一种舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置

1.本发明属于无人机技术领域，尤其涉及一种舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置。


背景技术：

2.垂直起降固定翼无人机是一种集垂直起降、定点悬停和远程巡航等功能于一体的高性能无人机。其适用于在有限场地进行垂直起降和在目标上空进行定点悬停作业，同时拥有远程巡航和长时间滞空的特点。在海上作战中，舰载垂直起降固定翼无人机的应用前景广阔，可执行多种任务，如敌情侦察、战区防御、火力支援、对海攻击、毁伤评估、物资补给、伤员救助和通讯中继等。
3.随着无人机战术任务的不断增加和人们对无人机可回收利用率的要求不断提高，无人机的回收能力成为评价无人机性能的重要指标。垂直起降固定翼无人机是通过垂直降落在甲板上的方式进行回收。由于海上风浪、甲板运动和飞行姿态调整等不利因素，垂直起降固定翼无人机在回收的过程中容易出现碰撞甲板的事故。和垂直起降的直升机相比，垂直起降固定翼无人机的机翼高度低，机翼翼展长，存在回收难度大，碰撞风险高等问题。严重的碰撞会损坏机体结构，降低无人机的回收价值，甚至出现无人机完全报废的情况。
4.目前通过优化无人机的起落架设计可以降低碰撞造成的危害，提高无人机的可回收性能。但是起落架的优化设计通常需要增加起落架的重量。重量增加会降低无人机的有效带载荷能力，降低无人机的滞空时间。另外，通过设计用于舰载垂直起降固定翼无人机的回收装置可以在不改变无人机结构，不增加无人机重量的情况下提高无人机回收的安全性。目前的回收装置有减震平台、并联活动平台和机械臂等技术。减震平台和并联活动平台的回收面都是平面，和无人机的底部的接触面积有限，降低碰撞危害的性能有限。机械臂回收技术需要较高的对接精度，这项技术通常只应用于静风环境下的微型无人机回收，在舰载环境中由于甲板晃动无法保证回收面为平面，这会使无人机与回收面发生碰撞，损坏无人机。
5.中国实用新型专利cn217100507u中公开了一种无人机舰载辅助回收装置，该无人机舰载辅助回收装置包括：吊装组件和回收绞盘组件，吊装组件包括吊装绞盘机构、吊装绳索及第一吊装钩，吊装绞盘机构设置于无人机上，吊装绳索的一端缠绕于吊装绞盘机构上，吊装绳索的另一端连接第一吊装钩；回收绞盘组件包括回收绞盘机构、回收牵引绳、绳索导引机构及第二吊装钩，回收牵引绳的一端缠绕于回收绞盘机构上，回收牵引绳的另一端与第二吊装钩连接，当无人机使用回收绞盘组件进行无人机回收作业时，第二吊装钩穿过绳索导引机构与第一吊装钩连接。本技术装置可以防止无人机因降落碰撞引起弹跳与倾倒等情况，有效提高海况情况下无人机降落回收的安全性。但是该装置需要工作人员辅助进行操作，增加了工作量；而且用该装置回收后的无人机需要人工搬运才能恢复待飞状态，增加了人力和时间成本。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置，本发明要解决的技术问题是如何避免无人机回收时发生损坏和如何节省无人机恢复待飞状态所需的人力成本。
7.为解决上述技术问题，本发明提供了一种舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置，包括多个执行单元、控制单元、供电单元和支撑结构；执行单元的下方与支撑结构连接，支撑结构的下方与甲板连接，控制单元和供电单元设置在支撑结构内部，执行单元、控制单元和供电单元之间互相电连接；每个执行单元均包括基板、升降机构、电机和电机驱动器，基板的下方与升降机构连接，升降机构与电机的输出轴连接，电机与电机驱动器电连接，多个基板组成供无人机降落的承载平台；控制单元包括姿态传感器和控制模块，二者之间互相电连接；回收前，控制模块通过姿态传感器和电机驱动器采集的数据信息，调整各个基板的高度，形成水平的承载平台；回收过程中，在控制单元的控制下，无人机的机腹首先碰触到的基板进行下降；未被碰触到的基板先上升再下降；回收完成后，控制单元通过电机驱动器和电机调整各个基板的高度，推动无人机恢复水平待飞状态。
8.进一步的，回收前，姿态传感器实时获取回收装置相对于水平面的倾斜角度，传输到控制模块；电机驱动器采集基板的高度和升降速度数据，传输到控制模块；控制模块根据回收装置相对于水平面的倾斜角度以及基板的高度和升降速度数据，以回收装置中心处的基板为基准，控制电机驱动器调整各个基板的高度，形成水平的承载平台，从而补偿甲板的晃动；进一步的，回收过程中，在控制单元的控制下，被无人机的机腹首先碰触到的基板，在其对应的电机和升降机构的带动下下降；未被碰触到的基板在其对应的电机和升降机构的带动下上升，直至与机腹接触后再进行下降，这样不但增大了接触面积，降低了无人机机腹受到的压力，机腹各处压力均布，降低了无人机机腹破损的风险，而且还吸收了无人机的动能，保护无人机的结构安全；主动进行托举对回收过程中无人机的位置和姿态有辅助作用，提升了舰载无人机回收过程对恶劣海上环境的适应性。
9.进一步的，基板包括缓冲垫和支撑板，缓冲垫设置在支撑板的上方，支撑板的下方与升降机构连接。
10.进一步的，缓冲垫由弹性吸能材料制成。
11.进一步的，升降机构包括推杆、齿条和齿轮，推杆连接在支撑板的下方，齿条与推杆的侧面连接，齿轮设置在齿条的一侧且与齿条啮合接触，齿轮与电机的输出轴连接。
12.进一步的，执行单元还包括外壳，电机与外壳的内壁连接，电机驱动器设置在外壳的内部，外壳的下表面与支撑结构连接。
13.进一步的，推杆的轴线与外壳底部垂直。
14.进一步的，外壳内部设有滑槽。
15.进一步的，支撑结构通过卡扣固定在甲板上。
16.进一步的，控制模块为树莓派计算模块cm4。
17.进一步的，供电单元包括电源管理单元、锂电池和超级电容，电源管理单元、锂电池和超级电容之间互相电连接。
18.供电单元为回收装置供电。无人机回收装在在待机状态和回收状态下的功耗有明显差异。无人机回收过程持续的时间短，功耗高。为了满足无人机回收装置的正常工作，供电单元采用锂电池供电和超级电容供电复合的供电方式。在待机状态下，锂电池对超级电容充电。在回收过程中，超级电容放电以满足回收装置瞬时功耗高的耗电需求，补偿锂电池因为锂电池放电功率限制引起的供电缺口。
19.本发明一种舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置通过姿态传感器实时获取回收装置的姿态数据，电机驱动器采集基板的运动信息，控制模块通过获取到的姿态数据和运动信息，以回收装置中心处的基板为基准，通过电机驱动器和电机调整各个基板的高度，组成水平的承载平台，从而补偿甲板的晃动误差，避免无人机降落时发生碰撞，造成损坏；回收过程中，在控制单元的控制下，被无人机的机腹首先碰触到的基板进行下降，未被碰触到的基板上升，直至与机腹接触后再进行下降，这样不但增大了接触面积，降低了无人机机腹受到的压力，机腹各处所受的压力均匀，降低了无人机机腹破损的风险，而且还吸收了无人机的动能；主动进行托举对回收过程中无人机的位置和姿态有辅助作用，提升了舰载无人机回收过程对恶劣海上环境的适应性；回收完成后，升降机构、电机和电机驱动器推动无人机恢复水平待飞状态，节约了人工搬运无人机恢复待飞状态的时间。
20.本发明多个执行单元能够根据无人机的大小进行模块化组合，满足不同尺寸无人机的回收需要，执行单元实现了基板运动状态的闭环控制，通过调整升降机构的升降速度来实时控制支撑板的支撑力，使无人机和回收装置的接触面上的压力均匀分布，减低了无人机破损的风险。
附图说明
21.图1是本发明一种舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置的结构示意图。
22.图2是本发明一种舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置的执行单元示意图。
23.其中，1-执行单元；2-控制单元；3-供电单元；4-支撑结构；5-缓冲垫；6-支撑板；7-推杆；8-齿条；9-齿轮；10-电机；11-电机驱动器；12-外壳。
具体实施方式
24.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
25.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
26.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一
个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
27.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置进一步详细描述。
29.实施例1图1示出了本发明一种舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置的第一种实施方式，包括多个执行单元1、控制单元2、供电单元3和支撑结构4；执行单元1的下方与支撑结构4连接，支撑结构4的下方与甲板连接，控制单元2和供电单元3设置在支撑结构4内部，执行单元1、控制单元2和供电单元3之间互相电连接；每个执行单元1均包括基板、升降机构、电机10和电机驱动器11，基板的下方与升降机构连接，升降机构与电机10的输出轴连接，电机10与电机驱动器11电连接，多个基板组成供无人机降落的承载平台；控制单元2包括姿态传感器和控制模块，二者互相电连接；回收前，控制模块通过姿态传感器和电机驱动器11采集的数据信息，调整各个基板的高度，形成水平的承载平台；回收过程中，在控制单元的控制下，无人机的机腹首先碰触到的基板进行下降；未被碰触到的基板先上升再下降；回收完成后，控制单元通过电机驱动器11和电机10调整各个基板的高度，推动无人机恢复水平待飞状态。
30.实施例2图1示出了本发明一种舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置的第一种实施方式，包括多个执行单元1、控制单元2、供电单元3和支撑结构4；执行单元1的下方与支撑结构4连接，支撑结构4的下方与甲板连接，控制单元2和供电单元3设置在支撑结构4内部，执行单元1、控制单元2和供电单元3之间互相电连接；每个执行单元1均包括基板、升降机构、电机10和电机驱动器11，基板的下方与升降机构连接，升降机构的下方与电机10连接，电机10与电机驱动器11电连接，多个基板组成供无人机降落的承载平台；控制单元2包括姿态传感器和控制模块；无人机回收前，姿态传感器实时获取回收装置相对于水平面的倾斜角度，传输到控制模块；电机驱动器11采集基板的高度和升降速度数据，传输到控制模块；控制模块根据回收装置相对于水平面的倾斜角度以及基板的高度和升降速度数据，以回收装置中心处的基板为基准，控制电机驱动器11调整各个基板的高度，形成水平的承载平台，从而补偿甲板的晃动；回收过程中，在控制单元2的控制下，被无人机的机腹首先碰触到的基板，在其对应的电机和升降机构的带动下下降；未被碰触到的基板在其对应的电机和升降机构的带动
下上升，直至与机腹接触后再进行下降，这样不但增大了接触面积，降低了无人机机腹受到的压力，机腹各处压力均布，降低了无人机机腹破损的风险，而且还吸收了无人机的动能，保护无人机的结构安全；主动进行托举对回收过程中无人机的位置和姿态有辅助作用，提升了舰载无人机回收过程对恶劣海上环境的适应性。
31.回收完成后，控制单元2通过电机驱动器11和电机10调整各个基板的高度，推动无人机恢复水平待飞状态，节约了人工搬运无人机恢复待飞状态的时间。
32.如图2所示，基板包括缓冲垫5和支撑板6，缓冲垫5设置在支撑板6的上方，缓冲垫5由弹性吸能材料制成，缓冲垫5和无人机底面接触后，产生的摩檫力可以减小无人机在水平方向的移动量；升降机构包括推杆7、齿条8和齿轮9，推杆7连接在支撑板6的下端，齿条8与推杆7的侧面连接，齿轮9设置在齿条8的一侧，且与齿条8啮合接触，齿轮9与电机10的输出轴连接，电机10 转动带动齿轮9转动，推杆7开始升降；每个执行单元1还包括外壳12，外壳12内部设有滑槽，推杆7能够沿着滑槽滑动，电机10与外壳12的内壁连接，电机驱动器11设置在外壳12的内部，外壳12的下表面与支撑结构4连接；外壳12采用模块化设计，使得多个执行单元1可以排列安装在一起，并固定在回收装置的支撑结构4上，推杆7的轴线与外壳12的底部垂直；支撑结构4通过卡扣固定在甲板上，固定可靠且移动方便；支撑结构采4用可拼接的模块化设计，多个支撑结构单元能够拼接在一起，自定义回收装置支撑面尺寸的需求。
33.所述电机10电机输出轴水平，电机10为低转速大扭矩直流无刷电机，电机10输出轴上安装编码器，编码器采集电机10转轴的转动数据。电机驱动器11连接到电机10的供电端子和编码器端子，实现对电机的闭环控制。
34.电机驱动器11是直流无刷电机驱动器，使用磁场定向控制（foc）技术。电机驱动器11能够对电机10的电流、转速和转动角度进行闭环控制。电机驱动器11控制电机10的转动角度和转动速度，进而实现对支撑板6高度和升降速度的控制。电机驱动器11将能反应支撑板6高度和速度信息的数据通过数据总线传递到控制单元2，并实施接收控制单元下发的控制命令。
35.实施例3图1示出了本发明一种舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置的第一种实施方式，包括多个执行单元1、控制单元2、供电单元3和支撑结构4；执行单元1的下方与支撑结构4连接，支撑结构4的下方与甲板连接，控制单元2和供电单元3设置在支撑结构4内部，执行单元1、控制单元2和供电单元3之间互相电连接；每个执行单元1均包括基板、升降机构、电机10和电机驱动器11，基板的下方与升降机构连接，升降机构与电机10的输出轴连接，电机10与电机驱动器11电连接，多个基板组成供无人机降落的承载平台；控制单元2包括姿态传感器和控制模块；无人机回收前，姿态传感器实时获取回收装置相对于水平面的倾斜角度，传输到控制模块；电机驱动器11采集基板的高度和升降速度数据，传输到控制模块；控制模块根据回收装置相对于水平面的倾斜角度以及基板的高度和升降速度数据，以回收装置中心处的基板为基准，控制电机驱动器11调整各个基板的高度，形成水平的承载平台，从而补偿甲板
的晃动；回收过程中，在控制单元2的控制下，被无人机的机腹首先碰触到的基板，在其对应的电机和升降机构的带动下下降；未被碰触到的基板在其对应的电机和升降机构的带动下上升，直至与机腹接触后再进行下降，这样不但增大了接触面积，降低了无人机机腹受到的压力，机腹各处压力均布，降低了无人机机腹破损的风险，而且还吸收了无人机的动能，保护无人机的结构安全；主动进行托举对回收过程中无人机的位置和姿态有辅助作用，提升了舰载无人机回收过程对恶劣海上环境的适应性。
36.回收完成后，控制单元2通过电机驱动器11和电机10调整各个基板的高度，推动无人机恢复水平待飞状态，节约了人工搬运无人机恢复待飞状态的时间。
37.控制单元2还包括无线传输模块，无线传输模块将姿态传感器采集的姿态数据传输给上位机，工作人员通过上位机对数据进行检测；无线传输模块的通信中心频率是433mhz，通信接口为232串口。
38.姿态传感器包括mpu6050三轴陀螺仪和加速度计, 通信接口为i2c接口；控制模块为树莓派计算模块cm4，姿态传感器能够检测整个回收装置的倾斜角度，控制模块根据倾斜角度信息对承载平台进行调平；供电单元3为回收装置供电。无人机回收装在在待机状态和回收状态下的功耗有明显差异。无人机回收过程持续的时间短，功耗高。为了满足无人机回收装置的正常工作，供电单元采用锂电池供电和超级电容供电复合的供电方式。在待机状态下，锂电池对超级电容充电。在回收过程中，超级电容放电以满足回收装置瞬时功耗高的耗电需求，补偿锂电池因为锂电池放电功率限制引起的供电缺口。供电单元包括电源管理单元，实现对锂电池和超级电容充放电的管理。电源管理单元、锂电池和超级电容之间互相电连接。
39.本实施例一种舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置的工作过程如下：无人机回收前，回收前，姿态传感器实时获取回收装置相对于水平面的倾斜角度，传输到控制模块；电机驱动器11采集基板的高度和升降速度数据，传输到控制模块；控制模块根据回收装置相对于水平面的倾斜角度以及基板的高度和升降速度数据，以回收装置中心处的基板为基准，控制电机驱动器11调整各个基板的高度，形成水平的承载平台，从而补偿甲板的晃动；此时，锂电池对超级电容充电，锂电池还给执行单元1供电；回收过程中，在控制单元2的控制下，被无人机的机腹首先碰触到的基板，在其对应的电机10和升降机构的带动下下降；未被碰触到的基板在其对应的电机和升降机构的带动下上升，直至与机腹接触后再进行下降，这样不但增大了接触面积，降低了无人机机腹受到的压力，机腹各处压力均布，降低了无人机机腹破损的风险，而且还吸收了无人机的动能；主动进行托举对回收过程中无人机的位置和姿态有辅助作用，提升了舰载无人机回收过程对恶劣海上环境的适应性，此时，超级电容和锂电池共同给执行单元1供电；回收完成后，控制单元2通过电机驱动器11和电机10带动齿轮9和齿条8传动，推杆7上下滑动，从而调整各个基板的高度至形成水平的承载平台，推动无人机恢复水平待飞状态，节约了人工搬运无人机恢复待飞状态的时间，此时锂电池给执行单元1供电。
40.本发明一种舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置通过姿态传感器实时获取回收装置的姿态数据，电机驱动器11采集基板的运动信息，控制模块通过获取到的姿态数据和运动信息，以回收装置中心处的基板为基准，然后通过电机驱动器11和电机10调整各
个基板的高度，组成水平的承载平台，从而补偿甲板的晃动误差；回收过程中，在控制单元2的控制下，被无人机的机腹首先碰触到的基板进行下降，未被碰触到的基板上升，直至与机腹接触后再进行下降，这样不但增大了接触面积，降低了无人机机腹受到的压力，机腹各处压力均布，降低了无人机机腹破损的风险，而且还吸收了无人机的动能；主动进行托举对回收过程中无人机的位置和姿态有辅助作用，提升了舰载无人机回收过程对恶劣海上环境的适应性；回收完成后，升降机构、电机10和电机驱动器11推动无人机恢复水平待飞状态，节约了人工搬运无人机恢复待飞状态的时间。
41.本发明多个执行单元1能够根据无人机的大小进行模块化组合，满足不同尺寸无人机的回收需要，执行单元实现了基板运动状态的闭环控制，通过调整升降机构的升降速度来实时控制支撑板6的支撑力，使无人机和回收装置的接触面上的压力均匀分布，减低了无人机破损的风险。
42.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置，其特征在于，包括多个执行单元、控制单元、供电单元和支撑结构；执行单元的下方与支撑结构连接，支撑结构的下方与甲板连接，控制单元和供电单元设置在支撑结构内部，执行单元、控制单元和供电单元之间互相电连接；每个执行单元均包括基板、升降机构、电机和电机驱动器，基板的下方与升降机构连接，升降机构与电机的输出轴连接，电机与电机驱动器电连接，多个基板组成供无人机降落的承载平台；控制单元包括姿态传感器和控制模块，二者之间互相电连接；回收前，控制模块通过姿态传感器和电机驱动器采集的数据信息，调整各个基板的高度，形成水平的承载平台；回收过程中，在控制单元的控制下，无人机的机腹首先碰触到的基板进行下降；未被碰触到的基板先上升再下降；回收完成后，控制单元通过电机驱动器和电机调整各个基板的高度，推动无人机恢复水平待飞状态。2.根据权利要求1所述的舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置，其特征在于，回收前，姿态传感器实时获取回收装置相对于水平面的倾斜角度，传输到控制模块；电机驱动器采集基板的高度和升降速度数据，传输到控制模块；控制模块根据回收装置相对于水平面的倾斜角度以及基板的高度和升降速度数据，以回收装置中心处的基板为基准，控制电机驱动器调整各个基板的高度，形成水平的承载平台。3.根据权利要求1所述的舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置，其特征在于，回收过程中，在控制单元的控制下，无人机的机腹首先碰触到的基板，在其电机和升降机构的带动下下降；未被碰触到的基板在其电机和升降机构的带动下上升，直至与机腹接触后再进行下降。4.根据权利要求1所述的舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置，其特征在于，基板包括缓冲垫和支撑板，缓冲垫设置在支撑板的上方，支撑板的下方与升降机构连接。5.根据权利要求4所述的舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置，其特征在于，缓冲垫由弹性吸能材料制成。6.根据权利要求5所述的舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置，其特征在于，升降机构包括推杆、齿条和齿轮，推杆连接在支撑板的下方，齿条与推杆的侧面连接，齿轮设置在齿条的一侧且与齿条啮合接触，齿轮与电机的输出轴连接。7.根据权利要求6所述的舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置，其特征在于，执行单元还包括外壳，电机与外壳的内壁连接，电机驱动器设置在外壳的内部，外壳的下表面与支撑结构连接。8.根据权利要求7所述的舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置，其特征在于，推杆的轴线与外壳底部垂直。9.根据权利要求8所述的舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置，其特征在于，外壳内部设有滑槽。10.根据权利要求1-9任一项所述的舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置，其特征在于，供电单元包括电源管理单元、锂电池和超级电容，电源管理单元、锂电池和超级电容之间互相电连接。

技术总结
本发明提供了一种舰载小型垂直起降固定翼无人机回收装置，属于无人机技术领域，包括多个执行单元、控制单元、供电单元和支撑结构；回收前，控制模块根据回收装置相对于水平面的倾斜角度以及基板的高度和升降速度数据，以回收装置中心处的基板为基准调整各个基板的高度，形成水平的承载平台，补偿甲板的晃动误差，避免无人机降落发生碰撞；回收过程中，在控制单元的控制下，无人机的机腹首先碰触到的基板进行下降，未被碰触到的基板上升，直至与机腹接触后再进行下降，这样不仅增大了接触面积，机腹各处所受的压力均匀，还吸收了无人机的动能；回收完成后，升降机构、电机和电机驱动器推动无人机恢复水平待飞状态，节约了人力和时间成本。成本。成本。


技术研发人员：陈曦 李鹏斐 韩若愚 贺中正 史博
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/5/31