CN109515640B - 基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置以及控制方法，包括无人艇以及无人机，无人艇上设置有无人艇收放机构，无人机上设置有无人机收放机构，其特征在于，无人艇收放机构包括底座、第一定位模块、电磁铁环以及电活性聚合物形变装置，无人机收放机构包括支架、第二定位模块以及通信模块，支架上分别设置有第二定位模块以及通信模块，且支架下端设置有降落圆环。本发明采用圆环接触，减少无人机回收或布放时发生磕碰损坏，采用电磁铁以及橡胶材质能够减缓接触应力，延长使用寿命，在回收和布放无人机时，能够保持无人艇与无人机之间的位置和姿态，保证无人艇与无人机的安全，本发明结构简单，操作方便，成本低。

Description

基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置以及控制方法

技术领域

本发明涉及无人艇无人机回收技术领域，具体的说，是涉及基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置以及控制方法。

背景技术

近年来，随着无人装备协同控制技术的发展，国内外研究机构均已经展开了无人艇与无人机之间的协同控制。但由于无人机的能源储备限制，不能适应长时间的持续性工作，因此，以无人艇为承载体，无人机到达指定区域后升空作业并回收的工作方式成为了主流的研究使用方向，这其中，为了保障无人机的安全顺利布放与回收，需要一套装备来保障无人机停靠的便利性与安全性。

但是，现有技术的无人艇与无人机的装置结构复杂，成本高，使用寿命短，不利于操作控制。

上述缺陷，值得解决。

发明内容

为了克服现有的技术的不足，本发明提供基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置以及控制方法。

本发明技术方案如下所述：

基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置，包括无人艇以及无人机，所述无人艇上设置有无人艇收放机构，所述无人机上设置有无人机收放机构，其特征在于，所述无人艇收放机构包括底座、第一定位模块、电磁铁环以及电活性聚合物形变装置，所述底座内分别设置有所述第一定位模块以及所述电磁铁环，所述底座上端设置有所述电活性聚合物形变装置，所述电活性聚合物形变装置包括电活性聚合物固定片以及电活性聚合物控制单元，电活性聚合物固定片的上端两侧分别设置有所述电活性聚合物控制单元，所述底座包括底基座以及嵌入基座，所述嵌入基座嵌入所述底基座内，所述嵌入基座为弹性材料；

所述无人机收放机构包括支架、第二定位模块以及通信模块，所述支架上分别设置有所述第二定位模块以及所述通信模块，且所述支架下端设置有降落圆环。

进一步的，所述嵌入基座呈圆台状分布设置，且所述嵌入基座为上大下小。

进一步的，所述底基座上端设置有固定圆环，所述固定圆环上均匀设置有所述电活性聚合物形变装置。

进一步的，所述嵌入基座为低弹性橡胶材料。

进一步的，所述支架包括上基板、支撑柱以及所述降落圆环，所述上基板通过所述支撑柱与所述降落圆环固定连接，所述上基板上分别设置有所述第二定位模块以及所述通信模块。

进一步的，所述支架呈锥台状分布设置，且所述支架为上小下大。

基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置的控制方法，包括回收阶段以及布放阶段，所述回收阶段包括以下步骤：

（1）当无人艇接收到回收无人机的指令后，无人艇收放机构内的第一定位模块向无人机发出回收指令，同时经电活性聚合物控制单元向电活性聚合物固定片两端导入电压，使电活性聚合物固定片的下端向上弯曲变形；

（2）无人机经GPS导航到达无人艇上方位置后，通过第二定位模块内的图像定位，扫描无人艇收放装置内第一定位模块，并发出的定位信息加以识别，缓慢降入无人艇收放机构的嵌入基座内，并利用嵌入基座的物理属性和电磁铁环的电磁吸引力，抵消可能产生的跳跃和震颤现象；

（3）电活性聚合物控制单元断开电活性聚合物固定片两端的电压，电活性聚合物固定片不再受电压影响，快速恢复到正常平直状态，即电活性聚合物固定片伸直压住降落圆环，完成对无人机收放机构中降落圆环的上下移动限制，完成无人机的回收操作；

所述布放阶段包括以下步骤：

1）当无人艇接收到布放无人机的指令后，然后电活性聚合物控制单元向电活性聚合物固定片两端导入电压，电活性聚合物固定片的下端受到电压影响向上弯曲变形，即电活性聚合物固定片的下端向上翘起，此时无人机收放机构中降落圆环不受限制，形成无人机收放机构的上升通道；

2）电磁铁环断电，消除电磁吸引力；

3）无人机通过控制台发出的上升指令上升。

进一步的，在所述回收阶段的步骤（2）中，无人机进行位置微调后缓慢降入无人艇收放机构的嵌入基座内。

进一步的，在所述布放阶段的步骤1）中，无人艇收放机构内的电磁铁环进行通电产生电磁吸引力，然后电活性聚合物控制单元向电活性聚合物固定片两端导入电压。

进一步的，在所述布放阶段的步骤3）中，升空后电活性聚合物控制单元断开电活性聚合物固定片两端电压，电活性聚合物固定片恢复平直状态，完成全部布放操作。

根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明通过控制流经电活性聚合物固定片之间的电压，利用电活性聚合物固定片受电压改变影响而产生的形变作用，改变电活性聚合物固定片聚合物的物理形状从而达到固定无人机的作用；本发明能实现无人艇布放回收无人机的操作，本发明采用圆环接触，减少无人机回收或布放时发生磕碰损坏，采用电磁铁以及橡胶材质能够减缓接触应力，延长使用寿命，在回收和布放无人机时，能够保持无人艇与无人机之间的位置和姿态，保证无人艇与无人机的安全，本发明结构简单，操作方便，成本低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中无人机收放机构的结构示意图。

图3为本发明中无人机收放机构的侧视图。

图4为本发明中无人艇收放机构的结构示意图。

图5为本发明中无人艇收放机构的俯视图。

图6为本发明中无人艇收放机构的侧视图。

图7为本发明中无人机接到回收指令到达无人艇上方位置示意图。

图8为本发明中电活性聚合物固定片的下端向上弯曲变形示意图。

图9为本发明中无人机微调后缓慢降入嵌入基座示意图。

图10为本发明中电活性聚合物固定片恢复到正常平直状态示意图。

图11为本发明中无人机回收阶段完成示意图。

图12为本发明中无人机回收阶段完成俯视图。

图13为本发明中布放阶段电活性聚合物固定片向上弯曲变形示意图。

在图中，1、无人机收放机构；11、上基板；12、通信模块；13、降落圆环；14、支撑柱；2、无人艇收放机构；21、电活性聚合物固定片；22、电活性聚合物控制单元；23、第一定位模块；24、电磁铁环；25、固定圆环；26、底基座；27、嵌入基座；。

具体实施方式

下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：

如图1-13所示，基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置，包括无人艇以及无人机，无人艇上设置有无人艇收放机构2，无人机上设置有无人机收放机构1，无人艇收放机构包括底座、第一定位模块23、电磁铁环24以及电活性聚合物形变装置，底座内分别设置有第一定位模块23以及电磁铁环24，底座上端设置有电活性聚合物形变装置，电活性聚合物形变装置包括电活性聚合物固定片21以及电活性聚合物控制单元22，电活性聚合物固定片21的上端两侧分别设置有电活性聚合物控制单元22，底座包括底基座26以及嵌入基座27，嵌入基座27嵌入底基座内，嵌入基座27为弹性材料；

无人机收放机构包括支架、第二定位模块以及通信模块12，支架上分别设置有第二定位模块以及通信模块12，且支架下端设置有降落圆环13。

优选的，在某一具体实施中，嵌入基座呈圆台状分布设置，且嵌入基座为上大下小。

优选的，在某一具体实施中，底基座上端设置有固定圆环25，固定圆环25上均匀设置有电活性聚合物形变装置。

优选的，在某一具体实施中，嵌入基座27为低弹性橡胶材料。

优选的，在某一具体实施中，支架包括上基板11、支撑柱14以及降落圆环13，上基板11通过支撑柱14与降落圆环13固定连接，上基板11上分别设置有第二定位模块以及通信模块12。

优选的，在某一具体实施中，支架呈锥台状分布设置，且位于降落圆环13一端的横截面积大于上基板11一端的横截面积,即支架为上小下大。

基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置的控制方法，包括回收阶段以及布放阶段，所述回收阶段包括以下步骤：

（1）当无人艇接收到回收无人机的指令后，无人艇收放机构内的第一定位模块23向无人机发出回收指令，同时经电活性聚合物控制单元22向电活性聚合物固定片21两端导入电压，使电活性聚合物固定片21的下端向上弯曲变形；

（2）无人机经GPS导航到达无人艇上方位置后，通过第二定位模块内的图像定位，扫描无人艇收放装置内第一定位模块23，并发出的定位信息加以识别，然后进行位置微调，缓慢降入无人艇收放机构2的嵌入基座内，并利用嵌入基座27的物理属性和电磁铁环24的电磁吸引力，抵消可能产生的跳跃和震颤现象；

（3）电活性聚合物控制单元22断开电活性聚合物固定片21两端的电压，电活性聚合物固定片21不再受电压影响，快速恢复到正常平直状态，即电活性聚合物固定片21伸直压住降落圆环13，完成对无人机收放机构1中降落圆环13的上下移动限制，完成无人机的回收操作；

所述布放阶段包括以下步骤：

1）当无人艇接收到布放无人机的指令后，无人艇收放机构2内的电磁铁环24进行通电产生电磁吸引力，然后电活性聚合物控制单元22向电活性聚合物固定片21两端导入电压，电活性聚合物固定片21的下端受到电压影响向上弯曲变形，即电活性聚合物固定片21的下端向上翘起，此时无人机收放机构1中降落圆环13不受限制，形成无人机收放机构1的上升通道；

2）电磁铁环24断电，消除电磁吸引力；

3）无人机通过控制台发出的上升指令上升。

升空后电活性聚合物控制单元22断开电活性聚合物固定片21两端电压，电活性聚合物固定片21恢复平直状态，完成全部布放操作。

本发明能实现无人艇布放回收无人机的操作，本发明采用圆环接触，减少无人机回收或布放时发生磕碰损坏，采用电磁铁以及橡胶材质能够减缓接触应力，延长使用寿命，在回收和布放无人机时，能够保持无人艇与无人机之间的位置和姿态，保证无人艇与无人机的安全，本发明结构简单，操作方便，成本低。

其中，电活性聚合物材料（Electroactive Polymer，EAP） 是一类在电场激励下可以产生大幅度尺寸或形状变化的新型柔性功能材料，是智能材料的一个重要分支。本发明的电活性聚合物材料采用离子聚合物-金属复合材料(Ionic polymer-metal composites，IPMC)，或者Bucky Gel，或者介电弹性材料(Dielectric elastomers， DE)。

PMC 材料是在离子交换膜基体两表面制备出电极而形成的复合材料，在外界电压作用下，材料内部的离子和水分子向电极一侧聚集，导致质量和电荷分布的不平衡，从而宏观上产生弯曲变形。

Bucky Gel的组成和驱动传感原理类似于IPMC。Bucky Gel 由三层结构组成，中间基体材料为由聚合物和离子液体构成的电解质层，基体材料两边为由碳纳米管、聚合物和离子液体构成的电极材料，在两侧电极加载电压时，离子液体中的阴阳离子向两个电极移动，引起Bucky Gel的弯曲。

DE材料大多为薄膜状。DE作动器通常是在介电弹性膜状材料上下表面涂上柔性电极构成三明治结构。当施加了电压U，DE材料的上下表面由于极化积累了正负电荷±Q，正负电荷相互吸引产生静电库仑力，从而在厚度方向上压缩材料而使其厚度变小，平面面积扩张。

本发明公布了一种基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置以及控制方法。一种基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置是在多无人装备协同控制系统应用的基础上，利用电活性聚合物材料制备，以达到一定的抗风浪、对降落起飞影响的目的。本发明基于电活性聚合物制造技术与图像分析技术，通过无人艇的艇载结构的摄像功能与无人机搭载的识别码进行定位，定位后通过艇载的电活性聚合物的通电变形特征，实现对无人机的回收和布放。

本发明中的无人艇收放机构包括底基座、嵌入基座、电活性聚合物固定片、电活性聚合物控制单元、固定圆环、电磁铁环、第一定位模块。其中，底基座与无人艇固定平面固定连接；嵌入基座采用低弹性橡胶材料，嵌入基座中间开孔后通过嵌入方式与底基座固定。

本发明中的电活性聚合物固定片上端两侧分别与电活性聚合物控制单元固定连接；电活性聚合物固定片与左右两个电活性聚合物控制单元构成一组，每组间隔45°，然后与固定圆环固定；固定圆环在嵌入基座固定后，从上方向下与底基座侧壁固定相连，并将嵌入基座夹在中间。

本发明中的第一定位模块穿过嵌入基座的中间孔后与底基座固定。本发明无人艇收放机构设置有定位系统及捕捉系统，定位系统主要用来保证无人机与无人艇的相对位置稳定，后者主要用来无人机降落后的紧固稳定和释放简便；定位系统包括电磁铁环和第一定位模块，由第一定位模块发出信号，并由无人机收放机构内的第二定位模块接收，通过之间通信确定无人机大致相对位置，后由电磁铁环进行吸取；捕捉系统主要由电活性聚合物固定片和和电活性聚合物控制单元组成，由电活性聚合物控制单元通过控制夹住的电感性聚合物固定片的电压控制电感性聚合物固定片的姿态；无人机收放机构包括基板、第二定位模块、支撑柱和降落圆环；上基板中间开孔，与无人机固定；第二定位模块通过开孔连接至无人机；支撑柱上下两端分别与上基板以及降落圆环固定。

本发明通过控制流经电活性聚合物固定片之间的电压，利用电活性聚合物固定片受电压改变影响而产生的形变作用，改变电活性聚合物固定片聚合物的物理形状从而达到固定无人机的作用。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置，包括无人艇以及无人机，所述无人艇上设置有无人艇收放机构，所述无人机上设置有无人机收放机构，其特征在于，所述无人艇收放机构包括底座、第一定位模块、电磁铁环以及电活性聚合物形变装置，所述底座内分别设置有所述第一定位模块以及所述电磁铁环，所述底座上端设置有所述电活性聚合物形变装置，所述电活性聚合物形变装置包括电活性聚合物固定片以及电活性聚合物控制单元，电活性聚合物固定片的上端两侧分别设置有所述电活性聚合物控制单元，所述底座包括底基座以及嵌入基座，所述嵌入基座嵌入所述底基座内，所述嵌入基座为弹性材料；

所述无人机收放机构包括支架、第二定位模块以及通信模块，所述支架上分别设置有所述第二定位模块以及所述通信模块，且所述支架下端设置有降落圆环；

所述基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置的回收阶段包括以下步骤：

(1)当无人艇接收到回收无人机的指令后，无人艇收放机构内的第一定位模块向无人机发出回收指令，同时经电活性聚合物控制单元向电活性聚合物固定片两端导入电压，使电活性聚合物固定片的下端向上弯曲变形；

(2)无人机经GPS导航到达无人艇上方位置后，通过第二定位模块内的图像定位，扫描无人艇收放装置内第一定位模块，并发出的定位信息加以识别，然后进行位置微调，缓慢降入无人艇收放机构的嵌入基座内，并利用嵌入基座的物理属性和电磁铁环的电磁吸引力，抵消可能产生的跳跃和震颤现象；

(3)电活性聚合物控制单元断开电活性聚合物固定片两端的电压，电活性聚合物固定片不再受电压影响，快速恢复到正常平直状态，即电活性聚合物固定片伸直压住降落圆环，完成对无人机收放机构中降落圆环的上下移动限制，完成无人机的回收操作。

2.根据权利要求1所述的基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置，其特征在于，所述嵌入基座呈圆台状分布设置，且所述嵌入基座为上大下小。

3.根据权利要求2所述的基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置，其特征在于，所述底基座上端设置有固定圆环，所述固定圆环上均匀设置有所述电活性聚合物形变装置。

4.根据权利要求1所述的基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置，其特征在于，所述嵌入基座为低弹性橡胶材料。

5.根据权利要求1所述的基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置，其特征在于，所述支架包括上基板、支撑柱以及所述降落圆环，所述上基板通过所述支撑柱与所述降落圆环固定连接，所述上基板上分别设置有所述第二定位模块以及所述通信模块。

6.根据权利要求5所述的基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置，其特征在于，所述支架呈锥台状分布设置，且所述支架为上小下大。

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置的控制方法，其特征在于，包括回收阶段以及布放阶段，所述回收阶段包括以下步骤：

(1)当无人艇接收到回收无人机的指令后，无人艇收放机构内的第一定位模块向无人机发出回收指令，同时经电活性聚合物控制单元向电活性聚合物固定片两端导入电压，使电活性聚合物固定片的下端向上弯曲变形；

(2)无人机经GPS导航到达无人艇上方位置后，通过第二定位模块内的图像定位，扫描无人艇收放装置内第一定位模块，并发出的定位信息加以识别，缓慢降入无人艇收放机构的嵌入基座内，并利用嵌入基座的物理属性和电磁铁环的电磁吸引力，抵消可能产生的跳跃和震颤现象；

(3)电活性聚合物控制单元断开电活性聚合物固定片两端的电压，电活性聚合物固定片不再受电压影响，快速恢复到正常平直状态，即电活性聚合物固定片伸直压住降落圆环，完成对无人机收放机构中降落圆环的上下移动限制，完成无人机的回收操作；

所述布放阶段包括以下步骤：

1)当无人艇接收到布放无人机的指令后，然后电活性聚合物控制单元向电活性聚合物固定片两端导入电压，电活性聚合物固定片的下端受到电压影响向上弯曲变形，即电活性聚合物固定片的下端向上翘起，此时无人机收放机构中降落圆环不受限制，形成无人机收放机构的上升通道；

2)电磁铁环断电，消除电磁吸引力；

3)无人机通过控制台发出的上升指令上升。

8.根据权利要求7所述的基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置的控制方法，其特征在于，在所述回收阶段的步骤(2)中，无人机进行位置微调后缓慢降入无人艇收放机构的嵌入基座内。

9.根据权利要求7所述的基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置的控制方法，其特征在于，在所述布放阶段的步骤1)中，无人艇收放机构内的电磁铁环进行通电产生电磁吸引力，然后电活性聚合物控制单元向电活性聚合物固定片两端导入电压。

10.根据权利要求7所述的基于电活性聚合物的无人艇收放无人机装置的控制方法，其特征在于，在所述布放阶段的步骤3)中，升空后电活性聚合物控制单元断开电活性聚合物固定片两端电压，电活性聚合物固定片恢复平直状态，完成全部布放操作。

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