无人机系留缆智能模糊收放系统的制作方法

文档序号:17701830发布日期:2019-05-17 22:48阅读:726来源:国知局
无人机系留缆智能模糊收放系统的制作方法

本发明涉及的是一种飞行器控制领域的技术,具体是一种无人机系留缆智能模糊收放系统。



背景技术:

系留无人机多用于采用地面电源通过电缆将电源源源不断地提供给高空无人机,从而达到全天候24小时长时间滞留。由于增加了系留电缆,将会对无人机系统造成额外的影响,使得原本就依赖于环境因素的无人机更加变得不稳定。现有的系留无人机自动收放线系统是根据飞控给出的高度信息进行跟踪收放线来达到自动控制。这种控制方式不能适应恶劣环境,由于cpu以及传动装置都存在响应的延时,所以在自动控制过程中并不能快速和完全的响应线缆的变化,从而导致无人机始终或者间隙性的收到系留电缆拖拽,更为严重的将导致无人机飞行姿态失控而坠落。



技术实现要素:

本发明针对现有技术存在的上述不足,提出一种无人机系留缆智能模糊收放系统,采用模糊控制技术以及相应的机电混合系统,并将系无人机的智能收放线分为智能放线以及智能收线两部分,能够在适苛刻环境以及环境变化给多旋翼无人机带来各种不确定飞行姿态条件下,稳定实现智能收放线控制。

本发明是通过以下技术方案实现的:

本发明包括:驱动控制电路模块以及分别与之相连的无人机飞控通信模块、用于采集无人机系留电缆上的实时张力的压力传感模块、收放线盘、横向步进电机、收放线同步电机、电子离合器、角度传感器、单向转轴以及用于防止放线过程中放线盘的惯性转动而导致线缆的乱线状态的电子阻尼器,其中:无人机飞控通信模块将无人机飞控的高度等数据输入到驱动控制电路模块,压力传感模块将线缆压力采样信号输出至驱动控制电路模块,角度传感器将横向同步电机的转速信号和收放线同步电机的转速信号输出至驱动控制电路模块,横向步进电机和收放线同步电机分别接收驱动控制电路模块输出的位移控制信号,电子离合器接收驱动控制电路模块输出的离合器控制信号,电子阻尼器接收驱动控制电路模块输出的力矩控制信号,用于防止放线过程中放线盘的惯性转动而导致线缆的乱线状态。

所述的拉力保护,最大拉力设定为f。

所述的收放线同步电机采用小型60系列同步伺服电机通过离合器进行放线盘的收线。

所述的横向同步电机实现线缆的横向排列,其转动方向则取决于系统当前状态为收线还是放线。

所述的角度传感器采用但不限于磁性或光电霍尔器件。

所述的收放线同步电机通过离合器向放线盘提供收线的力矩,该离合器收线状态为锁定。

本发明涉及上述系统的控制方法,包括:收放线模式、放线模式、放线长度模糊状态控制模式和拉力测试模式,其中:收线模式下离合器锁定且有效摩擦转矩f1>f2,其中:f1为离合器有效摩擦转矩,f2为系留无人机在放线盘的转矩=出线口拉力/放线盘即时有效直径d1;放线模式下离合器脱开系统只由单向转轴和电子阻尼器提供能够防止放线盘惯性自转的阻尼转矩且阻尼转矩f3>f4,其中:f3为阻尼转矩,f4为放线盘即时的转动惯性;f4是会随着放线盘上剩余线缆和出线速度而实时变化;放线长度模糊状态控制模式将允许多放出长度为l的弧形电缆来减少环境对无人机的影响,当放完全部预留长度l以后,系统将锁定离合器并进入拉力测试模式;拉力测试模式为:当风力导致系缆上的张力大于f时,系统将向飞控发出降落命令,迫降无人机。其中:f为设定的系缆最大拉力。

在收线模式状态下由于外界环境对无人机的影响导致f2的剧烈变化,本系统设定收线模式的状态变量a(收线)b(放线)。a变量并不是由f2来决定而是取决于两个条件,一个是无人机降落状态开关量c(由飞控给出)另一个是设定的无人机高度变化模糊范围h。c是飞控给的稳定的固定值,c=1为降落,h>>气压计测量的绝对误差值(包含全天候气压变化因素在内)。无人机在降落模式或者无人机在绝对时间t内的高度下降变化h2>h,系统将切换到收线模式状态a下,直至收回多余的线长h2后系统再切回b状态。由于单向转轴在a模式下的单向运动结果,在收线模式下系统不会有附加的阻尼转矩强加到收放线同步电机上。

无人机不在降落模式或者无人机在绝对时间t内的高度变化<h,系统将保留在在放线模式状态b下。此时离合器脱开,系统会给出实时变化的阻尼转矩。系统出线为被动式出线,由无人机拉伸出去。

技术效果

与现有技术相比,本发明技术效果包括:

1.本发明采用模糊控制技术不需要得到无人机精确的采样数据就能够实现系留无人机智能收放线的功能,有效滤除环境(包括气压、风、温度等)对无人机的影响以及无人机传感器测量误差(高度计、气压计、空速计、加速度计等)对收放线精度的影响。

2.采用机电混合系统,加入离合器和单向转轴等机械结构,将系统设定为完全异步控制,大大降低了控制系统的实时性。

3.多预留的抗风电缆l,有效解决了同步电机堵转失步现象,减少了收放线伺服装置的功耗,使用了更小功率、更轻型的伺服控制电机。使得便携式的微型系留无人机自动收放线系统变得可实现。

4.由于采用模糊控制技术,系留无人机在收放线过程中不再回出现强制收放线现象,有效提高了系留无人机的可靠性。

5.这种收线模式会导致在收线过程中地面始终保持有一段不长的电缆其长度为h,其好处是大大降低了所需的收放线同步电机的功耗和体积以及驱动电流。

附图说明

图1为本发明结构示意图;

图2为无人机系留缆智能模糊收放系统实施例结构示意图。

具体实施方式

如图1所示,为本实施例涉及的一种无人机系留缆智能模糊收放系统,包括:驱动控制电路模块、无人机气压计和激光模块、无人机飞控状态模块、张力传感模块、收放线盘、40同步电机、60同步电机、直流电控离合器、光电传感器、20mm单向轴承、变速箱、0.01-0.03n直流阻尼器、200米线缆、左右位置光传感器。

所述的压力传感模块采用0-15kg范围的张力传感器,最大可以测定15kg的线张力。系留无人机系留电缆上的实时张力保护点设定在f=8kg(电缆安全值内),由控制电路实现系留电缆拉力的保护功能,避免断缆。收放线同步电机采用小型60系列同步伺服电机扭力4n/m,通过离合器进行放线盘的收线。

所述的横向同步电机采用40同步电机,实现线缆的横向排列,避免收放线过程中的乱线现象。为了控制横向最大位移,在放线盘两端分别设置了左右位置光传感器,当触发传感器的时候,控制电路将翻转x轴位移的方向,最终达到平滑多层收放线的绕线。

所述的角度传感器采用光电传感器,由于线缆直径为4mm,因此放线盘每转一圈横向x轴位移将左右移动4mm。横向同步电机的转动方向则取决于系统当前状态为收线还是放线。

所述的单向轴承采用20mm单向轴承,其转向和收线方向放线盘的转向相反。电子阻尼器采用0.01-0.03n/m力矩,通过变速箱变速以及控制电路根据在放线盘电缆多少实时调节阻尼器0-12v的电压,最终在出线口达到500克-1500克的拉力,并能够有效控制放线盘的转动惯量,使得无人机在上升过程中线缆有序排放。

所述的收放线同步电机通过离合器给放线盘只提供收线的力矩,而且离合器只在收线状态下是锁定的。离合器的有效摩擦力为5n/m>同步伺服电机扭力4n/m。

本实施例涉及上述系统的控制方法,包括:

收线模式a,在这种模式下离合器锁定,其有效摩擦转矩f1=5n/m。电机到放线盘转盘半径为5cm,在出线口可以得到f2=5n/m=10kg拉力。

放线模式b,这个模式下离合器脱开系统只由单向转轴和电子阻尼器以及变速箱提供能够防止放线盘惯性自转的阻尼转矩。阻尼拉力f3=0.5-1.5kg。

放线长度模糊状态。在状态a或b模式,系统设计预留长度为l的抗风电缆长度。l设定10米,当放完全部预留长度l以后,系统将锁定离合器并进入拉力测试模式。此时如果由于风力导致拉力>10kg,系统将向飞控发出降落命令,迫降无人机。

工作过程:

系留无人机在地面起飞准备状态,此时驱动控制电路模块得到c=0,h2<10米。系统工作模式为b。此时离合器脱开,系统给出阻尼拉力500-1500克,飞手可以自由将系留无人机按照任意速率进行拉升。当无人机升力大于1500克的时候,由于拉力大于系统阻尼,而此时离合器为脱开,因此无人机将拖拽放线盘进行自动放线。

由于系统设定收线模式的状态变量a(收线)b(放线)。当无人机降落状态开关量c由飞控给出,c=1为降落。h设定为10米,(全天候气压变化因素在内的气压计测量的绝对误差值)。无人机在降落模式或者无人机t=5s内的高度下降大于10米,系统将切换到收线模式状态a下,直至收回多余10米线长h2后系统再切回b状态。

无人机c=0或者无人机在t=5s内的高度变化<10米,系统将保留在在放线模式状态b下。此时离合器脱开,系统会给出实时变化的500克-1500克阻尼拉力。系统出线为被动式出线。

如果出现h2>10米或者飞手直接发出降落指令使得c=1,系统将锁定离合器同时进行收线,直至收回10米的线长。

在拉升过程中横向同步电机根据角度传感器以及左右位置光传感器进行横向来回重复移动,确保线缆有序放线。

当无人机达到预定高度100米以后,由于系统还是处于b状态,此时系统按照环境风力多释放出长度小于10米的线缆。如果没有完全释放出10米长度电缆,系统将稳定在该状态下。如果释放完长度10米的电缆,系统将锁定离合器并进入拉力测试模式。这种情况下拉力>8kg,系统将迫降无人机,拉力<8kg系统将维持目前状态。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整,本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限,在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

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