一种气囊喇叭口柔性无人机回收装置及方法

本发明涉及无人机回收，尤其涉及一种气囊喇叭口柔性无人机回收装置及方法。

背景技术：

1、近年来，无人机的应用越来越广泛，无论是民用领域还是军事领域都都有重要作用。而如何高效、准确的回收是限制无人机进一步推广的关键技术，无人机的传统回收方法有“跑道回收”“伞降回收”“拦网回收”，前两者对无人机回收的精度不高，且很容易对无人机造成损坏，后者也会由于拦截网的面积有限，在气象状况不佳时，难以保证无人机准确入网，一旦出现偏差，就可能撞击到舰艇上的设施。而现已成熟的“天钩回收”技术虽然占地面积小，但拦阻绳对舰载无人机的强制“猛拉”作用，会使其受力不均衡，导致结构损耗过大。因此，如何发明一种既能保障无人机的安全，又能提高无人机回收的精准度与灵活性的高效回收装置，成为了影响无人机发展的重大因素。

技术实现思路

1、有鉴于此，有必要提供一种喇叭口式柔性气囊无人机回收装置，用以解决上述现有技术中的技术问题。

2、本发明提供一种气囊喇叭口柔性无人机回收装置，该气囊喇叭口柔性无人机回收装置包括起重机、导轨组件、多维度姿态调整装置、气囊喇叭口、电磁绳索耦合阻拦装置和综合信息管理平台；所述导轨组件包括可折叠导轨和滑动器，所述可折叠导轨安装于所述起重机的支臂；所述滑动器滑动安装于所述可折叠导轨；所述多维度姿态调整装置安装于所述滑动器底部；所述气囊喇叭口安装于所述多维度姿态调整装置底部，所述多维度姿态调整装置用于矫正所述气囊喇叭口的姿态从而匹配无人机回收飞行路线，所述气囊喇叭口内表面铺设有多个柔性材料制成的不同直径的气囊环，用于保证无人机撞向所述气囊喇叭口后能够安全缓冲减速；所述电磁绳索耦合阻拦装置包括绳索阻拦装置与电磁阻拦装置，所述绳索阻拦装置与所述电磁阻拦装置均安装于所述可折叠导轨，且与所述滑动器连接；所述电磁绳索耦合阻拦装置用于辅助阻滞所述滑动器滑动；所述综合信息管理平台包括通讯连接的数据处理系统和设备控制系统；所述数据处理系统用于接收、处理无人机的型号以及无人机开始回收时的飞行状态、路线信息数据，同时将处理后的数据传输至所述设备控制系统；所述设备控制系统与所述多维度姿态调整装置和所述电磁阻拦装置电性连接，所述设备控制系统根据接收信息控制所述多维度姿态调整装置以及所述电磁阻拦装置工作。

3、可选地，所述可折叠导轨包括三段导轨、活页连接件、固定装置、第一电机以及第二电机；三段所述导轨中的中间段导轨固定安装在所述起重机的支臂上，前后两侧导轨分别转动安装在所述中间导轨的前后两端，每两段导轨之间一侧由所述活页连接件连接，另一侧设有所述固定装置；所述活页连接件由所述第一电机驱动转动，以带动导轨转动；所述固定装置包括设于导轨一侧的凸起和与它相邻一侧导轨的卡槽；所述凸起在导轨转动为一条直线时伸入对应的所述卡槽内；所述凸起可收缩与伸出；所述第二电机连接所述凸起，驱动所述凸起活动；所述固定装置用于将相邻两个导轨紧固连接；每隔一段导轨，所述活页连接件与所述固定装置的位置对调。所述连接方式、固定装置、活页连接件共同用于轨道“z”字形收缩与展开。

4、可选地，所述可折叠轨道收缩时，所述固定装置的突起收缩，所述第一电机启动，带动所述活页连接件旋转从而带动前侧导轨与后侧导轨沿顺时针旋转，开始“z”型收缩直至三节导轨贴合，所述第一电机关闭；所述可折叠导轨展开时，所述第一电机启动，带动所述活页连接件旋转从而带动前侧导轨与后侧导轨沿逆时针旋转，直至三节导轨在同一直线，所述第二电机启动，所述凸起伸出，导轨一侧凸起卡进另一侧对应卡槽中，此时所述第一电机关闭，导轨固定，完成展开。

5、可选地，所述可折叠导轨按总长分为三部分，分别为初始撞击区域、中部缓冲区域、尾部电磁减速区域，分别位于所述可折叠导轨前15％长度、前15％到前80％长度、后20％长度；所述可折叠导轨侧壁设置有多个间隔布设的开孔；所述可折叠导轨的尾部电磁减速区域与初始撞击区域以及中间位置的所述开孔的孔径比剩余位置的所述开孔孔径小，用于满足导轨强度要求的同时，最大限度提高导轨的轻量化程度。所述初始撞击区域前端以及所述尾部电磁减速区域均设有测速器，用于监测所述滑动器碰撞初始时的速度；所述可折叠导轨中部位置设有光电传感器，用于监测所述滑动器是否到达中部区域；所述测速器、所述光电传感器均与综合信息管理平台通讯连接。

6、可选地，所述滑动器背部上端设有呈c字型突起的限位棒，所述限位棒内部为金属棒，外部套有聚氨酯橡胶棒，最外层包裹可变形的橡塑棉；所述可折叠导轨末端设有圆弧凹槽；所述圆弧凹槽直径比聚氨酯橡胶棒直径小；所述圆弧凹槽与所述限位棒处于同一水平面；用于所述滑动器碰撞所述可折叠导轨末端后由于滑动器的动能，橡塑棉被挤压变形，限位棒卡进轨道末端所述圆弧凹槽从而使其位置锁死；所述圆弧凹槽前端阻挡部分可以自动收起，用于所述限位棒退出所述圆弧凹槽。

7、可选地，所述可折叠导轨所选材料为高强度低合金钢(hlsa)，既减轻重量的同时又能提高导轨的刚度，同时导轨末端设计有较大厚度，进一步提高导轨末端的刚度，用于更好承载滑动器的碰撞。

8、可选地，所述多维度姿态调整装置包括关节机械臂与喇叭口连接件；所述关节机械臂包括基座、转动座、第一关节、第二关节，所述基座位于所述滑动器的底部；所述转动座转动安装在所述基座底部；所述第一关节上端转动安装于所述转动座底部；所述第二关节上端转动安装于所述第一关节下端；所述喇叭口连接件固定连接于所述第二关节下端，所述气囊喇叭口安装于所述喇叭口连接件。

9、可选地，所述关节机械臂还包括第一驱动装置、第二驱动装置与第三驱动装置，所述第一驱动装置安装于所述转动座，用于驱动所述转动座转动，所述第二驱动装置安装于所述第一关节，用于驱动所述第一关节运动，所述第三驱动装置安装于所述第二关节，用于驱动所述第二关节运动。

10、可选地，所述喇叭口连接件包括两竖杆与一横杆、两个旋转装置、两个角度传感器、圆弧形滑道；所述横杆与所述第二关节底部固定连接，所述两竖杆分别与所述横杆两端连接；两个所述旋转装置分别安装于所述两竖杆底部，所述旋转装置连接于所述气囊喇叭口两侧，用于驱动调整所述气囊喇叭口的俯仰角度；两个所述角度传感器分别安装于所述左右两个旋转装置；所述角度传感器与所述数据处理系统电连接；所述角度传感器用于测量所述气囊喇叭口的俯仰角度；所述圆弧形滑道设于所述横杆下部，固定连接于所述两竖杆之间；所述圆弧形滑道前侧与后侧均设有防脱栏板；所述防脱栏板与所述圆弧形滑道前侧与后侧垂直固定连接。所述防脱拦板用于限制所述气囊喇叭口滑出滑道。

11、可选地，所述气囊喇叭口包括喇叭口、喇叭口固定架；所述喇叭口固定架的两侧分别安装于两个所述旋转装置，所述喇叭口固定架固定安装于所述喇叭口上表面；所述气囊环铺设于所述喇叭口整个内表面，并有波浪凹凸起伏，防止无人机滑落所述喇叭口；所述喇叭口固定架包括设于喇叭口上表面突出的三根直杆，其与所述圆弧形滑道抵接，用于提高喇叭口俯仰角调整时姿态的稳定性。

12、可选地，所述气囊喇叭口首部具有高精度定位装置；所述高精度定位装置包括安装于喇叭口前端外侧上下左右四个位置的四个高精度激光雷达检测仪、安装于喇叭口背部中心位置的gps定位装置；所述高精度激光雷达检测仪和所述gps定位装置均与所述综合信息管理平台通讯连接；所述高精度激光雷达检测仪用于获取无人机回收时与所述喇叭口的动态相对位置，位置信息包括无人机相对于所述喇叭口的速度、与所述喇叭口相对高度、距离与相对倾角，同时将数据传至所述数据接收与处理系统；所述gps定位装置用于所述喇叭口进行自我高度以及水平位置的定位，并将数据实时传至所述数据接收与处理系统。

13、可选地，所述电磁阻拦装置包括位于所述可折叠导轨末端略微凹陷位置的电磁铁、所述滑动器背部的电磁阻尼线圈和电磁控制系统；所述电磁控制系统与电磁铁电连接，用于控制所述电磁铁的磁力强度；所述绳索阻拦装置包括滑轮、绳索、能量吸收器和绞车；所述滑轮设于所述可折叠导轨首部外延部分，由定轴固定于中间位置；所述绞车固定于所述可折叠导轨前端上部，所述能量吸收器设于所述绞车；所述绳索跨过所述滑轮分别与所述绞车和所述滑动器连接；所述绳索阻拦装置在所述滑动器滑动的全程辅助减速；所述电磁阻拦装置在所述滑动器滑动至尾部电磁减速区域时开始辅助减速，当所述滑动器碰撞所述可折叠导轨末端时所述电磁铁断电。

14、此外，本发明还公开了一种气囊喇叭口姿态调节的方法，用于上述气囊喇叭口柔性无人机回收装置，按调节顺序整个流程依次包括：气囊喇叭口动态水平方向参数调节、气囊喇叭口动态俯仰角度与动态基本高度参数调节；

15、所述气囊喇叭口动态水平方向参数调节方法为：所述综合信息管理平台在接收无人机开始回收的信号后，向无人机发射所述喇叭口相关位置信息，所述数据处理系统接收来自无人机传输的此时的相对高度、水平距离、俯仰角等信息，所述设备控制系统依据所述数据处理系统接收的无人机传输的相对高度、水平距离、俯仰角信息以及所述高精度定位装置的数据，向所述转动座作出指令，所述第一关节、所述第二关节相对位置保持不变，所述转动座转动，所述多维度姿态调整装置以及所述气囊喇叭口开始转动一定角度后停止，所述喇叭口实现水平方向的调节，在整个调节过程中，数据处理系统时刻动态监测、分析数据，时刻动态调节参数；

16、其中，数据根据以下分析结果：

17、

18、

19、其中——

20、χ1：喇叭口该时刻以导轨中间位置为原点，沿导轨首部为x轴正方向的坐标系的横坐标；

21、χ2：无人机该时刻以导轨中间位置为原点，沿导轨首部为x轴正方向的坐标系的横坐标；

22、y1：喇叭口该时刻以导轨中间位置为原点，沿导轨首部为x轴正方向的坐标系的纵坐标；

23、y2：喇叭口该时刻以导轨中间位置为原点，沿导轨首部为x轴正方向的坐标系的纵坐标；

24、ψ：无人机的方位角，以机头右偏为正；

25、：无人机调整机体水平方位的角速度；

26、所述气囊喇叭口动态俯仰角度与动态基本高度参数调节方法为：所述综合信息管理平台在接收无人机开始回收的信号后，所述设备控制系统依据所述数据处理系统接收的无人机传输的相对高度、水平距离、俯仰角信息以及所述高精度定位装置的数据，向所述旋转装置作出指令，所述旋转装置旋转，带动所述喇叭口向上或向下转动一定角度，从而实现所述喇叭口在竖直方向俯仰角的调节，转动过程中，所述喇叭口固定架在所述圆弧形滑道上对应旋转，辅助所述喇叭口协调运动，所述转动座保持不动，所述第一关节开始向前或向后转动一定角度，此过程所述第二关节不转动，从而实现整个喇叭口升高或降低一定高度；倘若所述第一关节旋转至临界角度仍未升高或降低指定高度，则此时所述第一关节停止转动，所述第二关节开始向前或向后转动一定角度，从而实现所述喇叭口再次升高或降低一定高度，所述整个喇叭口达到指定高度，在整个调节过程中，所述数据处理系统时刻动态监测、分析数据，调节参数时刻动态变化；

27、其中，数据根据以下分析结果：

28、

29、

30、δh＝z2-z1+(x2-x1)tanθ；

31、其中——

32、χ1：喇叭口该时刻以导轨中间位置为原点，沿导轨首部为x轴正方向的坐标系的横坐标；

33、χ2：无人机该时刻以导轨中间位置为原点，沿导轨首部为x轴正方向的坐标系的横坐标；

34、z1：喇叭口该时刻以导轨中间位置为原点，沿导轨首部为x轴正方向的坐标系的竖坐标；

35、z2：喇叭口该时刻以导轨中间位置为原点，沿导轨首部为x轴正方向的坐标系的竖坐标；

36、ω：无人机调整机体俯仰角的角速度；

37、θ：无人机该时刻对应的俯仰角，飞机抬头为正。

38、可选地，所述第一关节旋转范围为-45°至45°。

39、可选地，所述第二关节旋转范围为-7°至7°。

40、可选地，所述喇叭口竖直俯仰角调节范围为-30°至30°。

41、本发明还提供了一种喇叭口式气囊柔性无人机回收方法，用于上述气囊喇叭口柔性无人机回收装置，整个流程依次包括：回收前准备过程，无人机柔性回收过程，滑动器复位过程；

42、所述回收前准备过程：所述起重机运行至指定位置，所述第一电机打开，带动所述活页连接件转动使得所述可折叠导轨展开，并完成固定；所述滑动器位于所述可折叠导轨初始位置并锁死；无人机发出回收信号并开始传输相关信息至所述数据处理系统，当无人机与所述喇叭口相距设定临界距离l1时，开始计算得出无人机回收飞行路线；当无人机与所述喇叭口相距设定临界距离l2时，所述设备控制系统对所述多维度姿态调整装置发出指令，所述多维度姿态调整装置对所述喇叭口姿态进行调整，直至与无人机回收路线相匹配，此过程所述高精度定位装置时刻动态监测无人机飞行状态变化，从而对所述多维度姿态调整装置不断矫正指令，实现精确匹配；当无人机与所述喇叭口相距设定临界距离l3时，位于所述喇叭口上的所述高精度定位装置检测所述喇叭口是否调整至正确姿态，若姿态正确，所述喇叭口与无人机高度差、倾角差、水平方向角差均处于收敛值范围内，则向无人机发布可正常回收信号，继续回收，若此时仍未调整正确，则向无人机发布拒绝回收信号，无人机立即更改方向，避免撞至装置，并重新回收；

43、所述喇叭口与无人机高度差收敛值确定方法为：

44、

45、其中——

46、r：喇叭口最外侧圆周的半径；

47、χ1：喇叭口该时刻以导轨中间位置为原点，沿导轨首部为x轴正方向的坐标系的横坐标；

48、χ2：无人机该时刻以导轨中间位置为原点，沿导轨首部为x轴正方向的坐标系的横坐标；

49、θ1：喇叭口此时俯仰角度，以抬头为正；

50、θ2：无人机此时俯仰角度，以抬头为正；

51、所述喇叭口与无人机倾角差收敛值(δθ)与水平方向角差收敛值(δψ)确定方法为：

52、

53、

54、其中——

55、r：喇叭口最外侧圆周的半径；

56、χ1：喇叭口该时刻以导轨中间位置为原点，沿导轨首部为x轴正方向的坐标系的横坐标；

57、χ2：无人机该时刻以导轨中间位置为原点，沿导轨首部为x轴正方向的坐标系的横坐标；

58、所述无人机柔性回收过程：无人机撞向所述喇叭口内表面的气囊环，带动所述气囊喇叭口、所述多维度姿态调整装置、所述滑动器以及所述绳索沿所述可折叠导轨滑动，碰撞初始时，所述可折叠导轨前端测速器测出无人机碰撞所述喇叭口后的初始速度，将数据传至所述数据处理系统，结合碰撞前传入的无人机型号信息，匹配所述电磁拦阻装置应有的电磁阻力大小等级s1,s2,s3，电磁阻力大小等级由无人机开始撞入喇叭口时的整个装置的动能所确定；当所述滑动器经过所述可折叠导轨中间位置时，所述光电传感器感应，所述电磁控制系统立即将轨道末端的所述电磁铁通电，电流大小对应上述匹配的电磁阻力大小等级；所述滑动器继续向前滑动并在电磁阻力的作用下明显减速，所述可折叠导轨末端的测速器不断监测滑动器速度，当所述滑动器滑动至尾部电磁减速区域速度低于阈值v1时，所述电磁铁继续正常通电，所述滑动器正常停下或以较小速度撞至可折叠导轨末端；若所述滑动器滑动至尾部电磁减速区域速度高于阈值v1，则加大电磁铁电流，增加阻力，直至无人机速度减小到阈值v1，所述滑动器撞向所述可折叠导轨末端，所述滑动器的限位棒卡进圆弧形凹槽，并将所述滑动器位置锁死，防止回弹；当所述滑动器在所述可折叠导轨停止或撞向可折叠导轨末端时，所述电磁铁断电；此时所述滑动器静止于所述可折叠导轨表面，所述多维度姿态调整装置开始将所述喇叭口调至最低位置，工作人员沿阶梯将无人机从所述喇叭口安全取出，至此无人机安全回收。

59、所述阈值速度v1的确定方法为：

60、

61、

62、其中——

63、mt：喇叭口、滑动器、机械臂、连接件总重；

64、v：滑动器碰撞轨道末端速度；

65、l’：轨道后％15长度；

66、f磁：该时刻电磁阻力的大小；

67、f绳：该时刻绳索阻力的大小；

68、μ：滑动器与导轨接触面的摩擦系数；

69、所述滑动器复位过程：无人机回收后，所述设备管理系统发出指令，所述圆弧形凹槽前端挡板自动收回，同时所述绳索阻拦装置的绞车转动，开始回收所述绳索，并利用所述绳索将所述滑动器同时带动所述多维度姿态调整装置以及所述气囊喇叭口牵引至初始位置，所述多维度姿态调整装置调整所述喇叭口为初始姿态并确认，同时所述设备控制系统检测各路开关、所述滑动器位置以及所述气囊环气密性是否正常，若装置安全性有问题则停止回收开始反馈人工开始检修，无问题则开始准备下一次回收。

70、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

71、本发明通过综合信息管理平台所接收的无人机数据以及回收阶段飞行状态信息，来进行喇叭口的多维度姿态调整，以实现与无人机回收飞行路线的匹配，从而解决了无人机回收时因不同飞行姿态以及无法精确回收所带来的安全问题，实现了无人机回收时的装置与无人机的信息交互，从而极大的增加了回收的精确性；

72、本发明通过电磁绳索耦合阻拦装置以及气囊柔性喇叭口的设计，既提高了无人机回收时无人机的安全性，又满足了无人机回收时能量缓冲需求。

73、本发明通过可折叠导轨的“z”型收缩与展开，减少了装置的占地面积，提高了便捷性与灵活度。

74、本发明通过综合信息管理平台，将无人机回收智能化、数据可视化，并在此基础上增加了对无人机是否可以回收的数据判断，从而提高了无人机以及装置的安全性。

75、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如下。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。