剪叉式車載無人機升降調(diào)平裝置設(shè)計

付國壯

（中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

文章通過結(jié)合整車系統(tǒng)集成性能，設(shè)計科學(xué)的剪叉式升降調(diào)平裝置，從而提高機電伺服驅(qū)動科學(xué)性，來充分發(fā)揮其自縮功能，有效提高無人機工作穩(wěn)定性，從而加強其手動操作功能，保證能在斷電情況下進(jìn)行手動應(yīng)急維護(hù)[1]。

1 總體結(jié)構(gòu)方案

該升降調(diào)平裝置分為調(diào)平平臺和剪刀叉升降機2個環(huán)節(jié)。在車輛底盤上安裝2組剪刀叉升降架構(gòu)，并保證這2組升降架構(gòu)進(jìn)行獨立運動，來控制調(diào)平平臺進(jìn)行傾斜和升降運動（圖1）。當(dāng)車輛行駛在坡面時，剪刀叉升降系統(tǒng)會自動控制運動模式，從而調(diào)整無人機起降平臺的傾斜角度，保證車輛一直處于水平狀態(tài)，從而實現(xiàn)調(diào)平功能[2]。

圖1 總體結(jié)構(gòu)方案

剪刀叉升降機作為調(diào)整平臺水平的重要環(huán)節(jié)，是由絲桿驅(qū)動組件、減速機、伺服電機、單軸鉸鏈座和雙導(dǎo)軌滑移底座等環(huán)節(jié)構(gòu)成[3]。其通常利用雙輸出和單輸入T型減速機2種方式，等到絲桿轉(zhuǎn)換為絲母進(jìn)行移動后，工作人員要通過剪叉桿來控制其日常升降運動。而減速機雙輸出空心軸是以自鎖梯形絲桿為核心，有利于其合理控制絲桿停滯、自鎖等工作任務(wù)，并在其中安裝應(yīng)急手動驅(qū)動輸入端，一旦遇到特殊情況，工作人員可通過人為手段來進(jìn)行剪叉桿運動。另外，調(diào)平平臺組件是車載無人機的起降基礎(chǔ)，通常有頂部平臺、導(dǎo)向滑移組件和直線導(dǎo)軌等環(huán)節(jié)組成，跟隨剪叉桿轉(zhuǎn)動而出現(xiàn)相應(yīng)運動，即使傾斜平臺的傾斜角度達(dá)到17°，車輛在3%的縱坡上也能進(jìn)行科學(xué)調(diào)平（圖2）。

圖2 升降調(diào)平裝置的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 電氣系統(tǒng)原理

升降調(diào)平裝置電氣系統(tǒng)是由傾角調(diào)平控制單元、有限位檢測單元、升降運動控制模塊和平臺位置控制單元等環(huán)節(jié)組成（圖3）。其中傾角調(diào)平控制單元利用專業(yè)計算工具，計算出平臺上傾角傳感器的傾斜角度，來判斷平臺停留在何種狀態(tài)，如下坡狀態(tài)、上坡狀態(tài)。由于剪叉式升降平臺液壓驅(qū)動配套系統(tǒng)具有較強的復(fù)雜性，很難精確控制執(zhí)行機構(gòu)的具體位置，單獨安裝液壓動力系統(tǒng)通常會占據(jù)較多內(nèi)存空間，導(dǎo)致系統(tǒng)集成面積較大。該裝置在前后布置2組單級獨立電動剪刀叉機構(gòu)，將其作為執(zhí)行升降機日常運行的平臺，利用縱向滑移傾斜結(jié)構(gòu)和前后高低差方法，讓車輛底盤在斜坡上能升降調(diào)平平臺，在平整路面移動中能動態(tài)調(diào)整起降平臺，給車載無人機日常起降工作打下堅實的基礎(chǔ)[4]。當(dāng)調(diào)平平臺上升到指定高度時，運動控制模塊自動控制剪刀叉升降機構(gòu)，來實現(xiàn)升降機上升的動作，讓調(diào)平平臺和地面能趨于平行，從而達(dá)到預(yù)期運動的目的；平臺位置控制單位是通過采用拉繩式編碼器值，來準(zhǔn)確計算出零位標(biāo)定和置零編碼器數(shù)值，并將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為位置高度值，常用在控制和平臺高度數(shù)值相關(guān)的升降方面，當(dāng)調(diào)平平臺上升到指定位置時，系統(tǒng)會自動發(fā)布特殊指令來控制伺服電機，保證升降平臺日常動作能達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；而限位檢測單元作為升降平臺保護(hù)機制，一旦拉繩式編碼器出現(xiàn)嚴(yán)重的安全故障，限位檢測單元會自動控制調(diào)平平臺，將讓其在上下極限位置停止任何活動；升降運動控制模塊作為升降調(diào)平裝置的主要控制設(shè)備，其具有多樣化功能，如工作流程控制、CAN通信、故障報警和數(shù)據(jù)采集等功能[5]。

圖3 升降調(diào)平裝置電氣系統(tǒng)原理

1.2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

控制系統(tǒng)通常分為運動控制模塊和檢測單元2個環(huán)節(jié)（圖4）。其中檢測單元主要包括限位開關(guān)、傾角傳感器和拉繩式編碼器等組件，傾角傳感器是采用陀螺儀和雙軸加速度計構(gòu)成，通常應(yīng)用在測量水平雙軸傾角方面。近年來，隨著無人機產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，不再單純作為簡單的航拍玩具，而是被逐漸應(yīng)用到日常生活領(lǐng)域中，如影視航拍、電路巡查、環(huán)境監(jiān)控等方面。無人機作為目前最新型的測量方式，憑借自身具有工作效率高、成本低、操作靈活等特征，被廣泛應(yīng)用在各行業(yè)中，有利于工作人員提取數(shù)字表面模型、點云、三維模型、數(shù)字高程模型等多樣化數(shù)據(jù)。在日常使用中剪叉式升降平臺很容易受到周圍生態(tài)環(huán)境影響，一旦其出現(xiàn)問題，需要工作人員維護(hù)多個保養(yǎng)流程，整個流程非常復(fù)雜，特別是軍用無人機，如果在-40℃的低溫環(huán)境下進(jìn)行工作，會給其液壓傳動帶來嚴(yán)重影響。而X軸方向傾角作為車輛縱向傾角，可有效調(diào)整無人機起降平臺，來準(zhǔn)確判斷無人機是否具備起降條件；拉繩式編碼器利用絕對值編碼器來測量調(diào)平平臺的基本位置，其具有記憶斷電位置功能，能靈活選擇使用何種方式控制調(diào)平平臺，不需要經(jīng)過重復(fù)的校正和標(biāo)定；限位開關(guān)通常有4個接近開關(guān)，被工作人員設(shè)置在剪刀叉升降機構(gòu)絲桿兩側(cè)，來保護(hù)2組剪刀叉架構(gòu)極限位置電機的正常運行。同時，運動控制模塊是由伺服電機、CTM8251系列CAN通信模塊、嵌入式控制程序、外圍電路等環(huán)節(jié)組成，能有效滿足基本控制和通信要求，實現(xiàn)升降調(diào)平裝置日常監(jiān)控和操作任務(wù)[6]。

圖4 控制系統(tǒng)

1.3 軟件設(shè)計

升降調(diào)平裝置的控制軟件和通信功能，是以嵌入式控制程序為主體，給升降調(diào)平裝置提供多樣化性能，如運動控制、動作控制、任務(wù)控制、故障報警和CAN通信控制等功能，能嚴(yán)格遵循任務(wù)優(yōu)先級別來進(jìn)行實時控制，能滿足整車系統(tǒng)聯(lián)控和單機控制要求（圖5）。無人機是由各種環(huán)節(jié)組成，如地面工作站、無人飛行載體、數(shù)傳系統(tǒng)和傳感器等。目前，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷提升，無人機呈現(xiàn)多樣化形態(tài)，對不同領(lǐng)域來說，要根據(jù)自身工作特征和需求選擇對應(yīng)的飛行載體，充分發(fā)揮數(shù)傳系統(tǒng)的作用，例如，將無人機所拍攝的數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)较谰仍块T，在輔助消防救援時，無人機能利用無線圖像系統(tǒng)，將火災(zāi)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)较谰仍笓]部，有利于指揮部結(jié)合現(xiàn)場火災(zāi)實際情況，安排充足的消防人員，制定科學(xué)的消防計劃，及時控制火災(zāi)現(xiàn)場。同時，無人機作為最先進(jìn)的飛行裝置，需要搭載相應(yīng)的感應(yīng)設(shè)備，系統(tǒng)內(nèi)部有安裝核心控制系統(tǒng)，要通過定位裝置來進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并在無人機正式飛行前設(shè)定相關(guān)程序，制定正確的拍攝任務(wù)，才能真正實現(xiàn)航空拍攝的目的，給消防救援工作帶來便利。其中BIT自檢能定期檢查系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)，通過使用檢查、功能檢測等功能，在發(fā)現(xiàn)故障時自動將故障區(qū)域隔離，并主動觸發(fā)報警系統(tǒng)；任務(wù)控制是采用邏輯控制措施來實現(xiàn)完整的動作流程，如一鍵復(fù)位并下降閉合，一鍵上升到最高點且調(diào)平；動作控制能實現(xiàn)日常運行速度控制，保證平臺運行穩(wěn)定性；狀態(tài)監(jiān)控通常是用作收集調(diào)平平臺數(shù)據(jù)，再將所有數(shù)據(jù)上傳給專業(yè)部門，并詳細(xì)記錄升降調(diào)平次數(shù)；通信控制則是利用CAN總線接口來完成信息交互任務(wù)[7]。

圖5 升降調(diào)平裝置

2 控制策略設(shè)計

升降調(diào)平裝置的控制策略是由多樣化過程控制，如復(fù)位、調(diào)平和升降等環(huán)節(jié)。升降過程控制通常應(yīng)用在任務(wù)執(zhí)行方面時，主控板通過合理控制驅(qū)動器來控制其執(zhí)行速度，控制其他2個電機進(jìn)行運動。根據(jù)專業(yè)人員研究發(fā)現(xiàn)，從靜止?fàn)顟B(tài)到勻速驅(qū)動狀態(tài)一般需要經(jīng)過2 s，當(dāng)平臺運動靠近上升位置時，要緩慢降低運行速度，一直將其速度降低為0時，才能控制系統(tǒng)進(jìn)行上升下降運動。同時，在升降過程中，工作人員要操作驅(qū)動器，來控制各種類型電機進(jìn)行日常工作，一旦其中某個電機驅(qū)動出現(xiàn)故障，驅(qū)動器會自動關(guān)閉電機輸出；在出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)、失速等安全故障時，工作人員要手動關(guān)閉輸出開關(guān)，并將各方面數(shù)據(jù)上傳到指定部門；當(dāng)拉繩式編碼器檢測到2組剪刀叉高度差值高于10 mm時，可評價系統(tǒng)升降機產(chǎn)生同步故障，要立刻關(guān)閉輸出，并將故障數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)中，系統(tǒng)會自動找到故障的準(zhǔn)確位置信息，上位機會自動發(fā)送指令，主控板保證驅(qū)動器能正常運行，并將縱傾角控制在合理范圍內(nèi)，而當(dāng)縱傾角下降到2°時，會走進(jìn)低速調(diào)控狀態(tài)，直到其下降到0°時，整個調(diào)平工作全部完成（圖6）。復(fù)位控制策略是采用主控板來接受復(fù)位指令，從而掌握2組剪刀叉運行數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)來控制位置較高剪刀叉進(jìn)行下降活動，直到2組剪刀叉下降到相同高度時，再控制平臺同步上升到指定位置，且進(jìn)行上報復(fù)位工作。在正常情況下，復(fù)位控制通常應(yīng)用在手動操作后，來實現(xiàn)剪刀叉自動控制的校準(zhǔn)工作，如任意位置調(diào)試、單步調(diào)平復(fù)位[8]。

圖6 無人機升降

3 結(jié)束語

綜上所述，通過將剪叉式升降調(diào)平設(shè)備應(yīng)用車載無人機起降平臺中，能科學(xué)控制車輛在縱坡的傾角，保證其靜態(tài)升降工作順利進(jìn)行，從而滿足車載無人機動態(tài)起降要求。另外，工作人員可在2組剪刀叉機構(gòu)和機電驅(qū)動位置設(shè)置獨立升降系統(tǒng)、傾斜平臺結(jié)構(gòu)，來實時控制升降平臺日常運行軌跡，對提高剪刀叉升降機構(gòu)運行效率具有重要作用。因此，本文側(cè)重于研究剪叉式升降調(diào)平裝置，通過控制整車系統(tǒng)集成性能和空間，來提高系統(tǒng)可靠度。