一种无人机投放装置、控制系统及控制方法

技术领域

本公开涉及无人机物资投放技术领域，具体涉及一种无人机投放装置、控制系统及控制方法。

背景技术

现在无人机物流领域大部分是使用降落伞空投或者是通过绳索和卡扣将货物固定在无人机上，无法同时实现精准投放和空中投放两个功能。且上述两种投放模式具有不够安全、降落环境要求高的缺点，具有提升空间。

发明内容

本申请的目的是针对以上问题，提供一种无人机投放装置、控制系统及控制方法。

第一方面，本申请提供一种无人机投放装置，包括载物箱以及驱动机构，所述驱动机构包括：上层固定板、中层固定板、下层固定板、步进电机、传动结构、牵引绳及导向结构；所述上层固定板通过第一连接结构设置在中层固定板的上方，下层固定板通过第二连接结构设置在中层固定板的下方，所述步进电机设置在上层固定板与中层固定板之间，所述传动结构设置在中层固定板与下层固定板之间；所述传动结构包括主动齿轮以及与主动齿轮啮合的四个从动齿轮，所述步进电机的输出轴穿过中层固定板后与主动齿轮连接；各个所述从动齿轮上分别设置缠绕结构；所述牵引绳包括四根，导向结构包括四组，各根牵引绳的一端分别连接在对应的缠绕结构上，另一端穿过对应的导向结构后连接在所述载物箱上；四组所述导向结构分别连接在中层固定板的四角边缘。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述载物箱上对应其侧边分别设置缓冲结构，所述缓冲结构包括连接部、支撑件、缓冲臂以及着陆件；所述连接部固定在载物箱侧面，支撑件连接在连接部上，缓冲臂与支撑件铰接连接，缓冲臂远离支撑件的一端与着陆件固定连接；所述支撑件与缓冲臂连接有缓冲弹簧。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述中层固定板的四角分别设置向外侧延伸的延长板，所述导向结构包括第一支撑部、第二支撑部及导向管，所述导向管连接在第一支撑部与第二支撑部之间，所述第一支撑部的顶端连接在所述延长板的下表面，所述导向管的一端穿透所述第一支撑部，另一端插接在所述第二支撑部内，所述导向管远离第一支撑部的一端延伸至延长板外侧；所述第二支撑部底端设有与导向管端部连通的第一通孔，所述牵引绳的端部由第一支撑部穿入后依次经过导向管及第二支撑部后由所述第一通孔穿出。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述缠绕结构包括第一限位板、第二限位板、转轴及轴承，所述轴承连接在所述下层固定板上，所述转轴竖直设置其一端可转动地卡接在所述轴承内，所述第一限位板、第二限位板及从动齿轮由上至下依次连接在所述转轴上，所述第一限位板及第二限位板之间设置缠绕间隙。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述第一连接结构包括四个减震球，四个所述减震球分别对应上层固定板四角设置，所述减震球的顶端连接第一连接柱，减震球的底端连接第二连接柱，第一连接柱远离减震球的一端固定在上层固定板上，第二连接柱远离减震球的一端连接在中层固定板上。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述第一支撑部设置两个，两个所述第一支撑部分别连接在所述延长板上；所述导向管的管径设置为12mm。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述载物箱的四角分别设置快拆连接件，所述牵引绳的端部连接在所述快拆连接件上。

第二方面，本申请提供一种无人机投放控制系统，包括：控制器、电机驱动模块、超声测距模块及微动开关模块，所述电机驱动模块、超声测距模块及微动开关模块分别与所述控制器信号连接；所述电机驱动模块用于控制所述步进电机的转速及转向；所述超声测距模块用于测量投放装置距离地面的距离；所述微动开关模块包括启动微动开关、停止微动开关以及限位微动开关，所述控制器接收所述微动开关的信号，并向所述电机驱动模块发送控制信号。

第三方面，本申请提供一种无人机投放控制方法，包括以下步骤：

S1、判断触发信号：当接收到启动微动开关触发信号时，执行步骤S2-S8；当接收到停止微动开关触发信号时，执行步骤S6-S8；

S2、向电机驱动模块发送正转驱动信号；

S3、接收超声测距模块信号，计算投放装置距离地面的距离；

S4、根据所述距离计算正转运行时间；

S5、经过正转运行时间后向电机驱动模块发送停止信号，并使得停止信号持续设定停止时间；

S6、向电机驱动模块发送反转驱动信号；

S7、接收限位微动开关触发信号；

S8、向电机驱动模块发送停止信号。

本发明的有益效果：本申请提供一种无人机投放装置、控制系统及控制方法，将步进电机固定在中层固定板上，通过控制步进电机的正转、反转实现牵引绳的放线、收线从而实现载物箱垂直地升降移动，使得无人机进行物资投放时物资能够垂直、定点、准确地投放；而且在中层固定板的四角分别设置导向结构，导向结构在牵引绳收放线过程中起到导向作用，同时对固定有步进电机的中层固定板起到支撑作用，避免载物箱内物资过重时引起中层固定板的变形。

附图说明

图1-图5为本申请第一种实施例的结构示意图；

图6为本申请第二种实施例的电路图；

图7为本申请第三种实施例的流程图；

图中所述文字标注表示为：1、载物箱；2、上层固定板；3、中层固定板；4、下层固定板；5、第二连接结构；6、主动齿轮；7、从动齿轮；8、步进电机；9、连接部；10、支撑件；11、缓冲臂；12、着陆件；13、缓冲弹簧；14、延长板；15、第一支撑部；16、第二支撑部；17、导向管；18、第一限位板；19、第二限位板；20、转轴；21、轴承；22、减震球；23、第一连接柱；24、第二连接柱；25、快拆连接件；26、支撑铜柱。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。

如图1-图5所示为本申请的第一种实施例的示意图，包括载物箱1以及驱动机构，所述驱动机构包括：上层固定板2、中层固定板3、下层固定板4、步进电机8、传动结构、牵引绳及导向结构；所述上层固定板2通过第一连接结构设置在中层固定板3的上方，下层固定板4通过第二连接结构5设置在中层固定板3的下方，所述步进电机8设置在上层固定板2与中层固定板3之间，所述传动结构设置在中层固定板3与下层固定板4之间。

所述传动结构包括主动齿轮6以及与主动齿轮6啮合的四个从动齿轮7，所述步进电机8的输出轴穿过中层固定板3后与主动齿轮6连接；各个所述从动齿轮7上分别设置缠绕结构；所述牵引绳包括四根，导向结构包括四组，各根牵引绳的一端分别连接在对应的缠绕结构上，另一端穿过对应的导向结构后连接在所述载物箱1上；四组所述导向结构分别连接在中层固定板3的四角边缘。

本实施例中，上层固定板2、中层固定板3及下层固定板4分别设置为碳板。

本实施例的工作过程为：步进电机8的输出轴旋转带动主动齿轮6旋转，使得与主动齿轮6啮合的各个从动齿轮7旋转，由于各个从动齿轮7上分别设有缠绕结构，各个缠绕结构上分别缠绕牵引绳，缠绕结构随着从动齿轮7旋转，进而实现牵引绳的放线或收线，由于牵引绳的一端固定在载物箱1上，使得载物箱1垂直、定点、准确地投放。而且无人机机载载物箱1进行物资投放的技术方案相较于伞降方式物资投放的技术方案零部件可回收性强、没有多余物资消耗。本实施例中，导向结构对牵引绳起到导向作用，牵引绳的活动端由缠绕结构穿出、穿入导向结构后连接在载物箱1上。

在一优选实施例中，如图5所示，所述载物箱1上对应其侧边分别设置缓冲结构，所述缓冲结构包括连接部9、支撑件10、缓冲臂11以及着陆件12；所述连接部9固定在载物箱1侧面，支撑件10连接在连接部9上，缓冲臂11与支撑件10铰接连接，缓冲臂11远离支撑件10的一端与着陆件12固定连接；所述支撑件10与缓冲臂11连接有缓冲弹簧13。

本实施例中，当载物箱1进行物资投放时运动至距离地面0.5m高度，因此在本优选实施例中，缓冲结构用于载物箱1距离地面0.5m高度时对载物箱1进行缓冲及支撑作用，因此减少载物箱1及内物资的重力对驱动机构的影响，从而保证投放装置工作的稳定性。本优选实施例中，连接部9固定在载物箱1上，支撑件10与缓冲臂11可微转动地弹性连接，缓冲弹簧13的设置可吸收着陆件12与地面接触过程中载物箱1受到的震动，从而保证物资投放的稳定性与准确性。

在一优选实施例中，所述中层固定板3的四角分别设置向外侧延伸的延长板14，所述导向结构包括第一支撑部15、第二支撑部16及导向管17，所述导向管17连接在第一支撑部15与第二支撑部16之间，所述第一支撑部15的顶端连接在所述延长板14的下表面，所述导向管17的一端穿透所述第一支撑部15，另一端插接在所述第二支撑部16内，所述导向管17远离第一支撑部15的一端延伸至延长板14外侧；所述第二支撑部16底端设有与导向管17端部连通的第一通孔，所述牵引绳的端部由第一支撑部15穿入后依次经过导向管17及第二支撑部16后由所述第一通孔穿出。

本优选实施例中，中层固定板3四角分别设置延长板14，并将第一支撑部15固定在延长板14上，导向管17的一端固定在第一支撑部15上，另一端延伸至延长板14的外侧，并将第二支撑部16固定在延伸至延长板14外侧的导向管17的端部，使得牵引绳由第二支撑部16穿出后连接在载物箱1上。导向结构的设置一方面为牵引绳传输过程中起到导向作用，保证载物箱1的顺畅升降移动，另一方面由于四个导向管17向外侧延伸，可在载物箱1升降移动过程中对中层固定板3起到良好的支撑作用，防止由于载物箱1过重时引起中层固定板3发生变形，从而影响步进电机8及传动结构工作的稳定性。

在一优选实施方式中，所述第一支撑部15设置两个，两个所述第一支撑部15分别连接在所述延长板14上；所述导向管17的管径设置为12mm。

在一优选实施例中，所述缠绕结构包括第一限位板18、第二限位板19、转轴20及轴承21，所述轴承21连接在所述下层固定板4上，所述转轴20竖直设置其一端可转动地卡接在所述轴承21内，所述第一限位板18、第二限位板19及从动齿轮7由上至下依次连接在所述转轴20上，所述第一限位板18及第二限位板19之间设置缠绕间隙。本优选实施例中，牵引绳在第一限位板18与第二限位板19之间的缠绕间隙中以缠绕间隙内的转轴20为缠绕中心进行缠绕。本优选实施例中，转轴20随着从动齿轮7的旋转而同步旋转，从而使得连接在转轴20上的第一限位板18及第二限位板19同步旋转，实现牵引线的收线与放线。本优选实施例中，第一限位板18、第二限位板19以及从动齿轮7之间分别连接有支撑铜柱26。

在一优选实施例中，所述第一连接结构包括四个减震球22，四个所述减震球22分别对应上层固定板2四角设置，所述减震球22的顶端连接第一连接柱23，减震球22的底端连接第二连接柱24，第一连接柱23远离减震球22的一端固定在上层固定板2上，第二连接柱24远离减震球22的一端连接在中层固定板3上。本实施例中由于上层固定板2连接在无人机的底部，在上层固定板2与中层固定板3之间连接有减震球22，可减小中层固定板3收到的无人机的震动，以保证固定在中层固定板3上的步进电机8工作的稳定性。

在一优选实施例中，所述载物箱1的四角分别设置快拆连接件25，所述牵引绳的端部连接在所述快拆连接件25上。

如图6所示为本申请的第二种实施例，本实施例是控制第一种实施例的装置的控制系统，包括：控制器、电机驱动模块、超声测距模块及微动开关模块，所述电机驱动模块、超声测距模块及微动开关模块分别与所述控制器信号连接；所述电机驱动模块用于控制所述步进电机的转速及转向；所述超声测距模块用于测量投放装置距离地面的距离；所述微动开关模块包括启动微动开关、停止微动开关以及限位微动开关，所述控制器接收所述微动开关的信号，并向所述电机驱动模块发送控制信号。

本实施例中，控制器型号为STC12C5A60S2，电机驱动模块型号为ZDM42P32，启动微动开关、停止微动开关及限位微动开关的型号均设置为KW11-3Z-2，超声测距模块的型号设置为HC-SR04。

本实施例中，控制器连接3～5v直流电源对其进行供电，电机驱动模块另由12V电源供电；电机驱动模块的脉冲(CP)、使能(EN)与方向(DIR)端口分别连接控制器芯片的P0^0、P0^1、P0^2引脚，超声测距模块的发出(Trig)和接收(Echo)端口分别连接控制器芯片的P0^5、P0^6引脚，启动微动开关、停止微动开关以及限位微动开关分别连接控制器芯片的P3^2、P2^4、P2^3引脚。本实施例中，还设有用于高度报警的蜂鸣器，蜂鸣器一个引脚连接控制器芯片的P0^5引脚，另一个引脚接地。

如图7所示为本申请的第三种实施例，本实施例是第二种实施例的控制方法，包括以下步骤：

S1、判断触发信号：当接收到启动微动开关触发信号时，执行步骤S2-S8；当接收到停止微动开关触发信号时，执行步骤S6-S8。

本实施例中，遥控器通过飞控控制舵机触发启动微动开关或者停止微动开关，若遥控器发出put信号，启动微动开关被触发，若遥控器发出take信号，停止微动开关被触发。

S2、向电机驱动模块发送正转驱动信号。

S3、接收超声测距模块信号，计算投放装置距离地面的距离。

S4、根据所述距离计算正转运行时间。

根据投放装置当下所在的高度，结合步进电机的转速，计算电机需要运行的正转运动时间。

S5、经过正转运行时间后向电机驱动模块发送停止信号，并使得停止信号持续设定停止时间。

当步进电机经过正转运行时间的旋转后，代表此时载物箱达到距离地面0.5m的高度位置，使得无人机再悬停15s的设定停止时间，以利用该时间段进行载物箱内的物资投放。

S6、向电机驱动模块发送反转驱动信号。

当载物箱内的物资投放完毕后，步进电机反转使得载物箱上升。

S7、接收限位微动开关触发信号。

当载物箱上升至一定高度后载物箱的顶端接触限位微动开关，使得限位微动开关被触发，控制器接收到限位微动开关被触发的信号。

S8、向电机驱动模块发送停止信号。

以上步骤S1-S8完成载物箱一个循环的物资投放过程。

在一优选实施方式中，本申请的启动微动开关、停止微动开关以及限位微动开关分别安装在第二支撑部的下边缘。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将申请的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本申请的保护范围。