一种系留无人机线缆张力控制装置及方法与流程

本发明涉及系留无人机线缆张力检测技术，具体涉及的是一种系留无人机线缆张力控制装置及方法。

背景技术：

系留无人机是将无人机和系留综合缆绳结合起来实现的无人机系统，其通过光电综合缆绳传输电能，使无人机可以不受电能限制而长时间停留在空中。近年来，系留无人机在边防、森林、海洋、军事等诸多领域得到了广泛应用。目前系留无人机是利用线缆供电，因此使用过程中，需要对线缆进行收放，而对于系留无人机线缆的收放主要是通过系留线缆自动收放装置实现。

但是由于系留线缆一般较硬，绕线盘在收放线过程中，不能立即停止，因惯性存在，线盘上的线容易松，长时间会导致绕线盘线缆打鼓，严重的情况会导致系留无人机在运行过程中遇到线缆打结、阻碍飞行；另外由于含光纤的线缆中带有光纤，线缆在绕制过程中所受的张力会引起光纤的附加损耗，而且线缆表面长时间受到较大张力以及扭曲弧度较大时，会发生断裂。

为了能够让系留无人机线缆在收放过程中缠绕更加均匀，保护线缆中的光纤不受损坏，因此需要对收放线的张力进行控制。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种系留无人机线缆张力控制装置，以实现对系留无人机线缆收放线的张力进行控制。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种系留无人机线缆张力控制装置，包括壳体，所述壳体内安装有空心杯电机、滑轮、绕线盘、导轮、支撑杆、伺服减速电机和控制板，所述滑轮与所述空心杯电机连接，并通过所述空心杯电机带动而转动；所述导轮根据线缆张力大小而对应向上或向下运动，且所述导轮的中心轴与所述支撑杆的上端连接，以带动支撑杆的上端随导轮向上或向下运动，所述支撑杆的下端安装有一角度传感器，用于在支撑杆上端向上或者向下运动时，对应获取支撑杆与水平面的角度值，并将该角度值对应发送给控制板；其中，线缆一端连接系留无人机，另一端由设置于壳体上的出线口进入壳体，并依次绕导轮、滑轮后缠绕在绕线盘上，且在线缆张力过大时，导轮在线缆张力作用下向上运动，带动支撑杆上端向上运动，此时角度传感器检测到的角度值变大，控制板根据该角度值对应控制伺服减速电机减速，以减小线缆张力；以及在线缆张力过小时，导轮在线缆张力作用下向下运动，带动支撑杆上端向下运动，此时角度传感器检测到的角度值变小，所述控制板则根据该角度值对应控制伺服减速电机加速，以增加线缆张力。

进一步地，所述控制板上对应设置有PID控制器和伺服电机驱动器；所述角度传感器与所述PID控制器连接，所述PID控制器通过所述伺服电机驱动器与伺服减速电机连接；所述PID控制器用于对角度传感器获取的实时角度值进行计算分析，并输入控制指令到伺服电机驱动器，通过伺服电机驱动器对应控制所述伺服减速电机进行速度调整。

进一步地，所述控制板上还设置有一与所述PID控制器连接的电磁离合器，所述PID控制器用于对角度传感器获取的实时角度值进行计算分析，并根据分析结果对应控制所述电磁离合器与所述伺服减速电机吸合或分离，以控制所述伺服减速电机进行速度调整或停止转动。

进一步地，所述控制板上还设置有一固态继电器和一驱动器供电单元，所述PID控制器与所述固态继电器连接，所述固态继电器通过所述驱动器供电单元与所述伺服电机驱动器连接；所述PID控制器用于在所述伺服电机驱动器报警时，控制固态继电器的通断。

进一步地，所述壳体上安装有一触摸屏，所述触摸屏与所述控制板连接，用于设置所述导轮根据线缆张力增加对应向上到最高位置时，所述支撑杆与水平面的角度值A；设置所述导轮根据线缆张力适当对应位于中间位置时，所述支撑杆与水平面的角度值B；以及设置所述导轮根据线缆张力减小对应向下运动到最低位置时，所述支撑杆与水平面的角度值C。

本发明还提供了一种针对上述装置的系留无人机线缆张力控制方法，包括步骤：

根据线缆张力与角度传感器检测到的角度值正比关系，设定线缆张力最大时，角度传感器检测到的角度值为最大值A；设定线缆张力正常时，角度传感器检测到的角度值为标准值B；线缆张力最小时，角度传感器检测到的角度值为最小值C，且C<B<A；

根据线缆收线或者放线过程中的张力大小，对应调整伺服减速电机的工作状态；其中，如线缆张力正常，则角度传感器检测到的角度值为标准值B，此时保持伺服减速电机的速度不变；如果线缆张力由正常逐渐增大，则角度传感器检测到的角度值对应从标准值B向最大值A逐渐变大，在此渐变过程中，对应控制伺服减速电机减速，以减小线缆张力，当角度传感器检测到的角度值达到最大值A时，则对应控制伺服减速电机停止工作；如果线缆张力由正常逐渐减小，则角度传感器检测到的角度值对应从标准值B向最小值C逐渐变小，在此渐变过程中，对应控制伺服减速电机加速，以增加线缆张力。

进一步地，如果初始状态下线缆的张力小于最小值C对应的线缆张力时，伺服减速电机处于停止状态，此时则对应需要控制伺服减速电机启动，以增加线缆张力，并最终达到正常状态。

本发明还提供一种系留无人机线缆张力控制装置，包括壳体，所述壳体内安装有空心杯电机、滑轮、绕线盘、导轮、伺服减速电机和控制板，所述滑轮与所述空心杯电机连接，并通过所述空心杯电机带动而转动；所述控制板上对应设置有PID控制器、伺服电机驱动器、电磁离合器、固态继电器和驱动器供电单元，所述壳体上设置有一与所述控制板上PID控制器连接的旋转电位器及一触摸屏；所述电磁离合器与所述PID控制器连接，用于根据PID控制器读取的旋转电位器旋转值，对应控制所述电磁离合器与所述伺服减速电机吸合或分离以控制所述伺服减速电机进行速度调整或停止转动；所述PID控制器通过所述伺服电机驱动器与伺服减速电机连接；所述PID控制器用于根据旋转电位器的旋转值对应反馈给伺服电机驱动器，通过伺服电机驱动器对应控制所述伺服减速电机进行速度调整；所述PID控制器与所述固态继电器连接，所述固态继电器通过所述驱动器供电单元与所述伺服电机驱动器连接；所述PID控制器用于在所述伺服电机驱动器报警时，控制固态继电器的通断；其中，线缆一端连接系留无人机，另一端由设置于壳体上的出线口进入壳体，并依次绕导轮、滑轮后缠绕在绕线盘上，且在线缆张力过大或过小时，旋转所述旋转电位器，所述PID控制器根据所述旋转电位器的旋转值，对应控制伺服减速电机减速、加速、停止或启动，以控制线缆的张力。

进一步地，所述触摸屏与所述控制板连接，用于设置线缆张力增加到最大时所述旋转电位器的旋转值处于最大值，设置线缆张力正常时所述旋转电位器的旋转值处于标准值以及设置线缆张力减小到最小时所述旋转电位器的旋转值处于最小值。

另外，本发明还提供一种针对上述装置的系留无人机线缆张力控制方法，包括步骤：

根据线缆张力与旋转电位器旋转值之间的正比关系，设定线缆张力最大时，旋转电位器旋转值旋转到的最大值为A；设定线缆张力正常时，旋转电位器旋转值旋转到的中间值为B；线缆张力最小时，旋转电位器旋转值旋转到的最小值为C，且C<B<A；

根据线缆收线或者放线过程中的张力大小，对应调整伺服减速电机的工作状态；其中，如线缆张力正常，则将旋转电位器旋转到标准值B，此时保持伺服减速电机的速度不变；如果线缆张力由正常逐渐增大，则将旋转电位器旋转到介于标准值B和最大值A之间时，并根据不同的数值对应控制伺服减速电机减速到对应速度，使转速与张力对应匹配以保持线缆处于正常状态；当旋转电位器旋转到介于标准值B和最小值C之间时，则对应根据不同的数值对应控制伺服减速电机加速到对应速度，使转速与张力对应匹配以保持线缆处于正常状态。

本发明提供的系留无人机线缆张力控制装置，根据线缆张力大小变化对应调整伺服减速电机对应进行加速、减速或者停止启动，以实现在线缆张力过大时，降低伺服减速电机的速度或者使其停止，减小对空心杯电机在收线或放线时的牵引力；以及在线缆张力过小时，提高伺服减速电机的速度或者控制器启动，以对应增加对空心杯电机在收线或放线时的牵引力，从而始终保持线缆张力在正常张力松紧适度的范围内变化。与现有技术相比，本发明可以根据线缆张力大小进行适应性调整施加于线缆上的牵引力，从而既可以避免线缆张力过大而导致线缆中光纤损坏的情况，又能够避免因张力过小而导致线缆打结的情况。

附图说明

图1为本发明系留无人机线缆张力控制装置内部结构图；

图2为本发明系留无人机线缆张力控制装置的系统原理框图；

图3为本发明系留无人机线缆张力控制方法流程图；

图4为本发明系留无人机线缆张力控制自动调节系统框图。

图中标识说明：空心杯电机100、滑轮200、角度传感器300、导轮400、往复丝杆500、光杆组件600、出线口601、支撑杆700、线缆800、联动杆900。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1所示，图1为本发明系留无人机线缆张力控制装置内部结构图。本发明提供了一种系留无人机线缆张力控制装置，其包括有壳体，所述壳体上安装有触摸屏和对应预留有出线口。

在壳体内安装有空心杯电机100、滑轮200、绕线盘、导轮400、往复丝杆500、光杆组件600、支撑杆700、联动杆900、伺服减速电机、控制板和供电单元，滑轮200与空心杯电机100连接，并通过空心杯电机100带动而转动；往复丝杆500位于空心杯电机100的下方，可对应带动空心杯电机100往复运动。

光杆组件600与联动杆900连接，光杆组件600上设置有与壳体上出线口对应的出线口601。

线缆800为含有光纤的线缆，其对应从上述出线口601穿入到壳体中，并依此经过导轮400、滑轮200后对应缠绕在绕线盘上。

导轮400是可以上下活动的，其中心轴与支撑杆700的上端对应连接，且导轮400是根据线缆800的张力大小而对应向上或向下运动的，当导轮400运动时，会对应带动支撑杆700的上端随之运动。

支撑杆700的下端安装有角度传感器300，其中在支撑杆700上端向上或者向下运动时，通过角度传感器300可以对应获取支撑杆700与水平面的角度值。

如图2所示，图2为本发明系留无人机线缆张力控制装置的系统原理框图。本发明对应包括有两种工作模式：其中控制板上对应设置有PID控制器、伺服电机驱动器、电磁离合器、固态继电器和驱动器供电单元。

PID控制器(Proportion Integration Differentiation。比例-积分-微分控制器)PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。

其中本发明包括有自动工作模式和手动工作模式两种情况，其中在自动工作模式下角度传感器与PID控制器连接，PID控制器用于对角度传感器获取的实时角度值进行计算分析。

PID控制器通过伺服电机驱动器与伺服减速电机连接，用于在获取角度值后并输入控制指令到伺服电机驱动器，通过伺服电机驱动器对应控制所述伺服减速电机进行速度调整。

PID控制器与电磁离合器连接，PID控制器用于对角度传感器获取的实时角度值进行计算分析，并根据分析结果对应控制电磁离合器与伺服减速电机吸合或分离，以控制伺服减速电机进行速度调整或停止转动。

PID控制器与固态继电器连接，固态继电器通过驱动器供电单元与伺服电机驱动器连接；PID控制器用于在伺服电机驱动器报警时，控制固态继电器的通断。

触摸屏与PID控制器连接，通过触摸屏可以对应设置导轮根据线缆张力增加对应向上到最高位置时，支撑杆与水平面的角度值A；设置导轮根据线缆张力适当对应位于中间位置时，支撑杆与水平面的角度值B；以及设置导轮根据线缆张力减小对应向下运动到最低位置时，支撑杆与水平面的角度值C。

在自动工作模式下：当线缆处于越松的状态时，角度传感器往下转动，这时候通过调节PID控制器可对收线速度进自动调节，越往下收线速度越快；而当线缆处于越紧状态时，角度传感器往上转动，这时候通过PID控制器对收线速度进行自动调节，越往上收线速度越慢，当达到设定的最大角度的时候，控制电磁离合器断开，电机与离合器脱离，飞机向风筝一样往外出线。

而在手动工作模式下，壳体上设置有一个旋转电位器和一个触摸屏；旋转电位器、触摸屏分别PID控制器连接，通过触摸屏及旋转电位器可以对应设置线缆张力增加到最大时，旋转电位器的旋转值处于最大值；设置线缆张力正常时旋转电位器的旋转值处于标准值；以及设置线缆张力减小到最小时旋转电位器的旋转值处于最小值。

电磁离合器与所述PID控制器连接，用于根据PID控制器读取的旋转电位器旋转值，对应控制所述电磁离合器与所述伺服减速电机吸合或分离以控制所述伺服减速电机进行速度调整或停止转动。

PID控制器通过伺服电机驱动器与伺服减速电机连接，PID控制器用于根据旋转电位器的旋转值对应反馈给伺服电机驱动器，通过伺服电机驱动器对应控制所述伺服减速电机进行速度调整。

PID控制器与所述固态继电器连接，固态继电器通过所述驱动器供电单元与伺服电机驱动器连接；PID控制器用于在所述伺服电机驱动器报警时，控制固态继电器的通断。

线缆一端连接系留无人机，另一端由设置于壳体上的出线口进入壳体，并依次绕导轮、滑轮后缠绕在绕线盘上，且在线缆张力过大或过小时，旋转所述旋转电位器，所述PID控制器根据所述旋转电位器的旋转值，对应控制伺服减速电机减速、加速、停止或启动，以控制线缆的张力。

本实施例手动模式下：利用旋转电位器，通过旋转的方式，PID控制器读取的电位器的值不同，以此来调节伺服减速电机的速度。

如图3、图4所示，图3为本发明系留无人机线缆张力控制方法流程图；图4为本发明系留无人机线缆张力控制自动调节系统框图。针对上述自动工作模式，本发明对应提供了一种针对上述装置的系留无人机线缆张力控制方法，其具体包括：

首先要设定线缆张力与角度传感器检测到的角度值之间的关系，其中，设定线缆张力最大时，角度传感器检测到的角度值为A；设定线缆张力正常时，角度传感器检测到的角度值为B；线缆张力最小时，角度传感器检测到的角度值为C，且C<B<A。

需要说明的是，不论线缆张力的大小，本实施例中的空心杯电机始终是处于工作状态的，而伺服减速电机则根据伺服驱动器的控制进行减速、加速或者停止启动工作，简单而言，当线缆张力过大时，伺服驱动器的控制伺服减速电机减速或者停止工作，当线缆张力过小时，伺服驱动器的控制伺服减速电机启动或者加速。

在正常情况下，线缆张力处于松紧适度状态，此时导轮处于初始工作状态，空心杯电机转动带动线缆收线或者放线，伺服减速电机通过伺服驱动器控制，对应处于正常速度工作状态，对线缆收线或者放线对应提供一定的牵引力，而支撑杆保持不变，对应安装在支撑杆一端的角度传感器获取的角度值为B。

当空心杯电机转动带动线缆收线或者放线，线缆张力变大时，线缆处于绷紧状态，线缆容易断裂损坏，因受到线缆张力增大影响，导轮会向上抬起，对应带动支撑杆随之向上抬起，而角度传感器获取的角度值由B向A逐渐变大，当线缆张力将要达到线缆即将损坏的阈值时，对应的支撑杆抬起到的位置对应角度值为A，此时如果张力继续增加的话，角度就会超过A，就会存在线缆因张力过大而导致损坏的情况出现，为了防止线缆损坏，角度传感器将获取的角度值对应发送给PID控制器，通过PID控制器对应控制电磁离合器与电机吸合，并将角度传感器此时获取的角度值反馈给伺服电机驱动器，通过伺服电机驱动器控制伺服减速电机进行减速，直至停止，而停止时，电磁离合器与电机分离；从而以减小对线缆的牵引力，之后则只需要通过空心杯电机转动带动线缆收线或者放线即可保证线缆处于松紧适度状态。

当空心杯电机转动带动线缆收线或者放线，线缆张力变小时，线缆处于过松状态，容易出现线缆打结的问题，受到线缆张力减小影响，导轮向下回落，对应带动支撑杆随之向下运动，而角度传感器获取的角度值由B向C逐渐变小，当线缆张力将要达到线缆即将出现打结情况的阈值时，对应的支撑杆下落到的位置对应角度值为C，此时如果张力继续减小的话，角度值就会小于C，此时就会存在线缆因张力过小而导致线缆打结的情况出现，为了防止线缆打结，角度传感器将获取的角度值对应发送给PID控制器，通过PID控制器对应控制电磁离合器与电机吸合，并将角度传感器此时获取的角度值反馈给伺服电机驱动器，通过伺服电机驱动器控制伺服减速电机进行加速，通过伺服减速电机加速实现空心杯电机收线或者放线时牵引力适当增加，之后则只需要通过空心杯电机转动带动线缆收线或者放线即可保证线缆处于松紧适度状态。

同样地，针对手动工作模式下，本发明通过旋转电位器的旋转值改变而对应通过伺服电机驱动器调整伺服减速电机，其实质是通过调节脉冲输出，实现无极调速，以达到与线缆张力对应匹配的转速，从而保证相应的牵引力，达到线缆张力控制的目的。

综上所述，本发明不论是在系留无人机线缆张力过大或者过小时，都能够给通过角度传感器对应获取张力大小对应匹配的角度值，不同的角度值对应不同的张力大小，所述的角度值对应通过PID控制器对应反馈给伺服电机驱动器，通过伺服电机驱动器对应控制伺服减速电机对应进行加速、减速或者停止启动，从而改变伺服减速电机对应施加于线缆上的牵引力，从而实现空心杯电机工作状态下，对线缆牵引力大小的控制，从而始终保持线缆张力在正常张力松紧适度的范围内变化，既可以避免线缆张力过大导致线缆中光纤损坏的情况，又能够避免因张力过小而导致线缆打结的情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。