一种菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统及控制方法

技术领域

本发明涉及航空工程技术领域，具体涉及一种菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统及控制方法。

背景技术

无人机因为具有巡航时间长，使用成本低、应用场景广泛等优点，近年来受到广泛关注。对于中大型固定翼无人机，起飞方式有利用自身动力起飞、火箭助推弹射起飞等，这些起飞方式主要使用低展弦比结构或者低柔性结构无人机，依靠自身结构的刚性或在地面依靠外部刚体的支撑作用即可实现起飞。而对于菱形布局大展弦比柔性无人机而言，更大的展弦比以及又柔又轻的特点，使得其难以在地面依靠自身结构刚性或者依附外部结构实现起飞并达到飞行稳定态，导致其大规模应用受到限制。

载球发放升空是一种新的无人机发放模式，通过载球吊挂无人机升空，可以全流程实现无人机从静止态到飞行稳定态，而无需使用其它辅助能源，但目前能够查询到的载球发放升空方式，都是将无人机在地面支架上布置好起飞姿态，然后保持起飞姿态，利用载球吊挂升空，当到达设定高度后，切断无人机与载球连接，实现无人机飞行。但对于菱形布局大展弦比柔性无人机来说，由于难以确定可靠支撑点，并且地面支架的经济性和快速起飞便捷性也很差，所以需要采用无地面支架的载球发放升空模式。

发明内容

为实现菱形布局大展弦比柔性无人机无地面支架的载球发放升空方式，本发明提出了一种菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统及控制方法，能够在发放升空过程中合理控制无人机姿态，实现在空中将菱形布局柔性无人机姿态调整至起飞姿态，无需地面支架支撑。

本发明的技术方案为：

所述一种菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统，包括感知-控制中枢、纵向倾转装置和横向倾转装置；

所述感知-控制中枢能够接收或测量菱形布局柔性无人机姿态角、绳索拉力数据；并根据设定的绳索拉力允许范围调整绳索拉力，以及根据设定的菱形布局柔性无人机起飞姿态，通过控制绳索调整菱形布局柔性无人机姿态角；

所述纵向倾转装置包括绳索收放机构、纵向倾转机构、若干滑轮和若干绳索；所述绳索收放机构的第一绳索释放端与第一滑轮连接，所述绳索收放机构固定在吊挂载体上，并受所述感知-控制中枢控制，通过收放所述第一绳索，实现第一滑轮高度变化；所述第一滑轮下端挂接第二滑轮；所述纵向倾转装置中的第三滑轮和第四滑轮分别通过力传感器连接菱形布局柔性无人机机头位置吊点，所述第二滑轮位于第三滑轮和第四滑轮之间；所述纵向倾转装置中的第五滑轮连接菱形布局柔性无人机机尾吊点；所述纵向倾转装置中另有两组滑轮固定在吊挂载体上，且每组滑轮之间具有一个纵向倾转机构；所述纵向倾转装置中的第二绳索依次通过第一组滑轮、第三滑轮、第二滑轮、第四滑轮、第二组滑轮和第五滑轮后，回到第一组滑轮，且所述第一组滑轮以及所述第二组滑轮与所述第五滑轮之间的第二绳索上分别具有力传感器；所述第一组滑轮之间以及所述第二组滑轮之间的纵向倾转机构受所述感知-控制中枢控制，通过同步收放所述第二绳索，调整菱形布局柔性无人机俯仰角；

所述菱形布局柔性无人机机尾位置吊点位于菱形布局柔性无人机纵向对称面上，所述菱形布局柔性无人机机头位置两个吊点相对菱形布局柔性无人机纵向对称面对称；所述第二滑轮中心位于菱形布局柔性无人机纵向对称面上；所述第一组滑轮与所述第二组滑轮相对菱形布局柔性无人机纵向对称面对称；

所述横向倾转装置包括固定在吊挂载体上的第三组滑轮，处于第三组滑轮之间的横向倾转机构以及第三绳索；所述第三绳索穿过第三组滑轮以及横向倾转机构后，两端分别与所述菱形布局柔性无人机机翼外端吊点固定连接；所述横向倾转机构受所述感知-控制中枢控制，通过收放所述第三绳索，调整菱形布局柔性无人机滚转角；所述第三组滑轮与所述菱形布局柔性无人机机翼外端吊点之间的第三绳索上分别具有力传感器；

所述感知-控制中枢固定在吊挂载体上，且处于菱形布局柔性无人机纵向对称面上。

进一步的，所述绳索采用超高分子量材料，所述绳索直径为20mm。

进一步的，所述倾转机构由安装板、绕线盘、2组排揽机构、齿轮组、蜗轮蜗杆减速机构、伺服电机，行星齿轮减速机构组成，通过伺服电机驱动齿轮组的正反转运动，带动排揽机构调整空间位置，使得绳索始终搭在光轴导轨上，在绕线盘上收放绳索时，绳索受力方向始终与绕线盘轴线方向垂直；所述倾转机构实现菱形布局柔性无人机的俯仰倾转或滚转倾转；

所述绳索收放机构由安装板、绕线盘、1组排揽机构、齿轮组、蜗轮蜗杆减速机构、伺服电机，行星齿轮减速机构组成，通过伺服电机驱动齿轮组的正反转运动，带动排揽机构调整空间位置，使得绳索始终搭在光轴导轨上，在绕线盘上收放绳索时，绳索受力方向始终与绕线盘轴线方向垂直；所述绳索收放机构实现所述第二绳索张力分配。

进一步的，所述绕线盘的绕线直径由200mm到150mm变化，实现绕线直径的前大后小特征，绕线时从小径起绕至大径，实现绕线速度的调控。

进一步的，所述排揽机构由滚珠丝杆、光轴导轨、连接机构、齿轮构成，所述滚珠丝杆通过齿轮带动实现正反向旋转，进一步通过连接机构带动光轴导轨动态调整自身空间位置，以使得绳索始终搭在光轴导轨上，实现在绕线盘上收放绳索过程中，绳索受力方向始终与绕线盘轴线方向垂直，以避免绳索在收放过程中的交叉重叠。所述排揽机构中滚珠丝杆为3模48齿，滚珠丝杆外径为20mm，导程15mm；所述排揽机构中光轴直径不大于16mm。

进一步的，所述伺服电机输出不低于3N.m，额定电压220V，转速3000rpm，所述伺服电机具备RS-232数据通讯接口。

进一步的，所述行星齿轮减速机构效率不低于90％，输出扭矩20N.m，转速500rpm；所述蜗轮蜗杆减速器额定扭矩要求不低于200N.m，减速比1:30，转速30rpm，效果要求不低于70％。

进一步的，所述齿轮组减速比为1:3，最大输出不低于400N.m，转速15rpm，其中大齿轮为4模36齿，小齿轮3模30齿。

进一步的，所述安装板材料为合金，内部作镂空处理，实现轻量化。

利用上述吊挂倾转系统实现菱形布局柔性无人机载球发放升空时的姿态控制方法，所述的控制方法采用PID控制方法，以倾转机构和绳索收放机构作为整个控制系统的执行机构，绳索上的力传感器和菱形布局柔性无人机姿态角度传感器作为测量元件提供反馈，在感知-控制中枢中加入比例调节系统、积分调节系统和微分调节系统。载球带动菱形布局柔性无人机以0度俯仰角和0度滚转角姿态起飞，当达到设定高度后，以设定目标姿态信息(-75度俯仰角和0度滚转角)作为输入，系统控制后的真实姿态信息作为输出反馈，实现通过控制绳索调整菱形布局柔性无人机姿态角。

有益效果

本发明提出的菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统及控制方法，针对菱形布局大展弦比柔性无人机又柔又轻特点，通过感知-控制中枢控制吊挂倾转系统各机构协同作业，通过绳索收放实现多点吊装升空时的姿态控制，并在全过程给菱形布局柔性无人机系统平台合理的动力学约束，从而将菱形布局大展弦比柔性无人机安全稳定的带入临近空间并按照设计的姿态完成释放分离。该吊挂倾转系统具有通用性强，成本低特点，为菱形布局柔性太阳能无人机载球发放升空提供了一种可靠性高、实用价值高的姿态控制解决方案。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统处于倾转状态时的三维示意图；

图2是菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统前后绳索连接示意图；

图3是菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统前吊点绳索连接示意图；

图4是菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统后吊点绳索连接示意图；

图5是菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统左右吊点绳索连接示意图；

图6是菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统中倾转机构轴测图；

图7是菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统中倾转机构俯视图；

图8是菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统中绳索收放机构轴测图；

图9是菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统中绳索收放机构俯视图；

图10是菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统中姿态控制示意图。

图中：1、倾转机构；2、感知-控制中枢；3、绳索收放机构；4、绳索；5、齿轮；6、无人机；7：拉力传感器；8、无人机吊点；9、绕线盘；10-A，10-B、排揽机构；11、齿轮；12、蜗轮蜗杆减速机构；13、伺服电机；14、行星齿轮减速机构。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本实施例主要针对菱形布局大展弦比柔性无人机无地面支架的载球发放升空的需求，提出了一种菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统及控制方法，通过吊挂倾转系统实现载球与无人机的连接，并且吊挂倾转系统能够控制无人机在发放升空过程中的姿态，实现在空中将菱形布局柔性无人机姿态调整至起飞姿态，无需地面支架支撑。

如图1所示，所述一种菱形布局柔性无人机吊挂倾转系统，包括感知-控制中枢、纵向倾转装置和横向倾转装置；

所述感知-控制中枢固定在吊挂载体上，且处于菱形布局柔性无人机纵向对称面上。所述感知-控制中枢能够接收或测量菱形布局柔性无人机姿态角、绳索拉力数据；并根据设定的绳索拉力允许范围调整绳索拉力，以及根据设定的菱形布局柔性无人机起飞姿态，通过控制绳索调整菱形布局柔性无人机姿态角。

所述纵向倾转装置包括绳索收放机构、纵向倾转机构、若干滑轮和若干绳索。如图1和图3所示，所述绳索收放机构的第一绳索释放端与第一滑轮连接，所述绳索收放机构固定在吊挂载体上，并受所述感知-控制中枢控制，通过收放所述第一绳索，实现第一滑轮高度变化；所述第一滑轮下端挂接第二滑轮；所述纵向倾转装置中的第三滑轮和第四滑轮分别通过力传感器连接菱形布局柔性无人机机头位置吊点，所述第二滑轮位于第三滑轮和第四滑轮之间。

如图1和图4所示，所述纵向倾转装置中的第五滑轮连接菱形布局柔性无人机机尾位置吊点；所述纵向倾转装置中另有两组滑轮固定在吊挂载体上，且每组滑轮之间具有一个纵向倾转机构；所述纵向倾转装置中的第二绳索依次通过第一组滑轮、第三滑轮、第二滑轮、第四滑轮、第二组滑轮和第五滑轮后，回到第一组滑轮，且所述第一组滑轮以及所述第二组滑轮与所述第五滑轮之间的第二绳索上分别具有力传感器；所述第一组滑轮之间以及所述第二组滑轮之间的纵向倾转机构受所述感知-控制中枢控制，通过同步收放所述第二绳索，调整菱形布局柔性无人机俯仰角。

所述菱形布局柔性无人机机尾位置吊点位于菱形布局柔性无人机纵向对称面上，所述菱形布局柔性无人机机头位置两个吊点相对菱形布局柔性无人机纵向对称面对称；所述第二滑轮中心位于菱形布局柔性无人机纵向对称面上；所述第一组滑轮与所述第二组滑轮相对菱形布局柔性无人机纵向对称面对称。

如图1和图5所示，所述横向倾转装置包括固定在吊挂载体上的第三组滑轮，处于第三组滑轮之间的横向倾转机构以及第三绳索；所述第三绳索穿过第三组滑轮以及横向倾转机构后，两端分别与所述菱形布局柔性无人机机翼外端吊点固定连接；所述横向倾转机构受所述感知-控制中枢控制，通过收放所述第三绳索，调整菱形布局柔性无人机滚转角；所述第三组滑轮与所述菱形布局柔性无人机机翼外端吊点之间的第三绳索上分别具有力传感器。

所述绳索采用具有超高分子量材料，具有强度高、轻量化特征。所述绳索直径为20mm，根据0度起吊和75度倾转状态前后绳长几何关系，第一绳索长度设置为15米，且无人机前后以及左右所连接的绳索关系为“绳索一体，此长彼短”，即控制俯仰方向的第二绳索为整根绳索，控制滚转方向的第三绳索为整个绳索。

所述倾转机构由安装板、绕线盘、2组排揽机构、齿轮组、蜗轮蜗杆减速机构、伺服电机，行星齿轮减速机构组成，能够实现菱形布局柔性无人机倾转过程中的前/后/左/右侧绳索收放，即通过齿轮组的正反转运动，带动排揽机构调整空间位置，使得绳索始终搭在光轴导轨上，在绕线盘上收放过程绳索受力方向始终与绕线盘轴线方向垂直，并进一步可以实现所连接绳索的相反两个方向的“此长彼短”，实现菱形布局柔性无人机的俯仰倾转和/或滚转倾转。

所述绳索收放机构由安装板、绕线盘、排揽机构、齿轮组、蜗轮蜗杆减速机构、伺服电机，行星齿轮减速机构组成；所述绳索收放机构通过正反向旋转运动，实现所述第二绳索张力的合理分配。

所述倾转机构具有两个排揽机构，是因为其需要根据相反两个方向(前/后，左/右)的拉力传感器的反馈来调整自身位置，从而使得两个方向绳索受力方向始终与绕线盘轴向垂直。而绳索收放机构仅连接前一侧(前侧)绳索，仅需要调整前侧绳索受力方向与绕线盘轴向垂直即可。

所述倾转机构只负责实现整根绳索在相反两个方向的“此长彼短”，而绳索收放机构则负责实现绳索张力达到最佳张力状态。

所述绕线盘的绕线直径由200mm到150mm变化，实现绕线直径的前大后小特征，绕线时从小径起绕至大径，实现绕线速度的调控。

所述排揽机构由滚珠丝杆、光轴导轨、连接机构、齿轮构成，所述滚珠丝杆通过齿轮带动实现正反向旋转，进一步通过连接机构带动光轴导轨动态调整自身空间位置，以使得绳索始终搭在光轴导轨上，实现在绕线盘上收放绳索过程中，绳索受力方向始终与绕线盘轴线方向垂直，以避免绳索在收放过程中的交叉重叠。所述排揽机构中滚珠丝杆为3模48齿，滚珠丝杆外径为20mm，导程15mm；所述排揽机构中光轴选用2根，直径不大于16mm。

所述伺服电机输出不低于3N.m，额定电压220V，转速3000rpm，所述伺服电机具备RS-232数据通讯接口。

所述行星齿轮减速机构效率不低于90％，输出扭矩20N.m，转速500rpm；所述蜗轮蜗杆减速器额定扭矩要求不低于200N.m，减速比1:30，转速30rpm，效果要求不低于70％。

所述齿轮组减速比为1:3，最大输出不低于400N.m，转速15rpm，其中大齿轮为4模36齿，小齿轮3模30齿。

所述安装板材料为合金，内部作镂空处理，实现轻量化。

所述的控制方法采用PID控制方法，以倾转机构和绳索收放机构作为整个控制系统的执行机构，绳索上的力传感器和菱形布局柔性无人机姿态角度传感器作为测量元件提供反馈，在感知-控制中枢中加入比例调节系统、积分调节系统和微分调节系统。载球带动菱形布局柔性无人机以0度俯仰角和0度滚转角姿态起飞，当达到设定高度后，以设定目标姿态信息(-75度俯仰角和0度滚转角)作为输入，系统控制后的真实姿态信息作为输出反馈，实现通过控制绳索调整菱形布局柔性无人机姿态角。

本实施例提供了一种柔性太阳能无人机吊挂倾转系统，该吊挂倾转系统能够针对柔性无人机又柔又轻特点，通过感知-控制中枢控制吊挂倾转装置各机构协同作业，实现绳索的收放，从而实现多点吊装升空时的姿态控制，并在全过程给下级无人机系统平台合理的动力学约束，从而将菱形布局柔性无人机安全稳定的带入临近空间并按照设计的姿态完成释放分离。该吊挂倾转系统具有通用性强，成本低特点，为大展弦比柔性无人机载球发放升空提供了一种可靠性高、实用价值高的姿态控制解决方案。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。