一种无人驾驶自适应移动式着陆缓冲平台

本发明涉及降落伞，具体涉及一种利用充气气囊结构吸收飞行体着陆冲击能量的移动式着陆缓冲平台。

背景技术：

1、降落伞作为一种高效减速器，利用其柔性结构在空中展开形成宽阔的阻力面，从而对在空中运动的飞行器进行有效的减速，确保飞行器以安全速度着陆，保障人员或载荷的着陆安全。作为一种历史悠久的气动减速装置，降落伞广泛应用于人员救生、空降空投、器械飞行器稳定减速、飞机着陆刹车及飞行器无损回收等领域。

2、降落伞伞衣面积越大，减速效果越好，但也会造成降落伞开伞动载增加，开伞可靠性降低，同时还会导致降落伞系统的结构重量显著增加，进而使得搭载降落伞的飞行器系统的发射与运行成本显著升高。

3、若降低伞衣面积，则会使系统着陆速度增加，无法保障飞行体着陆安全，需要加装着陆缓冲装置，以减小着陆过载冲击。目前，航空航天领域已经发展应用了多种着陆缓冲技术，主要包括反推火箭、着陆支架及缓冲气囊等装置。这些技术的优缺点互不相同，适用于不同的着陆场景及飞行体类型。但无一例外，加装缓冲装置会增加飞行系统重量，且缓冲效果往往受飞行体着陆姿态、地形及气象环境的影响，在不利情形下，可能会诱发飞行体侧翻等安全事故。

4、总体而言，要保证飞行体安全着陆，所采用的技术方案主要有两种：其一，回收物—降落伞联合飞行系统；其二，回收物—降落伞—缓冲装置联合减速着陆系统。上述两种方案均会增加飞行体重量，增加飞行体的发射或运行成本，同时导致开伞可靠性降低或着陆安全性降低。

5、因此，为解决上述问题，迫切需要提出一种轻量化、安全、可靠的回收类飞行体新型减速着陆方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于为减轻回收类飞行体重量，提供一种非附着型的无人驾驶自适应移动式着陆缓冲平台。能够减小降落伞系统的结构重量并提高降落伞的开伞可靠性。

2、通过智能驾驶系统实时接收飞行体的空中位置，并据此实时计算轨迹与落点，同时非连续性地适时驱动平台向最新落点位置运动。当飞行体高度下降至200m范围内，折叠的多环倒锥型气囊充气展开，形成广阔的承托展幅。与此同时，智能驾驶系统内置的移动平台智能驱动模块开始实时获取落点位置并驱动平台自适应移动，从而实现对飞行体的精准承托缓冲。

3、本发明的基本工作原理如下，对于回收类飞行体而言，其着陆冲击力f的计算公式为f＝mv2/2s。其中，m为飞行体质量，v为飞行体速度，s为着陆缓冲距离。分析该式可知，对于任意的飞行体而言，当最大着陆冲击力f确定后，等式右侧飞行体的允许着陆速度v将随着着陆缓冲距离s的增加而增加。

4、作为将飞行体从再入速度减速至允许着陆速度的关键设备，降落伞的气动阻力面积计算公式为：ca＝2g/ρv2。据此设计公式可知，降落伞气动阻力面积与着陆速度的平方成反比。

5、综上所述，本发明增加了着陆缓冲距离s，从而提高了飞行体的允许着陆速度v，进而大幅减小了降落伞的气动阻力面积ca。降落伞气动阻力面积的减小，不仅降低了降落伞系统的重量，而且提高了开伞可靠性。此外，本发明缓冲装置无需附着于飞行体下方，降低了飞行体系统的整体重量，减少了发射和空中飞行成本。

6、为实现本发明的技术目的，采用如下技术方案：

7、无人驾驶自适应移动式着陆缓冲平台包括多环倒锥型气囊、高压充气气瓶、充气软管、集成平台、智能驾驶系统及航空机轮。其中，集成平台内部布置有输气管路及动力电池模组，智能驾驶系统内部布置有驾控显示系统、驾驶座椅及方向盘。

8、对于多环倒锥型气囊而言，其特征在于该气囊由1个椭球形气室和1个多环相交形气室构成，二者之间互不连通，且均通过高压充气气瓶进行充气展开。在此气室设计下，该气囊功用可分为两个方面，其一，气囊对飞行体的着陆冲击力进行缓冲耗散；其二，在倒锥状多环相交形气室的作用下，气囊可以有效地稳定飞行体的着陆姿态，防止飞行体发生侧翻，从而实现其安全着陆与无损回收。

9、对于气囊的充气过程而言，椭球形气室底端开有多个圆形进气口，进气口与铺设于集成平台内部的输气管路相接。多环相交形气室的两侧开有对称布置的圆形进气口，此进气口通过充气软管与高压充气气瓶相连。椭球形气室与多环相交形气室均通过高压充气气瓶充气。在各个进气口与输气管路或充气软管的相接处，均安装有电磁控制单向阀。通过智能驾驶系统内的气囊充气控制模块发出电信号，可以控制各个单向阀的打开与关闭，从而控制气囊充气的开始与结束。此外，气囊内部安装有压力传感器，当囊内压强满足预设条件时，气囊排气口将自动打开，开始排气释能过程。

10、对于集成平台而言，其特征在于平台集成有动力电池模组及多根输气管路。该集成平台负责为高压充气气瓶及多环倒锥型气囊提供布置空间。同时，其内部集成的动力电池模组为平台智能移动、机电设备运行及信号作动控制等提供动力能源，输气管路则负责连接气瓶与气囊，实现气囊的可靠充气。

11、对于智能驾驶系统而言，其特征在于可以进行无人或有人模式下的智能驾驶，内部布置有驾控显示系统、驾驶座椅及方向盘等辅助装置。初始时刻，智能驾驶系统可通过有人或无人模式到达落区附近。到达任务区域后，驾乘人员离开，智能驾驶系统进入无人模式，通过实时接收飞行体空中位置、实时计算轨迹与落点及智能驱动平台移动等一系列步骤，最终完成目标飞行体的承接。

12、该智能驾驶系统内置有3个子模块，分别为飞行体轨迹跟踪计算模块、移动平台智能驱动模块及气囊充气控制模块。其中，飞行体轨迹跟踪计算模块负责实时接收目标飞行体的空中位置，并且实时计算其下落轨迹及落点。气囊充气控制模块负责各单向阀的打开与关闭，从而控制气囊充气过程的开始与结束。移动平台智能驱动模块具有两种工作特性，工作前期，该模块非连续性获取落点位置，适时驱动平台向落点移动；工作后期，平台进入目标落点的误差范围内，该模块实时获取落点位置，实时驱动平台自适应移动。

13、作为优选，集成平台下方布置有4组航空式机轮，此类机轮兼具耐用可靠性、环境适应性及维修便利性，用以支撑平台重量、高速安全移动及吸收一定程度的冲击载荷。

14、本发明的无人驾驶自适应移动式着陆缓冲平台，其工作包括以下步骤：

15、步骤一，在飞行体进入预定高度后，于t0时刻打开降落伞，开始减速降落过程。与此同时，智能驾驶系统内置的飞行体轨迹跟踪计算模块开始运行，通过无线电信号实时接收飞行体在t0时刻相对于地面的速度v0和空中位置p0，并据此计算得到飞行体理想下落轨迹pi-t及理想落点位置pi,g。

16、步骤二，在t0时刻，智能驾驶系统内置的移动平台智能驱动模块也开始运行，从步骤一接收得到理想落点位置pi,g，驱动缓冲平台向该点移动。根据预设的时间变化规律δt＝[δt1,δt2…δtn]，在t0+δt1时刻，移动平台智能驱动模块再次接收得到修正后最新落点位置pg,δ1，并且驱动缓冲平台向pg,δ1移动。此非连续接收落点及修正性移动过程共持续n次。

17、步骤三，经过数次修正性移动，当飞行体空中高度降低至200m时，智能驾驶系统内置的气囊充气控制模块开始运行，打开所有单向阀，高压充气气瓶向囊内充气，多环倒锥型气囊快速充满展开。

18、步骤四，当气囊达到充气压力后(一般不大于1.5个当地大气压)，气囊充气控制模块发出电信号，关闭所有单向阀，充气过程结束。同时，步骤二的移动平台智能驱动模块继续运行，变为实时接收落点位置，实时驱动平台自适应移动。

19、步骤五，平台最终实现对飞行体的精准承托，并利用气囊压缩排气完成对着陆冲击的缓冲耗散，完成对飞行体的无损回收。

20、作为优选，在上述移动平台智能驱动模块的非连续性获取落点的过程中，根据飞行轨迹计算误差特点，时间间隔(δt)由大逐渐变小。该时间间隔(δt)的变化规律可以通过智能驾驶系统5进行预设置，并且具体取值将根据开伞高度、气象环境、气动特征及飞行体-降落伞系统重量等多种因素综合考量确定，从而提高本发明对于不同任务工况的适应性与灵活性。

21、作为优选，飞行体轨迹跟踪计算模块中，位置跟踪算法方法为：模块接收飞行体在t0时刻相对于地面的速度v0＝(vx0，vy0，vz0)和空中位置p0＝(x0，y0，z0)，减速降落过程中，飞行体动力学方程为：

22、

23、式中，c为风阻系数，ρ为空气密度，s为迎风面积，θ和γ为飞行体相对地面速度v与空速vc之间的夹角，sinθ＝vz/vc，相对地面速度v和空速vc均由飞行体自身仪器测量并返回给模块；t0时刻，该模块计算得出本次任务飞行体的理想下落轨迹pi-t及理想落点位置pi，g，并将信息储存。

24、作为优选，飞行体轨迹跟踪计算模块中，落点修正方法为：在t0+1时刻，飞行体轨迹跟踪计算模块接收到飞行体实时位置为p1＝(x1′，y1′，z1′)，与理想下落轨迹pi-t中同为y1′高度的空中位置相比较，得到轨迹偏差δe＝(δx，δz)＝(x1′-x1，z1′-z1)，对上一时刻落点位置pi，g进行修正，落点修正更新为pg，1，表示为：

25、pg，m＝pg，m-1+a1δx+b1δx2+c1δx3+a2δz+b2δz2+c3δz3，

26、式中，a1、b1、c1、a2、b2、c2为不确定性系数，根据具体任务执行前的投放试验及数值仿真结果拟合而定。

27、采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

28、(1)本发明公开的多环倒锥型气囊能够对飞行体的着陆冲击力进行缓冲耗散，同时在倒锥状多环相交形气室的作用下，气囊可以有效地稳定飞行体的着陆姿态，防止飞行体发生侧翻，从而实现其安全着陆与无损回收。

29、(2)本发明通过智能驾驶系统驱动平台进行修正性移动及自适应移动，解决了回收类飞行体的落点误差问题。此外，对回收类飞行体而言，本发明为非附着型设备，二者之间相对独立，附加质量为零。通过引入承托缓冲过程，提高了飞行体的允许着陆速度，降低了降落伞的气动特征面积，减小了降落伞系统的结构重量，提高了降落伞的开伞可靠性，可以显著降低飞行体的发射运行成本。

30、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。