一种无人机自主空中加油的输油软管测量控制装置和方法

技术领域

本发明属于无人机加油技术领域，具体涉及一种无人机自主空中加油的输油软管测量控制装置和方法。

背景技术

随着科技的高速发展，人们将视线越来越集中在无人机的应用中。无人机因其体积小、机动性能高、操作简单、应用范围广、成本低等特点，无论是民用还是军用都有很大的需求缺口。在传统的无人机航行过程中，其燃油消耗完毕之前，无人机就必须降落来补充燃油，这对于长距离航行任务以及特殊任务执行都是一个很大的障碍。随着航空技术的不断发展，空中加油技术应运而生。空中加油技术能极大地增加飞行器的航行里程与航行时间。目前空中加油技术分为软管锥套式和伸缩套管式两种。其中软管锥套式加油方式因其安全性能高、无需单独操作人员等特点而备受关注。与此同时，其缺点也尤为明显，对空气乱流极其敏感、对加油机操作人员技术要求高。而在无人机自主空中加油情形下，这些缺点就更加难以克服，所以在无人机自主空中加油就对加油设备提出了以下的任务需求：

(1)锥套的位置可测量

传统的软管锥套式加油对空气乱流敏感，当受油机探针与加油机锥套对接时，锥套会发生无规律的乱摆，这就极大地提高了对接时难度。尤其在无人机自主空中加油过程中，受油机为无人机，没有操作人员，这些困难就尤为突出，产生这些困难的原因是锥套的位置不是实时可测的。

(2)输油软管张力可测量、可控制

无人机自主空中加油中输油软管由软管卷轴装置来控制软管的放出与收回，在加油过程开始时，锥套被弹出加油吊舱，在空气气流以及加油锥套后端伞面的作用下，软管从软管卷轴装置中被拖出。在软管收回过程中，软管卷轴装置的卷轴在电机的控制下向反方向旋转来收回输油软管。研究表明：在受油机探针与加油机锥套接触那一时刻，软管会因为探针的突然接触，整个软管的张力会突然变化，此时就会发生软管的“甩鞭”现象，轻则导致加油失败，重则危机加油机操作人员生命安全；以较小的加速度对软管进行放出与收回时，基本不影响软管-锥套的稳定形态。通过这些分析可知，这就需要我们对软管张力是可以测量的、可以控制的。才能确保任务的安全执行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种无人机自主空中加油的输油软管测量控制装置和方法；以解决现有技术中，无人机加油过程中锥套位置不能实时测量，软管张力难以测量和控制的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种无人机自主空中加油的输油软管测量控制装置，其特征在于，包括依次排列设置的框架、张力传感器和卷轴；

所述框架两个相邻侧边外部分别设置有第一旋转编码器和第二旋转编码器，所述框架的内部设置第一半圆环和第二半圆环，所述第一半圆环的一端和第一旋转编码器的测量轴旋转连接，所述第二半圆环的一端和第二旋转编码器的测量轴旋转连接；第一半圆环两端的连线和第二半圆环两端的连线相互垂直；

所述卷轴连接有电机；

测量并控制时，软管穿过第一半圆环和第二半圆环后，软管和张力传感器接触，软管缠绕在卷轴上。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述第一半圆环和第二半圆环上沿各自的周向均开设有弧形槽。

优选的，所述第一半圆环的另一端旋转连接有第一转轴，第一转轴通过第一轴承和框架连接；所述第二半圆环的另一端旋转连接有第二转轴，第二转轴通过第二轴承和框架连接。

优选的，所述第一半圆环和第二半圆环向一个方向凸出。

优选的，所述框架中设置有支撑板，所述支撑板设置在两个半圆环的凹陷一侧；所述支撑板上设置有软管出口，所述软管出口的轴线和框架的轴线重合。

优选的，所述张力传感器固定设置在安装块上。

优选的，所述电机的动力输出轴和卷轴的一端连接；所述电机的动力输出轴和卷轴同轴线。

优选的，所述电机的动力输出轴安装在拱形安装板中。

优选的，所述框架、张力传感器和卷轴均固定设置在安装板上。

一种基于上述装置的无人机自主空中加油的输油软管测量控制方法，软管摆动时，第一半圆环和第二半圆环跟随转动，通过第一旋转编码器测量第一半圆环相对于第一基准平面的转动角度，通过第二旋转编码器测量第二半圆环相对于第二基准平面的转动角度，将这两个角度传递至计算机；

通过张力传感器的槽轮测量出软管的张力并传递至计算机，计算机发送指令至电机，电机带动转轴转动，通过卷轴的转动控制软管的收放，进而控制软管的张力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种无人机自主空中加油的输油软管测量控制装置和方法，该测量控装置通过框架内的两个半圆环及其对应的旋转编码器，能够无视觉测量系统情况下。通过机械结构之间的运动来确定软管在空中加油过程中的角度，进而确定加油锥套所在空间的位置。相比于现有的视觉测量系统确定锥套位置，具有成本低、软件开销小、测量准确和可靠性高等特性。通过张力传感器，能够实时测得在空中加油过程中软管张力的实时值，更加准确地确定在加油过程中的软管的张力变化，再结合软管卷轴模块对软管进行放出与收回来控制张力不会发生突然变化，以此来抑制软管“甩鞭”现象的发生，确保安全性。该装置在人机自主空中加油情形下，可对输油软管张力测量，输油软管摆动角度测量及可以对输油软管进行放出、收回。能够满足无人机自主空中加油过程中对锥套位置的测量以及对软管“甩鞭”现象的抑制等需要，整体结构简单、紧凑，无需很大的空间安装，而且维护成本低。这些特性在实际应用中是很有必要的。

进一步的，两个半圆环上均开设有弧形槽，通过弧形槽的设置，使得软管在移动过程中能够减少半圆环给予的摩擦。

进一步的，每一个半圆环的另一端通过转轴和轴承与框架连接，使得半圆环能够相对于框架转动。

进一步的，两个半圆环朝一个方向凸出，使得框架的另一部分能够放置支撑板。

进一步的，张力传感器设置在安装块上，使得张力传感器的高度高于后面的卷轴高度。

进一步的，给卷轴输出动力的电机动力输出轴通过拱形安装板固定。

进一步的，三个主体结构均安装在安装板上，整个测量控制装置易于转移，安装板能够稳定三个主体结构。

附图说明

图1为软管摆动角度模块示意图。

图2为软管张力测量模块示意图。

图3为软管卷轴模块示意图。

图4为一种无人机自主空中加油的输油软管测量控制装置和方法整体结构示意图。

其中：1-框架-、2-第一旋转编码器、3-第二旋转编码器、4-第一半圆环、5-第二半圆环、6-第一转轴、7-第二转轴、8-第一轴承、9-第二轴承、10-软管出口、11-张力传感器、12-安装块、13-螺钉、14-步进电机、15-拱形安装板、16-卷轴、17-软管、18-安装平台；19-支撑板；20-弧形槽；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开了一种无人机自主空中加油的输油软管测量控制装置和方法，本发明所采用的装置方案分为三个依次设置的部分，软管摆动角度测量模块、软管张力测量模块和软管卷轴模块；三个模块分别能够测量无人机自空中加油过程中锥套的位置、测量输油软管在空中加油过程中的张力，可通过软管卷轴装置对软管张力进行控制。

具体的，参见图1，本发明软管摆动角度测量模块组成包括框架1、第一半圆环4、第二半圆环5、第一旋转编码器2、第二旋转编码器3、软管出口10、第一转轴6、第二转轴7、第一轴承8、第二轴承9。

该模块实现的功能是对输油软管在空中的摆动角度进行测量。框架1用于支撑所有结构，为由四个边组成的四边形框型结构；第一旋转编码器2和第二旋转编码器3能够测量第一半圆环4和第二半圆环5在两个相正交平面内摆动的角度，第一旋转编码器2和第二旋转编码器3均设置框架1的外端面上，第一旋转编码器2的测量轴穿过框架1的一个边，和第一半圆环4的一端旋转连接，第二旋转编码器2的测量轴穿过框架1的一个边，和第二半圆环5的一端旋转连接。框架1上还设置有第一转轴6和第二转轴7，第一轴承8和第二轴承9分别用于支撑第一转轴6和第二转轴7，第一转轴6通过第一轴承8设置在和第一旋转编码器2相对的边上，第二转轴7通过第二轴承9设置在和第二旋转编码器3相对的边上，第一转轴6和第一半圆环4的另一端旋转连接，第二转轴7和第二半圆环5的另一端旋转连接；第一半圆环4和第二半圆环5用于捕获软管在两个相正交平面内角度，第一半圆环4的轴线和第二半圆环5的轴线垂直设置，第一半圆环4的轴线和框架1的一个中心线重合，第二半圆环5和框架1的另一个中心线重合。第一半圆环4和第二半圆环5上沿其周向均开设有弧形槽20，两个弧形槽20使得软管17能够穿过。第一半圆环4和第二半圆环5的凸出方向相同，均朝向框架1轴线的一个方向。框架1在其上设置有支撑板19，支撑板19的两端分别和框架1的两个对角连接，支撑板19设置在第一半圆环4和第二半圆环5的凹陷的一侧。支撑板19的中心位置开设有软管出口10，软管出口10的轴线和框架1的轴线重合，软管出口10用于固定软管17，保证软管17与第一半圆环4、第二半圆环5的旋转位于一个平面内；整个软管摆动角度测量模块通过底座的八个螺纹孔用螺栓螺母固定在安装平台18上。

参见图2，本发明软管张力测量模块组成包括张力传感器11和安装块12。

该模块的功能用于测量软管在摆动过程中张力的实时值。张力传感器11用于测量软管的张力，张力传感器11；安装块12用于将张力传感器11固定在安装平台18上，安装块12与张力传感器11的连接通过四个螺钉13。安装块12的底部也有螺纹孔，用于安装块12与安装平台18固定。

参见图3，本发明软管卷轴模块组成包括电机14、卷轴16和拱形安装板15。电机14的动力输出轴和卷轴16的一端连接，用于控制卷轴16的正反转以实现软管17的放出与收回，电机14通过底部的螺纹孔与安装平台18固定在一起；卷轴16通过D字口与步进电机输出D字轴相连接来固定，卷轴16用于缠绕软管，拱形安装板15用于支撑步进电机14的动力输出轴，拱形安装板15套装在电机14动力输出轴上，拱形安装板15通过过盈配合与电机14的动力输出轴连接，用于确保电机14和卷轴16位于一个水平面上。整个软管卷轴模块一端通过电机14的螺纹固定在安装平台18上，另一端通过拱形安装板15用卡槽卡在安装平台18上。优选的，电机14为步进电机。

本发明的工作过程：

如图1所示，是软管摆动角度示意图。软管17从此模块的软管出口10导出，在无人机自主空中加油过程中，随着锥套的运动带动软管的摆动，第一半圆环4与第二半圆环5在第一转轴6、第二转轴7、第一轴承8、第二轴承9固定支撑作用下捕获软管相对于两个相正交的平面的摆动角度，此时第一旋转编码器2与第二旋转编码器3同时测量这两个角度的大小。

如图2所示，是软管张力测量模块示意图。软管17从软管卷轴模块传输过来，通过张力传感器11的槽轮，此时软管对张力传感器11的槽轮是挤压的，通过这个挤压，测得软管此时的张力。安装块12的作用在于，确保张力传感器11中槽轮和软管17接触的作用点与软管摆动角度测量模块的软管出口10的中心位于同一水平直线上，同时确保张力传感器11与软管摆动角度测量模块的正常工作。

如图3所示，是软管卷轴模块示意图。软管17缠绕在卷轴16的工作区间内，当接收到了指令，步进电机14实现精确的正反转运动，带动卷轴16同样进行正反转运动，以此来对软管进行放出与收回，以此对软管张力进行合理地控制，抑制软管张力发生突变，造成危险。拱形安装版15用于支撑步进电机14与卷轴16，确保步进电机与卷轴16保持水平，确保此模块的正常工作。

如图4所示，是一种无人机自主空中加油的输油软管测量控制装置和方法整体结构示意图。三个模块均安装在安装平台18上，在图中，由左至右依次是软管摆动角度测量模块、软管张力测量模块和软管卷轴模块。无人机自主空中加油任务正常执行时，软管17一端连接着加油机的油箱设备，输油软管再连接在图中从右至左的软管卷轴模块的卷轴16上，卷轴16缠绕收纳输油软管。卷轴16的最高点低于张力传感器11槽轮的最高点，进一步的，二者最高点之间的距离大于软管17的直径，该结构用于软管在卷轴16与张力传感器槽轮之间传输时，确保单轮的张力传感器能够测得正确的软管张力值。软管17通过软管张力测量模块后，软管在水平地通过软管摆动角度测量模块的软管出口10，在与第一半圆环4、第二半圆环5相切且通过两半圆环相交的槽口处，确保软管摆动角度测量模块的正常工作。当软管通过软管摆动角度测量模块后，软管的另一端连接着加油锥套。

正常无人机自主空中加油任务执行时，通过软管摆动角度测量模块获得软管在两个相互正交平面内的转动角度，将这两个转动角度，传输给控制计算机，通过数学变化与已知软管的长度时，可以解算出加油锥套的空间位置；软管张力测量模块，测得软管张力实时值，传输给控制计算机，来监视张力的值；软管卷轴模块步进电机，收到控制计算机的指令，实施电机的正反转运动，来控制软管的放出与收回，以此来搭配软管张力测量模块，对张力实施一个闭环控制，预防危险事故的发生。

上述相互两个相互正交平面为两个基准平面，两个基准平面相互正交，且均通过软管出口10，以软管出口10作为坐标原点，测量软管摆动角度。优选的，两个基准平面为均垂直于支撑板19的平面，设定第二基准平面通过框架1的横向中心线，第一基准平面通过框架1的纵向中心线；第一旋转编码器2测量第一半圆环4相对于第一基准平面的转动角度，第二编码器3测量第二半圆环5相对于第二基准平面的转动角度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。