智能翼型服的设计研究

雷安旭 倪芳原 尹航 何华玲

摘 要：翼型服多用于高空极限运动，是一种特殊的跳伞服。现有的翼型服仅适用于经过长时间正规训练的专业跳伞运动员，危险系数高，适用性范围窄。本设计以现有翼型服为基础，增加了智能化设计部件，降低了用户的使用难度，提高了使用安全性，为高空跳伞运动装备的发展提供了一个新的设计思路。

关键词：高空跳伞;智能化翼型服;自动控制

中图分类号：V224 文献标识码：A 文章编号：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

隨着经济社会的发展，追求个性体验、挑战极限运动的人群越来越庞大。在各类极限运动中，高空跳伞（特别是高空翼装跳伞）成为吸引广大极限爱好者的一项运动。然而，高空跳伞专业性高，入门难度大，并不适合初学者。美国跳伞联合会要求，想要进行翼型服飞行的人必须拥有专业的训练，并在18个月内有过超过200次的高空跳伞经历[1]。

调研发现，现有的翼型跳伞服仅仅融合了翼装和降落伞包[2]，高空跳伞全过程都需要使用者自行操作，难度大、危险系数高。因此，本文设计了一种智能翼型服，能够有效帮助初学者进行高空翼装飞行，并为使用者提供开伞保险，大大提高跳伞安全性。

1 智能翼型服的结构装置设计

1.1 翼型服基本结构

本文设计的翼型服与现有翼装在气动外形上类似，与现有翼装的主要区别在于增加了左右两个辅助小翼，集成了伞包、耳机，并增加了左右两个操纵杆。各个部件由控制芯片控制，其控制电路利用液态金属的特性设计成柔性电路板，方便集成在翼装内。智能翼型服的整体示意图如图1所示。

为了使初学者可以在无法准确调整身体姿态的情况下改变飞行轨迹，本文设计的智能翼型服在翼装主体上增加了左右两个辅助小翼，辅助小翼可以为使用者提供气动力，为改变飞行姿态提供直接的转向力。手腕处增加了两个操纵杆，左手的操纵杆控制左边辅助小翼的开合，右手的操纵杆控制右边辅助小翼的开合，辅助小翼的开合动作由电机控制，操纵杆与电机通过柔性电路板连接，柔性电路板具有较好的形变特性，可以在使用者改变身体姿态时确保电路运行正常。

本文设计的智能翼型服还配备了各类传感器，如高度传感器、空速传感器，其安装在安装盒中，并且可以将测出的相关数据通过耳机反馈给使用者，使用者可以清楚地掌握自己所处环境的数据。

1.2 翼型服的核心动作部件

本文设计的翼型服的核心结构件为辅助小翼，辅助小翼缩回收纳仓的形式如图2所示，辅助小翼伸出收纳仓时的形式如图3所示。

电机带动锥齿轮旋转，将旋转位移改变成伸缩位移，从而推动连接杆在直线方向上前进后退。连接杆与支撑杆通过可以转动的套筒连接，套筒可以在支撑杆上发生位移，在连接杆前进、后退的同时，支撑杆便可以伸出或者缩回。支撑杆与连接杆顶部固定迎风材料，类似雨伞的开合，便可以实现辅助小翼伸缩动作。

1.3 智能翼型服的工作原理

本文提供的智能翼型服帮助初学者完成极限飞行训练并且确保安全，主要是通过主动控制设计和被动控制设计来实现的。

主动控制帮助初学者完成空中飞行姿态的改变，其原理是使用者利用操纵杆控制电机的工作状态，使电机正转、反转或停止，电机正转、反转实现辅助小翼的伸出和缩回，电机停止时保持当前状态。辅助小翼的伸出可以使对应方向产生转向力，例如，当使用者按下左操纵杆时，翼装左侧的辅助小翼伸出，在高速下降的过程中，左侧辅助小翼提供额外的左转向力，使得使用者向左偏航。按下右操纵杆时同理。

被动控制为初学者提供开伞保护，其原理是由伞包开关、高度传感器、速度传感器形成一个闭环控制，输入信号为高度、速度信息，输出信号为伞包是否打开。初学者在空中发生意外或者无法控制开伞时机时，被动控制会自动打开伞包，完成开伞过程，保护初学者平安着陆。

2 智能翼型服的控制方法设计

翼型服的工作原理主要分为主动控制和被动控制两个方面，下面主要阐述二者的算法设计方案。

2.1 主动控制设计

部分高空跳伞初学者通过手臂伸展无法准确改变自身气动结构来改变飞行航迹。针对这一难题，本设计增加一对可伸缩的辅助小翼，使用者直接利用操纵杆来控制辅助小翼的伸缩，手臂可保持张开状态，不改变跳伞飞行姿态，同时准确调整飞行时的气动外形，实现飞行时的航迹调整。

主动控制的对象为辅助小翼，其输入信号由安装在翼型服袖口处的操纵杆提供，同边的操纵杆控制同边的辅助小翼，以左边辅助小翼伸出为例，辅助小翼伸出可产生相应左后方向的阻力，阻力方向在质心左侧，故产生左转力矩，协助使用者向左转弯。

通过主动控制设计，初学者在保持身体不动的情况下可以完成飞行姿态的改变，从而调整飞行方向，最终达到改变飞行航迹的目的。

2.2 被动控制设计

本文中的被动控制设计又称为智能翼型服安全设计，目的是协助使用者安全开伞。该设计方案主要由两部分构成，分别是环境数据反馈和被动干预开伞。

环境数据反馈指的是将多组传感器（如高度传感器、GPS全球定位传感器、空速传感器等）设置在智能翼型服中，傳感器收集各类数据，通过耳机将数据实时播报给使用者，使得使用者能够准确掌握环境数据，果断做出各类决策。

被动干预开伞是指假设使用者出现空中昏厥等意外情况，安装在智能翼型服上的控制芯片根据传感器传来的高度、速度信息及GPS位置信息，判断最后安全开伞时机，通过耳机向使用者发出警告，若使用者仍未做出开伞动作，控制芯片将自动激活伞包开关，打开降落伞，最大限度保证使用者安全，降低使用者受伤程度。

3 结论

为降低高空翼装飞行的入门难度，保障初学者飞行安全，本文设计了可主动改变气动力的机械结构，降低了高空翼装飞行学习成本。另外，本文通过对各类传感器和伞包的联动设计，为初学者把握开伞时机提供协助，并设置最晚开伞的安全门，大大提高了初学者翼装飞行的安全性，为高空翼装飞行研究指明了新方向。接下来，笔者会将构思转化为实际的等比模型，通过半物理仿真来验证和调试相关执行机构的实用效能。

参考文献：

[1]王雪.“拟态狂欢”范式下翼装飞行运动的多重悖论[J].浙江体育科学，2017（5）：26-30.

[2]赵丽娟.风洞翼型服：中国，CN201430341755.9[P].2014-09-16.