基于無(wú)人飛行器的輕小特種設(shè)備吊裝模型研究

朱一凡 楊大利 高銘

摘 要：輕小特種設(shè)備在無(wú)人飛行器所執(zhí)行的任務(wù)中發(fā)揮著重要作用。根據(jù)無(wú)人飛行器執(zhí)行輕小物體的吊裝作業(yè)中所遇到的情況，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的自動(dòng)應(yīng)對(duì)方案，研究了特種設(shè)備與飛行器端和地面控制端相互控制關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了拖曳吊裝和機(jī)械臂吊裝兩種吊裝模型。

關(guān)鍵詞：輕小設(shè)備吊裝；無(wú)人飛行器；模型設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

隨著我國(guó)無(wú)人飛行器市場(chǎng)的持續(xù)增長(zhǎng)，大量傳統(tǒng)行業(yè)開(kāi)始引入無(wú)人飛行器以降低作業(yè)成本和增加作業(yè)精度。在進(jìn)行多種無(wú)人飛行器作業(yè)中，由無(wú)人飛行器加載特種設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、航拍監(jiān)測(cè)、物品投放等用途較為常見(jiàn)。當(dāng)前特種設(shè)備吊裝一般使用平臺(tái)托載或者機(jī)械臂吊裝。上述方法可以有效地保證運(yùn)載設(shè)備的平穩(wěn)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮?jiǎn)單，但是在一些特殊要求下，需要將特種設(shè)備放置在遠(yuǎn)離飛行器平臺(tái)本身的空中進(jìn)行作業(yè)（如空氣成分監(jiān)測(cè)、火災(zāi)設(shè)備投放等）。遠(yuǎn)離飛行器平臺(tái)使用特種設(shè)備意味著特種設(shè)備不能再適用飛行器平臺(tái)的一些參數(shù)（如地面絕對(duì)高度、GPS參數(shù)等），因此建立自我應(yīng)急規(guī)避系統(tǒng)和穩(wěn)定數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)是十分必要的。

本文通過(guò)研究分析了拖曳吊艙和機(jī)械臂吊艙兩種吊裝模式設(shè)計(jì)了一套環(huán)境自動(dòng)應(yīng)對(duì)方案，以及研究了設(shè)備本身、飛行器平臺(tái)以及地面控制端三者之間的控制優(yōu)先關(guān)系。最后對(duì)上述兩種方案進(jìn)行了部分模擬，驗(yàn)證了本文的觀點(diǎn)。

2 自動(dòng)環(huán)境應(yīng)對(duì)方案

2.1 拖曳式吊艙

在拖曳式吊艙使用過(guò)程中，由于吊艙據(jù)飛行器平臺(tái)本身距離較遠(yuǎn)，且由于繩纜連接導(dǎo)致了吊艙本身的運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定因此導(dǎo)致了操作過(guò)程中失誤引起的繩纜纏繞、吊艙碰撞以及單一設(shè)備故障導(dǎo)致吊艙無(wú)法收回等技術(shù)性問(wèn)題，進(jìn)而引發(fā)特種設(shè)備損壞乃至飛行器墜毀事故。因此設(shè)計(jì)吊艙自動(dòng)環(huán)境應(yīng)對(duì)系統(tǒng)可以有效改善飛行器安全性能。

2.1.1 裝置設(shè)計(jì)

如圖1所示，裝置底部安裝測(cè)距雷達(dá)、側(cè)部安裝GPS模塊、頂部線纜連接處安裝一臺(tái)Arduino單片機(jī)，繩纜與數(shù)據(jù)線纜纏繞使用，其中數(shù)據(jù)線纜通過(guò)延長(zhǎng)布線不受較大拉伸力。將數(shù)據(jù)線纜接口、GPS的I/O接口和測(cè)距雷達(dá)的I/O接口接入單片機(jī)，供電可以選擇數(shù)據(jù)線纜供電或在吊艙加裝電池。

2.2 整體式吊艙

將所需吊裝的設(shè)備固定在吊艙中，吊艙與機(jī)身使用剛性連接。這樣的設(shè)計(jì)雖然可以讓吊艙與飛機(jī)成為一個(gè)整體，方便進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，但是飛機(jī)在飛行過(guò)程中的震動(dòng)和抖動(dòng)將傳到到吊艙中的設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備測(cè)量的結(jié)果出現(xiàn)誤差，甚至損壞設(shè)備。因此，在吊艙中加入減震系統(tǒng)是十分必要的。

2.2.1 裝置設(shè)計(jì)

將設(shè)備固定在一個(gè)減震底板上，減震底板與吊艙之間使用減震球連接，防止震動(dòng)對(duì)設(shè)備造成影響

3 設(shè)備控制

為增強(qiáng)設(shè)備適應(yīng)性，吊裝設(shè)備可在樹(shù)莓派的控制下進(jìn)行上升和下降，實(shí)現(xiàn)在不同高度位置進(jìn)行作業(yè)，可以到達(dá)部分無(wú)人機(jī)無(wú)法到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。同時(shí)也保證了無(wú)人機(jī)飛行的安全性，在非作業(yè)時(shí)間內(nèi)將吊繩收起保證無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性。

采用樹(shù)莓派作為控制調(diào)倉(cāng)升降的中央控制器，采用將步進(jìn)電機(jī)上加裝擋板作為線軸。在樹(shù)莓派上定義一個(gè)GPIO口為IN，接收從接收機(jī)處傳來(lái)的信號(hào)，接收機(jī)接收遙控器發(fā)出的控制信號(hào)，并將電平信號(hào)輸出至樹(shù)莓派的GPIO口，當(dāng)次GPIO口電平為高時(shí)判斷為收到遙控器信號(hào)。再定義一個(gè)GPIO口為OUT，當(dāng)樹(shù)莓派收到指令判斷后在此GPIO口上輸出“1”信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)即向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)樹(shù)莓派在此GPIO口上輸出“0”信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)向反方向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)線軸一起旋轉(zhuǎn)，以此來(lái)控制吊繩的收房，從而可以控制調(diào)倉(cāng)的上升和下降。

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種適用于無(wú)人機(jī)的拖曳式吊艙解決方案，通過(guò)此方案可以實(shí)現(xiàn)在無(wú)人機(jī)上拖曳吊艙，并可通過(guò)遙控器控制調(diào)倉(cāng)的升降。既保證了無(wú)人機(jī)飛行的安全穩(wěn)定，又拓展了無(wú)人機(jī)搭載設(shè)備的作業(yè)環(huán)境，從而應(yīng)對(duì)不同環(huán)境的工作要求。設(shè)備在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下已基本實(shí)現(xiàn)所述功能，可隨不同要求控制吊艙的高度，以實(shí)現(xiàn)早無(wú)人機(jī)無(wú)法到達(dá)的地方進(jìn)行工作。

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