CN114394244B - 一种机械惯性式无人机油门杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械惯性式无人机油门杆，包括油门手柄部分、单轴转动机构部分、外壳部分和控制电路板，所述油门手柄设置在单轴转动机构上，由单轴转动机构完成油门杆的前后驻停转动，在单轴转动机构内的转轴顶部设置有霍尔传感器，输出对应的位置量信号，所述外壳设置在单轴转动机构外侧，为单轴转动机构提供结构支撑。该油门杆可实现油门手柄在任意位置驻停，全行程操作力均匀，优化操作手感。

Description

一种机械惯性式无人机油门杆

技术领域

本发明属于无人机驾驶技术领域，特别是一种机械惯性式无人机油门杆。

背景技术

无人机油门杆安装于无人机地面站，用于无人机的油门大小控制。随着各类无人机项目的启动，市场上出现了各类无人机油门杆。目前市场上油门杆多数是使用阻尼形式实现油门手柄在任意位置驻停，存在操作力不均衡问题，无法高精度的控制油门位置，且无法满足军用高低温环境指标要求。数据输出分辨率低，只有10位，无冗余功能，因此无法满足军用无人机的油门操控需求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种机械惯性式无人机油门杆，该油门杆可实现油门手柄在任意位置驻停，全行程操作力均匀，优化操作手感。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种机械惯性式无人机油门杆，该油门杆包括外壳，设置于外壳内部的单轴转动机构和控制电路板，设置于外壳外且与单轴转动机构相连的油门手柄；

所述油门手柄，用于操作油门并进行开关操控；

所述单轴转动机构，用于在油门手柄的操控下控制油门的前后推动机械转动，以及油门在各个位置的驻停，同时将油门转动产生的机械位移量转换成模拟电信号传输给控制电路板；

所述控制电路板，用于采集模拟电压量和开关的离散量，进行滤波处理，并转换成RS422信号传输给上位机。

进一步地，所述油门手柄机械固定在单轴转动机构顶部，其上部安装有各类开关，所有开关位于油门手柄的右侧和背部。

进一步地，所述外壳包括形成腔体结构的前面板、后面板、右侧面板、底面板、上面板和左支架，所述上面板上设有开槽，用于贯穿油门手柄与单轴转动机构之间的连接部件。

进一步地，所述单轴转动机构包括连杆、解锁扣、解锁轴、限位块、转轴、扇形摩擦片、阻尼器、霍尔传感器、齿轮组和飞轮块；

所述连杆上端与所述油门手柄的底部安装固定，连杆内部为中空，所有开关的导线通过连杆内部的孔穿入油门杆外壳内，与控制电路板进行连接；所述限位块固定在右侧面板上，包括2个台阶面，分成三段操作区域；所述连杆内部设有销-连杆机构，解锁扣安装在连杆顶部前端且位于外壳外部，并与销-连杆机构的顶部通过锁扣连接，所述解锁轴安装在连杆内部底端，解锁轴在解锁扣的驱动下可在连杆内上下滑动，且解锁轴上安装有滚轴，可在限位块上滚动；所述转轴安装在连杆底部，转轴的侧端安装扇形摩擦片，轴心安装磁铁，所述阻尼器安装在右侧面板上并压紧扇形摩擦片；所述霍尔传感器与转轴同轴安装；所述转轴转动时，通过所述齿轮组传动进而带动安装在左支架上的飞轮块转动。

进一步地，所述外壳还包括位于外壳内部的内支架，该内支架通过同轴定位柱固定在左支架上，使得两者同轴，所述齿轮组安装在内支架与左支架之间；所述霍尔传感器固定在内支架上，与转轴同轴。

进一步地，所述齿轮组包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮，所述第一齿轮安装在转轴上，第二齿轮与第一齿轮啮合，第三齿轮与第二齿轮同轴，第四齿轮与第三齿轮啮合，飞轮块与第四齿轮同轴，转轴转动通过齿轮组带动飞轮块快速转动。

进一步地，所述销-连杆机构外部套有圆线螺旋弹簧，销-连杆机构向上运动时圆线螺旋弹簧受挤压，去除解锁扣上的外部操作力，通过圆线螺旋弹簧的弹力可实现解锁扣和解锁轴的自复位。

进一步地，所述阻尼器内部的两侧设置有半金属摩擦片，半金属摩擦片中间夹有所述扇形摩擦片，通过半金属摩擦片与扇形摩擦片之间的摩擦阻尼力提供油门杆的部分驻停力；所述阻尼器的外壳上设有调节装置，用于调节两片半金属摩擦片的预压缩行程，从而调节油门杆的操作力。

进一步地，所述外壳还包括设置于所述上面板上开槽两端的防尘面板以及位于两侧防尘面板之间的扇形防尘环，防尘面板和扇形防尘环之间安装有防尘绒布，三者将所述开槽密封；所述扇形防尘环安装于连杆中部，连杆沿槽方向运动时，带动扇形防尘环以转轴为圆心转动，实现油门杆全行程的机械防尘。

进一步地，所述控制电路板包括微控制器电路、信号处理电路、开关处理电路、滤波器电路、电源电路和RS422接口电路；

所述信号处理电路，用于对霍尔传感器的模拟信号进行采集处理；

所述开关处理电路，用于对油门手柄上开关的离散量进行采集处理；

所述微控制器电路，用于对信号处理电路和开关处理电路的输出信号进行模数转换，并转换为RS422信号输出至RS422接口电路；

所述RS422接口电路，用于将RS422信号通过安装在后面板上的连接器输出至上位机；

所述滤波器电路，用于对连接器中的信号进行滤波处理；

所述电源电路，用于进行电压转换，将220V交流电转换为控制电路板所需电压。

进一步地，所述霍尔传感器为双冗余传感器，控制电路板同时对双冗余信号进行采集判断，当一路出线掉线，自动切换到另一路数据。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

本发明提供的一种机械惯性式无人机油门杆，手柄造型设计美观，各开关位置合理，开关具备防误触效果，油门杆前后推动过程中为惯性式机械手感，启动力和操作力均匀，顺滑无突变现象，人体工程学合理，操作行程大，拥有三个功能分区，提供了多种油门控制方式。油门杆数据输出的分辨率高达16位，同时可实现在任何位置数据稳定不跳动的效果，具备上电自检和周期自检功能，对自检的故障进行屏蔽和上报，大幅度提高油门杆的可靠性。

1)通过将手柄造型设计为左手型，在手柄右侧的合适位置设置各类开关，既满足无人机操控需求，又大幅度优化了操作手感；

2)通过在按钮开关周边设置凹槽和保护盖，既不影响操作手感，又可避免误触；

3)通过前面板、后面板、右侧面板、底面板、上面板、左支架上设置有安装卡位槽，相互之间紧密配合，一起拼接组成油门杆外壳的方式，使得油门杆生产安装方便、生产成本低；

4)通过在200°的扇形防尘环与防尘面板之间加入防尘绒布，实现砂尘有效防护；

5)通过在连杆内设置销-连杆机构，并在销-连杆机构两端设置解锁扣和解锁轴，将油门杆前后推动分为了3个区域，满足了无人机油门启停与巡航的功能需求；

6)通过在转轴上安装阻尼器，在阻尼器内的半金属摩擦片上设置调节螺钉，实现了油门杆操作力自定义调节；

7)通过设置飞轮块，在飞轮块与转轴之间设置齿轮组传动，实现了惯性式操作手感，使得油门杆前后推动过程中机械顺滑、操作力均匀，同时使得油门手柄可以在任意位置驻停；

8)通过设置信号处理电路、高精度A/D转换器和4阶I²R软件滤波算法，滤除霍尔传感器内部的杂波信号和干扰信号，数据输出分辨率达到了16位，使得油门杆在任何位置数据稳定不跳动；

9)通过设置掉线检测电路和按键卡滞函数，实现了油门杆的上电自检和周期自检，进而实现对故障位置进行定位、屏蔽并上报，大幅度提高了油门杆的可靠性。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为一个实施例中机械惯性式无人机油门杆的立体示意图。

图2为一个实施例中机械惯性式无人机油门杆侧面剖视图。

图3为一个实施例中机械惯性式无人机油门杆底面剖视图。

图4为一个实施例中机械惯性式无人机油门杆控制电路组成示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在一个实施例中，如图1～图3所示，本发明提供一种机械惯性式无人机油门杆，包括油门手柄部分、单轴转动机构部分、外壳部分和控制电路板30，单轴转动机构部分机械固定在油门杆外壳部分内，油门手柄部分机械固定在单轴转动机构部分顶部，控制电路板30紧贴在固定在前面板1内侧。所述油门手柄设置在单轴转动机构上，由单轴转动机构完成油门杆的前后驻停转动，在单轴转动机构内的转轴顶部设置有霍尔传感器，输出对应的位置量信号，所述外壳设置在单轴转动机构外侧，为单轴转动机构提供结构支撑。油门手柄部分包括手柄9和各类开关10、11、12、14、15、16，单轴转动机构部分包括连杆8、解锁轴17、限位块18、转轴19、扇形摩擦片20、阻尼器21、解锁扣22、霍尔传感器28、齿轮组23和飞轮块24等，外壳部分包括前面板1、后面板2、右侧面板3、底面板4、上面板5、防尘面板6和左侧面板25等。

手柄9造型为左手型，所有开关位于手柄9的右侧和背部，均可以左手的各手指进行快速操作。手柄9上设置有2个五位开关10、11、3个按钮开关12、14、16和2个三位开关15，所有开关通过2个内六角超短头螺钉进行紧固，可以实现损坏开关的快速外部更换。手柄9为3个按钮开关设置有凹槽，开关安装后处于手柄9面以下，不但不影响手柄的握持手感，还可以有效避免开关的误触。第二按钮开关12设置有保护盖，通过保护盖底部的U形弹片提供的弹力，实现保护盖的打开与闭合，在保护盖的根部设置有90°限位机构，实现保护盖打开后在90°处驻停。保护盖颜色为红色，提醒飞行员该开关的关键功能，例如危险信号控制等。

前面板1、后面板2、右侧面板3、底面板4、上面板5、左支架25上设置有安装卡位槽，相互之间紧密配合，通过内六角螺钉进行锁紧，一起拼接组成油门杆外壳。

单轴转动机构通过螺钉紧固件设置在油门杆外壳上，手柄9先通过4个螺钉机械固定在连杆8上，连杆8与单轴转动机构的转轴19进行机械连接。在连杆8内部为中空，所有开关的导线通过连杆8内部的孔穿入油门杆外壳内，与控制电路板30进行连接。在内支架26上设置有霍尔传感器28，与转轴19同轴，磁铁固定在转轴19轴心，推动手柄9，带动转轴19上的磁铁转动，与霍尔传感器28形成角度差变量，从而输出两路线性的模拟电压信号，发送给控制电路板30进行处理。

连杆8中部设置有以转轴19为圆心，半径为52mm的扇形防尘环7，扇形角度为200°，可实现油门杆全行程的机械防尘。在防尘面板6底部设置有防尘绒布，调节防尘绒布距离，保证防尘绒布紧贴防尘环7，有效防止灰尘进入油门杆内部。

在连杆8内部设置有销-连杆机构，解锁扣22与销-连杆机构的顶部通过锁扣进行连接，解锁轴17通过螺母机械固定在销-连杆机构的底部，解锁扣22向内扣动，通过锁扣带动销-连杆机构向上运动，从而带动解锁轴17向上运动。销-连杆机构外部套有圆线螺旋弹簧，销-连杆机构向上运动时圆线螺旋弹簧受挤压，去除解锁扣22上的外部操作力，通过圆线螺旋弹簧的弹力可实现解锁扣22和解锁轴17的自复位。在解锁轴17上设置有圆形滚轴，可实现解锁轴17在限位块18上的低阻力滚动，保证油门杆的操作手感。

在右侧面板3上安装有限位块18，限位块上设置有3个限位槽，限位槽角度分别为15°、65°和20°，总行程为90°。解锁轴17在底部的时候，只能在限位块18的65°限位槽内进行滑动，通过拉动解锁扣22，解锁轴17向上滑动，跳过台阶可进入15°或者20°限位槽，从而实现油门手柄可以分三段区域进行转动，实现无人机的全油门和油门反推功能。

在阻尼器21内部的两侧设置有半金属摩擦片，半金属摩擦片中间夹有转轴19上的扇形摩擦片20，通过半金属摩擦片与扇形摩擦片20之间的摩擦阻尼力提供油门杆的部分驻停力。通过阻尼器20外壳上的螺钉可以调节两片半金属摩擦片的预压缩行程，从而可以细微调节油门杆的操作力。

在内支架26与左支架25之间设置4个同轴定位柱27，同轴定位柱27通过过盈配合方式转入左支架25内，保证内支架26与左支架25的同轴。在内支架26与左支架25之间在设置齿轮组23，齿轮23.1安装在转轴19上，齿轮23.2与齿轮23.3同轴，齿轮23.4与飞轮同轴，齿轮之间相互配合，从而转轴19通过齿轮组23带动飞轮块24快速转动，转轴19和飞轮块24的转速比为1：14.1。通过高转速比的机械惯性，实现油门杆手柄前后推动过程中的顺滑感与操作力均衡线性。

如图4所示，控制电路板30上设置有微控制器电路、信号处理电路、开关处理电路、滤波器电路、电源电路和RS422接口电路。微控制电路使用STM32F103CBT6型单片机为主控芯片，配合看门狗复位电路、铁电存储器、晶振电路等，对19路开关离散量和2路霍尔传感器连续模拟量进行采集处理，对2路霍尔传感器连续模拟量进行A/D转换处理，转换为16位高精度数据，使用4阶I²R软件滤波算法处理，滤除高频杂波信号，对2路信号进行分析判断，选取正确信号，发送给上位机。信号处理电路内使用运放集成电路进行信号调理和掉线检测，使用磁珠进行信号滤波，对霍尔传感器的两路模拟信号进行处理。开关处理电路使用电路和电容进行RC滤波防抖，使用瞬态抑制二极管进行静电防护。滤波器电路使用电感、电容等进行滤波，使用瞬态抑制二极管进行浪涌抑制。电源电路选用电源模块进行电压转换，将220V交流电转换为控制电路板需要的5V和3.3V直流电。RS422接口电路使用MAX490进行RS422信号的收发，使用电容对信号进行滤波，使用瞬态抑制二极管对信号进行防护。

本发明作为无人机的油门杆，用于无人机的油门大小及相关任务控制，通过推动手柄带动油门杆内部的转轴转动，随着转轴转动，霍尔传感器输出两路线性的模拟电压信号，通过控制电路板对模拟电压信号进行采集处理，转换成16位高精度数字量信号，并对两路信号进行分析判断，通过RS422协议发送给上位机，控制无人机的油门增减；通过按压手柄上的开关按键，输出离散量信号，通过控制电路板对开关离散量信号进行采集，转换成RS422协议发送给上位机，控制无人机的附属任务功能；在油门杆单轴转动机构内部设置有限位块和解锁轴，通过解锁扣可实现油门杆分三段区域转动，从而实现无人机的全油门和油门反推；在油门杆单轴转动机构内部设置齿轮组和飞轮块，推动手柄带动转轴转动，通过齿轮组带动飞轮块飞速旋转，实现油门杆手柄前后推动过程中的惯性顺滑感与操作力均衡线性；阻尼器内部的阻尼片可调节松紧，实现了油门杆手柄前后推动过程中操作力的调节。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机械惯性式无人机油门杆，其特征在于，该油门杆包括外壳，设置于外壳内部的单轴转动机构和控制电路板，设置于外壳外且与单轴转动机构相连的油门手柄；

所述油门手柄，用于操作油门并进行开关操控；

所述单轴转动机构，用于在油门手柄的操控下控制油门的前后推动机械转动，以及油门在各个位置的驻停，同时将油门转动产生的机械位移量转换成模拟电信号传输给控制电路板；

所述控制电路板，用于采集模拟电压量和开关的离散量，进行滤波处理，并转换成RS422信号传输给上位机；

所述外壳包括形成腔体结构的前面板(1)、后面板(2)、右侧面板(3)、底面板(4)、上面板(5)和左支架(25)，所述上面板(5)上设有开槽，用于贯穿油门手柄(9)与单轴转动机构之间的连接部件；

所述单轴转动机构包括连杆(8)、解锁扣(22)、解锁轴(17)、限位块(18)、转轴(19)、扇形摩擦片(20)、阻尼器(21)、霍尔传感器(28)、齿轮组(23)和飞轮块(24)；

所述连杆(8)上端与所述油门手柄(9)的底部安装固定，连杆(8)内部为中空，所有开关的导线通过连杆(8)内部的孔穿入油门杆外壳内，与控制电路板(30)进行连接；所述限位块(18)固定在右侧面板(3)上，包括2个台阶面，分成三段操作区域；所述连杆(8)内部设有销-连杆机构，解锁扣(22)安装在连杆(8)顶部前端且位于外壳外部，并与销-连杆机构的顶部通过锁扣连接，所述解锁轴(17)安装在连杆(8)内部底端，解锁轴(17)在解锁扣(22)的驱动下可在连杆(8)内上下滑动，且解锁轴(17)上安装有滚轴，可在限位块(18)上滚动；所述转轴(19)安装在连杆(8)底部，转轴(19)的侧端安装扇形摩擦片(20)，轴心安装磁铁，所述阻尼器(21)安装在右侧面板(3)上并压紧扇形摩擦片(20)；所述霍尔传感器(28)与转轴(19)同轴安装；所述转轴(19)转动时，通过所述齿轮组(23)传动进而带动安装在左支架(25)上的飞轮块(24)转动。

2.根据权利要求1所述的机械惯性式无人机油门杆，其特征在于，所述油门手柄(9)机械固定在单轴转动机构顶部，其上部安装有各类开关，包括第一五位开关(10)、第二五位开关(11)、第一按钮开关(12)，第二按钮开关(14)、第一三位开关(15)和第三按钮开关(16)，所有开关位于油门手柄(9)的右侧和背部。

3.根据权利要求2所述的机械惯性式无人机油门杆，其特征在于，所述第一按钮开关(12)上安装有开关保护盖(13)，该开关保护盖(13)可翻转90°打开。

4.根据权利要求1所述的机械惯性式无人机油门杆，其特征在于，所述外壳还包括位于外壳内部的内支架(26)，该内支架(26)通过同轴定位柱(27)固定在左支架(25)上，使得两者同轴，所述齿轮组(23)安装在内支架(26)与左支架(25)之间；所述霍尔传感器(28)固定在内支架(26)上，与转轴(19)同轴。

5.根据权利要求4所述的机械惯性式无人机油门杆，其特征在于，所述齿轮组(23)包括第一齿轮(23.1)、第二齿轮(23.2)、第三齿轮(23.3)和第四齿轮(23.4)，所述第一齿轮(23.1)安装在转轴(19)上，第二齿轮(23.2)与第一齿轮(23.1)啮合，第三齿轮(23.3)与第二齿轮(23.2)同轴，第四齿轮(23.4)与第三齿轮(23.3)啮合，飞轮块(24)与第四齿轮(23.4)同轴，转轴(19)转动通过齿轮组(23)带动飞轮块(24)快速转动。

6.根据权利要求1所述的机械惯性式无人机油门杆，其特征在于，所述销-连杆机构外部套有圆线螺旋弹簧，销-连杆机构向上运动时圆线螺旋弹簧受挤压，去除解锁扣(22)上的外部操作力，通过圆线螺旋弹簧的弹力可实现解锁扣(22)和解锁轴(17)的自复位。

7.根据权利要求1所述的机械惯性式无人机油门杆，其特征在于，所述阻尼器(21)内部的两侧设置有半金属摩擦片，半金属摩擦片中间夹有所述扇形摩擦片(20)，通过半金属摩擦片与扇形摩擦片(20)之间的摩擦阻尼力提供油门杆的部分驻停力；所述阻尼器(21)的外壳上设有调节装置，用于调节两片半金属摩擦片的预压缩行程，从而调节油门杆的操作力。

8.根据权利要求1所述的机械惯性式无人机油门杆，其特征在于，所述外壳还包括设置于所述上面板(5)上开槽两端的防尘面板(6)以及位于两侧防尘面板(6)之间的扇形防尘环(7)，防尘面板(6)和扇形防尘环(7)之间安装有防尘绒布，三者将所述开槽密封；所述扇形防尘环(7)安装于连杆(8)中部，连杆(8)沿槽方向运动时，带动扇形防尘环(7)以转轴(19)为圆心转动，实现油门杆全行程的机械防尘；

所述控制电路板(30)包括微控制器电路、信号处理电路、开关处理电路、滤波器电路、电源电路和RS422接口电路；

所述信号处理电路，用于对霍尔传感器(28)的模拟信号进行采集处理；

所述开关处理电路，用于对油门手柄(9)上开关的离散量进行采集处理；

所述微控制器电路，用于对信号处理电路和开关处理电路的输出信号进行模数转换，并转换为RS422信号输出至RS422接口电路；

所述RS422接口电路，用于将RS422信号通过安装在后面板上的连接器(29)输出至上位机；

所述滤波器电路，用于对连接器中的信号进行滤波处理；

所述电源电路，用于进行电压转换，将220V交流电转换为控制电路板所需电压；

所述霍尔传感器(28)为双冗余传感器，控制电路板(30)同时对双冗余信号进行采集判断，当一路出线掉线，自动切换到另一路数据。