一种便携无人机弹射装置

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种便携无人机弹射装置。

背景技术

随着无人机技术的发展，无人机在军民用领域都获得了广泛的应用，为诸如影视拍摄、安防、线路巡查等领域带来了工作方式方法的革新和工作效率的提升。多旋翼无人机使用多个旋翼旋转提供飞行升力，具备垂直起降的能力，被广泛应用于各个领域，但受到多旋翼飞行器本身飞行原理的限制，其在留空时间、飞行速度和载荷搭载能力等方面存在短板；固定翼无人机在留空时间、飞行速度以及载荷搭载能力方面都具有优势，但固定翼无人机为获得能够起飞的速度，需要具备滑跑起飞的场地条件，对于一些没有起飞条件的场景(如应急抢险、快速侦察、航空测绘等)将难以发挥作用，严重限制了其在更广泛领域的应用。

为使固定翼无人机能够在有限场地条件下起飞，一些无人机采用人工抛射的方式，将无人机像纸飞机一样投掷出去，获得起飞的速度，但采用这种方式对无人机的重量以及尺寸存在限制，对人员的抛掷动作以及体力有一定要求，特别是高寒高原等人员体力本身不佳的情况下，较难采用抛投的起飞方式；此外，一些无人机采用弹射的方式获得灵活起飞的能力，利用弹簧、弹力绳、压缩气体、化学燃料、电池等媒介储存能量，借助弹射装置，使无人机获得动能，达到起飞条件，有广泛的研究与应用前景。

当前用于弹射空机重量不超过250克的微型无人机的弹射装置可做到便携，而对于具备较强任务能力的空机重量不超过15千克的轻小型无人机，其弹射装置通常需要包含滑轨、支架等部件，重量体积庞大，往往需要专门的车辆进行运输、较多的人员进行安装调试，实际应用起来并不方便，也限制了应用场地。基于现实需求和现状，研究设计一款便于人员携带、能够弹射轻小型无人机的弹射装置是十分必要的。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种便携无人机弹射装置，是一种便于携带、适于高寒野外环境的无人机便携弹射装置，降低了固定翼无人机对起飞条件的要求，适用于轻小型无人机，能最大程度上将弹性绳储存的能量转化为无人机起飞的动能，采用分体式无滑轨设计，大大降低了弹射装置的重量体积，便于人员背负携带，采用快装快拆设计，降低作业所需人员数量和人员劳动强度。

本发明的技术方案是：一种便携无人机弹射装置，包括支杆、弹射辅助机构、弹力挂绳、飞机支架、弹射机构和弹射机构固定绳缆；

所述支杆竖直安装于无人机起飞平台的前方，能够在弹射辅助机构的作用下向无人机弹射方向倾倒；

所述弹力挂绳的固定端与支架顶端连接，自由端设置有钩环组件；所述弹射机构的咬合端与钩环组件连接，固定端与无人机起飞平台之间通过弹射机构固定绳缆连接；所述弹射机构固定绳缆与无人机起飞平台的固定位置位于无人机的正后方；

无人机由飞机支架支撑，位于支杆正后方，并通过底部安装的弹射钩与钩环组件活动连接，实现其起飞前的定位；

在弹射预备阶段，所述支杆处于竖直状态，弹力挂绳与弹射机构固定绳缆均处于张紧状态；弹射启动阶段，弹射机构与钩环组件之间断开，无人机由弹力挂绳带动向斜上方加速起飞，随之支杆向前倾倒，无人机的弹射钩与钩环组件滑脱，完成弹射起飞。

本发明的进一步技术方案是：所述弹射机构包括壳体、舵机、抓钩机构、外置稳压电路UBEC、接收机、电池、保险扣环及遥控器；所述壳体内包括电池仓和设备仓，电池安装于电池仓内；舵机、外置稳压电路UBEC、接收机安装于设备仓内；

所述抓钩机构安装于壳体顶部作为咬合端，由舵机控制其咬合/放开动作；

所述保险扣环的根部安装于抓钩机构上，其头部扣环与钩环组件连接；

所述外置稳压电路UBEC连接电池与接收机、舵机，为其提供适配电压，并充当开关；

所述接收机接收遥控器的控制信号，控制舵机实现弹射机构咬合/放开动作；

所述壳体的壳侧盖设置有透明观察窗，用以观察内部外置稳压电路UBEC及接收机的指示灯；外置稳压电路UBEC开关设置于壳体的壳侧盖上，用以控制弹射机构的电源通断。

本发明的进一步技术方案是：所述抓钩机构包括外壳、齿轮组、抓钩；一对弧形抓钩对称设置，根部为圆盘结构，通过转轴与外壳内底面转动连接，两个圆盘外周面设置有相互啮合的齿；所述齿轮组设置于外壳内，包括大齿轮和小齿轮；

所述小齿轮安装于舵机的输出轴上，与大齿轮啮合，大齿轮与第一抓钩的圆盘外齿啮合；所述舵机驱动小齿轮转动，依次带动大齿轮、第一抓钩、第二抓钩转动；两个抓钩向内转动时，完成咬合动作；两个抓钩向外转动时，完成放开动作。

本发明的进一步技术方案是：所述钩环组件包括钩环、连接绳和挂环，所述连接绳的两端分别与钩环、挂环的一端连接；所述钩环的另一端固定于弹力挂绳的自由端，挂环的另一端与抓钩机构咬合连接；所述挂环与保险扣环头部的扣环扣接；

无人机底部的弹射钩与钩环活动连接。

本发明的进一步技术方案是：所述弹射辅助机构包括载荷平衡绳缆和配重袋；所述载荷平衡绳缆的固定端与支杆顶部连接，自由端固定于支杆正前方的无人机起飞平台上；所述配重袋装载配重后吊装于载荷平衡绳缆中部；

在弹射预备阶段，所述载荷平衡绳缆处于张紧状态；弹射启动阶段，载荷平衡绳缆受配重袋重力作用，拉动所述支杆向前倾斜。

本发明的进一步技术方案是：所述载荷平衡绳缆、弹射机构固定绳缆均通过地锚固定于无人机起飞平台上。

本发明的进一步技术方案是：所述支杆由多段直杆拼插而成，并通过第一快拆组件固定连接处；支杆的顶端安装固定导向轮，底端通过第二快拆组件与支杆底座上的凸耳铰接，使得支杆能够绕第二快拆组件在竖直方向与向弹射方向水平角度间绕自由转动；所述支杆底座通过地锚固定于无人机起飞平台上。

本发明的进一步技术方案是：所述一快拆组件和第二快拆组件结构相同，均包括螺栓手轮、螺杆、螺母手轮、螺母、垫圈；所述螺杆的头部通过螺纹安装于螺栓手轮的中心孔内，所述螺母手轮中心孔的两端均同轴安装有螺母；

所述螺杆穿过支杆的安装孔后旋入螺母手轮的螺母中，螺栓手轮与支杆之间、支杆与螺母手轮之间均设置有垫圈，避免转动时产生干涉。

本发明的进一步技术方案是：所述螺栓手轮和螺母手轮均为开有中心孔的柱状结构，柱体中部及侧面为镂空结构，用于减轻重量、增大握持摩擦，同时便于插入助力杠杆。

本发明的进一步技术方案是：所述飞机支架包括对称设置的飞机左支架和飞机右支架，分别用于支撑无人机的左翼和右翼；

所述飞机左支架包括上部杆件、中部杆件和折叠支脚；所述中部杆件竖直设置，底端通过折叠支脚固定于无人机起飞平台，顶端通过可锁止的铰链机构与上部杆件连接；通过调整上部杆件与中部杆件的相对角度位置，适配无人机弹射起飞所需的初始角度位置；所述中部杆件的轴向长度能够调节，用以适配无人机弹射起飞所需的位置；

所述飞机右支架与飞机左支架结构相同。

工作过程：将地面设定为飞机起飞平台，各部件在地面安装完成后，调整无人机的安装角度和高度位置；无人机弹射前检查无人机连接电源及通信控制链路系统，检查功能是否完好，将无人机底部弹射钩扣入钩环，进入待发射状态；确定无人机及无人机弹射装置配置完成可弹射起飞后，摘除保险扣环，拨动遥控拨杆，弹射机构释放，由弹力挂绳带动无人机前飞加速，同时支杆向前倾倒，无人机的弹射钩与钩环脱离，无人机弹射起飞，即完成一次无人机弹射起飞作业。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明弹射装置采用分体式设计，取消了传统弹射装置常使用的滑轨，大大降低了弹射装置的重量、尺寸和系统复杂度；

支杆、飞机支架为弹射装置中的大型部件，采用拼插可折叠设计和快拆组件，拆装便捷，在拆解后尺寸便于人员背负，在运输途中，配重袋充当收纳袋容纳绳缆、地锚、弹力绳、遥控弹射机构等部件，在到达作业现场时，再装填砂石等重物，减轻要携带的设备重量，提高便携性；

弹射装置使用弹力绳作为储能媒介，能够改变所使用弹力绳长度、弹性系数适配不同重量、不同起飞速度的无人机弹射任务，特别是本弹射装置取消了传统弹射装置中的滑轨滑块，整个弹射装置的重量及尺寸得以大大减小，没有滑轨长度的限制，无人机弹射的加速行程可以更长，降低无人机弹射中受到的过载，避免无人机因过载过大受损，降低对被弹射无人机结构强度的要求，减少现有无人机向弹射型改装所需付出的重量代价，适配的无人机类型更广；

弹射装置使用地锚进行支杆、绳缆、底座、飞机支架等部件的固定，在减轻弹射装置重量、提高便携性的同时，适配不同环境，特别是野外环境的作业要求；

本弹射装置合理分配了各传力承力部件的位置及承载方式，降低了其结构承载大小，减轻了重量。由载荷平衡绳缆吊挂配重袋，将支杆受到的弹力绳的拉力卸载，大大降低了支杆受到的使其弯曲的载荷，降低了支杆整体以及各段之间拼插部位的强度要求，减轻了结构重量，同时，这样的承力方式使得支杆底座不再需要承担阻止支杆被弹力绳拉倒的作用，底座的结构重量得以大大降低；

飞机支架分为左右两部分，分别支撑无人机左翼右翼。支架各部分可折叠及调整长度角度位置，提高了便携性和灵活性的同时，搭配绳缆和弹力绳为不同无人机提供所需的弹射角度和位置，上部的杆件稳定支撑机翼的同时，在弹射释放时稳定无人机姿态，飞机支架下部的可折叠支脚、地锚尖头，提升了对不同地表条件的适用性；

弹力挂绳自由端连接的一系列挂环保证了待发射阶段稳固连接弹射机构抓钩、无人机挂钩、保险挂环，在完成发射准备后，保险挂环易于摘下，在弹射机构抓钩释放后挂环能拉动无人机加速运动并在合适位置顺利脱钩，不会对飞行中的无人机部件造成损伤，与传统滑轨式弹射装置中释放后随无人机一同加速运动的托架、小车、滑块相比，本弹射装置采用的一系列挂环自重较小，弹力挂绳所储存的能量能最大程度上转化为无人机的动能；

在弹射机构抓钩释放后，弹力绳带动无人机向前运动，与此同时，支杆受到的弹力绳拉力逐渐减小，支杆在载荷平衡绳挂载的配重的作用下，向着无人机弹射方向快速倾倒，清空无人机飞行方向上的障碍物，无人机无需立刻大角度爬升避让，提高了无人机弹射的安全性和适配无人机的范围；

弹射机构可通过遥控器操纵咬合与释放，操作人员可在地面站监看的同时进行无人机的弹射，进一步减少弹射所需的人员数量，弹射机构带有保险挂环，在弹力绳拉伸连接到位，弹射装置处于待发射状态时，保险挂环用以防止因人员误操作或弹射机构故障提前发射对现场人员及无人机造成危害，提高安全性；

本弹射装置中采用的快拆组件使弹射装置的运输携带、安装部署、弹射作业全流程实现了“无工具化”，无需额外的工具和精细作业，缩短了弹射前准备时间，特别是在高原缺氧等人体机能下降不便于进行精细作业的条件下，可以大大降低人员操作难度和劳动强度；

本弹射装置作业不需要高压气源、大型电池等设备，遥控弹射机构也可使用机械弹射机构或简单绳结替代，提高了在野外复杂恶劣环境中的适用性和可靠性。

附图说明

图1是实施例的侧视示意图；

图2、图3是实施例侧视示意图的局部放大；

图4是实施例弹射装置的立体结构示意图；

图5是实施例支杆部分局部放大图；

图6是实施例支杆底座的结构示意图；

图7是实施例支杆倾倒示意图；

图8是实施例待发射状态无人机与弹射装置示意图；

图9是实施例沿弹射方向水平视角示意图；

图10是实施例弹射机构立体结构示意图；

图11是实施例弹射机构内部示意图；

图12是实施例抓钩机构内部齿轮组示意图；

图13是实施例快拆组件立体结构示意图；

图14是实施例飞机支架角度调整及折叠收纳示意图；

附图标记说明：1-支杆；2-支杆底座；3-载荷平衡绳缆；4-配重袋；5-弹力挂绳；6-飞机支架；7-无人机；8-弹射机构固定绳缆；9-弹射机构；10-第一地锚；11-第二地锚；12-第三地锚；13-第一快拆组件；14-第二快拆组件；15-固定导向轮；16-连接绳；17-飞机支架折叠支脚；18-飞机支架上部杆件；19-螺栓手轮；20-螺母手轮；21-耳片；22-钩环；23-弹射钩；24-挂环；25-保险扣环；26-抓钩；27-壳侧盖；28-壳体；29-抓钩机构；30-外置稳压电路UBEC开关；31-透明观察窗；32-舵机；33-外置稳压电路UBEC；34-接收机；35-电池；36-电池仓盖；37-设备仓；38-电池仓；39-系带；40-螺栓；41-垫圈；42-标示色标；43-螺母；44-倒角；45-侧面镂空；46-飞机左支架；47-飞机右支架；48-齿轮组；49-抓钩机构外壳。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，术语“无人机起飞平台”、“无人机起飞平面”、“地面”为本弹射装置的作业区域，仅是为便于描述本发明以及列举应用实例场景，而不是指示或暗示本弹射装置需包含这一部件或只能在地面工作，因此不能理解为对本发明的限制。

参考图1、图2及图3，本实施例提供一种无人机弹射装置，其特征包括支杆1、支杆底座2、飞机支架6、第一地锚10、第二地锚11、第三地锚12、载荷平衡绳缆3、配重袋4、弹力挂绳5、弹射机构9、弹射机构固定绳缆8、第一快拆组件13、第二快拆组件14，所述支杆1下端同支杆底座2通过快拆组件14连接，支杆底座2通过地锚11固定于地面，支杆1上端与载荷平衡绳缆3、弹力挂绳5连接，载荷平衡绳缆3另一端使用地锚10固定于地面，配重袋4装载配重后挂载于载荷平衡绳缆3中部；弹射机构固定绳缆8一端连接弹射机构9，另一端由地锚12固定于地面；弹射机构9与拉长后的弹力挂绳5自由端相连，无人机7通过弹射挂钩16与弹力挂绳5自由端挂环连接，飞机支架6分列两侧，分别支撑无人机7左右机翼。

参照图1所示，本弹射装置中的支杆1、支杆底座2、载荷平衡绳缆3、弹力挂绳5、弹射机构、弹射机构固定绳缆8及用于固定的地锚处于同一平面内，载荷平衡绳缆3、配重袋4处于支杆1一侧，弹力挂绳5、弹射机构、弹射机构固定绳缆8处于支杆1另一侧，在待发射状态，载荷平衡绳缆3、弹力挂绳5及弹射机构固定绳缆8处于紧绷状态。

参照图2、3所示，载荷平衡绳缆3、支杆底座2、弹射机构固定绳缆8由地锚12固定于地面。用于固定载荷平衡绳缆3的地锚10位于无人机7弹射起飞方向一侧，地锚10位置恰好可在支杆1处于竖直位置时使载荷平衡绳缆3处于张紧状态；在支杆1处于竖直位置时，载荷平衡绳缆3上用于挂载配重袋4的位置、以及配重袋4的尺寸可使配重袋4悬空不接触支杆1及地面，在无其他外力作用下，支杆1可以在配重袋4作用下以较快速度向弹射起飞方向倾倒。

参照图4所示，支杆1由多段杆件拼插而成，并由第一快拆组件13固定连接、防止松脱，各段杆件本身以及其附件的长度均为便于携带背负的长度，最下段杆件下端与支杆底座2连接部分有供第二快拆组件14穿过的轴套。

参照图5所示，支杆1最上段杆件上端有一固定导向轮15，用于固定载荷平衡绳缆3和弹力挂绳5，并将连接载荷平衡绳缆3和弹力挂绳5限定在正确位置。

参照图6所示，支杆底座2有用于与支杆1连接的耳片类21部件，前后有用于穿过地锚11的限位孔位；在使用快拆组件与支杆1连接后，支杆可以在竖直方向与向弹射方向水平角度间绕快拆组件自由转动，地锚11穿过支杆底座限位孔固定支杆底座2，支杆底座底部可添加附件以适应不同地面环境。

参照图7所示，在弹射机构9释放后，支杆1在配重作用下向弹射起飞方向倾倒。

参照图8所示，弹力挂绳5自由端有用于连接无人机机身上弹射钩23的钩环、和用于供弹射机构抓钩26咬合以及保险扣环25搭扣的挂环24。

参照图9所示，飞机支架6分为左右两部分飞机左支架46、飞机右支架47，分别支撑无人机左右机翼，支架上部杆件18由可锁止的铰链机构和中部杆件连接，可以调整上部杆件与中部杆件的相对角度位置，适配无人机7弹射起飞所需的初始角度位置，在弹射释放初期稳定无人机7姿态，飞机支架6中部杆件长度可调整，以适配无人机7弹射起飞所需的位置；支架下部为可折叠的的支脚17、地锚尖头或二者兼有，展开后能将飞机支架固定于地面，用以将飞机支杆1固定于硬质、软质等不同地面；收起时支脚17与竖直杆件平行，上部杆件可绕中部竖直杆件上端上下旋转，并可在任意角度固定，在折叠收纳时上部杆件与中部竖直杆件平行。

参照图10、图11、图12所示，本实施例的遥控弹射机构9包括壳体28、壳侧盖27、电池仓盖36、舵机32、抓钩机构29、UBEC外置稳压电路33、接收机34、电池35、保险扣环25、弹射机构固定绳缆8、遥控器，所述壳体分为设备仓及电池仓38两部分，设备仓内安装舵机32、UBEC外置稳压电路33、接收机34，电池仓38内容纳电池35，舵机32上方连接抓钩机构29，弹射机构固定绳缆8及保险挂环连接于抓钩机构29，所述抓钩机构包含齿轮组48、抓钩26、抓钩机构外壳49，齿轮组48通过齿轮啮合，通过适当的传动比带动抓钩29释放与咬合，图示中齿轮组48为示意，包括但不限于单级、多级齿轮组；

所示UBEC(外置稳压电路)33连接电池35与接收机34、舵机32，为其提供适配电压，并充当开关；接收机34接收遥控器的控制信号，实现弹射机构抓钩机构29的遥控开合；壳体28的壳侧盖27有透明观察窗31，用以观察内部UBEC(外置稳压电路)33及接收机34的指示灯，UBEC(外置稳压电路)开关30设置于壳体28及壳侧盖27上，用以控制遥控弹射机构电源开合；电池仓盖36及电池仓38内有泡沫材料，用以固定电池35并起缓冲作用，电池35、电池仓盖36有系带，便于电池35的拆装；

抓钩机构29包含抓钩26、齿轮组48、抓钩机构外壳49，抓钩机构29通过其外壳49与舵机32连接，舵机32输出轴输出转动力矩经齿轮组48控制抓钩26的开合，抓钩机构外壳49用以连接弹射机构固定绳缆8及保险扣环25。

参照图13所示，本实例中适于无工具化作业的快拆组件包括螺栓手轮19、螺母手轮20、螺杆40、螺母43、垫圈41、标示色标42，所述螺栓手轮19中心与螺杆40头部连接，螺母手轮20与螺母43连接，两类手轮上均连接有垫圈41，标示色标处于螺栓、手轮、垫圈等部件的相应位置。

两类手轮外观为适于人手握持的近圆柱体，柱体平面中心有固定螺栓40、螺母43的卡槽孔洞，柱体中部及侧面镂空45，减轻重量、增大握持摩擦的同时，便于插入助力杠杆，拆装连接较紧的螺栓螺母。螺母手轮20正反两面均连接螺母43，作业时无需区分正反；

螺栓手轮19和螺母手轮20上均有厚垫圈41，避免手轮转动过程中与其他部件平面发生干涉，其中，螺栓手轮19上的厚垫圈41孔内壁加工有倒角44，便于螺杆对准螺母43；

标示色标42为醒目颜色，含荧光材料，在光照条件不佳的情况下也易于辨别，标示色标42标示出螺栓40的螺杆头部、螺母手轮垫圈41、螺杆要穿过的通孔位置、拼插部件的方向，以便在可视条件不佳的情况下顺利完成作业，螺栓40的螺杆部分也设有标示色标42，用以提醒螺栓40是否已插入到位。

结合附图，本发明的使用方法如下：

本实施例中一种适于在无跑道起飞条件，特别是野外、高原缺氧等条件下的无人机弹射作业流程，包括现场观察、弹射装置安装部署、无人机弹射前检查准备、无人机弹射起飞工序。

现场观察阶段观察作业区域地形地貌、地面土质、风速风向，观察周围是否有危险因素，选择适于安装部署弹射装置的位置和适于无人机弹射起飞的方向；

1)依据现场环境风向，摆放支杆底座2，使弹射装置部署后能使无人机逆风起飞，使用地锚11固定支杆底座2位置；

2)将支杆1各段杆件按照顺序依次拼插并使用快拆组件13 14紧固连接，将载荷平衡绳缆3、弹力挂绳5与支杆1连接并置于上端固定导向轮15正确位置，使用快拆组件将支杆1连接至支杆底座2并检查其能否正确转动；

3)将支杆1置于竖直位置，牵拉载荷平衡绳缆3至绷直位置并使用地锚10固定，后将支杆1置于水平位置，将装载配重物后的配重袋4连接于载荷平衡绳缆3的挂点；

4)牵拉弹力挂绳5使支杆1直立，至弹力挂绳5变形量或拉力大小达到需求，记录弹力挂绳5自由端位置并依此确定固定弹射机构固定绳缆8的地锚12位置，完成弹射机构9的固定；

5)打开弹射机构UBEC外置稳压电路开关30，测试遥控是否工作正常，拉伸弹力挂绳5，控制弹射机构咬合弹力挂绳5自由端的挂绳并扣入保险扣环25；

6)展开折叠的飞机支架6，固定于合适位置，调整其高度与上部杆件角度，适配无人机弹射需求；

7)将无人机置于飞机支架6正确位置，机腹弹射挂钩16扣入挂环24，进入待发射状态；

8)摘除保险扣环25，拨动遥控拨杆，弹射机构9释放，弹力挂绳5带动无人机前飞加速，支杆1向前倾倒，无人机弹射挂钩16与挂环24脱离，无人机弹射起飞。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。