CN201979515U - 四旋翼飞行抓捕手 - Google Patents
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Abstract
一种四旋翼飞行抓捕手，属于自动控制领域。所述的四旋翼飞行抓捕手上部有一个四旋翼飞行器系统(1)，下部有一个机械手(3)，同时还包括无线通信设备，以及模型以外的一个地面站控制系统。
Description
所属技术领域
本实用新型利用现有产品和自动控制理论，涉及一种机械抓捕手和一个四旋翼飞行器，将二者结合起来后使用，可以实现在危险区域的物品拾取工作，使目前较为危险的工作得以安全的进行，挽救人的生命和财产安全。
背景技术
四旋翼飞行器是一种可以垂直起降的微小型无人飞行器，其优点是：能够适应各种环境；具备自主起飞和着陆能力，高度智能化；能以各种姿态飞行，如悬停、前飞、侧飞和倒飞等。主要应用有：难以接近或很难到达的工作环境(例如星际飞行)；危险的工作环境(例如战争中)；飞行单调的工作环境；飞行时间长的工作环境(大气观测，数据传输等)。但是目前的四旋翼飞行器系统多适应用于军事上，基本还没有应用在民用方面。而且，应用时往往是进行简单的航拍，没有拾取物品一类的功能。
机械手，也被称为自动手，能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。但是现有的机械手大多应用于地面固定的系统之上，还没有人提出将机械手和四旋翼飞行器系统联合使用的想法。
登山是许多现代人节假日选择的休闲方式。然而，人们在享受大自然美景的时候，往往会对环境带来污染。很多游客会随手把矿泉水瓶、一次性塑料袋等废弃物品扔到山下，这些物品在自然状况下很难降解，为了避免其污染，必须人工拾取然后清理。目前采用的方法是工作人员把一条大拇指粗的绳子套在腰上，然后吊下悬崖拾取垃圾，危险性很大，也是对人力物力的浪费。同时，消防队员经常要清理一些危险物品，如易燃易爆物品，在工作当中也经常有人员伤亡。在这些危险区域和一些特殊情况下，能不能设计一种机械设备代替人来完成类似的危险工作，进而挽救人们的生命呢？这时候前面将四旋翼飞行器和机械手结合在一起的想法便有了用武之地。
发明内容
本实用新型设计带有可控机械手的小型四旋翼飞行器，以代替人在危险区域的进行物品清理等工作。即在现有比较成型的四旋翼飞行器下面安装一个机械手，并通过舵机控制其动作，可以实现在紧急时刻的救援搜索，清理易燃易爆物品，在悬崖等不便于人出没的地方进行勘探地质等工作，具有广泛和长远的应用价值！
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种四旋翼飞行抓捕手，其特征是，所述的四旋翼飞行抓捕手上部有一个四旋翼飞行器系统(1)，下部有一个机械手(3)，同时还包括无线通信设备(2)，以及模型以外的一个地面站控制系统。
本实用新型的有益效果是，四旋翼飞行系统和机械手两部分现在均有较为成形的技术，将它们结合在一起的时候不会存在太大的技术难题。同时，用机器拾取物品的同时以增加工作的安全系数为目的，在很多时候可以挽救人的生命，应用价值显著，便于应用和推广。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是四旋翼飞行器系统中的各元件相对位置示意图，包括机械手部分的控制原理说明。
图2是具体的系统框图。
图3是核心级控制单元系统框图。
图4是系统的控制算法简图。
具体实施方式
整个实验系统分为四旋翼飞行器系统和地面站控制系统，两个系统可以通过无线通信系统实现信息的交换。在四旋翼飞行器的下端安装一个机械手，并通过舵机控制其相对运动。这样，人们可以在地面站控制系统的人机接口部分飞行器控制指令，可以通过无线通信系统传递给四旋翼飞行器系统，控制飞行器的飞行状态，同样机械手的控制指令通过无线通信系统传递给四旋翼飞行器系统，便可以控制机械手的相关动作。
在核心级控制单元中，三轴陀螺仪用来测试飞行器的角位移，经过对时间的微分可以得出飞行器当时的角速度，三轴加速度传感器可以测试出系统的角加速度，将这两方面的信息送入到中央控制器(单片机)中经过适当的算法进行分析和综合，得出的角速度即可反应当前情况下飞行器的飞行状态。通过无刷电机调速器调节电机的旋转速度和旋转方向，即可实现对飞行器的调姿和控制。中央控制芯片还可以控制舵机的运动，以实现对机械手的控制。
四旋翼飞行器是固联在刚性十字交叉结构上由四个独立电机驱动的螺旋桨组成的系统。
尽管有四个驱动，但因为四旋翼直升机具有六个坐标输出，所以仍然是欠驱动和动力不稳定的系统。沿着任意给定方向的独立运动，飞行器如果没有给予足够多的运动驱动，那么该飞行器就是欠驱动的。因此为了实现全部的运动控制目标，必然存在旋转力矩与平移系统的耦合。同时增大或减小四个螺旋桨的速度可以产生垂直的动作。保持对角线上一组螺旋桨速度不变，与此同时另外一组螺旋桨一个速度增大，一个速度减小就会产生俯仰和滚动的姿态。两组螺旋桨阻力矩的差异产生偏航姿态。
飞行器的载荷一般是微型摄像机(配无线视频传输)或空气采样器等，在本项目中飞行载荷为机械手。若采取最简单易行的方案，机械手可以只设计三个手指。其中两个机械手指保持静止，第三个活动的机械 手指在舵机带动下运动，这样可以调整各手指之间的距离。这样就实现了对物体的夹取与释放，可以完成项目所提出的相关功能。
通过无线通信系统传递的指令经过单片机的分析和综合，实现了由人的操作来控制舵机的运动，舵机的左右摆动可以带动横杆机械结构的运动，进而控制机械手的开合。
当然，现在在机械手的控制方面，国内外也拥有一些比较成型的技术，可以实现多自由度摆动的情况，在应用时，可以根据具体的需要，难易程度，经费预算等角度做出适当的取舍与选择。
陀螺仪和加速度传感器所测得的数据在单片机中实现综合，可以得到飞行器当前转台的姿态角，此时的姿态信息和遥控指令相结合。通过比例积分微分算法控制电机驱动器调整集体的状态。陀螺仪和加速度传感器又可以针对此时调整后的转台继续测试数据。整个过程形成一个闭环，经过一系列的调整，最终使系统达到稳定的工作状态。
Claims (1)
1.一种四旋翼飞行抓捕手，其特征是，所述的四旋翼飞行抓捕手上部有一个四旋翼飞行器系统(1)，下部有一个机械手(3)，同时还包括无线通信设备(2)，以及模型以外的一个地面站控制系统。
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- 2010-04-20 CN CN2010201636581U patent/CN201979515U/zh not_active Expired - Fee Related
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