CN107097954A - 系留旋翼无人机的收放线控制系统及收放方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种系留旋翼无人机的控制系统，包括对系留缆绳进行收放的收卷装置，还包括控制器、传感装置和刹紧装置，所述传感装置包括系留缆绳所绕过的张力轮、安装在张力轮上并用于检测系留缆绳张力的张力传感器，所述控制器接收张力传感器的张力信号并输出根据张力信号转化的夹紧力信号，所述刹紧装置包括接收夹紧力信号的电机驱动器和与电机驱动器连接的作动器，电机驱动器用于驱动作动器，作动器用于夹紧系留缆绳。本发明还公开了该系留旋翼无人机的控制系统的控制方法。本发明可应用于系留旋翼无人机的精确确控制领域。
Description
技术领域
本发明涉及系留无人机技术领域，具体涉及一种系留旋翼无人机的收放线控制系统及收放方法。
背景技术
系留无人机是将无人机和系留缆绳结合起来实现的，系留无人机通过系留缆绳传输电能，其结构大小、制作材料可以根据应用需求来设计不会受到较大限制，且机动性能强。系留无人机主要应用于长时间不间断的空中监控和应急通讯，可以搭载特制可见光摄像机和红外热成像仪，也可以搭载特制应急通讯中继设备。因此，系留无人机在消防、军事、石油、海洋、测绘和交通等多个专业领域广泛应用。系留旋翼无人机是系留无人机中比较常见的一类。
现有技术中，系留旋翼无人机的收放线装置仅能随着无人机飞行实现被动的放线。在对无人机的实际操作过程中，无人机在上升或下降阶段的实际速度与预定的速度存在一定的偏差，该偏差对飞行控制效果造成不利影响。因此，要改善无人机的飞行效果，需要对系留缆绳的收放速度进行精确控制。
中国发明专利《一种线缆收放装置》(公开号：102849538A；公开日：2013年1月2日)中提供了一种线缆收放装置，该装置包括安装在底座上的升降立柱，通过升降立柱上安装的升降轴座安装有中心轴，在中心轴上安装有手轮和至少均布有三个支角的主转盘以及与主转盘对应设置的锁紧端盖，在主转盘的每个支角内侧沿中心方向设置有T型滑槽，T型滑槽的背部居中设置有与T型滑槽对应的条形滑槽，在锁紧端盖上与主转盘对应的每个支角上开设有与条形滑槽对应的长条形孔，在每组对应的条形滑槽和长条形孔之间架设有线缆支撑轴，在线缆支撑轴上靠近T型滑槽的一端安装有固定在主转盘上的T型滑块。该装置可用于实现系留缆绳的收线与放线功能并且随着无人机飞行实现被动的放线。但是，该装置无法对系留缆绳的收放速度进行精确控制。
发明内容
本发明针对现有的技术问题作出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种旋翼无人机的收放线控制系统，该系统实现对系留缆绳的收放速度进行精确控制。为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：
一种系留旋翼无人机的控制系统，包括对系留缆绳进行收放的收卷装置，还包括控制器、传感装置和刹紧装置，所述传感装置包括系留缆绳所绕过的张力轮、安装在张力轮上并用于检测系留缆绳张力的张力传感器，所述控制器接收张力传感器的张力信号并输出根据张力信号转化的夹紧力信号，所述刹紧装置包括接收夹紧力信号的电机驱动器和与电机驱动器连接的作动器，电机驱动器用于驱动作动器，作动器用于夹紧系留缆绳。
进一步，所述作动器包括安装座、挡板、驱动电机和活塞，所述驱动电机和挡板设置在安装座上，驱动电机通过第一滚珠丝杠连接活塞的一端，用于推动活塞沿该活塞的轴线方向往复移动，活塞另一端正对挡板且两者之间设有用于放置所述系留缆绳的间隙，活塞与挡板可夹紧系留缆绳。
进一步，所述电机驱动器包括电源板、控制板和功率驱动板，所述电源板连接控制板和功率驱动板，用于供电，所述控制板连接功率驱动板，控制板用于将接收的夹紧力信号经处理后输出给功率驱动板，功率驱动板用于驱动作动器。
进一步，所述收卷装置包括支座、卷筒和主电机，所述卷筒的两端设置与卷筒同轴的旋转轴，所述支座为U形且支座的两侧壁设有旋转轴穿过的通孔，旋转轴通过回转支承与通孔连接，所述主电机在收线时与卷筒一端的旋转轴连接。
进一步，所述收卷装置还包括排线导轮和排线电机，排线电机通过第二滚珠丝杠连接所述排线导轮，用于推动所述排线导轮沿第二滚珠丝杠轴线方向往复移动，所述第二滚珠丝杠通过支架固定在所述支座上端，该第二滚珠丝杠位于卷筒上方且与卷筒的轴线平行，所述控制器连接并控制所述排线电机，系留缆绳由卷筒绕向所述排线导轮。
进一步，所述卷筒另一端的旋转轴上还连接有用以计算系留缆绳收放长度的编码器，所述控制器设有用于接收编码器信号的数显表。
上述方案中，系留缆绳上升的基本速度由系留旋翼无人机上升飞行的实际速度确定，通过刹紧装置夹紧系留缆绳，对系留缆绳的放线速度做出调整，从而使无人机上升飞行的速度达到预定速度。进一步，对作动器的具体结构进行设计，从使该作动器实现对系留缆绳的夹紧。进一步，通过排线导轮和排线电机使卷筒上的系留缆绳均匀分布。
本发明要解决的另一个技术问题是提供一种系留旋翼无人机的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：将系留缆绳留出L米的余量，供系留旋翼无人机自主上升飞行直至系留缆绳绷紧，此过程中系留旋翼无人机加速上升；
步骤二：系留旋翼无人机继续上升飞行，通过传感装置测出系留缆绳的张力，通过控制器接收张力信号并转换成刹紧装置的夹紧力信号，夹紧力大小由控制器通过PID算法调节并输出给刹紧装置，通过刹紧装置对系留缆绳的夹紧力阻碍系留旋翼无人机的加速运动，使系留旋翼无人机的上升速度达到设定值并保持不变；
步骤三：系留旋翼无人机从距离目标高度M米上升至目标高度阶段，通过PID算法调节刹紧装置的夹紧力大小，使系留旋翼无人机减速上升直至上升速度为零，然后调节系留旋翼无人机的转速直至系留缆绳的张力达到设定值；
步骤四：系留旋翼无人机从目标高度下降至距离地面L米阶段，通过所述收卷装置控制系留旋翼无人机下降；
步骤五：系留旋翼无人机从距离地面L米下降至地面阶段，该系留旋翼无人机自主下降。
所述L的取值在50-100米的范围内，所述M的取值在50-100米的范围内。
本发明具有的有益效果：
1.通过本发明所述的控制系统对系留缆绳的放线速度做出调整，从而使系留旋翼无人机上升飞行的速度达到预定速度。
2.通过本发明所述的控制方法改善了系留旋翼无人机飞行的稳定性。系留旋翼无人机上升飞行阶段，通过传感装置、控制器接和刹紧装置使系留旋翼无人机的上升速度达到设定值并保持不变，即稳定上升。
附图说明
图1为本发明所述控制系统的正视图。
图2为本发明所述控制系统的侧视图。
图3为本发明所述作动器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明做进一步说明。
如图1至图3所示，本发明的具体实施方式：一种系留旋翼无人机的控制系统，包括收卷装置1、控制器、传感装置2和刹紧装置3。其中，控制器未在图中示出。
所述收卷装置1用于对系留缆绳4进行收放。该收卷装置包括支座11、卷筒12、主电机13、编码器、排线导轮14和排线电机15。卷筒12的两端设置与卷筒同轴的旋转轴。支座11为U形且支座11的两侧壁设有旋转轴穿过的通孔，旋转轴通过回转支承与通孔连接。主电机13在收线时与卷筒12一端的旋转轴连接。卷筒12另一端的旋转轴上还连接有用以计算系留缆绳收放长度的编码器。控制器设有用于接收编码器信号的数显表。排线电机15通过第二滚珠丝杠5连接排线导轮14，用于推动排线导轮14沿第二滚珠丝杠5的轴线方向往复移动。第二滚珠丝杠5通过支架6固定在支座11上端，该第二滚珠丝杠位于卷筒12上方且与卷筒12的轴线平行。控制器连接并控制排线电机15，系留缆绳4由卷筒12绕向所述排线导轮14。
所述传感装置2用于检测系留缆绳4的张力。该传感装置包括系留缆绳4所绕过的张力轮、安装在张力轮上并用于检测系留缆绳张力的张力传感器。控制器接收张力传感器的张力信号并输出根据张力信号转化的夹紧力信号。
所述刹紧装置3包括接收夹紧力信号的电机驱动器和与电机驱动器连接的作动器32。电机驱动器用于驱动作动器32，作动器32用于夹紧系留缆绳4。作动器32包括安装座321、挡板322、驱动电机323和活塞324。驱动电机323和挡板322设置在安装座321上，驱动电机323通过第一滚珠丝杠7连接活塞324的一端，用于推动活塞324沿该活塞的轴线方向往复移动，活塞324另一端正对挡322板且两者之间设有用于放置系留缆绳4的间隙，活塞324与挡板322可夹紧系留缆绳4。电机驱动器包括电源、控制板和功率驱动板。电源板连接控制板和功率驱动板，用于供电。控制板连接功率驱动板，控制板用于将接收的夹紧力信号经处理后输出给功率驱动板，功率驱动板用于驱动作动器32。
本发明还提供了一种利用上述控制系统控制系留旋翼无人机收放的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：将系留缆绳4留出L米的余量，供系留旋翼无人机自主上升飞行直至系留缆绳4绷紧，此过程中系留旋翼无人机加速上升；
步骤二：系留旋翼无人机继续上升飞行，通过传感装置2测出系留缆绳4的张力，通过控制器接收张力信号并转换成刹紧装置3的夹紧力信号，夹紧力大小由控制器通过PID算法调节并输出给刹紧装置3，通过刹紧装置3对系留缆绳4的夹紧力阻碍系留旋翼无人机的加速运动，使系留旋翼无人机的上升速度达到设定值并保持不变；
步骤三：系留旋翼无人机从距离目标高度M米上升至目标高度阶段，通过PID算法调节刹紧装置3的夹紧力大小，使系留旋翼无人机减速上升直至上升速度为零，然后调节系留旋翼无人机的转速直至系留缆绳4的张力达到设定值；
步骤四：系留旋翼无人机从目标高度下降至距离地面L米阶段，通过所述收卷装置1控制系留旋翼无人机下降；
步骤五：系留旋翼无人机从距离地面L米下降至地面阶段，该系留旋翼无人机自主下降。
所述L的取值在50-100的范围内，所述M的取值在50-100的范围内。
本实施方式的特点：
1.本实施方式述的控制系统对系留缆绳的放线速度做出调整，从而使系留旋翼无人机上升飞行的速度达到预定速度。
2.本实施方式所述的控制方法改善了系留旋翼无人机飞行的稳定性。系留旋翼无人机上升飞行阶段，通过传感装置2、控制器接和刹紧装置3使系留旋翼无人机的上升速度达到设定值并保持不变，即稳定上升。
上述所有的实施例仅用来说明本发明的原理，不用来限制本发明的范围。对本发明还可以作出其他的变化，这些变化仍落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种系留旋翼无人机的控制系统，包括对系留缆绳进行收放的收卷装置，其特征在于，还包括控制器、传感装置和刹紧装置，所述传感装置包括系留缆绳所绕过的张力轮、安装在张力轮上并用于检测系留缆绳张力的张力传感器，所述控制器接收张力传感器的张力信号并输出根据张力信号转化的夹紧力信号，所述刹紧装置包括接收夹紧力信号的电机驱动器和与电机驱动器连接的作动器，电机驱动器用于驱动作动器，作动器用于夹紧系留缆绳。
2.如权利要求1所述的系留旋翼无人机的控制系统，其特征在于，所述作动器包括安装座、挡板、驱动电机和活塞，所述驱动电机和挡板设置在安装座上，驱动电机通过第一滚珠丝杠连接活塞的一端，用于推动活塞沿该活塞的轴线方向往复移动，活塞另一端正对挡板且两者之间设有用于放置所述系留缆绳的间隙，活塞与挡板可夹紧系留缆绳。
3.如权利要求1所述的系留旋翼无人机的控制系统，其特征在于，所述电机驱动器包括电源板、控制板和功率驱动板，所述电源板连接控制板和功率驱动板，用于供电，所述控制板连接功率驱动板，控制板用于将接收的夹紧力信号经处理后输出给功率驱动板，功率驱动板用于驱动作动器。
4.如权利要求1至3中任一项所述的系留旋翼无人机的控制系统，其特征在于，所述收卷装置包括支座、卷筒和主电机，所述卷筒的两端设置与卷筒同轴的旋转轴，所述支座为U形且支座的两侧壁设有旋转轴穿过的通孔，旋转轴通过回转支承与通孔连接，所述主电机在收线时与卷筒一端的旋转轴连接。
5.如权利要求4所述的系留旋翼无人机的控制系统，其特征在于，所述收卷装置还包括排线导轮和排线电机，排线电机通过第二滚珠丝杠连接所述排线导轮，用于推动所述排线导轮沿第二滚珠丝杠轴线方向往复移动，所述第二滚珠丝杠通过支架固定在所述支座上端，该第二滚珠丝杠位于卷筒上方且与卷筒的轴线平行，所述控制器连接并控制所述排线电机，系留缆绳由卷筒绕向所述排线导轮。
6.如权利要求4所述的系留旋翼无人机的控制系统，其特征在于，所述卷筒另一端的旋转轴上还连接有用以计算系留缆绳收放长度的编码器，所述控制器设有用于接收编码器信号的数显表。
7.一种利用权利要求1所述的系留旋翼无人机的控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将系留缆绳留出L米的余量，供系留旋翼无人机自主上升飞行直至系留缆绳绷紧，此过程中系留旋翼无人机加速上升；
步骤二：系留旋翼无人机继续上升飞行，通过传感装置测出系留缆绳的张力，通过控制器接收张力信号并转换成刹紧装置的夹紧力信号，夹紧力大小由控制器通过PID算法调节并输出给刹紧装置，通过刹紧装置对系留缆绳的夹紧力阻碍系留旋翼无人机的加速运动，使系留旋翼无人机的上升速度达到设定值并保持不变；
步骤三：系留旋翼无人机从距离目标高度M米上升至目标高度阶段，通过PID算法调节刹紧装置的夹紧力大小，使系留旋翼无人机减速上升直至上升速度为零，然后调节系留旋翼无人机的转速直至系留缆绳的张力达到设定值；
步骤四：系留旋翼无人机从目标高度下降至距离地面L米阶段，通过所述收卷装置控制系留旋翼无人机下降；
步骤五：系留旋翼无人机从距离地面L米下降至地面阶段，该系留旋翼无人机自主下降。
8.如权利要求7所述的系留旋翼无人机的控制方法，其特征在于，所述L的取值在50-100米的范围内，所述M的取值在50-100米的范围内。
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