智能翼型服的設計研究

雷安旭 倪芳原 尹航 何華玲

摘 要：翼型服多用于高空極限運動，是一種特殊的跳傘服。現有的翼型服僅適用于經過長時間正規訓練的專業跳傘運動員，危險系數高，適用性范圍窄。本設計以現有翼型服為基礎，增加了智能化設計部件，降低了用戶的使用難度，提高了使用安全性，為高空跳傘運動裝備的發展提供了一個新的設計思路。

關鍵詞：高空跳傘;智能化翼型服;自動控制

中圖分類號：V224 文獻標識碼：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

隨著經濟社會的發展，追求個性體驗、挑戰極限運動的人群越來越龐大。在各類極限運動中，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運動。然而，高空跳傘專業性高，入門難度大，并不適合初學者。美國跳傘聯合會要求，想要進行翼型服飛行的人必須擁有專業的訓練，并在18個月內有過超過200次的高空跳傘經歷[1]。

調研發現，現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、危險系數高。因此，本文設計了一種智能翼型服，能夠有效幫助初學者進行高空翼裝飛行，并為使用者提供開傘保險，大大提高跳傘安全性。

1 智能翼型服的結構裝置設計

1.1 翼型服基本結構

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

為了使初學者可以在無法準確調整身體姿態的情況下改變飛行軌跡，本文設計的智能翼型服在翼裝主體上增加了左右兩個輔助小翼，輔助小翼可以為使用者提供氣動力，為改變飛行姿態提供直接的轉向力。手腕處增加了兩個操縱桿，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控制，操縱桿與電機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時確保電路運行正常。

本文設計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數據通過耳機反饋給使用者，使用者可以清楚地掌握自己所處環境的數據。

1.2 翼型服的核心動作部件

本文設計的翼型服的核心結構件為輔助小翼，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的形式如圖3所示。

電機帶動錐齒輪旋轉，將旋轉位移改變成伸縮位移，從而推動連接桿在直線方向上前進后退。連接桿與支撐桿通過可以轉動的套筒連接，套筒可以在支撐桿上發生位移，在連接桿前進、后退的同時，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材料，類似雨傘的開合，便可以實現輔助小翼伸縮動作。

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者完成極限飛行訓練并且確保安全，主要是通過主動控制設計和被動控制設計來實現的。

主動控制幫助初學者完成空中飛行姿態的改變，其原理是使用者利用操縱桿控制電機的工作狀態，使電機正轉、反轉或停止，電機正轉、反轉實現輔助小翼的伸出和縮回，電機停止時保持當前狀態。輔助小翼的伸出可以使對應方向產生轉向力，例如，當使用者按下左操縱桿時，翼裝左側的輔助小翼伸出，在高速下降的過程中，左側輔助小翼提供額外的左轉向力，使得使用者向左偏航。按下右操縱桿時同理。

被動控制為初學者提供開傘保護，其原理是由傘包開關、高度傳感器、速度傳感器形成一個閉環控制，輸入信號為高度、速度信息，輸出信號為傘包是否打開。初學者在空中發生意外或者無法控制開傘時機時，被動控制會自動打開傘包，完成開傘過程，保護初學者平安著陸。

2 智能翼型服的控制方法設計

翼型服的工作原理主要分為主動控制和被動控制兩個方面，下面主要闡述二者的算法設計方案。

2.1 主動控制設計

部分高空跳傘初學者通過手臂伸展無法準確改變自身氣動結構來改變飛行航跡。針對這一難題，本設計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，不改變跳傘飛行姿態，同時準確調整飛行時的氣動外形，實現飛行時的航跡調整。

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，輔助小翼伸出可產生相應左后方向的阻力，阻力方向在質心左側，故產生左轉力矩，協助使用者向左轉彎。

通過主動控制設計，初學者在保持身體不動的情況下可以完成飛行姿態的改變，從而調整飛行方向，最終達到改變飛行航跡的目的。

2.2 被動控制設計

本文中的被動控制設計又稱為智能翼型服安全設計，目的是協助使用者安全開傘。該設計方案主要由兩部分構成，分別是環境數據反饋和被動干預開傘。

環境數據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）設置在智能翼型服中，傳感器收集各類數據，通過耳機將數據實時播報給使用者，使得使用者能夠準確掌握環境數據，果斷做出各類決策。

被動干預開傘是指假設使用者出現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機，通過耳機向使用者發出警告，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，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 結論

為降低高空翼裝飛行的入門難度，保障初學者飛行安全，本文設計了可主動改變氣動力的機械結構，降低了高空翼裝飛行學習成本。另外，本文通過對各類傳感器和傘包的聯動設計，為初學者把握開傘時機提供協助，并設置最晚開傘的安全門，大大提高了初學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，筆者會將構思轉化為實際的等比模型，通過半物理仿真來驗證和調試相關執行機構的實用效能。

參考文獻：

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

[2]趙麗娟.風洞翼型服：中國，CN201430341755.9[P].2014-09-16.