無人機(jī)自動(dòng)充電機(jī)庫設(shè)計(jì)

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)電源耗盡后能自動(dòng)充電的功能，提出了無人機(jī)自動(dòng)充電機(jī)庫的設(shè)計(jì)思想。針對(duì)無人機(jī)自動(dòng)降落泊位和無線充電精確位置需求，設(shè)計(jì)了無人機(jī)自動(dòng)充電的機(jī)庫整體方案。為了避免降落無人機(jī)移位過程中受到損傷，開展了柔性推桿機(jī)構(gòu)受力及變形的有限元分析，確定了柔性板推桿機(jī)構(gòu)形式。同時(shí)，分析了3種移位機(jī)構(gòu)方案并最終選擇絲杠形式。最后，研究并確定了機(jī)庫平臺(tái)無人機(jī)檢測傳感器和精確歸位傳感器，設(shè)計(jì)了無人機(jī)平臺(tái)起飛和降落的控制流程，為無人機(jī)自動(dòng)充電機(jī)庫開發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；自動(dòng)機(jī)庫；柔性推桿；精確歸位

中圖分類號(hào)：V279" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）14-0046-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.010

0" " 引言

目前，我國無人機(jī)在拍攝、農(nóng)業(yè)噴藥、娛樂、救災(zāi)搶險(xiǎn)、故障檢測等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1-3]。科技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(jī)機(jī)庫的發(fā)展相對(duì)滯后。但隨著我國無人機(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)在只能檢測到導(dǎo)體，不適用于多變運(yùn)動(dòng)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(qiáng)、頻率響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。檢測對(duì)象可以是導(dǎo)體或絕緣的液體等，但其檢測距離比較近，大多不能超過20 mm。

3）光電傳感器：可以實(shí)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(biāo)。這種檢測方式具有反應(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?？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。

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)場邏輯控制需求。其具有抗干擾能力強(qiáng)大、編寫程序簡單、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?；诖耍瑱C(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。

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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收稿日期：2024-03-25

作者簡介：岳文婷（2004—），女，河北安平人，研究方向：機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。