一种开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置

技术领域

本发明专利属于无人机设备技术领域，具体涉及一种开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置。

背景技术

目前，无人机降落伞在展开过程中，降落伞以及降落伞绳容易被失控的螺旋桨卷入导致降落伞无法完全展开，严重影响了无人机降落伞开伞中和开伞后工作的稳定性。另外，失控无人机在降落伞展开后由螺旋桨持续输出动力会导致无人机在开伞后出现不规则的翻滚和漂移，会导致伞降系统的失效从而出现二次坠落。此外，高速旋转的失控螺旋桨还会对人、物造成非常严重的伤害。另一方面，无人机机载设备在无人机伞降过程中处于不稳定工作环境，在继续通电工作时容易出现失火、失效的危险。

发明内容

本发明针对上述的问题，提供了一种开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置，包括降落伞主控制器、弹射式伞仓、降落伞、伞仓锁定器，所述降落伞主控制器与伞仓锁定器之间连接电子信号线，还包括兼备伞仓盖板功能的螺旋桨停止旋片，所述弹射式伞仓设置在安装底板上表面，所述降落伞伞绳末端连接安装底板,所述安装底板上表面外周安装有外壳连接件，所述外壳连接件上设有圆柱状安装轴，所述螺旋桨停止旋片套设在所述圆柱状安装轴上并可绕安装轴旋转实现打开或闭合弹射式伞仓；在所述弹射式伞仓打开状态下，所述螺旋桨停止旋片远离圆柱状安装轴端的螺旋桨阻挡杆挡住旋转的螺旋桨迫使其停转；在所述弹射式伞仓闭合状态下，所述伞仓锁定器锁定螺旋桨停止旋片远离圆柱状安装轴端。

作为优选，所述螺旋桨停止旋片的数量为多个，在所述弹射式伞仓闭合状态下，多个所述螺旋桨停止旋片拼接成弹射式伞仓的盖板，所述盖板的覆盖范围为由外壳连接件围成的区域。

作为优选，所述螺旋桨停止旋片的数量为四个，四个所述螺旋桨停止旋片的形状相同且均为三角形；在所述弹射式伞仓闭合状态下，四个所述螺旋桨停止旋片拼接成一个矩形的足以覆盖弹射式伞仓的盖板；所述螺旋桨阻挡杆设在每个螺旋桨停止旋片内表面远离圆柱状安装轴端；所述安装底板为矩形，在所述矩形的四个角部设有外伸的安装板；所述外壳连接件数量为四个，每个所述外壳连接件包括两个互相垂直的圆柱状安装轴，两个垂直的所述安装轴相接处设连接块，两个垂直的所述安装轴远离连接块端分别设扭转弹簧安装轴；所述连接块与安装底板的安装板可拆卸连接。

作为优选，四个所述螺旋桨停止旋片中其中一个螺旋桨停止旋片的外表面远离安装轴端设有伞仓锁定片；在所述弹射式伞仓闭合状态下，所述伞仓锁定片从上面压住四个所述螺旋桨停止旋片拼接成的矩形弹射式伞仓的盖板中心区域；在带有所述伞仓锁定片的螺旋桨停止旋片的螺旋桨阻挡杆上固定连接有锁定孔；在所述弹射式伞仓闭合状态下，所述锁定孔与伞仓锁定器的锁定销键配合，所述锁定销键受到电机驱动，所述电机受到降落伞主控制器驱动。

作为优选，每个所述螺旋桨停止旋片内表面远离螺旋桨阻挡杆侧对称固定连接有两个套筒，两个所述套筒分别套设在相邻的两个外壳连接件的圆柱状安装轴上；两个所述套筒互相靠近端分别固定连接有瓦片状的限位片；所述外壳连接件的圆柱状安装轴与限位片对应的位置处设有限位块，所述限位块可挡住旋转一定角度后的限位片。

作为优选，所述螺旋桨停止旋片内表面的两个限位片之间设有扭转弹簧，所述扭转弹簧的两个扭臂分别接触螺旋桨停止旋片内表面和安装底板上表面；所述扭转弹簧套设在相邻的两个外壳连接件的扭转弹簧安装轴外。

作为优选，还包括机载设备电源控制模块，所述机载设备电源控制模块安装在安装底板上表面，并且与降落伞主控制器之间连接电子信号线；所述机载设备电源控制模块使用电线串联于电力输入端、电力输出端之间，所述电源控制模块与降落伞主控制器电子信号通讯连接，接收降落伞主控制器的指令接通或切断机载设备的电源。

作为优选，所述弹射式伞仓包括下伞仓、弹射片以及弹射片下方的压缩弹簧，所述降落伞折叠后放入弹射式伞仓内部且处于弹射片上方。

作为优选，所述电力输入端和电力输出端分别设置在紧邻机载设备电源控制模块的两个外壳连接件的连接块内。

作为优选，所述电力输入端连接供电电源，所述电力输出端连接机载用电设备。

作为优选，所述机载用电设备包括机载探照灯、云台相机和电子调速器。

作为优选，所述螺旋桨停止旋片表面包覆有硬度小于螺旋桨材料硬度的缓冲片。

作为优选，所述降落伞主控制器包括内部的数据处理器、姿态传感器、气压传感器、卫星定位系统、电源管理系统、数据记录器、数传系统。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)螺旋桨急停及降落伞开伞控制一体化，强力的耦合了降落伞开伞及螺旋桨急停两个动作，使两者互为因果关系，完全契合无人机降落伞开伞即需停桨、停桨即需开伞的工作原理，提高了降落伞安全装置的稳定性。。

(2)兼备机载设备供电控制，在降落伞弹出时可同步断开机载设备电源，避免了机载设备在伞降过程中不稳定环境下工作的损坏，并进一步加强了对失控螺旋桨的急停能力。

(3)独特设计的螺旋桨急停装置即可以提高降落伞系统的工作稳定性，也用于在紧急情况下阻止高速旋转的螺旋桨对人身、财物的伤害。

(4)实现了无人机降落伞的完全智能化，相比市场上其他无人机降落伞在开伞后依然需要人为控制停止螺旋桨旋转的复杂操作，实现了完全无需人为干预的智能降落伞系统。

(5)相比现有技术，本发明的开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置，对无人机及机载设备都进行了合理、细致的全面保护，避免了无人机及机载设备损坏，并避免了火灾、爆炸等二次灾害的发生。

(6)本发明的开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置可以在不消耗物料的情况下重复装填使用，提高性能及稳定性的同时节约了材料，简化了设计，减轻了重量并减少了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍：

图1为实施例1提供的开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置待触发状态图，

图2为开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置拆解示意图；

图3为开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置使螺旋桨急停状态图；

图4为开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置降落伞打开后状态图；

图5为开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置降落伞重新装填时先闭合三个螺旋桨停止旋片示意图；

图6为开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置降落伞重新装填时最后闭合带有伞仓锁定片的螺旋桨停止旋片示意图；

图7为机载设备电源管理示意图；

图8为开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置侧面结构视图和剖视图；

图9为开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置螺旋桨停止旋片结构图；

图10为实施例2提供的开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置外型拼装示意图；

图11为实施例3提供的开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置外型拼装示意图。

1—降落伞主控制器，2—弹射式伞仓，3—降落伞，4—螺旋桨停止旋片，5 —机载设备电源控制模块，6—伞仓锁定器，7—外壳连接件，8—安装底板，9 —螺旋桨，10—供电设备，11—机载探照灯，12—云台相机，13—电子调速器， 201—下伞仓，202—弹射片，203—压缩弹簧，401—扭转弹簧，402—限位块， 403—螺旋桨阻挡杆，404—缓冲片，405—套筒，406—限位片，501—电力输入端，502—电力输出端，601—伞仓锁定片，602—锁定销键，603—电机，604 —锁定孔，71—连接块，72—安装轴，73—扭转弹簧安装轴。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

实施例1

下面结合附图1-9对本发明作进一步的描述，一种开伞和停桨紧耦合的无人机智能降落伞装置，如图2所示，包括降落伞主控制器1、弹射式伞仓2、降落伞 3、伞仓锁定器6，降落伞主控制器1与伞仓锁定器6之间连接电子信号线，还包括兼备伞仓盖板功能的螺旋桨停止旋片4，弹射式伞仓2设置在安装底板8上表面，降落伞3伞绳末端连接安装底板8,安装底板8上表面外周安装有外壳连接件 7，外壳连接件7上设有圆柱状安装轴72，螺旋桨停止旋片4套设在圆柱状安装轴 72上并可绕安装轴72旋转实现打开或闭合弹射式伞仓2。

如图3所示，在弹射式伞仓2打开状态下，螺旋桨停止旋片4远离圆柱状安装轴72端的螺旋桨阻挡杆403挡住旋转的螺旋桨9迫使其停转；在弹射式伞仓2闭合状态下，伞仓锁定器6锁定螺旋桨停止旋片4远离圆柱状安装轴72端。

螺旋桨停止旋片4的数量为多个，在弹射式伞仓2闭合状态下，多个螺旋桨停止旋片4拼接成弹射式伞仓2的盖板，盖板的覆盖范围为由外壳连接件7围成的区域。

如图1-8所示，螺旋桨停止旋片4的数量为四个，四个螺旋桨停止旋片4的形状相同且均为三角形；在弹射式伞仓2闭合状态下，四个螺旋桨停止旋片4拼接成一个矩形的弹射式伞仓2的盖板；螺旋桨阻挡杆403设在每个螺旋桨停止旋片4 内表面远离圆柱状安装轴72端；安装底板8为矩形，在矩形的四个角部设有外伸的安装板；外壳连接件7数量为四个，每个外壳连接件7包括两个互相垂直的圆柱状安装轴72，两个垂直的安装轴72相接处设连接块71，两个垂直的安装轴72 远离连接块71端分别设扭转弹簧安装轴73；连接块71与安装底板8的安装板可拆卸连接。

如图2、5和6所示，四个螺旋桨停止旋片4中其中一个螺旋桨停止旋片4的外表面远离安装轴72端设有伞仓锁定片601；在弹射式伞仓2闭合状态下，伞仓锁定片601从上面压住四个螺旋桨停止旋片4拼接成的矩形弹射式伞仓2的盖板中心区域；在带有伞仓锁定片601的螺旋桨停止旋片4的螺旋桨阻挡杆403上固定连接有锁定孔604；在弹射式伞仓2闭合状态下，锁定孔604与伞仓锁定器6的锁定销键602配合，锁定销键602受到电机603驱动，电机603受到降落伞主控制器1 驱动。

如图2、3、5、6、7和9所示，每个螺旋桨停止旋片4内表面远离螺旋桨阻挡杆403侧对称固定连接有两个套筒405，两个套筒405分别套设在相邻的两个外壳连接件7的圆柱状安装轴72上；两个套筒405互相靠近端分别固定连接有瓦片状的限位片406；外壳连接件7的圆柱状安装轴72与限位片406对应的位置处设有限位块402，限位块402可挡住旋转一定角度后的限位片406。

如图2、3、5、6、7和9所示，螺旋桨停止旋片4内表面的两个限位片406之间设有扭转弹簧401，扭转弹簧401的两个扭臂分别接触螺旋桨停止旋片4内表面和安装底板8上表面；扭转弹簧401套设在相邻的两个外壳连接件7的扭转弹簧安装轴73外。

如图2、3、5和6所示，还包括机载设备电源控制模块5，机载设备电源控制模块5安装在安装底板8上表面，并且与降落伞主控制器1之间连接电子信号线；机载设备电源控制模块5与电力输入端501、电力输出端502电性连接，电源控制模块5与降落伞主控制器1通讯连接，接收降落伞主控制器1的指令接通或切断机载设备的电源。

如图2和5所示，弹射式伞仓2包括下伞仓201、弹射片202以及弹射片202 下方的压缩弹簧203，降落伞3折叠后放入弹射式伞仓2内部且处于弹射片202上方。

如图7所示，电力输入端501和电力输出端502分别设置在紧邻机载设备电源控制模块5的两个外壳连接件7的连接块71内。电力输入端501连接供电电源10，电力输出端502连接机载用电设备。机载用电设备包括机载探照灯11、云台相机 12和电子调速器13。

如图2所示，螺旋桨停止旋片403上包覆有硬度小于螺旋桨9材料硬度的缓冲片404。

降落伞主控制器1由其内部的数据处理器、姿态传感器、气压传感器、卫星定位系统、电源管理系统、数据记录器、数传系统组成。根据安装降落伞装置的无人机姿态、位置、剩余电量、配件工作状态判定无人机飞行状态并控制降落伞所有部件。实现对降落伞装置紧急状态开伞、螺旋桨急停、机载设备供电、飞行数据记录、飞行状态播报功能的控制。

弹射式伞仓2选择压缩弹簧作为降落伞弹射动力来源，与兼备伞仓盖板功能的螺旋桨停止旋片4配合使用，实现受控开伞功能。在待触发状态下，降落伞3 在折叠后放入伞仓2内部，向下挤压预先放置在下方的弹射片202以及压缩弹簧 203从而蓄能，四个螺旋桨停止旋片4绕外壳连接件7上的圆柱状安装轴72向内旋转使得下伞仓201以及螺旋桨停止旋片4组成闭合的伞仓空间。

在得到触发命令后兼备伞仓盖板功能的螺旋桨停止旋片4向外旋转打开伞仓。折叠的降落伞3被释放，在下方压缩弹簧203的推动下快速弹射出伞仓2，在极短时间内将降落伞3沿伞仓2正上方向推离无人机及旋转中的螺旋桨9，提高开伞瞬间的稳定性并缩短开伞时间。

螺旋桨停止旋片4兼备伞仓上盖板功能。如图1所示，在降落伞待触发状态下四个螺旋桨停止旋片4由伞仓锁定片601和安装于底座上伞仓锁定器6中的锁定销键602锁定，保持降落伞伞仓的闭合，不影响无人机螺旋桨9的正常旋转。

如图3所示，螺旋桨停止旋片4在降落伞触发后由扭转弹簧401以及限位块 402的作用下翻转特定角度，将其上的螺旋桨阻挡杆403定位在螺旋桨9的旋转路径上，阻止失控螺旋桨9的继续旋转，从而避免失控螺旋桨9影响降落伞正常工作，提高开伞后长期的工作稳定性。为了防止在螺旋桨9急停过程中对螺旋桨9 的损坏，螺旋桨阻挡杆403上装有硬度低于螺旋桨材料硬度的缓冲垫404。

在本发明中使得螺旋桨停止旋片4兼备了伞仓盖板功能，同时兼备了螺旋桨 9停止和降落伞3开伞控制能力。这种将螺旋桨控制及降落伞开伞控制一体化的方法可以将两者动作硬性耦合在一起，强力耦合了降落伞3开伞及螺旋桨9急停功能，使两者互为因果关系，符合无人机降落伞3开伞就必须停桨，停桨就必须开伞的工作原理。完美提升了系统工作的安全性、稳定性，节约了材料，简化了设计并减轻了重量减少了成本，适于大规模应用。。

机载设备电源控制模块受到降落伞主控制器1的控制从而实现机载设备电源闭合和切断的转换。如图7所示，其中电力输入端501连接供电电源，电力输出端502连接无人机电调(电子调速器13)、云台相机12、机载探照灯11等无人机功率型机载设备。在降落伞主控制器1控制下，电源控制模块5可以在无人机出现事故后切断电力输出端502供电。电力输出端502可以用于控制无人机电机、电调的供电、从而配合螺旋桨停止旋片4更快的停止螺旋桨旋转。电力输出端502 也可以用于控制其他功率型机载设备的供电，避免机载设备在伞降过程以及落地后不稳定环境下的工作，从而防止设备损坏或者火灾等二次灾害的发生。

伞仓锁定器6由伞仓锁定片601、锁定销键602，电机603以及连接在锁定片 601上的锁定孔604组成，在降落伞主控制器1控制下起到锁闭或开启降落伞仓2 的作用。在降落伞装置待触发状态下，如图1所示，四个螺旋桨停止旋片4向内旋转闭合，安装于底座上伞仓锁定器6中的锁定销键602落入连接锁定片601上的锁定孔604，锁定片将其他三个螺旋桨停止旋片4控制为闭合状态。使得伞仓2处于完全闭合状态，降落伞3及其下方的弹射片202以及压缩弹簧203压缩在伞仓2 内。

本发明中的智能降落伞在待触发的工作过程中，由降落伞主控制器1实时检测无人机自身姿态、位置、关键组件健康程度、空中碰撞风险。在遇到危害无人机飞行安全的事件，或者预见即将发生危害无人机飞行安全的事件的情况下，由降落伞主控制器1发送电子触发信号给伞仓锁定器6，伞仓锁定器6中电机603 受控响应，锁定销键602受到电机603驱动从锁定孔604中滑出。

在降落伞开伞触发状态下，锁定销键602受到电机603驱动从锁定孔604中滑出，兼备伞仓上盖板功能的四片螺旋桨停止旋片4在扭转弹簧401作用下向外迅速旋转翻出从而打开降落伞伞仓。降落伞伞仓2打开后，伞仓2中收纳的降落伞3受到下方压缩弹簧201的作用从伞仓2内迅速弹出，释放到空中，如图4所示。

其中限位块402用于配合扭转弹簧401将螺旋桨阻挡杆403定位在螺旋桨的旋转路径上，起到调整阻挡杆403空间位置的作用。限位块402可以根据无人机螺旋桨9与螺旋桨停止旋片4旋转中轴的不同空间位置任意调整，从而适用于螺旋桨安装位置不同的各种类型无人机。

本发明中，实现了无人机降落伞的完全智能化。市场上已有无人机降落伞在开伞后依然需要人为控制无人机停止螺旋桨旋转从而避免导致降落伞失效。然而，无人机事故发生后操作者不可能迅速判断故障进行响应，并且在无人机失控的情况下通过人工控制无人机完成螺旋桨停转实际上已经不可能完成。本发明中，可以同时通过机械阻挡及电源控制的方法，在无人机故障、触发伞降功能后自动实现无人机螺旋桨的急停，实现了完全无需人为干预的智能降落伞系统。

本发明中，将无人机螺旋桨停止旋片和降落伞伞仓部分融合在一起，使得降落伞释放与螺旋桨停转互为因果关系，使两个事件的发生紧密的耦合在了一起。这样，在无人机降落伞释放后螺旋桨会迅速急停，避免降落伞受到失控螺旋桨的影响。另一方面，在螺旋桨急停时降落伞也必然已经释放，避免出现螺旋桨停转而降落伞未展开的故障。从而从根本上消除了无人机降落伞现阶段遇到的潜在安全隐患。

本发明中，通过机械阻挡和电源控制的方法实现螺旋桨急停可以避免对人身及财产的伤害。无人机高速旋转的螺旋桨具有相当的危险性，通过智能控制的螺旋桨急停装置，可以进一步避免对人体及财产造成的危险和伤害。

本发明中，通过将无人机降落伞功能与无人机机载设备供电紧耦合的方法，保护机载设备的安全。无人机机载设备一般并不适合在无人机失控、故障后的环境下工作。即使是进入相对平和的伞降状态也往往会由于堵转、倾倒、受潮、异物、碰撞导致功能不正常，并常常发生自身损坏、失火、爆炸等次生灾害。在触发伞降功能后智能化控制无人机机载设备电源。可以在无人机出现事故后主动切断电机、电调供电从而更快的停止螺旋桨旋转，防止电机电调烧毁。也可以避免某些机载设备在非理想工作下继续工作可能出现的损坏、失火、爆炸等次生灾害，进一步提高了无人机系统的工作稳定性。

本发明中，主要功能包括降落伞开伞保护、螺旋桨急停保护、机载设备供电控制。其中，降落伞开伞保护与螺旋桨急停保护为紧密耦合的基本、必须功能，用于实现高效稳定的无人机伞降避险功能。机载设备供电控制属于额外的机载设备保护功能，在伞降过程及伞降后发挥保护机载设备的功能，选配与否并不影响主功能，即无人机降落伞智能开伞，螺旋桨急停主功能的实现。

综合本发明对无人机伞降保护功能，以及对无人机机载设备保护功能的发明和创新。可以使得智能降落伞装置在无人机遇到飞行危险后在开伞瞬间、伞降过程中、伞降过程后都对无人机及其机载设备实现完美的保护，从而杜绝了无人机飞行安全事故及无人机紧急迫降后可能发生的次生安全事故。

本发明中螺旋桨停止旋片4上方螺旋桨阻挡杆403在螺旋桨停止旋片内表面，也可以设置在外表面，同时取消伞仓锁定片601，改为由伞仓锁定器6(例如电磁铁)对多片螺旋桨停止旋片4拼装后图形的中心区域进行固定。

本发明中，设计主要用于多旋翼无人机使用。也可以通过修改螺旋桨停止旋片4及其上方螺旋桨阻挡杆403的安装方向及大小，适用于其他固定翼无人机在降落伞开伞后的螺旋桨急停。

实施例2

本实施例与实施例1的区别是：如图10所示，螺旋桨停止旋片4的数量为三个，三个螺旋桨停止旋片4拼装成的弹射式伞仓2的盖板呈三角形，而不是矩形，应用于三旋翼无人机。

实施例3

本实施例与实施例1的区别是：如图11所示，螺旋桨停止旋片4的数量为六个，六个螺旋桨停止旋片4拼装成的弹射式伞仓2的盖板呈六边形，而不是矩形，应用于六旋翼无人机。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其他领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，仍属于本发明技术方案的保护范围。