自动化无人机连续发射系统

1.本实用新型涉及无人机领域，具体地说是一种自动化无人机连续发射系统。


背景技术：

2.无人机具有成本低、结构简单、损伤冗余度高等优势，无人机机体携带小载重载荷即可在对地、对空等复杂作战任务中发挥作用，但面对海上侦察或其他海上作业时，由于无人机自重过小，航程受限，不适宜在远处进行侦察，而舰载甲板上起飞的无人机则克服了无人机自身航程小、航时短的问题，使用时将无人机载于船上，用船将无人机带至侦察范围内，可根据需要自主弹射多发无人机以执行海上侦察打击等复杂任务，通过上述方式也极大地拓展了无人机的海上作战范围，同时还保留了无人机的作战优势。
3.目前，无人机的弹射器技术相对成熟，类型上主要分为弹力绳式、气压式、电磁式等，覆盖量级从1kg到30kg，经常用于在陆地上的小型无人机起飞，但是在舰船上的应用还不成熟，其主要受限于海浪引起的船体晃动，使无人机的起飞姿态十分不稳定，目前只能在平稳的海域或者具有较大排水量的平稳船体上进行起飞。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种自动化无人机连续发射系统，利用调整平台补偿海浪引起的船体运动，从而保证无人机能够不受海浪影响顺利起飞，尤其适用于易受海浪影响的小型舰船。
5.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
6.一种自动化无人机连续发射系统，包括弹射器、调整平台、升降调节装置和控制系统，调整平台通过三个升降调节装置支撑，且所述升降调节装置下端安装于船体上，弹射器设于调整平台上，无人机设于弹射器上，各个升降调节装置的伸缩量通过所述控制系统控制，且所述控制系统根据船体运动计算升降调节装置的伸缩量。
7.两个升降调节装置位于所述调整平台的前端两侧，另一个升降调节装置位于所述调整平台的后端中部。
8.所述弹射器包括弹射器滑轨、弹射器气泵、无人机滑座和弹射器前支脚，其中弹射器滑轨前端通过弹射器前支脚支撑，且所述弹射器前支脚和弹射器气泵均安装于所述调整平台上，弹射器滑轨后端设于所述调整平台上，所述无人机滑座与所述弹射器滑轨滑动连接，无人机放于所述无人机滑座上。
9.所述无人机滑座两侧侧板上均设有卡槽，无人机两侧均设有卡销，且无人机放于无人机滑座上时，所述卡销置于对应的卡槽中。
10.所述无人机滑座侧板前端和后端各设有一个卡槽，且两个卡槽高度不同。
11.本实用新型的优点与积极效果为：
12.1、本实用新型利用调整平台补偿海浪引起的船体运动，从而保证无人机能够不受海浪影响顺利起飞，适用于各种海况下无人机弹射，尤其适用于易受海浪影响的小型舰船。
13.2、本实用新型的控制系统根据lqr最优控制理论对各个升降调节装置的升降伸缩量进行调节，不仅能够及时准确地根据船体运动情况调节调整平台的位姿，同时整个过程自动完成，无需其他干预。
14.3、本实用新型弹射器系统设有无人机滑座，所述无人机滑座上设有卡槽，无人机两侧设有卡销，无人机放于无人机滑座上后，无人机受重力下移使所述卡销与对应卡槽自动嵌合实现无人机限位固定，安放方便，同时该结构也不会影响无人机起飞。
附图说明
15.图1为本实用新型的结构示意图，
16.图2为图1中的无人机放置示意图，
17.图3为本实用新型的控制环路示意图。
18.其中，1为无人机，2为弹射器，201为弹射器滑轨，3为弹射器前支脚，4为弹射器气泵，5为船体，6为调整平台，7为升降调节装置，8为卡销，9为无人机滑座。
具体实施方式
19.下面结合附图对本实用新型作进一步详述。
20.如图1～3所示，本实用新型包括弹射器2、调整平台6、升降调节装置7和控制系统，其中调整平台6通过多个升降调节装置7支撑，且所述升降调节装置7下端安装于船体5上，所述调整平台6上设有弹射器2，且无人机1放置于弹射器2上并通过所述弹射器2发射，所述升降调节装置7可根据船体5的运动情况伸缩调整所述调整平台6的位姿，以补偿海浪引起的船体5晃动并保持所述弹射器2的姿态，进而保证无人机1顺利弹射，各个升降调节装置7的伸缩量通过所述控制系统控制，本实施例中，所述升降调节装置7为电推缸，此为市购产品。
21.如图1所示，本实施例中共设有三个升降调节装置7，其中两个升降调节装置7位于所述调整平台6的前端两侧，另一个升降调节装置7位于所述调整平台6的后端中部，由此可实现所述调整平台6的三自由度调节，具体为：当船体5左右滚转时，前面两个升降调节装置7一伸一缩，使调整平台6反向滚转，这样便能保持弹射器2的横向水平姿态；当船体5前后俯仰时，调整前面两个升降调节装置7和后面的升降调节装置7反向伸缩，进而使调整平台6反向俯仰，这样便能保持弹射器2的纵向姿态，当船体5发生左右滚转与前后俯仰的叠加运动时，三个升降调节装置7耦合运动以保持弹射器2姿态，进而保障无人机1顺利起飞。
22.如图1～2所示，本实施例中，所述弹射器2包括弹射器滑轨201、弹射器气泵4、无人机滑座9和弹射器前支脚3，其中弹射器滑轨201前端通过弹射器前支脚3支撑，且所述弹射器前支脚3和弹射器气泵4均安装于所述调整平台6上，弹射器滑轨201后端设于所述调整平台6上，从而使弹射器滑轨201实现倾斜方便无人机1弹射起飞，所述无人机滑座9与所述弹射器滑轨201滑动连接，并且如图2所示，所述无人机滑座9两侧侧板上均设有卡槽，无人机1两侧均设有卡销8，且无人机1放于无人机滑座9上时，无人机1受重力作用可以自动下移，从而使卡销8自动落入对应的卡槽中实现限位固定，方便安放，同时卡销8和卡槽结构也不会影响无人机1起飞脱离无人机滑座9。本实施例中，所述无人机滑座9侧板前端和后端各设有一个卡槽，且两个卡槽高度不同，以保证无人机1定位。所述无人机滑座9通过弹射器气泵4、
压缩空气罐以及弹射器滑轨201内的弹射活塞等结构实现气动弹射，此为本领域公知技术，比如可采用公告号为cn207670683u的气动弹射结构。
23.本实用新型的工作原理为：
24.本实用新型利用升降调节装置7调节所述调整平台6位姿，进而保持弹射器2姿态，以保证无人机1顺利起飞。本实用新型利用三个升降调节装置7使所述调整平台6实现三自由度调节，具体为：当船体5左右滚转时，前面两个升降调节装置7一伸一缩，使调整平台6反向滚转，这样便能保持弹射器2的横向水平姿态；当船体5俯仰时，调整前面两个升降调节装置7和后面的升降调节装置7反向伸缩，进而使调整平台6反向俯仰，这样便能保持弹射器2的纵向姿态，当船体5发生左右滚转与俯仰的叠加运动时，三个升降调节装置7耦合运动。
25.由于海浪引起船体5运动的不确定性，会使得船体5的俯仰、滚转方向转动非常大，并且不规律，为了补偿这种海浪运动引起船体5的不稳定运动，本实用新型的控制系统根据lqr最优控制理论对各个升降调节装置7的升降伸缩量进行调节，以使所述调整平台6调整位姿对海浪进行补偿，具体包括如下步骤：
26.步骤一：建立系统状态方程，并确定目标函数。
27.建立系统状态方程：
[0028][0029]
y＝cx+du
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1.1)；
[0030]
系统状态方程可以通过系统状态量和输入量求得系统的输出量，上式中，x为系统状态量，为3
×
1的向量，即船体5的前后俯仰、左右滚转、上下位移，u为系统控制输入量，为3
×
1的向量，即调整平台6的三个升降调节装置7的伸缩量；为x对时间求导，y为系统输出量，a为系统状态量一阶导数的系统特征矩阵，意为系统的一些惯量参数，b为系统状态量一阶导数的控制变量特征矩阵，c为系统输出的系统特征矩阵，d为系统输出的控制变量特征矩阵。
[0031]
建立系统状态方程是控制系统分析的第一步，在这个基础上可以解释lqr最优控制对环路的作用，即设计状态反馈控制器u＝-kx，形成如图3所示的闭环回路。
[0032]
lqr最优控制通过一种求极值的方法，即在一组约束为等式或不等式的条件下，使系统的目标函数达到极值，即最大值或最小值。
[0033]
先确定lqr控制的性能指标，在设计lqr控制器前，需要设计一个能量函数，最优的控制轨迹应该使得该能量函数最小。本实用新型选取如下形式的能量函数作为性能指标目标函数j：
[0034][0035]
上式中，q为半正定矩阵，即状态权重矩阵，r为正定矩阵，控制权重矩阵，按需求自行定义。
[0036]
步骤二：如上述，建立系统状态方程并确定目标函数后，设计状态反馈控制器u＝-kx，其中k为一个反馈矩阵，即根据系统状态量x生成反馈控制量u的反馈矩阵。
[0037]
步骤三：求解k，具体过程如下：
[0038]
将状态反馈控制器u＝-kx代入系统状态方程(1.1)中，求得：
[0039][0040]
将上式(1.3)的代入目标函数(1.2)中，获得：
[0041][0042]
为了便于求解k，假定存在常量矩阵p，使得：
[0043][0044]
将上式(1.5)展开，获得：
[0045][0046]
为便于推导，考虑将式(1.3)化简，取将其代入式(1.6)并推导：
[0047][0048][0049]
为保证式(1.8)恒成立，其括号内必须为0，即：
[0050][0051]
将ac＝a-bk代回式(1.9)，整理可得：
[0052]
(a-bk)
t
p+p(a-bk)+q+k
t
rk＝0
ꢀꢀꢀ
(1.10)；
[0053]at
p+pa+q+k
t
rk-k
tbt
p-pbk＝0
ꢀꢀꢀ
(1.11)；
[0054]
取k＝r-1bt
p，代入(1.11)得：
[0055]at
p+pa+q+(r-1bt
p)tr(r-1bt
p)-(r-1bt
p)
tbt
p-pb(r-1bt
p)＝0
ꢀꢀꢀ
(1.12)；
[0056]
上式(1.12)整理求得：
[0057]at
p+pa+q-pbr-1bt
p＝0
ꢀꢀ
(1.13)；
[0058]
上式(1.13)中，a、b、q、r都为已知量，可以求得p，代入k＝r-1bt
p，即可得到k。
[0059]
步骤四：将步骤三中求得的k代回u＝-kx，求得系统控制输入量u，也即升降调节装置7的伸缩量。
[0060]
步骤五：控制系统根据步骤四获得的u值控制各个升降调节装置7伸缩调节所述调整平台6位姿。
[0061]
本实施例中，所述弹射器滑轨201长度为2m，在弹射器气泵4内气压为6bar时，泄压推动无人机滑座9高速向前，加载无人机1后，无人机1弹出的初速度可达9m/s，满足无人机1起飞要求。无人机1起飞重量为1.5kg，还可携带200g载荷，翼展为1.6m，最低飞行速度为10m/s，最大飞行速度为20m/s，尾翼为v型尾翼，结构简单，适用于小型无人机，便于与无人机滑座9相适配。