一種系留無人機收放纜裝置及其控制系統的制作方法

本發明涉及一種收放纜系統，尤其涉及一種系留無人機收放纜裝置及其控制系統。

背景技術：

隨著無人機技術的發展和推廣，其續航問題越發突出。為了解決這一問題，人們選擇將傳統的無人機技術與系留平臺技術相結合，形成系留無人機。收放纜裝置是系留無人機技術的核心，連接無人機部分的纜繩收放效果會直接影響系留無人機工作性能。

傳統的收放纜裝置多用于水下機器人、搜救機器人等，與系留無人機收放纜裝置相比，這些特種收放裝置收放纜力大，結構尺寸大，導向機構設計不能滿足無人機纜繩收放特點的要求。

技術實現要素：

本發明的目的是為了提供一種系留無人機收放纜裝置及其控制系統，可用其進行系留無人機的光纜收放。

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

本發明還包括這樣一些結構特征：

1.在大自由輪的銷軸與二號銷軸安裝座之間還設置彈簧。

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。

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

與現有技術相比，本發明的有益效果是：針對上述問題，并在參考以往的特種收放裝置基礎上，本發明提出了一種用于系留無人機的收放纜裝置。由單個動力源同時驅動儲纜筒和排纜裝置，其中儲纜筒由力矩電機直接驅動，同一力矩電機再通過帶傳動機構驅動排線裝置，保證繞線動作和排線同步，且速度成一定的比例關系。排線裝置選用絲杠排線機構，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卷筒軸徑變化的要求。導向機構中安裝一對自由輪，使光纜與導向機構始終處于滾動摩擦狀態，從而減小導向機構對光纜張力的影響。在控制方法上，采用力與速度雙閉環，解決在快速收放纜過程中的恒張力問題。

附圖說明

圖1是本發明的控制方案圖；

圖2是本發明的三維效果圖；

圖3是本發明的前視方向結構示意圖；

圖4是本發明的俯視方向結構示意圖；

圖5是本發明的測力機構的三維效果圖；

圖6是本發明的導向機構的三維效果圖；

圖7是本發明的導向機構的剖視圖；

圖8是本發明的導向機構的俯視圖；

圖9是本發明的整體結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細描述。

結合圖1至圖8，結合圖2、3、4，本發明包括支架、排纜裝置、儲纜筒、驅動單元、導向機構、測力機構等。驅動單元由力矩電機、同步帶等構成，排纜裝置由雙向絲杠、滑塊(螺旋副)及導軌構成。導軌與絲杠平行布置，限制滑塊(螺旋副)跟隨絲杠轉動，并且同時起到導向作用，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。由一個力矩電機同時驅動儲纜筒和絲杠的轉動，實現繞線和往復排線動作的同步。纏繞在儲纜筒上的光纜經過三組自由輪及測力機構，通過導向機構后與無人機連接，導向機構可以在偏心矩的作用下做360度轉動，使得光纜在任意方向都可以自由伸縮運動。本發明用于實現在外界環境干擾下，系留無人機釋放、平飛和回收過程中的恒張力控制。力矩電機同時驅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動，也即通過同步帶傳動實現儲纜筒的轉動速度與排纜裝置水平移動速度成一定的比例關系。力矩電機直驅儲纜筒，去除了由傳動機構摩擦帶來的影響。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，而另一組適應收放纜過程中的卷筒軸徑變化。導向機構主要由基座、回轉單元、滾動軸承、軸用擋圈及一對自由輪組成。導向機構可以在偏心矩的作用下繞軸線做360度轉動，在導向機構內安裝一組自由輪，從而使光纜與導向機構始終處于滾動摩擦狀態，減小光纜通過導向機構時的摩擦，從而減小導向機構對光纜張力的影響。光纜經過一組固定的自由輪后進入測力機構，確保光纜與測力機構軸線垂直以保證測力準確性。測力機構選用三輪組測力方案，即左右各布置一個導向輪，中間輪為測力輪與傳感器內部相連，在光纜進入測力機構之前，先經過一組位置固定的自由輪，從而使光纜與測力機構的軸線保持垂直，方向固定，以確保測力的準確性，本發明的這種設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，更加節省空間。回轉單元通過滾動軸承與基座安裝，使導向機構在偏心矩的作用下能夠繞軸線靈活轉動，在導向機構內安裝一組自由輪，從而使光纜與導向機構始終處于滾動摩擦狀態，減小光纜通過導向機構時的摩擦，降低導向機構對光纜張力的影響。

具體說本發明是：安裝有編碼器9的力矩電機8通過聯軸器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8直接驅動儲纜筒6，并通過同步帶7驅動絲杠軸11，從而實現滑塊(螺旋副)12沿著導軌13做水平運動。往復絲杠單向轉動，當滑塊(螺旋副)12運動到極限位置時，會自動沿著反方向運動，無需電機換向，即能實現往復排纜。在滾筒軸系的末端安裝滑環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光纜扭曲。

結合圖2、3、5，光纜從儲纜筒到到達無人機，需要依次經過安裝在滑塊(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上的測力機構2以及導向機構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，測力機構2及導向機構1回轉中心的連線與儲纜筒6相切，確保光纜進入測力機構的方向和角度固定，保證了測力結果的準確性。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實現在線擺動過程中適應儲纜筒6外徑的變化，兩組自由輪的軸線相互垂直。測力機構包括左導向輪19、右導向輪21及測力輪20，尺寸小，轉動靈活，減少了光纜18通過時的阻力。

結合圖6、7、8，回轉單元27通過深溝球軸承29安裝在基座28中，用彈性擋圈30防止回轉單元27的軸向串動。自由輪支架22通過螺釘安裝在回轉單元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和回轉單元27上。安裝在回轉單元27槽中的彈簧實現了大自由輪銷軸小范圍調整，保證了光纜始終處在兩個自由輪之間，當光纜擠壓小自由輪23時，由于擠壓力與回轉單元27的回轉中心(圖7中的中心線)不相交，會立即產生一個偏心矩使回轉單元轉動，使得光纜在任意方向都可以自由伸縮運動，并始終處于滾動摩擦狀態，減小導向機構對光纜張力的影響

本發明的控制系統包括系統控制器，伺服驅動器，力矩電機，力傳感器及編碼器。其中，伺服驅動器控制力矩電機輸出；力矩電機控制線纜動作；編碼器實時測量收放纜繩長度及速度；力傳感器實時測量線纜上的張力。伺服驅動器具備電流補償與監測、速度補償及張力控制功能。其中電流監測環節確保電機不會過載，電流補償環節實現電機加載的快速性和平穩性；速度補償與張力控制這兩個閉環在提供張力過載保護和失速檢測的同時，共同實現系留無人機釋放回收的自動控制，避免沖擊，提高回收性能。

系統控制器將給定張力值和無人機定位信息發送給伺服驅動器；伺服控制器通過can通訊將纜長、張力及當前工作狀態發送給系統控制器，為檢測無人機的飛行高度提供數據，并避免因過大放纜張力而損毀電機和控制器。

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

控制器通過pwm驅動電路控制直流伺服電機的輸出力矩和速度，通過張力、速度反饋雙閉環控制，實現在光纜動態恒張力自動收放纜控制，解決光纜運動狀態下的張力準確控制問題。通過光電編碼實現放纜長度測量，經過收纜自動控制策略實現無人機降落收起的自動控制，避免沖擊、提高回收性能。同時通過can通訊將纜長信息發送給系統控制器，為檢測無人機的飛行高度距離提供數據；采用電機電流反饋、張力過載保護、失速檢測等保護方法，避免過大的放纜張力，避免因過載損毀電機和控制器，確保系統運行安全。

在放纜階段，速度控制為主控制環，電纜張力控制為輔助閉環，實現在規定張力范圍內以一定的速度放纜(用無人機的上升速度信息或者靠控制器上升速度的預判自動調整放纜速度)；平飛階段實現恒張力自動收/放纜,解決在平飛階段因為各種原因造成無人機與安裝有收放纜裝置的底面車輛運動不一致造成對電纜的拉扯問題，通過恒張力控制自動調整電纜的長度，以電纜張力閉環控制為主閉環；回收階段實現自動收纜，位置控制為主控制環，電纜張力控制為輔助閉環。根據無人機與回收箱的不同相對位置規劃收攬的速度，實現無人機的平穩回收。

綜上，本發明目的在于提供一種系留無人機收放纜裝置及控制方法。裝置包括支架、排纜裝置、儲纜筒、驅動單元、導向機構、測力機構等。驅動單元由力矩電機、同步帶等構成，排纜裝置由雙向絲杠、滑塊(螺旋副)及導軌構成。由力矩電機直接驅動儲纜筒繞線，同時力矩電機經同步帶傳動機構驅動往復絲杠轉動，從而實現滑塊(螺旋副)往復排線動作。光纜經由排線裝置依次穿過三組定自由輪和力傳感器，最后通過導向機構接到無人機上。本發明的特點在于力矩電機直驅儲纜筒，減少了在傳動過程中機構摩擦等因素造成的動力消耗，在導向和固定光纜方面不同于傳統收放纜裝置的單個導向輪，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)上隨絲杠轉動水平移動，另一組固定在支架上保證光纜進入力傳感器的方向不變以確保測量準確性。導向機構可以在偏心矩的作用下轉動，使得光纜在任意方向都可以自由伸縮運動。

本發明還提供了一種基于前述裝置的收放纜控制系統，包括：系統控制器，伺服驅動器，力矩電機，力傳感器及編碼器。其中，伺服驅動器控制力矩電機輸出，同時將纜繩長度及當前工作狀態反饋給系統控制器，系統控制器向伺服驅動器發送任務命令和無人機定位信息；力矩電機控制線纜動作；編碼器實時測量收放纜繩長度及速度；力傳感器實時測量線纜上的張力。伺服驅動器具備電流補償與監測、速度補償及張力控制功能。其中電流監測環節確保電機不會過載，電流補償環節實現電機加載的快速性和平穩性；速度補償與張力控制這兩個閉環在提供張力過載保護和失速檢測的同時，共同實現系留無人機釋放回收的自動控制，避免沖擊，提高回收性能。伺服驅動器的mcu需要實現張力控制，電流補償及速度補償三個閉環，并通過can通訊的方式將收放纜系統狀態實時反饋給系統控制器，保證在外界環境干擾下，系留無人機可以在系統控制器的給定張力下快速釋放和回收。