CN113492994A - 系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统 - Google Patents

Abstract

本发明为系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统，无人机通过线缆和绞车连接；无人机包括飞控模块和第一通讯单元；绞车包括收放线模块和第二通讯单元，收放线模块用于收卷和放卷线缆；还包括控制台，控制台与第一通讯单元无线通讯，用于控制无人机的飞行状态；第一通讯单元和第二通讯单元无线通讯，第一通讯单元将控制信号分别分发至飞控模块和第二通讯单元，飞控模块根据控制信号调整飞行姿态；收放线模块根据控制信号输出预放卷速度和预放卷长度进行收卷或放卷线缆；通过无人机和绞车的无线通讯，实现控制信号的分发，并根据控制信号进行放线、卷线的控制，达到主动放线的效果，无人机飞行不再额外耗费动能拖拽线缆，达到高载重的效果。

Description

系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统

技术领域

本发明涉及系留无人机技术领域，特别是涉及一种系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统。

背景技术

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作；目前在航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域的应用，大大的拓展了无人机本身的用途，发达国家也在积极扩展行业应用与发展无人机技术。

特别的，当遇到地震、洪水、泥石流等自然灾害时，保障灾区的通信畅通，是救灾工作的重要部分；传统方式是运营商采用应急通信车、应急卫星车及海事卫星电话，但由于车辆整体载重、天线塔体高度的限制（18米左右），应急通信车只能保证很小范围内信号覆盖（如现场指挥所、重点抢险单位等），并受路况限制，很多时候无法接近保障目标；通过无人机承载信号中转盒子飞上天空充当临时的基站可以很好的解决这个问题；无人机的飞行高度足够，且不受底面的环境影响；但是再利用无人机充当临时基站，存在以下两个问题；一是：无人机续航不够；二是：无人机上的负载（例如通讯基站等）就需要稳定的信号传输；在现有技术中，采用了系留无人机来解决这些问题，但是系留无人机也需要进行飞行控制，那么系留无人机的缆线便成为了一种阻碍，现有技术通常的做法是由无人机飞行拖拽下方缆线进行放线，而这种做法无疑浪费了无人机的动力，也浪费了无人机的载重量；现有技术采用在缆线上设置张力感应器进行张力检测的方式，具体是在张力超过一定数值时进行放线装置的被动放线，以解决一定的线缆放线的问题；但是这种方式也有弊端，因为是采用张力传感器的方式，所以线缆只有在发生了张力变化时才会由放线机构放线，也就是说线缆在发生了实际的外向张力时，会对两端的机构都产生相应拉力，那么也是在消耗无人机的飞行动能和载重能力，这种装置的工作过程大致是：当无人机上升时，无人机通过线缆将拉力传递给与线缆相连的放线绞车，当拉力达到一定程度时，（系统通过张力传感器检测拉力）放线电机离合装置打开，辊筒开始放线，此时也就是无人机带着辊筒转动进行放线，无人机不断要克服缆线的重力，还要出力拉动辊筒转动，较大损耗了无人机的动力。当无人机下降需要收线时，该系统的收线电机收到张力传感器的信号而启动，以恒定速度进行放线，系统设定1、2、3挡放线速度供选择。由于放线速度是固定的，此时需要操作无人机的下降速度与放线速度配合，稍有不慎就会出现线短拉扯无人机或线多溢出缠绕绞车等问题，不利于安全。该系统无论收线和放线，其张力传感器都会对无人机的动力造成一定消耗。因而存在影响飞机飞行，减少飞机有效载荷、降低飞机抗风能力甚至将飞机扯翻等安全隐患。

发明内容

为了解决现有问题，鉴于此，我们设计了这套全自动无人机绞车同步收放线系统，该系统的收放线系统与无人机的飞控系统建立有双向无线电通讯，绞车的收放线系统可以实时跟随无人机的运动状态做相应的收、放线动作。绞车与无人机相连的线缆始终保持在不紧不松的最佳状态。当无人机上升时，系统的放线机构主动将绞车上的缆线拉出，无需无人机出力。由于绞车系统和无人机间有通讯协议，绞车对无人机要做的动作了如指掌，绞车可以轻松而准确地配合无人机的运动状态进行收、放线。无人机可以随意飞行，不受线缆牵扯。该系统不额外消耗无人机动力，操作简单，也消除了安全隐患。

本发明采用无人机和绞车的交互来实现主动式的放线，保证了先预知飞行指令和飞行变化，同步放线后实现飞行，不浪费无人机的动力源。

为实现上述目的，本发明提供一种系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统，包括无人机、线缆和绞车；无人机通过线缆和绞车连接，并通过线缆给无人机供电；

无人机包括有飞控模块和第一通讯单元；

绞车包括有收放线模块和第二通讯单元，收放线模块用于收卷和放卷线缆；

还包括控制台，控制台与第一通讯单元无线通讯，用于控制无人机的飞行状态；

第一通讯单元和第二通讯单元无线通讯，当控制台发送控制信号至第一通讯单元时，第一通讯单元将控制信号分别分发至飞控模块和第二通讯单元，飞控模块根据控制信号调整飞行姿态；第二通讯单元将控制信号发送至收放线模块；收放线模块根据控制信号输出预放卷速度和预放卷长度进行收卷或放卷线缆。

作为优选，第一通讯单元向第二通讯单元发送无人机的实时位置信息，收放线模块根据无人机的实时位置信息和绞车位置信息建立相对位置关系；收放线模块根据控制信号中的方向指令和相对位置关系进行线路收卷或者放卷。

作为优选，所述收放线模块在接收控制信号时，通过第二通讯单元向第一通讯单元返回成功收放卷信号。

作为优选，收放线模块还包括放卷组件、辊筒惯性检测单元和测速单元，测速单元与放卷组件相连获得放线和卷线的速度；辊筒惯性检测单元获取测速单元得到的放线或卷线速度形成惯性余量，放卷组件根据惯性余量调整预放卷速度和预放卷长度，以形成实际放卷速度和实际放卷长度进行收卷或放卷线缆。

作为优选，收放线模块包括电机绕线机和压线单元，线缆在电机绕线机和压线单元之间为第一线缆，第一线缆为绷直状态，压线单元和无人机之间为第二线缆；第二线缆处于松弛与绷紧之间的临界状态；测试单元测试测试第一线缆的放卷速度。

作为优选，控制信号包括无人机速度信息、加速度信息以及方向信息；收放线模块根据无人机速度信息、加速度信息、方向信息以及相对位置关系控制绞车的卷线或放线的速度。

作为优选，飞控模块还包括脱钩单元，当无人机线缆拉力因故瞬间达到第一阈值且持续时间达到第二阈值时，停止线缆向无人机供电，无人机无缝转接至机载备用电源供电；脱钩单元解除线缆和无人机的连接。

作为优选，当脱钩单元解除线缆和无人机的连接时，第一通讯单元向第二通讯单元发送脱钩信号，收放卷模块根据脱钩信号进行线缆收卷。

作为优选，飞控模块还包括缓冲单元，当无人机未获取到控制信号且无人机线缆拉力过第三阈值但小于第一阈值时，第一通讯单元向第二通讯单元发送缓冲信号，缓冲信号包括无人机瞬时加速度和线缆张力，收放线模块预设有不同瞬时加速度对应的缓冲放线长度，并进行缓冲放线长度放线。

作为优选，第一通讯单元和第二通讯单元通过2.4GHz频段通讯。

本发明的有益效果是：本发明提供一种系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统，包括无人机、线缆和绞车；无人机通过线缆和绞车连接，并通过线缆给无人机供电；无人机包括有飞控模块和第一通讯单元；绞车包括有收放线模块和第二通讯单元，收放线模块用于收卷和放卷线缆；还包括控制台，控制台与第一通讯单元无线通讯，用于控制无人机的飞行状态；第一通讯单元和第二通讯单元无线通讯，当控制台发送控制信号至第一通讯单元时，第一通讯单元将控制信号分别分发至飞控模块和第二通讯单元，飞控模块根据控制信号调整飞行姿态；第二通讯单元将控制信号发送至收放线模块；收放线模块根据控制信号输出预放卷速度和预放卷长度进行收卷或放卷线缆；通过无人机和绞车的无线通讯，实现控制信号的分发，并根据控制信号进行放线、卷线的控制，达到主动放线的效果，以满足无人机飞行不再额外需要动能去拖拽线缆，达到了高载重和高续航的效果。

附图说明

图1为本发明的系统架构图；

图2为本发明的架构示意。

主要元件符号说明如下：

1、无人机；11、飞控模块；111、脱钩单元；112、缓冲单元；12、第一通讯单元；

2、线缆；

3、绞车；31、收放线模块；311、放卷组件；312、辊筒惯性检测单元；313、测速单元；32、第二通讯单元；33、排线单元；

4、控制台。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

在下文描述中，给出了普选实例细节以便提供对本发明更为深入的理解。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。应当理解所述具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件或它们的组合。

在现有技术中，系留无人机主要是为了在某一固定区域悬停，使得无人机携带的负载设备能够完成某些功能（负载例如组网模块）；因此系留无人机的载重量和续航是重中之重，而为了解决续航的问题，所以采用了线缆连接的方式进行供电，但是并不通过线缆给无人机传送信号，因此线缆主要承载了两个功能，一是给无人机供电，二是给无人机携带的负载提供通信；因此，线缆成为了系留无人机必不可少但需要优化的负载部件。现有技术中，如果无人机处于悬停状态，那么线缆是处于紧绷和松弛的临界状态，对无人机和绞车都不产生拉力，也就仅有重力施加在无人机上，但是无人机需要调整姿态时，就需要通过无人机先飞动拖拽线缆，额外消耗了一部分无人机的动能，使得无人机设计的载重量就要大大降低，不仅影响飞机飞行，减少飞机有效载荷、降低飞机抗风能力甚至将飞机扯翻等。存在较大安全隐患。

本发明提供一种系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统，请参阅图1-图2，包括无人机1、线缆2和绞车3；无人机1通过线缆2和绞车3连接，并通过线缆2给无人机1供电；

无人机1包括有飞控模块11和第一通讯单元12；

绞车3包括有收放线模块31和第二通讯单元32，收放线模块31用于收卷和放卷线缆2；

还包括控制台4，控制台4与第一通讯单元12无线通讯，用于控制无人机1的飞行状态；

第一通讯单元12和第二通讯单元32无线通讯，具体由2.4GHz频段电台通讯，保证了通讯的时效性和稳定性，当控制台4发送控制信号至第一通讯单元12时，第一通讯单元12将控制信号分别分发至飞控模块11和第二通讯单元32，第一通讯模块12、飞控模块11、第2通讯模块32三者间采用2.4G双向数传电台通讯；飞控模块11根据控制信号调整飞行姿态；第二通讯单元32将控制信号发送至收放线模块；收放线模块根据控制信号输出预放卷速度和预放卷长度进行收卷或放卷线缆。测试悬停状态下线缆状态是否是理想状态，所谓理想状态是线缆对于无人机仅产生重力，线缆处于紧绷和松弛之间的连接状态，在产生理想状态时，初始化绞车和无人机的交互运算。然后在无人机接收到控制信号时，由第一通讯单元进行信号分发，飞控模块执行相应的飞行动作，收放线模块对控制信号进行解码，由于第一通讯模块、飞控、第二通讯模块的信息是相通和共享的，第二通讯模块已经了如指掌无人机接下来的飞行动作、方向和速度，因此通过对应的放线和收卷保证线缆的状态一直保证在松弛和紧绷之间的临界状态，使得无人机能够不浪费自身动力去拉拽线缆，优先保证了载重量和飞行稳定性。需要说明的是，由于系留无人机与绞车是无线通讯方式，因此在某些场景下可能会出现连接的不稳定，因此无线信号的流转方式以本方案中的最优，因为要优先保证对无人机飞行姿态的精准控制，而且数据的分发也应该由无人机端分发为最优，因为如果由控制台直接分发给无人机和绞车，可能造成数据的干扰，并且对于数据的解码可能会有时间轴上的差距，且无人机和绞车本身要做到数据的响应交互和初始化相对位置信息获取，因此由无人机分发数据给绞车是非常必要的方案。

在本实施例中，第一通讯单元向第二通讯单元发送无人机的实时位置信息，收放线模块根据无人机的实时位置信息和绞车位置信息建立相对位置关系；收放线模块根据控制信号中的方向指令和相对位置关系进行线路收卷或者放卷。因为在无人机与绞车的相对距离在缩短和增加时，实则需要收卷和放线缆。

收放线模块会根据飞控模块给出的当前位置（经纬度信息）、运行方向、运动速度等计算出无人机到绞车（绞车）所需缆线长度，并转换成控制信号去控制收放线电机以相应的速度做收、放线动作。绞车在收到控制信号后，会计算成放线长度和放线速度，并将该数据反馈给飞控模块，飞控模块对数据做出判断，如在正常阈值段范围内则正常执行飞行命令，如果预计放线的速度小于正常阈值段，则会要求绞车端进行调整，如果调整成功则正常飞行，如果调整失败超过限值则执行脱钩。更具体的，线缆短了就放线，线缆长了就收线。同时，系统的调速、稳速、测速单元不停地工作，校正偏差，让绞车的收放线动作始终与飞机的飞行动作保持同步跟踪。让线缆的长短始终与飞机的距离匹配。

在本实施例中，收放线模块31还包括放卷组件311、辊筒惯性检测单元312和测速单元313，通过放卷组件和辊筒惯性检测单元和测速单元的配合，能够达到调速、稳速的功能，还可以达到同步刹车的效果；测速单元与放卷组件相连获得放线和卷线的速度；辊筒惯性检测单元获取测速单元得到的放线或卷线速度形成惯性余量，放卷组件根据惯性余量调整预放卷速度和预放卷长度，以形成实际放卷速度和实际放卷长度进行收卷或放卷线缆。通过测试单元测算放卷组件中电机的转速以确定放线长度和速度，但是由于电机停止需要一定的时间，因此实际长度会大于测算长度，那么通过惯性余量对放卷长度进行计算，得到实际放卷速度，例如在放卷时，预放卷速度为X，那么X对应的惯性余量为X1，因此其实际放卷速度只需要X-a即可达到标准放线长度和速度。

在本实施例中，收放线模块包括辊筒绕线机和压线单元，线缆在辊筒绕线机和压线单元之间为第一线缆，第一线缆为绷直状态，压线单元和无人机之间为第二线缆；第二线缆处于松弛与绷紧之间的临界状态；测试单元测试测试第一线缆的放卷速度。具体的，压线单元是通过上下布置的上辊筒和下辊筒形成的，上、下辊筒分别连接了一个拉线电机，线缆从上辊筒和下辊筒之间穿过，当上辊筒和下辊筒紧压线缆时，形成了压线单元，上辊筒、下辊筒和辊筒绕线机之间即为第一线缆，上辊筒、下辊筒和无人机之间为第二线缆；在运转过程中，如果无人机上升，通过上、下辊筒的相向转动而挤压拉出缠绕在辊筒绕线机上的线缆；如果无人机下降，上、下辊筒分离，辊筒绕线机工作收卷线缆；所以这种方式能够直接通过在第一线缆处测算出放线速度，并且由上、下辊筒来拉出辊筒绕线机上的线缆，保证了放线过程的稳定性。

在本实施例中，控制信号包括无人机速度信息、加速度信息以及方向信息；收放线模块根据无人机速度信息、加速度信息、方向信息以及相对位置关系控制绞车的卷线或放线的速度。同时在绞车里面还设置有排线单元33进行线缆的码放和整理；达到放线、收线过程的顺畅进行；因为通过本方案的设置无人机和绞车之间的放线程度都是通过两者的信号交互来实现的，因此放线的速度、放线的规律性都会影响到收卷、放卷时的速度和长度，因此就会影响到各单元的判断依据；所以利用排线单元对线缆进行规则、及时的收卷和码放，能够保证放线、收线过程中不会有过多的收线不规律的因素影响。

在本实施例中，飞控模块11还包括脱钩单元111，当无人机线缆拉力因故瞬间达到第一阈值且持续时间达到第二阈值时，脱钩单元111解除线缆和无人机的连接。无人机在空中可能遭遇横风和其它的扰动，在一定范围内为了保持无人机的悬停稳定，需要无人机进行抵抗，但是超过一定风速时或出现意外时，由于线缆的拉力瞬间增大，为了防止无人机被拉翻，则进行脱钩，当脱钩单元解除线缆和无人机的连接时，第一通讯单元向第二通讯单元发送脱钩信号，收放卷模块根据脱钩信号进行线缆收卷。

在本实施例中，飞控模块还包括缓冲单元112，飞控模块还包括缓冲单元，当无人机未获取到控制信号且无人机线缆拉力过第三阈值但小于第一阈值时，第一通讯单元向第二通讯单元发送缓冲信号，缓冲信号包括无人机瞬时加速度和线缆张力，收放线模块预设有不同瞬时加速度对应的缓冲放线长度，并进行缓冲放线长度放线。由于绞车在正常情况下依赖于无人机的控制信号进行放卷，所以在特殊情况下，无人机能够位移小段距离以抵抗低风速干扰时，进行位移保证负载稳定，因此进行一定长度的放卷，而瞬时加速度就对应无人机可能滑行的水平距离。

本发明的技术效果有：

1、无人机和绞车进行无线通讯，保证了实时传输信号的稳定性；在无人机做向上飞行等动作需要放线时，绞车的履带式放线系统会像卷扬机那样把辊筒上的线拉出，无需无人机额外出力拉线，提高了无人机的有效载重量和续航能力，减少了线缆对无人机的的牵扯，消除了安全隐患；

2、利用无线通讯将控制信号分发到无人机和绞车执行对应的动作，无人机进行姿态的调整，绞车同步跟踪，自动而精准地进行放线和卷线，提高了无人机的有效载重量和续航能力；

3、利用辊筒惯性检测单元对放线速度和长度进行调整；利用实时通讯，无人机和绞车收放线系统实时交换信息，在系统变速、稳速、检测等单元的共同作用下，不断消除误差，让无人机与绞车相连的线缆始终保持在最佳松紧状态，无人机可以随心所欲运动不受线缆牵扯；提高跟踪速度；

4、采用绷紧段和连接段，防止放线产生的抖动；并提高跟踪精度；

5、能够在发生紧急情况时实现脱钩，系统更加安全。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统，包括无人机、线缆和绞车；无人机通过线缆和绞车连接，并通过线缆给无人机供电；其特征在于，

无人机包括有飞控模块和第一通讯单元；

绞车包括有收放线模块和第二通讯单元，收放线模块用于收卷和放卷线缆；

还包括控制台，控制台与第一通讯单元无线通讯，用于控制无人机的飞行状态；

第一通讯单元和第二通讯单元无线通讯，当控制台发送控制信号至第一通讯单元时，第一通讯单元将控制信号分别分发至飞控模块和第二通讯单元，飞控模块根据控制信号调整飞行姿态；第二通讯单元将控制信号发送至收放线模块；收放线模块根据控制信号输出预放卷速度和预放卷长度进行收卷或放卷线缆。

2.根据权利要求1所述的系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统，其特征在于，第一通讯单元向第二通讯单元发送无人机的实时位置信息，收放线模块根据无人机的实时位置信息和绞车位置信息建立相对位置关系；收放线模块根据控制信号中的方向指令和相对位置关系进行线路收卷或者放卷。

3.根据权利要求1所述的系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统，其特征在于，所述收放线模块在接收控制信号时，通过第二通讯单元向第一通讯单元返回成功收放卷信号。

4.根据权利要求1所述的系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统，其特征在于，收放线模块还包括放卷组件、辊筒惯性检测单元和测速单元，测速单元与放卷组件相连获得放线和卷线的速度；辊筒惯性检测单元获取测速单元得到的放线或卷线速度形成惯性余量，放卷组件根据惯性余量调整预放卷速度和预放卷长度，以形成实际放卷速度和实际放卷长度进行收卷或放卷线缆。

5.根据权利要求4所述的系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统，其特征在于，收放线模块包括电机绕线机和压线单元，线缆在电机绕线机和压线单元之间为第一线缆，第一线缆为绷直状态，压线单元和无人机之间为第二线缆；第二线缆处于松弛与绷紧之间的临界状态；测试单元测试测试第一线缆的放卷速度。

6.根据权利要求2所述的系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统，其特征在于，控制信号包括无人机速度信息、加速度信息以及方向信息；收放线模块根据无人机速度信息、加速度信息、方向信息以及相对位置关系控制绞车的卷线或放线的速度。

7.根据权利要求6所述的系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统，其特征在于，飞控模块还包括脱钩单元，当无人机线缆拉力因故瞬间达到第一阈值且持续时间达到第二阈值时，停止线缆向无人机供电，无人机无缝转接至机载备用电源供电；脱钩单元解除线缆和无人机的连接。

8.根据权利要求7所述的系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统，其特征在于，当脱钩单元解除线缆和无人机的连接时，第一通讯单元向第二通讯单元发送脱钩信号，收放卷模块根据脱钩信号进行线缆收卷。

9.根据权利要求7所述的系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统，其特征在于，飞控模块还包括缓冲单元，当无人机未获取到控制信号且无人机线缆拉力过第三阈值但小于第一阈值时，第一通讯单元向第二通讯单元发送缓冲信号，缓冲信号包括无人机瞬时加速度和线缆张力，收放线模块预设有不同瞬时加速度对应的缓冲放线长度，并进行缓冲放线长度放线。

10.根据权利要求1所述的系留无人机与绞车的交互式同步自动收放线系统，其特征在于，第一通讯单元和第二通讯单元通过2.4GHz频段通讯。

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