CN109774507B - 一种小型无人机恒张力供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型无人机恒张力供电系统，包括供电子系统、卷放线子系统、检测子系统和和驱动子系统。其中供电子系统包括滑环和供电线缆，供电线缆一端通过滑环连接地面电源站，另一端在外滚筒上卷绕后引出连接无人机为其供电；卷放线子系统包括内滚筒、外滚筒和安装于二者之间的扭簧，通过外滚筒的转动可实现收放线，扭簧产出扭矩作用于外滚筒，保证供电线缆上始终保持张力；检测子系统检测内滚筒和外滚筒之间的角度差，并产生控制信号驱动步进电机运动。本发明通过轻质供电线缆为无人机供电，并可根据无人机飞行高度和距离实现自动收放线功能，实现无人机在空中长时间飞行。

Description

一种小型无人机恒张力供电系统

技术领域

本发明涉及机器人与自动化领域，特别涉及一种小型无人机恒张力供电系统。

背景技术

以多旋翼飞行器为典型代表的小型无人机因其体积小、重量轻，携带方便，起降受场地限制少、操作灵活、可悬停、价格低廉，能轻易进入人不易进入的各种恶劣环境等优点，在航拍、影视拍摄、区域监控、电力巡检、环保监测、农林植保、空中基站、灾害救援、测绘勘探等诸多领域得到了广泛应用。随着智能电子行业的发展，小型无人机的应用场景日益广泛。

在诸多应用场景中，常常要求小型无人机能长时间飞行或者悬停。如在火灾或地震等灾难救援现场，需要无人机长时间飞行或滞空进行现场监控或搜索；当无人机用来当作空中基站或者通信中继时，需要无人机长时间悬停。然而，小型无人机负载能力有限，无法携带大重量和大容量的电池飞行，因此小型无人机普遍存在续航能力不足的缺点，其在空中持续飞行时间难以超过三十分钟。针对需求无人机长时间飞行或者悬停的应用工况，目前主要使用更换备用电池或者使用备用无人机的方式。然而更换电池将使无人机工作中断，更换备用无人机成本较高。因此，研制一种便携式无人机供电系统，为无人机在飞行中供电或充电，提高其飞行和滞空时间，是一种重要需求。

发明内容

为了克服小型无人机续航能力不足，无法长时间飞行或悬停的缺陷，本发明的目的在于提出一种小型无人机恒张力供电系统，该系统使用超轻电缆连接无人机，自动根据线缆拉力或者无人机飞行高度和距离收放供电线缆，在其工作过程中为其供电或充电，提高无人机滞空时间。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种小型无人机恒张力供电系统，包括供电子系统、卷放线子系统、检测子系统和和驱动子系统。

优选地，所述供电子系统包括滑环和供电线缆，供电线缆一端通过滑环连接地面电源，另一端在外滚筒上卷绕后引出连接小型无人机为其供电。

优选地，所述卷放线子系统包括内滚筒、外滚筒和安装于二者之间的扭簧，三者同轴安装，供电线缆卷绕在外滚筒上，通过外滚筒的转动可实现收放线。

优选地，所述检测子系统包括滚筒转动角度检测装置，用于检测内滚筒和外滚筒之间的角度差，并根据设定的触发值产生控制信号驱动步进电机运动。

优选地，所述驱动子系统包括步进电机、主动带轮、从动带轮和同步带，从动带轮通过键与内滚筒转轴固联。

优选地，所述的供电子系统的滑环外壳固定在固定架上，并且滑环与外滚筒同轴，滑环一端连接电源输入线，另一端连接供电电缆，保证供电电缆在转动时仍与电源稳定连接。

优选地，所述卷放线子系统的扭簧内侧与内滚筒固联，外侧与外滚筒固联，当内滚筒和外滚筒之间存在角度差时，扭簧将在二者之间产生一扭矩，为保证外滚筒平衡，供电电缆上将产生一拉力，从而达到使供电电缆张紧的目的。

优选地，所述检测子系统的检测装置可由编码器完成，或者限位开关完成。

优选地，当使用编码器实现检测功能时，在外滚筒左挡板上同轴安装有齿轮II，编码器安装在固定架上，在编码器轴上安装有齿轮I，齿轮I与II相互啮合，从而将外滚筒转动角度传递到编码器轴，从而实现对外滚筒转动角度的检测。

优选地，当使用限位开关实现检测时，限位开关的个数为2，安装于外滚筒内壁上，并在内滚筒侧面上设置有相应的凸起，当达到转角差时，凸起将与限位开关出点接触，触发电机运动信号。

优选地，当小型无人机飞行高度上升或者飞行距离增大时，供电线缆上拉力将增大，从而可带动外滚筒克服扭簧扭矩逆时针转动，实现自动放线；当小型无人机飞行高度下降或者飞行距离减小时，供电线缆上拉力将减小，外滚筒在扭簧扭矩作用下产生顺时针转动，实现自动收线。

优选地，当步进电机收到来自检测子系统的信号时，产生相应的转动，驱动力通过带传动系统传递至内滚筒，驱动内滚筒产生相应转动，跟随外滚筒的转动方向和角度，回补二者之间的角度差值，使扭簧回复到初始状态，为下一次收放线做准备。

附图说明

图1是本发明一种小型无人机恒张力供电系统整体示意图。

图2是本发明一种小型无人机恒张力供电系统内部结构剖视图

图3是本发明一种小型无人机恒张力供电系统驱动与传动系统示意图。

图4是本发明一种小型无人机恒张力供电系统内外滚筒及扭转弹簧安装示意图。

图5是本发明一种小型无人机恒张力供电系统内外滚筒及扭转弹簧安装剖视图。

图6是本发明一种小型无人机恒张力供电系统采用限位开关方案时的内外滚筒及限位开关安装示意图。

图7是本发明一种小型无人机恒张力供电系统采用限位开关方案时的整体示意图。

图8是本发明一种小型无人机恒张力供电系统供电线缆连接和走线示意图。

图9是本发明一种小型无人机恒张力供电系统应用场景示意图。

1-固定架，2-编码器，3-齿轮I，4-齿轮II，5-旋杯，6-法兰六角螺母，7-滑环电源输入线，8-滑环，9-轴承I，10-左法兰盘，11-外滚筒，12-左挡板，13-滑轮，14-滑轮固定块，15-右挡板，16-供电线缆，17-扭簧，18-右法兰盘，19-轴套，20-圆螺母II，21-内滚筒转轴，22-轴端止动垫片，23-键，24-轴端轴承，25-轴端轴承座，26-从动带轮，27-轴承II，28-同步带，29-内滚筒，30-步进电，31-电机座，32-主动带轮，33-限位开关I，34-限位开关II，35-压块，36-地面电源站，37-电源线，38-小型无人机，39-线缆连接头，40-便携式手提箱，41-开关电源，111-外滚筒卡槽，171-扭簧内侧翘曲端，172-扭簧外侧翘曲端，291-内滚筒卡槽，112-走线槽，292-内滚筒凸起，331-限位开关触头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明的无人机恒张力供电系统通过轻质供电电缆16连接小型无人机38，为小型无人机38提供直接供电或充电服务。为实现小型无人机38在飞行过程中的恒张力供电功能，该系统需要在小型无人机38飞行高度提升或者远离本系统时实现供电线缆16自动放线，在小型无人机38降落或者飞近系统时实现供电线缆16自动收卷，同时要保证供电线缆16上的拉力合适，在保证供电线缆16张紧的同时不影响小型无人机38飞行。下面结合附图对上述功能的具体实现方案进行说明。

如图1所示是一种小型无人机恒张力供电系统整体示意图，描述了整个供电系统的大致结构组成和外观。图2是一种小型无人机恒张力供电系统的内部剖视图，说明了系统的组成构件及装配关系。小型无人机恒张力供电系统由驱动子系统、检测子系统、卷放线子系统和供电子系统组成。

如图1、图2和图3所示，驱动子系统由电机座31、步进电机30、主动带轮32、同步带28、从动带轮26组成，整个装置安装于固定架1上。检测子系统由编码器2、齿轮I3和齿轮II4组成。卷放线子系统由内滚筒29、外滚筒11和安装在二者之间的扭簧17组成，供电子系统由滑环8和供电线缆16组成。出线点由滑轮固定块14和一对滑轮13组成。如图2所示，滑环8、齿轮II、外滚筒11、内滚筒29均同轴安装在固定架1上。

外滚筒11两侧分别设置有左挡板12和右挡板15，供电线缆16缠绕在外滚筒11上。通过外滚筒11的旋转实现供电线缆16的收放线。当小型无人机38升高时或飞行距离增大时，外滚筒11逆时针旋转实现放线，当小型无人机38下降或飞行距离减小时，外滚筒11顺时针旋转实现收线。

内滚筒29与内滚筒转轴21固联，内滚筒转轴21通过轴端轴承24安装在轴端轴承座25上，通过轴端止动垫片22对轴端轴承24进行限位。轴端轴承座25固定安装在固定架1上。

外滚筒11右侧固联有右法兰盘18，右法兰盘18与内滚筒转轴21同轴安装，二者之间设置有一对轴承II27，使得外滚筒11和内滚筒29之间可相对旋转。使用轴套19和圆螺母20对轴承II27进行限位。外滚筒左挡板12上同轴安装有左法兰盘10，并通过轴承I9安装在旋杯5上，旋杯5通过法兰螺母6固定在固定架1上。旋杯5内部中空，用于安装滑环8。滑环8对外连接电源输入线7，对内连接供电电缆16，起到二者之间的连接作用，保证供电电缆16在旋转过程中也始终顺利接上电源。

齿轮II4固定安装在左挡板12上，当外滚筒11旋转时，齿轮II4随之同轴旋转。编码器2安装在固定架1上，编码器2轴上同轴安装有齿轮I3，齿轮I3与齿轮II4啮合，从而将外滚筒11的转动传递给编码器2，通过编码器2可测得外滚筒11转动的角度值。

如图3示意了装置的驱动子系统和动力传递过程。步进电机30通过电机座31固定安装在固定架1上。当步进电机30收到运动信号时产生转动，并带动主动带轮32同轴旋转，驱动力通过同步带28带动从动带轮26转动，从动带轮26通过键23与内滚筒转轴21同轴固联，从而带动内滚筒29转动。

如图4和图5详细说明了内滚筒29、外滚筒11和扭簧17之间的安装固定方式。内滚筒29圆柱侧面上加工有内滚筒卡槽291，外滚筒11圆柱侧面上加工有外滚筒卡槽111，扭簧17内外端分别制作有内侧翘曲端171和外侧翘曲端172。安装时内滚筒29、扭簧17和外滚筒11同轴安装，同时扭簧内侧翘曲端171卡入内滚筒卡槽291内，与内滚筒29相对固定，扭簧外侧翘曲端172卡入外滚筒卡槽111内，与外滚筒11相对固定。当内滚筒29和外滚筒11发生相对转动时，扭簧17上的力矩将发生改变，从而影响供电线缆16上的拉力。

系统还设置有出线点，由一对滑轮13和滑轮固定块14组成。供电线缆16从一对滑轮13中间穿过连接小型无人机38。

如图6示意了本发明一种无人机恒张力供电系统的应用场景示意图。使用时，所述无人机恒张力供电系统放置于一便携式手提箱40内，可便利携带。箱内还配备有开关电源41，开关电源41为步进电机30和滑环8提供电能。整个装置的电力来源可以通过箱体的电源接口使用电源线37连接地面电源站36获得，也可以在箱内放置大容量电池。供电系统出线点的滑轮13安装在便携式手提箱40侧壁上，通过该出线点引出供电线缆16，并通过线缆连接头39连接小型无人机38，为小型无人机38在工作过程中供电。

如图7示意了供电线缆16的连接和走线图。供电线缆16通过滑环8与滑环电源输入线7连接，滑环电源输入线7固定，而供电线缆16会随外滚筒11转动，滑环8保证了在供电线缆16转动时与电源的平稳连接。供电线缆16从滑环8通过外滚筒11一侧的线槽112(如图6所示)引出到外滚筒11外侧并卷绕在外滚筒外表面，然后末端通过出线点引出连接小型无人机38。压块35对供电线缆16起限位和固定作用。

系统的供电工作过程如下。初始安装时，对内滚筒29和外滚筒11之间设定一角度差，此时扭簧17上将产生一力矩，在该力矩的作用下供电线缆16将保持一个恒定的拉力值。该力矩值不能设置过大，否则将牵制小型无人机38的飞行，同时该力矩值不能设置过小，否则无法实现供电线缆16的张紧和自动收线功能。当小型无人机38飞行高度升高或飞行距离增大时，供电线缆16上的拉力值将增大，当其作用于外滚筒11上的力矩大于扭簧17力矩时，供电线缆16将在小型无人机38的拉动下向外放线，外滚筒11将顺时针旋转，而此时内滚筒29静止，扭簧17外端随外滚筒11转动将导致扭簧17力矩增大，显然该力矩只能小范围增大，否则将影响顺利放线和小型无人机38的飞行，因此需要内滚筒29跟踪外滚筒11的转动。编码器2检测到外滚筒11的顺时针转动角度，并设定一定的触发值，当外滚筒11的转动角度达到该触发值时，发出信号控制步进电机30驱动内滚筒29顺时针转动，从而释放扭簧17上的扭矩，使其回复到初始扭矩值。因此通过本装置可实现当小型无人机38飞行高度升高或飞行距离增大时对供电线缆16的自动放线过程。当小型无人机38飞行高度降低或飞行距离减小时，供电线缆16上的拉力值将减小，其作用于外滚筒11上的力矩小于扭簧17力矩时，外滚筒11将在扭簧17的力矩作用下逆时针旋转，实现供电线缆16的自动收线过程。此时内滚筒29静止，扭簧17外端随外滚筒11转动将导致扭簧17力矩减小，显然该力矩只能小范围减小，否则将影响收线的进行，因此此时仍需要内滚筒29跟踪外滚筒11的逆时针转动。编码器2检测到外滚筒11的逆时针转动角度，并设定一定的触发值，当外滚筒11的转动角度达到该触发值时，发出信号控制步进电机30驱动内滚筒29逆时针转动，从而增大扭簧17上的扭矩，使其回复到初始扭矩值。因此通过本装置可实现当小型无人机38飞行高度降低或飞行距离减小时对供电线缆16的自动收线过程。通过改变设定的编码器触发值，可以实现内滚筒29对外滚筒11不同精度的随动跟踪，通过编码器2还可实现内滚筒29和外滚筒11的实时随动跟踪，从而可保证供电线缆16上的张力始终为恒定值。

如图8示意了本发明一种无人机恒张力供电系统的另一种实现方案，可采用限位开关代替编码器2对内滚筒29和外滚筒11之间的相对位置进行检测。如图6所示，在外滚筒11内侧壁上安装有限位开关I33和限位开关II34，同时内滚筒29的一端有一凸起端292。当系统在拉力作用下放线时，外滚筒11逆时针转动，带动限位开关I33随之转动，此时内滚筒29静止。当放线达到一定距离时，随着外滚筒11转动，扭簧17上力矩将逐渐增大，限位开关I33上的触头331将触碰到内滚筒29上的凸起292，此时发出一电信号，驱动步进电机30带动内滚筒29逆时针转动一定角度，使得内滚筒29和外滚筒11之间的相对位置和扭簧17上的力矩回到初始状态，同时触头331和内滚筒凸起292脱离。当无人机降落时，线缆上的拉力减小，外滚筒11将在扭簧17力矩作用下顺时针转动，实现线缆自动收卷，外滚筒11当转动一定角度时，扭簧17上的力矩将不断减小，同时限位开关II34将不断向内滚筒凸起292靠近，直到二者接触。二者接触时发出一电信号，驱动步进电机30带动内滚筒29顺时针转动一定角度，使得内滚筒29和外滚筒11之间的相对位置和扭簧17上的力矩回到初始状态，同时限位开关II34的触头331和内滚筒凸起292脱离。通过限位开关的检测，可以实现绳索的自动收放线过程。限位开关I33和限位开关II34之间的角度α限定了内滚筒29一次可以旋转的最大角度，α的值可根据要求调整。如要求供电线缆16的拉力值变化小时，应取较小的α值，使得内滚筒29更加频繁地跟踪外滚筒11转动，如果对供电线缆16拉力变化限定较宽松，可以取较大的α值。当采用限位开关作为检测子系统时，外部不再需要安装编码器2和齿轮I3、II4，此时恒张力供电系统整体外观如图9所示。

值得注意的是，尽管上面结合附图对本发明的技术方案和优选实施例进行了详细描述，但本发明并不仅仅局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，本领域的相关技术人员受本发明的启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求保护范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种小型无人机恒张力供电系统，其特征在于：

包括供电子系统、卷放线子系统、检测子系统和和驱动子系统，所述供电子系统包括滑环（8）和供电线缆（16），供电线缆（16）一端通过滑环（8）连接地面电源站（36），另一端在外滚筒（11）上卷绕后引出连接小型无人机（38）为其供电；

所述卷放线子系统包括内滚筒（29）、外滚筒（11）和安装于二者之间的扭簧（17），三者同轴安装，扭簧（17）内侧与内滚筒（29）固联，外侧与外滚筒（11）固联，供电线缆（16）卷绕在外滚筒（11）上，通过外滚筒（11）的转动可实现收放线；

当内滚筒（29）和外滚筒（11）之间存在角度差时，扭簧（17）将在二者之间产生扭矩，外滚筒（11）将扭矩转化为供电线缆（16）上的拉力，使供电线缆（16）张紧，角度差直观的反映了供电线缆（16）的张紧力；

所述检测子系统包括滚筒转动角度检测装置，用于检测内滚筒（29）和外滚筒（11）之间的角度差，并根据设定的触发值产生控制信号驱动步进电机（30）运动，通过对角度的跟踪，实现对供电线缆（16）上的张紧力控制；

所述驱动子系统包括步进电机（30）、主动带轮（32）、从动带轮（26）和同步带（28），从动带轮（26）通过键（23）与内滚筒转轴（21）固联。

2.根据权利要求1所述的一种小型无人机恒张力供电系统，其特征在于：所述滑环（8）外壳固定在固定架（1）上，并且滑环（8）与外滚筒（11）同轴，滑环（8）一端连接电源输入线（7），另一端连接供电线缆（16），保证供电线缆（16）在转动时仍与电源稳定连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种小型无人机恒张力供电系统，其特征在于，所述滚筒转动角度检测装置可由编码器完成，或者限位开关完成。

4.根据权利要求3所述的一种小型无人机恒张力供电系统，其特征在于，当使用编码器（2）实现检测功能时，在外滚筒（11）左挡板（12）上同轴安装有齿轮II（4），编码器（2）安装在固定架（1）上，在编码器（2）轴上安装有齿轮I（3），齿轮I（3）与齿轮II（4）相互啮合，从而将外滚筒（11）转动角度传递到编码器（2）轴，从而实现对外滚筒（11）转动角度的检测。

5.根据权利要求3所述的一种小型无人机恒张力供电系统，其特征在于，当使用限位开关实现检测时，限位开关（33，34）的个数为2，安装于外滚筒（11）内壁上，并在内滚筒（29）侧面上设置有相应的凸起（292），当达到转角差时，凸起（292）将与限位开关触点（331）接触，触发步进电机（30）运动信号。

6.根据权利要求1或2所述的一种小型无人机恒张力供电系统，其特征在于，当小型无人机（38）飞行高度上升或者飞行距离增大时，供电线缆（16）上拉力将增大，从而可带动外滚筒（11）克服扭簧（17）扭矩逆时针转动，实现自动放线，同时内滚筒（29）和外滚筒（11）之间的角度差增大；当小型无人机（38）飞行高度下降或者飞行距离减小时，供电线缆（16）上拉力将减小，外滚筒（11）在扭簧（17）扭矩作用下产生顺时针转动，实现自动收线，同时内滚筒（29）和外滚筒（11）之间的角度差减小。

7.根据权利要求1或2所述的一种小型无人机恒张力供电系统，其特征在于，当步进电机（30）收到来自检测子系统的信号时，步进电机（30）产生相应的转动，并通过带传动系统传递至内滚筒（29），驱动内滚筒（29）产生相应转动，跟随外滚筒（11）的转动方向和角度，回补二者之间的角度差值，使扭簧（17）回复到初始拉伸状态，为下一次收放线做准备。

8.根据权利要求1或2所述的一种小型无人机恒张力供电系统，其特征在于，通过设置初始状态下内滚筒（29）和外滚筒（11）之间的角度差，可以调整该恒张力供电系统中供电线缆（16）的初始拉力值。

9.根据权利要求4所述的一种小型无人机恒张力供电系统，其特征在于，编码器（2）反馈的脉冲信号，可以直接作为步进电机（30）的控制信号。

10.根据权利要求5所述的一种小型无人机恒张力供电系统，其特征在于，限位开关（33,34）反馈的开关量信号，可以控制步进电机（30）的正转或反转，带动供电线缆（16）收放。

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