CN114524034B - 一种地面无人系统轻量型牵绳式控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面无人系统轻量型牵绳式控制装置，包括结构支撑架、传动单元、测量单元以及主控单元，所述测量单元包括转向磁编码器和拉绳传感器，所述转向磁编码器和拉绳传感器装配在结构支撑架上；所述传动单元包括牵引绳、第一定滑轮组、第二定滑轮组、转向连杆，所述第一定滑轮组、第二定滑轮组用来固定牵引绳的拉出方向，并对牵引绳进行限位的作用；所述转向磁编码器用来采集牵引绳方向相对无人系统正前方的角度，所述拉绳传感器用来感知牵引绳拉出的长度，所述测量单元的测量数据传送给主控单元处理。本发明具有结构简单、操作简便、控制精度高、控制效果好等优点。

Description

一种地面无人系统轻量型牵绳式控制装置

技术领域

本发明主要涉及到无人系统的测控技术领域，特指一种地面无人系统轻量型牵绳式控制装置。

背景技术

在地面无人系统控制领域，特别是搭载伺服执行系统和观瞄设备的无人车、多足无人系统等，其速度和方向控制主要靠遥控器操纵、视觉引导或卫星、蓝牙定位，但在实际应用场景和操作运用当中，电磁信号易受到干扰或被人截取，同时受到客观环境和场景下复杂背景等因素限制，可能暴露无人系统的位置而遭受打击。以传统的几种控制技术为例，说明其特点及缺陷：

(1)卫星定位技术控制；

可借助全球定位系统如GPS和北斗系统将无人系统的位置上传到后台数据，为移动的无人车提供路面导航，在大范围和大空间上指明具体方向。但是该方法在室内环境、森林或建筑物密集的地方却很难凑效，且信号容易受到干扰。

(2)视觉跟随控制；

视觉跟随通常采用人脸识别、身形识别等方式，相比于其他跟随方式不需要携带发射信号的设备。但是该方法需要开发较为复杂的图像识别算法，成本较高、编程复杂，且对无人车所处的环境亮度有较高的要求。

(3)蓝牙定位控制；

蓝牙定位采用短波特高频的无线电波，可针对卫星定位的缺点进行室内覆盖定位，反应时间在秒级，抗干扰程度较高。但是该方法容易受到拒绝服务攻击、窃听、中间人攻击、消息修改及资源滥用，安全性较差。

(4)电台遥控控制；

电台遥控是无人系统较为普遍的控制方式，其操控距离远，数据传输较为稳定。但是电磁信号容易被敌方恶意截取和干扰，从而暴露无人车的位置，其隐蔽性、抗干扰能力需要加强。

传统的无人车方向控制主要集中于实验室测试和较平坦路面的测试，针对野外环境条件下的高稳定性牵引控制设备较少。同时，目前无人系统方向控制设备特别是无人车牵引控制领域，由于装备体积重量较大、数据链实现繁琐、结构设计复杂、安全性、可靠性不高等缺点，难以适应高稳定性和复杂强干扰环境下的控制需求。

综上所述，现有的无人系统控制方法存在抗干扰能力较低、隐蔽性较差、安全性较低、成本较高、难以适应复杂环境等诸多缺陷，亟需设计一种稳定的、安全性强、适应多地形操控的地面无人系统轻量型牵绳式控制装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、操作简便、控制精度高、控制效果好的地面无人系统轻量型牵绳式控制装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种地面无人系统轻量型牵绳式控制装置，包括结构支撑架、传动单元、测量单元以及主控单元，所述测量单元包括转向磁编码器和拉绳传感器，所述转向磁编码器和拉绳传感器装配在结构支撑架上；所述传动单元包括牵引绳、第一定滑轮组、第二定滑轮组、转向连杆，所述第一定滑轮组、第二定滑轮组用来固定牵引绳的拉出方向，并对牵引绳进行限位的作用；所述转向磁编码器用来采集牵引绳方向相对无人系统正前方的角度，所述拉绳传感器用来感知牵引绳拉出的长度，所述测量单元的测量数据传送给主控单元处理。

作为本发明的进一步改进：所述第一定滑轮组、第二定滑轮组靠近拉绳传感器安装。

作为本发明的进一步改进：所述第一定滑轮组、第二定滑轮组均包括两个定滑轮，所述两个定滑轮安装时轴线平行、外圆相切以形成滑轮组；所述第一定滑轮组、第二定滑轮组的定滑轮绳槽采用U形截面形式，即U形绳槽。

作为本发明的进一步改进：所述U形绳槽形成封闭的牵引绳轮槽通道，所述牵引绳轮槽通道与拉绳传感器的牵丝绳出口在同一直线上，实现牵丝绳高低和左右限位目的。

作为本发明的进一步改进：所述结构支撑架的设置结构支撑架前端平台，所述结构支撑架前端平台的顶面安装第二定滑轮组。

作为本发明的进一步改进：所述结构支撑架前端平台设置转向磁编码器轴孔和安装孔，所述转向磁编码器从下往上装配，转向磁编码器的轴向上穿过轴孔后，固定在结构支撑架前端平台。

作为本发明的进一步改进：还包括法兰联轴器，所述法兰联轴器的法兰面朝上轴孔向下套入转向磁编码器的轴，并用紧定螺钉将转向磁编码器的轴与法兰联轴器固定。

作为本发明的进一步改进：所述转向连杆的一端与法兰联轴器上端面紧固，所述第一定滑轮组安装在转向连杆的另一端上端面，外沿相切形成牵引绳轮槽通道，通道高度与牵引绳的出线等高。

作为本发明的进一步改进：所述拉绳传感器内部安装有卷簧，在牵引绳拉出力小到预定位置后，所述牵引绳自动收回到拉绳传感器内。

作为本发明的进一步改进：所述牵引绳的拉出操作端设置有拉环。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

本发明的地面无人系统轻量型牵绳式控制装置，结构简单、操作简便、控制精度高、控制效果好，通过牵引绳在转向牵引模式和直线牵引模式下伸缩距离的变化分别被拉绳传感器和转向磁编码器以信号的方式向系统主控单元传送，主控单元对信号进行处理，并将牵引绳牵出长度规划为四段，然后向无人系统执行部件发送相应指令，通过执行部件控制无人系统的方向，最后实现牵绳控制取代电台遥控控制、视觉引导等稳定性、可靠性较低的控制方法。本地面无人系统牵绳式控制装置总体采用轻量化设计，结构精巧，相对于现有技术中的牵引式控制方法，本装置便于加工、装配和携带，可即插即用安装，提高无人系统隐蔽性，特别是提高搭载伺服武器系统和观瞄系统的地面无人系统隐蔽性可靠性和抗干扰性，避免复杂环境下或因人为因素对电磁波产生的恶意干扰，避免无人系统失控、失灵。

附图说明

图1是本发明装置在地面无人系统中应用时的整体结构示意图。

图2是本发明装置局部放大示意图。

图3是本发明装置局部的剖视示意图。

图4是本发明装置在具体应用梳理中的牵引绳拉出长度规划示意图。

图5是本发明在具体应用时的流程示意图。

图例说明：

1、拉环；2、牵引绳；3、法兰联轴器；4、第一定滑轮组；5、拉绳传感器；6、结构支撑架；7、转向磁编码器；8、转向连杆；9、U形轮槽构成的牵引绳轮槽通道；10、滑轮固定螺钉；11、拉绳传感器的牵引绳出口；12、转向磁编码器内部；13、转向磁编码器的轴；14、结构支撑架前端平台；15、信号处理模块；16、结构支撑架前端顶面；17、沉头螺钉组；18、第二定滑轮组；19、紧定螺钉；20、转向磁编码器固定螺钉。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种地面无人系统轻量型牵绳式控制装置，包括结构支撑架6、传动单元、测量单元以及主控单元，所述测量单元包括转向磁编码器7和拉绳传感器5，所述转向磁编码器7和拉绳传感器5装配在结构支撑架6上；所述传动单元包括牵引绳2、第一定滑轮组4、第二定滑轮组18、转向连杆8，所述第一定滑轮组4、第二定滑轮组18用来固定牵引绳2的拉出方向，并对牵引绳2进行限位的作用；其中，转向磁编码器7作为牵绳角度传感器，通过传感器的合理装配可采集牵引绳2方向相对无人系统正前方的角度，转向磁编码器7的测量值为绝对角度值。其中，拉绳传感器5用来感知牵引绳2拉出的长度，即牵引者离车辆的距离。所述拉绳传感器5用来将牵引绳2的方向角度值和牵引绳2拉出的长度值传送至主控单元处理。

在具体应用实例中，所述第一定滑轮组4、第二定滑轮组18靠近拉绳传感器5安装。

在具体应用实例中，第一定滑轮组4和第二定滑轮组18均包括两个定滑轮，所述定滑轮安装时轴线平行、外圆相切以形成滑轮组；所述第一定滑轮组4位于结构支撑架前端顶面16上，第二定滑轮组18位于转向连杆8上；所述第一定滑轮组4、第二定滑轮组18的定滑轮绳槽采用U形截面形式，即U形绳槽；所述U形绳槽构成的牵引绳轮槽通道9与拉绳传感器的牵引绳出口11在同一直线上，实现牵引绳2高低和左右限位目的。这样，一方面使得从拉绳传感器5拉出的牵引绳2固定拉出方向，防止拉出方向不正时牵引绳2与出线孔壁产生较大摩擦导致牵引绳2磨损；另一方面牵引绳2拉出收回过程中第一定滑轮组4和第二定滑轮组18的转动可有效减小牵引绳2与滑轮槽面的摩擦，因此可从结构支撑架6设计、滑轮安装位置和装配上减小摩擦阻力和因频繁拉绳造成的牵引绳2机械磨损和断裂可能性。

在具体应用实例中，所述结构支撑架6的前端设计成L形造型，构成结构支撑架前端平台14。在结构支撑架前端平台14上安装转向连杆8，转向连杆8上用滑轮固定螺钉10紧固定滑轮组成第二定滑轮组18，两定滑轮左右对称分列牵引绳2的出线两侧，其轴线距离保证两定滑轮外沿相切，滑轮轮槽高度与牵引绳2的出线高度一致，以确保U形绳槽构成的牵引绳轮槽通道9与牵引绳2的出线在同一直线上。

在具体应用实例中，结构支撑架前端平台14设置转向磁编码器轴孔和安装孔，将转向磁编码器7从下往上装配，转向磁编码器的轴13向上穿过轴孔后，通过转向磁编码器固定螺钉20与转向磁编码器内部12连接，将转向磁编码器7固定在结构支撑架前端平台14。进一步设置法兰联轴器3，所述法兰联轴器3的法兰面朝上轴孔向下套入转向磁编码器的轴13，并用紧定螺钉19向磁编码器的轴13与法兰联轴器3固定。

在具体应用实例中，转向连杆8的一端用沉头螺钉组17与法兰联轴器3上端面紧固，两个定滑轮组成的第一定滑轮组4通过滑轮固定螺钉10安装在转向连杆8的另一端上端面，安装方式与结构支撑架前端平台14顶面的两个滑轮相同，外沿相切形成U形绳槽构成的牵引绳轮槽通道9，通道高度也与牵引绳2的出线等高。当牵引绳2受牵引后，如果有方向变化，可通过转向连杆8上的第一定滑轮组4(两定滑轮)带动转向连杆8、法兰联轴器3和转向磁编码器7的转子以转向磁编码器7的输出轴为中心作旋转运动，由转向磁编码器7感知方向变化角度，从而达到牵引牵引绳2，转向连杆8带动转向磁编码器7感知牵引绳2的方向偏移角的目的。

在具体应用实例中，所述拉绳传感器5内部安装有卷簧，在牵引绳2拉出力小到一定程度后，牵引绳2可自动收回到拉绳传感器5内。

在具体应用实例中，牵引绳2采用覆膜处理的钢丝绳，可有效缓解反复牵引造成的机械磨损，从而延长使用寿命。

在具体应用实例中，所述牵引绳2的拉出操作端设置有拉环1。

在具体应用实例中，本发明进一步设置一个作为美观和保护作用的外部壳体。

通过采用上述结构，从拉绳传感器5拉出的牵引绳2先从结构支撑架6的两滑轮槽通道穿出，再从转向连杆8上的两滑轮槽通道穿出后，由牵引者通过拉环1来牵引。在结构设计时，要保证牵引绳2、转向连杆8上定滑轮平面、法兰联轴器3上端面、转向连杆8的平面平行，同时保证拉绳传感器5的牵引绳出口、结构支撑架6上第一定滑轮组4、转向连杆8的结构上U形绳槽构成的牵引绳轮槽通道9在同一高度，从结构设计和装配上减小因频繁拉绳造成的机械磨损和牵引绳断裂。

在具体应用时，本发明的地面无人系统牵绳式控制装置，既可以实现转向牵引，也可以实现直线牵引。

在转向牵引模式下，结构支撑架6上第一定滑轮组4起到固定牵引绳2拉出方向和牵引绳2限位的作用，转向连杆8上U形绳槽构成的牵引绳轮槽通道9穿出牵引绳2后，可在牵引绳2的牵引下带动转向连杆8和转向磁编码器7转动，从而实现用转向磁编码器7感知牵引绳2拉出方向角度的目的。牵引绳2通过牵引者对拉环1的牵引力使牵引绳2从拉绳传感器5的出口拉出，由拉绳传感器5感知牵引绳2的拉出长度外，通过转向磁编码器7感知牵引绳2牵引力的方向角度位置，并将采集到的长度信号和方向角度信号传输至主控单元。

在直线牵引模式下，则可以通过直线牵引拉绳传感器5的牵引绳2，不进行左右摆动实现，这样转向磁编码器7的转向角接近为零，根据拉绳传感器5感知的牵引绳2拉出长度外可使无人系统直线前进。拉绳传感器5内部安装有卷簧，在牵引绳2拉出力小到一定程度后，牵引绳2可自动收回到拉绳传感器5内。拉绳传感器5可测量牵引绳2拉出的传感器壳体的绝对位移距离，转向磁编码器7可测量牵引绳2拉出方向角位置，最后将二者传输至系统主控单元进行信号处理，进行随后的地面无人系统的速度和方向控制。

本发明的地面无人系统牵绳式控制装置，其牵引绳牵2引距离行程规划为四段；

I段为牵引绳2牵引0m到0.7m，规划为预留安全位移段，为了防止无人系统因惯性前进对人造成碰撞伤害，在这段行程中不给无人系统驱动力；

II段为牵引绳2牵引0.7m到1.4m，规划为后退位移段。在这段行程中，当牵引绳2受力向前牵出时(即拉绳传感器5长度数据增加时)不给无人系统驱动力。当人的牵引力小于牵引绳2的卷簧拉力时，牵引绳2缩回拉绳传感器5内(即拉绳传感器5长度数据减小时)，在这段行程中系统主控单元发指令使无人系统后退；

III段牵引绳2牵引1.4m到1.8m，规划为过渡段，在这段行程中是无人系统前进和后退规划控制的过渡阶段，使无人系统静止，防止牵引者不动时，无人系统出现前进倒退往复运动的非正常工作状态。

IV段牵引绳2牵引1.8m到5m，规划为前进位移段。在这段行程中，系统主控单元发指令使无人系统前进，并通过牵引绳2牵出的长度确定地面无人系统的速度。

当牵引绳2的牵引方向偏离无人系统前进方向时，转向磁编码器7将牵引力转向角信号传送至系统主控单元，主控单元发指令操控无人系统运动方向随牵引力方向变化。

无人系统方向控制不区分阶段，在无人系统前进和后退进程中均可通过由转角磁编码器7采集牵引绳2的牵引力偏角信号来控制前进和后退方向。

参见图5，为在本实施例中牵引者牵引牵引绳2的具体实施方式，牵引者牵引牵引绳2分为转向牵引模式和直线牵引模式，分别被拉绳传感器5和转向磁编码器6测量到牵引绳2的长度信号和转向角信号，由信号处理模块15首先进行低通滤波处理，再发送无人系统前进、后退、转向及停止指令，防止因传感器数据的快速变化导致运动速度及转向产生抖动。

主控机采集到信号后按照如图4所示的路径规划提前编写好程序进行下一步处理，然后发指令传送至无人系统执行器控制前进、后退、转向和停止。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种地面无人系统轻量型牵绳式控制装置，其特征在于，包括结构支撑架（6）、传动单元、测量单元以及主控单元，所述测量单元包括转向磁编码器（7）和拉绳传感器（5），所述转向磁编码器（7）和拉绳传感器（5）装配在结构支撑架（6）上；所述传动单元包括牵引绳（2）、第一定滑轮组（4）、第二定滑轮组（18）、转向连杆（8），所述第一定滑轮组（4）、第二定滑轮组（18）用来固定牵引绳（2）的拉出方向，并对牵引绳（2）进行限位的作用；所述转向磁编码器（7）用来采集牵引绳（2）方向相对无人系统正前方的角度，所述拉绳传感器（5）用来感知牵引绳（2）拉出的长度，所述测量单元的测量数据传送给主控单元处理；所述结构支撑架（6）的设置结构支撑架前端平台（14），所述结构支撑架前端平台（14）的顶面安装第二定滑轮组（18）；所述结构支撑架前端平台（14）设置转向磁编码器轴孔和安装孔，所述转向磁编码器（7）从下往上装配，转向磁编码器的轴（13）向上穿过轴孔后，固定在结构支撑架前端平台（14）；还包括法兰联轴器（3），所述法兰联轴器（3）的法兰面朝上轴孔向下套入转向磁编码器的轴（13），并用紧定螺钉将转向磁编码器的轴（13）与法兰联轴器（3）固定；所述转向连杆（8）的一端与法兰联轴器（3）上端面紧固，所述第一定滑轮组（4）安装在转向连杆（8）的另一端上端面，外沿相切形成U形轮槽构成的牵引绳轮槽通道（9），通道高度与牵引绳（2）的出线等高。

2.根据权利要求1所述的地面无人系统轻量型牵绳式控制装置，其特征在于，所述第一定滑轮组（4）、第二定滑轮组（18）靠近拉绳传感器（5）安装。

3.根据权利要求1所述的地面无人系统轻量型牵绳式控制装置，其特征在于，所述第一定滑轮组（4）、第二定滑轮组（18）均包括两个定滑轮，所述两个定滑轮安装时轴线平行、外圆相切以形成滑轮组；所述第一定滑轮组（4）、第二定滑轮组（18）的定滑轮绳槽采用U形截面形式，即U形绳槽。

4.根据权利要求3所述的地面无人系统轻量型牵绳式控制装置，其特征在于，所述U形绳槽形成封闭的牵引绳轮槽通道（9），所述牵引绳轮槽通道（9）与拉绳传感器（5）的牵引绳出口（11）在同一直线上，实现牵丝绳（2）高低和左右限位目的。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的地面无人系统轻量型牵绳式控制装置，其特征在于，所述拉绳传感器（5）内部安装有卷簧，在牵引绳（2）拉出力小到预定位置后，所述牵引绳（2）自动收回到拉绳传感器（5）内。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的地面无人系统轻量型牵绳式控制装置，其特征在于，所述牵引绳（2）的拉出操作端设置有拉环（1）。

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