一种系留无人机收放缆装置及其控制系统的制作方法

本发明涉及一种收放缆系统，尤其涉及一种系留无人机收放缆装置及其控制系统。

背景技术：

随着无人机技术的发展和推广，其续航问题越发突出。为了解决这一问题，人们选择将传统的无人机技术与系留平台技术相结合，形成系留无人机。收放缆装置是系留无人机技术的核心，连接无人机部分的缆绳收放效果会直接影响系留无人机工作性能。

传统的收放缆装置多用于水下机器人、搜救机器人等，与系留无人机收放缆装置相比，这些特种收放装置收放缆力大，结构尺寸大，导向机构设计不能满足无人机缆绳收放特点的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种系留无人机收放缆装置及其控制系统，可用其进行系留无人机的光缆收放。

本发明的目的是这样实现的：包括支架和带有光电编码器的力矩电机，在支架间设置有丝杠和储缆筒轴系，且丝杠位于储缆筒轴系上方，力矩电机的输出端与储缆筒轴系连接，储缆筒轴系上设置有储缆筒，储缆筒上缠绕有线缆，储缆筒轴系与力矩电机连接的一端上还设置有主动带轮、储缆筒轴系的另一端部设置有滑环，丝杠的端部设置有从动带轮，主动带轮与从动带轮之间设置有同步带，丝杠上设置有滑块，滑块上端面设置有水平方向的第一自由轮组、外端面上设置有竖直方向的第二自由轮组，所述支架上设置有第三自由轮组，所述支架上还设置有测力机构，支架上端设置有导向机构，所述测力机构包括与支架连接的固定座、安装在固定座上的左导向轮、测力轮和右导向轮，测力轮连接力传感器，所述导向机构包括安装在支架上端面上的基座、通过轴承设置在基座中的回转单元、设置在回转单元上的自由轮支架、分别设置在自由轮支架和回转单元上的一号销轴安装座和二号销轴安装座、分别通过销轴安装在一号销轴安装座和二号销轴安装座上的小自由轮和大自由轮，线缆的端部先是穿过第二自由轮组、第一自由轮组、第三自由轮组，再依次绕过左导向轮、测力轮和右导向轮，最后经大自由轮和小自由轮间穿出。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.在大自由轮的销轴与二号销轴安装座之间还设置弹簧。

2.所述第一自由轮组、第二自由轮组和第三自由轮组均包括两个大小相等的自由轮。

3.一种系留无人机收放缆装置的控制系统，包括所述的系留无人机收放缆装置，力矩电机控制线缆动作，编码器实时测量收放线缆长度及速度，力传感器实时测量线缆上的张力，还包括系统控制器和控制力矩电机输出的伺服驱动器，系统控制器将给定张力值和无人机定位信息发送给伺服驱动器；伺服控制器通过can通讯将线缆长度、张力及当前工作状态发送给系统控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：针对上述问题，并在参考以往的特种收放装置基础上，本发明提出了一种用于系留无人机的收放缆装置。由单个动力源同时驱动储缆筒和排缆装置，其中储缆筒由力矩电机直接驱动，同一力矩电机再通过带传动机构驱动排线装置，保证绕线动作和排线同步，且速度成一定的比例关系。排线装置选用丝杠排线机构，滑块(螺旋副)上安装两组自由轮，在限制光缆出口位置的同时满足适应卷筒轴径变化的要求。导向机构中安装一对自由轮，使光缆与导向机构始终处于滚动摩擦状态，从而减小导向机构对光缆张力的影响。在控制方法上，采用力与速度双闭环，解决在快速收放缆过程中的恒张力问题。

附图说明

图1是本发明的控制方案图；

图2是本发明的三维效果图；

图3是本发明的前视方向结构示意图；

图4是本发明的俯视方向结构示意图；

图5是本发明的测力机构的三维效果图；

图6是本发明的导向机构的三维效果图；

图7是本发明的导向机构的剖视图；

图8是本发明的导向机构的俯视图；

图9是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图8，结合图2、3、4，本发明包括支架、排缆装置、储缆筒、驱动单元、导向机构、测力机构等。驱动单元由力矩电机、同步带等构成，排缆装置由双向丝杠、滑块(螺旋副)及导轨构成。导轨与丝杠平行布置，限制滑块(螺旋副)跟随丝杠转动，并且同时起到导向作用，滑块(螺旋副)上的两组自由轮则有效的限制了排线过程中出缆位置，并适应了光缆收放过程中卷筒轴径变化引起的光缆小范围前后摆动。由一个力矩电机同时驱动储缆筒和丝杠的转动，实现绕线和往复排线动作的同步。缠绕在储缆筒上的光缆经过三组自由轮及测力机构，通过导向机构后与无人机连接，导向机构可以在偏心矩的作用下做360度转动，使得光缆在任意方向都可以自由伸缩运动。本发明用于实现在外界环境干扰下，系留无人机释放、平飞和回收过程中的恒张力控制。力矩电机同时驱动排缆装置和储缆筒，由于同步带的传动作用，储缆筒和排缆装置同步运动，也即通过同步带传动实现储缆筒的转动速度与排缆装置水平移动速度成一定的比例关系。力矩电机直驱储缆筒，去除了由传动机构摩擦带来的影响。丝杠滑块(螺旋副)上添加两组自由轮，其中一组限制排缆出线位置，而另一组适应收放缆过程中的卷筒轴径变化。导向机构主要由基座、回转单元、滚动轴承、轴用挡圈及一对自由轮组成。导向机构可以在偏心矩的作用下绕轴线做360度转动，在导向机构内安装一组自由轮，从而使光缆与导向机构始终处于滚动摩擦状态，减小光缆通过导向机构时的摩擦，从而减小导向机构对光缆张力的影响。光缆经过一组固定的自由轮后进入测力机构，确保光缆与测力机构轴线垂直以保证测力准确性。测力机构选用三轮组测力方案，即左右各布置一个导向轮，中间轮为测力轮与传感器内部相连，在光缆进入测力机构之前，先经过一组位置固定的自由轮，从而使光缆与测力机构的轴线保持垂直，方向固定，以确保测力的准确性，本发明的这种设置方式与一般收放缆装置采用的单轮测力方案相比，惯量小，更灵敏，更加节省空间。回转单元通过滚动轴承与基座安装，使导向机构在偏心矩的作用下能够绕轴线灵活转动，在导向机构内安装一组自由轮，从而使光缆与导向机构始终处于滚动摩擦状态，减小光缆通过导向机构时的摩擦，降低导向机构对光缆张力的影响。

具体说本发明是：安装有编码器9的力矩电机8通过联轴器15与储缆筒轴系连接。储缆筒轴系与丝杠轴11分别通过一对深沟球轴承安装在左右两个轴承座中，同步带轮10分别通过平键连接安装在储缆筒轴系和丝杠轴11上。力矩电机8直接驱动储缆筒6，并通过同步带7驱动丝杠轴11，从而实现滑块(螺旋副)12沿着导轨13做水平运动。往复丝杠单向转动，当滑块(螺旋副)12运动到极限位置时，会自动沿着反方向运动，无需电机换向，即能实现往复排缆。在滚筒轴系的末端安装滑环16，将外部光缆和储缆筒上的光缆分离开，避免在缠绕过程中出现光缆扭曲。

结合图2、3、5，光缆从储缆筒到到达无人机，需要依次经过安装在滑块(螺旋副)12上的第二自由轮组5和第一自由轮组4，固定在支架3上的一对第三自由轮14，固定在支架3上的测力机构2以及导向机构1，每组自由轮组由两个大小相同的自由轮。在空间布置上，自由轮组14，测力机构2及导向机构1回转中心的连线与储缆筒6相切，确保光缆进入测力机构的方向和角度固定，保证了测力结果的准确性。自由轮组5限定了光缆摆动过程中的出口位置，自由轮组4实现在线摆动过程中适应储缆筒6外径的变化，两组自由轮的轴线相互垂直。测力机构包括左导向轮19、右导向轮21及测力轮20，尺寸小，转动灵活，减少了光缆18通过时的阻力。

结合图6、7、8，回转单元27通过深沟球轴承29安装在基座28中，用弹性挡圈30防止回转单元27的轴向串动。自由轮支架22通过螺钉安装在回转单元27上。同时采用一对自由轮，小自由轮23和大自由轮24分别通过销26以及一号销轴安装座31和二号销轴安装座25安装在自由轮支架22和回转单元27上。安装在回转单元27槽中的弹簧实现了大自由轮销轴小范围调整，保证了光缆始终处在两个自由轮之间，当光缆挤压小自由轮23时，由于挤压力与回转单元27的回转中心(图7中的中心线)不相交，会立即产生一个偏心矩使回转单元转动，使得光缆在任意方向都可以自由伸缩运动，并始终处于滚动摩擦状态，减小导向机构对光缆张力的影响

本发明的控制系统包括系统控制器，伺服驱动器，力矩电机，力传感器及编码器。其中，伺服驱动器控制力矩电机输出；力矩电机控制线缆动作；编码器实时测量收放缆绳长度及速度；力传感器实时测量线缆上的张力。伺服驱动器具备电流补偿与监测、速度补偿及张力控制功能。其中电流监测环节确保电机不会过载，电流补偿环节实现电机加载的快速性和平稳性；速度补偿与张力控制这两个闭环在提供张力过载保护和失速检测的同时，共同实现系留无人机释放回收的自动控制，避免冲击，提高回收性能。

系统控制器将给定张力值和无人机定位信息发送给伺服驱动器；伺服控制器通过can通讯将缆长、张力及当前工作状态发送给系统控制器，为检测无人机的飞行高度提供数据，并避免因过大放缆张力而损毁电机和控制器。

结合图1、2，安装在力矩电机8上的光电编码器9测量出缆绳的收放长度及当前的收放速度，力传感器2测量当前缆绳张力，由伺服驱动器发送给系统控制器，判定无人机的高度并确认控制方法是否处在正常工作状态下。系统控制器向伺服控制器发送无人机当前位置，并给出指令(放缆、平飞或回收)使伺服控制器根据不同指令选择不同的控制算法。

控制器通过pwm驱动电路控制直流伺服电机的输出力矩和速度，通过张力、速度反馈双闭环控制，实现在光缆动态恒张力自动收放缆控制，解决光缆运动状态下的张力准确控制问题。通过光电编码实现放缆长度测量，经过收缆自动控制策略实现无人机降落收起的自动控制，避免冲击、提高回收性能。同时通过can通讯将缆长信息发送给系统控制器，为检测无人机的飞行高度距离提供数据；采用电机电流反馈、张力过载保护、失速检测等保护方法，避免过大的放缆张力，避免因过载损毁电机和控制器，确保系统运行安全。

在放缆阶段，速度控制为主控制环，电缆张力控制为辅助闭环，实现在规定张力范围内以一定的速度放缆(用无人机的上升速度信息或者靠控制器上升速度的预判自动调整放缆速度)；平飞阶段实现恒张力自动收/放缆,解决在平飞阶段因为各种原因造成无人机与安装有收放缆装置的底面车辆运动不一致造成对电缆的拉扯问题，通过恒张力控制自动调整电缆的长度，以电缆张力闭环控制为主闭环；回收阶段实现自动收缆，位置控制为主控制环，电缆张力控制为辅助闭环。根据无人机与回收箱的不同相对位置规划收揽的速度，实现无人机的平稳回收。

综上，本发明目的在于提供一种系留无人机收放缆装置及控制方法。装置包括支架、排缆装置、储缆筒、驱动单元、导向机构、测力机构等。驱动单元由力矩电机、同步带等构成，排缆装置由双向丝杠、滑块(螺旋副)及导轨构成。由力矩电机直接驱动储缆筒绕线，同时力矩电机经同步带传动机构驱动往复丝杠转动，从而实现滑块(螺旋副)往复排线动作。光缆经由排线装置依次穿过三组定自由轮和力传感器，最后通过导向机构接到无人机上。本发明的特点在于力矩电机直驱储缆筒，减少了在传动过程中机构摩擦等因素造成的动力消耗，在导向和固定光缆方面不同于传统收放缆装置的单个导向轮，而是采用三组自由轮，其中两组轴线垂直并安装在滑块(螺旋副)上随丝杠转动水平移动，另一组固定在支架上保证光缆进入力传感器的方向不变以确保测量准确性。导向机构可以在偏心矩的作用下转动，使得光缆在任意方向都可以自由伸缩运动。

本发明还提供了一种基于前述装置的收放缆控制系统，包括：系统控制器，伺服驱动器，力矩电机，力传感器及编码器。其中，伺服驱动器控制力矩电机输出，同时将缆绳长度及当前工作状态反馈给系统控制器，系统控制器向伺服驱动器发送任务命令和无人机定位信息；力矩电机控制线缆动作；编码器实时测量收放缆绳长度及速度；力传感器实时测量线缆上的张力。伺服驱动器具备电流补偿与监测、速度补偿及张力控制功能。其中电流监测环节确保电机不会过载，电流补偿环节实现电机加载的快速性和平稳性；速度补偿与张力控制这两个闭环在提供张力过载保护和失速检测的同时，共同实现系留无人机释放回收的自动控制，避免冲击，提高回收性能。伺服驱动器的mcu需要实现张力控制，电流补偿及速度补偿三个闭环，并通过can通讯的方式将收放缆系统状态实时反馈给系统控制器，保证在外界环境干扰下，系留无人机可以在系统控制器的给定张力下快速释放和回收。