CN111857169A - 一种切割无人机姿态稳定机构及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种切割无人机姿态稳定机构及其控制方法，包括：上连接框，用于与无人机机身连接，在上连接框下部设置一个连接吊耳，通过连接吊耳吊装稳定机构主体；下配重机构，用于连接配重，在下配重机构底部设置有用于采集配重部分加速度的加速度传感器和相对地面角度的方向传感器；稳定驱动机构，连接于上连接框与下配重机构之间，包括绕X轴旋转驱动器、绕Y轴旋转驱动器，通过绕X轴旋转驱动器、绕Y轴旋转驱动器驱动配重摆动，产生与无人机失控方向反向的惯性，提升无人机飞行的稳定性；在所述无人机机身内内置有反馈控制器，反馈控制器通过收集无人机机身的摆动角度和摆动加速度控制X轴旋转驱动器和Y轴旋转驱动器进行旋转。
Description
技术领域
本发明涉及农业无人机设计领域，具体涉及一种切割无人机姿态稳定机构及其控制方法。
背景技术
小型多旋翼无人机选用的翼型多为标准升力翼型，仅提供飞行气动力，不提供其它功能。
园林与农林业使用的切割类工具，其切割体都是仅具有切割功能的刃具，不兼顾其它功能。
目前园林与农林行业的高空树枝切割，只能依靠人工攀爬至树冠高处，再进行切割作业，效率低，风险大，尤其在交通不便，大型机械难以抵达的山地种植区，由此产生的人员伤亡时有发生。
所以现在提出了一种采用带有切割旋翼的农业无人机替换人工进行核桃等硬核果实进行切割的无人机设备，但此种无人机设备目前最大的问题就是切割树枝撞击时，产生的反向力会导致无人机的飞行稳定性降低，因为农用无人机本身的自重较大，相比于轻型无人机更容易因为丧失稳定性而失控；所以就需要对无人机进行适当的改造，以提升其作业时的稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中农业无人机切割作业中飞行不稳定的技术问题，提供一种切割无人机姿态稳定机构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种切割无人机姿态稳定机构，包括：
上连接框，用于与无人机机身连接，在上连接框下部设置一个连接吊耳，通过连接吊耳吊装稳定机构主体；
下配重机构，用于连接配重，在下配重机构底部设置有用于采集配重部分加速度的加速度传感器和相对地面角度的方向传感器；
稳定驱动机构，连接于上连接框与下配重机构之间，包括绕X轴旋转驱动器、绕Y轴旋转驱动器，其中所述绕X轴旋转驱动器包括一个X轴旋转框，在X轴旋转框内设置有Y轴旋转驱动器，Y轴旋转驱动器包括一个位于X轴旋转框内的支撑块，支撑块与X轴旋转框之间转动连接；其中在X轴旋转框内设置有至少N组旋转驱动器A，相邻旋转驱动器A之间的夹角至多为180°，通过旋转驱动器A驱动支撑块相对X轴旋转框旋转；在所述支撑块内设置有一个轴线垂直于支撑块轴线的旋转柱；Y轴旋转驱动器还包括一个转动连接于旋转柱外部的Y轴旋转框，在旋转柱内设置有至少两组旋转驱动器B，相邻两组旋转驱动器B的夹角至多为180°，通过旋转驱动器B驱动旋转柱相对Y轴旋转框旋转；Y轴旋转框与上连接框固定连接，X轴旋转框与配重机构固定连接；
在所述无人机机身内内置有反馈控制器，反馈控制器通过收集无人机机身的摆动角度和摆动加速度控制X轴旋转驱动器和Y轴旋转驱动器进行旋转，使得下配重机构可以产生一个与无人机机身摆动角度和摆动加速度相反的重力分力，保证无人机的飞行稳定，配重机构的摆动速度和摆动加速度通过配重底部的加速度传感器和方向传感器进行采集。
作为本发明的进一步改进，在所述X轴旋转框内壁设置有一个环形的支撑圈，支撑圈朝向X轴旋转框内壁凸起，在支撑块的环形外壁设置有一个环形的滑动圈，滑动圈表面设置有一个环形的滑动槽，支撑圈的内圆嵌入到支撑圈中；通过支撑圈与滑动圈的互相嵌套，实现旋转支撑，以保证X轴旋转框与支撑块之间的稳定连接，相比于轴承结构降低了自重。
作为本发明的进一步改进，所述旋转驱动器A包括N个内嵌于X轴旋转框内壁的驱动辊A，其中N≥1，驱动辊A上同轴固定有一根旋转轴，旋转轴通过传动齿轮组连接到一个内装于X轴旋转框中的减速电机A的驱动轴上；在所述支撑块的外壁上同轴设置有N个环形的齿环A，齿环A与驱动辊A之间齿轮啮合连接。
作为本发明的进一步改进，所述旋转柱上加工有一个圆心在旋转柱轴线上的滑动槽，在所述Y轴旋转框的内壁上设置有嵌入到滑动槽内的凸起片，通过凸起片与滑动槽的嵌接实现旋转柱与Y轴旋转框的转动连接；同样采用嵌套结构实现旋转支撑，相比于轴承结构更简单，自重更低。
作为本发明的进一步改进，所述旋转驱动器B包括N个内嵌于旋转柱内部的驱动辊B，其中N≥1，驱动辊B连接到减速电机B上；所述Y轴旋转框的内壁设置有一个环形的齿环B，齿环B与驱动辊B之间啮合连接。
作为本发明的进一步改进，所述下配重机构包括一个连接于X轴旋转框下的下储水箱，下储水箱的底部为开口结构，并设置一个密封盖，在密封盖的中部设置有一个连接栓，连接栓的端部通过螺纹连接到下储水箱内部的封闭端；通过连接栓在下储水箱内部设置有一个多孔结构的储水块A，在密封盖内还设置有流动孔，流动孔上连接有流动管；下配重机构还配套有一组连接于上连接框上的上储水箱，在上储水箱内设置有一个多孔结构的储水块B；上储水箱通过一个转接架连接到上连接框上，所述连接架内设置有一个驱动泵，驱动泵的一端连接到上储水箱的底部，另一端连接到流动管上；上储水箱和下储水箱的结构可以适时的通过配重液体的流动，动态的调整无人机上部机身的重量以及底部配重的重量，在无人机需要进行切割时，可以通过提高无人机上部重量以提高无人机的惯性，提升切割冲击力和切割时的稳定性，在遇到较大冲击而使得无人机反弹时，则可以通过，排空上部储水箱的液体，降低无人机上部自重，降低惯性，降低修正篇摆过程中，给电机带来的负载，同时通过提高下部储水箱的重量，提高底部配重重量，进而可以提升底部惯性补偿机构所输出的反向惯性力，提高无人机恢复稳定的效率。
作为本发明的进一步改进，所述储水块A和储水块B均包括若干层储水层，每层储水层由若干个塑料薄管阵列固定而成，相邻两个储水层之间的塑料薄管错列布置；管状的储水机构相比于海绵、火山石等开孔率更大，流动效能更高，排水进水效率也更高。
一种切割无人机姿态稳定机构的控制方法：起始状态下，通过驱动泵，将下储水箱中的配重液体吸入到上储水箱中，通过增大无人机自身的重量提高无人机的惯性，在无人机飞向树枝或者果实进行切割时，会因为旋翼打击树枝或者果实而产生一个反向作用力，当反馈控制器获得的反向作用力产生的加速度和摆动角度超出阀值时，可以通过无人机机身内的反馈控制器采集当前无人机摆动角度和摆动加速度的数据，并记录无人机在无人机标准方向的X轴的摆动角度为X、Y轴的摆动角度为Y，X轴方向的加速度为X’,Y轴方向的加速度为Y’;随后通过驱动泵将上储水箱中的配重液体排入到下储水箱中，通过降低无人机机身的重量降低机身反弹时的惯性，同时提升底部配重的重量以提高配重摆动时的惯性，反馈控制器驱动旋转驱动器A和旋转驱动器B运动，并令旋转驱动器A和旋转驱动器B加速旋转，直到下配重机构的加速度传感器和相对地面角度的方向传感器获得的数据达到要求，其中在X轴反方向产生数值为X’的加速度,在Y轴反方向产生数值Y’的加速度，驱动X轴旋转框旋转-Y的摆动角度，同时驱动Y轴旋转框旋转-X的摆动角度；一次切割结束，随后下储水箱的配重液体回流到上储水箱。
本发明的有益效果是：
本发明通过在农业无人机下部附加一组可以自由摆动的配重机构，利用配重机构的扭转摆动实现在无人机失控过程中的反向驱动，从而保证无人机在速度方向的平衡，进而保证无人机自身的加速度的平衡。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是姿态稳定机构的结构示意图；
图2是上储水箱的结构示意图；
图3是图1A处的局部放大图；
图4是图1B处的局部放大图。
图中：1、连接吊耳；2、Y轴旋转框；3、连接轴；4、支撑块；5、旋转柱；6、X轴旋转框；7、下储水箱；8、上连接框；9、密封盖；10、转接架；11、上储水箱；12、支撑圈；13、滑动圈；14、驱动辊A；15、旋转轴；16、传动齿轮组；17、减速电机A；18、齿环A；19、驱动辊B；20、齿环B；21、凸起片；22、滑动槽；23、连接线缆；24、过线口；25、传感器总成；26、连接栓；27、流动孔；28、流动管；29、驱动泵；30、储水块A；31、储水块B。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明为一种切割无人机姿态稳定机构，包括：
上连接框，用于与无人机机身连接，在上连接框下部设置一个连接吊耳，通过连接吊耳吊装稳定驱动机构主体；
下配重机构，用于连接配重，在下配重机构底部设置有用于采集配重部分加速度的加速度传感器和相对地面角度的方向传感器；
稳定驱动机构，连接于上连接框与下配重机构之间，包括绕X轴旋转驱动器、绕Y轴旋转驱动器；
其中所述绕X轴旋转驱动器包括一个X轴旋转框，在X轴旋转框内设置有Y轴旋转驱动器，Y轴旋转驱动器包括一个位于X轴旋转框内的支撑块，支撑块与X轴旋转框之间转动连接，在所述X轴旋转框内壁设置有一个环形的支撑圈，支撑圈朝向X轴旋转框内壁凸起，在支撑块的环形外壁设置有一个环形的滑动圈，滑动圈表面设置有一个环形的滑动槽，支撑圈的内圆嵌入到支撑圈中；其中在X轴旋转框内设置有两组旋转驱动器A，相邻旋转驱动器A之间的夹角为180°，如图3，所述旋转驱动器A包括两个内嵌于X轴旋转框内壁的驱动辊A，两个驱动辊A上同轴固定有同一根旋转轴，旋转轴通过传动齿轮组连接到一个内装于X轴旋转框中的减速电机A的驱动轴上；在所述支撑块的外壁上同轴设置有N个环形的齿环A，齿环A与驱动辊A之间齿轮啮合连接，通过齿环A与驱动辊A的相对驱动，实现支撑块相对X轴旋转框旋转；在所述支撑块内设置有一个轴线垂直于支撑块轴线的旋转柱，Y轴旋转驱动器还包括一个转动连接于旋转柱外部的Y轴旋转框，所述旋转柱上加工有一个圆心在旋转柱轴线上的滑动槽，在所述Y轴旋转框的内壁上设置有嵌入到滑动槽内的凸起片，通过凸起片与滑动槽的嵌接实现旋转柱与Y轴旋转框的转动连接，在Y轴旋转框上还设置有一个过线口，在旋转柱内设置有两组旋转驱动器B，旋转驱动器B的供电线缆可以穿过过线口与上部的无人机主体连接，相邻两组旋转驱动器B的夹角为180°，如图4，所述旋转驱动器B包括一个内嵌于旋转柱内部的驱动辊B，驱动辊B连接到减速电机B上；所述Y轴旋转框的内壁设置有一个环形的齿环B，齿环B与驱动辊B之间啮合连接，通过齿环B与驱动辊B的相对驱动，驱动旋转柱相对Y轴旋转框旋转；Y轴旋转框两端分别设置连接轴，通过连接轴与上连接框两端的连接耳固定连接，X轴旋转框的底部通过一个连接块与配重机构的下储水箱壳体固定连接；
如图1，下配重机构包括一个连接于X轴旋转框下的下储水箱，下储水箱的底部为开口结构，并设置一个密封盖，密封盖的内部设置前述的加速度传感器和方向传感器，在密封盖的中部设置有一个连接栓，连接栓的端部通过螺纹连接到下储水箱内部的封闭端；通过连接栓在下储水箱内部设置有一个多孔结构的储水块A，在密封盖内还设置有流动孔，流动孔上连接有流动管；下配重机构还配套有一组连接于上连接框上的上储水箱，如图2，在上储水箱内设置有一个多孔结构的储水块B；上储水箱通过一个转接架连接到上连接框上，所述连接架内设置有一个驱动泵，驱动泵的一端连接到上储水箱的底部，另一端连接到流动管上； 所述储水块A和储水块B均包括若干层储水层，每层储水层由若干个塑料薄管阵列固定而成，相邻两个储水层之间的塑料薄管错列布置；
一种切割无人机姿态稳定机构的控制方法：起始状态下，通过驱动泵，将下储水箱中的配重液体吸入到上储水箱中，通过增大无人机自身的重量提高无人机的惯性，在无人机飞向树枝或者果实进行切割时，会因为旋翼打击树枝或者果实而产生一个反向作用力，当反馈控制器获得的反向作用力产生的加速度和摆动角度超出阀值时，可以通过无人机机身内的反馈控制器采集当前无人机摆动角度和摆动加速度的数据，并记录无人机在无人机标准方向的X轴的摆动角度为X、Y轴的摆动角度为Y，X轴方向的加速度为X’,Y轴方向的加速度为Y’;随后通过驱动泵将上储水箱中的配重液体排入到下储水箱中，通过降低无人机机身的重量降低机身反弹时的惯性，同时提升底部配重的重量以提高配重摆动时的惯性，反馈控制器驱动旋转驱动器A和旋转驱动器B运动，并令旋转驱动器A和旋转驱动器B加速旋转，直到下配重机构的加速度传感器和相对地面角度的方向传感器获得的数据达到要求，其中在X轴反方向产生数值为X’的加速度,在Y轴反方向产生数值Y’的加速度，驱动X轴旋转框旋转-Y的摆动角度，同时驱动Y轴旋转框旋转-X的摆动角度；一次切割结束，随后下储水箱的配重液体回流到上储水箱；因为Z轴方向的分立由无人机的升力提供，且升力控制相比于侧向控制更为简单，所以不需要进行补偿。
以上述依据本发明的理想实施例为起始，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (8)
1.一种切割无人机姿态稳定机构，其特征是：包括：
上连接框，用于与无人机机身连接，在上连接框下部设置一个连接吊耳，通过连接吊耳吊装稳定机构主体；
下配重机构，用于连接配重，在下配重机构底部设置有用于采集配重部分加速度的加速度传感器和相对地面角度的方向传感器；
稳定驱动机构，连接于上连接框与下配重机构之间，包括绕X轴旋转驱动器、绕Y轴旋转驱动器，其中所述绕X轴旋转驱动器包括一个X轴旋转框，在X轴旋转框内设置有Y轴旋转驱动器，Y轴旋转驱动器包括一个位于X轴旋转框内的支撑块，支撑块与X轴旋转框之间转动连接；其中在X轴旋转框内设置有至少N组旋转驱动器A，相邻旋转驱动器A之间的夹角至多为180°，通过旋转驱动器A驱动支撑块相对X轴旋转框旋转；在所述支撑块内设置有一个轴线垂直于支撑块轴线的旋转柱；Y轴旋转驱动器还包括一个转动连接于旋转柱外部的Y轴旋转框，在旋转柱内设置有至少两组旋转驱动器B，相邻两组旋转驱动器B的夹角至多为180°，通过旋转驱动器B驱动旋转柱相对Y轴旋转框旋转；Y轴旋转框与上连接框固定连接，X轴旋转框与配重机构固定连接；
在所述无人机机身内内置有反馈控制器，反馈控制器通过收集无人机机身的摆动角度和摆动加速度控制X轴旋转驱动器和Y轴旋转驱动器进行旋转，使得下配重机构可以产生一个与无人机机身摆动角度和摆动加速度相反的重力分力，保证无人机的飞行稳定，配重机构的摆动速度和摆动加速度通过配重底部的加速度传感器和方向传感器进行采集。
2.如权利要求1所述的一种切割无人机姿态稳定机构，其特征是：在所述X轴旋转框内壁设置有一个环形的支撑圈，支撑圈朝向X轴旋转框内壁凸起，在支撑块的环形外壁设置有一个环形的滑动圈，滑动圈表面设置有一个环形的滑动槽，支撑圈的内圆嵌入到支撑圈中。
3.如权利要求1所述的一种切割无人机姿态稳定机构，其特征是：所述旋转驱动器A包括N个内嵌于X轴旋转框内壁的驱动辊A，其中N≥1，驱动辊A上同轴固定有一根旋转轴，旋转轴通过传动齿轮组连接到一个内装于X轴旋转框中的减速电机A的驱动轴上；在所述支撑块的外壁上同轴设置有N个环形的齿环A，齿环A与驱动辊A之间齿轮啮合连接。
4.如权利要求1所述的一种切割无人机姿态稳定机构，其特征是：所述旋转柱上加工有一个圆心在旋转柱轴线上的滑动槽，在所述Y轴旋转框的内壁上设置有嵌入到滑动槽内的凸起片，通过凸起片与滑动槽的嵌接实现旋转柱与Y轴旋转框的转动连接。
5.如权利要求1所述的一种切割无人机姿态稳定机构，其特征是：所述旋转驱动器B包括N个内嵌于旋转柱内部的驱动辊B，其中N≥1，驱动辊B连接到减速电机B上；所述Y轴旋转框的内壁设置有一个环形的齿环B，齿环B与驱动辊B之间啮合连接。
6.如权利要求1所述的一种切割无人机姿态稳定机构，其特征是：所述下配重机构包括一个连接于X轴旋转框下的下储水箱，下储水箱的底部为开口结构，并设置一个密封盖，在密封盖的中部设置有一个连接栓，连接栓的端部通过螺纹连接到下储水箱内部的封闭端；通过连接栓在下储水箱内部设置有一个多孔结构的储水块A，在密封盖内还设置有流动孔，流动孔上连接有流动管；下配重机构还配套有一组连接于上连接框上的上储水箱，在上储水箱内设置有一个多孔结构的储水块B；上储水箱通过一个转接架连接到上连接框上，所述连接架内设置有一个驱动泵，驱动泵的一端连接到上储水箱的底部，另一端连接到流动管上。
7.如权利要求1所述的一种切割无人机姿态稳定机构，其特征是：所述储水块A和储水块B均包括若干层储水层，每层储水层由若干个塑料薄管阵列固定而成，相邻两个储水层之间的塑料薄管错列布置。
8.一种如权利要求6所述的切割无人机姿态稳定机构的控制方法：其特征是：起始状态下，通过驱动泵，将下储水箱中的配重液体吸入到上储水箱中，通过增大无人机自身的重量提高无人机的惯性，提高切割步骤时的冲击力，在无人机飞向树枝或者果实进行切割时，会因为旋翼打击树枝或者果实而产生一个反向作用力，此时可以通过无人机机身内的反馈控制器采集当前无人机摆动角度和摆动加速度的数据，并记录无人机在无人机标准方向的X轴的摆动角度为X、Y轴的摆动角度为Y，X轴方向的加速度为X’,Y轴方向的加速度为Y’;随后通过驱动泵将上储水箱中的配重液体排入到下储水箱中，通过降低无人机机身的重量降低机身反弹时的惯性，同时提升底部配重的重量以提高配重摆动时的惯性，反馈控制器驱动旋转驱动器A和旋转驱动器B运动，并令旋转驱动器A和旋转驱动器B加速旋转，直到下配重机构的加速度传感器和相对地面角度的方向传感器获得的数据达到要求，其中在X轴反方向产生数值为X’的加速度,在Y轴反方向产生数值Y’的加速度，驱动X轴旋转框旋转-Y的摆动角度，同时驱动Y轴旋转框旋转-X的摆动角度；一次切割结束，随后下储水箱的配重液体回流到上储水箱。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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