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原文传递一种大型无人机回收小型无人机的系统和方法

专利名称：	一种大型无人机回收小型无人机的系统和方法
摘要：	一种大型无人机回收小型无人机的系统和方法。其目的是实现大型无人机在飞行过程中对小型无人机的安全平稳回收。本发明的系统主要包括安装在大型无人机上的捕获子系统和小型无人机上的被捕获子系统。当大型无人机需要回收小型无人机，大型无人机和小型无人机先按特定飞行程序进入到适合回收的飞行状态；然后小型无人机释放被捕获子系统，大型无人机释放捕获子系统；捕获子系统捕获到被捕获子系统后，两架无人机通过捕获子系统和被捕获子系统连接到了一起，大型无人机再将小型无人机平稳地牵引回收到大型无人机上的小型无人机存放空间，从而在无需直接碰撞性接触到小型无人机的情况下就能实现大型无人机在飞行过程中对小型无人机的安全平稳回收。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	天津;12
申请人：	中国民航大学
发明人：	胡小兵;廖建勤
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-24T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-25T00:00:00+0800
申请号：	CN201910668969.9
公开号：	CN110371296A
分类号：	B64D5/00(2006.01);B;B64;B64D;B64D5
申请人地址：	300300 天津市东丽区津北公路2898号
主权项：	1.一种大型无人机回收小型无人机的系统和方法。其目的是在无需直接碰撞性接触到小型无人机的情况下实现大型无人机在飞行过程中对小型无人机的安全平稳回收。本发明的系统主要包括分别安装在大型无人机上的捕获子系统和安装在小型无人机上的被捕获子系统。安装在小型无人机上的被捕获子系统由以下主要部分组成：固定在小型无人机上的基座、可旋转一定圈数的基座转轴、基座转轴上带螺纹的安装轴孔、回力弹簧、转筒、带螺纹的转筒转轴、不带螺纹的转筒转轴、电机、牵引绳和配重物；基座固定安装在小型无人机上，基座转轴插在基座上可以转动，带螺纹的转筒转轴插在基座转轴上的安装轴孔中，转筒转轴的螺纹与安装轴孔中的螺纹彼此啮合，因此当转筒双向旋转时，转筒转轴就会在安装轴孔中旋进旋出，又因为安装轴孔的底部是封死的，所以当转筒转轴旋进到安装轴孔的底部抵死后，转筒转轴就会带动基座转轴旋转；回力弹簧绕在基座转轴上，回力弹簧的一端固定在基座上，另一端固定在基座转轴上，当牵引绳所受外力传递到基座转轴而迫使基座转轴旋转时，回力弹簧有助于在基座转轴有限的旋转圈数内缓冲外力对无人机的冲击；转筒安装在基座上，转筒转轴的轴线方向与基座转轴的轴线方向重合；牵引绳旋绕在转筒上，且牵引绳的一端固定在转筒上，牵引绳的另一端连着配重物；配重物表面软滑；电机可驱动转筒双向旋转，从而实现牵引绳和配重物的收放。安装在大型无人机上的捕获子系统由以下主要部分组成：电机、转筒、吸力风扇、捕获绳管、捕获绳管首端、捕获绳管发射器、发射器的水平转向电机、发射器的俯仰转向电机；电机可驱动转筒双向旋转；转筒内有一根管道，管道一头在转筒表面形成一个插孔，管道另一头从转筒的旋转轴中穿出，连到吸力风扇的喇叭口上；捕获绳管一端固定插在转筒表面的插孔内，捕获绳管然后旋绕在转筒上，捕获绳管的另一端就是捕获绳管首端，捕获绳管内部是空心软管，捕获绳管的管壁应该有足够的强度以保证回收工作过程中其空心软管始终能保持气流通畅；捕获绳管的空心软管在捕获绳管首端中心位置有一个开孔，当吸力风扇旋转时，空气就会从捕获绳管首端上的开孔被吸入，形成内吸气流，通过捕获绳管的空心软管而流向吸力风扇的喇叭口；捕获绳管首端平时安放在捕获绳管发射器内；捕获绳管发射器的发射角度可以通过发射器的水平转向电机和俯仰转向电机控制调整；当回收作业时，捕获绳管发射器瞄准被捕获子系统的配重物而高速发射出捕获绳管首端，捕获绳管首端拖拽着捕获绳管飞向配重物，同时捕获子系统的电机带动转筒沿放出捕获绳管的方向高速旋转，以最小化对捕获绳管首端的反向拖拽力，而且捕获子系统的吸力风扇也同时启动以便在捕获绳管首端产生强大的内吸气流；捕获绳管首端的开孔附近表面软滑，一旦内吸气流将被捕获子系统的配重物吸到捕获绳管首端的开孔上，软滑的配重物就会封堵死捕获绳管首端的开孔，而配重物则会在捕获绳管的空心软管的内部气压与外面大气压的压差作用下而牢牢地吸附在捕获绳管首端上。有了上述回收系统，就可以按如下方法开展大型无人机对小型无人机的回收作业：首先，安装在小型无人机上的被捕获子系统的电机带动转筒沿放出牵引绳的方向高速旋转，则牵引绳在配重物的重力作用下与配重物一起被放出到远离小型无人机足够距离的位置；当大型无人机飞到距离被捕获子系统的配重物足够近的位置时，即当大型无人机与配重物之间的距离小于捕获子系统的最大回收距离时，大型无人机上的捕获子系统的捕获绳管发射器瞄准被捕获子系统的配重物高速发射出捕获绳管首端，同时捕获子系统的电机带动转筒沿放出捕获绳管的方向高速旋转，捕获子系统的吸力风扇则启动以便在捕获绳管首端产生强大的内吸气流；如果被捕获子系统的配重物未能被捕获绳管首端捕获到，则大型无人机上的捕获子系统的电机带动转筒沿收回捕获绳管的方向高速旋转，以收回捕获绳管并将捕获绳管首端拉回到捕获绳管发射器中，然后大型无人机采取适当的飞行操作，以便再次进入捕获位置重复捕获操作；一旦内吸气流将被捕获子系统的配重物牢牢地吸附在捕获绳管首端上以后，小型无人机上的被捕获子系统的电机带动转筒沿收回牵引绳的方向旋转，同时大型无人机上的捕获子系统的电机带动转筒沿收回捕获绳管的方向旋转，此时两个电机的旋转需要相对缓慢，以确保小型无人机在飞行状态下被安全平稳地拉入大型无人机上的存放位置；一旦小型无人机被拉入大型无人机上的存放位置，小型无人机的发动机就可以停机，然后捕获子系统的吸力风扇反转以便在捕获绳管首端产生强大的外吹气流，从而使被捕获子系统的配重物脱离捕获绳管首端，小型无人机上的被捕获子系统的电机则进一步旋转以彻底收回牵引绳和配重物，大型无人机上的捕获子系统的电机也进一步旋转以彻底收回捕获绳管并将捕获绳管首端拉回到捕获绳管发射器中，以备下一次发射；至此，大型无人机对小型无人机的回收作业完成。 2.根据权利要求1所述的一种大型无人机回收小型无人机的系统和方法，其特征是：当大型无人机和需要被回收的小型无人机都是螺旋翼无人机时，则回收过程中，小型无人机可以选择保持空中悬停状态并向下充分放出牵引绳及配重物，大型无人机则悬停在与配重物所处高度相近的高度上，且大型无人机悬停的位置到小型无人机所放配重物之间的距离必须小于机载捕获子系统的最大回收距离；大型无人机的机载捕获子系统结合当前的风向风速按适当的角度提前量向小型无人机所放配重物发射捕获绳管首端，同时机载捕获子系统启动吸力风扇，从而在捕获绳管首端产生强大的内吸气流，以期将小型无人机所放配重物吸向并牢牢吸附在捕获绳管首端。 3.根据权利要求1所述的一种大型无人机回收小型无人机的系统和方法，其特征是：当大型无人机为固定翼无人机，而需要被回收的小型无人机为螺旋翼无人机时，则回收过程中，小型螺旋翼无人机可以选择保持空中悬停状态并向下充分放出牵引绳及配重物；大型固定翼无人机则在配重物所处的高度上作水平盘旋飞行，小型螺旋翼无人机放下的配重物位于大型固定翼无人机盘旋圆形轨迹内侧，而且配重物与圆形轨迹的最小距离应该小于大型固定翼无人机的机载捕获子系统的最大回收距离；每当大型固定翼无人机沿圆形轨迹盘旋飞行到距小型螺旋翼无人机所放配重物的最小距离点附近时，大型固定翼无人机的机载捕获子系统就结合当前飞行速度和风向风速按适当的角度提前量向小型螺旋翼无人机所放配重物发射捕获绳管首端，同时机载捕获子系统启动吸力风扇，从而在捕获绳管首端产生强大的内吸气流，以期将小型螺旋翼无人机所放配重物吸向并牢牢吸附在捕获绳管首端。 4.根据权利要求1所述的一种大型无人机回收小型无人机的系统和方法，其特征是：当大型无人机和需要被回收的小型无人机都是固定翼无人机时，则回收过程中，大型无人机和小型无人机沿两个水平投影同心的圆形轨迹同向盘旋飞行，其中大型无人机沿半径大的圆形轨迹盘旋飞行，小型无人机沿半径小的圆形轨迹盘旋飞行，两圆形轨迹的间距必须小于大型无人机的机载捕获子系统的最大回收距离；小型无人机向后方充分放出牵引绳及配重物，并拖拽着配重物飞行；每当大型无人机与小型无人机所放配重物之间的距离小于机载捕获子系统的最大回收距离时，大型无人机的机载捕获子系统就结合当前两架无人机的相对速度差和风向风速按适当的角度提前量向小型无人机所放配重物发射捕获绳管首端，同时机载捕获子系统启动吸力风扇，从而在捕获绳管首端产生强大的内吸气流，以期将小型无人机所放配重物吸向并牢牢吸附在捕获绳管首端。 5.根据权利要求1所述的一种大型无人机回收小型无人机的系统和方法，其特征是：安装在小型无人机上的被捕获子系统的牵引绳可以具有一定的收缩弹性。 6.根据权利要求1所述的一种大型无人机回收小型无人机的系统和方法，其特征是：安装在小型无人机上的被捕获子系统的配重物的内部可以填充有海绵状结构的轻质柔软弹性填充物，从而配重物能在放出后扩展成一个足够大的球形体。 7.根据权利要求1所述的一种大型无人机回收小型无人机的系统和方法，其特征是：装在大型无人机上的捕获子系统的捕获绳管首端的外形可以带有一定的飞翼形状，以便发射后的飞行轨迹更加稳定，从而提高捕获配重物的成功概率；捕获绳管发射器上可以有开槽导轨，以便在收回捕获绳管首端时，捕获绳管首端的飞翼可以沿开槽导轨移动，而不会被卡住，从而捕获绳管首端可以被充分回收到捕获绳管发射器中而处于待发射状态。 8.根据权利要求1所述的一种大型无人机回收小型无人机的系统和方法，其特征是：装在大型无人机上的捕获子系统的捕获绳管首端的外沿可以带有一圈柔软的捕获触须，捕获触须的材质与被捕获子系统的配重物的材质相互之间具有粘性，从而提高捕获配重物的成功概率，以及捕获后的捕获绳管首端与配重物之间的连结牢固程度。 9.根据权利要求1所述的一种大型无人机回收小型无人机的系统和方法，其特征是：装在大型无人机上的捕获子系统的捕获绳管发射器可以使用强力弹簧作为发射动力，强力弹簧的末端固定在捕获绳管发射器的底部，强力弹簧的首端用以弹射捕获绳管首端；捕获子系统的电机带动转筒沿收回捕获绳管的方向旋转收回捕获绳管时，当捕获绳管首端抵到强力弹簧的首端后，捕获子系统的电机继续旋转以拉动捕获绳管首端压缩强力弹簧，直至强力弹簧被充分压缩到待发射状态；当捕获子系统需要发射捕获绳管首端时，捕获子系统的电机带动转筒沿放出捕获绳管的方向高速旋转，于是被压缩的强力弹簧瞬间将捕获绳管首端从捕获绳管发射器中弹射出去。 10.根据权利要求1所述的一种大型无人机回收小型无人机的系统和方法，其特征是：所述的回收系统中的各个部件可以采用适当的材料、形状、尺寸、大小、数量、颜色和布局位置设计。
所属类别：	发明专利