无人机自动充电机库设计

0引言

目前,我国无人机在拍摄、农业喷药、娱乐、救灾 抢险、故障检测等诸多领域获得了广泛应用^[1—3]。科技 工作者积极拓展无人机的产业应用,推动了无人机及相关技术的快速发展。

伴随着无人机技术的不断提高,人们对无人机机库建造技术也提出了更高的要求。无人机机库建造技术主要由各无人机机库制造公司所推动,国外比较知名的公司有美国Airware公司^[4]、以色列Airobotics公司^[5]、英国Hereford公司^[6]等。与国外相比,国内无人机机库的发展相对滞后。但随着我国无人机在各个领域的快速扩展,自2015年开始,大量初创公司和研究人员纷纷投入到无人机机库研究领域,推动了无人机机库相关技术的发展^[7]。

考虑到无人机执行完一段时间的任务飞行后,需要进行快速补充能量,而采用锂电池是当前普遍采用的能量提供方式,对此类无人机补充电能一般依赖人工介入进行充电来实现,这种方式效率较低,在偏远无人地区难以普及。因此,设计自动机库平台让无人机停留,并将无人机精准移动到指定位置,再实施自动无线充电,对于提升无人机充电效率以及智能化管理都有重要的实际应用前景。

1 无人机自动充电机库总体设计

无人机自动充电机库,具有自动泊位和无线充电功能。自动泊位即具有无人机精准归位功能,通过设计归位机械系统,并采用合适传感器,保证该机械归位系统具有一定的柔性,在推动机器人移位过程中不损伤无人机,最终将无人机准确地推到指定位置充电。

无人机自动充电机库平台的设计方案如图1所示,通过旋转舱门可完成无人机平台的打开和关闭,实现充电过程的封闭化,提升安全性。

2 关键部件设计

2.1 柔性推杆设计

无人机降落到机库平台上,为了实现精确归位进行无线充电,需要借助外部推杆装置和定位传感器配合,完成无人机的精确归位。为了防止机库推杆在推动无人机时损伤到无人机,需要在推杆的设计上考虑结构应具有一定柔性,将装置设计成柔性机构。与刚性机构相比,柔性机构可产生弹性形变,来规避无人机的物理损伤。

柔性构件大致可分为两种:柔性板和柔性铰链板。柔性铰链板在切口上有不同表现形式,但在结构上仍属于同构型。柔性铰链板优点是精度高,但不足表现在偏移范围有限,不适合用在大位移、大角度变化的情况。而柔性板却可以提供较大的变形位移和角变形,使用领域也更为广阔。

图2为柔性板和柔性铰链板做成的推杆模型。

为了确认不同柔性结构杆件在受到载荷时的变形和应力分布情况,通过对杆件的一端固定,在另一端加同等载荷进行COMSOL有限元仿真。杆件模型为长100 mm,宽和高都为20 mm,材质为弹簧钢,获得不同结构形式推杆应力和位移在杆件上的分布情况(图3)。

根据上述有限元仿真,可获得不同构件的最大位移情况(表1)。

从表1可以看出,柔性板在同等载荷作用时,可获得更大的变形位移。柔性板在受外力作用后,产生柔性位移具有明显的优势。基于此,设计的无人机机库归位机构采用柔性板作为挡板。

2.2 归位机构设计

要对无人机进行精准归位,首先将机库平台正中央确定为无人机最终停留的位置,而当无人机执行任务回来后停留在机库平台上的任意位置时,就需要有推杆从XY轴方向将无人机移动到平台正中央。为使在X或Y轴上的两推杆能够相向移动推动无人机,有以下几个方案可供选择。

方案1:通过齿轮带动上下两个齿条运动,齿轮往一个方向转动时,两推杆分开;齿轮朝另一方向转动时,推杆向里合拢,如图4(a)所示。

方案2:通过同步带传动,将两个推杆一个固定在上端,另一个固定在下端,当主动轮转动带动同步带运动,两个推杆就可实现相互靠近或远离,如图4(b)所示。

方案3:在一根丝杆上加双向螺纹,一半逆螺纹,一半顺螺纹,当丝杆转动时就能带动两边滑块直线相向移动,如图4(c)所示。

齿轮齿条有较强的承重的特点,传动精确高,但传动噪声较大。同步带有较大的承重能力,但如果受力过大就得加大传送带,传动长度也不宜过大,否则易发生较大的弹性变形和颤抖。丝杠可分为普通丝杠和滚珠丝杠。普通丝杠成本低,但传动效率不高,不适合精度定位。滚珠丝杠成本稍高,但传动效率高,精确度高,更适用于快速往复运动。

所以,基于以上对比分析,归位机构设计需要考虑具备精确定位要求和较高传动效率,最终采用滚珠丝杠的归位结构传动方案。

2.3机库开合舱门设计

机库的舱门主要是为了提升机库平台充电的私密性和安全性,防止外界对机库平台造成影响。从结构的简易实现性考虑,设计了弧形舱门开合结构,具体如图5所示。

传动设计中通过同步带传动,实现图5中的带轮绕中心转动,带轮与舱门之间固定连接,带动舱门跟着转动。如图5(a)为舱门开启,图5(b)为舱门关闭状态。

3控制系统设计

3.1机库平台无人机检测传感器选择

根据无人机机库设计技术要求,检测无人机有无的传感器可采用接近式或光电式传感器。当无人机降落机库平台时,无人机接近传感器感应区时,能快速、非接触感应到无人机是否降落在平台上,以便能告知相关控制器,发出命令,推动无人机精确归位到充电位置。为此,针对无人机机库平台的检测传感器进行了分析和选择。

1)电感式传感器:具有重复定位精确度高、构型多样、开关频率高等特点。局限性体现在只能检测到导体,不适用于多变运动状态的测量。电感式传感器的分辨率越高,其测量范围越小。

2)电容式传感器:具有工作频率高、抗外界干扰强、频率响应速度快等特点。检测对象可以是导体或绝缘的液体等,但其检测距离比较近,大多不能超过20mm。

3)光电传感器:可以实现长距离检测非接触的物体,可以在0~60 m的范围内检测目标。这种检测方式具有反应速度快、精确度高、非接触等特点,同时具备了电感式和电容式传感器的优点。

因此,在无人机的精准归位系统中,为了确定无人机是否降落到平台上,设计采用光电传感器来检测无人机目标。图6为光幕式光电传感器的示意图。

在光幕左侧放置了几个等间距的红外放射器,在另一边安置了等同数目的红外吸收器。当无人机没有落到红外放射装置与正对应的红外吸收器之间时,红外放射装置发出的光信号能顺利到达红外吸收器 ,作为判断条件判断出无人机是否落到平台上。
3.2    机库平台无人机精确归位传感器选择

当有无人机降落平台时,推杆推动无人机移动位置。为精准地确认无人机是否移动到指定位置 ,需 要借助高精准传感器进行判断处理。考虑到激光具有精度高、反应速度快、方向性好、抗干扰能力强等 特点 ,提出采用激光传感器(图7)对无人机的位置进行探测。

通过在无人机的下方中央位置安装激光发射 器 , 当无人机被移动到平台中央位置时 ,激光发射器 与平台正中央安装的接收器对准 ,接收器接收到光信号,从而通知控制器让推杆停止继续推进。

3.3控制器和控制流程

可编程逻辑控制器(PLC)利用微处理器作处理芯片,控制方式采用顺序控制,满足工业现场逻辑控制需求。其具有抗干扰能力强大、编写程序简单、模块化、扩展容易等特点,可大幅缩短设计和施工时间。基于此,机库的控制系统控制器采用PLC。

当无人机需要去执行任务时,外部调度中心会给机库系统发送启动信号,PLC会控制舱门电机转动,带动舱门反向转动,舱门打开。舱门打开动作结束后,PLC控制推杆机构电机反转,约束无人机推杆远离无人机,无人机可执行起飞任务。动作流程图如图8(a)所示。

当无人机执行任务返回后,停在机库平台上,安装在平台两侧的光幕式光电传感器检测到无人机, PLC接收到信号后,控制推杆驱动无人机向中心移动。无人机被移动到正中央位置时,安装于平台中央的激光接收器收到无人机身上的激光信号,PLC将立即命令推杆停止运动,同时控制舱门电机正转直至舱门关闭。动作流程如图8(b)所示。

当有无人机降落平台时,推杆推动无人机移动位置。为精准地确认无人机是否移动到指定位置,需要借助高精准传感器进行判断处理。考虑到激光具有精度高、反应速度快、方向性好、抗干扰能力强等特点,提出采用激光传感器(图7)对无人机的位置进行探测。

4 结论

为了实现无人机的自动充电功能,本文开发了无人机自动充电机库系统,完成了整体机械结构方案和控制系统关键部分的设计。设计时采用柔性推杆机构实现平台降落无人机的柔性推移 , 并通过3种传动形式的比较 ,确定了滚珠 丝杠作为归位结构传动方案 。同时 ,在控制系统开发 中对无人机平台控制器、无人机是否降落平台和无 人机是否处于中心位置的传感器种类进行了研究和 选择 , 并设计了无人机起飞和降落过程平台的控制 流程 ,为项目的顺利实施打下了坚实基础。

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2024年第14期第10篇