑轮53保持相切；绳索挡板55通过螺钉与滑轮支座52固连，其作用在于限位，避免绳索挡杆56从上定滑轮53上方脱落；绳索51中段与绳索挡杆56呈口字形，便于捕获无人机。
58.具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式所述面向小型舰船的无人机着陆制动方法，该方法基于实施方式一所述面向小型舰船的无人机着陆制动装置实现，该方法为：
59.利用绳索51捕获无人机，绳索51被无人机拉动、在滑轮组的导向下拉动滚轮20向末端滚动，滚轮20推动平坦压板30绕首端铰接点向上转动，进而竖直方向压缩弓形弹簧31以开始无人机制动，制动过程中无人机的动能转换为滚轮20与导轨400之间的摩擦热能、滚轮20与平坦压板30之间的摩擦热能和弓形弹簧31的弹性势能，运动速度迅速下降，当滚轮20两侧的转轴滑入u型上盖100两侧长条孔11末端的锁止槽12内时，弓形弹簧的储存的势能达到最大值，对与弓形弹簧铰接的压板端具有向下推力，借助弓形弹簧施加在压板上的推力将滚轮转轴锁止在锁止槽内，完成无人机在小型舰船上的着陆。
60.参见图5，在初始位置没有来自无人机推力的情况下，平坦压板30的倾斜角α0＝arctan(z
p0
/x
p0
)，p点为滚轮20与平坦压板30的接触点，以平坦压板30首端铰接点为圆心建立坐标系，z
p0
为初始位置时p点的z轴坐标，x
p0
为初始位置时p点的x轴坐标。在初始位置处，弓形弹簧31可以完全放松，即作用在平坦压板30上的预紧力f
spr
＝0，也可以预先压缩弓形弹簧31，即f
spr
＝f0。本实施方式进行理论分析时设定平坦压板30为平坦的且绝对刚性。平坦压板30与弓形弹簧31接触点在z轴上的初始坐标z
spr0
＝l sinα0。
61.当滚轮20沿x轴的位移x
p
》x
p0
时，平坦压板30的倾斜角：
[0062][0063]
式中，z
p
为任一位置时p点的z轴坐标，x
p
为任一位置时p点的x轴坐标。
[0064]
滚轮20半径为r
p
，平坦压板30与滚轮20接触点的坐标z
p
由以下关系式确定：
[0065]zp
＝z
p0
r
p
[cosα
0-cosα(x
p
)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0066]
式中，α(x
p
)为p点的x坐标为x
p
时平坦压板30与水平面的夹角；
[0067]
当lcosα0》》r
p
时，可以取z
p
≈z
p0
。其中l为平坦压板30的长度。
[0068]
弓形弹簧31作用在平坦压板30上的力：
[0069]fspr
(x
p
)＝f0 cl[sinα
0-sinα(x
p
)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0070]
其中，f
spr
(x
p
)为p点的x坐标为x
p
时弓形弹簧31作用在平坦压板30上的力；c
–
弓形弹簧31刚度。
[0071]
平坦压板30作用在滚轮20上的力：
[0072][0073]
其中，f
p
(x
p
)为p点的x坐标为x
p
时平坦压板30作用在滚轮20上的力，x
spr
为平坦压
板30与弓形弹簧31铰接点在x轴上的坐标。
[0074]fx
(x
p
)的静态特性由以下关系式确定：
[0075]fx
(x
p
)＝f
p
(x
p
)sinα(x
p
) k
frfp
(x
p
)cosα(x
p
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0076]
其中，k
fr
–
摩擦系数。
[0077]
综上，通过关系式(1)
–
(5)可以完全确定滚轮20的初始位置坐标z
p0
，x
p0
，以及取决于设计参数(l，α0，c，f0，k
fr
)的制动装置的静态特性f
x
(x
p
)。
[0078]
根据无人机的着陆速度，在严格约束制动距离和允许过载的情况下，希望能够改变制动装置的静态特性。因此，通过下面的示例来阐述设计参数对静态特性的影响。制动装置的设计参数：l＝1m；c＝10000n/m；α0＝30
°
；k
fr
＝0.1；f0＝0n。
[0079]
滚轮20初始位置z
p0
，x
p0
对制动装置的静态特性影响由比率l
p0
/l估算，其中，l
p0
–
滚轮20与平坦压板30接触点的初始坐标和坐标原点之间的距离。对于不同的比率l
p0
/l，制动装置的静态特性f
x
(x
p
)变化曲线如图7所示。
[0080]
从图7可以看出，当滚轮20位移x
p
处于[0m,0.5m]区间时，滚轮20初始位置对制动装置的静态特性f
x
(x
p
)有很大的影响，当滚轮20的位移x
p
》0.5m时，滚轮20初始位置对制动装置的静态特性f
x
(x
p
)几乎没有影响。
[0081]
对于不同的初始倾角α0，制动装置的静态特性f
x
(x
p
)变化曲线在图8所示。
[0082]
从图8可以看出，随着平坦压板30倾角α0的增加，静态特性曲线形状保持不变，制动力增加。
[0083]
对于不同的弓形弹簧31刚度c，制动装置的静态特性f
x
(x
p
)变化曲线如图9所示。对于不同的弓形弹簧31预紧力f0，制动装置的静态特性f
x
(x
p
)变化曲线在图10所示。
[0084]
从图9可以看出，弓形弹簧31刚度c的增加会导致制动力成比例地增加。在这种情况下，静态特性f
x
(x
p
)曲线的形式保持不变。从图10可以看出，弓形弹簧31预紧力f0会显着地改变了静态特性曲线初始段的形状，并且制动力在初始段显著增加。
[0085]
需要注意的是，调整某些结构参数能够在较大范围内改变制动装置的静态特性，同时保持制动力随滚轮20前进而减小的基本特性。制动力的变化率在[0,l]区间段内达到最大值。
[0086]
通过增加弓形弹簧31预紧力f0或改变滚轮20的初始位置(即减小比率l
p0
/l)，可以最有效地控制静态特性曲线f
x
(x
p
)的初始段斜率的增加。
[0087]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。