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(tái)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(huì)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(jì)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(chǔ)纜筒軸系，且絲杠位于儲(chǔ)纜筒軸系上方，力矩電機(jī)的輸出端與儲(chǔ)纜筒軸系連接，儲(chǔ)纜筒軸系上設(shè)置有儲(chǔ)纜筒，儲(chǔ)纜筒上纏繞有線纜，儲(chǔ)纜筒軸系與力矩電機(jī)連接的一端上還設(shè)置有主動(dòng)帶輪、儲(chǔ)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(dòng)帶輪，主動(dòng)帶輪與從動(dòng)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(cè)力機(jī)構(gòu)，支架上端設(shè)置有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，所述測(cè)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(cè)力輪和右導(dǎo)向輪，測(cè)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(hào)銷軸安裝座和二號(hào)銷軸安裝座、分別通過銷軸安裝在一號(hào)銷軸安裝座和二號(hào)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(cè)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(hào)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(gè)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(dòng)作，編碼器實(shí)時(shí)測(cè)量收放線纜長(zhǎng)度及速度，力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)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(dòng)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(dòng)器；伺服控制器通過can通訊將線纜長(zhǎng)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(duì)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(gè)動(dòng)力源同時(shí)驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)纜筒和排纜裝置，其中儲(chǔ)纜筒由力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，同一力矩電機(jī)再通過帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)排線裝置，保證繞線動(dòng)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(shí)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(duì)自由輪，使光纜與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)始終處于滾動(dòng)摩擦狀態(tài)，從而減小導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)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(cè)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(duì)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(chǔ)纜筒、驅(qū)動(dòng)單元、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、測(cè)力機(jī)構(gòu)等。驅(qū)動(dòng)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(dòng)，并且同時(shí)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(dòng)。由一個(gè)力矩電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)纜筒和絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)繞線和往復(fù)排線動(dòng)作的同步。纏繞在儲(chǔ)纜筒上的光纜經(jīng)過三組自由輪及測(cè)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(dòng)，使得光纜在任意方向都可以自由伸縮運(yùn)動(dòng)。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(shí)驅(qū)動(dòng)排纜裝置和儲(chǔ)纜筒，由于同步帶的傳動(dòng)作用，儲(chǔ)纜筒和排纜裝置同步運(yùn)動(dòng)，也即通過同步帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)纜筒的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與排纜裝置水平移動(dòng)速度成一定的比例關(guān)系。力矩電機(jī)直驅(qū)儲(chǔ)纜筒，去除了由傳動(dòng)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(dòng)軸承、軸用擋圈及一對(duì)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(dòng)，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(dòng)摩擦狀態(tài)，減小光纜通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)的摩擦，從而減小導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)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(cè)力機(jī)構(gòu)，確保光纜與測(cè)力機(jī)構(gòu)軸線垂直以保證測(cè)力準(zhǔn)確性。測(cè)力機(jī)構(gòu)選用三輪組測(cè)力方案，即左右各布置一個(gè)導(dǎo)向輪，中間輪為測(cè)力輪與傳感器內(nèi)部相連，在光纜進(jìn)入測(cè)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(cè)力機(jī)構(gòu)的軸線保持垂直，方向固定，以確保測(cè)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(cè)力方案相比，慣量小，更靈敏，更加節(jié)省空間?；剞D(zhuǎn)單元通過滾動(dòng)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(dòng)，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(dòng)摩擦狀態(tài)，減小光纜通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)的摩擦，降低導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)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(chǔ)纜筒軸系連接。儲(chǔ)纜筒軸系與絲杠軸11分別通過一對(duì)深溝球軸承安裝在左右兩個(gè)軸承座中，同步帶輪10分別通過平鍵連接安裝在儲(chǔ)纜筒軸系和絲杠軸11上。力矩電機(jī)8直接驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)纜筒6，并通過同步帶7驅(qū)動(dòng)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(dòng)。往復(fù)絲杠單向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)滑塊(螺旋副)12運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，會(huì)自動(dòng)沿著反方向運(yùn)動(dòng)，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(chǔ)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(chǔ)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(duì)第三自由輪14，固定在支架3上的測(cè)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(gè)大小相同的自由輪。在空間布置上，自由輪組14，測(cè)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(chǔ)纜筒6相切，確保光纜進(jìn)入測(cè)力機(jī)構(gòu)的方向和角度固定，保證了測(cè)力結(jié)果的準(zhǔn)確性。自由輪組5限定了光纜擺動(dòng)過程中的出口位置，自由輪組4實(shí)現(xiàn)在線擺動(dòng)過程中適應(yīng)儲(chǔ)纜筒6外徑的變化，兩組自由輪的軸線相互垂直。測(cè)力機(jī)構(gòu)包括左導(dǎo)向輪19、右導(dǎo)向輪21及測(cè)力輪20，尺寸小，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，減少了光纜18通過時(shí)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(dòng)。自由輪支架22通過螺釘安裝在回轉(zhuǎn)單元27上。同時(shí)采用一對(duì)自由輪，小自由輪23和大自由輪24分別通過銷26以及一號(hào)銷軸安裝座31和二號(hào)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(gè)自由輪之間，當(dāng)光纜擠壓小自由輪23時(shí)，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(huì)立即產(chǎn)生一個(gè)偏心矩使回轉(zhuǎn)單元轉(zhuǎn)動(dòng)，使得光纜在任意方向都可以自由伸縮運(yùn)動(dòng)，并始終處于滾動(dòng)摩擦狀態(tài)，減小導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對(duì)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(dòng)器，力矩電機(jī)，力傳感器及編碼器。其中，伺服驅(qū)動(dòng)器控制力矩電機(jī)輸出；力矩電機(jī)控制線纜動(dòng)作；編碼器實(shí)時(shí)測(cè)量收放纜繩長(zhǎng)度及速度；力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量線纜上的張力。伺服驅(qū)動(dòng)器具備電流補(bǔ)償與監(jiān)測(cè)、速度補(bǔ)償及張力控制功能。其中電流監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)確保電機(jī)不會(huì)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(gè)閉環(huán)在提供張力過載保護(hù)和失速檢測(cè)的同時(shí)，共同實(shí)現(xiàn)系留無人機(jī)釋放回收的自動(dòng)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(dòng)器；伺服控制器通過can通訊將纜長(zhǎng)、張力及當(dāng)前工作狀態(tài)發(fā)送給系統(tǒng)控制器，為檢測(cè)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(cè)量出纜繩的收放長(zhǎng)度及當(dāng)前的收放速度，力傳感器2測(cè)量當(dāng)前纜繩張力，由伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)恒張力自動(dòng)收放纜控制，解決光纜運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)度測(cè)量，經(jīng)過收纜自動(dòng)控制策略實(shí)現(xiàn)無人機(jī)降落收起的自動(dòng)控制，避免沖擊、提高回收性能。同時(shí)通過can通訊將纜長(zhǎng)信息發(fā)送給系統(tǒng)控制器，為檢測(cè)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(cè)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(dòng)調(diào)整放纜速度)；平飛階段實(shí)現(xiàn)恒張力自動(dòng)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(dòng)不一致造成對(duì)電纜的拉扯問題，通過恒張力控制自動(dòng)調(diào)整電纜的長(zhǎng)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(dòng)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(duì)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(chǔ)纜筒、驅(qū)動(dòng)單元、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、測(cè)力機(jī)構(gòu)等。驅(qū)動(dòng)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(dòng)儲(chǔ)纜筒繞線，同時(shí)力矩電機(jī)經(jīng)同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)往復(fù)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)滑塊(螺旋副)往復(fù)排線動(dòng)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(chǔ)纜筒，減少了在傳動(dòng)過程中機(jī)構(gòu)摩擦等因素造成的動(dòng)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(gè)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(dòng)水平移動(dòng)，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(cè)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(dòng)，使得光纜在任意方向都可以自由伸縮運(yùn)動(dòng)。

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(dòng)器，力矩電機(jī)，力傳感器及編碼器。其中，伺服驅(qū)動(dòng)器控制力矩電機(jī)輸出，同時(shí)將纜繩長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)作；編碼器實(shí)時(shí)測(cè)量收放纜繩長(zhǎng)度及速度；力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量線纜上的張力。伺服驅(qū)動(dòng)器具備電流補(bǔ)償與監(jiān)測(cè)、速度補(bǔ)償及張力控制功能。其中電流監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)確保電機(jī)不會(huì)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(gè)閉環(huán)在提供張力過載保護(hù)和失速檢測(cè)的同時(shí)，共同實(shí)現(xiàn)系留無人機(jī)釋放回收的自動(dòng)控制，避免沖擊，提高回收性能。伺服驅(qū)動(dòng)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(gè)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(shí)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。