CN109018420B - 一种可自主定位的无人机系留平台 - Google Patents
一种可自主定位的无人机系留平台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可自主定位的无人机系留平台,其包括绕线部、排线部和定位部,绕线部包括绕线电机、磁粉制动器和中空结构的卷筒,排线部包括排线电机、往复丝杆和丝杆移动件;定位部包括摇杆电位计和升降平台。本方案设计的无人机定位系留平台定位精度高,不受环境的限制,并且通过摇杆电位计作为测量相对定位的装置,定位准确;基于磁粉制动器的张力控制,对于张力控制的误差较小,有效的提高张力控制精度;基于往复丝杆的自动绕线装置,解决了系留无人机控制线排线杂乱无章的情况。本设计可以让无人机用上更大功率的电动机、更强健的结构系统,可以携带更大、更重的有效载荷,是保证系留无人机稳定、安全飞行的重要基础。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域,具体涉及一种可自主定位的无人机系留平台。
背景技术
近年来,多旋翼无人机飞行稳定、操纵简单,受到了用户普遍欢迎。然而,现有的轻型多旋翼无人机普遍存在严重的缺陷。主要问题在于动力系统,它的能量来源一般是自身携带的锂电池。要靠这种有限的能量来供无人机飞行,还要给稳定平台、相机、无线数传等电子设备供电,对总体设计提出了严峻挑战,也造成了严重的性能限制。多数轻型多旋翼无人机只能飞行一两个小时,而且不能携带较大功率的有效载荷;能源不足,也严重限制了无人机的无线传输功率,由此导致抗干扰性能和通信能力严重不足。很多时候,民用轻型多旋翼无人机的飞行事故,都是控制线路受到干扰造成的。低发射功率也限制了实时传输的图像质量。如果牺牲滞空时间来提升发射功率,又会对其他无线设备造成干扰。既然电力供应限制了轻型多旋翼无人机的性能,如果从外部用控制线给无人机供电,就可以让它用上更大功率的电动机、更强健的结构系统,可以携带更大、更重的有效载荷。
发明内容
针对现有技术的上述不足,本发明提供了一种定位准确、控制精度高的无人机系留平台。
为达到上述发明目的,本发明所采用的技术方案为:
提供一种可自主定位的无人机系留平台,其包括绕线部、排线部和定位部,绕线部包括绕线电机、磁粉制动器和中空结构的卷筒,绕线电机固定在平台支架上,且绕线电机的输出轴与磁粉制动器的输入轴通过传动机构连接,磁粉制动器固定在平台支架上;磁粉制动器的输出轴上通过磁粉联轴器与卷筒的一端转轴连接,卷筒的另一端转轴通过轴承固定在平台支架上,且磁粉联轴器与卷筒之间设置有编码器;卷筒内安装有光纤滑环,光纤滑环的旋转端与连接棒连接,连接棒固定在卷筒上;光纤滑环的固定端上设置有套筒,套筒贯穿卷筒固定在平台支架上,且套筒与卷筒之间通过轴承配装;
排线部包括排线电机、往复丝杆和丝杆移动件,排线电机固定在平台支架上,排线电机的输出轴上通过丝杆联轴器与往复丝杆连接,往复丝杆通过轴承连接在平台支架上的丝杆支座上;往复丝杆上通过旋转直线运动机构与丝杆移动件连接,丝杆移动件上活动连接有丝杆导向杆,丝杆导向杆固定于平台支架上,丝杆移动件上设置有轨道轮;
定位部包括摇杆电位计和升降平台,升降平台固定于平台支架上,且平台支架上开设有定位孔,摇杆电位计安装于定位孔上;无人机的控制线贯穿卷筒与光纤滑环的固定端连接,光纤滑环的旋转端与缠绕在卷筒的外部的控制线的一端连接,另一端经过轨道轮后穿过定位孔与无人机连接;绕线电机、磁粉制动器、排线电机、控制线、编码器和摇杆电位计均与控制器连接。
进一步地,传动机构包括通过皮带连接的小带轮和大带轮,小带轮配装在绕线电机上,大带轮配装在磁粉制动器的输入轴上。
进一步地,旋转直线运动机构包括相互配合的往复丝杆和月牙销,月牙销设置于丝杆移动件上。
进一步地,丝杆支座包括固定在平台支架上的丝杆支座固定端和丝杆支座支持端,丝杆支座固定端和丝杆支座支持端分别与往复丝杆的两端连接。
进一步地,丝杆支座固定端上设置有卡簧。
进一步地,卷筒的两端分别设置有卷筒左挡板和卷筒右挡板,卷筒左挡板上固定有法兰盘,法兰盘与磁粉联轴器之间的卷筒的转轴上安装有联轴器侧轴承,联轴器侧轴承固定在轴承安装板上,轴承安装板固定在平台支架上。
进一步地,卷筒右挡板上固定有卷筒侧支板,卷筒侧支板通过螺钉固定在固定侧支板上,固定侧支板固定在平台支架上。
进一步地,卷筒的端面上开设有过线槽,套筒上开设有过线孔。
本发明的有益效果为:本发明是运用在系留无人机进行升降控制的平台,整体控制可分为起飞阶段、稳定阶段和降落阶段;当无人机接受到起飞命令后,控制器控制绕线电机旋转,同时控制器对磁粉制动器进行电流信号输入,由于磁粉制动器输入的电流信号与输出的转矩成正比,所以能通过控制输入的电流信号来控制输出的转矩,由于磁粉制动器输入端和输出端的转数存在不固定的规律,所以通过编码器来测量磁粉制动器输出端的转数,控制器在得知磁粉制动器输出端的转数同时控制排线电机进行旋转,保证控制线能整齐放线;在已知磁粉制动器输出端转数、初始的绕线半径、控制线半径和往复丝杆一个来回的排线圈数后,控制器就可以计算出放线的长度;同时摇杆电位计会输出相应的电信号,通过转换能得到控制线的俯仰角度,在控制器已知控制线张力、放线长度和俯仰角度后,计算出无人机相对于平台的空间位置,达到精确控制的目的。
当无人机需处于稳定阶段时,这个阶段可采用两种控制方式;第一种控制方式是考虑控制线张力,不考虑收放线长度;控制器控制输入磁粉制动器的电流不变,通过编码器、磁粉制动器和摇杆电位计共同控制,得知控制线的控制线张力、放线长度和俯仰角度,控制器得出无人机相对于平台的相对位置。第二种控制方式是保持收放线的长度一定,编码器检测到转数增加时,绕线电机进行反转,加大输入磁粉制动器的电流信号,直到编码器检测到的转数、初始的绕线半径、控制线半径和往复丝杆一个来回的排线圈数计算出的放线长度与初始放线长度一致,绕线电机停止反转,再保持输入磁粉制动器的电流信号不变;同时摇杆电位计会输出相应的电信号,通过转换能得到控制线的俯仰角度,在已知控制线张力、放线长度和俯仰角度后,进一步计算出无人机相对于平台的空间位置。
当无人机需降落时,控制线上的张力将会变小,绕线电机进行反转,加大输入磁粉制动器的电流信号,通过编码器来测量磁粉制动器输出端的转数,控制器在得知磁粉制动器的输出轴的转数的同时,控制排线电机进行旋转,保证控制线能整齐收线;直到编码器检测到的转数、初始的绕线半径、控制线半径和往复丝杆一个来回的排线圈数计算出的放线长度接近于零,绕线电机反转速度降低,输入磁粉制动器的电流信号保持不变;同时摇杆电位计会输出相应的电信号,通过转换能得到控制线的俯仰角度,在已知控制线张力、放线长度和俯仰角度后;将能计算出无人机相对与绕线装置的空间位置。当无人机相对于平台的的空间位置达到允许的误差范围之内时,表明无人机已经停稳在降落平台上,绕线电机停止转动。
月牙销和往复丝杆的配合,能有效保证丝杆移动件随着往复丝杆的转动而往复移动;卡簧有效防止了往复丝杆的轴向移动,丝杆移动件上的轨道轮用于帮助卷筒收线和排线,使控制线整齐的排列在卷筒上;丝杆导向杆有效的防止了丝杆移动件随着往复丝杆的转动而转动;法兰盘固定在卷筒左挡板上,帮助传动绕线电机的转速和磁粉制动器的力矩。
本方案设计的无人机定位系留平台定位精度高,不受环境的限制,并且通过摇杆电位计作为测量相对定位的装置,定位准确;基于磁粉制动器的张力控制,对于张力控制的误差较小,有效的提高张力控制精度;基于往复丝杆的自动绕线装置,解决了系留无人机控制线排线杂乱无章的情况。本设计可以让无人机用上更大功率的电动机、更强健的结构系统,可以携带更大、更重的有效载荷,是保证系留无人机稳定、安全飞行的重要基础。
附图说明
图1为无人机系留平台的立体结构示意图。
图2为绕线部的结构示意图。
图3为卷线筒的剖视示意图。
图4为排线部的结构示意图。
其中,1、固定侧支板,2、卷筒右挡板,3、卷筒,4、卷筒左挡板,5、轴承安装板,6、联轴器侧轴承,7、绕线电机,8、绕线电机安装板,9、小带轮,10、皮带,11、大带轮,12、磁粉制动器,13、磁粉制动器安装板,14、磁粉联轴器,15、排线电机,16、排线电机安装板,17、固定端导向杆固定板,18、轨道轮,19、支持端导向杆固定板,20、丝杆支座支持端,21、丝杆导向杆,22、丝杆移动件,23、往复丝杆,24、丝杆支座固定端,25、丝杆联轴器,26、法兰盘,27、连接棒,28、光纤滑环,29、套筒,30、固定侧轴承,31、卷筒侧支板,32、升降平台,33、摇杆电位计,34、编码器,35、无人机。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示,可自主定位的无人机系留平台包括绕线部、排线部和定位部,绕线部包括绕线电机7和卷筒3,绕线电机7通过绕线电机安装板8固定在平台支架上,平台支架采用铝型材;绕线电机7的输出轴与小带轮9配装在一起,大带轮11与小带轮9通过皮带10进行动力传动,大带轮11配装在磁粉制动器12的输入轴上,磁粉制动器12通过磁粉制动器安装板13固定在平台支架上;磁粉制动器12的输出轴与磁粉联轴器14相连接,通过紧固磁粉联轴器14的螺钉来夹紧磁粉制动器12的输出轴,达到固定的目的;磁粉联轴器14的另一端同样连接有法兰盘26,考虑到磁粉联轴器14的受力情况,在法兰盘26端面上装有联轴器侧轴承6,联轴器轴承6通过过盈配合安装在轴承安装板5上,轴承安装板5固定在平台支架上。
中空的卷筒29的一端面上通过螺钉固定有卷筒左挡板4,法兰盘26的端面通过螺钉固定在卷筒左挡板4上,用于传动绕线电机7的转速和磁粉制动器12的力矩,卷筒左挡板4上开有通孔与连接棒27固定,光纤滑环28旋转端与连接棒27固定,光纤滑环28设置于卷筒29内;由于光纤滑环28的旋转端是出线端,所以卷筒3的端面上开有一小槽,用于过线。
光纤滑环28的固定端通过螺纹孔与套筒29相固定,考虑到光纤滑环28的进线端的空间,在套筒29上开一圆孔用于过线,套筒29上安装有固定侧轴承30,固定侧轴承30通过过盈配合安装在卷筒右挡板2上,套筒29依次穿过卷筒右挡板2和卷筒侧支板31,套筒29的端面开有螺纹孔,用于与固定侧支板1固定,卷筒侧支板31通过螺钉与固定侧支板1固定,考虑到固定侧支板1的安装方式,所以将卷筒侧支板31做成菱形方便将固定侧支板1固定在平台支架。
排线部包括排线电机15、往复丝杆23和丝杆移动件22,排线电机15固定在排线电机安装板16上,排线电机安装板16固定在平台支架上,排线电机15的输出轴与丝杆联轴器25相连接,通过丝杆联轴器25上的螺钉来夹紧排线电机15的输出轴,丝杆联轴器25的另一端连接到往复丝杆23上,同样通过紧固丝杆联轴器25上的螺钉来夹紧往复丝杆23,往复丝杆23通过丝杆支座连接在平台支架上,丝杆支座包括丝杆支座固定端24和丝杆支座支持端20,在丝杆支座支持端20处,为了防止丝杆轴向移动,加有卡簧限制轴向位移,丝杆支座固定端24和丝杆支座支持端20都有轴承,保证丝杆能进行360°旋转。
往复丝杆23上设置有丝杆移动件22,丝杆移动件22上设置有月牙销与往复丝杆23配合,能有效保证丝杆移动件22能随往复丝杆23转动而进行左右移动。丝杆移动件22上安装有轨道轮18,保证丝杆23在转动的同时丝杆移动件22能带动轨道轮18移动,将控制线整齐排列到卷筒上。
为了限制丝杆移动件22的转动,将丝杆导向杆21穿过丝杆移动件22,丝杆导向杆的两端面都开有螺纹孔,通过螺钉将丝杆导向杆22固定在固定端导向杆固定板17和支持端导向杆固定板19上,固定端导向杆固定板17和支持端导向杆固定板19固定在平台支架上。
定位部包括摇杆电位计33和升降平台32,升降平台32固定于平台支架上,且平台支架上开设有定位孔,摇杆电位计33安装于平台支架上。无人机35的控制线贯穿卷筒3与光纤滑环28的固定端连接,光纤滑环28的旋转端与缠绕在卷筒3的外部的控制线的一端连接,另一端经过轨道轮18后贯穿定位孔与无人机35连接。绕线电机7、磁粉制动器12、排线电机15、控制线、编码器34和摇杆电位计均33与控制器连接。控制器采用STM32控制器,磁粉制动器采用ZKB-5XN型磁粉制动器,编码器采用CHT38/8-1024BZ-8-30FG2全空型编码器,摇杆电位计采用RV24YN20SB102型电位计。
本发明是运用在系留无人机进行升降控制的平台,整体控制可分为起飞阶段、稳定阶段和降落阶段;当无人机35接受到起飞命令后,控制器控制绕线电机7旋转,同时控制器对磁粉制动器12进行电流信号输入,由于磁粉制动器12输入的电流信号与输出的转矩成正比,所以能通过控制输入的电流信号来控制输出的转矩,由于磁粉制动器12输入端和输出端的转数存在不固定的规律,所以通过编码器34来测量磁粉制动器12输出端的转数,控制器在得知磁粉制动器12输出端的转数同时控制排线电机15进行旋转,保证控制线能整齐放线。
在已知磁粉制动器12的输出端转数、初始的绕线半径、控制线半径和往复丝杆23一个来回的排线圈数后,控制器就可以计算出放线的长度;同时摇杆电位计33会输出相应的电信号,通过转换能得到控制线的俯仰角度,在控制器已知控制线张力、放线长度、俯仰角度后,计算出无人机35相对于升降平台的空间位置,达到精确控制的目的。
当无人机35需处于稳定阶段时,这个阶段可采用两种控制方式,第一种控制方式是考虑控制线张力恒定的控制,不考虑收放线长度;控制器控制输入磁粉制动器12的输入电流不变,通过编码器34、磁粉制动器12、摇杆电位计33共同控制,得知控制线的控制线张力、放线长度和俯仰角度,进而控制器得出无人机35相对于平台的相对位置。
第二种控制方式是保持收放线的长度一定,编码器34检测到转数增加时,绕线电机进行反转,加大输入磁粉制动器12的电流信号,直到编码器34检测到的转数、初始的绕线半径、控制线半径、往复丝杆23一个来回的排线圈数计算出的放线长度与初始放线长度一致,这时绕线电机7停止反转,再保持输入磁粉制动器12的电流信号不变;同时摇杆电位计33会输出相应的电信号,通过转换能得到控制线的俯仰角度,在已知控制线张力、放线长度和俯仰角度后,进一步计算出无人机35相对于平台的空间位置。
当无人机35降落时,控制线上的张力将会变小,绕线电机7进行反转,加大输入磁粉制动器12的电流信号,通过编码器34来测量磁粉制动器12输出端的转数,控制器在得知磁粉制动器12的输出轴的转数的同时,控制排线电机15进行旋转,保证控制线能整齐收线;直到编码器34检测到的转数、初始的绕线半径、控制线半径和往复丝杆23一个来回的排线圈数,计算出放线长度接近于零,绕线电机7的反转速度降低,输入磁粉制动器12的电流信号保持不变;同时摇杆电位计33会输出相应的电信号,通过转换能得到控制线的俯仰角度,在已知控制线张力、放线长度和俯仰角度后,将能计算出无人机35相对于平台的空间位置。当无人机35相对于平台的的空间位置达到允许的误差范围之内时,表明无人机35已经停稳在降落平台上,绕线电机7停止转动。
本方案设计的无人机定位系留平台定位精度高,不受环境的限制,并且通过摇杆电位计33作为测量相对定位的装置,定位准确;基于磁粉制动器12的张力控制,对于张力控制的误差较小,有效的提高张力控制精度;基于往复丝杆23的自动绕线装置,解决了系留无人机35控制线排线杂乱无章的情况。本设计可以让无人机35用上更大功率的电动机、更强健的结构系统,可以携带更大、更重的有效载荷,是保证系留无人机35稳定、安全飞行的重要基础。
Claims (6)
1.一种可自主定位的无人机系留平台,其特征在于,包括绕线部、排线部和定位部,所述绕线部包括绕线电机(7)、磁粉制动器(12)和中空结构的卷筒(3),所述绕线电机(7)固定在平台支架上,且绕线电机(7)的输出轴与磁粉制动器(12)的输入轴通过传动机构连接,所述磁粉制动器(12)固定在平台支架上;所述磁粉制动器(12)的输出轴上通过磁粉联轴器(14)与卷筒(3)的一端转轴连接,所述卷筒(3)的另一端转轴通过轴承固定在平台支架上,且磁粉联轴器(14)与卷筒(3)之间设置有编码器;所述卷筒(3)内安装有光纤滑环(28),所述光纤滑环(28)的旋转端与连接棒(27)连接,所述连接棒(27)固定在卷筒(3)上;所述光纤滑环(28)的固定端上设置有套筒(29),所述套筒(29)贯穿卷筒(3)固定在平台支架上,且套筒(29)与卷筒(3)之间通过轴承配装;
所述排线部包括排线电机(15)、往复丝杆(23)和丝杆移动件(22),所述排线电机(15)固定在平台支架上,所述排线电机(15)的输出轴上通过丝杆联轴器(25)与往复丝杆(23)连接,所述往复丝杆(23)通过轴承连接在平台支架上的丝杆支座上;所述往复丝杆(23)上通过旋转直线运动机构与丝杆移动件(22)连接,所述丝杆移动件(22)上活动连接有丝杆导向杆(21),所述丝杆导向杆(21)固定于平台支架上,所述丝杆移动件(22)上设置有轨道轮(18);
所述定位部包括摇杆电位计(33)和升降平台(32),所述升降平台(32)固定于平台支架上,且平台支架上开设有定位孔,所述摇杆电位计(33)安装于定位孔上;所述无人机(35)的控制线贯穿卷筒(3)与光纤滑环(28)的固定端连接,所述光纤滑环(28)的旋转端与缠绕在卷筒(3)的外部的控制线的一端连接,控制线另一端经过轨道轮(18)后穿过定位孔与无人机(35)连接;所述绕线电机(7)、磁粉制动器(12)、排线电机(15)、控制线、编码器(34)和摇杆电位计(33)均与控制器连接;
所述旋转直线运动机构包括月牙销,所述月牙销与往复丝杆(23)相互配合,所述月牙销设置于丝杆移动件(22)上;所述卷筒(3)的端面上开设有过线槽,所述套筒(29)上开设有过线孔。
2.根据权利要求1所述的可自主定位的无人机系留平台,其特征在于,所述传动机构包括通过皮带(10)连接的小带轮(9)和大带轮(11),所述小带轮(9)配装在绕线电机(7)上,所述大带轮(11)配装在磁粉制动器(12)的输入轴上。
3.根据权利要求1所述的可自主定位的无人机系留平台,其特征在于,所述丝杆支座包括固定在平台支架上的丝杆支座固定端(24)和丝杆支座支持端(20),所述丝杆支座固定端(24)和丝杆支座支持端(20)分别与往复丝杆(23)的两端连接。
4.根据权利要求3所述的可自主定位的无人机系留平台,其特征在于,所述丝杆支座固定端(24)上设置有卡簧。
5.根据权利要求1所述的可自主定位的无人机系留平台,其特征在于,所述卷筒(3)的两端分别设置有卷筒左挡板(4)和卷筒右挡板(2),所述卷筒左挡板(4)上固定有法兰盘(26),所述法兰盘(26)与磁粉联轴器(14)之间的卷筒(3)的转轴上安装有联轴器侧轴承(6),所述联轴器侧轴承(6)固定在轴承安装板(5)上,所述轴承安装板(5)固定在平台支架上。
6.根据权利要求5所述的可自主定位的无人机系留平台,其特征在于,所述卷筒右挡板(2)上固定有卷筒侧支板(31),所述卷筒侧支板(31)通过螺钉固定在固定侧支板(1)上,所述固定侧支板(1)固定在平台支架上。
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