小型化系留无人机光电复合线缆自动收放装置及收放方法与流程

本发明属于系留无人机地面起降技术领域，涉及一种小型化系留无人机光电复合线缆自动收放装置及收放方法。

背景技术：

系留无人机在军事、消防、石油、海洋、测绘和交通等多个专业领域广泛应用。系留线缆是系留无人机系统的主要部件，它是一种光电复合缆，能够同时为无人机平台及载荷设备提供供电及大带宽、低损耗的信号回传链路。自动收放线装置作为系留无人机起降平台的一部分主要用于管理系留线缆，在无人机上升或下降的过程中自适应拉力将系留线缆放出或收回，同时实现自动排线。

技术实现要素：

(一)发明目的

本发明的目的是：针对系留无人机起降过程中光电复合电缆自动收放的问题，从结构布局和控制方法上弥补现有技术的不足，提供一种小型化系留无人机光电复合线缆自动收放装置及收放方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种小型化系留无人机光电复合线缆自动收放装置及收放方法。收放装置包括支架和带有光电滑环的力矩电机，在支架间安装有双向丝杠和绕线筒轴系，双向丝杠与绕线筒平行放置，力矩电机的输出端与绕线筒的一端连接，光电复合线缆缠在绕线筒轴上，绕线筒的另一端上安装有主动带轮、编码器，双向丝杠的端部安装有从动带轮，主动带轮与从动带轮通过同步带传动，双向丝杠上安装有滑块(螺旋副)，滑块上安装有水平方向和垂直方向的两组导向轮，

支架上安装有第三组导向轮和张力控制单元，光电复合线缆依次通过三组导向轮，进入张力控制单元，通过控制器的控制方法实现光电复合线缆的自动收放与无人机的速度匹配。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的小型化系留无人机光电复合线缆自动收放装置及收放方法，力矩电机、光电滑环和编码器等集成安装在绕线筒轴内部，减小了轴向尺寸，1:1同步带传动比设计保证了较小的空间尺寸就能安装调节同步带轮，实现了小型化、轻量化设计，便于收藏与运输；导向机构的空间布局，保证了光电复合电缆的弯曲半径较大，提高了光电复合电缆的使用寿命，同时保证了系留无人机与地面设备信号回传链路的可靠性；优化的收放线控制方法保证了光电复合电缆收放过程中排线的有序性，不会缠绕、拉扯等，同时，保证了系留无人机的飞行不受自动收放线装置的干扰。

附图说明

图1是收放线装置三维线框图。

图2是收放线装置内部剖视图。

图3是排线机构三维线框图。

图4是导向轮组三维线框图，a、b和c图分别是组成导向轮组的三组滑轮。

图5是张力控制单元三维线框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本发明小型化系留无人机光电复合线缆自动收放装置包括支撑框架和安装在支撑框架内部的动力装置3、排线机构4、同步带传动机构5、导向轮组6以及安装在支撑框架外侧的张力控制单元7；动力装置3包括动力单元和用于缠绕复合线缆的绕线筒31，同步带传动机构5联接动力单元和排线机构4，动力单元通过同步带传动机构5带动排线机构4和绕线筒31同步转动；导向轮组6设置在排线机构4上，张力控制单元7布置在靠近排线机构4的一侧，复合线缆由绕线筒31引出，经导向轮组6导向和张力控制单元7调整张力后连接系留无人机；导向轮组6沿排线机构4轴向往复运动，动力单元控制绕线筒31正转或反转，实现复合线缆的收放。

支撑框架包括左支撑框架1和右支撑框架2，两者围成一个方形框架结构，动力装置3、排线机构4、同步带传动机构5、导向轮组6布置在方形框架结构内部。

如图2所示，所述动力装置3包括力矩电机31、光电滑环32、绕线筒33、编码器34、电机座36和右旋转轴38；力矩电机31、光电滑环32通过一对背对背角接触轴承35固定在电机座36上，编码器34通过一对面对面滚动轴承37安装在右旋转轴38上，电机座36和右旋转轴38同轴安装在绕线筒33的内部，构成收放线装置的旋转轴系，力矩电机31为收放线装置提供动力驱动，光电滑环32保证光电复合电缆可绕绕线筒33实现n×360°旋转，编码器34用来检测光电复合线缆的放缆速度和放缆长度。该结构布局，大大缩短了旋转轴系的长度，减小了收放线装置的尺寸。

如图3所示，所述排线机构4包括双向丝杠41、牙型滑梭42、导轨43、左安装座45及右安装座44；双向丝杠41两端通过两对滚动轴承固定在左安装座45及右安装座44上，导轨43与双向丝杠41平行布置，限制作为螺旋副的牙形滑梭42跟随双向丝杠41转动，同时起到导向作用。在排线过程中，双向丝杠41只做圆周运动，而月牙形的牙型滑梭42作水平运动来达到排线目的。双向丝杠41设计螺距为光电复合电缆的线径，排线相对整齐均匀紧密，由于螺距设计较小，加大了丝杠的加工难度，但大大减小了双向丝杠的直径，为小型化、轻量化设计提供基础。

结合图1至图3，所述同步带传动机构5包括主动带轮39、从动带轮46和同步带8，主动带轮39安装在所述动力装置旋转轴系上，从动带轮46安装在排线机构4的双向丝杠轴上，力矩电机31通过同步带8同时驱动旋转轴系和双向丝杠41的转动，实现绕线和往复排线动作的同步。同步带8的传动比设计为1:1，实现旋转轴系和双向丝杠41的速度匹配。

如图4所示，所述导向轮组6包括三组内置滚动轴承的滑轮，分别记为：第一组滑轮61、第二组滑轮62和第三组滑轮63，光电复合电缆从绕线筒31绕出后依次经过三组滑轮，第一组滑轮61和第二组滑轮62轴线垂直并安装在牙形滑梭42上随双向丝杠41转动而水平移动，第三组滑轮63固定在方形框架结构上保证光电复合电缆出线方向不变以确保后续测力机构的准确。在空间布置上，三组滑轮的安装保证了光电复合电缆在滑轮上形成的圆周曲率半径远大于光电复合电缆的最小允许弯曲半径。本实施例的这种设计与一般的收放线装置不同，保护了光电复合电缆的光纤层，提高了信号回传链路的可靠性。

如图5所示，所述张力控制单元7包括高灵敏度的张力传感器71和传感器安装板72，张力传感器71安装在传感器安装板72上，光电复合电缆经过所述导向轮组6进入张力传感器71，实时测量光电复合电缆的张力，并将张力值发送给控制器。

本发明还提供了一种基于前述装置的收放缆控制方法，包括系统控制器、测量光电复合线缆张力的张力传感器和检测光电复合线缆的放缆速度和放缆长度的绝对值编码器。系统控制器控制力矩电机正转(放线)或者反转(收线)，设定张力传感器的阈值上限为p1，下限为p2，当光电复合线缆的张力测量值大于p1时，电机正转放线；当光电复合线缆的张力测量值小于p2时，电机反转收线；当光电复合线缆的张力测量值在p2与p1之间时，电机不转。系统控制器同时可以接收无人机的飞控信息，包括无人机飞行状态、高度、速度等信息，将飞控信息与张力传感器的张力值进行整合，避免收放线装置干扰无人机的飞行状态，实现智能化控制，其具体控制流程为：

起飞前准备：启动收放线装置，控制器初始化，收放线装置与无人机之间预留出一段线缆，此时，线缆处于松弛状态，张力传感器测量值在p2以下时，无人机启动，处于准备起飞状态，但无人机无高度信息或高度信息为0时，系统控制器控制电机只放线不收线。

上升：无人机离地起飞，高度或速度信息发给系统控制器，张力传感器测量值上升到p1以上，系统控制器控制电机放线，且放线速度大于无人机上升速度，此状态下即使张力传感器测量值减小到p2以下，系统控制器不控制电机放线，该状态只放线，不收线。

悬停(上升或下降过程中悬停)：无人机到达指定高度，高度或速度信息发送给系统控制器，控制电机既不放线也不收线。

下降：无人机高度降低，将高度或速度信息通知系统控制器，张力传感器测量值小于p2，控制电机收线，收线速度小于无人机下降速度，此状态下即使张力传感器测量值大于p1，系统控制器不控制电机放线，该状态只收线，不放线。

停靠：无人机停靠地面，将高度或速度信息通知系统控制器，控制电机继续收线，当张力传感器测量值大于p1时，停止收线，剩余的线缆采用手动摇杆收线或者手动控制电机收线。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。