CN109502041A - 一种车载旋翼飞行器自动降落装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车载旋翼飞行器自动降落装置及方法，该装置由控制模块、步进电机、无磁性承载板、铁板、蓄电池及电磁铁等构成。本装置可以放置于任何可移动的平台上组合成移动降落系统，通过超声波传感器检测旋翼的飞行高度，传递相关高度数据给控制模块，进行接下来任务处理，当旋翼到达合适高度时，控制降落平台进行充磁，使上层降落平台捕获高度适宜且下方装有铁圆盘支架的旋翼。实现了对旋翼的动态捕获过程，很好的解决了旋翼在动态降落时不稳定的问题，同时也大幅度提高了旋翼降落在移动平台上的容错率。能够实现自主飞行旋翼以及遥控飞行旋翼稳定降落的目的。
Description
技术领域
本发明属于旋翼降落辅助设备领域，尤其涉及一种车载旋翼飞行器自动降落装置及其控制方法。
背景技术
随着军用和民用市场的广阔应用需求以及旋翼飞行器本身独特的性能，它已经成为航空学术研究中的热点问题。旋翼飞行器采用轮式起降技术，有极强的抵抗空中气流能力和较高的灵活性，结构和控制系统较为简单，稳定性好、灵活性好，可垂直起降，具有多种飞行姿态，在民用和军事领域得到广泛的应用，在解决环境监测，地理信息收集，海面污染检测，影视拍摄，资源运载等方面扮演着重要的角色。
随着时代的发展，科技的进步，旋翼在各个方面的发展趋于成熟，且发展空间更加广阔，但是在移动降落方面的研究和发明却少之又少。现有技术仅能完成固定翼良好的降落在移动平台上，对于旋翼稳定降落在移动平台上的问题却研究较少，存在旋翼在移动的平台上降落困难的技术问题，达不到安全稳定降落的目的，限制了旋翼的应用场合，使其优势得不到最大限度的发挥，缺少一套完整的稳定降落的方法。在旋翼完成复杂任务过程中需要停在移动平台上进行相应任务操作时，为了适应不稳定的环境，需要保证旋翼能够稳定停在任务执行平台上而不发生事故，所以，设计一种使旋翼稳定降落的装置成为了需要解决的问题。
发明内容
为了实现飞行的旋翼平稳降落的目的，本发明专利设计了一款车载的能够自动将旋翼捕获降落的装置和控制方法。
一种车载旋翼飞行器自动降落装置，包括装置本体、自动控制部分、供能部分、附属部分，所述的装置本体由2个以上可升降支架支撑的位于上面的铁板8和相应位于下面的无磁性承载板1构成，多个电磁铁6固定到铁板8下面，铁板8上表面黏贴有供旋翼识别跟踪的物体，所述可升降支架由中间为步进电机11连接的两个圆柱杆10构成，每个可升降支架分别由铰链支座I7和铰链支座II2分别固定在铁板8和无磁性承载板1上；
所述自动控制部分，在无磁性承载板1上装有控制模块5，控制模块5通过电机驱动模块连接步进电机11，通过继电器连接电磁铁6，在铁板8上开四个孔洞，每一个孔中安置一个超声波传感器9，用来检测旋翼的飞行高度，当检测到旋翼距装置本体距离为20-25 厘米时，将数据发送给控制模块5，控制模块5进行处理后给出控制信号，控制装置本体升起以及直流吸盘式电磁铁通电；
所述供能部分，在无磁性承载板1上装有供能电池3，给电磁铁6、步进电机11及控制模块5供电；
所述附属部分，在所用旋翼的每两个机臂之间垂直于机臂连接一个碳素杆13，并且在每个机臂下方装有一个铁圆盘12，铁圆盘12与碳素杆13之间用铁环连接在一起，加固旋翼结构，并利用磁力吸引铁质材料的特点，实现对旋翼的捕获。
所述的可升降支架为四个，所述圆柱杆10为铝合金材质；
所述电磁铁6为八个，为直流吸盘式电磁铁。
所述的控制模块5控制LED指示灯4，根据不同的状态做出相应的指示。
所述的铁板8上表面黏贴有供旋翼识别跟踪的Apriltags码或特定形状及颜色的物体。
所述的控制模块为STM32单片机。
一种车载旋翼飞行器自动降落装置的控制方法，
第一步：检测
放置在装置本体上的四个超声波传感器实时监测装置上方旋翼的距离，当监测到旋翼距平台距离为20-25厘米时，向控制模块5发送信号；LED指示灯不亮；
第二步：充磁
当控制模块接收到信号时，对电机驱动模块发送上升指令，此时两个圆柱杆被电机带动旋转，平台会竖直平稳上升，同时，会给电磁铁通电，使装置本体上表面带有磁性；LED指示灯闪烁；
第三步：捕获
随着装置本体的高度的增加，当装置本体与旋翼机臂下铁圆盘(12)的距离足够小时，装置本体会瞬间对旋翼进行吸引，使其降落到平面上，完成对四旋翼的捕获；
LED指示灯常亮；
第四步：下降
捕获完成稳定后，控制模块发送下降命令给电机驱动模块，使电机缓慢竖直下降，当降落到初始的最低高度后，使电磁铁断电，装置本体消除磁性；LED指示灯闪烁；
第五步：回收
磁性消除后，LED指示灯熄灭，使用者即可关闭装置的电源，从平台上取回旋翼，捕获过程结束。
本发明的有益效果是：
该装置可以摆脱固定平台的限制，可以装载到任意移动平台上，具有通用性，可以为旋翼提供稳定的车载移动降落平台，能够高效的完成降落任务，节省时间成本的同时，还兼具有稳定性。
附图说明
图1是本发明的装置整体框图；
图2是本发明的各个元件模块工作图；
图3是本发明下方无磁性承载板及其承载物布置图；
图4是本发明上方铁板，电磁铁及超声波传感器布置图；
图5是可升降支架的局部图；
图6是某旋翼底部安装的铁圆盘及碳素杆布置图；
其中：1.无磁性承载板，2.铰链支座II，3.供电电池，4.LED指示灯，5.控制模块，6.电磁铁，7.铰链支座I，8.铁板，9.超声波传感器，10.圆柱杆，11.步进电机，12.铁圆盘，13.碳素杆
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
本装置的主要器件有可充电电池，内部设有STM32F407ZGT6作控制模块、四个 HC-SR04超声波测距传感器、LED发光二极管。SRD-05VDC-SL-A继电器，LM2576T5 稳压模块，ELE-P20/15电磁铁，A4988电机驱动模块，四个57HB76-401A步进电机，用来支撑的圆柱杆和固定铰链支座。
一种车载旋翼飞行器自动降落装置，包括第一部分装置本体，所述装置本体主要由位于上面的一个矩形铁板8和位于下面的一个无磁性承载板1以及两板之间的可升降支架和八个直流吸盘式电磁铁6构成，所述矩形铁板8为一个长宽均为60厘米的，厚度约为3毫米的铁板，铁板上表面黏贴有Apriltags码或特定形状及颜色的物体，供旋翼识别跟踪。所述无磁性承载板1为硬质铝板，与铁板8长宽尺寸相同，厚度大约为1.5厘米，可放置并安装到汽车顶棚上。所述可升降支架共有四个相同的部分，每一部分均由两个材质为铝合金的圆柱杆10通过中间的步进电机11连接，一个圆柱杆10连接到铰链支座II7上，铰链支座II7固定在铁板8上，另一个圆柱杆10固定到铰链支座I2上，铰链支座I2固定在无磁性承载板1上。所述直流吸盘式电磁铁6直接固定到上方铁板8下面，通电时会产生磁力，对附属部分的铁圆盘12有吸引作用。
第二部分自动控制部分，在上述硬质铝板上方装有控制模块5，在上述的铁板上开四个孔洞，每一个孔中安置一个超声波传感器9，用来检测旋翼的飞行高度，并将数据发送给控制模块5进行处理，控制模块给出信号控制整个装置的升降部分以及电磁体部分。同时LED指示灯4会根据不同的状态做出相应的指示。
第三部分供能部分，在上述硬质铝板上方装有大容量供能电池3，该电池能够输出12V 电压通过继电器给电磁铁6供电，同时通过电机驱动模块给电机11供电，用稳压模块把电压降到3.3V给控制模块5供电。
第四部分附属部分，在所用旋翼的每两个机臂之间垂直于机臂连接一个碳素杆13，并且在每个机臂下方装有一个直径为十厘米的铁圆盘12，铁圆盘12与碳素杆13之间用铁环等零件连接在一起，这个附属部分可以加固旋翼结构，并能利用磁力吸引铁质材料的特点，实现对旋翼的捕获。
本发明的实现采用如下方法：
第一步：检测
放置在降落平台上的四个超声波测距传感器实时监测平台上方旋翼的距离，当监测到旋翼距平台距离为20-25厘米时，向控制模块STM32单片机的管脚发送低电平信号。LED指示灯不亮。
第二步：充磁
单片机实时监测管脚电平的变化情况，接收到由超生波模块发送的低电平信号后，对电机驱动模块发送上升指令，此时两个圆柱杆被电机带动旋转，且由于结构限定，平台会竖直平稳上升。同时，与继电器相连接的单片机管脚会由开始的下拉状态变为上拉状态，继电器触点闭合，进而电源会给电磁铁供电，使降落平台带有磁性。同时LED指示灯闪烁。
第三步：捕获
随着降落平台的高度的增加，当降落平台与旋翼机臂下铁圆盘的距离足够小时，平台会瞬间对旋翼进行吸引，使其降落到平台上，完成对四旋翼的捕获。同时发光LED指示灯常亮
第四步：下降
捕获完成稳定后，单片机发送下降命令给电机驱动模块，使电机缓慢竖直下降，当降落到初始的最低高度后，与继电器相连的单片机管脚再次下拉，使触点断开，平台消除磁性。同时发光LED指示灯闪烁。
第五步：回收
磁性消除后，LED指示灯熄灭，使用者即可关闭装置的电源，从平台上取回旋翼，捕获过程结束。
本装置的供电设备为可充电电池，为电机供电，电机驱动模块连接步进电机。电源与电磁铁中间连接继电器，继电器的信号端接单片机下拉管脚，当单片机发出高电平信号时，继电器的两个触点闭合，电源和电磁铁沟通，使电磁铁具有磁性。继电器蓄电池同时接稳压模块，将电压稳定至3.3V为STM32单片机供电。单片机同时给四个超声波测距传感器和发光二极管供电。支撑部分由为四个相同的部分，每一部分均由两个材质为铝合金的圆柱杆通过中间的步进电机连接，一个圆柱杆连接到铰链支座II上，铰链支座II固定在铁板上，另一个圆柱杆固定到铰链支座I上，铰链支座I固定在无磁性承载板上。由于超声波测距传感器发出的是声波，因此具有良好的抗干扰性，当旋翼与下底面距离在超声波传感器所要求的测量范围内时，会将电平的改变情况发送给单片机。单片机可以根据检测到的电平改变的情况，发出相应的指令使降落平台升起，当距离达到20至25厘米适合降落时，会暂停平台的运动，由于降落平台具有磁性，能够吸引带小铁盘的旋翼降落。
STM32单片机收到上升指令时，电机被驱动旋转，由于支撑结构的限定，随着电机的转动，上方的平板平台会缓慢平稳的竖直上升，直到上升到最高位置或合适的降落距离时电机停止转动，上方铁板暂停运动，吸引高度合适的旋翼，完成捕获。同时在木板上安装的发光二极管的状态也会实时反映装置当前的状态，在接收到上升信号后，在上升过程持续时，发光二极管呈闪烁的状态，当上升结束后发光二极管长亮。当捕获完成稳定后，平台开始下降，下降过程中，发光二极管呈闪烁的状态，直至下降到指定位置，二极管停止闪烁。
Claims (7)
1.一种车载旋翼飞行器自动降落装置，包括装置本体、自动控制部分、供能部分、附属部分，其特征在于：
所述的装置本体由2个以上可升降支架支撑的位于上面的铁板(8)和相应位于下面的无磁性承载板(1)构成，多个电磁铁(6)固定到铁板(8)下面，铁板(8)上表面黏贴有供旋翼识别跟踪的物体，所述可升降支架由中间为步进电机(11)连接的两个圆柱杆(10)构成，每个可升降支架分别由铰链支座I(7)和铰链支座II(2)分别固定在铁板(8)和无磁性承载板(1)上；
所述自动控制部分，在无磁性承载板(1)上装有控制模块(5)，控制模块(5)通过电机驱动模块连接步进电机(11)，通过继电器连接电磁铁(6)，在铁板(8)上开四个孔洞，每一个孔中安置一个超声波传感器(9)，用来检测旋翼的飞行高度，当检测到旋翼距装置本体距离为20-25厘米时，将数据发送给控制模块(5)，控制模块(5)进行处理后给出控制信号，通过电机驱动模块控制装置本体升起以及通过继电器控制电磁铁通电；
所述供能部分，在无磁性承载板(1)上装有供能电池(3)，给电磁铁(6)、步进电机(11)及控制模块(5)供电；
所述附属部分，在所用旋翼的每两个机臂之间垂直于机臂连接一个碳素杆(13)，并且在每个机臂下方装有一个铁圆盘(12)，铁圆盘(12)与碳素杆(13)之间用铁环连接在一起，加固旋翼结构，并利用磁力吸引铁质材料的特点，实现对旋翼的捕获。
2.根据权利要求1所述的一种车载旋翼飞行器自动降落装置，其特征在于，所述的可升降支架为四个，所述圆柱杆(10)为铝合金材质。
3.根据权利要求1所述的一种车载旋翼飞行器自动降落装置，其特征在于，所述电磁铁(6)为八个，为直流吸盘式电磁铁。
4.根据权利要求1所述的一种车载旋翼飞行器自动降落装置，其特征在于，所述的控制模块(5)控制LED指示灯(4)，根据不同的状态做出相应的指示。
5.根据权利要求1所述的一种车载旋翼飞行器自动降落装置，其特征在于，所述的铁板(8)上表面黏贴有供旋翼识别跟踪的Apriltags码或特定形状及颜色的物体。
6.根据权利要求1所述的一种车载旋翼飞行器自动降落装置，其特征在于，所述的控制模块为STM32单片机。
7.一种车载旋翼飞行器自动降落装置的控制方法，其特征在于：
第一步：检测
放置在装置本体上的四个超声波传感器实时监测装置上方旋翼的距离，当监测到旋翼距平台距离为20-25厘米时，向控制模块(5)发送信号；LED指示灯不亮；
第二步：充磁
当控制模块接收到信号时，对电机驱动模块发送上升指令，此时两个圆柱杆被电机带动旋转，平台会竖直平稳上升，同时，会通过继电器给电磁铁通电，使装置本体上表面带有磁性；LED指示灯闪烁；
第三步：捕获
随着装置本体高度的增加，当装置本体与旋翼机臂下铁圆盘(12)的距离足够小时，装置本体会瞬间对旋翼进行吸引，使其降落到平面上，完成对四旋翼的捕获；LED指示灯常亮；
第四步：下降
捕获完成稳定后，控制模块发送下降命令给电机驱动模块，使电机缓慢竖直下降，当降落到初始的最低高度后，使电磁铁断电，装置本体消除磁性；LED指示灯闪烁；
第五步：回收
磁性消除后，LED指示灯熄灭，使用者即可关闭装置的电源，从平台上取回旋翼，捕获过程结束。
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