一种智能多旋翼救援抛投器及控制方法与流程

1.本发明涉及救援设备自动化和飞控技术领域，具体地说是一种多旋翼可控定点追踪目的的智能抛投器。


背景技术：

2.不可抗力的地质灾害对人民的生命财产安全有着极大的威胁，在抗洪救灾、海上救援等特殊情况，往往会出现人员被困，需要紧急救援，但同时被困人员又不易被直接接触的情况。这种情况下救援环境一般非常恶劣，救援机会稍纵即逝，对救援条件要求较高。一般条件下，当发生重大灾害时，都采用军警力量救援，因有专业的救生技能和救援装备，往往都能成功助被困者脱困。但在一些突发情况下，由于大型救援设备到达需要时间，便携式救援装备效果更快、更好。首先，很多灾害的发生都在瞬时之间，例如事故落水，船只遇险等，这些危险事故发生之前并无征兆，但一旦发生，又需要很短时间内对受困者进行救援。如果等到危害发生后，才请求救援，等救援力量赶到时可能会为时已晚，例如当楼层高层起火时，扑救措施难以在短时间内作用到着火点，任用火势发展可能会让小事故酿成大灾害，但抛投器可搭载消防弹，在火势发生的第一时间对火势进行扑救，抑制住火势发展。抛投器就是这样一种紧急救援装备，当随行人员中有人遇到危险或发生险情时，可以将救生抛投器发射出去，抛投器携带游泳圈，救生衣或消防弹等救援设备到达受困者身边，阻止险情并助受困者脱困。
3.抛投器是一种以火药、气体或电磁力为动力，以类似子弹发射为原理，将所需装备送到指定位置的装置。抛投器多用于紧急救援、攀缘锚钩、跨山越水架线以及反恐突击等场景，尤其在紧急救援领域应用较多。救援抛投器技术起源于国外，但国内引进后，技术不断发展，与国外差距也逐步减小，能够满足目前一般救生需求。随着发射技术和弹体的改良，目前抛投器在不带载的情况下，抛投最大距离可达到300米，带载情况下也能达到200米有效抛投距离。
4.目前，已有很多出海船只、救援队伍和海滩设施开始配备救生抛投器。当前国内市场上的抛投器主要以气体为动力发射，原理是先在储气仓内储存足量的高压气体，在发射时，通过打开泄压阀，将高压气体瞬间在有限空间内释放，以此产生强大推力，推动抛投器弹体弹出。但这类抛投器，主要通过人为投射，投射效果是否理想很大程度上取决于投射者的投射水平。而且，投射效果也会受到天气等外界因素影响。
5.传统救援抛投器存在以下缺点：(1)抛投效果过于依赖投射者技术水平，非专业人士难以直接上手使用；(2)抛投效果容易受到外界因素的影响，例如投射时的温度、湿度、风速等；(3)抛投弹体弹出后，无法再对弹体的轨迹和落点进行修正更改，因此无法对瞬息万变的险情进行及时应对。


技术实现要素：

6.发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明公开了一种多旋翼、可对落点进
行精确识别，并通过旋翼对抛投弹体进行位姿调整以达到精确降落目的的智能多旋翼救生抛投器。本发明适用于传统救援抛投器所适用的多种场景，以及一些传统救援抛投器无法胜任的特殊场景。本发明具有操作简单、受外界干扰较小、抛投有效距离远、效果理想的特点。
7.本发明的技术方案包括：一种带旋翼的抛投器结构，包括抛射弹头(1)、弹体外壳(2)、连接法兰(3)、旋翼(4)、电机(5)、第一分流板(6)、第二分流板(7)、第三分流板(8)、飞控模块(9)、视觉模块(10)、激光雷达(11)、电池(12)、储伞仓(13)；其中，抛投弹头(1)位于抛投器最前端，为抛投器上升过程中起破风减阻作用，储伞仓(13)安装在抛射弹头(1)前端中心位置，抛投弹头(1)后端通过螺纹与弹体外壳(2)相连，第一分流板(6)、第二分流板(7)、第三分流板(8)通过弹体外壳(2)内置滑槽与其直接相连，将弹体外壳(2)腔内空间等分；连接法兰(3)把弹体外壳(2)与电机(5)紧密相连，电机(5)上端连有旋翼(4)，弹体外壳(2)腔内空间的旋翼(4)设有三个，被第一分流板(6)、第二分流板(7)、第三分流板(8)分别隔开，为系统提供动力；所述抛投器结构上还设置有飞控模块(9)，以及与飞控模块(9)相连的视觉模块(10)、激光雷达(11)、电池(12)；
8.所述飞控模块(9)对加速度计，陀螺仪，磁力计，气压计，视觉模块的数据进行实时读取，通过卡尔曼滤波或者图优化进行融合，对抛投器的速度、姿态、位置、以及周围环境实时估计，利用估算融合得到的各种数据信息，构成抗扰控制反馈，控制电机实现期望的姿态，速度和位置。
9.进一步，旋翼(4)互相呈120度，构成等边三角状面向外侧安装。
10.进一步，所述飞控模块(9)、视觉模块(10)、激光雷达(11)安装于弹体外壳底端中心位置，分别置于相邻两块分流板之间。
11.进一步，所述电池(12)安装在三块分流板连接处空隙位置。
12.本发明的一种带旋翼的抛投器结构的控制方法，包括以下步骤：
13.抛射过程中，降落伞主伞全部置于储伞仓(13)内，降落伞副伞置于仓外，覆盖于抛射弹头(1)之上，储伞仓(13)内部分别由第一分流板(6)、第二分流板(7)、第三分流板(8)隔为三个互不联通等体积的空间，在抛投器下落过程中，空气由下进入腔内，并通过旋翼(4)排出，排出时空气对抛投器实施作用力，推动抛投器沿风力反方向运动，通过改变电机的转速调整抛投器所受反作用力，达到控制位姿的目的；
14.降落过程中，由于抛投器重心主要分布在分流板入风口一侧，即视觉模块、激光雷达安装侧，抛投器会以这一侧为底向下坠落，此时降落伞小伞首先受力，将降落伞大伞拖出仓内，延缓抛投器的下降速度，同时飞控模块(9)，视觉模块(10)、激光雷达(11)开始工作，飞控模块(9)对抛投器姿态估计，调节电机(5)转速以保证姿态平稳下落，视觉模块(10)对落点进行识别和定位，将信息传递给飞控模块(9)，激光雷达(11)实时监控抛投器的高度数据并实时反馈，处理器通过获取到信息，计算出当前抛投器与落点相对位置，并对电机(5)转速进行实时控制，使抛投器下落轨迹逼近落点位置，实现落点跟踪。
15.综上所述，本发明公开了一种操作简单，受外界干扰较小，抛投效果理想的多旋翼智能抛投器。
16.本抛投器通过将降落伞与旋翼4相结合，延长了抛投器的滞空时间，使飞控模块9有足够时间做出判断反映，调节电机5转速，以达到轨迹变化，落点追踪的目的。多传感器融
合实现了抛投器的状态估计，再通过控制算法实现抛投器的稳定下落飞行。利用激光雷达11、视觉模块10实现目标的识别和追踪，机载处理器通过接受信号做出控制反应，实现多旋翼智能抛投器精准抛射。
17.对比传统救援抛投器，本发明方法特有之处在于：
18.(1)通过抛投器结合降落伞的独特结构，大大增加抛投器的滞空时间，为飞控模块对抛射点的分析和跟踪提供了充裕反应时间。
19.(2)特有的结构设计，减小了能源的损耗，使抛投器对风能的利用接近最大化。整个抛投器动力部分仅由三个用于调整轨迹的旋翼电机组成，下落过程中用于减缓下落速度的动力由风力提供。
20.(3)在下落时间大幅延长前提下，飞控模块对旋翼电机进行控制，通过对下落轨迹的调整来改变落点位置，达到落点跟踪的目的。
21.(4)本设计采用碳纤以及航空铝件组合，自身重量小。
附图说明
22.附图1为本发明基本结构示意图；
23.附图2为本发明外部结构剖视图；
24.附图3为本发明内部结构示意图；
25.附图4为本发明控制算法框图。
26.在图1
‑
3中，1
‑
抛射弹头；2
‑
弹体外壳；3
‑
连接法兰；4
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旋翼；5
‑
电机；6
‑
第一分流板；7
‑
第二分流板；8
‑
第三分流板；9
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飞控模块；10
‑
视觉模块；11
‑
激光雷达；12
‑
电池；13
‑
储伞仓
具体实施方式
27.下面结合附图和实例对本发明作更进一步的说明。
28.一种带旋翼的抛投器结构，包括抛射弹头1、弹体外壳2、连接法兰3、旋翼4、电机5、第一分流板6、第二分流板7、第三分流板8、飞控模块9、视觉模块10、激光雷达11、电池12、储伞仓13。此抛投器共含有三幅旋翼4，且都内置于抛投仓内，三幅旋翼互相呈120度，构成等边三角状面向外侧安装。三幅旋翼都不用于提供上升时升力，只需要在抛投器达到最高点后下落的过程中，提供侧向力来改变抛投器位姿，从而实现对落点的准确定位，所以旋翼无需产生太大的动力，即其对应的电机功率也相对较小，可选用价格低廉的普通小功率电机，在提高了普适性和经济效益的同时也减小了抛投器的质量。
29.图1所示的智能多旋翼抛投器基本结构示意图，它的外部主要由以下两个部分组成：1
‑
抛射弹头、2
‑
弹体外壳，抛射弹头1上升过程为抛投器破风减阻，弹体对抛投器的整体起支撑作用，是内置各个模块的载体和保护外壳。
30.图2所示的智能多旋翼抛投器外部结构剖视图，它主要由以下几个部分组成：1
‑
抛射弹头、2
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弹体外壳、13
‑
储伞仓，储伞仓13安装在抛射弹头1前端中心位置，抛射弹头1后端通过螺纹与弹体外壳2相连。
31.图3所示的智能多旋翼抛投器内部结构示意图，它主要由以下几个部分组成：3
‑
连接法兰、4
‑
旋翼、5
‑
电机、6
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第一分流板、7
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第二分流板、8
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第三分流板、9
‑
飞控模块、10
‑
视
觉模块、11
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激光雷达、12
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电池、13
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储伞仓；在整个结构中，三副电机4与侧面所开圆槽对心安装；降落伞大伞置于储伞仓13内，小伞置于仓外包裹弹头；飞控模块9，视觉模块10，激光雷达11等安装精度需求不高，它们的安装可根据实际作业需求进行相应的变化。
32.所述飞控模块9对加速度计，陀螺仪，磁力计，气压计，视觉模块的数据进行实时读取，通过卡尔曼滤波或者图优化进行融合，对抛投器的速度(x,y,z,三轴方向速度)、姿态(横滚角，俯仰角，偏航角)、位置(x,y,z,三轴方向坐标)、以及周围环境实时估计，利用估算融合得到的各种数据信息，构成抗扰控制反馈，控制电机实现期望的姿态，速度和位置。
33.图4所示为本发明的控制算法框图，采用位置控制器、速度控制器、角度控制器、角速度控制器以及角加速度控制器等多种控制器对抛投器多个飞行参数实时采集处理，pid串级控制内外多环并联调节，这增强了系统的抗干扰性，因为有多个控制器控制飞行器，它会比单个控制器控制更多的变量，使得抛投器的适应能力更强。
34.本发明的一种带旋翼的抛投器结构的控制方法，包括以下步骤：
35.抛射弹头1位于抛投器最前端，在抛射过程中起为整个机身破风减阻作用。抛射弹头1呈椭球型结构，在椭球前端中心位置有降落伞储伞仓13，抛射过程中，降落伞主伞全部置于储伞仓13内，降落伞副伞置于仓外，覆盖于抛投弹头1之上，在抛射上升过程中，风阻沿弹头向后，令降落伞副伞附着于弹头表面，不会对抛射轨迹产生影响，同时还能盖住储伞仓13，阻隔空气进入储伞槽内，影响抛射。抛投仓13内部由第一分流板6、第二分流板7、第三分流板8隔为三个互不联通等体积的空间，在抛投器下落过程中，空气由下进入腔内，并通过旋翼4排出，排出时空气对抛投器实施作用力，推动抛投器沿风力反方向运动。即可以通过改变电机的转速调整抛投器所受反作用力，从而达到控制位姿的目的。
36.降落过程中，由于抛投器重心主要分布在分流板入风口一侧，即视觉模块、激光雷达安装侧，抛投器会以这一侧为底向下坠落，此时降落伞小伞首先受力，将降落伞大伞拖出仓内，延缓抛投器的下降速度，同时飞控模块9，视觉模块10、激光雷达11开始工作，飞控模块9对抛投器姿态估计，调节电机5转速以保证姿态平稳下落，视觉模块10对落点进行识别和定位，将信息传递给飞控模块9，激光雷达11实时监控抛投器的高度数据并实时反馈，处理器通过获取到信息，计算出当前抛投器与落点相对位置，并对电机5转速进行实时控制，使抛投器下落轨迹逼近落点位置，实现落点跟踪。