智能翼型服的設(shè)計(jì)研究

雷安旭 倪芳原 尹航 何華玲

摘 要：翼型服多用于高空極限運(yùn)動，是一種特殊的跳傘服?，F(xiàn)有的翼型服僅適用于經(jīng)過長時(shí)間正規(guī)訓(xùn)練的專業(yè)跳傘運(yùn)動員，危險(xiǎn)系數(shù)高，適用性范圍窄。本設(shè)計(jì)以現(xiàn)有翼型服為基礎(chǔ)，增加了智能化設(shè)計(jì)部件，降低了用戶的使用難度，提高了使用安全性，為高空跳傘運(yùn)動裝備的發(fā)展提供了一個(gè)新的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：高空跳傘;智能化翼型服;自動控制

中圖分類號：V224 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）17-0044-03

Research on Design of Intelligent Airfoil Suit

LEI Anxu1 NI Fangyuan2 YIN Hang1 HE Hualing1

（1. School of Physics and Information Engineering， Jianghan University，Wuhan Hubei 430056;2. Hubei Center for Patent Examination Cooperation of the Patent Office of the State Intellectual Property Office，Wuhan Hubei 430070）

Abstract： The wing suit is mostly used for high-altitude extreme sports， and it is a special skydiving suit. The existing wing suits are only suitable for professional skydivers after a long period of regular training， with a high risk factor and a narrow range of applicability. This design is based on the existing airfoil suit， adding intelligent design components， reducing the user's difficulty of use， improving the safety of use， and providing a new design idea for the development of high-altitude skydiving sports equipment.

Keywords： skydiving;intelligent airfoil suit;automatic control

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，追求個(gè)性體驗(yàn)、挑戰(zhàn)極限運(yùn)動的人群越來越龐大。在各類極限運(yùn)動中，高空跳傘（特別是高空翼裝跳傘）成為吸引廣大極限愛好者的一項(xiàng)運(yùn)動。然而，高空跳傘專業(yè)性高，入門難度大，并不適合初學(xué)者。美國跳傘聯(lián)合會要求，想要進(jìn)行翼型服飛行的人必須擁有專業(yè)的訓(xùn)練，并在18個(gè)月內(nèi)有過超過200次的高空跳傘經(jīng)歷[1]。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的翼型跳傘服僅僅融合了翼裝和降落傘包[2]，高空跳傘全過程都需要使用者自行操作，難度大、危險(xiǎn)系數(shù)高。因此，本文設(shè)計(jì)了一種智能翼型服，能夠有效幫助初學(xué)者進(jìn)行高空翼裝飛行，并為使用者提供開傘保險(xiǎn)，大大提高跳傘安全性。

1 智能翼型服的結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計(jì)

1.1 翼型服基本結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的翼型服與現(xiàn)有翼裝在氣動外形上類似，與現(xiàn)有翼裝的主要區(qū)別在于增加了左右兩個(gè)輔助小翼，集成了傘包、耳機(jī)，并增加了左右兩個(gè)操縱桿。各個(gè)部件由控制芯片控制，其控制電路利用液態(tài)金屬的特性設(shè)計(jì)成柔性電路板，方便集成在翼裝內(nèi)。智能翼型服的整體示意圖如圖1所示。

為了使初學(xué)者可以在無法準(zhǔn)確調(diào)整身體姿態(tài)的情況下改變飛行軌跡，本文設(shè)計(jì)的智能翼型服在翼裝主體上增加了左右兩個(gè)輔助小翼，輔助小翼可以為使用者提供氣動力，為改變飛行姿態(tài)提供直接的轉(zhuǎn)向力。手腕處增加了兩個(gè)操縱桿，左手的操縱桿控制左邊輔助小翼的開合，右手的操縱桿控制右邊輔助小翼的開合，輔助小翼的開合動作由電機(jī)控制，操縱桿與電機(jī)通過柔性電路板連接，柔性電路板具有較好的形變特性，可以在使用者改變身體姿態(tài)時(shí)確保電路運(yùn)行正常。

本文設(shè)計(jì)的智能翼型服還配備了各類傳感器，如高度傳感器、空速傳感器，其安裝在安裝盒中，并且可以將測出的相關(guān)數(shù)據(jù)通過耳機(jī)反饋給使用者，使用者可以清楚地掌握自己所處環(huán)境的數(shù)據(jù)。

1.2 翼型服的核心動作部件

本文設(shè)計(jì)的翼型服的核心結(jié)構(gòu)件為輔助小翼，輔助小翼縮回收納倉的形式如圖2所示，輔助小翼伸出收納倉時(shí)的形式如圖3所示。

電機(jī)帶動錐齒輪旋轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)位移改變成伸縮位移，從而推動連接桿在直線方向上前進(jìn)后退。連接桿與支撐桿通過可以轉(zhuǎn)動的套筒連接，套筒可以在支撐桿上發(fā)生位移，在連接桿前進(jìn)、后退的同時(shí)，支撐桿便可以伸出或者縮回。支撐桿與連接桿頂部固定迎風(fēng)材料，類似雨傘的開合，便可以實(shí)現(xiàn)輔助小翼伸縮動作。

1.3 智能翼型服的工作原理

本文提供的智能翼型服幫助初學(xué)者完成極限飛行訓(xùn)練并且確保安全，主要是通過主動控制設(shè)計(jì)和被動控制設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。

主動控制幫助初學(xué)者完成空中飛行姿態(tài)的改變，其原理是使用者利用操縱桿控制電機(jī)的工作狀態(tài)，使電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止，電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)輔助小翼的伸出和縮回，電機(jī)停止時(shí)保持當(dāng)前狀態(tài)。輔助小翼的伸出可以使對應(yīng)方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力，例如，當(dāng)使用者按下左操縱桿時(shí)，翼裝左側(cè)的輔助小翼伸出，在高速下降的過程中，左側(cè)輔助小翼提供額外的左轉(zhuǎn)向力，使得使用者向左偏航。按下右操縱桿時(shí)同理。

被動控制為初學(xué)者提供開傘保護(hù)，其原理是由傘包開關(guān)、高度傳感器、速度傳感器形成一個(gè)閉環(huán)控制，輸入信號為高度、速度信息，輸出信號為傘包是否打開。初學(xué)者在空中發(fā)生意外或者無法控制開傘時(shí)機(jī)時(shí)，被動控制會自動打開傘包，完成開傘過程，保護(hù)初學(xué)者平安著陸。

2 智能翼型服的控制方法設(shè)計(jì)

翼型服的工作原理主要分為主動控制和被動控制兩個(gè)方面，下面主要闡述二者的算法設(shè)計(jì)方案。

2.1 主動控制設(shè)計(jì)

部分高空跳傘初學(xué)者通過手臂伸展無法準(zhǔn)確改變自身氣動結(jié)構(gòu)來改變飛行航跡。針對這一難題，本設(shè)計(jì)增加一對可伸縮的輔助小翼，使用者直接利用操縱桿來控制輔助小翼的伸縮，手臂可保持張開狀態(tài)，不改變跳傘飛行姿態(tài)，同時(shí)準(zhǔn)確調(diào)整飛行時(shí)的氣動外形，實(shí)現(xiàn)飛行時(shí)的航跡調(diào)整。

主動控制的對象為輔助小翼，其輸入信號由安裝在翼型服袖口處的操縱桿提供，同邊的操縱桿控制同邊的輔助小翼，以左邊輔助小翼伸出為例，輔助小翼伸出可產(chǎn)生相應(yīng)左后方向的阻力，阻力方向在質(zhì)心左側(cè)，故產(chǎn)生左轉(zhuǎn)力矩，協(xié)助使用者向左轉(zhuǎn)彎。

通過主動控制設(shè)計(jì)，初學(xué)者在保持身體不動的情況下可以完成飛行姿態(tài)的改變，從而調(diào)整飛行方向，最終達(dá)到改變飛行航跡的目的。

2.2 被動控制設(shè)計(jì)

本文中的被動控制設(shè)計(jì)又稱為智能翼型服安全設(shè)計(jì)，目的是協(xié)助使用者安全開傘。該設(shè)計(jì)方案主要由兩部分構(gòu)成，分別是環(huán)境數(shù)據(jù)反饋和被動干預(yù)開傘。

環(huán)境數(shù)據(jù)反饋指的是將多組傳感器（如高度傳感器、GPS全球定位傳感器、空速傳感器等）設(shè)置在智能翼型服中，傳感器收集各類數(shù)據(jù)，通過耳機(jī)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)播報(bào)給使用者，使得使用者能夠準(zhǔn)確掌握環(huán)境數(shù)據(jù)，果斷做出各類決策。

被動干預(yù)開傘是指假設(shè)使用者出現(xiàn)空中昏厥等意外情況，安裝在智能翼型服上的控制芯片根據(jù)傳感器傳來的高度、速度信息及GPS位置信息，判斷最后安全開傘時(shí)機(jī)，通過耳機(jī)向使用者發(fā)出警告，若使用者仍未做出開傘動作，控制芯片將自動激活傘包開關(guān)，打開降落傘，最大限度保證使用者安全，降低使用者受傷程度。

3 結(jié)論

為降低高空翼裝飛行的入門難度，保障初學(xué)者飛行安全，本文設(shè)計(jì)了可主動改變氣動力的機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低了高空翼裝飛行學(xué)習(xí)成本。另外，本文通過對各類傳感器和傘包的聯(lián)動設(shè)計(jì)，為初學(xué)者把握開傘時(shí)機(jī)提供協(xié)助，并設(shè)置最晚開傘的安全門，大大提高了初學(xué)者翼裝飛行的安全性，為高空翼裝飛行研究指明了新方向。接下來，筆者會將構(gòu)思轉(zhuǎn)化為實(shí)際的等比模型，通過半物理仿真來驗(yàn)證和調(diào)試相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)用效能。

參考文獻(xiàn)：

[1]王雪.“擬態(tài)狂歡”范式下翼裝飛行運(yùn)動的多重悖論[J].浙江體育科學(xué)，2017（5）：26-30.

[2]趙麗娟.風(fēng)洞翼型服：中國，CN201430341755.9[P].2014-09-16.