CN110546072A - 用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统 - Google Patents

Abstract

一种用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统包括配置为可操作地耦接至无人驾驶飞行器的地面站。所述地面站包括线轴，所述线轴可旋转地设置在所述地面站内且能够支撑在所述线轴上的系绳。第一滑轮沿系绳行进路径可旋转地安装在所述地面站内。第二滑轮可旋转地设置在地面站内且沿所述系绳行进路径平移移动。所述第一滑轮沿系绳行进路径设置在所述线轴和所述第二滑轮之间。

Description

用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年3月6日提交的、申请号为62/467,626的美国临时申请的优先权，其内容合并于此。

背景技术

以下发明涉及用于控制系留无人驾驶飞行器(UAV)位置的系统，更具体地，涉及通过控制连接至系留无人驾驶飞行器的系绳的张力而控制系留无人驾驶飞行器的系绳的操作，以保持所需的系绳张紧。

无人驾驶飞行器具有悬停能力。如多旋翼直升机的无人驾驶飞行器可以被系留，用于安全、通信以及长期动力。这增加了这些飞行器停留在空中的能力。这提供了能够保持指定区域的一致的视觉监控的益处。

系留无人驾驶飞行器耦接至包括系绳管理系统的地基对应物，以根据需要将系绳卷入或卷出。然而，无人驾驶飞行器还需要在变化的风速下自由爬升、下降、平移和操作，所有这些都在系绳上具有最小的负载变化。这些飞行器典型地依靠现场飞行员的技能来在各种条件下保持恒定的系绳张力。其他系统依靠于复杂结构，例如，板张力传感器、光学传感器或卫星导航，以保持无人驾驶飞行器定位位置，并产生相对于地基的系绳张力。

这些系统是令人满意的，然而它们非常复杂，因此，如上所述的传统方法导致高的制造和维护成本，以及高失败率。

因而，需要一种克服现有技术的缺点的系统和方法。

发明内容

用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统具有能旋转地设置在地面站内的线轴。第一滑轮沿系绳行进路径能旋转地设置在所述地面站内。第二滑轮能旋转地设置在地面站内且沿所述系绳行进路径能平移。所述第一滑轮沿系绳行进路径设置在所述线轴和所述第二滑轮之间。

附图说明

通过参考附图阅读详细的说明可以更好地理解本公开，其中，附图中的附图标记表示相似的结构并指代贯穿附图的元件：

图1是根据本发明构造的无人驾驶飞行器的示意图；

图2是说明本发明意图保持飞行器位置的操作的示意图；以及

图3是根据本发明构造的系绳管理系统的示意图。

具体实施方式

现在，转到附图，其中，相似的附图标记表示贯穿若干视图的相似元件，附图图示出系留无人驾驶飞行器。参考图1和图2，其中提供了根据本发明的优选实施例的示意图。并不是系统的一部分的是系绳106，将飞行器104耦接至地面站108。

更具体地，如图2所见，系绳106附接至飞行器104。由于重力，系绳106的自然趋势是悬挂在飞行器104的正下方。当例如风的外部力作用在系绳上时，力差使系绳106张紧，而外力使无人驾驶飞行器104从期望的位置移动或引起无人驾驶飞行器的翻滚。当例如风施加至系统100时，飞行器104将倾向于顺着风移动而离开期望的位置，在本实施例中，离开对应于图1中的初始位置的垂直线500。无人驾驶飞行器104移动离开垂直线500或沿着角■摇晃，如图2所见，随着无人驾驶飞行器104移动离开期望的路线，改变了系绳106上的张力。然而，无论无人驾驶飞行器104的高度或姿态如何，都期望系绳106上保持恒定张力，以便不干扰独立控制的无人驾驶飞行器104的飞行。

现在参考图3，其中示出了用于控制系绳张力的系绳管理系统，通常标记为200。系绳管理系统200容纳在地面站108室内。系绳管理系统包括可旋转地安装在地面站108内的线轴102。系绳106被存储且绕线轴102缠绕。线轴102可操作地耦接至双向电机(未示出)，如本领域已知的，双向电机能够以足够的速度在相反的旋转方向上精确地运动，来适应附接的无人驾驶飞行器102的上升和下降。

系绳106沿行进路径从线轴102行进至无人驾驶飞行器104。用作导引轮的第一滑轮107沿行进路径设置在地面站108内。第一滑轮107可旋转地安装在地面站108内的固定位置处。随着系绳106从线轴102绕出或绕到线轴102上，系绳106与第一滑轮107接触并由第一滑轮107导引。

第二滑轮110在地面站108内沿系绳行进路径可旋转地安装在第一滑轮107和无人驾驶飞行器104之间，且沿直线轨道116平移移动。第二滑轮110以如下这种方式沿行进路径设置：第一滑轮107使得系绳106总是与第二滑轮110的大致180°的接合面相接触。在优选的非限制性实施例中，滑轮110安装在直线轨道116上，且在以实线的滑轮110形式标示的第一位置和虚线示出为位置110’的第二位置之间可移动。

然后，通过设置在地面站108内在朝向无人驾驶飞行器104方向上的出口120，系绳106离开地面站108。如此，由于第二滑轮110在第一位置和第二位置之间相对于地面站沿竖直方向自由地移动，因此第二滑轮110随着系绳106的张力改变而将会沿轨道116移动。如下的恒力拉簧112使得第二滑轮110朝向以标记110示出的第一位置偏移：所述恒力拉簧耦接至滑轮110且在另一端处锚固至地面站108。设置在地面站108内以监测第二滑轮110位置的传感器114检测第二滑轮110沿直线轨道116的移动。

在优选的非限制性实施例中，第二滑轮110包括滑块，如轴承或低摩擦触头，其设置在直线轨道116上，以使第二滑轮110能够沿轨道116自由行进。结果，第二滑轮110在第一位置和至少第二位置110’之间的移动平滑地且最小摩擦地发生。具有已知的运动范围和位置，允许恒力弹簧112的附接以及直线位置传感器114追踪的参考点。

在操作期间，附接至线轴102的电机驱动(未示出，但是本领域已知)以变化的速度在如下第一方向或第二方向中的任一方向上操作：所述第一方向是将系绳106收缩至地面站108，所述第二方向是，响应于周期性判定第二滑轮110沿直线轨道116位置的传感器114的输出，将系绳106从地面站108伸出。传感器114可为用于测量在提供最小摩擦时物体沿直线的位置的任意传感器，如激光传感器、非接触式电传感器、机电接触式传感器或其他类型的检测器。

同时，恒力拉簧112为第二滑轮110提供力，这使得第二滑轮110沿第一位置的方向偏移。作用在可动的第二滑轮110上的恒力拉簧112向系绳106提供恒定张力，该恒定张力等于恒力拉簧112所提供的力的一半。该张力是由系绳106绕着第二滑轮110的大致180°卷绕所产生的。电机向线轴102施加扭矩，而由此向系绳106施加张力，直到传感器114向电机指示出如下：第二滑轮110的由传感器114检测出的直线位置大致在沿直线轨道116的行进范围的中间。实际上，当系绳106离开地面站108时，电机不直接地控制系绳106的张力。电机用于将滑轮110保持在直线轨道116的范围内，且恒力弹簧112通过滑轮110向系绳106增加张力。

在操作期间，当传感器114检测到第二滑轮110离开直线轨道116的中间处朝向第一位置移动时，这表明随着恒力拉簧112通过系绳106克服这种较低的张力(在进给方向上的力)，系绳106的张力减小。传感器114输出信号控制电机，表明这种改变。响应于传感器114的输出，系统100利用比例积分微分(PID)回路来控制电机。这里，通过非限制性示例方式，如下的检测使得电机将系绳106卷绕至地面站108内：第二滑轮110从中间点沿直线轨道116在第一滑轮位置的方向上移动。这样做，直到第二滑轮110返回沿轨道116的大致中间位置，由传感器114检测到的平衡位置。传感器114然后向电机输出控制信号，然后停止电机。

相反，如果传感器114检测到第二滑轮110从沿直线轨道116的大致中间位置离开朝向第二滑轮110的第二位置110’移动，则这表明的是，系绳106经受的张力正在增加；其正在克服由恒力拉簧112施加的力。传感器114输出信号，使得电机将系绳106从地面站108卷绕出，直到传感器114指示如下为止：第二滑轮110已经返回至沿直线轨道116的大致中间点。响应于传感器114的输出，系统100利用比例积分微分(PID)回路来控制电机。然后电机停止。

直线行进长度被确定为线轴的惯性、电机的扭矩、无人驾驶飞行器的上升和下降速率以及恒力拉簧刚度的函数。通过利用恒力弹簧与相对长的直线行进路径相结合，可以基本上实时地进行张紧调节，以在系绳上保持恒定的张力。行进长度应当足够长，以使电机能够从全速顺时针向全速逆时针转换(反之亦然)，而不会使系绳松弛，或不会允许可平移的滑轮到达其范围的任一端，可平移的滑轮到达其范围的任一端会引入系绳张力中的突然增加，猛拉运动。

恒力拉簧不像传统弹簧那样具有固有频率，具有取决于其位置的变化的力。这确保了系统在宽范围条件下的稳定性。该功能在如下环境中是必须的：足够有用的系绳管理系统必须能够在单个线轴上存储大量系绳，这是因为这种线轴将具有高惯性。电机将需要大量时间才能开始旋转，停止旋转或改变其旋转方向。

需要注意的是，上述实施例使用恒力弹簧。然而，重力也可用于保持系绳的恒定张力。在这样实施例中，当没有适当尺寸的恒力弹簧可用时，可以利用滑动滑轮组件的重量，适用于极大或极小的系绳管理系统。同样，由于第二滑轮的180°缠绕角度，施加在系绳的张力将等于滑块滑轮组件重量的一半。

通过利用上述的滑轮-弹簧布置，提供了一种简单而有效的结构和方法，用于保持系绳上的恒定张力，而不管所附接的无人驾驶飞行器的姿态如何。系统将根据无人驾驶飞行器的需求将系绳卷入或卷出。这是在以下情况下实现的：即使在简化和减少操作员必须付出的工作量的同时，也使得所需的培训以及设置和启动之间的时间最小化。

虽然已经参考优选实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，通过所附的权利要求书，在不脱离本发明的构思和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种推导和改变。

Claims (14)

1.一种用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统，包括：

地面站，配置为可操作地耦接至无人驾驶飞行器；并且

其中所述地面站包括线轴、第一滑轮和第二滑轮，所述线轴能旋转地设置在所述地面站内且适于支撑在所述线轴上的系绳，所述第一滑轮沿系绳行进路径能旋转地安装在所述地面站内，所述第二滑轮能旋转地设置在所述地面站内且沿所述系绳行进路径平移移动，所述第一滑轮沿所述系绳行进路径设置在所述线轴和所述第二滑轮之间。

2.根据权利要求1所述的用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统，其中，所述第二滑轮根据系绳表现出的张力变化在所述地面站内平移移动。

3.根据权利要求1所述的用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统，还包括：

无人驾驶飞行器；和系绳，所述系绳设置在所述地面站内，且从所述地面站伸出以将所述无人驾驶飞行器可操作地耦接至所述地面站。

4.根据权利要求1所述的用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统，其中，所述第二滑轮在第一位置和第二位置之间能移动，耦接至所述第二滑轮的恒力拉簧配置为使所述第二滑轮朝向所述第一位置偏移。

5.根据权利要求4所述的用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统，还包括直线轨道，所述第二滑轮设置在所述直线轨道上，所述第二滑轮在所述第一位置和所述第二位置之间沿所述直线轨道能移动。

6.根据权利要求4所述的用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统，其中，所述第二滑轮朝向所述第一位置的移动指示所述系绳的张力的减小。

7.根据权利要求4所述的用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统，其中，所述第二滑轮朝向所述第二位置的移动指示所述系绳的张力的增大。

8.根据权利要求4所述的用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统，还包括传感器，所述传感器设置在所述地面站内，用于感测所述第二滑轮的位置。

9.根据权利要求8所述的用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统，其中，所述传感器使得所述线轴根据所述第二滑轮的感测位置沿着第一方向或第二方向中的一个旋转。

10.根据权利要求1所述的用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统，还包括：

无人驾驶飞行器；和系绳，所述系绳设置在所述地面站内，且从所述地面站伸出以将所述无人驾驶飞行器可操作地耦接至所述地面站；并且

其中，所述第二滑轮在第一位置和第二位置之间能移动，耦接至所述第二滑轮的恒力拉簧配置为使得所述第二滑轮朝向所述第一位置偏移。

11.根据权利要求10所述的用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统，其中，所述系绳绕所述第二滑轮延伸大约180°。

12.根据权利要求11所述的用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统，还包括直线轨道，所述第二滑轮设置在所述直线轨道上，且所述第二滑轮在所述第一位置和所述第二位置之间沿所述直线轨道能移动。

13.根据权利要求12所述的用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统，其中，所述第二滑轮的朝向所述第一位置的移动指示所述系绳的张力的减小，所述第二滑轮朝向所述第二位置的移动指示所述系绳的张力的增大。

14.根据权利要求10所述的用于系留飞行器的恒定张力系绳管理系统，其中，所述传感器使得所述线轴根据所述第二滑轮的感测位置沿着第一方向或第二方向中的一个旋转。