一种固定翼无人机的空中起降方法及其装置

1.本发明属于无人机技术领域，尤其涉及一种固定翼无人机的空中起降方法及其装置。


背景技术：

2.无人驾驶飞机简称“无人机”，英文全称为unmanned aerial wheicle，缩写为uav，是指利用无线电遥控设备及预设的程序控制装置进行操纵或者由机载飞控计算机完全或间歇地自主操作的不载人飞机，可根据飞行平台构型不同分为固定翼无人机、垂直起降无人机、无人飞艇、直升机无人机、多旋翼无人机、伞翼无人机等。与载人飞机相比，无人机具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点。自21世纪以来，随着无人机技术的发展以及使用成本的降低，无人机在侦察、航拍、巡检、救灾、测绘、勘探等领域均有广泛应用。其中，固定翼无人机具有高速、长续航、高载重等优势，故而工业及军用无人机主要以固定翼无人机为主。
3.然而，固定翼无人机起飞前必须达到最小起飞速度。为达到起飞条件，固定翼无人机起降方式可分为以下几种：传统的固定翼无人机可以使用和固定翼飞机类似的跑进行用起落架滑跑起降，对场地要求较高。实际使用中，例如山区、舰船等场合不便建设跑道，而且起落架及其收放装置会占用一部分载荷。部分小型固定翼无人机可以采用手抛或弹射起飞，撞网或天钩回收降落。但这种起降方式容易产生冲击，不适合翼面积大、翼载荷低且结构脆弱的小型固定翼无人机使用，且天钩回收操作难度大，对接精度高，连接强度较差，不便于普及。此外，一些新型固定翼无人机可以加装旋翼，提供竖直方向拉力起降，但是旋翼组重量较大，不仅会增加固定翼无人机的起飞重量，而且在飞行过程中会成为死重，影响载荷。同时旋翼组的存在也会导致空气阻力的增加。
4.现今有一个专利号为cn202111294847.1的一种空中起降系统和空中起降方法，本发明在空中起降的思路基础上，提供一种基于倾转六旋翼平台装置的起降方法和起降平台装置，可使固定翼无人机无需跑道，使其在空中实现起飞和降落。


技术实现要素：

5.本发明提供一种固定翼无人机空中起降方法和空中起降平台装置，通过使用倾转六旋翼飞行器托载固定翼无人机飞行、加速至固定翼的起飞速度将固定翼放飞、共速跟随固定翼使其平稳降落的方式，为固定翼无人机提供起飞速度和着陆场所，完成固定翼无人机的起飞和回收，使固定翼无人机无需建设跑道即可部署，整个过程起降平台装置(倾转六旋翼)成为了固定翼无人机的空中跑道。为达到以上目的，本发明的技术方案为：
6.根据本发明的一个方面，提供一种倾转六旋翼平台装置，包括机身、控制组件、动力组件、起降组件。所述机身主体为方形，由主体的左前、左后、左侧、右前、右后、右侧延伸出六个方向的旋翼臂，旋翼臂的另一端与动力组件固定连接。主体的四角下面连接支撑腿，使其可以在地面上平稳垂直着陆。
7.主体上方固定所述控制组件，包括电池及供电系统、飞行控制系统、导航系统等，用于采集固定翼无人机和平台装置的位置和速度信息，并据此控制所述动力组件完成飞行任务。
8.所述动力组件由倾转组件和旋翼组件构成。旋翼组件与倾转组件固定连接，由直流电机带动，高速旋转产生推力或拉力，倾转组件可以通过旋转改变旋翼组件产生的力的方向，与旋翼臂固定连接。
9.当前方和后方两组四个动力组件同步动作时，旋翼组件就可以提供左右对称、前后相等的拉力或推力，平台装置受到一个向前或向后的拉力分量，实现前后飞行。当左右两个旋翼臂上的动力组件同步动作，平台装置受到对称的向左或者向右的拉力分量，实现左右飞行。根据以上飞行原理，平台可以在空中平移，此过程不会产生俯仰、滚转和偏航力矩，起降网可以始终保持水平。当平台受到扰动、机身平板出现倾斜时，旋翼组件差速旋转，产生一个力矩与扰动对抗，从而使飞行姿态恢复水平。
10.根据本发明的一个实施方式，前方和两侧的四组动力组件朝上安装，提供拉力；后方的两组朝下安装，提供推力。以此法安装可以减少旋翼倾转与旋翼臂碰撞的风险，增大动力组件可倾转的角度，使前后四个旋翼产生更大的前向拉力，平台装置获得更大的前向飞行速度。
11.所述起降组件由撑杆和起降网组成。撑杆分为左右两组，每组两根，在机身主体上对称可拆卸连接；起降网为一张柔性网，与两组支撑杆的末端可拆卸连接。起降网的网孔尺寸小于固定翼无人机夹持机构的张开宽度，使夹持机构可以轻易穿过网孔夹在起降网上。
12.根据本发明的另一个方面，提供一种空中起降方法，用于固定翼无人机的空中起降。所述起降方法包含：提供本发明所述的起降平台装置；将固定翼无人机的起落架及其收放组件更换为可遥控开合的夹持机构；在固定翼无人机起飞前将夹持机构夹在所述平台装置的起降网上，当飞行速度超过固定翼无人机的起飞速度后控制夹持机构脱开，平台装置下降，将固定翼无人机放飞；固定翼无人机完成任务后，平台装置前往固定翼无人机所在地并与固定翼无人机等速飞行，等待夹持机构将固定翼无人机夹在起降网上；固定翼无人机降落在起降网上后，平台装置和固定翼无人机一同减速返航或前往下一任务地点，到达可降落区域后垂直降落着陆，以供固定翼无人机回收复用。
13.根据本发明的一个实施方式，所述起降平台的控制组件采集固定翼无人机和平台装置本身的位置和速度信息，平台装置最大飞行速度大于或者等于固定翼无人机的起飞速度和降落速度。固定翼无人机起飞时，当夹持机构脱开且与平台装置的距离大于一预设值，平台装置减速下降，放飞固定翼无人机并返航；固定翼无人机着陆时，当平台装置与固定翼无人机共速且二者之间的距离小于一预设值，控制夹持机构打开，固定翼无人机减速落在起降网上。
14.采用上述技术方案，本发明的优点在于：
15.(1)通过旋翼组件和倾转组件的协同配合，可以带动起降网垂直起降并在空中飞行，从而使固定翼无人机可以在起降网上起飞着陆，也可以托载固定翼无人机在空中加减速飞行，将其送至指定回收地点降落回收或再度放飞，可以增加固定翼无人机的任务时长和工作范围，无需修建跑道，一定程度上解决固定翼无人机部署条件较为复杂的问题。
16.(2)平台装置飞行过程中起降网始终保持水平，且便于固定翼无人机平稳降落，不
易倾斜或偏离起降网。
17.(3)动力组件的特殊布置可以为整个平台提供较大的前飞速度，有利于快速达到固定翼无人机的起飞着陆速度，可适用于速度较快的固定翼无人机。
18.(4)所述起降方法无需使用起落架，仅需固定翼无人机安装较小较轻的夹持机构，便于固定翼无人机减重和提高任务效率。
附图说明
19.图1：本发明的一个实施例的系统示意图；
20.图2：本发明所述平台装置的示意图；
21.图3：本发明所述固定翼无人机的示意图；
22.图4：本发明所述固定翼无人机起降方法示意图；
23.图5：本发明所述固定翼无人机起降方法流程框图；
24.图中：
25.1.机身主体；
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2.旋翼臂；
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3.支撑腿；
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4.连接件；
26.5.倾转组件；
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6.旋翼组件；
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7.撑杆；
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8.起降网；
27.9.夹持机构；
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10.固定翼无人机；
具体实施方式
28.本发明提供一种基于倾转六旋翼飞行原理的固定翼无人机空中起降方法和空中起降平台装置。如图1所示，在本实施例中，本发明所提出的空中起降方法和起降装置应用于固定翼无人机10，平台装置如图2所示，固定翼无人机如图3所示，完整起降流程如图4、图5所描述，下面将结合以上附图对本实施例进行详细说明。
29.如图1和图2所示，机身主体1通过连接件4连接四根撑杆7，起降网8固定连接在撑杆末端。六条旋翼臂2与机身主体1固定连接，每条旋翼臂的另一端固定连接倾转组件5。倾转组件5的上方固定连接旋翼组件6，二者共同组成平台的动力组件，为平台装置提供飞行动力。控制组件布置在机身主体1上方，用于给平台装置供电、采集平台和固定翼无人机的位置和速度信息并控制平台飞行。支撑腿3固定连接在机身主体底部四角，支撑整个系统平稳立在地上。
30.如图1和图3所示，固定翼无人机10起飞前或着陆后通过夹持机构9连接在起降网8的中间。夹持机构为一个由舵机控制的小型机械爪，可拆卸固定连接在固定翼无人机10的机身下方，在固定翼无人机不使用时可将其取下。机械爪有打开和关闭两种状态，平时处于关闭状态，当固定翼无人机10脱离起降网8起飞或抓住起降网8着陆时控制舵机打开机械爪。
31.通过上述设计，该平台机构可以单独高速飞行，也可以承载固定翼无人机10垂直起降和加减速飞行。固定翼无人机10可通过控制夹持机构开闭从而飞离或落在起降网8上，整个过程无需使用跑道和起落架，使固定翼无人机10部署更为方便，重量减轻，效率提高。
32.具体地，连接件4固定在机身主体的内部1并向外延伸，使得起降网8的形状呈矩形，这种支撑方式比较稳定，且撑杆7不易与动力机构产生碰撞。在一些实施方式中。撑杆和连接件的布置可以位于机身主体的任何位置，也可以连接在足够长的旋翼臂上，或使用环
绕布置等其他布置形式，撑杆长度、角度、起降网面积等可以根据固定翼无人机的实际尺寸进行修改。
33.可选地，如图3所示，在本实施例中，固定翼无人机10与起降网8采用夹持机构9连接和脱开，连接方式为机械爪夹持。在一些实施方式中，固定翼无人机与起降网的连接和脱开可以采用磁吸、钩索等其他方式，均不以此为限。
34.如图4和图5所示，在本实施例中，所述起降方法包含：
35.步骤s1：提供本发明所述平台装置，将夹持机构9安装在固定翼无人机10上；
36.步骤s2：固定翼无人机10夹持在起降网8上，组合结构垂直起飞；
37.步骤s3：组合体加速飞行，打开固定翼无人机的发动机准备起飞；
38.步骤s4：夹持机构打开，起降网8与固定翼无人机10分离，平台装置返航等待；
39.步骤s5：当固定翼无人机完成任务准备降落时，平台装置起飞前往；
40.步骤s6：固定翼无人机关闭动力减速，夹持机构打开，降落在起降网8上；
41.步骤s7：夹持机构关闭，组合体减速降落返航或前往下一起飞地点等待，飞行任务完成。
42.在本实施方案中，对于步骤s3而言，当组合体达到一预设高度后方可加速飞行，达到一小于固定翼无人机10起飞速度的速度时打开固定翼无人机的发动机准备起飞。
43.在本实施方案中，对于步骤s4而言，当夹持装置打开且起降网8与固定翼无人机10之间的距离达到一预设值后，平台装置减速降落与固定翼无人机彻底脱离，之后返航。
44.在本实施方案中，对于步骤s5而言，平台装置前往固定翼无人机10附近后根据采集到的速度和位置信息调整自身速度和相对固定翼无人机10的位置，当二者达到共速，且二者之间的距离小于一预设值后，控制固定翼无人机关闭发动机和打开夹持装置，使固定翼无人机10与起降网8接触时产生的相对位移和接触冲击较小，不易造成损伤。
45.综上所述，本发明提供一种基于倾转六旋翼飞行原理的固定翼无人机空中起降方法和空中起降平台装置，包括机身、控制组件、动力组件、起降组件。控制组件采集速度和位置信息并控制平台装置飞行；起降组件托载固定翼无人机垂直起降和加减速飞行；动力组件通过合理配置使起降网和固定翼无人机保持平稳，配合实现固定翼无人机的空中起飞和空中回收。本发明所述起降方法和起降装置无需建设跑道即可满足固定翼无人机起飞着陆条件，且将起落架替换成夹持机构可以减轻固定翼无人机重量，提升其任务效率，使固定翼无人机在更多复杂场合可以快速部署，有利于固定翼无人机在边界、山区等不易建设跑道的实用场合投入使用。