0引言

目前,我國無人機在拍攝、農(nóng)業(yè)噴藥、娛樂、救災 搶險、故障檢測等諸多領域獲得了廣泛應用^[1—3]?？萍?工作者積極拓展無人機的產(chǎn)業(yè)應用,推動了無人機及相關技術的快速發(fā)展。

伴隨著無人機技術的不斷提高,人們對無人機機庫建造技術也提出了更高的要求。無人機機庫建造技術主要由各無人機機庫制造公司所推動,國外比較知名的公司有美國Airware公司^[4]、以色列Airobotics公司^[5]、英國Hereford公司^[6]等。與國外相比,國內(nèi)無人機機庫的發(fā)展相對滯后。但隨著我國無人機在各個領域的快速擴展,自2015年開始,大量初創(chuàng)公司和研究人員紛紛投入到無人機機庫研究領域,推動了無人機機庫相關技術的發(fā)展^[7]。

考慮到無人機執(zhí)行完一段時間的任務飛行后,需要進行快速補充能量,而采用鋰電池是當前普遍采用的能量提供方式,對此類無人機補充電能一般依賴人工介入進行充電來實現(xiàn),這種方式效率較低,在偏遠無人地區(qū)難以普及。因此,設計自動機庫平臺讓無人機停留,并將無人機精準移動到指定位置,再實施自動無線充電,對于提升無人機充電效率以及智能化管理都有重要的實際應用前景。

1 無人機自動充電機庫總體設計

無人機自動充電機庫,具有自動泊位和無線充電功能。自動泊位即具有無人機精準歸位功能,通過設計歸位機械系統(tǒng),并采用合適傳感器,保證該機械歸位系統(tǒng)具有一定的柔性,在推動機器人移位過程中不損傷無人機,最終將無人機準確地推到指定位置充電。

無人機自動充電機庫平臺的設計方案如圖1所示,通過旋轉(zhuǎn)艙門可完成無人機平臺的打開和關閉,實現(xiàn)充電過程的封閉化,提升安全性。

2 關鍵部件設計

2.1 柔性推桿設計

無人機降落到機庫平臺上,為了實現(xiàn)精確歸位進行無線充電,需要借助外部推桿裝置和定位傳感器配合,完成無人機的精確歸位。為了防止機庫推桿在推動無人機時損傷到無人機,需要在推桿的設計上考慮結(jié)構(gòu)應具有一定柔性,將裝置設計成柔性機構(gòu)。與剛性機構(gòu)相比,柔性機構(gòu)可產(chǎn)生彈性形變,來規(guī)避無人機的物理損傷。

柔性構(gòu)件大致可分為兩種:柔性板和柔性鉸鏈板。柔性鉸鏈板在切口上有不同表現(xiàn)形式,但在結(jié)構(gòu)上仍屬于同構(gòu)型。柔性鉸鏈板優(yōu)點是精度高,但不足表現(xiàn)在偏移范圍有限,不適合用在大位移、大角度變化的情況。而柔性板卻可以提供較大的變形位移和角變形,使用領域也更為廣闊。

圖2為柔性板和柔性鉸鏈板做成的推桿模型。

為了確認不同柔性結(jié)構(gòu)桿件在受到載荷時的變形和應力分布情況,通過對桿件的一端固定,在另一端加同等載荷進行COMSOL有限元仿真。桿件模型為長100 mm,寬和高都為20 mm,材質(zhì)為彈簧鋼,獲得不同結(jié)構(gòu)形式推桿應力和位移在桿件上的分布情況(圖3)。

根據(jù)上述有限元仿真,可獲得不同構(gòu)件的最大位移情況(表1)。

從表1可以看出,柔性板在同等載荷作用時,可獲得更大的變形位移。柔性板在受外力作用后,產(chǎn)生柔性位移具有明顯的優(yōu)勢。基于此,設計的無人機機庫歸位機構(gòu)采用柔性板作為擋板。

2.2 歸位機構(gòu)設計

要對無人機進行精準歸位,首先將機庫平臺正中央確定為無人機最終停留的位置,而當無人機執(zhí)行任務回來后停留在機庫平臺上的任意位置時,就需要有推桿從XY軸方向?qū)o人機移動到平臺正中央。為使在X或Y軸上的兩推桿能夠相向移動推動無人機,有以下幾個方案可供選擇。

方案1:通過齒輪帶動上下兩個齒條運動,齒輪往一個方向轉(zhuǎn)動時,兩推桿分開;齒輪朝另一方向轉(zhuǎn)動時,推桿向里合攏,如圖4(a)所示。

方案2:通過同步帶傳動,將兩個推桿一個固定在上端,另一個固定在下端,當主動輪轉(zhuǎn)動帶動同步帶運動,兩個推桿就可實現(xiàn)相互靠近或遠離,如圖4(b)所示。

方案3:在一根絲桿上加雙向螺紋,一半逆螺紋,一半順螺紋,當絲桿轉(zhuǎn)動時就能帶動兩邊滑塊直線相向移動,如圖4(c)所示。

齒輪齒條有較強的承重的特點,傳動精確高,但傳動噪聲較大。同步帶有較大的承重能力,但如果受力過大就得加大傳送帶,傳動長度也不宜過大,否則易發(fā)生較大的彈性變形和顫抖。絲杠可分為普通絲杠和滾珠絲杠。普通絲杠成本低,但傳動效率不高,不適合精度定位。滾珠絲杠成本稍高,但傳動效率高,精確度高,更適用于快速往復運動。

所以,基于以上對比分析,歸位機構(gòu)設計需要考慮具備精確定位要求和較高傳動效率,最終采用滾珠絲杠的歸位結(jié)構(gòu)傳動方案。

2.3機庫開合艙門設計

機庫的艙門主要是為了提升機庫平臺充電的私密性和安全性,防止外界對機庫平臺造成影響。從結(jié)構(gòu)的簡易實現(xiàn)性考慮,設計了弧形艙門開合結(jié)構(gòu),具體如圖5所示。

傳動設計中通過同步帶傳動,實現(xiàn)圖5中的帶輪繞中心轉(zhuǎn)動,帶輪與艙門之間固定連接,帶動艙門跟著轉(zhuǎn)動。如圖5(a)為艙門開啟,圖5(b)為艙門關閉狀態(tài)。

3控制系統(tǒng)設計

3.1機庫平臺無人機檢測傳感器選擇

根據(jù)無人機機庫設計技術要求,檢測無人機有無的傳感器可采用接近式或光電式傳感器。當無人機降落機庫平臺時,無人機接近傳感器感應區(qū)時,能快速、非接觸感應到無人機是否降落在平臺上,以便能告知相關控制器,發(fā)出命令,推動無人機精確歸位到充電位置。為此,針對無人機機庫平臺的檢測傳感器進行了分析和選擇。

1)電感式傳感器:具有重復定位精確度高、構(gòu)型多樣、開關頻率高等特點。局限性體現(xiàn)在只能檢測到導體,不適用于多變運動狀態(tài)的測量。電感式傳感器的分辨率越高,其測量范圍越小。

2)電容式傳感器:具有工作頻率高、抗外界干擾強、頻率響應速度快等特點。檢測對象可以是導體或絕緣的液體等,但其檢測距離比較近,大多不能超過20mm。

3)光電傳感器:可以實現(xiàn)長距離檢測非接觸的物體,可以在0~60 m的范圍內(nèi)檢測目標。這種檢測方式具有反應速度快、精確度高、非接觸等特點,同時具備了電感式和電容式傳感器的優(yōu)點。

因此,在無人機的精準歸位系統(tǒng)中,為了確定無人機是否降落到平臺上,設計采用光電傳感器來檢測無人機目標。圖6為光幕式光電傳感器的示意圖。

在光幕左側(cè)放置了幾個等間距的紅外放射器,在另一邊安置了等同數(shù)目的紅外吸收器。當無人機沒有落到紅外放射裝置與正對應的紅外吸收器之間時,紅外放射裝置發(fā)出的光信號能順利到達紅外吸收器 ,作為判斷條件判斷出無人機是否落到平臺上。
3.2    機庫平臺無人機精確歸位傳感器選擇

當有無人機降落平臺時,推桿推動無人機移動位置。為精準地確認無人機是否移動到指定位置 ,需 要借助高精準傳感器進行判斷處理?？紤]到激光具有精度高、反應速度快、方向性好、抗干擾能力強等 特點 ,提出采用激光傳感器(圖7)對無人機的位置進行探測。

通過在無人機的下方中央位置安裝激光發(fā)射 器 , 當無人機被移動到平臺中央位置時 ,激光發(fā)射器 與平臺正中央安裝的接收器對準 ,接收器接收到光信號,從而通知控制器讓推桿停止繼續(xù)推進。

3.3控制器和控制流程

可編程邏輯控制器(PLC)利用微處理器作處理芯片,控制方式采用順序控制,滿足工業(yè)現(xiàn)場邏輯控制需求。其具有抗干擾能力強大、編寫程序簡單、模塊化、擴展容易等特點,可大幅縮短設計和施工時間?；诖?機庫的控制系統(tǒng)控制器采用PLC。

當無人機需要去執(zhí)行任務時,外部調(diào)度中心會給機庫系統(tǒng)發(fā)送啟動信號,PLC會控制艙門電機轉(zhuǎn)動,帶動艙門反向轉(zhuǎn)動,艙門打開。艙門打開動作結(jié)束后,PLC控制推桿機構(gòu)電機反轉(zhuǎn),約束無人機推桿遠離無人機,無人機可執(zhí)行起飛任務。動作流程圖如圖8(a)所示。

當無人機執(zhí)行任務返回后,停在機庫平臺上,安裝在平臺兩側(cè)的光幕式光電傳感器檢測到無人機, PLC接收到信號后,控制推桿驅(qū)動無人機向中心移動。無人機被移動到正中央位置時,安裝于平臺中央的激光接收器收到無人機身上的激光信號,PLC將立即命令推桿停止運動,同時控制艙門電機正轉(zhuǎn)直至艙門關閉。動作流程如圖8(b)所示。

當有無人機降落平臺時,推桿推動無人機移動位置。為精準地確認無人機是否移動到指定位置,需要借助高精準傳感器進行判斷處理。考慮到激光具有精度高、反應速度快、方向性好、抗干擾能力強等特點,提出采用激光傳感器(圖7)對無人機的位置進行探測。

4 結(jié)論

為了實現(xiàn)無人機的自動充電功能,本文開發(fā)了無人機自動充電機庫系統(tǒng),完成了整體機械結(jié)構(gòu)方案和控制系統(tǒng)關鍵部分的設計。設計時采用柔性推桿機構(gòu)實現(xiàn)平臺降落無人機的柔性推移 , 并通過3種傳動形式的比較 ,確定了滾珠 絲杠作為歸位結(jié)構(gòu)傳動方案 。同時 ,在控制系統(tǒng)開發(fā) 中對無人機平臺控制器、無人機是否降落平臺和無 人機是否處于中心位置的傳感器種類進行了研究和 選擇 , 并設計了無人機起飛和降落過程平臺的控制 流程 ,為項目的順利實施打下了堅實基礎。

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2024年第14期第10篇