本發(fā)明涉及一種收放纜系統(tǒng)，尤其涉及一種系留無人機(jī)收放纜裝置及其控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和推廣，其續(xù)航問題越發(fā)突出。為了解決這一問題，人們選擇將傳統(tǒng)的無人機(jī)技術(shù)與系留平臺技術(shù)相結(jié)合，形成系留無人機(jī)。收放纜裝置是系留無人機(jī)技術(shù)的核心，連接無人機(jī)部分的纜繩收放效果會直接影響系留無人機(jī)工作性能。

傳統(tǒng)的收放纜裝置多用于水下機(jī)器人、搜救機(jī)器人等，與系留無人機(jī)收放纜裝置相比，這些特種收放裝置收放纜力大，結(jié)構(gòu)尺寸大，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計不能滿足無人機(jī)纜繩收放特點(diǎn)的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種系留無人機(jī)收放纜裝置及其控制系統(tǒng)，可用其進(jìn)行系留無人機(jī)的光纜收放。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：包括支架和帶有光電編碼器的力矩電機(jī)，在支架間設(shè)置有絲杠和儲纜筒軸系，且絲杠位于儲纜筒軸系上方，力矩電機(jī)的輸出端與儲纜筒軸系連接，儲纜筒軸系上設(shè)置有儲纜筒，儲纜筒上纏繞有線纜，儲纜筒軸系與力矩電機(jī)連接的一端上還設(shè)置有主動帶輪、儲纜筒軸系的另一端部設(shè)置有滑環(huán)，絲杠的端部設(shè)置有從動帶輪，主動帶輪與從動帶輪之間設(shè)置有同步帶，絲杠上設(shè)置有滑塊，滑塊上端面設(shè)置有水平方向的第一自由輪組、外端面上設(shè)置有豎直方向的第二自由輪組，所述支架上設(shè)置有第三自由輪組，所述支架上還設(shè)置有測力機(jī)構(gòu)，支架上端設(shè)置有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，所述測力機(jī)構(gòu)包括與支架連接的固定座、安裝在固定座上的左導(dǎo)向輪、測力輪和右導(dǎo)向輪，測力輪連接力傳感器，所述導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括安裝在支架上端面上的基座、通過軸承設(shè)置在基座中的回轉(zhuǎn)單元、設(shè)置在回轉(zhuǎn)單元上的自由輪支架、分別設(shè)置在自由輪支架和回轉(zhuǎn)單元上的一號銷軸安裝座和二號銷軸安裝座、分別通過銷軸安裝在一號銷軸安裝座和二號銷軸安裝座上的小自由輪和大自由輪，線纜的端部先是穿過第二自由輪組、第一自由輪組、第三自由輪組，再依次繞過左導(dǎo)向輪、測力輪和右導(dǎo)向輪，最后經(jīng)大自由輪和小自由輪間穿出。

本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：

1.在大自由輪的銷軸與二號銷軸安裝座之間還設(shè)置彈簧。

2.所述第一自由輪組、第二自由輪組和第三自由輪組均包括兩個大小相等的自由輪。

3.一種系留無人機(jī)收放纜裝置的控制系統(tǒng)，包括所述的系留無人機(jī)收放纜裝置，力矩電機(jī)控制線纜動作，編碼器實(shí)時測量收放線纜長度及速度，力傳感器實(shí)時測量線纜上的張力，還包括系統(tǒng)控制器和控制力矩電機(jī)輸出的伺服驅(qū)動器，系統(tǒng)控制器將給定張力值和無人機(jī)定位信息發(fā)送給伺服驅(qū)動器；伺服控制器通過can通訊將線纜長度、張力及當(dāng)前工作狀態(tài)發(fā)送給系統(tǒng)控制器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：針對上述問題，并在參考以往的特種收放裝置基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出了一種用于系留無人機(jī)的收放纜裝置。由單個動力源同時驅(qū)動儲纜筒和排纜裝置，其中儲纜筒由力矩電機(jī)直接驅(qū)動，同一力矩電機(jī)再通過帶傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動排線裝置，保證繞線動作和排線同步，且速度成一定的比例關(guān)系。排線裝置選用絲杠排線機(jī)構(gòu)，滑塊(螺旋副)上安裝兩組自由輪，在限制光纜出口位置的同時滿足適應(yīng)卷筒軸徑變化的要求。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中安裝一對自由輪，使光纜與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)始終處于滾動摩擦狀態(tài)，從而減小導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對光纜張力的影響。在控制方法上，采用力與速度雙閉環(huán)，解決在快速收放纜過程中的恒張力問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的控制方案圖；

圖2是本發(fā)明的三維效果圖；

圖3是本發(fā)明的前視方向結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的俯視方向結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的測力機(jī)構(gòu)的三維效果圖；

圖6是本發(fā)明的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的三維效果圖；

圖7是本發(fā)明的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的剖視圖；

圖8是本發(fā)明的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的俯視圖；

圖9是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

結(jié)合圖1至圖8，結(jié)合圖2、3、4，本發(fā)明包括支架、排纜裝置、儲纜筒、驅(qū)動單元、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、測力機(jī)構(gòu)等。驅(qū)動單元由力矩電機(jī)、同步帶等構(gòu)成，排纜裝置由雙向絲杠、滑塊(螺旋副)及導(dǎo)軌構(gòu)成。導(dǎo)軌與絲杠平行布置，限制滑塊(螺旋副)跟隨絲杠轉(zhuǎn)動，并且同時起到導(dǎo)向作用，滑塊(螺旋副)上的兩組自由輪則有效的限制了排線過程中出纜位置，并適應(yīng)了光纜收放過程中卷筒軸徑變化引起的光纜小范圍前后擺動。由一個力矩電機(jī)同時驅(qū)動儲纜筒和絲杠的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)繞線和往復(fù)排線動作的同步。纏繞在儲纜筒上的光纜經(jīng)過三組自由輪及測力機(jī)構(gòu)，通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)后與無人機(jī)連接，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可以在偏心矩的作用下做360度轉(zhuǎn)動，使得光纜在任意方向都可以自由伸縮運(yùn)動。本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)在外界環(huán)境干擾下，系留無人機(jī)釋放、平飛和回收過程中的恒張力控制。力矩電機(jī)同時驅(qū)動排纜裝置和儲纜筒，由于同步帶的傳動作用，儲纜筒和排纜裝置同步運(yùn)動，也即通過同步帶傳動實(shí)現(xiàn)儲纜筒的轉(zhuǎn)動速度與排纜裝置水平移動速度成一定的比例關(guān)系。力矩電機(jī)直驅(qū)儲纜筒，去除了由傳動機(jī)構(gòu)摩擦帶來的影響。絲杠滑塊(螺旋副)上添加兩組自由輪，其中一組限制排纜出線位置，而另一組適應(yīng)收放纜過程中的卷筒軸徑變化。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要由基座、回轉(zhuǎn)單元、滾動軸承、軸用擋圈及一對自由輪組成。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可以在偏心矩的作用下繞軸線做360度轉(zhuǎn)動，在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)內(nèi)安裝一組自由輪，從而使光纜與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)始終處于滾動摩擦狀態(tài)，減小光纜通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時的摩擦，從而減小導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對光纜張力的影響。光纜經(jīng)過一組固定的自由輪后進(jìn)入測力機(jī)構(gòu)，確保光纜與測力機(jī)構(gòu)軸線垂直以保證測力準(zhǔn)確性。測力機(jī)構(gòu)選用三輪組測力方案，即左右各布置一個導(dǎo)向輪，中間輪為測力輪與傳感器內(nèi)部相連，在光纜進(jìn)入測力機(jī)構(gòu)之前，先經(jīng)過一組位置固定的自由輪，從而使光纜與測力機(jī)構(gòu)的軸線保持垂直，方向固定，以確保測力的準(zhǔn)確性，本發(fā)明的這種設(shè)置方式與一般收放纜裝置采用的單輪測力方案相比，慣量小，更靈敏，更加節(jié)省空間。回轉(zhuǎn)單元通過滾動軸承與基座安裝，使導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在偏心矩的作用下能夠繞軸線靈活轉(zhuǎn)動，在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)內(nèi)安裝一組自由輪，從而使光纜與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)始終處于滾動摩擦狀態(tài)，減小光纜通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時的摩擦，降低導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對光纜張力的影響。

具體說本發(fā)明是：安裝有編碼器9的力矩電機(jī)8通過聯(lián)軸器15與儲纜筒軸系連接。儲纜筒軸系與絲杠軸11分別通過一對深溝球軸承安裝在左右兩個軸承座中，同步帶輪10分別通過平鍵連接安裝在儲纜筒軸系和絲杠軸11上。力矩電機(jī)8直接驅(qū)動儲纜筒6，并通過同步帶7驅(qū)動絲杠軸11，從而實(shí)現(xiàn)滑塊(螺旋副)12沿著導(dǎo)軌13做水平運(yùn)動。往復(fù)絲杠單向轉(zhuǎn)動，當(dāng)滑塊(螺旋副)12運(yùn)動到極限位置時，會自動沿著反方向運(yùn)動，無需電機(jī)換向，即能實(shí)現(xiàn)往復(fù)排纜。在滾筒軸系的末端安裝滑環(huán)16，將外部光纜和儲纜筒上的光纜分離開，避免在纏繞過程中出現(xiàn)光纜扭曲。

結(jié)合圖2、3、5，光纜從儲纜筒到到達(dá)無人機(jī)，需要依次經(jīng)過安裝在滑塊(螺旋副)12上的第二自由輪組5和第一自由輪組4，固定在支架3上的一對第三自由輪14，固定在支架3上的測力機(jī)構(gòu)2以及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)1，每組自由輪組由兩個大小相同的自由輪。在空間布置上，自由輪組14，測力機(jī)構(gòu)2及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)1回轉(zhuǎn)中心的連線與儲纜筒6相切，確保光纜進(jìn)入測力機(jī)構(gòu)的方向和角度固定，保證了測力結(jié)果的準(zhǔn)確性。自由輪組5限定了光纜擺動過程中的出口位置，自由輪組4實(shí)現(xiàn)在線擺動過程中適應(yīng)儲纜筒6外徑的變化，兩組自由輪的軸線相互垂直。測力機(jī)構(gòu)包括左導(dǎo)向輪19、右導(dǎo)向輪21及測力輪20，尺寸小，轉(zhuǎn)動靈活，減少了光纜18通過時的阻力。

結(jié)合圖6、7、8，回轉(zhuǎn)單元27通過深溝球軸承29安裝在基座28中，用彈性擋圈30防止回轉(zhuǎn)單元27的軸向串動。自由輪支架22通過螺釘安裝在回轉(zhuǎn)單元27上。同時采用一對自由輪，小自由輪23和大自由輪24分別通過銷26以及一號銷軸安裝座31和二號銷軸安裝座25安裝在自由輪支架22和回轉(zhuǎn)單元27上。安裝在回轉(zhuǎn)單元27槽中的彈簧實(shí)現(xiàn)了大自由輪銷軸小范圍調(diào)整，保證了光纜始終處在兩個自由輪之間，當(dāng)光纜擠壓小自由輪23時，由于擠壓力與回轉(zhuǎn)單元27的回轉(zhuǎn)中心(圖7中的中心線)不相交，會立即產(chǎn)生一個偏心矩使回轉(zhuǎn)單元轉(zhuǎn)動，使得光纜在任意方向都可以自由伸縮運(yùn)動，并始終處于滾動摩擦狀態(tài)，減小導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對光纜張力的影響

本發(fā)明的控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制器，伺服驅(qū)動器，力矩電機(jī)，力傳感器及編碼器。其中，伺服驅(qū)動器控制力矩電機(jī)輸出；力矩電機(jī)控制線纜動作；編碼器實(shí)時測量收放纜繩長度及速度；力傳感器實(shí)時測量線纜上的張力。伺服驅(qū)動器具備電流補(bǔ)償與監(jiān)測、速度補(bǔ)償及張力控制功能。其中電流監(jiān)測環(huán)節(jié)確保電機(jī)不會過載，電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)電機(jī)加載的快速性和平穩(wěn)性；速度補(bǔ)償與張力控制這兩個閉環(huán)在提供張力過載保護(hù)和失速檢測的同時，共同實(shí)現(xiàn)系留無人機(jī)釋放回收的自動控制，避免沖擊，提高回收性能。

系統(tǒng)控制器將給定張力值和無人機(jī)定位信息發(fā)送給伺服驅(qū)動器；伺服控制器通過can通訊將纜長、張力及當(dāng)前工作狀態(tài)發(fā)送給系統(tǒng)控制器，為檢測無人機(jī)的飛行高度提供數(shù)據(jù)，并避免因過大放纜張力而損毀電機(jī)和控制器。

結(jié)合圖1、2，安裝在力矩電機(jī)8上的光電編碼器9測量出纜繩的收放長度及當(dāng)前的收放速度，力傳感器2測量當(dāng)前纜繩張力，由伺服驅(qū)動器發(fā)送給系統(tǒng)控制器，判定無人機(jī)的高度并確認(rèn)控制方法是否處在正常工作狀態(tài)下。系統(tǒng)控制器向伺服控制器發(fā)送無人機(jī)當(dāng)前位置，并給出指令(放纜、平飛或回收)使伺服控制器根據(jù)不同指令選擇不同的控制算法。

控制器通過pwm驅(qū)動電路控制直流伺服電機(jī)的輸出力矩和速度，通過張力、速度反饋雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)在光纜動態(tài)恒張力自動收放纜控制，解決光纜運(yùn)動狀態(tài)下的張力準(zhǔn)確控制問題。通過光電編碼實(shí)現(xiàn)放纜長度測量，經(jīng)過收纜自動控制策略實(shí)現(xiàn)無人機(jī)降落收起的自動控制，避免沖擊、提高回收性能。同時通過can通訊將纜長信息發(fā)送給系統(tǒng)控制器，為檢測無人機(jī)的飛行高度距離提供數(shù)據(jù)；采用電機(jī)電流反饋、張力過載保護(hù)、失速檢測等保護(hù)方法，避免過大的放纜張力，避免因過載損毀電機(jī)和控制器，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全。

在放纜階段，速度控制為主控制環(huán)，電纜張力控制為輔助閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)在規(guī)定張力范圍內(nèi)以一定的速度放纜(用無人機(jī)的上升速度信息或者靠控制器上升速度的預(yù)判自動調(diào)整放纜速度)；平飛階段實(shí)現(xiàn)恒張力自動收/放纜,解決在平飛階段因?yàn)楦鞣N原因造成無人機(jī)與安裝有收放纜裝置的底面車輛運(yùn)動不一致造成對電纜的拉扯問題，通過恒張力控制自動調(diào)整電纜的長度，以電纜張力閉環(huán)控制為主閉環(huán)；回收階段實(shí)現(xiàn)自動收纜，位置控制為主控制環(huán)，電纜張力控制為輔助閉環(huán)。根據(jù)無人機(jī)與回收箱的不同相對位置規(guī)劃收攬的速度，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的平穩(wěn)回收。

綜上，本發(fā)明目的在于提供一種系留無人機(jī)收放纜裝置及控制方法。裝置包括支架、排纜裝置、儲纜筒、驅(qū)動單元、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、測力機(jī)構(gòu)等。驅(qū)動單元由力矩電機(jī)、同步帶等構(gòu)成，排纜裝置由雙向絲杠、滑塊(螺旋副)及導(dǎo)軌構(gòu)成。由力矩電機(jī)直接驅(qū)動儲纜筒繞線，同時力矩電機(jī)經(jīng)同步帶傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動往復(fù)絲杠轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)滑塊(螺旋副)往復(fù)排線動作。光纜經(jīng)由排線裝置依次穿過三組定自由輪和力傳感器，最后通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)接到無人機(jī)上。本發(fā)明的特點(diǎn)在于力矩電機(jī)直驅(qū)儲纜筒，減少了在傳動過程中機(jī)構(gòu)摩擦等因素造成的動力消耗，在導(dǎo)向和固定光纜方面不同于傳統(tǒng)收放纜裝置的單個導(dǎo)向輪，而是采用三組自由輪，其中兩組軸線垂直并安裝在滑塊(螺旋副)上隨絲杠轉(zhuǎn)動水平移動，另一組固定在支架上保證光纜進(jìn)入力傳感器的方向不變以確保測量準(zhǔn)確性。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可以在偏心矩的作用下轉(zhuǎn)動，使得光纜在任意方向都可以自由伸縮運(yùn)動。

本發(fā)明還提供了一種基于前述裝置的收放纜控制系統(tǒng)，包括：系統(tǒng)控制器，伺服驅(qū)動器，力矩電機(jī)，力傳感器及編碼器。其中，伺服驅(qū)動器控制力矩電機(jī)輸出，同時將纜繩長度及當(dāng)前工作狀態(tài)反饋給系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器向伺服驅(qū)動器發(fā)送任務(wù)命令和無人機(jī)定位信息；力矩電機(jī)控制線纜動作；編碼器實(shí)時測量收放纜繩長度及速度；力傳感器實(shí)時測量線纜上的張力。伺服驅(qū)動器具備電流補(bǔ)償與監(jiān)測、速度補(bǔ)償及張力控制功能。其中電流監(jiān)測環(huán)節(jié)確保電機(jī)不會過載，電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)電機(jī)加載的快速性和平穩(wěn)性；速度補(bǔ)償與張力控制這兩個閉環(huán)在提供張力過載保護(hù)和失速檢測的同時，共同實(shí)現(xiàn)系留無人機(jī)釋放回收的自動控制，避免沖擊，提高回收性能。伺服驅(qū)動器的mcu需要實(shí)現(xiàn)張力控制，電流補(bǔ)償及速度補(bǔ)償三個閉環(huán)，并通過can通訊的方式將收放纜系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時反饋給系統(tǒng)控制器，保證在外界環(huán)境干擾下，系留無人機(jī)可以在系統(tǒng)控制器的給定張力下快速釋放和回收。