CN109774920A - 一种无人机机载稳定机构 - Google Patents

Abstract

本发明一种无人机机载稳定机构包括上平台、下平台、作动器、机构控制器和关节；下平台上固定的机构控制器感知无人机的姿态变化，并据此控制三个通过单自由度关节与下平台固联的作动器改变推杆长度，带动通过三个双自由度关节与作动器连接的上平台，使上平台在空间的姿态变化正好抵消无人机的姿态变化，使固联在上平台的载荷在无人机颠簸晃动时始终保持空间平衡稳定，从而有效降低上平台载荷的振动烈度，提升其空间稳定性。基于现代测控原理的数字控制机电一体化稳定机构，具有技术先进、测控精度高的明显特点；适于各种类型的无人机和小型飞行器。

Description

一种无人机机载稳定机构

技术领域

本发明属于工业自动化控制技术领域，尤其涉及一种高性能、低成本的无人机机载稳定机构，适于各种类型无人机和小型飞行器普及应用，避免或降低无人机自身的颠簸晃动对固连在该平台上的载荷的影响。

背景技术

无人机任务载荷多种多样，其效果和自身精度以及外围环境相关，一般任务载荷都对于无人机的飞行特性有相应的要求，尤其要求无人机在飞行过程中能够保持一定的姿态稳定度，但这又对无人机本体提出了苛刻要求，很多时候无法完全实现。

现有中小型无人机载荷多固联在无人机上，当无人机存在剧烈颠簸或晃动时，载荷会受到剧烈的耦合影响，使得其精度下降，甚至无法完成预定任务。稳定机构则可以很好的解决这一问题。查询现有专利、论文等公开技术文献涉及的无人机机载稳定设备，多为结构复杂的三轴或极坐标转台，生产成本高，体积重量大，不适合低成本小型无人机使用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于现代测控技术的机电一体化无人机机载稳定机构，当无人机存在剧烈颠簸或晃动时，能够减少载荷会受到剧烈的耦合影响，同时具有载荷能力强、结构易于实现、通用性强、成本低的优点，具有良好的市场应用前景。

本发明的技术方案是：一种无人机机载稳定机构，其特征在于：包括上平台、下平台、作动器、机构控制器和关节；上平台和下平台平行且相对设置，下平台用于与无人机机身连接，上平台用于安装载荷；作动器的两端分别通过关节与上、下平台铰接，所述作动器的数量大于等于三；所述机构控制器固定于下平台上；

与所述上平台铰接的关节以上平台的几何中心为中点周向均布；与所述下平台铰接的关节以下平台的几何中心为中点周向均布；

本发明的进一步技术方案是：所述作动器推杆一端分别通过双自由度关节与上平台连接，另一端分别通过单自由度关节与下平台连接。

本发明的进一步技术方案是：所述作动器包括电机、传动机构、丝杠、推杆、位置传感器、限位开关和基座；所述电机固定在基座上，传动机构将电机力矩输出到丝杠上；丝杠带动推杆完成直线往复运动，位置传感器用于反馈推杆的实时长度；限位开关固定在基座上，用于反馈到位指示信号。

本发明的进一步技术方案是：所述机构控制器包括中央控制器、惯性敏感元件、温度传感器、信号调理及接口单元、电机驱动单元及电源变换器；惯性敏感元件用于监测下基座的姿态变化。

有益效果

本发明的有益效果在于：下平台上固定的机构控制器感知无人机的姿态变化，并据此控制三个通过单自由度关节与下平台固联的作动器改变推杆长度，带动通过三个双自由度关节与作动器连接的上平台，使上平台在空间的姿态变化正好抵消无人机的姿态变化，使固联在上平台的载荷在无人机颠簸晃动时始终保持空间平衡稳定，从而有效降低上平台载荷的振动烈度，提升其空间稳定性。

1、基于现代测控原理的数字控制机电一体化稳定机构，具有技术先进、测控精度高的明显特点；

2、适于各种类型的无人机和小型飞行器；

3、结构简单，负载能力强，轮廓较低，易于生产和安装；

4、生产成本较低，具有较强的市场竞争力，应用前景广阔。

附图说明

图1是无人机机载稳定机构的结构示意图；

图2是作动器的组成框图；

图3是机构控制器的组成框图；

图4是信号调理单元实施原理图。

附图标记说明：1—上平台、2、3、4—上平台关节、5、6、7—作动器、8—下平台、9—机构控制器、10、11、12—下平台关节。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1，本实施例中，下平台8固定在无人机载体上，上平台1与载荷固联，即构成了无人机载荷。其中，下平台关节10、11、12采用单自由度关节铰链，距下平台的几何中心距离都为0.55米；作动器5、6、7的推杆最大推力设计为1500牛，行程设计为0.6米，最快速度设计为5米/秒；机构控制器9的电压输入为220伏50赫兹交流电；上平台关节2、3、4选用十字交叉铰(双自由度关节)，其距上平台的几何中心距离都为0.45米；上述参数可保证当无人机在横滚和纵摇角小于30度，载荷重量小于100公斤时，无人机载荷始终保持相对惯性静止坐标系的平衡，从而避免了载荷的剧烈晃动。

如图2所示的作动器组成框图，本发明的实施实例采用的电机为高速直流伺服电机；传动机构为二级齿轮啮合传动；丝杠选用P类滚珠丝杠，位置传感器选用增量式光电编码器，并与丝杠套轴联结，其输出为A、B两相差分信号；限位开关选用磁感应接近开关，当推杆到达极限位置时，其输出高电平信号。

如图3所示的机构控制器组成框图，本发明的实施采用Infineon公司的XMC4200ARM芯片作为中央控制器，其内部集成了多路A/D通道，可以直接采样信号调理单元输出的惯性敏感元件和温度传感器的模拟量输出信号，信号调理单元(单通道)的实现电路如图4所示，本实施例中的惯性敏感元件包括三轴加速度计、双轴陀螺仪；A/D采样结果经过数字滤波和角度解算，得到三个作动器的推杆长度指令；将其分别与三个作动器的推杆长度反馈信号进行PID闭环运算，得到的三路电压指令分别通过三个驱动器放大，从而带动三个作动器电机动作；作动器推杆的长度反馈信号即位置反馈，包括前述的光电编码器输出信号和接近开关输出信号，其通过XMC4200的事件检测单元进行解算；通讯接口单元利用XMC4200集成的CAN模块完成；电源变换单元将输入的220V交流电变换为高低两路直流电压，高直流电压为电机驱动器供电，低直流电压为机构控制器的其余模块供电。

具体工作过程为：惯性敏感元件监测下平台的姿态变化，通过参量变换、信号调理和接口单元，传送至中央控制器并进行数据比较、处理，实时控制三个驱动电机。过程控制如下：惯性敏感元件，(如三轴加速度传感器、双轴陀螺仪和温度补偿传感器)的输出作为二阶闭环系统的反馈信号。通过对双轴陀螺仪的速度信号进行积分，可得到下平台的粗精度空间姿态角，对三轴加速度传感器的输出信号解算可得到下平台的高精度姿态角，通过对三轴加速度计的输出信号解算可得到的下平台的高精度空间姿态角，用高精度空间姿态角定时修正低精度空间姿态角值，并结合温度反馈进行温度补偿，即可得到高实时性高精度的下平台空间姿态角，对该姿态角进行坐标变换可以得到三个电动推杆的实时长度，再通过位置闭环算法控制三个电机驱动器带动电机改变作动器的推杆长度，实现上平台的空间平衡稳定，通讯接口用于接收外部指令并向外输出机构的运行状态。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种无人机机载稳定机构，其特征在于：包括上平台、下平台、作动器、机构控制器和关节；上平台和下平台平行且相对设置，下平台用于与无人机机身连接，上平台用于安装载荷；作动器的两端分别通过关节与上、下平台铰接，所述作动器的数量大于等于三；所述机构控制器固定于下平台上；

与所述上平台铰接的关节以上平台的几何中心为中点周向均布；与所述下平台铰接的关节以下平台的几何中心为中点周向均布。

2.根据权利要求1所述无人机机载稳定机构，其特征在于：所述作动器推杆一端分别通过双自由度关节与上平台连接，另一端分别通过单自由度关节与下平台连接。

3.根据权利要求1所述无人机机载稳定机构，其特征在于：所述作动器包括电机、传动机构、丝杠、推杆、位置传感器、限位开关和基座；所述电机固定在基座上，传动机构将电机力矩输出到丝杠上；丝杠带动推杆完成直线往复运动，位置传感器用于反馈推杆的实时长度；限位开关固定在基座上，用于反馈到位指示信号。

4.根据权利要求1所述无人机机载稳定机构，其特征在于：所述机构控制器包括中央控制器、惯性敏感元件、温度传感器、信号调理及接口单元、电机驱动单元及电源变换器；惯性敏感元件用于监测下基座的姿态变化。