用于直升机实现吊挂自动抓取的辅助系统

技术领域

本发明属于无线电通信技术领域，特别是涉及用于直升机实现吊挂自动抓取的辅助系统，可用于在直升机执行吊挂任务时，对待载载荷进行识别匹配，匹配成功后，对挂钩、目标载荷同时进行定位，从而辅助吊挂完成目标载荷的自动抓取。

背景技术

现阶段直升机在执行吊挂任务时，采用的是直升机悬停后与地面人员配合吊起载荷的方式，飞行员将直升机悬停在待载载荷上空，放下挂绳，地面人员手动将挂绳上的挂钩扣在目标载荷上，完成吊挂抓取。

随着自动化要求日益提高，国内外开展了自动抓取装置的研究，例如美国Onboard公司的Talon Auto-Loc由自动抓取货钩(P/N 210-300-00)和可折叠标靶(P/N 232-739-00)组成，自动抓取货钩安装在直升机吊索末端，其采用喇叭形锥桶结构，内部集成锁紧装置，锁紧装置由机上遥控按钮控制开关；可折叠标靶与待载载荷通过绳索连接，其顶部带有与锁紧装置配套使用的球形阀杆三脚架。直升机执行吊挂任务前，地勤人员将可折叠标靶与目标载荷连接，等待直升机飞至目标载荷上空，飞行员目视将自动抓取货钩与可折叠标靶对准，通过机上遥控按钮控制自动抓取货钩打开锁紧装置并向下落，当球形阀杆进入喇叭形锥桶后，沿着锥桶滑至锁紧装置，锁紧装置自动将球形阀锁紧，完成抓取。Talon Auto-Loc完成自动化抓取的过程中需要地勤人员配合飞行员将自动抓取货钩和可折叠标靶球形阀杆在一定范围内对准，无法完成目标载荷的自动识别和定位，也无法在地面无人配合的情况下完成自动抓取吊挂任务，运输效率低，人员成本、风险大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出用于直升机实现吊挂自动抓取的辅助系统，以实现在地面无人配合的情况下完成目标载荷抓取，提高直升机自动化作业的效率并降低风险。

为实现上述目的，本发明用于直升机实现吊挂自动抓取的辅助系统，包括一个主基站1、三个参考基站2、一个货钩标签3和若干个标靶标签4，其特征在于：

所述主基站1，安装于直升机机腹，其用于与飞机上终端进行交联、与货钩标签3和标靶标签4进行通信、接收货钩标签3发送的待载载荷信息，并接收货钩标签3和标靶标签4发送的距离数据，解算货钩标签3和标靶标签4的位置坐标；

所述三个参考基站2，分别安装于直升机机腹不同位置，用于与货钩标签3和标靶标签4通信；

所述货钩标签3，安装于自动抓取装置的自动抓取货钩上，用于与主基站1、各参考基站2通信，获取主基站1、各参考基站2与货钩标签3之间的距离信息，同时读取设定范围内的标靶信息，并将信息打包发送给主基站1；

所述若干个标靶标签4，安装于自动抓取装置的可折叠标靶上，其数量根据待载载荷数量选取，用于与主基站1和各参考基站2进行通信，获取主基站1和各参考基站2分别与标靶标签4之间的距离信息，并发送给主基站1，同时存储载荷的类别、重量、尺寸、编号这些载荷信息，并发送给货钩标签3。

进一步，主基站1包括主基站供电单元11、主基站信号处理单元12、主基站接口单元13、主基站射频收发天线14；该主基站射频收发天线14用于向外辐射微波信号，同时接收系统内其他设备的微波信号；该主基站接口单元13用于与飞机上终端和主基站信号处理单元12交联，接收飞机上终端给的目标载荷编号，同时将位置坐标和载荷信息发送给飞机上终端；该主基站信号处理单元12根据收到的目标载荷编号发送激活信号，对该信号进行编码、调制并通过射频天线发送出去，同时对接收到的射频信号进行解码、解调、解析得到距离信息，根据该距离信息解算出位置坐标并送给主基站接口单元13；该主基站供电单元11，用于将直升机上的直流+28V电压转换为本基站使用的+5V电压。

进一步，参考基站2包括参考基站供电单元21、参考基站信号处理单元22和参考基站射频收发天线23；该参考基站射频收发天线23用于向外辐射微波信号，同时接收系统内其他设备的微波信号；该参考基站信号处理单元22用于产生脉冲信号，并对该脉冲信号进行编码、调制后通过射频天线发送出去，同时对接收到的射频信号进行解码、解调；该参考基站供电单元21，用于将直升机上的直流+28V电压转换为本参考基站使用的+5V电压。

进一步，货钩标签3包括货钩标签供电单元31、货钩标签信号处理单元32、RFID阅读单元33和货钩标签射频收发天线34；该货钩标签射频收发天线34接收载荷微波信号和距离微波信号，并将载荷微波信号和距离微波信号分别送给RFID阅读单元33和货钩标签信号处理单元32；该RFID阅读单元33对载荷微波信号进行解调、解码、解析得到载荷信息并将其传送给货钩标签信号处理单元32；该货钩标签信号处理单元32将收到的距离微波信号进行解码、解调、解析得到距离信息，再将距离信息和载荷信息组包通过射频天线发送出去；该货钩标签供电单元31将直升机上的直流+28V电压转换为+5V电压供各模块使用。

进一步，标靶标签4包括供电电池41、标靶标签信号处理单元42、RFID标签43和标靶标签射频收发天线44；该标靶标签射频收发天线43发送载荷微波信号，同时接收系统内其他设备的距离微波信号；该RFID标签43用于存储载荷信息，并将载荷信息送给标靶标签射频收发天线43发送出去；该标靶标签信号处理单元42将收到的距离微波信号进行解码、解调、解析得到距离信息，再将距离信息通过射频天线发送出去；该供电电池41为本标靶标签供电。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明的主基站、参考基站、货钩标签和标靶标签之间通过超宽带定位技术完成自动抓取装置的自动抓取货钩和可折叠标靶的定位，穿透能力强，功耗低，受多径影响小、安全系数高、系统复杂度低、定位精度高；

2.本发明能对货钩标签和标靶标签同时进行定位，当两者位置坐标重合时，飞行员可通过机上遥控按钮控制自动抓取装置完成抓取，方便机组人员明确自动抓取时机；

3.本发明的货钩标签和标靶标签采用无线射频识别技术，具有穿透性强、绕射性强、传输距离远的特点，适合于各种复杂环境；

4.本发明的标靶标签，可提前通过外部读写器将载荷信息写入标靶标签，免去地勤人员执行吊挂任务时现场辨别货物信息；

5.本发明的标靶标签，载荷信息可根据实际载荷反复修改和删除，可重复使用，节省成本；

6.本发明的货钩标签，可同时获取多个载荷信息，节省时间，提高载荷的识别效率。

综上所述，本发明提出的用于直升机实现吊挂自动抓取的辅助系统，采用超宽带定位和无线射频识别的技术，实现了直升机对目标载荷的识别匹配，自动抓取货钩和可折叠标靶的同时定位，从而实现在地面无人配合的情况下辅助目标载荷自动抓取，提高了吊挂效率，降低了人员成本及执行任务的危险性。

附图说明

图1是本发明系统的组成示意图；

图2是现有自动抓取装置结构图；

图3是本发明中的主基站组成框图；

图4是本发明中的主基站结构图；

图5是本发明中的参考基站组成框图；

图6是本发明中的参考基站结构图；

图7是本发明中的货钩标签组成框图；

图8是本发明中的货钩标签结构图；

图9是本发明中的标靶标签组成框图；

图10是本发明中的标靶标签结构图；

图11是本发明中的供电单元原理框图；

图12是本发明中的主基站信号处理单元原理框图；

图13是本发明中的主基站接口单元原理框图；

图14是本发明中的货钩标签信号处理单元原理框图；

图15是本发明中的RFID阅读单元原理框图；

图16是本发明中的标靶标签信号处理单元原理框图；

图17是本发明中的RFID标签原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施方式进行详细描述。

参照图2，现有的自动抓取装置包括自动抓取货钩和可折叠标靶，自动抓取货钩安装在直升机吊索末端，可折叠标靶与待载载荷通过绳索连接。

参照图1，本发明通过超宽带定位和无线射频识别技术辅助直升机使用现有的自动抓取装置完成目标载荷的自动抓取。整个系统包括一个主基站1、三个参考基站2、一个货钩标签3和若干个标靶标签4。其中：

所述主基站1，安装于直升机机腹，其用于与飞机上终端进行交联、与货钩标签3和标靶标签4进行通信、接收货钩标签3发送的待载载荷信息，并接收货钩标签3和标靶标签4发送的距离数据，解算货钩标签3和标靶标签4的位置坐标；

所述三个参考基站2，分别安装于直升机机腹不同位置，用于与货钩标签3和标靶标签4通信；

所述货钩标签3，安装于图2所示的自动抓取装置的自动抓取货钩上，用于与主基站1、各参考基站2通信，获取主基站1、各参考基站2与货钩标签3之间的距离信息，同时读取设定范围内的标靶信息，并将信息打包发送给主基站1；

所述若干个标靶标签4，安装于图2所示的自动抓取装置的可折叠标靶上，其数量根据待载载荷数量选取，用于与主基站1和各参考基站2进行通信，获取主基站1和各参考基站2分别与标靶标签4之间的距离信息，并发送给主基站1，同时存储载荷的类别、重量、尺寸、编号这些载荷信息，并发送给货钩标签3。

参照图3，本发明的主基站1包括主基站供电单元11、主基站信号处理单元12、主基站接口单元13、主基站射频收发天线14；该主基站射频收发天线14用于向外辐射微波信号，同时接收系统内其他设备的微波信号；该主基站接口单元13用于与飞机上终端和主基站信号处理单元12交联，接收飞机上终端给的目标载荷编号，同时将位置坐标和载荷信息发送给飞机上终端；该主基站信号处理单元12根据收到的目标载荷编号发送激活信号，对该信号进行编码、调制并通过射频天线发送出去，同时对接收到的射频信号进行解码、解调、解析得到距离信息，根据该距离信息解算出位置坐标并送给主基站接口单元13；该主基站供电单元11，用于将直升机上的直流+28V电压转换为本基站使用的+5V电压。

参照图4，上述主基站供电单元11、主基站信号处理单元12和主基站接口单元13均为独立的电路板分别固定于主基站壳体内，电路板之间通过印制板连接器连接，主基站射频收发天线14安装于主基站壳体的盖板位置。

参照图5，本发明的参考基站2包括参考基站供电单元21、参考基站信号处理单元22和参考基站射频收发天线23；该参考基站射频收发天线23用于向外辐射微波信号，同时接收系统内其他设备的微波信号；该参考基站信号处理单元22用于产生脉冲信号，并对该脉冲信号进行编码、调制后通过射频天线发送出去，同时对接收到的射频信号进行解码、解调；该参考基站供电单元21，用于将直升机上的直流+28V电压转换为本参考基站使用的+5V电压。

参照图6，上述参考基站供电单元21、参考基站信号处理单元22均为独立的电路板分别固定于参考基站壳体内，电路板之间通过印制板连接器连接，参考基站射频收发天线23安装于参考基站壳体的盖板位置。

参照图7，本发明的货钩标签3包括货钩标签供电单元31、货钩标签信号处理单元32、RFID阅读单元33和货钩标签射频收发天线34；该货钩标签射频收发天线34接收载荷微波信号和距离微波信号，并将载荷微波信号和距离微波信号分别送给RFID阅读单元33和货钩标签信号处理单元32；该RFID阅读单元33对载荷微波信号进行解调、解码、解析得到载荷信息并将其传送给货钩标签信号处理单元32；该货钩标签信号处理单元32将收到的距离微波信号进行解码、解调、解析得到距离信息，再将距离信息和载荷信息组包通过射频天线发送出去；该货钩标签供电单元31将直升机上的直流+28V电压转换为+5V电压供各模块使用。

参照图8，上述的货钩标签供电单元31、货钩标签信号处理单元32、RFID阅读单元33均为独立的电路板分别固定于货钩标签壳体内，电路板之间通过印制板连接器连接，货钩标签射频收发天线34安装于货钩标签壳体的盖板位置。

参照图9，本发明的标靶标签4包括供电电池41、标靶标签信号处理单元42、RFID标签43和标靶标签射频收发天线44；该标靶标签射频收发天线43发送载荷微波信号，同时接收系统内其他设备的距离微波信号；该RFID标签43用于存储载荷信息，并将载荷信息送给标靶标签射频收发天线43发送出去；该标靶标签信号处理单元42将收到的距离微波信号进行解码、解调、解析得到距离信息，再将距离信息通过射频天线发送出去；该供电电池41为本标靶标签供电。

参照图10，上述的供电电池41固定于标靶标签底部，通过控制开关控制电池是否给标靶标签供电，通过四只电量显示灯对外显示电池的电量，标靶标签信号处理单元42、RFID标签43均为独立的电路板，分别固定于货钩标签壳体内，电路板之间通过印制板连接器连接，标靶标签射频收发天线44安装于标靶标签壳体的盖板位置。

参照图11，本发明的主基站供电单元11、参考基站供电单元21、货钩标签供电单元31三者结构相同，其均包括上电保护模块、滤波及浪涌抑制模块、储能模块和DC/DC转换模块；该滤波及浪涌抑制模块对机上输入的+28V电压进行滤波和抗浪涌抑制，用以改善系统的电磁兼容性能；该上电保护模块在系统上电和掉电时，防止电流过大对电路产生冲击；该储能模块在系统通电期间充电，在系统瞬间掉电时放电保证28V电压输出，以确保DC/DC转换模块持续稳定输出+5V电压。

参照图12，本发明的主基站信号处理单元12，包括无线收发集成电路121和ARM处理电路122；该无线收发集成电路121，用于产生固定重复周期的脉冲信号，并对该脉冲信号进行编码、调制、放大后耦合到射频收发天线发送，同时对接收到的脉冲信号进行解码、解调，供处理器读取；该ARM处理电路122通过SPI总线与无线收发集成电路121连接，完成无线收发集成电路121的初始化配置、工作时序控制、信息读取、位置坐标解算。

参照图13，本发明的主基站接口单元13，包括接口收发芯片131和ARM处理电路132；该接口收发芯片131将UART信号转换为RS422数据，与飞机上的终端进行数据交联，接收飞机上终端的目标载荷编号并向飞机上终端发送载荷信息和位置坐标信息；该ARM处理电路132通过UART接口与接口收发芯片131相连接，实现飞机上终端指令的解析，并对载荷信息和位置坐标信息进行组包。

参照图14，本发明的货钩标签信号处理单元32包括无线收发集成电路321和ARM处理电路322；该无线收发集成电路321产生固定重复周期的脉冲信号，将该脉冲信号进行编码、调制、放大后耦合到射频收发天线发送，并对接收到的脉冲信号进行解码、解调，供处理器读取；该ARM处理电路322通过SPI总线与无线收发集成电路321连接，完成无线收发集成电路321的初始化配置、工作时序控制、获取信号时间戳，根据时间戳计算出距离信息，同时完成载荷信息的读取，并将距离信息和载荷信息打包发送出去。

参照图15，本发明的RFID阅读单元33，包括中心处理器和通讯芯片；通讯芯片接收预定区域内频率为2.4GHz的载波信号，送给中心处理器；中心处理器对接收到的信号进行解调、解码、解析得到载荷信息，并通过UART接口发送出去，以完成对载荷的识别。

参照图16，本发明的标靶标签信号处理单元42，包括无线收发集成电路421和ARM处理电路422；该无线收发集成电路421产生固定重复周期的脉冲信号，将该脉冲信号进行编码、调制、放大后耦合到射频收发天线发送，并对接收到的脉冲信号进行解码、解调，供处理器读取；该ARM处理电路422通过SPI总线与无线收发集成电路421连接，完成无线收发集成电路421的初始化配置、工作时序控制、获取信号时间戳，根据时间戳计算距离信息，并将距离信息发送出去。

参照图17，本发明的RFID标签43，包括中心处理器、通讯芯片和存储芯片；存储芯片用于存储外部读写器写入的载荷信息；中心处理器对存储的载荷信息进行加密和编码并送给通讯芯片；通讯芯片按照预设的规则周期性进行信号发射。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。