一种翼伞轨迹末端实时预测装置

1.本发明属于空投安全技术领域，特别涉及了一种翼伞轨迹末端实时预测装置。


背景技术：

2.目前，快递物资要投送到用户家中，首先往往要从发货地点采用货车、火车或者航空运输等方式运送到收货集散地，再由快递派送员送到千家万户。这种送货方法存在不少局限性，特别是在物流的最后阶段，易受高山、河流、荒原等自然条件的影响。在道路条件十分恶劣的情况下，物品的送达时间增长，安全性和效率降低，降低消费者体验感。利用翼伞定点降落，直接将物件配送至用户，解决了受自然环境影响、条件恶劣的情况下传统运输方法不再适用的问题，但是如何预测翼伞空投落点并有效将落点通知给用户及附近的人是翼伞空投技术的难点。


技术实现要素：

3.为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种翼伞轨迹末端实时预测装置。
4.为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
5.一种翼伞轨迹末端实时预测装置，该装置整体呈柱形圆盘状，并安装在空投物件的底部；该装置包括微处理器以及分别与该微处理器电性连接的光源发射器、lcd液晶屏、高度传感器、定位单元和语音播放单元；所述光源发射器固定于柱形圆盘中央，包括led光源和位于led光源外侧的金属反光罩，所述lcd液晶屏设置在led光源的下方，且lcd液晶屏具有选择性透光的特性；在翼伞下落过程中，当高度传感器检测到翼伞下落至设定高度后，微处理器驱动led光源发光，并控制lcd液晶屏上出现选择性的透明区域，led光源发出的光线通过lcd液晶屏后，向地面投下由微处理器设定的光斑，同时微处理器控制语音播报单元进行语音提示。
6.进一步地，所述柱形圆盘的圆周处均匀设置数根移动轴，柱形圆盘通过所述移动轴与空投物件的底部相连；通过上下移动移动轴调节柱形圆盘中心轴线与竖直方向夹角，进而调节led光源的朝向。
7.进一步地，翼伞目标着落点与实际着落点的误差范围是一个半径为r的圆，且半径r随翼伞实时高度动态变化；该装置向地面投下的光斑为一个半径为r的分层圆形光斑，其内层为半径为r1的圆形光斑，r1<r，外层为环形光斑，翼伞落在内层圆形光斑的置信度为0.9，微处理器通过编程控制内层圆形光斑区域的像素点持续透光，外层环形光斑区域的部分像素点阻光，从而形成内部圆形光斑区域持续高亮，外层环形光斑区域亮度较暗，并通过延时程序使得外部环形光斑区域闪烁。
8.进一步地，半径r的表达式如下：
9.10.上式中，s为翼伞受力面积，v为风速，h为翼伞实时高度，m为翼伞及翼伞内装置、物件及空气的总质量，v1为翼伞竖直方向速度。
11.进一步地，金属反光罩边缘切线与金属反光罩中心轴线所夹锐角为β：
[0012][0013]
上式中，h为翼伞实时高度。
[0014]
进一步地，在该装置外侧安装可拆卸的橡胶外壳。
[0015]
进一步地，翼伞的伞衣采用可降解材料制成。
[0016]
进一步地，所述定位单元采用北斗导航定位系统。
[0017]
采用上述技术方案带来的有益效果：
[0018]
本发明可用于翼伞的安全着陆，在物流配送方面和抗震救灾时物资的投放方面皆可应用。当翼伞下降至一定高度时，触发光源发射器，投下光斑；通过移动轴伸出的长度不同，调整光源的面向，使光斑能够持续投在目标点；结合语音播报功能，声光双重提示，有效提醒用户和行人物件落点，方便用户取货并保障行人安全。
附图说明
[0019]
图1为本发明装置的工作示意图；
[0020]
图2为本发明装置的光斑产生示意图；
[0021]
图3为本发明装置的主视图；
[0022]
图4为本发明装置中移动轴示意图。
[0023]
标号说明：1、翼伞；2、led光源；3、金属反光罩；4、lcd液晶屏；5、内层圆形光斑；6、外层环形光斑；8、橡胶外壳；7、9、10、11、移动轴。
具体实施方式
[0024]
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0025]
本发明设计了一种翼伞轨迹末端实时预测装置，如图1
‑
3所示，该装置整体呈柱形圆盘状，并安装在空投物件的底部。该装置包括微处理器以及分别与该微处理器电性连接的光源发射器、lcd液晶屏、高度传感器、定位单元和语音播放单元。所述光源发射器固定于柱形圆盘中央，包括led光源和位于led光源外侧的金属反光罩，所述lcd液晶屏设置在led光源的下方，且lcd液晶屏具有选择性透光的特性。在翼伞下落过程中，当高度传感器检测到翼伞下落至设定高度h后，微处理器驱动led光源发光，并控制lcd液晶屏上出现选择性的透明区域，led光源发出的光线通过lcd液晶屏后，向地面投下由微处理器设定的光斑，同时微处理器控制语音播报单元进行语音提示。
[0026]
如图2所示，柱形圆盘的圆周处均匀设置4根移动轴，柱形圆盘通过所述移动轴与空投物件的底部相连。通过上下移动移动轴调节柱形圆盘中心轴线与竖直方向夹角，进而调节led光源的朝向。
[0027]
下文以翼伞距地面高度h(单位：m)，距目标点水平距离d(单位：m)为例，说明本发明的具体实现。
[0028]
翼伞定点降落时，由于扰动影响，实际落点与目标点间存在误差。翼伞受定点降落
算法的控制，从目标点的斜上方开始降落。降落途中受气流扰动以及算法本身存在的细小误差，使得翼伞的降落无法精确至点，而是一个圆形误差区域。由于翼伞从目标点的斜上方开始降落，为使光斑能落在目标点处，led高强光源轴线与竖直方向应形成夹角。
[0029]
设此时光源中心轴线与竖直方向所夹锐角为α(单位：
°
)，即圆盘面与水平面所夹锐角为α，则有：
[0030][0031]
为调节该夹角为α，距目标点最远的移动轴应伸长，最近的移动轴不动或略缩短，使得两轴的长度差为
△
h。该两轴沿翼伞至目标点方向的水平距离为
△
l，则有：
[0032]
△
h＝
△
l
×
tanα(单位：
°
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0033]
随着翼伞继续下降，翼伞距地面高度h，距目标点水平距离d时刻处于变化。为保证光斑始终落于目标点，α也应随之发变化。
[0034]
翼伞受定点降落算法的控制，在预定条件下，翼伞以竖直方向速度v1(单位：m/s)，水平方向速度v2(单位：m/s)匀速下降，可精确落至目标点。但翼伞下降途中可能受气流影响，使落点与目标点间存在误差。光源发射器在地面投下的光斑便反映了该误差的范围，同时帮助用户预测翼伞的降落区域，且提示用户注意避让。
[0035]
设整个下降过程耗时为t(单位：s),则有：
[0036][0037]
设风速大小为v(单位：m/s)；当地空气密度为ρ(单位：kg/m3)；翼伞受力面积为s(单位：m2)；翼伞与物件受风作用力大小为f(单位：n)；翼伞物件、以及伞内空气总质量为m(单位：kg)；翼伞、物件在风作用力下加速度为a(单位：m/s2)。则有：
[0038][0039][0040]
设误差范围的半径为r，则有：
[0041][0042]
联立(2)式、(3)式、(4)式、(5)式可得：
[0043][0044]
其中s可根据翼伞的尺寸确定；风速v取4级和风(5.5
‑
7.9，单位：m/s)；v1大小由精准降落算法确定；m的取值可经过对翼伞、装置和物件总质量的统计归纳，得出一般范围。
[0045]
获得降落误差r后，本装置通过lcd液晶屏选择性透光成像，对翼伞末端轨迹进行实时预测。
[0046]
通过高度传感器反馈翼伞位置信息，当翼伞与地面距离达到设定高度h时，触发光源发射器。led高强光源开始工作，并通过金属反光罩投射出锥形光柱。在led光源下方装备了lcd液晶屏。该液晶屏具有选择性透光的特点，在微处理器及显示屏驱动电路的驱动下，
由微处理器程序提供图像信号，在液晶屏幕上出现选择性的透明区域。液晶屏幕的图像透明区域对led发出的高强光源阻隔减小，而在没有图像显示的区域，光源将被阻挡。透过液晶屏的光线将在地面形成由程序设定的光斑图案。
[0047]
由上文可知，当翼伞高度为h时，精准降落的误差范围是一个半径为r的圆形区域。根据风作用的特点和翼伞控制的特点，采用高斯分布来估计翼伞降落的误差分布。如图2所示，本装置形成一个分层次的圆形光斑，由内部半径大小为r1(r1<r)的内层圆形光斑以及外层环形光斑组成。设翼伞降落于内层常亮圆形光斑区域的置信度为0.9，意味着翼伞将有百分之九十的概率落于半径为r1的常亮圆形光斑区域，而落于外层环形光斑区域的概率为百分之十。在lcd液晶屏上，通过编译微处理器程序形成上述图像。内层圆形区域像素点持续透光，外层环形区域部分像素点阻光，从而形成内层圆形区域持续高亮，外层环形区域亮度较暗的光斑。通过延时程序，使得外部环形区域的光斑闪烁，可较容易地引起用户的注意，提示效果更好。
[0048]
以这种方式产生光斑有以下几种优点：所呈图像多样化，可以通过程序控制得到任意想要的光斑图像。显示精度高，例如当分辨率为1280x 768像素，12英寸显示屏点阵精度达到0.16x 0.16mm。光斑的产生简单、可靠，通过微处理器程序以及显示屏驱动电路的作用，就能在液晶屏幕上出现选择性的透明区域，十分方便、可靠。
[0049]
光源发射器工作同时，语音播报单元启动。通过微处理器控制语音芯片，实现对声音的储存和播放。存储的语言包括普通话、不同区域的方言甚至英语、日语等其他国家语言。通过北斗导航定位系统对翼伞进行定位，位置信息反馈至单片机。根据不同位置信息选择普通话加当地方言的形式循环播报。即使在不同的国家，也可以选择相应语言进行播报提醒，提高了装置的适用性。翼伞下落途中，语音播报单元循环发出清晰的语音，提示用户取货地点并注意避让。声光双重提示，给用户以更好的体验。
[0050]
在本实施例中，优选地，金属反光罩的尺寸可规范化，便于批量生产。当高度为设定高度h时，此时圆形光斑的半径r由式(7)确定。设金属反光罩边缘切线与金属反光罩中心轴线所夹锐角为β(单位：
°
)。则有：
[0051][0052]
在本实施例中，优选地，可根据圆盘的尺寸大小，为其装上相应大小、厚度的易于拆装的橡胶外壳。减少在着陆瞬间对装置产生的摩擦力与冲击力，能够更好的保护装置。
[0053]
在本实施例中，优选地，翼伞的伞衣选用可降解的材料制作成，可降解的一次性材料可以在较短时间内，在自然条件下分解为无害物质，减少对环境的危害，且减少了翼伞回收的成本。
[0054]
通过小型、低成本翼伞来投放物流物件，利用定点降落算法控制翼伞落至物件投放点，此方法提高了物流效率。较之无人机物流配送，可做到一次投放多个翼伞、且单次载重更大、成本更低。可广泛应用于物流物件的投放、抗震救灾物资的投放，国家近年来对其发展的重视程度也日益提高，其意义由此可见。近年来，精准空投算法不断完善，装置设备不断升级，翼伞定点降落越发可靠，其可行性可见一斑。
[0055]
本发明装置拟应用于物流服务行业。通过在地面投下光斑，使用户能够准确预知翼伞降落区域，获取物件变得更加方便。同时光斑提示用户翼伞降落区域，行人能够进行避
让，起着一定的保障用户安全的作用。翼伞下降至一定高度，光源在地面投下光斑，此时语音提示功能随之启动，双重保障，能够更好地预测取货地点，提示用户避让光斑区域。通过微处理器控制光斑形状以及亮度。本装置通过调节光斑的亮暗，更具体的表现翼伞在某片区域的降落情况。光斑越亮区域，翼伞降落在此的可能性越大；在光斑较暗的区域，翼伞降落在此的可能性较小，如此用户取货以及进行避让时都将更加便捷。
[0056]
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。