CN103699130A - 一种多飞行器协调飞吊装置 - Google Patents

Abstract

一种多飞行器协调飞吊装置，包括地面控制中心、协调控制器、吊臂和飞行器，所述协调控制器上安装有若干用于支撑的吊臂，每个吊臂的端部安装有用于提供动力的飞行器，飞行器安装有飞行器机载控制器；吊臂上安装有导轨，导轨上安装有能够沿导轨滑动的滑块，滑块的下端安装有用于吊起重物的吊钩或吊绳；协调控制器接收地面控制中心的指令后，对飞行器机载控制器和滑块进行控制。本发明采用多个飞行器作为动力源，利用多个飞行器协同起吊，起吊负载大，吊臂上的滑块可沿着吊臂的导轨做相应的运动，这样就可以方便地调节由于重物的形心与重心不重合以及外作用力引起的附加转矩，使得整个飞行器协调飞吊装置在工作过程中保持平稳。

Description

一种多飞行器协调飞吊装置

技术领域

本发明属于无人航空技术领域，具体涉及一种多飞行器协调飞吊装置。

背景技术

改革开放以来，我国的经济取得了飞速的发展，人民生活质量得到很大的改善。新的发展时期，国家正在进一步完善各项基础设施，但是在基础设施的建设设备研发方面却没跟上大节奏，现代工程设备的装吊就是一个比较突出的问题，目前主要还是依靠笨重的起吊机械进行作业，但是起吊机械的操作复杂，作业半径有限，并且事故发生的频率较高，在一些山区的设备、物资运输，高压线的架线等情况下使用就不可行了。同时在正常的设备安装作业中，对操作高度有要求的情况下使用起吊机械就也力不从心，比如：户外信号塔、基站的架线以及目前的风电行业重大设备的高空安装等问题现在还都没有完美的解决方案。

近年来，随着航空工业的快速发展，无人飞行器技术得到了极大的发展，已经成为了当前的研究热点，其中飞行器由于体积小，可轻松实现垂直起降、自稳悬停、平飞等功能，通过改变无刷电机的转速即可实现飞行器的姿态控制，具有控制简单，精度高，且工作时与地面无支撑点等特点。当前飞行器的控制技术已趋于成熟，多个飞行器队列飞行的技术研究已提上日程，并初步取得一定的成就，本发明所涉及的多飞行器协同工作的控制技术正是基于这些成就而设计的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多飞行器协调飞吊装置，能够克服传统起吊机械的一些使用弊端，其使用范围广，操作简单，飞吊过程平稳，可显著提高现代工程建设的效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

本发明包括地面控制中心和协调控制器、吊臂和飞行器，所述协调控制器上安装有若干用于起支撑作用的吊臂，每个吊臂的端部安装有用于提供动力的飞行器，飞行器上安装有飞行器机载控制器；吊臂上安装有导轨，导轨上安装有能够沿导轨进行滑动的滑块，滑块的下端安装有用于吊起重物的吊钩或吊绳；协调控制器接收地面控制中心的指令后，对飞行器机载控制器和滑块进行控制。

所述吊臂上安装有环扣，飞行器上安装有吊环，吊臂上的环扣与飞行器上的吊环相连接。

所述滑块内安装有步进电机和由步进电机驱动的传动齿轮，吊臂表面安装有和传动齿轮相啮合的齿条。

所述协调控制器内部集成有惯性姿态测量单元、GPS全球定位芯片、气压高度计、无线串口发送及接收装置；协调控制器接收到地面控制中心发出的位置指令后结合自身惯性姿态测量单元所测得的吊臂姿态数据以及各飞行器机载控制器反馈的飞行器姿态数据，通过先进PID控制算法计算出当前飞行器所需的控制量，通过无线串口的方式将控制量分别发送给各个飞行器机载控制器，同时通过安装在滑块内部的步进电机驱动传动齿轮和齿条进行啮合运动来调整消除由于重物形心和重心不重合以及外力引起的附加转矩，直到各个飞行器的升力保持一致。

所述飞行器机载控制器上安装有飞行器机架，飞行器机架的端部安装有无刷电机，无刷电机上安装有螺旋桨；飞行器机载控制器底面上安装有摄像头和悬吊装置，悬吊装置上安装有用于和吊臂相连接的吊环。

所述飞行器为单旋翼飞行器或多旋翼飞行器。

所述滑块下端安装有用于将重物吊起的连接件，吊钩或吊绳安装在连接件上。

所述地面控制中心为安装有RS232无线串口数据接收装置和发送装置的计算机

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明采用多个飞行器作为动力源，利用多个飞行器协同起吊，起吊负载大，在协调控制器可控范围内可根据起吊重量的变化增加或减少飞行器和吊臂的数量，具有一定的灵活性。吊臂上的滑块可沿着吊臂的导轨做相应的运动，这样就可以方便地调节由于重物的形心与重心不重合以及外力引起的附加转矩，使得整个飞行器协调飞吊装置在工作过程中保持平稳。

本发明在运行过程中具有高度的自动化，由地面控制中心给协调控制器发送位置指令，协调控制器自主控制各个飞行器的平稳飞行，并到达指定的位置。另外，也可以通过人工操作遥控器的方式来进行飞吊控制。

本发明重物装载完毕后，飞吊装置进入悬停状态，然后对飞吊装置的平衡性进行调节，协调控制器实时检测飞行器的升力以及自身的姿态数据，驱动滑块不断地移动来调整消除由于重物形心和重心不重合以及外力的作用引起的附加转矩，直到飞行器的升力保持一致时即飞吊装置已调整平稳；然后通过地面控制中心进行轨迹规划并将位置指令发送给协调控制器，协调控制器根据位置指令进行飞吊装置自主飞行并到达指定位置。

进一步的，本发明中由于飞行器是通过吊环安装在吊臂的端部，所以其可以绕吊臂的端部进行一定的自由转动，这样飞行器在运动过程中可以通过调节自身的飞行姿态来保持整个飞吊装置运行过程的平稳。

本发明中GPS全球定位芯片和气压高度计的组合使用可以精确定位飞吊装置的位置，为地面控制中心进行飞吊装置的轨迹规划提供参考。

本发明中滑块内安装有步进电机和传动齿轮，传动齿轮和吊臂导轨上的齿条相啮合，滑块在步进电机的驱动下可以沿导轨移动，这样就可以调整装置的重心，使得飞吊过程保持平稳。

附图说明

图1是本发明的多飞行器协调飞吊装置总体方案示意图。

图2是本发明的多飞行器协调飞吊装置控制系统示意图。

图3是本发明的多飞行器协调飞吊装置机械结构示意图。

图4是本发明的飞行器结构示意图。

图5是本发明的多飞行器协调飞吊装置的滑块结构示意图。

其中，1-吊臂；2-飞行器；3-滑块；4-导轨；5-吊钩；6-齿条；7-环扣；8-协调控制器；9-螺栓；10-螺旋桨；11-无刷电机；12-飞行器机架；13-飞行器机载控制器；14-摄像头；15-吊环；16-悬吊装置；17传动齿轮；18-步进电机；19-重物。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

参见图1-4，本发明包括地面控制中心和协调控制器8以及飞行器机载控制器13，所述地面控制中心为安装有RS232无线串口数据接收装置和发送装置的计算机；所述协调控制器8上安装有若干用于支撑的吊臂1，吊臂1的端部安装有用于提供动力的飞行器2，吊臂1上安装有用于吊起重物19的吊钩5或吊绳。

飞行器机载控制器13上安装有飞行器机架12，飞行器机架12的端部安装有无刷电机11，无刷电机11上安装有螺旋桨10；飞行器机载控制器13底面上安装有摄像头14和悬吊装置16，悬吊装置16上安装有用于和吊臂1上的环扣7相连接的吊环15。

吊臂1上安装有导轨4，导轨4上安装有能够沿导轨进行滑动的滑块3，参见图5，滑块3内安装有步进电机18和由步进电机18驱动的传动齿轮17，吊臂上1安装有和传动齿轮17相啮合的齿条6。滑块3下端安装有连接件，滑块3和连接件通过螺栓9和螺母固定，连接件上安装有用于吊起重物19的吊钩5或吊绳。协调控制器8接收地面控制中心的指令后，对飞行器机载控制器13和滑块3进行控制。

协调控制器8内部集成有惯性姿态测量单元、GPS全球定位芯片、气压高度计、无线串口发送及接收装置；协调控制器8接收到地面控制中心发出的位置指令后结合自身惯性姿态测量单元所测得的吊臂姿态数据以及各飞行器机载控制器13反馈的飞行器姿态数据，通过先进PID控制算法计算出当前飞行器所需的控制量，通过无线串口的方式将控制量分别发送给各个飞行器机载控制器13，同时通过安装在滑块3内部的步进电机18驱动传动齿轮17和齿条6进行啮合运动来调整消除由于重物19形心和重心不重合以及外力引起的附加转矩，直到各个飞行器2的升力保持一致。

本发明中可以采用多个飞行器协同起吊，这样可以增大起吊重量，在协调控制器可控端口数目内可根据起吊重量的变化增加或减少飞行器以及吊臂的数量，具有非常灵活的选择方案。本发明仅以6个吊臂和6个飞行器为例。

本发明中的飞行器可以是单旋翼飞行器也可以是多旋翼飞行器，本发明仅以当前最热门的四旋翼飞行器为例作说明。四旋翼飞行器是一种有4个螺旋桨且机架呈十字形交叉的飞行器，可用于起吊重物、测绘、航拍等一体化多旋翼飞行器，拥有良好的飞行动力系统，飞行器机载控制器内部集成有三轴加速度计和陀螺仪组成的惯性姿态测量单元，可以精确地测量飞行器当前的姿态；飞行器可轻松实现垂直起降、悬停、平飞等功能。

参见图1，本发明的吊臂1上安装有若干飞行器，吊臂1的下方吊有重物19。多个飞行器2作为飞吊装置的动力源，吊臂1作为整个装置的总支撑。

参见图2，本发明的多飞行器协调飞吊装置的控制系统主要包括：地面控制中心、协调控制器8和飞行器机载控制器13三大控制部分。本发明中的飞行器为6个，分别为第一飞行器机载控制器、第二飞行器机载控制器、第三飞行器机载控制器、第四飞行器机载控制器、第五飞行器机载控制器、第六飞行器机载控制器；其中，地面控制中心统筹全局，规划装置的飞行轨迹，实现人工控制或飞吊装置自主飞行模态的切换，同时通过RS232无线串口数据接收装置接收协调控制器8反馈的吊臂1姿态数据和飞行器机载控制器13反馈的飞行器2姿态数据以及各飞行器摄像头14传回的实时画面，实现地面的全面监控功能。如遇到紧急情况，地面控制中心可以打断飞吊装置的自主控制，通过操控遥控器进行人工控制，将有人控制和无人自主飞行相结合，得到更好更方便的控制效果。

参见图3，本发明采用先进控制技术实现多飞行器的协调控制。地面控制中心通过RS232无线串口数据发送装置将位置指令发送给吊臂上的协调控制器8，协调控制器8是整个四旋翼飞行器协调飞吊装置的核心控制部分，其内部集成有惯性姿态测量单元、GPS全球定位芯片、气压高度计、无线串口发送及接收装置等。协调控制器接8收到地面控制中心发出的位置指令并结合自身内部集成的惯性姿态测量单元所测得姿态数据信息以及飞行器机载控制器13反馈的各飞行器姿态信息等，通过先进PID控制算法计算出当前六个飞行器所需的控制量，通过无线串口的方式将控制量并发送给六个飞行器，六个飞行器的机载控制器根据得到的位置、升力控制信号来控制各自四个旋翼的升力并将飞行器姿态、升力信号再反馈给协调控制器，这样整个控制系统形成一个闭环控制，实现了飞吊装置的精确控制。同时若飞吊过程受到外力作用，吊臂的姿态信息发生改变，协调控制器8则重新调整滑块3的位置来保持飞吊装置的平稳。同时，GPS全球定位芯片和气压高度计的组合使用可以精确定位飞吊装置的位置，为地面控制中心进行飞吊装置轨迹规划提供参考。

参见图4，本发明中四旋翼飞行器通过无刷电机11带动螺旋桨10的转动产生垂直向上的升力，当飞行器机载控制器13接收到协调控制器的控制指令后，实时调整无刷电机11的转速来改变旋翼的升力大小，从而实现飞行器姿态的控制，并将四旋翼飞行器的姿态及升力信息反馈给协调控制器8，整个控制系统采用闭环的形式，实现飞吊装置的精确控制，同时四旋翼飞行器还将摄像头的画面实时传输到地面控制中心以备进行实时监测。

本发明的工作过程：

本发明重物装载完毕后，飞吊装置进入悬停状态，然后对飞吊装置的平衡性进行调节，协调控制器8实时检测飞行器2的升力以及姿态数据，驱动滑块3不断移动来调整消除由于重物19形心和重心不重合以及外力的作用引起的附加转矩，直到飞行器2的升力保持一致时即飞吊装置已调整平稳；然后通过地面控制中心进行轨迹规划并将位置指令发送给协调控制器8，协调控制器8根据位置指令控制飞吊装置自主飞行到达指定位置。

本发明的多飞行器协调飞吊装置在工作过程中可以通过自我调节实现稳定。飞吊装置在运行过程中一般有两种情况会导致飞吊装置受力不平衡从而失稳。一是几个飞行器的升力不平衡；二是重物形心与重心不重合以及飞吊过程中受到侧风的作用力引起附加转矩。针对以上两种情况，本装置设计了两种方法来保证飞吊装置在飞吊过程中的姿态平稳。其一，飞行器是通过吊环安装在吊臂的端部，其可以绕吊臂的端部进行一定的自由转动，这样飞行器在运动过程中可以通过调节自身的飞行姿态来保持整个飞吊装置的平稳；其二，通过安装在滑块内部的步进电机驱动传动齿轮和吊臂上的齿条进行啮合运动，滑块便可沿着吊臂的导轨做相应的运动，由于很方便地调整滑块和吊臂中心的距离，这样就消除了由于重物的形心与重心不重合或侧风作用力引起的附加转矩，保证了各飞行器的负载均衡，从而保证吊装过程的平稳。

Claims (8)

1.一种多飞行器协调飞吊装置，其特征在于，包括地面控制中心和协调控制器（8）、吊臂（1）和飞行器（2），所述协调控制器（8）上安装有若干用于起支撑作用的吊臂（1），每个吊臂（1）的端部安装有用于提供动力的飞行器（2），飞行器（2）上安装有飞行器机载控制器（13）；吊臂（1）上安装有导轨（4），导轨（4）上安装有能够沿导轨进行滑动的滑块（3），滑块（3）的下端安装有用于吊起重物的吊钩（5）或吊绳；协调控制器（8）接收地面控制中心的指令后，对飞行器机载控制器（13）和滑块（3）进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种多飞行器协调飞吊装置，其特征在于，所述吊臂（1）上安装有环扣（7），飞行器（2）上安装有吊环（15），吊臂（1）上的环扣与飞行器（2）上的吊环（15）相连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种多飞行器协调飞吊装置，其特征在于，所述滑块（3）内安装有步进电机（18）和由步进电机（18）驱动的传动齿轮（17），吊臂表面（1）安装有和传动齿轮（17）相啮合的齿条（6）。

4.根据权利要求3所述的一种多飞行器协调飞吊装置，其特征在于，所述协调控制器（8）内部集成有惯性姿态测量单元、GPS全球定位芯片、气压高度计、无线串口发送及接收装置；协调控制器（8）接收到地面控制中心发出的位置指令后结合自身惯性姿态测量单元所测得的吊臂姿态数据以及各飞行器机载控制器（13）反馈的飞行器姿态数据，通过先进PID控制算法计算出当前飞行器所需的控制量，通过无线串口的方式将控制量分别发送给各个飞行器机载控制器（13），同时通过安装在滑块（3）内部的步进电机（18）驱动传动齿轮（17）和齿条（6）进行啮合运动来调整消除由于重物形心和重心不重合以及外力引起的附加转矩，直到各个飞行器（2）的升力保持一致。

5.根据权利要求3所述的一种多飞行器协调飞吊装置，其特征在于，所述飞行器机载控制器（13）上安装有飞行器机架（12），飞行器机架（12）的端部安装有无刷电机（11），无刷电机（11）上安装有螺旋桨（10）；飞行器机载控制器（13）底面上安装有摄像头（14）和悬吊装置（16），悬吊装置（16）上安装有用于和吊臂（1）相连接的吊环（15）。

6.根据权利要求1或2所述的一种多飞行器协调飞吊装置，其特征在于，所述飞行器（2）为单旋翼飞行器或多旋翼飞行器。

7.根据权利要求1或2所述的一种多飞行器协调飞吊装置，其特征在于，所述滑块（3）下端安装有用于将重物吊起的连接件，吊钩或吊绳安装在连接件上。

8.根据权利要求1所述的一种多飞行器协调飞吊装置，其特征在于，所述的地面控制中心为安装有RS232无线串口数据接收装置和发送装置的计算机。

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