CN109795693B - 一种小型无动力无人机挂载装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小型无动力无人机挂载装置，包括：基座、装载碳杆、舵机插销以及橡胶绷带；所述装载碳杆上端固定在基座的中部，碳纤维圆柱杆外面套有弹簧，弹簧的上端固定在基座上，弹簧下端固定安装有限位固定装置，限位固定装置内部开孔，用于碳纤维圆柱杆从其中穿过，其下表面开有与被装载无人机表面形状相适应的凹槽，橡胶绷带的一端固定在基座上，位于装载碳杆的一侧，另一端为自由端；舵机插销固定在基座上，位于装载碳杆的另一侧，用于固定或释放橡胶绷带的自由端。本发明采用高强度、低重量的材料以及较为简单的挂载结构，有效地减少了整体重量、增加了强度；被挂载无人机采用叠层式的挂载结构，可以有效地增加挂载数量，减少载荷体积。

Description

一种小型无动力无人机挂载装置

技术领域

本发明涉及飞行器载荷的装载、投放控制技术领域，尤其涉及一种小型无动力无人机挂载装置。

背景技术

众所周知，无人机是一种机上无人，仅通过无线电遥控指令、程序控制等方式即可自主执行任务的飞行器，具有灵活性高、成本低、使用方便等诸多优点，广泛应用于民用、军用等领域。

无人机起飞有多种方式，例如火箭发射、跑道滑跑以及高空投放等。其能够执行多种任务，例如高空靶机、军事侦察、目标打击等。对于传统的挂载任务来说，常用的挂架形式如图1(a)和图1(b)所示，其中图1(a)为单点挂架，图1(b)为多点挂架。通常，挂架的上部与飞机机体相连，挂架上挂载任务载荷时，首先要收回相应的控制插销，任务载荷安装完毕后，重新插上控制插销，将任务载荷牢固地挂载到挂架上，任务载荷装载完毕。

然而，虽然现有的任务装载挂架可以完成载荷挂载任务，但是其存在如下缺点：

(1)载荷挂载数量少

由于传统的挂载装置在挂载多个载荷时，多个载荷全部集中在一个挂载平面内，并且对于较大体积的任务载荷来说，一组挂架通常只能挂载一件载荷，由此导致挂载数量少，在要求挂载数量多、载荷重量小的应用中显得力不从心。

(2)结构较为复杂，重量较大

传统的投放装置普遍采用金属材料(如铝合金)制成，适用于载重较大，结构强度较高的有人飞机，而对于无人机来说，无论是载重量还是机体强度都差于有人机，因此，金属材料投放装置不适用于要求无人机整体重量轻的应用场合。

(3)传统挂架不适合挂载小型无人机

在一些重要的军事应用中，无人机的挂载任务是挂载小一些无人机(以下简称“被挂载无人机”)，相对于普通的任务载荷再说，被挂载无人机的外形较为复杂，并且存在一定的气动外形，结构强度不高，这种情况下，传统挂架根本无法实现稳定固定的挂载。

发明内容

为了使得挂载装置更好地适应无人机载荷的外形，增加无人机载荷的挂载数量，简化挂载装置的结构并降低其重量，本发明提供一种新颖、实用的小型无动力无人机挂载装置。

一种小型无动力无人机挂载装置，包括：基座、装载碳杆、舵机插销以及橡胶绷带；

所述装载碳杆主体为一根碳纤维圆柱杆，其上端固定在基座的中部并垂直安装在基座上；碳纤维圆柱杆外面套有和其长度相当的弹簧，弹簧的上端固定在基座上，弹簧下端固定安装有限位固定装置，限位固定装置可跟随弹簧做上下自由运动；

限位固定装置内部开孔，用于碳纤维圆柱杆从其中穿过，其下表面开有与被装载无人机表面形状相适应的凹槽，用于限制被装载无人机的机头朝向以及位置固定；

橡胶绷带的一端固定在基座上，位于装载碳杆的一侧，另一端为自由端；舵机插销固定在基座上，位于装载碳杆的另一侧，用于固定或释放橡胶绷带的自由端。

进一步地，如上所述的小型无动力无人机挂载装置，所述舵机插销包括：舵机、舵机臂、插销、左限位座右限位座；

舵机和左限位座、右限位座依次间隔安装在基座上；舵机臂为安装在舵机上的一个可摆动的机械臂，其一端与舵机的输出轴固定连接，另一端与插销枢轴连接，在左限位座、右限位座上相对位置设置有插销孔，所述插销插入在插销孔内；

舵机臂依靠舵机内部电机输出的转动力摆动，以此控制插销是否同时穿过左限位座、右限位座上的插销孔，即由舵机带动舵机臂，实现插销的打开和关闭。

进一步地，如上所述的小型无动力无人机挂载装置，所述橡胶绷带的自由端连接有装载环，装载环用于在将被投放无人机固定安放后，放在舵机插销的左限位座右限位座之间，通过插销插入而被固定。

进一步地，如上所述的小型无动力无人机挂载装置，所述限位固定装置包括矩形底板，矩形底板上正中开有通孔，孔的大小正好能够容下碳纤维圆柱杆，在矩形底板上通孔的两侧固定安装有竖直放置的左矩形板和右矩形板，两块矩形板与矩形底板的两条对边平行且在矩形底板上对称放置，两块矩形板的上边沿分别开有与被挂载无人机表面形状相适应的槽。

进一步地，如上所述的小型无动力无人机挂载装置，所述限位固定装置通过整体加工形成。

进一步地，如上所述的小型无动力无人机挂载装置，所述舵机通过时序控制电路控制其工作；

所述时序控制电路包括单片机、复位电路、时钟振荡电路、电源及滤波电路、LED指示电路、程序下载电路、输入输出接口电路；其中

单片机，其利用内部定时器产生基准计时信号，通过读取外部中断输入的方式采集遥控指令信号，根据单片机内部存储的时序控制逻辑表生成时序控制指令，再利用内部定时器产生的基准计时信号，由I/O端口生成控制舵机插销中舵机的脉冲宽度调制PWM信号，单片机是时序控制电路的核心；

复位电路，其为单片机提供上电自复位信号，在系统工作时保持高电平状态，同时在需要时提供手动系统复位功能；

时钟振荡电路，由无源晶振以及无极性电容构成无源振荡电路，为单片机提供稳定的方波时钟信号；

电源及滤波电路，电源为整个系统提供电力，滤波电路通过二极管整流、无极性电容高频滤波以及电解电容低频滤波，提供电源滤波的功能；

LED指示电路，通过单片机的I/O端口分别连接LED发光二极管以及相应的限流电阻，用于显示系统工作状态以及可能出现的故障模式；

程序下载电路，其为单片机提供控制程序下载功能，用于将投放时序等指令下载到单片机中；

输入输出接口电路，一方面用于接收遥控指令信号并传输给单片机，另一方面将单片机输出的舵机控制信号传送给舵机。

与现有技术相比，本发明装置的主要特点是：一组挂载装置可以同时挂载多架无人机；挂载装置自身重量较小，强度较高；挂载装置很好地适应了无人机的外形，空间运用效率较高。整个装置设计简单、成本低、体积小，适用于小型无动力无人机的挂载、投放的控制。

附图说明

图1(a)为现有技术单挂载位机载挂架的结构示意图；

图1(b)为现有技术多挂载位机载挂架的结构示意图；

图2是本发明小型无动力无人机挂载装置结构示意图；

图3(a)为本发明限位固定装置结构示意图一；

图3(b)为本发明限位固定装置结构示意图二；

图4是本发明舵机插销结构示意图；

图5是本发明时序控制电路的结构框图；

图6是本发明时序控制电路的电路图；

图7是本发明被挂载无人机载荷的三视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的小型无动力无人机的挂载、投放及时序控制装置由多组机械装载支架和对多组机械装载支架进行投放控制的时序控制电路组成。

(一)机械装载支架

如图2所示，机械装载支架包括基座1、装载碳杆2、舵机插销3以及橡胶绷带4。具体如下。

基座1是机械装载支架所有部件的安装基板，也是机械装载支架与载机无人机的连接部件,为面状薄片刚体结构，例如可以为矩形薄片结构，或其他适于一个侧面固定安装机械装载支架所有部件、另一个侧面与载机无人机固定连接的薄片结构，可以是平面薄片，也可以是适应载机无人机表面形状的曲面薄片。出于例示的目的，图2仅示出矩形薄片结构的基座1，其一个侧面固定安装在载机无人机的机体或者机翼下侧，另一个侧面的左、中、右分别安装有舵机插销3、装载碳杆2以及橡胶绷带4。

装载碳杆2，安装在基座1的中部，用于装载被投放无人机。装载碳杆2主体为一根碳纤维圆柱杆201，其上端固定在基座1的中部并垂直安装在基座1上；碳纤维圆柱杆201外面套有和其长度相当的弹簧202，弹簧202的上端固定在基座1上，弹簧202下端可以压缩，限位固定装置203固定安装在弹簧202下端，因此限位固定装置203可跟随弹簧202做上下自由运动。限位固定装置203内部开孔，用于碳纤维圆柱杆201从其中穿过，其下表面开有与被装载无人机表面形状相适应的凹槽，用于限制被装载无人机的机头朝向以及位置固定。载机无人机装载被投放无人机后，限位固定装置203随同被投放无人机一起，通过橡胶绷带4的拉紧作用，沿着碳纤维圆柱杆201的方向(穿过碳纤维圆柱杆201)被压向基座1的下表面并保持固定。

限位固定装置203可以整体加工形成，如图3(a)所示，例如，取一个长方体坚固材料，先在上表面开“V”型槽，然后从上表面到下表面开有通孔，通孔的中心与限位固定装置203上、下表面的中心重合，孔的大小正好能够容下碳纤维圆柱杆201，使限位固定装置203能够穿过碳纤维圆柱杆201并沿其移动；限位固定装置203也可以简单地由三块板形成，如图3(b)所示，包括矩形底板2001，板上正中开有通孔，孔的大小正好能够容下碳纤维圆柱杆201，在矩形底板2001上通孔的两侧固定安装有竖直放置的两块矩形板2002和2003，两块矩形板2002和2003与矩形底板2001的两条对边平行且在矩形底板2001上对称放置，两块矩形板的上边沿分别开有与被挂载无人机表面形状相适应的“V”型槽。也可以采用本领域技术人员所知的其他方式加工这种具有“V”型槽的限位固定装置203。

此外，所谓的“V”型槽泛指与被投放无人机表面形状相适应的槽，其具体形状应适应于被投放无人机表面的具体形状，以达到使被投放无人机与限位固定装置203保持位置相对固定的目的。例如，如果被投放无人机表面为“W”型、弧形或本领域技术人员熟知的其他形状，则限位固定装置203表面所开槽形要与之相适应。

如图2所示，舵机插销3上表面固定在基座1上。如图4所示，舵机插销3包括舵机31，舵机臂32、插销33和左限位座34、右限位座35，舵机31和左限位座34、右限位座35依次间隔安装在基座1上。舵机臂32是安装在舵机31上的一个可以摆动的机械臂，其一端与舵机31的输出轴固定连接，另一端与插销33枢轴连接，舵机臂32依靠舵机31内部电机(未示出)输出的转动力摆动，以此控制插销33的开合，即，由舵机31带动连杆(舵机臂32)，可以实现插销33的打开和关闭。

橡胶绷带4上端固定在基座1上，下端连接有装载环41，装载环41用于在将被投放无人机固定安放后，放在舵机插销3的左限位座34、右限位座35之间，通过插销33插入而被固定。

被投放无人机装载过程：装载被投放无人机时，先将限位固定装置203向上压紧弹簧202，露出一截碳纤维圆柱杆201；此时，将多个如图7所示的被投放无人机摞在一起压紧，每个被投放无人机背部相同位置都有通孔，通孔大小适合穿过碳纤维圆柱杆201，将多个被投放无人机穿入碳纤维圆柱杆201，露出碳纤维圆柱杆201下端；将橡胶绷带4自右向左、从被挂载无人机下面拉过，并将装载环41放在左限位座34、右限位座35之间；通过时序控制电路控制舵机31内部的电机转动，带动舵机臂32转动，控制插销33的闭合，由此将装载环41固定(卡)在左限位座34、右限位座35之间，从而装载好被投放无人机。

被投放无人机释放过程：通过时序控制电路控制舵机31内部的电机转动，带动舵机臂32转动，控制插销33打开，由此释放固定(卡)在左限位座34、右限位座35之间的装载环41；装载环41由于橡胶绷带4的弹力作用而弹回，被挂载无人机在弹簧202的弹力作用下依次从碳纤维圆柱杆201下端滑落，从而被释放。

基座1、限位固定装置203、左限位座34、右限位座35都由重量较轻的材料制得，例如木料、复合材料、塑料等，在本发明的一个实施例中，它们都由航空层板加工而成。

舵机臂32、插销33、装载环41也使用较轻的坚固材料制得，例如塑料、质量较轻的金属。在本发明的一个实施例中，舵机臂32使用塑料材料，插销33、装载环41选用铝合金材料。

橡胶绷带为弹性材料，在本发明的一个实施例中，采用10mm宽的环形橡胶带。

时序控制电路

时序控制电路包括单片机11、复位电路12、时钟振荡电路13、电源及滤波电路14、LED指示电路15、程序下载电路16、输入输出接口电路17，如图5所示。

单片机11，其利用内部定时器产生基准计时信号，通过读取外部中断输入的方式采集遥控指令信号，根据单片机11内部存储的时序控制逻辑表生成时序控制指令，再利用内部定时器产生的基准计时信号，由I/O端口生成控制舵机插销3中舵机31的脉冲宽度调制(PWM)信号，单片机11是时序控制电路的核心。在本发明的一个实施例中，单片机11采用的是ATmega328p单片机。

复位电路12，其为单片机11提供上电自复位信号，在系统工作时保持高电平状态，同时在需要时提供手动系统复位功能。在本发明的一个实施例中，复位电路12采用上拉电阻、触动开关接地的形式。

时钟振荡电路13，由无源晶振以及无极性电容构成无源振荡电路，为单片机11提供稳定的方波时钟信号。在本发明的一个实施例中，时钟振荡电路13的振荡频率为16MHz。

电源及滤波电路14，电源为整个系统提供电力，滤波电路通过二极管整流、无极性电容高频滤波以及电解电容低频滤波，提供电源滤波的功能。

LED指示电路15，通过单片机11的I/O端口分别连接LED发光二极管以及相应的限流电阻，用于显示系统工作状态以及可能出现的故障模式。在本发明的一个实施例中，通过单片机11的两个I/O端口分别连接两只LED发光二极管以及相应的限流电阻。

程序下载电路16，其为单片机11提供控制程序下载功能，用于将投放时序等指令下载到单片机11中。

输入输出接口电路17，一方面用于接收遥控指令信号并传输给单片机11，另一方面将单片机11输出的舵机控制信号传送给舵机31。在本发明的一个实施例中，输入输出接口电路17由单片机11的14个I/O端口引出，并与电源正以及电源负组成14组信号、正、负标准的输入输出接口，从而完成舵机投放动作的控制。

时序控制电路结构如图6所示。

1.输入信号

(1)外部的+5V电压和GND，为单片机以及外围电路提供直流稳压电源；

(2)两路遥控指令信号输入信号PWM_IN1、PWM_IN2；

(3)在线串行编程(ICSP)以及晶体管-晶体管逻辑(TTL)编程下载信号。

2.输出信号

(1)12路舵机控制输出信号SERVO1至SERVO12；

(2)两路LED指示信号。

3.时序控制电路结构

如图5所示，系统工作时外部提供的+5V直流电源(在本实例中使用Li-Po电池经过稳压获得)经过电源及滤波电路14，由电源滤波电路稳压、滤波后为系统提供工作电源；系统上电后，由复位电路14产生上电复位信号至单片机11，在时钟振荡电路13的振荡信号驱动下，单片机11开工作；系统首先通过输入输出接口电路17读取遥控指令PWM信号，经过单片机11内部程序的解算得出一定的输入输出关系，并通过一定的时序关系从输入输出接口电路17输出至舵机，同时通过LED指示电路给用户提供一定的工作状态信息。

在本发明的一个实施例中，时序控制电路结构如图6所示。图中，MCU为8位单片机微处理器(例如ATMega328p)，JP1、JP2、JP3、JP4、JP5为标准电连接器.MCU的4、6、18端接+5V直流电源，在该+5V直流电源与地之间，接C4(0.1uF无源电容)、C5(4.7uF无源电容)、R4(电阻值为1K欧姆)与LED3串联、D3(IN4007二极管)与JP3串联，在该+5V直流电源与MCU的29端之间，接R1(电阻值为1K欧姆)，在在MCU的29端与地之间接SW(轻触开关)MCU的7端口与8端口通过Y1(16MHz无源晶振)连接起来，MCU的7、8端口分别接C1(22pF无源电容)、C2(22pF无源电容)后接地，MCU的20端口接C3(0.1uF无源电容)后接地，MCU的3、5、21端口接地，MCU的30、31端口分别接LED1串R2(电阻值为1K欧姆)以及LED2串R3(电阻值为1K欧姆)后接地。JP1的2端接+5V直流电源，JP1的6端口接地，JP1的1、3、4、5分别与MCU的15、17、15、29端口连接。JP2的1端接+5V直流电源，JP2的2端口接地，JP2的3、4分别与MCU的31、30端口连接。JP4的17至28端接+5V直流电源，JP4的29至42端口接地，JP4的1至14分别与MCU的32、1、2、9至17、23、24端口连接。JP5的1端接+5V直流电源，JP5的2端口接地，JP5的3至8分别与MCU的25至22端口连接。

本发明优点在于：采用了高强度、低重量的材料以及较为简单的挂载结构，有效地减少了整体重量、增加了强度；被挂载无人机采用叠层式的挂载结构，可以有效地增加挂载数量，减少载荷体积。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种小型无动力无人机挂载装置，其特征在于，包括：基座(1)、装载碳杆(2)、舵机插销(3)以及橡胶绷带(4)；

所述装载碳杆(2)主体为一根碳纤维圆柱杆(201)，其上端固定在基座(1)的中部并垂直安装在基座(1)上；碳纤维圆柱杆(201)外面套有和其长度相当的弹簧(202)，弹簧(202)的上端固定在基座(1)上，弹簧(202)下端固定安装有限位固定装置(203)，限位固定装置(203)可跟随弹簧(202)做上下自由运动；

限位固定装置(203)内部开孔，用于碳纤维圆柱杆(201)从其中穿过，其下表面开有与被装载无人机表面形状相适应的凹槽，用于限制被装载无人机的机头朝向以及位置固定；

橡胶绷带(4)的一端固定在基座(1)上，位于装载碳杆(2)的一侧，另一端为自由端；舵机插销(3)固定在基座(1)上，位于装载碳杆(2)的另一侧，用于固定或释放橡胶绷带的自由端。

2.根据权利要求1所述的小型无动力无人机挂载装置，其特征在于，所述舵机插销(3)包括：舵机(31)、舵机臂(32)、插销(33)、左限位座(34)、右限位座(35)；

舵机(31)和左限位座(34)、右限位座(35)依次间隔安装在基座(1)上；舵机臂(32)为安装在舵机(31)上的一个可摆动的机械臂，其一端与舵机(31)的输出轴固定连接，另一端与插销(33)枢轴连接，在左限位座(34)、右限位座(35)上相对位置设置有插销孔，所述插销(33)插入在插销孔内；

舵机臂(32)依靠舵机(31)内部电机输出的转动力摆动，以此控制插销(33)是否同时穿过左限位座(34)、右限位座(35)上的插销孔，即由舵机(31)带动舵机臂(32)，实现插销(33)的打开和关闭。

3.根据权利要求2所述的小型无动力无人机挂载装置，其特征在于，所述橡胶绷带(4)的自由端连接有装载环(41)，装载环(41)用于在将被投放无人机固定安放后，放在舵机插销(3)的左限位座(34)、右限位座(35)之间，通过插销(33)插入而被固定。

4.根据权利要求1所述的小型无动力无人机挂载装置，其特征在于，所述限位固定装置(203)包括矩形底板(2001)，矩形底板(2001)上正中开有通孔，孔的大小正好能够容下碳纤维圆柱杆(201)，在矩形底板(2001)上通孔的两侧固定安装有竖直放置的左矩形板(2002)和右矩形板(2003)，两块矩形板与矩形底板(2001)的两条对边平行且在矩形底板(2001)上对称放置，两块矩形板的上边沿分别开有与被挂载无人机表面形状相适应的槽。

5.根据权利要求1所述的小型无动力无人机挂载装置，其特征在于，所述限位固定装置(203)通过整体加工形成。

6.根据权利要求2所述的小型无动力无人机挂载装置，其特征在于，所述舵机(31)通过时序控制电路控制其工作；

所述时序控制电路包括单片机(11)、复位电路(12)、时钟振荡电路(13)、电源及滤波电路(14)、LED指示电路(15)、程序下载电路(16)、输入输出接口电路(17)；其中

单片机(11)，其利用内部定时器产生基准计时信号，通过读取外部中断输入的方式采集遥控指令信号，根据单片机(11)内部存储的时序控制逻辑表生成时序控制指令，再利用内部定时器产生的基准计时信号，由I/O端口生成控制舵机插销(3)中舵机(31)的脉冲宽度调制PWM信号，单片机(11)是时序控制电路的核心；

复位电路(12)，其为单片机(11)提供上电自复位信号，在系统工作时保持高电平状态，同时在需要时提供手动系统复位功能；

时钟振荡电路(13)，由无源晶振以及无极性电容构成无源振荡电路，为单片机(11)提供稳定的方波时钟信号；

电源及滤波电路(14)，电源为整个系统提供电力，滤波电路通过二极管整流、无极性电容高频滤波以及电解电容低频滤波，提供电源滤波的功能；

LED指示电路(15)，通过单片机(11)的I/O端口分别连接LED发光二极管以及相应的限流电阻，用于显示系统工作状态以及可能出现的故障模式；

程序下载电路(16)，其为单片机(11)提供控制程序下载功能，用于将投放时序的指令下载到单片机(11)中；

输入输出接口电路(17)，一方面用于接收遥控指令信号并传输给单片机(11)，另一方面将单片机(11)输出的舵机控制信号传送给舵机(31)。

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