用于使空运平台减速和重定向的方法和系统
专利摘要:本发明提供用于使空运平台减速和重定向的方法,所述方法包括如下步骤:将柔性机翼保持为非展开形式,且相对于多转子无人机的每个相应的转子臂可控可释放地固定;以及在检测到所述无人机的下降速率在第一方向上大于预定值时,触发一个或多个所述保持的机翼从所述相应的转子臂释放,并且使得每个所述释放的机翼产生从所述无人机的第一转子臂到第二转子臂的周向位移,以封闭相邻的臂间区域,其中每个所述产生周向位移的机翼产生局部抬升的足够值,局部抬升的足够值使得所述下降中的无人机将其下降方向从所述第一方向改变到第二方向。
专利说明:
用于使空运平台减速和重定向的方法和系统
[0001] 技术领域
[0002] 本发明涉及多转子飞行器领域,例如无人飞机(UAV)和无人机。更具体地,本发明涉及用于使例如这样的飞行器的平台减速和重定向的方法和系统。
[0003] 背景技术
[0004] 近年来,无人机以及其他类型的多转子飞行器的使用已经稳步增长,特别是用于执行例如污染检测、空中摄影和监控的自动任务。有时候,由于任务的自动或半自动的性质,无人机会发生预见不到的碰撞,或者无人机意外失灵,由于无人机不能产生足够的抬升而导致快速下降。
[0005] 一些无人机配备有自动的降落伞展开系统,以在这样的降速情况下使快速下降的无人机减速。然而,这些现有技术中的降落伞展开系统仅仅使下落速率减速,但是并不控制下降方向。因此,存在骤降的无人机将与下面的结构例如建筑物或山峦碰撞导致无人机发生不可修复和代价高昂的损坏的很大风险。
[0006] 现有技术中的无人机的降落伞的尺寸和重量也是有限的,并且因此由此可达到的减速也是有限的。
[0007] 本发明的目标是为多转子飞行器提供能够控制飞行器的下降方向的减速系统。
[0008] 本发明的其他目标和优点将随着说明书的继续变得显而易见。
[0009] 发明内容
[0010] 本发明提供一种用于使空运平台减速和重定向的方法,该方法包括如下步骤:保持柔性的机翼为非展开形式,且相对于多转子无人机的每个相应的转子臂可控可释放地固定;以及在检测到所述无人机在第一方向上的下降速率大于预定值时触发一个或多个所述保持的机翼从所述相应的转子臂释放,以及使得每个所述释放的机翼产生从所述无人机的第一转子臂到第二转子臂的周向位移,以封闭(occlude)相邻的臂间区域,其中每个所述产生周向位移的机翼产生局部(local ized)抬升的足够值,所述局部抬升的足够值使得所述下降中的无人机将其下降方向从所述第一方向改变到第二方向。
[0011] 响应于检测到下面的障碍物,可以触发从相应的转子臂释放一个或多个保持的机翼。如果在无人机的当前位置的预定距离内没有发现障碍物,那么可以从相应的转子臂释放所有一个或多个保持的机翼,以确保在第一方向上的连续下降。
[0012] 本发明还针对用于与多转子无人机共同使用的减速系统,该减速系统包括多个机翼、机翼保持器、固定元件和旋转喷射器,其中:机翼保持器用于将每个所述机翼相对于所述无人机的相应转子臂维持为非展开形式;固定元件用于将所述机翼保持器可控和可释放地固定到相应的转子臂;旋转喷射器用于在从所述保持器被释放以后关于所述无人机的纵向轴线旋转以及因此使一个或多个所述机翼产生从所述无人机的第一转子臂到第二转子臂的周向位移,以封闭相邻的臂间区域。
[0013] 在其他实施例中,减速系统还可以包括以下部件中的任意一个:
[0014] A.一个或多个传感器以及确保安全处理单元,一个或多个传感器用于检测无人机的预定快速下降,确保安全处理单元与所述一个或多个传感器、旋转喷射器以及每个机翼保持器固定元件进行数据通信,其中响应于检测到所述预定快速下降,使得一个或多个机翼产生周向位移的触发信号被从所述确保安全处理单元传输到所述喷射器以及对应于一个或多个机翼的那些固定元件;
[0015] B.相应的接口元件,所述接口元件与确保安全处理单元进行数据通信,接口元件可控地可以从喷射器向每个机翼延伸,其中在喷射器旋转期间,延伸的接口元件与机翼部分的接合使得相应的机翼产生周向位移,以封闭相邻的臂间区域;
[0016] C.面向下的避免碰撞系统,该避免碰撞系统与确保安全处理单元进行数据通信,以在无人机的第一方向上沿着未修正的下降路径检测到障碍物时将检测信号传输到确保安全处理单元,其中确保安全处理单元可操作成计算避免所述障碍物所需的下降方向,并且使得足够数量的机翼在传输触发信号以后产生周向位移,每个所述产生周向位移的机翼产生局部抬升的足够值,局部抬升的足够值使得所述下降中的无人机将其下降方向从所述第一方向改变到适于避免所述障碍物的第二方向;以及
[0017] D.用于每个机翼的平面形(planform)调整装置,该装置响应触发信号的传输以及一个或多个机翼的周向位移。
[0018] 在一方面,确保安全处理单元是机载计算机。
[0019] 附图说明
[0020] 在附图中:
[0021] -图1是根据本发明的一个实施例的多转子无人机的示意平面图,示出了由相应的产生周向位移的机翼封闭的选定的臂间区域;
[0022] -图2是图1的无人机的示意平面图,示出的其机翼处于完全展开状态;
[0023] -图3是图1的无人机的示意平面图,示出的其两个机翼处于完全展开的状态以使得无人机关于俯仰轴旋转;
[0024] -图4是图1的无人机的示意平面图,示出的其两个机翼处于完全展开的状态以使得无人机关于横摇轴旋转;
[0025] -图5是图1的无人机的示意平面图,示出的其两个机翼处于完全展开的状态以使得无人机悬停;以及
[0026] -图6是根据本发明的一个实施例的减速系统的示意图。
[0027] 具体实施方式
[0028] 无人机被配置成具有很多复杂的系统,以支持远程遥控可执行的半自动任务或者甚至是全自动任务,这些系统包括推进系统、通信系统、控制系统、避免碰撞系统和电源系统。这些系统中的任何一个发生故障,则无人机的损失即将迫近。
[0029] 为了最小化由系统故障造成的无人机损坏以及在无人机造成碰撞后附近结构的损坏,在检测到无人机的快速下降时(例如在超过预定阈值以后),确保安全处理单元(由机载无人机计算机或专用远程计算机实例化)激活减速系统,以使下降速率减速。基于转子的推进系统(如果采用的话)将自动停用以防止减速系统损坏。在减速系统辅助下降期间,无人机将受到风飘移以及重力的影响,并且因此将沿着不可控的路径导向,直到着陆,或者不幸地与沿着该路径坐落的结构碰撞。
[0030] 为了避免在减速系统辅助下降期间无人机和结构之间的碰撞,本发明的减速系统与确保安全处理单元共同能够控制无人机的下降方向。
[0031] 如图1所示,适于本发明的无人机类型是多转子类型,其中转子由每个相应的转子臂的径向向外的端部或者接近端部的部分携带。每个转子独立地可旋转和可控以实现期望产生的无人机推力和期望产生的无人机力矩。
[0032] 示出的示意性阐释的多转子无人机10具有四个转子臂4a-4d,它们从中央彀6或者从汇聚的任何其他中央区域径向向外延伸,以由两个相邻的转子臂4限定正常地不受阻碍的臂间区域R。应理解,本发明类似地可应用于具有任何其他数量的转子臂的无人机。
[0033] 正如与包括用于整个无人机的单个降落伞的现有技术中的降落伞展开系统相反,本发明的展开系统包括多个机翼,每个转子臂一个机翼。在确保安全处理单元响应于检测到无人机的预定快速下降而产生触发信号以后,一个或多个机翼被强制地产生以相同的旋转方向从一个转子臂4到另一个转子臂的周向位移,以封闭相邻的臂间区域R。在封闭每个选定的臂间区域R以后,封闭机翼张开以产生抬升,并且因此使无人机的下降速率减速。
[0034] 为每个转子臂4提供用于将机翼维持为紧凑、非展开形式的机翼保持器8。机翼优选地但不必然地由柔性和轻质量的无孔材料制成。机翼保持器8可以由筒所实例化,该筒具有面向相邻的臂间区域R的一个开口以及用于可控和可释放地将机翼固定到筒的闭合的壁上的一个或多个元件。在一个实施例中,机翼保持器8包括一个或多个附接元件,用于可控和可释放地将机翼从外部固定到相应的转子臂4。
[0035] 通过采用多个独立可位移的机翼,可以有利地控制抬升的速率和方向。当所有的机翼9被展开如图2所示时,合成的抬升被竖直导向,并且下降中的无人机10沿着其向下的路径在基本竖直的方向上行进,尽管速率更慢,但是这仅受侧向风飘移的影响。然而,当一个或多个机翼9没有展开时,无人机将停止保持平衡,并且改变其下降方向,以避免例如在与无人机碰撞时易于使无人机或者旁观者显著损坏的下面的结构。
[0036] 例如,如图3所示,当机翼9a和9d分别展开以封闭区域Ra和Rd时,由于在区域Ra和Rd的局部抬升相对于直径相对的区域Rb和Rc增加,使得无人机10在由箭头11指示的方向上关于由转子臂4b和4d限定的俯仰轴旋转。因此,与向下拉的重力相结合,无人机10将被强制经历根据示出的取向的向左运动。
[0037] 可替代地,如图4所示,当机翼9a和9d分别展开以封闭区域Ra和Rb时,由于在区域Ra和Rb的局部抬升相对于直径相对的区域Rc和Rd增加,使得无人机10在由箭头12指示的方向上关于由转子臂4a和4c限定的横摇轴旋转。因此,与向下拉的重力相结合,无人机10将被强制经历根据示出的取向的向右运动。
[0038] 在图5中示出的另一场景中,由于成角度平衡的局部抬升(其抵消了向下拉的重力)的结果,当在对角线上相对的机翼9a和9c分别展开以封闭区域Ra和Rc时,允许无人机悬停。
[0039] 下降速度受到垂直于向下方向的机翼的表面积以及无人机的装载量的很大影响。
[0040] 当无人机10配置成如所示悬停时,可以通过选择性地调整平面形(即当从上方看时机翼的投影面积)促使在期望的方向上略微地重定向无人机10。因为抬升力与机翼平面形面积成正比,可以通过调节平面形(例如通过使机翼充气或放气或者通过重定位机翼的一部分,例如机翼的径向向内的尖部关于水平面的角度)来控制作用在给定机翼上的抬升力。因此,通过调整作用在两个不同机翼上的抬升力的差异,将使得无人机10重定向。当所有的机翼展开时,可以更加准确地控制无人机10被重定向到的方向,并且每个机翼的平面形不同。
[0041] 图6示意性地示出根据本发明的一个实施例的减速系统20。减速系统20包括机载计算机22、一个或多个传感器24以及致动器27。计算机22用于协调控制信号的传输,传感器24与计算机22进行数据通信,用于检测无人机的预定快速下降,致动器27与机载计算机22进行数据通信,用于可释放的机翼保持器固定元件29。在检测到无人机的预定快速下降以后,计算机22将信号(无论是有线信号还是无线信号)传输到每个选定的致动器27,以从其机翼保持器8启动相应的固定元件29的释放。
[0042] 减速系统20还可以包括旋转机翼喷射器33、可伸缩接口元件36、以及可控联接元件41,机翼喷射器33位于转子臂的汇聚区域6的下方,并且可能连接到转子臂的汇聚区域6,可伸缩接口元件36可控地可以从喷射器33延伸到相应的机翼部分(AP)37。面向下的避免碰撞系统39也与计算机22进行数据通信。
[0043] 在操作中,触发信号T被同时传输到产生旋转运动的喷射器33的马达34和避免碰撞系统39。如果避免碰撞系统39检测到位于沿着无人机的未修正的下降路径(例如在预定距离内)的障碍物,检测信号DT被传输到计算机22,并且后者响应并计算避免检测到的障碍物所需的下降方向。如果障碍物相对接近,那么机翼部分37的周向位移的速率可以增加。如果尚未检测到障碍物,那么所有的机翼将同时展开,以便合成的抬升被竖直导向,并且无人机将继续其向下的下降。
[0044] 在计算机22计算所需的下降方向以后,其将展开信号DE同时传输到机翼保持器固定元件29的致动器27以及与需要展开的那些选定的机翼相关联的接口元件36,以产生所需的方向性抬升,用于确保所需的下降方向。在释放相应的固定元件29以后很短的时间同步实施选定的接口元件36的延伸。延伸的接口元件36适于与相应的机翼部分37(相应的机翼部分37和释放的固定元件29相邻)接合,例如以可以被致动的专用接合元件的方式接合。
[0045] 因为已经使得喷射器33关于其中央轴线38以预定速率旋转,并且延伸的接口元件36已经与相应的机翼部分37相接合,机翼部分37被强制地从已经提供有机翼保持器8的第一转子臂产生周向位移,以封闭相邻的臂间区域。在机翼的周向位移的端部,在联接信号CO传输以后,连接机翼的联接元件41被致动,然后被固定到第二转子臂,以启用产生机翼的能力的抬升。
[0046] 减速系统20可以足够快地反应,以便在检测到下面的障碍物以后通过展开选定数量的机翼以及因此在0.3秒或者任何其他适当的时间段以内修正下降方向来产生抬升。
[0047] 减速系统20还可以包括响应触发信号T的用于每个机翼的平面形调整装置。
[0048] 应理解,响应于远程控制行为(由组成确保安全处理单元的专用远程计算机控制),机翼可以被展开,从而:响应于检测到下面的障碍物,协调控制信号的传输以及使得一个或多个机翼产生周向位移或者进行平面形调整。
[0049] 虽然已经通过阐述的方式描述了本发明的一些实施例,很显然,可以进行很多修改、改动和适应,并且在本领域技术人员的范围内使用很多等价方案或可替代方案来实施本发明,而不超过权利要求的范围。
权利要求:1.一种用于使空运平台减速和重定向的方法,所述方法包括步骤:
a)将柔性机翼保持为非展开形式,并且相对于多转子无人机的每个相应的转子臂可控可释放地固定;以及
b)在检测到所述无人机在第一方向上的下降速率大于预定值时,触发一个或多个所述保持的机翼从所述相应的转子臂释放,以及使得每个所述释放的机翼产生从所述无人机的第一转子臂到第二转子臂的周向位移,以封闭相邻的臂间区域,
其中每个所述产生周向位移的机翼产生局部抬升的足够值,局部抬升的足够值使得所述下降中的无人机将其下降方向从所述第一方向改变到第二方向。
2.根据权利要求1所述的方法,其中响应于检测到下面的障碍物,触发所述一个或多个保持的机翼从所述相应的转子臂的释放。
3.根据权利要求1所述的方法,其中所有所述一个或多个保持的机翼被从相应的转子臂释放,以确保如果在所述无人机的当前位置的预定距离内没有发现障碍物则在所述第一方向上连续下降。
4.根据权利要求1所述的方法,所述方法还包括调整已经封闭相邻的臂间区域的一个或多个机翼的平面形的步骤。
5.一种用于与多转子无人机结合使用的减速系统,所述减速系统包括:
a)多个机翼;
b)机翼保持器,所述机翼保持器用于将每个所述机翼相对于所述无人机的相应转子臂维持为非展开形式;
c)固定元件,所述固定元件用于将所述机翼保持器可控和可释放地固定到相应的转子臂;以及
d)旋转喷射器,所述旋转喷射器用于在从所述保持器被释放以后关于所述无人机的纵向轴线旋转,以及因此使一个或多个所述机翼产生从所述无人机的第一转子臂到第二转子臂的周向位移,以封闭相邻的臂间区域。
6.根据权利要求5所述的减速系统,所述减速系统还包括一个或多个传感器和确保安全处理单元,所述一个或多个传感器用于检测所述无人机的预定快速下降,所述确保安全处理单元与所述一个或多个传感器、所述旋转喷射器以及每个所述机翼保持器固定元件进行数据通信,
其中响应于检测到所述预定快速下降,引起所述一个或多个机翼的周向位移的触发信号被从所述确保安全处理单元传输到所述喷射器以及对应于所述一个或多个机翼的那些固定元件。
7.根据权利要求6所述的减速系统,所述减速系统还包括相应的接口元件,所述接口元件与所述确保安全处理单元进行数据通信,所述接口元件可控地能从所述喷射器延伸到每个机翼,其中在所述喷射器的旋转期间,延伸的接口元件与机翼部分的接合使得相应的机翼产生周向位移,以封闭所述相邻的臂间区域。
8.根据权利要求7所述的减速系统,所述减速系统还包括面向下的避免碰撞系统,所述避免碰撞系统与所述确保安全处理单元进行数据通信,以在所述无人机的第一方向上沿着未修正的下降路径检测到障碍物时将检测信号传输到所述确保安全处理单元,
其中所述确保安全处理系统可操作以计算避免所述障碍物所需的下降方向,并且在传输所述触发信号以后使得足够多数量的机翼产生周向位移,每个所述产生周向位移的机翼产生局部抬升的足够值,使得所述下降中的无人机将其下降方向从所述第一方向改变到适于避免所述障碍物的第二方向。
9.根据权利要求6所述的减速系统,其中所述确保安全处理单元是机载计算机。
10.根据权利要求6所述的减速系统,所述减速系统还包括响应所述触发信号的传输以及所述一个或多个机翼的周向位移的用于每个机翼的平面形调整装置。
公开号:CN110603194
申请号:CN201880020223.0A
发明人:A·萨莉亚
申请人:帕拉泽罗股份有限公司
申请日:2018-03-15
公开日:2019-12-20
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