可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构及其控制方法

1.本发明涉及飞行器连接机构及控制方法，尤其涉及一种可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构及其控制方法。


背景技术：

2.随着科技发展，飞行器在现代生活中负担的任务越来越重，飞行器编队的应用日益增多。但是单体飞行器因为结构和气动特性的影响显然已经无法满足现有的任务模式，因此往往需要增大飞行器的展弦比，使其升阻比更高，续航性能更好，航程更大。但大展弦比飞行器也存在诸多缺陷，首先是在起降方面对场地和天气要求更高，其次工艺更为复杂，成本较高。因此可以采用空中对接技术，使得编队中的飞行器可以单机作战实现灵活的任务模式，并在执行完任务后以大展弦比的聚合形式返回基地，节省能源，提高巡航效率增大航程。
3.专利cn108583877a提出一种抓取式翼尖对接/分离功能的机构系统，该方法虽然对对接过程中的抓取过程进行了难度降低，但没有对抓手位置进行有效限制，不能完成抓取后两架飞行器间的定位。
4.因此，亟待解决上述问题。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的第一目的是提供一种可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构，可提高编队整体任务灵活性和气动效率，同时不影响飞行器本身的飞行品质。
6.本发明的第二目的是提供一种可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构的控制方法。
7.技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构，包括与飞行器主机机翼相固连的可动抓手装置以及与飞行器从机机翼相固连的伸缩轴套装置，
8.所述可动抓手装置包括与飞行器主机机翼相固连的外部套件、穿设在外部套件内且可沿着外部套件前后伸缩的内部伸缩件、用于驱动内部伸缩件前后运动的第一驱动机构、位于内部伸缩件前端的可动抓手以及用于驱动可动抓手开合的第二驱动机构；
9.所述伸缩轴套装置包括与飞行器从机机翼相固连的套筒、穿设在套筒内且可沿着套筒前后伸缩的伸缩轴以及用于驱动伸缩轴前后运动的第三驱动机构；
10.编队中的两架飞行器通过可动抓手与伸缩轴的链接完成锁定，利用伸缩轴拉近或推离飞行器完成聚合或分离。
11.其中，第一驱动机构包括固定于外部套件两侧的第一舵机、与第一舵机输出轴相连的齿轮以及位于内部伸缩件两外侧且与齿轮相啮合的齿条，第一舵机启动，齿轮驱动齿条带着内部伸缩件前后运动。
12.优选的，可动抓手包括上抓片和下抓片，所述内部伸缩件的前端设置有一对相对
设置的侧板，两侧板之间设置有用于穿设上抓片的上转动轴、用于穿设下抓片的下转动轴、穿设固定在上转动轴上的上转动齿轮以及穿设固定在下转动轴上且与上转动齿轮相啮合的下转动齿轮。
13.再者，第二驱动机构包括位于侧板上的第二舵机、用于传递第二舵机输出轴扭矩至上转动轴的连杆组件，第二舵机启动，通过连杆组件带动上转动轴转动，从而驱动可动抓手的上抓片和下抓片的打开或闭合。
14.进一步，连杆组件包括与第二舵机输出轴相连的第一摇臂、与第一摇臂相连的连杆以及一端与连杆相连另一端与上转动轴相连的第二摇臂。
15.优选的，第三驱动机构包括固定于套筒两内侧壁上的第三舵机、与第三舵机输出轴相连的绕线轮盘以及两端分别反向固定于绕线轮盘的前后两层上的绳索，所述伸缩轴的上方设置有用于穿过绳索的耳片，第三舵机启动，绕线轮盘转动，通过绳索拉动伸缩轴伸出或缩回。
16.再者，外部套件的内底板上设有纵向延伸的第一导轨，所述内部伸缩件的底部设置有与第一导轨相适配的第一导向块。
17.进一步，套筒的内底板上设有纵向延伸的第二导轨，所述伸缩轴的底部设置有与第二导轨相适配的第二导向块。
18.优选的，伸缩轴的前端设有u形挡片，该u形挡片上开设有与可动抓手相适配的抓手卡槽。
19.本发明一种可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构的控制方法，包括如下步骤：
20.翼尖对接过程中，两架飞行器保持并排飞行，高度、速度以及前后位置需要维持在一定范围内，保持一定距离平飞；
21.发出对接准备指令后，第三舵机启动，通过转动绕线轮盘收缩绳索驱动伸缩轴从从机内部伸出，同时第一舵机启动，齿轮转动，驱动齿条和内部伸缩件从主机的外部套件内部伸出；待准备完成后，对接指令发出，第二舵机启动，通过连杆组件驱动上转动轴旋转，驱动可动抓手打开；在编队中的两架飞机接近到一定距离后，进行对接判定，若伸缩轴在可动抓手对接范围内，则进行对接；两飞行器靠近飞行，第二舵机启动，通过连杆组件驱动上转动轴旋转，驱动可动抓手闭合；然后第三舵机启动，绕线轮盘转动通过绳索驱动伸缩轴收回从机的套筒内部；同时第一舵机启动，齿轮转动，驱动齿条和内部伸缩件收回主机的外部套件内部，待内部伸缩件和伸缩轴均回到最初位置完成对接；
22.翼尖分离过程中，两架飞行器保持并排飞行；发出分离指令后，第三舵机启动，通过转动绕线轮盘收缩绳索驱动伸缩轴伸出，同时第一舵机启动，齿轮转动，驱动齿条和内部伸缩件从主机的外部套件内部伸出；以此将两架飞行器推离；伸缩轴伸出后，第二舵机启动，通过连杆组件驱动上转动轴旋转，驱动可动抓手打开释放飞行器；两架飞行器飞离，第二舵机启动，通过连杆组件驱动上转动轴旋转，驱动可动抓手闭合；然后第三舵机启动，绕线轮盘转动通过绳索驱动伸缩轴收回从机的套筒内部；同时第一舵机启动，齿轮转动，驱动齿条和内部伸缩件收回主机的外部套件内部，待内部伸缩件和伸缩轴均回到最初位置完成分离。
23.有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明该发明在飞行器聚
合/分离可实现性的情况下，降低了飞行过程中的碰撞概率；本发明仅安装于机翼翼尖处，对飞行器现有结构的破坏小，具有良好的通用性和适应性；且本发明通过多个驱动机构和导轨和导向块的配合保证了主从机机翼翼尖机构的运动，可完全埋入机体内部，在飞行过程中不会对单独机体有额外的不利影响，在完成飞行器连接后机构仍然完全置于机体内部，使整体机构在飞行器编队飞行和单体飞行时都不附加额外的气动阻力，并可进行有效的限位对接。
附图说明
24.图1为本发明提供的飞行器对接前机构示意图；
25.图2为本发明提供的飞行器对接后机构示意图；
26.图3为本发明的结构示意图；
27.图4为本发明中可动抓手装置的结构示意图一；
28.图5为本发明中可动抓手装置的结构示意图二；
29.图6为本发明中可动抓手装置的剖视图；
30.图7为本发明中伸缩轴套装置的结构示意图一；
31.图8为本发明中伸缩轴套装置的结构示意图二；
32.图9为为本发明中伸缩轴套装置的剖视图；
33.图10为本发明中绕线轮盘的结构示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
35.如图1、图2和图3所示，本发明一种可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构包括可动抓手装置1和伸缩轴套装置2，可动抓手装置1设置在飞行器主机机翼3翼尖的中部位置，伸缩轴套装置2设置在飞行器从机机翼4翼尖的中部位置。编队中的两架飞行器通过可动抓手与伸缩轴的链接完成锁定，利用伸缩轴拉近或推离飞行器完成聚合或分离。
36.如图4和图5所示，可动抓手装置1包括外部套件101、内部伸缩件102、可动抓手103、第一驱动机构和第二驱动机构，外部套件101与飞行器主机机翼相固连，内部伸缩件102穿设在外部套件101内，内部伸缩件102可沿着外部套件101前后伸缩，外部套件101的内底板上设有纵向延伸的第一导轨116，内部伸缩件102的底部设置第一导向块117，第一导向块117与第一导轨116相适配，导向内部伸缩件102沿着外部套件101前后伸缩。第一驱动机构用于驱动内部伸缩件前后运动，第一驱动机构包括第一舵机104、齿轮105和齿条106，第一舵机104固定于外部套件两侧，齿轮105与第一舵机输出轴相连，齿条106位于内部伸缩件两外侧，齿条106与齿轮105相啮合，第一舵机104启动，齿轮105驱动齿条106带着内部伸缩件102前后运动，如图6所示。
37.如图5所示，可动抓手103位于内部伸缩件102前端，可动抓手103包括上抓片和下抓片，上抓片可设置2个，下抓片可设置1个，内部伸缩件102的前端设置有一对相对设置的侧板107，两侧板107之间设置有上转动轴108和下转动轴109，上转动轴108和下转动轴109的两端分别通过轴承与侧板可转动的连接。上转动轴108上穿设上抓片和上转动齿轮110，下转动轴109上穿设有下抓片和下转动齿轮111，上转动齿轮110与下转动齿轮111相啮合，
实现上转动轴108和下转动轴109的同步转动。
38.第二驱动机构用于驱动可动抓手开合，第二驱动机构包括第二舵机112和连杆组件，连杆组件包括第一摇臂113、连杆114和第二摇臂115，第二舵机112位于侧板107上，第一摇臂113与第二舵机112输出轴相连，连杆114的一端与第一摇臂113相连，连杆114的另一端与第二摇臂115的一端相连，第二摇臂115的另一端与上转动轴相连。第二舵机112启动，通过第一摇臂、连杆和第二摇臂带动上转动轴转动，下转动轴与上转动轴通过上转动齿轮110与下转动齿轮111相啮合实现同步转动，从而驱动可动抓手的上抓片和下抓片的打开或闭合。
39.如图7和图8所示，伸缩轴套装置2包括套筒201、伸缩轴202和第三驱动机构，套筒201与飞行器从机机翼相固连，伸缩轴202穿设在套筒201内，伸缩轴202可沿着套筒201前后伸缩，套筒201的内底板上设有纵向延伸的第二导轨207，伸缩轴202的底部设置有第二导向块208，第二导向块208与第二导轨207相适配，导向伸缩轴202沿着套筒201前后伸缩；第三驱动机构用于驱动伸缩轴前后运动。伸缩轴202的内腔前端竖直设置有前竖板211和后竖板212，该后竖板212上穿设有u形挡片209，u形挡片209穿过前竖板211，该u形挡片209上开设有抓手卡槽210，抓手卡槽210与可动抓手相适配，抓手卡槽210的数量与可动抓手的抓片数量相一致；本发明的u形挡片可将可动抓手中的上下抓片引导至正确位置，方便在抓取过程中有效解决由于微小误差导致的抓手与挡片不配合的问题。
40.如图9和图10所示，第三驱动机构包括第三舵机203、绕线轮盘204和绳索205，第三舵机205固定于套筒201两内侧壁上，绕线轮盘204与第三舵机203输出轴相连，绕线轮盘204采用双层全金属绞索轮盘，绳索205的两端分别反向固定于绕线轮盘的前后两层上，以此提供伸缩轴202伸出或收回所需要的拉力。伸缩轴202的上方设置有用于穿过绳索的一对耳片206，套筒201的内顶壁上前后分别设置有用于绕设绳索205的前定杆213和后定杆214，绳索205依次饶过前定杆213和后定杆214后穿过耳片206。第三舵机启动，绕线轮盘转动，通过绳索拉动伸缩轴伸出或缩回。本发明绕线轮盘204顺时针旋转时绳索上层跟随绕线轮盘204旋转收缩，绳索下层则旋转释放，以此拉动伸缩轴202伸出；绕线轮盘204逆时针旋转时绳索上层跟随绕线轮盘204旋转释放，绳索下层则旋转收缩，以此拉动伸缩轴202收回。
41.本发明一种可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构的控制方法，包括如下步骤：
42.翼尖对接过程中，两架飞行器保持并排飞行，高度、速度以及前后位置需要维持在一定范围内，保持一定距离平飞；
43.发出对接准备指令后，第三舵机启动，通过转动绕线轮盘收缩绳索驱动伸缩轴从从机内部伸出，同时第一舵机启动，齿轮转动，驱动齿条和内部伸缩件从主机的外部套件内部伸出；待准备完成后，对接指令发出，第二舵机启动，通过连杆组件驱动上转动轴旋转，驱动可动抓手打开；在编队中的两架飞机接近到一定距离后，进行对接判定，若伸缩轴在可动抓手对接范围内，则进行对接；两飞行器靠近飞行，第二舵机启动，通过连杆组件驱动上转动轴旋转，驱动可动抓手闭合；然后第三舵机启动，绕线轮盘转动通过绳索驱动伸缩轴收回从机的套筒内部；同时第一舵机启动，齿轮转动，驱动齿条和内部伸缩件收回主机的外部套件内部，待内部伸缩件和伸缩轴均回到最初位置完成对接；
44.翼尖分离过程中，两架飞行器保持并排飞行；发出分离指令后，第三舵机启动，通
过转动绕线轮盘收缩绳索驱动伸缩轴伸出，同时第一舵机启动，齿轮转动，驱动齿条和内部伸缩件从主机的外部套件内部伸出；以此将两架飞行器推离；伸缩轴伸出后，第二舵机启动，通过连杆组件驱动上转动轴旋转，驱动可动抓手打开释放飞行器；两架飞行器飞离，第二舵机启动，通过连杆组件驱动上转动轴旋转，驱动可动抓手闭合；然后第三舵机启动，绕线轮盘转动通过绳索驱动伸缩轴收回从机的套筒内部；同时第一舵机启动，齿轮转动，驱动齿条和内部伸缩件收回主机的外部套件内部，待内部伸缩件和伸缩轴均回到最初位置完成分离。
45.本发明用于解决编队中多架飞行器对接聚合/分离以完成飞行任务的问题，实现方式为将可动抓手件与伸缩轴套件分别安装于主机与从机的机翼翼尖处，聚合过程中，伸缩轴套件依靠动力机构将内部的伸缩轴伸出翼尖外侧；可动抓手件同样通过动力机构将所携带的可动抓手伸出机翼翼尖外侧，并驱动可动抓手打开，待两架飞行器靠近后，利用抓手闭合完成聚合锁定，再驱动可动抓手件和伸缩轴套件回到原有位置即可将两架飞行器拉近，完成对接。分离方式为聚合方式的逆过程。本发明装载于机翼翼尖处，具有良好的适应性，可装配多种机型，能够较为简单的实现飞行器空中对接；且机构可完全回收进飞行器机翼内部，在飞行过程中不会对飞行器造成额外的气动阻力，在飞行器完成聚合后可以紧密的连接机翼。

技术特征：
1.一种可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构，其特征在于：包括与飞行器主机机翼(3)相固连的可动抓手装置(1)以及与飞行器从机机翼(4)相固连的伸缩轴套装置(2)，所述可动抓手装置(1)包括与飞行器主机机翼相固连的外部套件(101)、穿设在外部套件内且可沿着外部套件前后伸缩的内部伸缩件(102)、用于驱动内部伸缩件前后运动的第一驱动机构、位于内部伸缩件前端的可动抓手(103)以及用于驱动可动抓手开合的第二驱动机构；所述伸缩轴套装置(2)包括与飞行器从机机翼相固连的套筒(201)、穿设在套筒内且可沿着套筒前后伸缩的伸缩轴(202)以及用于驱动伸缩轴前后运动的第三驱动机构；编队中的两架飞行器通过可动抓手与伸缩轴的链接完成锁定，利用伸缩轴拉近或推离飞行器完成聚合或分离。2.根据权利要求1所述的可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构，其特征在于：所述第一驱动机构包括固定于外部套件两侧的第一舵机(104)、与第一舵机输出轴相连的齿轮(105)以及位于内部伸缩件两外侧且与齿轮相啮合的齿条(106)，第一舵机启动，齿轮驱动齿条带着内部伸缩件前后运动。3.根据权利要求1所述的可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构，其特征在于：所述可动抓手(103)包括上抓片和下抓片，所述内部伸缩件(102)的前端设置有一对相对设置的侧板(107)，两侧板(107)之间设置有用于穿设上抓片的上转动轴(108)、用于穿设下抓片的下转动轴(109)、穿设固定在上转动轴上的上转动齿轮(110)以及穿设固定在下转动轴上且与上转动齿轮相啮合的下转动齿轮(111)。4.根据权利要求3所述的可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构，其特征在于：所述第二驱动机构包括位于侧板上的第二舵机(112)、用于传递第二舵机输出轴扭矩至上转动轴(108)的连杆组件，第二舵机(112)启动，通过连杆组件带动上转动轴转动，从而驱动可动抓手的上抓片和下抓片的打开或闭合。5.根据权利要求4所述的可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构，其特征在于：所述连杆组件包括与第二舵机输出轴相连的第一摇臂(113)、与第一摇臂相连的连杆(114)以及一端与连杆相连另一端与上转动轴相连的第二摇臂(115)。6.根据权利要求1所述的可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构，其特征在于：所述第三驱动机构包括固定于套筒两内侧壁上的第三舵机(203)、与第三舵机输出轴相连的绕线轮盘(204)以及两端分别反向固定于绕线轮盘的前后两层上的绳索(205)，所述伸缩轴(202)的上方设置有用于穿过绳索的耳片(206)，第三舵机启动，绕线轮盘转动，通过绳索拉动伸缩轴伸出或缩回。7.根据权利要求1所述的可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构，其特征在于：所述外部套件(101)的内底板上设有纵向延伸的第一导轨(116)，所述内部伸缩件(102)的底部设置有与第一导轨相适配的第一导向块(117)。8.根据权利要求1所述的可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构，其特征在于：所述套筒(201)的内底板上设有纵向延伸的第二导轨(207)，所述伸缩轴(202)的底部设置有与第二导轨相适配的第二导向块(208)。9.根据权利要求1所述的可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构，其特征在于：所述伸缩轴(202)的前端设有u形挡片(209)，该u形挡片(209)上开设有与可动抓手相适配的抓
手卡槽(210)。10.一种基于权利要求1至9任一所述的可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构的控制方法，包括如下步骤：翼尖对接过程中，两架飞行器保持并排飞行，高度、速度以及前后位置需要维持在一定范围内，保持一定距离平飞；发出对接准备指令后，第三舵机启动，通过转动绕线轮盘收缩绳索驱动伸缩轴从从机内部伸出，同时第一舵机启动，齿轮转动，驱动齿条和内部伸缩件从主机的外部套件内部伸出；待准备完成后，对接指令发出，第二舵机启动，通过连杆组件驱动上转动轴旋转，驱动可动抓手打开；在编队中的两架飞机接近到一定距离后，进行对接判定，若伸缩轴在可动抓手对接范围内，则进行对接；两飞行器靠近飞行，第二舵机启动，通过连杆组件驱动上转动轴旋转，驱动可动抓手闭合；然后第三舵机启动，绕线轮盘转动通过绳索驱动伸缩轴收回从机的套筒内部；同时第一舵机启动，齿轮转动，驱动齿条和内部伸缩件收回主机的外部套件内部，待内部伸缩件和伸缩轴均回到最初位置完成对接；翼尖分离过程中，两架飞行器保持并排飞行；发出分离指令后，第三舵机启动，通过转动绕线轮盘收缩绳索驱动伸缩轴伸出，同时第一舵机启动，齿轮转动，驱动齿条和内部伸缩件从主机的外部套件内部伸出；以此将两架飞行器推离；伸缩轴伸出后，第二舵机启动，通过连杆组件驱动上转动轴旋转，驱动可动抓手打开释放飞行器；两架飞行器飞离，第二舵机启动，通过连杆组件驱动上转动轴旋转，驱动可动抓手闭合；然后第三舵机启动，绕线轮盘转动通过绳索驱动伸缩轴收回从机的套筒内部；同时第一舵机启动，齿轮转动，驱动齿条和内部伸缩件收回主机的外部套件内部，待内部伸缩件和伸缩轴均回到最初位置完成分离。

技术总结
本发明公开了一种可实现编队聚合和分离的飞行器连接机构及其控制方法包括可动抓手装置和伸缩轴套装置，可动抓手装置包括与飞行器主机机翼相固连的外部套件、穿设在外部套件内且可沿着外部套件前后伸缩的内部伸缩件、用于驱动内部伸缩件前后运动的第一驱动机构、位于内部伸缩件前端的可动抓手以及用于驱动可动抓手开合的第二驱动机构；伸缩轴套装置包括与飞行器从机机翼相固连的套筒、穿设在套筒内且可沿着套筒前后伸缩的伸缩轴以及用于驱动伸缩轴前后运动的第三驱动机构；编队中的两架飞行器通过可动抓手与伸缩轴的链接完成锁定，利用伸缩轴拉近或推离飞行器完成聚合或分离。本发明可提高编队整体任务灵活性和气动效率，不影响飞行器飞行品质。不影响飞行器飞行品质。不影响飞行器飞行品质。


技术研发人员：姚灵珑 张伟麟 史志伟 陈逸菲 张维源
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.02.17
技术公布日：2023/5/26