CN113335531B - 一种伸缩套臂式无人机空基回收装置及安全对接包络建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伸缩套臂式无人机空基回收装置及安全对接包络建模方法，回收装置包括置于母机机舱舱尾的固定平台；固定平台下端连接有转动底座，通过可控俯仰关节与套臂连接；转动底座和可控俯仰关节通过伺服电机驱动，实现套臂的转动与俯仰调节；套臂内部中空，安装有伸缩臂；伸缩臂通过套臂内部的滑轨滑动安装于套臂内部的丝杠上；丝杠由端部转轴控制转动；伸缩臂伸出端末尾设有机械手；机械手下端设有机械夹具；本发明根据伸缩套臂运动约束及回收安全约束建立安全回收对接包络模型，在安全对接包络内配合末端机械手和机械夹具实现对飞行无人机的抓取回收，显著提高了无人机空基回收效率，保障了无人机空基回收安全。

Description

一种伸缩套臂式无人机空基回收装置及安全对接包络建模 方法

技术领域

本发明涉及无人机回收技术领域，主要涉及一种伸缩套臂式无人机空基回收装置及安全对接包络建模方法。

背景技术

随着无人机技术的不断成熟，无人机在军事上地运用受到各国军界人士的广泛关注，其中“无人机集群作战”地研究与应用所受关注度最高。但由于集群作战所采用的中小型无人机存在结构限制，导致作战半径有限，无法执行远距离作战，限制了无人机在军事上地应用。为此提出了由航程远、载重大的“母机”运输投放无人机“子机”，利用无人机空中发射与回收技术增大作战半径的“母子机”方案，通过母机在指定任务区域对无人机进行投放回收，从而提高无人机集群远程作战能力。“母子机”方案成功实施得关键在于无人机的空中发射与回收技术，其中无人机空基回收技术更是亟待突破的关键技术难点之一。

目前，应用较广泛的集群无人机空基回收方式有：撞线式、撞网式、缆绳勾取式等。其中撞线式回收方式通过安装在无人机机翼上的翼端尖钩与母机拦截索相撞实现无人机地回收，但此法对无人机机翼强度要求较高，不适用于具有高展弦比的无人机。撞网式回收中通过无人机机身前端与母机拦截网相撞的方式回收无人机，极易造成无人机前端敏感设备受损，且不适用于具有螺旋桨的无人机。缆绳勾取式回收方式借助末端安装有对接浮标的缆绳对无人机进行勾取，并通过回收缆绳将无人机拖拽回母机从而实现空基回收，但由于柔性易扰缆绳回收系统空中稳定性较差，导致对接回收过程较长，回收效率较低。针对以上现有空基回收方式所存在问题，为更安全高效地完成无人机空基回收任务，急需研究一种更为高效通用的无人机空基回收装置及安全回收策略。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种伸缩套臂式无人机空基回收装置及安全对接包络建模方法，基于回收装置运动约束及回收安全约束，构建空基回收安全对接包络，通过伸缩套臂在安全对接包络内的定位抓取，空间运动实现对无人机空基安全高效地回收，降低回收过程中对无人机结构的要求，增加空基回收的可靠性及适用范围，弥补现有回收方式的缺陷与不足。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种伸缩套臂式无人机空基回收装置，包括设置于母机(1)机舱舱尾的固定平台(2)；所述固定平台(2)下端连接有转动底座(4)；所述转动底座(4)通过可控俯仰关节(5)与套臂(6)连接；所述套臂(6)内部中空，且安装有伸缩臂(7)，所述伸缩臂(7)长度小于套臂(6)；所述伸缩臂(7)通过套臂(6)内臂的滑轨(12)嵌入安装于套臂内部的丝杠(11)上；所述丝杠(11)由端部转轴(10)控制转动；所述伸缩臂(7)伸出端末尾设有机械手(8)，所述机械手(8)下端设有机械夹具(9)；所述机械夹具(9)包括若干对钳形爪体。

进一步地，所述转动底座(4)和可控俯仰关节(5)通过伺服电机驱动，实现套臂(6)的转动与俯仰调节；所述伸缩臂(7)嵌于套臂(6)内壁上滑轨(12)内，并通过螺纹安装于丝杠(11)上。

进一步地，所述机械夹具(9)通过液压装置进行驱动，使钳形爪体闭合或展开，完成对无人机(3)地抓取或释放。

一种基于上述伸缩套臂式无人机空基回收装置的安全对接包络建模方法，其包括以下步骤：

步骤S1、以转动底座中心为坐标原点O₀，选取转动底座转轴方向为Z轴方向，母机机头指向方向为X轴方向，满足右手定则建立偏航关节坐标系O₀-X₀Y₀Z₀；以可控俯仰关节中心为坐标原点O₁，选取可控俯仰关节转轴方向为Z轴方向，伸缩臂所在方向为 X方向，满足右手定则建立俯仰关节坐标系O₁-X₁Y₁Z₁，以套臂末端为坐标原点O₂，选取俯仰关节坐标系O₁-X₁Y₁Z₁各方向为坐标系方向，建立滑动关节坐标系O₂-X₂Y₂Z₂；

步骤S2、在滑动坐标系O₂-X₂Y₂Z₂内描述伸缩套臂回收装置的机械手所在位置²P_e，根据各坐标系间转换关系，得到机械手在偏航坐标系下的运动学模型如下：

⁰P_e＝⁰T₁g¹T₂g²P_e

其中，⁰P_e为机械手末端在偏航坐标系中的位置，²P_e为机械手末端在滑动坐标系下位置；⁰T₁为俯仰坐标系向偏航坐标系转换的转换矩阵；¹T₂为滑动坐标系向俯仰坐标系转换的转换矩阵；

步骤S3、根据步骤S2中所述机械手的运动学模型以及伸缩套臂的俯仰、偏航、伸缩运动范围约束，构建伸缩套臂机械运动约束范围S_t＝[x_t y_t z_t]^T如下：

其中，l₂为套臂长度，Δl₃为伸缩臂伸出套臂外长度，ξ为偏航角，δ为俯仰角，δ_min，δ_max依次表示伸缩套臂允许偏航最小角度及最大角度，ξ_min，ξ_max依次表示伸缩套臂允许俯仰最小角度及最大角度，Δl_3min，Δl_3max依次表示伸缩套臂运行伸缩最小长度及最大长度；

步骤S4、在伸缩套臂始端和待回收无人机质心连线上确定点O_C，并以O_C为顶点，以转动底座所在平面为底面，σ_I为保持圆锥区域的顶角，σ_O为伸缩圆锥区域的顶角；分别确定伸缩套臂保持圆锥区域S_I＝[x_I y_I z_I]^T及伸缩圆锥区域S_O＝[x_O y_O z_O]^T如下：

其中，l_x＝l_Pcosδcosξ，为伸缩套臂当前长度l_P在圆锥中心线O_CO₀上的投影，l_U为无人机质心至转动底座质心O₀的距离；

步骤S5、根据步骤S3-S4中获得的伸缩套臂机械运动约束范围及安全对接约束范围，构建安全对接包络S_A，即：

S_A＝S_t∩S_j；

步骤S6、根据构建的安全对接包络S_A制定具体安全对接策略如下：

当套臂、伸缩臂和机械爪均处于内部伸缩圆锥区域S_O内时，装置允许伸缩臂伸缩带动机械爪进行对接；当套臂、伸缩臂和机械爪结构有部分位于外部保持圆锥区域S_I时，不允许伸缩臂伸长，先调套臂、伸缩臂和机械爪三者位置，使所述位置完全位于伸缩圆锥区域S_O中；当套臂单独位于保持圆锥区域S_I时，先收缩伸缩臂，并操纵套臂、伸缩臂和机械爪回归伸缩圆锥区域S_O，最后伸缩套臂进行伸缩并实行抓取作业。

有益效果：

本发明提供的伸缩套臂式无人机空基回收装置及安全对接包络建模方法具有回收操作简单，空中稳定性强的特点，可以有效提高了无人机空基回收效率，通过伸缩套臂抓取实现无人机回收，降低了在回收过程中对无人机结构的要求，扩展了无人机回收的适用范围。基于机械运动约束及安全回收约束构建安全回收包络，保障了无人机空基回收过程安全，显著提升了空基回收的可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的伸缩套臂式无人机空基回收装置安装于母机上的整体示意图；

图2为本发明中伸缩套臂整体结构示意图；

图3为本发明中伸缩套臂内部结构示意图；

图4为本发明中伸缩套臂机械运动约束区域示意图；

图5为本发明中伸缩套臂回收安全约束区域示意图。

附图标记说明

1-母机；2-固定平台；3-无人机；4-转动底座；5-可控俯仰关节；6-套臂；7-伸缩臂；8-机械手；9-机械夹具；10-转轴；11-丝杠；12-滑轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1-2所示的一种伸缩套臂式无人机空基回收装置，包括置于母机1机舱舱尾的固定平台2。固定平台2下端连接有转动底座4。转动底座4通过可控俯仰关节5与套臂6连接。转动底座4和可控俯仰关节5通过伺服电机驱动，实现套臂6的转动与俯仰调节。套臂6内部中空，且安装有伸缩臂7。伸缩臂7长度小于套臂6，通过套臂6内部的滑轨12滑动安装于套臂内部的丝杠11上。丝杠11由端部转轴10控制转动。伸缩臂7伸出端末尾设有机械手8。机械手8下端设有机械夹具9。机械夹具9包括若干对钳形爪体。机械夹具9通过液压装置进行驱动，使钳形爪体闭合或展开，完成对无人机 3的抓取或释放。

在本实施例中，以运载能力较强，机舱容量较大，且采用图1所示方式装配有图2-3结构伸缩套臂的中型运输机为母机，运输8架小型固定翼无人机至目标地点执行任务。其中，所采用伸缩套臂允许最大偏航范围为[-45,45]度，允许最大俯仰角为[0,60]度，允许最大伸缩长度为[0,8.3]m，故该装置机械运动约束区域为如图4所示扇形曲面体区域，同时根据待回收无人机尺寸约为1m，取伸缩套臂始端及待回收无人机质心所在直线上向母机后下方反向延伸2m确定点O_C，并取σ_I＝60°，σ_O＝40°分别为保持圆锥顶角及伸缩圆锥顶角，确定如图5所示回收安全约束区域，故所构建安全回收包络为图4，图5所示区域交集部分。当无人机任务完成后，母机1在指定区域定速定高巡航并开启机身尾部舱门等待回收无人机3；随后，待回收无人机3根据对接指令飞至母机1机身后方安全回收对接包络内，并与母机1保持相对定位定姿进行安全编队飞行；同时母机 1内操纵员控制转动底座4及可控俯仰关节5使伸缩套臂落至无人机3斜上方保持圆锥区域S_I内，并根据无人机3与母机1相对位置，进一步调整转动底座4及可控俯仰关节 5，使套臂6、伸缩臂7和机械爪8均处于伸缩圆锥区域S_O内；待伸缩套臂位置调整完毕，操纵员进一步控制转轴10驱动丝杠11旋转，使伸缩臂7在丝杠11的作用下沿滑轨12伸出套臂6并缓慢接近无人机3。待伸缩臂7末端机械手8到达预对接位置，展开机械手8上机械夹具9；接着，无人机3根据对接指令，调整与机械手8距离，上移进入机械手8抓取区域，待无人机平稳，驱动机械夹具9闭合使机械手8抓取并锁定无人机3；然后，改变转轴10转动方向，反向驱动丝杠11使伸缩臂7回归套臂6内；待伸缩臂7回收完毕，操纵员进一步调整俯仰关节5将套臂6移动到机舱内；待无人机3 回收完毕，继续控制伸缩套臂执行对下一架无人机地回收，直至8架无人机全部回收至母机1机舱内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种伸缩套臂式无人机空基回收装置的安全对接包络建模方法，采用伸缩套臂式无人机空基回收装置，包括设置于母机(1)机舱舱尾的固定平台(2)；所述固定平台(2)下端连接有转动底座(4)；所述转动底座(4)通过可控俯仰关节(5)与套臂(6)连接；所述套臂(6)内部中空，且套装有伸缩臂(7)，所述伸缩臂(7)长度小于套臂(6)；所述伸缩臂(7)通过套臂(6)内部的滑轨(12)滑动安装于套臂内部的丝杠(11)上；所述丝杠(11)由端部转轴(10)控制转动；所述伸缩臂(7)伸出端末尾设有机械手(8)，所述机械手(8)下端设有机械夹具(9)；所述机械夹具(9)包括若干对钳形爪体；其特征在于，安全对接包络建模方法包括以下步骤：

步骤S1、以转动底座中心为坐标原点O₀，选取转动底座转轴方向为Z轴方向，母机机头指向方向为X轴方向，满足右手定则建立偏航关节坐标系O₀-X₀Y₀Z₀；以可控俯仰关节中心为坐标原点O₁，选取可控俯仰关节转轴方向为Z轴方向，伸缩臂所在方向为X方向，满足右手定则建立俯仰关节坐标系O₁-X₁Y₁Z₁，以套臂末端为坐标原点O₂，选取俯仰关节坐标系O₁-X₁Y₁Z₁各方向为坐标系方向，建立滑动关节坐标系O₂-X₂Y₂Z₂；

步骤S2、在滑动坐标系O₂-X₂Y₂Z₂内描述伸缩套臂回收装置的机械手所在位置²P_e，根据各坐标系间转换关系，得到机械手在偏航坐标系下的运动学模型如下：

⁰P_e＝⁰T₁·¹T₂·²P_e

其中，⁰P_e为机械手末端在偏航坐标系中的位置，²P_e为机械手末端在滑动坐标系下位置；⁰T₁为俯仰坐标系向偏航坐标系转换的转换矩阵；¹T₂为滑动坐标系向俯仰坐标系转换的转换矩阵；

步骤S3、根据步骤S2中所述机械手的运动学模型以及伸缩套臂的俯仰、偏航、伸缩运动范围约束，构建伸缩套臂机械运动约束范围S_t＝[x_t y_t z_t]^T如下：

其中，l₂为套臂长度，Δl₃为伸缩臂伸出套臂外长度，ξ为偏航角，δ为俯仰角，δ_min，δ_max依次表示伸缩套臂允许偏航最小角度及最大角度，ξ_min，ξ_max依次表示伸缩套臂允许俯仰最小角度及最大角度，Δl_3min，Δl_3max依次表示伸缩套臂运行伸缩最小长度及最大长度；

步骤S4、在伸缩套臂始端和待回收无人机质心连线上确定点O_C，并以O_C为顶点，以转动底座所在平面为底面，σ_I为保持圆锥区域的顶角，σ_O为伸缩圆锥区域的顶角；分别确定伸缩套臂保持圆锥区域S_I＝[x_I y_I z_I]^T及伸缩圆锥区域S_O＝[x_O y_O z_O]^T如下：

其中，l_x＝l_Pcosδcosξ，为伸缩套臂当前长度l_P在圆锥中心线O_CO₀上的投影，l_U为无人机质心至转动底座质心O₀的距离；

步骤S5、根据步骤S3-S4中获得的伸缩套臂机械运动约束范围及安全对接约束范围，构建安全对接包络S_A，即：

S_A＝S_t∩S_j；

步骤S6、根据构建的安全对接包络S_A制定具体安全对接策略如下：

当套臂、伸缩臂和机械爪均处于内部伸缩圆锥区域S_O内时，装置允许伸缩臂伸缩带动机械爪进行对接；当套臂、伸缩臂和机械爪结构有部分位于外部保持圆锥区域S_I时，不允许伸缩臂伸长，先调套臂、伸缩臂和机械爪三者位置，使所述位置完全位于伸缩圆锥区域S_O中；当套臂单独位于保持圆锥区域S_I时，先收缩伸缩臂，并操纵套臂、伸缩臂和机械爪回归伸缩圆锥区域S_O，最后伸缩套臂进行伸缩并实行抓取作业。

2.根据权利要求1所述的一种伸缩套臂式无人机空基回收装置的安全对接包络建模方法，其特征在于，所述转动底座(4)和可控俯仰关节(5)通过伺服电机驱动，实现套臂(6)的转动与俯仰调节；所述伸缩臂(7)嵌于套臂(6)内壁上滑轨(12)内，并通过螺纹安装于丝杠(11)上。

3.根据权利要求1所述的一种伸缩套臂式无人机空基回收装置的安全对接包络建模方法，其特征在于，所述机械夹具(9)通过液压装置进行驱动，使钳形爪体闭合或展开，完成对无人机(3)地抓取或释放。

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