0引言

目前,我國(guó)無人機(jī)在拍攝、農(nóng)業(yè)噴藥、娛樂、救災(zāi) 搶險(xiǎn)、故障檢測(cè)等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用^[1—3]?？萍?工作者積極拓展無人機(jī)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用,推動(dòng)了無人機(jī)及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展。

伴隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷提高,人們對(duì)無人機(jī)機(jī)庫建造技術(shù)也提出了更高的要求。無人機(jī)機(jī)庫建造技術(shù)主要由各無人機(jī)機(jī)庫制造公司所推動(dòng),國(guó)外比較知名的公司有美國(guó)Airware公司^[4]、以色列Airobotics公司^[5]、英國(guó)Hereford公司^[6]等。與國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)無人機(jī)機(jī)庫的發(fā)展相對(duì)滯后。但隨著我國(guó)無人機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的快速擴(kuò)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(jī)機(jī)庫研究領(lǐng)域,推動(dòng)了無人機(jī)機(jī)庫相關(guān)技術(shù)的發(fā)展^[7]。

考慮到無人機(jī)執(zhí)行完一段時(shí)間的任務(wù)飛行后,需要進(jìn)行快速補(bǔ)充能量,而采用鋰電池是當(dāng)前普遍采用的能量提供方式,對(duì)此類無人機(jī)補(bǔ)充電能一般依賴人工介入進(jìn)行充電來實(shí)現(xiàn),這種方式效率較低,在偏遠(yuǎn)無人地區(qū)難以普及。因此,設(shè)計(jì)自動(dòng)機(jī)庫平臺(tái)讓無人機(jī)停留,并將無人機(jī)精準(zhǔn)移動(dòng)到指定位置,再實(shí)施自動(dòng)無線充電,對(duì)于提升無人機(jī)充電效率以及智能化管理都有重要的實(shí)際應(yīng)用前景。

1 無人機(jī)自動(dòng)充電機(jī)庫總體設(shè)計(jì)

無人機(jī)自動(dòng)充電機(jī)庫,具有自動(dòng)泊位和無線充電功能。自動(dòng)泊位即具有無人機(jī)精準(zhǔn)歸位功能,通過設(shè)計(jì)歸位機(jī)械系統(tǒng),并采用合適傳感器,保證該機(jī)械歸位系統(tǒng)具有一定的柔性,在推動(dòng)機(jī)器人移位過程中不損傷無人機(jī),最終將無人機(jī)準(zhǔn)確地推到指定位置充電。

無人機(jī)自動(dòng)充電機(jī)庫平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示,通過旋轉(zhuǎn)艙門可完成無人機(jī)平臺(tái)的打開和關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)充電過程的封閉化,提升安全性。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 柔性推桿設(shè)計(jì)

無人機(jī)降落到機(jī)庫平臺(tái)上,為了實(shí)現(xiàn)精確歸位進(jìn)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(jī)的精確歸位。為了防止機(jī)庫推桿在推動(dòng)無人機(jī)時(shí)損傷到無人機(jī),需要在推桿的設(shè)計(jì)上考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定柔性,將裝置設(shè)計(jì)成柔性機(jī)構(gòu)。與剛性機(jī)構(gòu)相比,柔性機(jī)構(gòu)可產(chǎn)生彈性形變,來規(guī)避無人機(jī)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(diǎn)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(lǐng)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(rèn)不同柔性結(jié)構(gòu)桿件在受到載荷時(shí)的變形和應(yīng)力分布情況,通過對(duì)桿件的一端固定,在另一端加同等載荷進(jìn)行COMSOL有限元仿真。桿件模型為長(zhǎng)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(yīng)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(shí),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(shì)?；诖?設(shè)計(jì)的無人機(jī)機(jī)庫歸位機(jī)構(gòu)采用柔性板作為擋板。

2.2 歸位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

要對(duì)無人機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)歸位,首先將機(jī)庫平臺(tái)正中央確定為無人機(jī)最終停留的位置,而當(dāng)無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)回來后停留在機(jī)庫平臺(tái)上的任意位置時(shí),就需要有推桿從XY軸方向?qū)o人機(jī)移動(dòng)到平臺(tái)正中央。為使在X或Y軸上的兩推桿能夠相向移動(dòng)推動(dòng)無人機(jī),有以下幾個(gè)方案可供選擇。

方案1:通過齒輪帶動(dòng)上下兩個(gè)齒條運(yùn)動(dòng),齒輪往一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),兩推桿分開;齒輪朝另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),推桿向里合攏,如圖4(a)所示。

方案2:通過同步帶傳動(dòng),將兩個(gè)推桿一個(gè)固定在上端,另一個(gè)固定在下端,當(dāng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)同步帶運(yùn)動(dòng),兩個(gè)推桿就可實(shí)現(xiàn)相互靠近或遠(yuǎn)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(dāng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就能帶動(dòng)兩邊滑塊直線相向移動(dòng),如圖4(c)所示。

齒輪齒條有較強(qiáng)的承重的特點(diǎn),傳動(dòng)精確高,但傳動(dòng)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(dòng)長(zhǎng)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(dòng)效率不高,不適合精度定位。滾珠絲杠成本稍高,但傳動(dòng)效率高,精確度高,更適用于快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

所以,基于以上對(duì)比分析,歸位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮具備精確定位要求和較高傳動(dòng)效率,最終采用滾珠絲杠的歸位結(jié)構(gòu)傳動(dòng)方案。

2.3機(jī)庫開合艙門設(shè)計(jì)

機(jī)庫的艙門主要是為了提升機(jī)庫平臺(tái)充電的私密性和安全性,防止外界對(duì)機(jī)庫平臺(tái)造成影響。從結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易實(shí)現(xiàn)性考慮,設(shè)計(jì)了弧形艙門開合結(jié)構(gòu),具體如圖5所示。

傳動(dòng)設(shè)計(jì)中通過同步帶傳動(dòng),實(shí)現(xiàn)圖5中的帶輪繞中心轉(zhuǎn)動(dòng),帶輪與艙門之間固定連接,帶動(dòng)艙門跟著轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖5(a)為艙門開啟,圖5(b)為艙門關(guān)閉狀態(tài)。

3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1機(jī)庫平臺(tái)無人機(jī)檢測(cè)傳感器選擇

根據(jù)無人機(jī)機(jī)庫設(shè)計(jì)技術(shù)要求,檢測(cè)無人機(jī)有無的傳感器可采用接近式或光電式傳感器。當(dāng)無人機(jī)降落機(jī)庫平臺(tái)時(shí),無人機(jī)接近傳感器感應(yīng)區(qū)時(shí),能快速、非接觸感應(yīng)到無人機(jī)是否降落在平臺(tái)上,以便能告知相關(guān)控制器,發(fā)出命令,推動(dòng)無人機(jī)精確歸位到充電位置。為此,針對(duì)無人機(jī)機(jī)庫平臺(tái)的檢測(cè)傳感器進(jìn)行了分析和選擇。

1)電感式傳感器:具有重復(fù)定位精確度高、構(gòu)型多樣、開關(guān)頻率高等特點(diǎn)。局限性體現(xiàn)在只能檢測(cè)到導(dǎo)體,不適用于多變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量。電感式傳感器的分辨率越高,其測(cè)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(qiáng)、頻率響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。檢測(cè)對(duì)象可以是導(dǎo)體或絕緣的液體等,但其檢測(cè)距離比較近,大多不能超過20mm。

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

因此,在無人機(jī)的精準(zhǔn)歸位系統(tǒng)中,為了確定無人機(jī)是否降落到平臺(tái)上,設(shè)計(jì)采用光電傳感器來檢測(cè)無人機(jī)目標(biāo)。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(gè)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(dāng)無人機(jī)沒有落到紅外放射裝置與正對(duì)應(yīng)的紅外吸收器之間時(shí),紅外放射裝置發(fā)出的光信號(hào)能順利到達(dá)紅外吸收器 ,作為判斷條件判斷出無人機(jī)是否落到平臺(tái)上。
3.2    機(jī)庫平臺(tái)無人機(jī)精確歸位傳感器選擇

當(dāng)有無人機(jī)降落平臺(tái)時(shí),推桿推動(dòng)無人機(jī)移動(dòng)位置。為精準(zhǔn)地確認(rèn)無人機(jī)是否移動(dòng)到指定位置 ,需 要借助高精準(zhǔn)傳感器進(jìn)行判斷處理。考慮到激光具有精度高、反應(yīng)速度快、方向性好、抗干擾能力強(qiáng)等 特點(diǎn) ,提出采用激光傳感器(圖7)對(duì)無人機(jī)的位置進(jìn)行探測(cè)。

通過在無人機(jī)的下方中央位置安裝激光發(fā)射 器 , 當(dāng)無人機(jī)被移動(dòng)到平臺(tái)中央位置時(shí) ,激光發(fā)射器 與平臺(tái)正中央安裝的接收器對(duì)準(zhǔn) ,接收器接收到光信號(hào),從而通知控制器讓推桿停止繼續(xù)推進(jìn)。

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(chǎng)邏輯控制需求。其具有抗干擾能力強(qiáng)大、編寫程序簡(jiǎn)單、模塊化、擴(kuò)展容易等特點(diǎn),可大幅縮短設(shè)計(jì)和施工時(shí)間?；诖?機(jī)庫的控制系統(tǒng)控制器采用PLC。

當(dāng)無人機(jī)需要去執(zhí)行任務(wù)時(shí),外部調(diào)度中心會(huì)給機(jī)庫系統(tǒng)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào),PLC會(huì)控制艙門電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)艙門反向轉(zhuǎn)動(dòng),艙門打開。艙門打開動(dòng)作結(jié)束后,PLC控制推桿機(jī)構(gòu)電機(jī)反轉(zhuǎn),約束無人機(jī)推桿遠(yuǎn)離無人機(jī),無人機(jī)可執(zhí)行起飛任務(wù)。動(dòng)作流程圖如圖8(a)所示。

當(dāng)無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)返回后,停在機(jī)庫平臺(tái)上,安裝在平臺(tái)兩側(cè)的光幕式光電傳感器檢測(cè)到無人機(jī), PLC接收到信號(hào)后,控制推桿驅(qū)動(dòng)無人機(jī)向中心移動(dòng)。無人機(jī)被移動(dòng)到正中央位置時(shí),安裝于平臺(tái)中央的激光接收器收到無人機(jī)身上的激光信號(hào),PLC將立即命令推桿停止運(yùn)動(dòng),同時(shí)控制艙門電機(jī)正轉(zhuǎn)直至艙門關(guān)閉。動(dòng)作流程如圖8(b)所示。

當(dāng)有無人機(jī)降落平臺(tái)時(shí),推桿推動(dòng)無人機(jī)移動(dòng)位置。為精準(zhǔn)地確認(rèn)無人機(jī)是否移動(dòng)到指定位置,需要借助高精準(zhǔn)傳感器進(jìn)行判斷處理?？紤]到激光具有精度高、反應(yīng)速度快、方向性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),提出采用激光傳感器(圖7)對(duì)無人機(jī)的位置進(jìn)行探測(cè)。

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自動(dòng)充電功能,本文開發(fā)了無人機(jī)自動(dòng)充電機(jī)庫系統(tǒng),完成了整體機(jī)械結(jié)構(gòu)方案和控制系統(tǒng)關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)采用柔性推桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)降落無人機(jī)的柔性推移 , 并通過3種傳動(dòng)形式的比較 ,確定了滾珠 絲杠作為歸位結(jié)構(gòu)傳動(dòng)方案 。同時(shí) ,在控制系統(tǒng)開發(fā) 中對(duì)無人機(jī)平臺(tái)控制器、無人機(jī)是否降落平臺(tái)和無 人機(jī)是否處于中心位置的傳感器種類進(jìn)行了研究和 選擇 , 并設(shè)計(jì)了無人機(jī)起飛和降落過程平臺(tái)的控制 流程 ,為項(xiàng)目的順利實(shí)施打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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2024年第14期第10篇