阅读说明：本技术 一种机载筒装无人机布撒器的抛射方法及装置 (Method and device for casting airborne cartridge-mounted unmanned aerial vehicle spreader ) 是由 马保吉 祁立军 边建潇 王宇东 王丽君 韩兴本 于 2020-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种机载筒装无人机布撒器的抛射方法及装置。为解决现有技术对火药储存环境要求高、液压系统复杂,能耗大和抛射方法对环境温度要求高的问题。本发明机载筒装无人机布撒筒抛射系统原理是使用扭力弹簧作为储能器,通过收紧装置使扭力弹簧变形,并将扭力弹簧固定于储能机构上,存储弹性势能。在抛射时,通过释放机构,解除扭力弹簧约束,在扭力弹簧复位过程中,扭力弹簧推动筒装无人机,由于力的作用,筒装无人机获得加速度,进而产生速度,扭力弹簧的弹性势能转换为筒装无人机的动能,使筒装无人机以一定的速度抛射出去。(The invention relates to a method and a device for casting a distributing and scattering device of an airborne barrel-mounted unmanned aerial vehicle. The problems that in the prior art, the requirement on gunpowder storage environment is high, a hydraulic system is complex, energy consumption is high, and the requirement on environment temperature of a projecting method is high are solved. The principle of the unmanned aerial vehicle distribution and scattering barrel projection system based on the airborne barrel loading is that a torsion spring is used as an energy accumulator, the torsion spring is deformed through a tightening device, and the torsion spring is fixed on an energy storage mechanism to store elastic potential energy. When throwing, through release mechanism, remove the torsion spring restraint, at the torsion spring in-process that resets, torsion spring promotes cartridge unmanned aerial vehicle, and cartridge unmanned aerial vehicle obtains the acceleration owing to the effect of power, and then produces speed, and torsion spring's elastic potential energy converts cartridge unmanned aerial vehicle's kinetic energy into, makes cartridge unmanned aerial vehicle throw away with certain speed.)

一种机载筒装无人机布撒器的抛射方法及装置

技术领域

本发明涉及一种机载筒装无人机布撒器的抛射方法及装置。

背景技术

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵或者由车载计算机完全或间歇、自主操作的不载人飞机。机载筒装无人机是一种安装于飞行器的布撒器上，在空中发射的无人机。

目前机载筒装无人机的抛射方法主要有两种：

1、通过液压方式使固定筒装无人机的应力索断裂，并将筒装无人机抛射出去。

2、利用火药爆炸产生的高压气体，将化学能转化为机械能，使固定筒装无人机的应力索断裂，将筒装无人机抛射出去。

这两种抛射方法存在的缺点如下：

1、火药对存储环境要求高，存储时间过长容易失效或性能衰退而导致抛射性能不稳定。

2、液压系统复杂，能耗大。

3、抛射方法对环境温度的适应性不好，在高低温环境中其性能不稳定，会导致筒装无人机抛射初速度不稳定，若初速度小于给定值，筒装无人机可能会与飞行器上的其他零部件发生碰撞，使飞行器或筒装无人机飞行姿态失控。

发明内容

有鉴于此，本发明为解决现有技术对火药储存环境要求高、液压系统复杂，能耗大和抛射方法对环境温度要求高的问题，提供一种机载筒装无人机布撒器的抛射方法及装置，其可靠性高。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种机载筒装无人机布撒器，其特征在于：包括左右设置相对称的机架侧板，两个侧板之间通过横板连接，两个侧板的两侧边分别对称设置有用于放置筒装无人机的半圆形槽，所述的两个侧板之间从上到下依次设置有上齿轮轴、凸轮轴和下齿轮轴，紧挨侧板内侧面的凸轮轴两端分别设置有凸轮；

左右两侧的凸轮上下方分别水平设置有上跷板和下跷板，上跷板和下跷板靠近凸轮设有一个小的拉伸弹簧，弹簧拉力使跷板与凸轮始终接触，上跷板和下跷板保持在水平位置，上跷板的上端面一侧和下跷板的下端面一侧分别设置有凸台，两个凸台上下相对设置，上跷板的凸台处设置有锁钩一和锁钩二，锁钩一和锁钩二分别左右设置，分别与上跷板的凸台接触锁住，下跷板的凸台处设置有锁钩三和锁钩四，锁钩三和锁钩四分别左右设置，分别与下跷板的凸台锁住；

两个侧板的内侧面上对称设置有2组“U型”的扭簧架，2组扭簧架分别设置于上下跷板的上下方，每个扭簧架内平行设置有2个扭簧轴，每个扭簧轴上设置扭簧，每个扭簧的固定端紧靠扭簧架内板，另一端为自由端，两个自由端固定于锁钩的上；

所述外侧侧板上下边中部活动对称设置有弧形的刚性挡板一和刚性挡板二，刚性挡板一和刚性挡板二的弧度与筒装无人机的圆柱面相对应。

进一步，刚性挡板一和刚性挡板二的外侧壁上设置有扇形齿，上下齿轮轴的两端分别设置有齿轮，齿轮分别与刚性挡板一的扇形齿和过轮相啮合，过轮与刚性挡板二的扇形齿啮合。

进一步，过轮设置于侧板外侧的过轮轴上。

进一步，上齿轮轴、凸轮轴和下齿轮轴上分别通过上齿轮轴电机、凸轮轴电机和下齿轮轴电机控制旋转。

进一步，横板包括上横板、中横板和下横板，上齿轮轴电机、凸轮轴电机和下齿轮轴电机分别固设于上横板、中横板和下横板上。

进一步，上跷板和下跷板通过上跷板轴和下跷板轴设置于机架中横板的轴套。

一种机载筒装无人机布撒器的收紧装置，其特征在于：包括“L”型的扣板，扣板的上端穿设有轴，轴的一端固设有摇把，另一端穿设有软体的收紧锁，收紧锁的两端为钩状；扣板的下端一侧设置有凹槽，凹槽的大小与扭簧架的大小相配合，扭簧架套设于凹槽内。

一种机载筒装无人机布撒器的抛射方法，其特征在于：所述的方法步骤为：

1)收紧扭簧储能

将收紧装置的扣板扣在储能机构的扭簧架上，将收紧索的两端钩状钩在两个扭簧自由端，将摇把套在收紧轴的轴端方头，旋转摇把，收紧索缠绕于轴上时将扭簧收紧，扭簧自由端的锁钩一、锁钩二的斜面推动处于水平的上跷板绕上跷板轴转动，当上跷板凸台位于锁钩一、锁钩二中间，上跷板由于拉伸弹簧的拉力作用使其恢复到水平位置，此时反向转动摇把，锁钩一、锁钩二锁死于上跷板的凸台部位，扭簧处于储能状态；

2)固定筒装无人机

机载筒装无人机布撒器上的筒装无人机上层有2个，下层有2个，同层的两个筒装无人机需要同时固定，控制齿轮轴电机，使上齿轮轴的角度转过7.5度，通过齿轮传动，刚性挡板一与刚性挡板二同步转动7.5度，使弧度部分抬高，然后将水平相对的2个筒装无人机放到半圆槽内，控制齿轮轴电机反向转过7.5度，此时刚性挡板一与刚性挡板二的弧面与筒装无人机1圆柱面完全接触，使筒装无人机1可靠固定；

同理，固定下层2个筒装无人机；

3)抛射

当抛射筒装无人机时，控制系统发出开关信号，齿轮轴电机通电，齿轮轴电机带动齿轮轴旋转角度7.5度，齿轮带动刚性挡板一转动，通过过轮带动刚性挡板二与刚性挡板一同步向上抬起，

控制系统同时发出开关信号给凸轮轴电机，凸轮轴电机带动凸轮轴上的凸轮转动，当逆时针旋转0°-90°时，凸轮使得上跷板的平端向上运动，凸台端向下运动，使得2个筒装无人机所对应的锁钩一、锁钩二脱钩，此时固定机构解锁，扭簧释放，自由端推动筒装无人机运动，使其获得速度，其弹性势能转化为筒装无人机的动能，实现同层两个筒装无人机同步抛射。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1.可靠性高：

本发明采用机械结构，进行扭簧的储能及释放，将弹性势能转换为筒装无人机的动能，其原理明确，抛射可靠。

2.环境适应性强：

本发明采用的机载筒装无人机布撒器为机械结构，采用扭簧储能，纽簧释放，弹性势能转化为筒装无人机的动能。机载筒装无人机布撒器机械结构和作为储能器件的扭簧性能受温差影响小，可以在恶劣的高低温环境下保持其原有性能；从而保证筒装无人机的抛射速度一致性。

3.柔性好：

在原理不变的情况下，本发明的机载筒装无人机布撒器装置根据筒装无人机的尺寸、质量以及初速要求，只需对应进行尺寸的改动和弹簧的设计即可实现符合要求的抛射动作。

附图说明：

图1为本发明机载筒装无人机布撒器轴侧图；

图2为本发明图1中虚线处放大图；

图3为本发明机载筒装无人机布撒器主视图；

图4为本发明机载筒装无人机布撒器储能机构示意图；

图5为本发明收紧装置结构示意图；

图6为本发明扣板的结构示意图；

图7为本发明收紧轴的结构示意图；

图8为图7的左视图；

标记说明：1筒装无人机、2机架侧板、3机架上横板、4轴套、5机架中横板、6机架下横板、7上齿轮轴电机、8凸轮轴电机、9凸轮轴、10下齿轮轴电机、11下齿轮轴、12上齿轮轴、13扭簧架、14扭簧轴、15扭簧、16锁钩一、17锁钩二、18上跷板、19下跷板、20锁钩三、21锁钩四、22凸轮、23刚性挡板一、24齿轮、25过轮、26刚性挡板二、27挡板轴二、28过轮轴、29挡板轴一、30上跷板轴、31下跷板轴、32收紧索、33收紧轴、34摇把、35扣板、36拉伸弹簧。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一种机载筒装无人机布撒筒抛射系统原理为：使用扭力弹簧作为储能器，通过收紧装置使扭力弹簧变形，并将扭力弹簧固定于储能机构上，存储弹性势能；在抛射时，通过释放机构，解除扭力弹簧约束，在扭力弹簧复位过程中，扭力弹簧推动筒装无人机，由于力的作用，筒装无人机获得加速度，进而产生速度，扭力弹簧的弹性势能转换为筒装无人机的动能，使筒装无人机以一定的速度抛射出去。

实施例：

本实施例提供一种机载筒装无人机布撒器，包括固定机构、储能机构、收紧机构和释放机构四大部分组成；

上述固定机构是用来固定筒装无人机1，确保在非抛射状态筒装无人机装夹1可靠不脱落。

上述储能机构是用来储存能量，以便使筒装无人机以一定速度抛射出去。

上述收紧机构将扭簧15收紧，并使其固定在储能机构，以保持能量存储状态。

上述释放机构是用来释放储能状态的扭簧15，将弹性势能转变为筒装无人机1的动能。

本发明具体结构如图1-4所示，包括左右设置相对称的机架侧板2，两个侧板2之间通过机架上横板2、机架中横板5和机架下横板6连接，两个侧板2的两侧边分别对称设置有用于放置筒装无人机1的半圆形槽，所述的两个侧板2之间从上到下依次设置有上齿轮轴12、凸轮轴9和下齿轮轴11，上齿轮轴12、凸轮轴9和下齿轮轴11上分别通过上齿轮轴电机7、凸轮轴电机8和下齿轮轴电机10控制旋转，紧挨侧板内侧面的凸轮轴9两端分别设置有凸轮22，凸轮轴9设置于机架中横板5上。

左右两侧的凸轮22上下方水平设置有上跷板18和下跷板19，上跷板18和下跷板19靠近凸轮22设有一个小的拉伸弹簧36，弹簧拉力使跷板与凸轮22始终接触，上跷板18和下跷板19保持在水平位置，上跷板18和下跷板19通过上跷板轴30和下跷板轴31设置于机架中横板5的轴套4，上跷板18的上端面一侧和下跷板19的下端面一侧分别设置有凸台，两个凸台上下相对设置，上跷板18的凸台处设置有锁钩一16和锁钩二17，锁钩一16和锁钩二17分别左右设置，锁钩一16和锁钩二17的锁钩处分别与上跷板18的凸台锁住，下跷板19的凸台处设置有锁钩三20和锁钩四21，锁钩一16和锁钩二17分别左右设置，锁钩三20和锁钩四21的锁钩处分别与下跷板19的凸台锁住；

两个侧板2的内侧面上分别对称设置有2组扭簧架13，2组扭簧架13分别设置于上下跷板的上下方，每个扭簧架13内通过扭簧轴14固定有两个扭簧15，每个扭簧15的固定端紧靠扭簧架13内板，另一端为自由端，自由端固定于锁钩的上。

上述上齿轮轴12和下齿轮轴11的两端分别设置有齿轮24，齿轮24与过轮25相啮合，过轮25设置于侧板2外侧的过轮轴28上，过轮25与齿轮24同尺寸，与固定在机架侧板2的过轮轴28相配合。所述外侧侧板2上通过挡板轴一29和挡板轴二27活动设置有弧形的刚性挡板一23和刚性挡板二26，刚性挡板一23和刚性挡板二26的弧度与筒装无人机1的圆柱面相对应，刚性挡板一23和刚性挡板二26的外侧壁上设置有扇形齿，两个齿轮24分别与刚性挡板一23和刚性挡板二26的扇形齿相啮合。

凸轮轴电机8安装在机架中横板5的正中位置，凸轮轴9一端与凸轮轴电机8轴相连接，另一端穿过轴套4，在其端部安装凸轮22。

一种机载筒装无人机布撒器的收紧装置，如图5-8所示，包括“L”型的扣板35，扣板35的上端穿设有轴33，轴33的一端设有摇把34，摇把34为单独零件，与收紧轴33的四方端配合，另一端周上设置有小孔，软体的收紧锁32穿设于收紧轴33的小孔内，收紧锁32的两端为钩状；扣板35的下端一侧设置有凹槽，凹槽的大小与扭簧架13的大小相配合，扭簧架13套设于凹槽内。

一种机载筒装无人机布撒器的抛射方法为：

1)收紧扭簧储能

将收紧装置的扣板35扣在储能机构的扭簧架13上，将收紧索32的两端钩状钩在两个扭簧15自由端，将摇把34套在收紧轴33的轴端方头，旋转摇把34，收紧索32缠绕于轴33上时将扭簧15收紧，扭簧15自由端的锁钩一16、锁钩二17的斜面推动处于水平的上跷板18绕上跷板轴30转动，当上跷板18凸台位于锁钩一16、锁钩二17中间，上跷板18由于弹簧的拉力作用使其恢复到水平位置，此时反向转动摇把34，锁钩一16、锁钩二17锁死于上跷板18的凸台部位，扭簧15处于储能状态；

2)固定筒装无人机

机载筒装无人机布撒器上的筒装无人机上层有2个，下层有2个，同层的两个筒装无人机需要同时固定，控制齿轮轴电机，使上齿轮轴12的角度转过7.5度，通过齿轮传动，刚性挡板一23与刚性挡板二26同步转动7.5度，使弧度部分抬高，然后将水平相对的2个筒装无人机1放到半圆槽内，控制齿轮轴电机7反向转过7.5度，此时刚性挡板一23与刚性挡板二26的弧面与筒装无人机1圆柱面完全接触，使筒装无人机1可靠固定；

同理，固定下层2个筒装无人机；

3)抛射

当抛射筒装无人机1时，控制系统发出开关信号，齿轮轴电机7通电，齿轮轴电机7带动齿轮轴旋转角度7.5度，齿轮24带动刚性挡板一23转动，通过过轮25带动刚性挡板二26与刚性挡板一23同步向上抬起，

控制系统同时发出开关信号给凸轮轴电机8，凸轮轴电机8带动凸轮轴9上的凸轮22转动，当逆时针旋转0°-90°时，凸轮22使得上跷板18的平端向上运动，凸台端向下运动，使得2个筒装无人机1所对应的锁钩一16、锁钩二17脱钩，此时固定机构解锁，扭簧15释放，自由端推动筒装无人机1运动，使其获得速度，其弹性势能转化为筒装无人机的动能，实现同层两个筒装无人机同步抛射。

本发明的各参数的要求：

抛射条件：

桶装无人机约束尺寸：1110mmx￠160mm(长X直径)，桶装无人机质量：M≤17kg。牵引速度即抛射时布撒器的航向速度为170-200m/s，抛射速度即桶装无人机离开布撒器的速度≥2m/s。

1.扭簧性能设计

根据能量守恒定律：E_P＝E_K，得：

一个筒采用2只扭簧进行推射，所以扭簧的弹性势能应满足条件：

α为扭簧扭臂的变形角；K为扭簧扭转刚度。

根据设计要求为III载荷，选用油淬火回火弹簧钢丝65Mn。

钢丝直径：初步选定钢丝直径为d＝5mm

许用弯曲应力：查表得：[σ_b]＝1500Mpa则，[σ_Bp]＝0.8[σ_b]＝1200Mpa

旋绕比：为使结构紧凑，暂定C＝4

曲度系数：

扭簧中径：D₂＝C×d＝20mm

扭簧外径：D＝D₂+d＝20+5＝25mm

扭簧圈数：取n＝4

弹性模量：根据油淬火回火钢丝65Mn材料，取E＝206000Mpa

扭转刚度：

变形角：取变形角α＝40°

弹性势能：

扭臂与筒间初始接触点：距离扭簧轴心10mm。

作用点处的力：

当扭臂释放后，变形角α从0变化为40°的过程中

筒的水平分力：

筒的加速度为

完成抛射所用时间为：

弹簧参数如下表：

2.扭簧自锁验证

自锁验证：设θ为发生自锁的临界角度，F为扭臂施加给筒的指向筒心的力。

则摩擦力f＝μN＝μF sinθ。

摩擦力需满足条件：f＝μN＝μF sinθ＞F cosθ

根据常用材料摩擦系数范围，取μ＝0.2则：

0.2sinθ＞cosθ

解得：θ约为79°。而扭簧的变形角α为40°。因此不会发生自锁。

扭臂与筒间初始接触点：距离扭簧轴心10mm。

3.电机选择

电机选用57HS11230B4D8步进双轴电机(无锡三拓电气设备有限公司)，额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、额定转矩分别为120(W)、24(V)、4.2(A)、0-800(rpm)、3(NM)，轴径为8mm。

电机选取验证计算

在跷板位置处：扭臂施加给锁钩的力

右侧解锁所需摩擦力为f＝4μN＝140.512N，取μ＝0.2

左侧电机额定转矩所施加给跷板的力为：轴径R为8mm。

跷板按对称结构，则电机可以满足要求。

4.抛射间隔

方案中上下两层筒抛射有一定时间要求，根据系统设计，上下两层抛射时间差为凸轮(即电机轴)转动90°所用时间，可根据电机轴的转速(降低时间)及凸轮轮廓(减小角度)对其进行调节控制。

5.抛射过程时间控制

当抛射时，需先对下层连接刚性挡板的电机发出信号，电机逆时针转动30°后刚性挡板向上运动使筒处于活动状态。后对连接凸轮的电机发出信号进行扭簧解锁并抛射。前者当电机额定转速为800RPM时，所用时间t₁＝0.00625s。后者当电机逆时针旋转90°时，下层两个筒完成抛射，所用时间t₂＝0.01875s。上层筒的抛射同理。

机载无人机是一种安装于飞行器的布撒器上，在空中发射的无人机。由于是在空中抛射，无人机的实际速度与飞行器的速度关联。抛射时，在牵引速度即抛射时布撒器的航向速度为170-200m/s，抛射速度即桶装无人机离开布撒器的速度≥2m/s的前提下，将筒装无人机在布撒筒上抛射出去，以保证无人机与布撒器分离后不与布撒器、飞行器以及其他无人机发射碰撞，在工程实际中，飞行器满载无人机4个，上下两层各2个。在抛射时要求布撒器上同一层的2个无人机同步抛射出去。

以上所述仅是本发明的优选实施例，并非用于限定本发明的保护范围，应当指出，对本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对其进行若干改进与润饰，均应视为本发明的保护范围。