一種車載無人機(jī)巢的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

徐國(guó)太，張鳳濤，王向宇，魏銘辰，李福根

(長(zhǎng)春師范大學(xué) 工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130032)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，無人機(jī)的功能變得多樣化。在日常的使用及運(yùn)輸過程中,無人機(jī)內(nèi)部許多細(xì)小零件容易發(fā)生損壞。由于對(duì)無人機(jī)零件材料的要求很高，維修成本很大，因此需要一個(gè)保護(hù)無人機(jī)的裝置——無人機(jī)巢。該裝置既能避免無人機(jī)在非工作環(huán)境下受到損傷，又能對(duì)無人機(jī)進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)的傳輸，并且還能對(duì)無人機(jī)進(jìn)行智能充電，使得無人機(jī)能夠持續(xù)性工作，保證無人機(jī)的續(xù)航能力。因此，本文以車載無人機(jī)巢為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種車載無人機(jī)巢機(jī)電系統(tǒng)。

1 車載無人機(jī)巢設(shè)計(jì)方案

本文所研究的車載無人機(jī)巢，適合安裝在HAVAL-H6型汽車的行李架上。其整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，它主要由傳動(dòng)裝置、停機(jī)坪、感應(yīng)裝置、控制裝置、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)巢腔體等一系列組件組成。操作者可以通過手機(jī)APP來控制車載無人機(jī)巢執(zhí)行相關(guān)命令，例如無人機(jī)的放飛與回收等操作，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巢的自動(dòng)化、智能化。

圖1 車載無人機(jī)巢整體設(shè)計(jì)方案

該車載無人機(jī)巢外觀如圖2所示，主要用于收納GT5型無人機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)GT5型無人機(jī)在停機(jī)坪上手動(dòng)起飛、自動(dòng)降落的功能。當(dāng)需要將無人機(jī)從無人機(jī)巢中取出時(shí)，有兩種可用方法，一種是手動(dòng)控制，一種是遙控控制。手動(dòng)時(shí)操作者用手動(dòng)方式打開艙蓋，拉出停機(jī)坪，從而取出無人機(jī)。遙控控制時(shí)可利用手機(jī)的APP通過藍(lán)牙連接，點(diǎn)擊打開艙蓋，伸出停機(jī)坪，取出無人機(jī)。無人機(jī)因受電池壽命影響，不能長(zhǎng)久工作，需要人工更換電池，極大地降低了其工作效率[1]。但車載無人機(jī)巢可以通過車上的供電系統(tǒng)為無人機(jī)巢提供電能，同時(shí)給無人機(jī)電池進(jìn)行充電，提高了工作效率。同時(shí)手機(jī)APP也能實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的各項(xiàng)狀態(tài)。圖3為該無人機(jī)巢的關(guān)鍵零部件。

圖2 車載無人機(jī)巢

圖3 無人機(jī)巢的關(guān)鍵零部件

2 車載無人機(jī)巢工作原理分析

該車載無人機(jī)巢的工作過程分為兩部分，一為回收過程，二為起飛過程，其整體控制過程如圖4所示。

圖4 車載無人機(jī)巢控制流程圖

2.1 無人機(jī)回收過程

當(dāng)無人機(jī)飛到回收地點(diǎn)時(shí)，無人機(jī)巢的電機(jī)1、2運(yùn)作，上蓋開始向后移動(dòng)，同時(shí)停機(jī)坪也向前移動(dòng)。然后無人機(jī)識(shí)別停機(jī)坪的方位，根據(jù)降落標(biāo)識(shí)無人機(jī)停在停機(jī)坪上，接著驅(qū)使電機(jī)使停機(jī)坪上的固定裝置啟動(dòng)，電機(jī)1、2運(yùn)作，上蓋與停機(jī)坪同時(shí)向相反方向開始滑動(dòng)閉合，無人機(jī)回到無人機(jī)巢內(nèi)。

2.2 無人機(jī)起飛過程

無人機(jī)巢的控制系統(tǒng)控制無人機(jī)巢內(nèi)部的兩個(gè)電機(jī)工作，使得上蓋和停機(jī)坪往相反方向運(yùn)動(dòng)，從而打開無人機(jī)巢。之后停機(jī)坪上的固定裝置開始運(yùn)動(dòng)，向停機(jī)坪四周推動(dòng)，并且給無人機(jī)發(fā)送準(zhǔn)備起飛的信號(hào)。無人機(jī)起飛后，電機(jī)運(yùn)作，停機(jī)坪和上蓋收回，停機(jī)坪回收至無人機(jī)巢中。

3 無人機(jī)巢傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

系統(tǒng)中存在兩個(gè)導(dǎo)軌，艙蓋和停機(jī)坪均需通過導(dǎo)軌進(jìn)行平移。由于系統(tǒng)對(duì)工作效率有嚴(yán)格要求，包括艙蓋打開不得高于30 s，停機(jī)坪出艙不得高于10 s，因此需對(duì)絲杠導(dǎo)程和電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算和選擇。

3.1 絲杠導(dǎo)程計(jì)算

滾珠絲杠是實(shí)現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的重要部件,一般由絲杠、螺母、滾珠和回珠器等構(gòu)成,其傳動(dòng)具有平穩(wěn)、效率高、精度高、負(fù)載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[2]。根據(jù)要求選擇滾珠絲杠。

滾珠絲杠導(dǎo)程的計(jì)算公式為：

(1)

其中：P為絲杠的單位導(dǎo)程；vmax為停機(jī)坪最高移動(dòng)速度，vmax=0.5 m/s；nmax為電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，nmax=315 r/min；i為電機(jī)與絲杠之間的傳動(dòng)比，i=8(設(shè)用一級(jí)減速齒輪聯(lián)接)。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)計(jì)算可得P=12 mm/r。

3.2 電機(jī)的選擇

艙蓋打開的位移一共是1 700 mm，按照要求需在30 s內(nèi)完全打開。選擇帶額定負(fù)載后輸出為n=300 r/min=5 r/s的直流減速電機(jī)。此時(shí)艙蓋打開所需的時(shí)間T1為：

(2)

其中：S1為艙蓋達(dá)到既定位置的位移,S1=1 700 mm；n為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速,n=5 r/s。將相關(guān)參數(shù)代入式(2)計(jì)算可得T1≈28.33 s。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置，艙蓋打開時(shí)間不得超出30 s，可以滿足要求。

停機(jī)坪移動(dòng)的位移S2一共為550 mm，按照要求在10 s內(nèi)移出機(jī)艙。若也選擇12 mm導(dǎo)程的絲杠、n=300 r/min=5 r/s的直流減速電機(jī)，停機(jī)坪達(dá)到工作位置時(shí)所需要的時(shí)間T2為：

因此機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的兩個(gè)導(dǎo)軌均選擇了直徑為20 mm、導(dǎo)程為12 mm的絲杠，絲杠與直流減速電機(jī)通過聯(lián)軸器直接相連，帶載后輸出為300 r/min，并在導(dǎo)軌的起點(diǎn)和終點(diǎn)處均設(shè)置了限位傳感器，為控制電路提供信息反饋。

4 無人機(jī)巢控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的任務(wù)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)1完成機(jī)艙的運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)2完成停機(jī)坪的移動(dòng)。利用壓力傳感器判斷無人機(jī)是否降落在停機(jī)坪上, 配合電磁吸盤和電磁鎖扣使無人機(jī)固定在停機(jī)坪上面, 可以防止無人機(jī)在充電時(shí)意外起飛[3]；識(shí)別限位傳感器判斷電機(jī)運(yùn)動(dòng)的極限位置，識(shí)別條形碼判斷無人機(jī)的型號(hào)，驅(qū)動(dòng)藍(lán)牙模塊接收手機(jī)端的控制命令等。

以上任務(wù)中，傳感器的識(shí)別均屬于基本的IO輸入操作，驅(qū)動(dòng)電磁吸盤和電磁鎖扣屬于基本的IO輸出操作。因此設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于控制器的選型、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、條形碼識(shí)別及藍(lán)牙模塊的接口設(shè)計(jì)和電源變換電路設(shè)計(jì)四部分。

4.1 控制器的選型

根據(jù)圖1計(jì)算控制系統(tǒng)所需的端口資源，大約需要16個(gè)IO接口，此時(shí)可以選擇STC89C4051或Arduino Uno等單片機(jī)作為控制CPU。這兩款單片機(jī)均可以提供20個(gè)左右的端口資源，鑒于條形碼傳感器、藍(lán)牙模塊需要與單片機(jī)進(jìn)行串口通信，而Arduino Uno自身帶有1組異步串行口，且可通過普通IO和定時(shí)器產(chǎn)生一對(duì)模擬串口，這樣可以滿足控制系統(tǒng)對(duì)串口數(shù)量的需求，且在編程方面相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，存儲(chǔ)指令代碼的空間相對(duì)較大。因此選擇Arduino Uno單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器。

4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

通過對(duì)電機(jī)的計(jì)算可知，系統(tǒng)可選擇DC12V、300 r/min的直流減速電機(jī)，目前市場(chǎng)上JGY-370、JGY-N20、JGB37-520等型號(hào)均可滿足需求，根據(jù)安裝位置、尺寸、負(fù)載扭矩等需求，最終選擇JGB37-520減速電機(jī)，其正常工作時(shí)，工作電流小于1 A，工作電壓有12 V、24 V可選，根據(jù)車載點(diǎn)煙口的電壓應(yīng)選擇12 V款。

直流減速電機(jī)的控制包括啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)三個(gè)方面，為保證驅(qū)動(dòng)芯片可提供的電流達(dá)到電機(jī)正常工作電流的2倍以上，設(shè)計(jì)該驅(qū)動(dòng)電路時(shí)使用了L298N芯片，其工作電壓最高可達(dá)到46 V、電流可達(dá)2 A，具體驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

4.3 條形碼識(shí)別及藍(lán)牙模塊的接口設(shè)計(jì)

條形碼傳感器模塊一般自帶控制CPU，可通過9 600的波特率、8位數(shù)據(jù)位、無校驗(yàn)、1個(gè)停止位的異步通信協(xié)議接收命令和發(fā)送數(shù)據(jù)，而藍(lán)牙模塊也采用相同的幀格式與主控制器通信。在設(shè)計(jì)這兩種傳感器接口時(shí)，將藍(lán)牙模塊接在Arduino Uno的硬串口上，條形碼傳感器接在軟串口上，如圖6所示。

圖6 條形碼識(shí)別及藍(lán)牙接口電路

4.4 電源變換電路

本控制系統(tǒng)電源來自于車載點(diǎn)煙口電壓，即DC12 V。電機(jī)、L298N芯片、電磁鎖扣和電磁吸盤可工作在12 V電壓下，單片機(jī)、壓力傳感器、限位傳感器、藍(lán)牙模塊需要在DC5 V電壓下工作，而條形碼識(shí)別模塊需在DC3.3 V電壓下工作，綜上控制系統(tǒng)共需三種工作電壓。按照消耗功率的大小排列，DC12 V需要為電機(jī)供電消耗功率最大，DC3.3V僅需給條形碼識(shí)別模塊供電，其消耗的功率最小，因此使用LM2596芯片完成DC12 V到DC5 V的降壓變換，使用REG1117芯片完成DC5 V到DC3.3 V的降壓變換[4]，DC-DC電源變換電路如圖7所示。

圖7 電源變換電路

5 總結(jié)

本文所研究的車載無人機(jī)巢改變了無人機(jī)需人為移動(dòng)以及操控員控制起飛的復(fù)雜過程，設(shè)計(jì)了一款可以提供無人機(jī)的續(xù)航能力，給予無人機(jī)一定的保護(hù)措施，一次性實(shí)現(xiàn)無人機(jī)啟動(dòng)、起飛、降落、回收于一體的全過程的裝置。