子母無人機(jī)釋放回收裝置

王裕雯 謝汶霖 譚祺興 何民安 陳燕婷

摘要：此前無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域提出了集群化無人機(jī)的應(yīng)用概念，目的是將單一無人機(jī)具有的優(yōu)勢結(jié)合，取長補(bǔ)短能更好的完成無人機(jī)執(zhí)行的任務(wù)。目前無人機(jī)編隊(duì)等也屬于多無人機(jī)協(xié)同作業(yè)，但并未達(dá)到無人機(jī)集群化的使用需求，因此，子母機(jī)搭配協(xié)同作業(yè)的研究對多無人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配具有重要意義。通過在目前無人機(jī)平臺(tái)中尋找合適的子機(jī)與母機(jī)，利用機(jī)械裝置等硬件將之結(jié)合起來，搭載不同的飛控來控制子母機(jī)執(zhí)行不同的任務(wù)。

關(guān)鍵詞：集群化無人機(jī);子母無人機(jī);機(jī)械裝置;分開控制

引言

無人機(jī)作為新崛起的新興行業(yè)，因?yàn)槠鋺?yīng)用范圍十分廣泛，近年熱度持續(xù)增高。目前例如大疆無人機(jī)具有較高的穩(wěn)定性與便捷的操縱性，近年來也出現(xiàn)有無人機(jī)編隊(duì)表演等無人機(jī)編隊(duì)產(chǎn)品，但其存在著使用維護(hù)繁瑣、使用環(huán)境苛刻、實(shí)用性欠佳等方面的缺陷，并未實(shí)現(xiàn)真正意義上的無人機(jī)集群協(xié)同化。

因此，本文提出了一種子母機(jī)的設(shè)想，即六軸多旋翼飛行器可搭載四旋翼飛到目標(biāo)區(qū)域，在懸停狀態(tài)下通過釋放裝置將四旋翼飛行器釋放并分別進(jìn)行偵察任務(wù)，避免因?yàn)槟繕?biāo)過于分散而無法完成任務(wù)的情況出現(xiàn)。該套子母無人機(jī)釋放回收裝置具有通用性，可搭載在具備一定載荷條件范圍的母機(jī)平臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)子無人機(jī)的釋放與回收，為完成復(fù)雜條件下多無人機(jī)動(dòng)態(tài)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)打下前端基礎(chǔ)。

1 ?選定子母機(jī)平臺(tái)

1.1 ?母機(jī)選取

對于子母無人機(jī)的設(shè)計(jì)，需要從任務(wù)需求入手，通過子母機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能等方面設(shè)計(jì)系統(tǒng)。首先通過子母機(jī)進(jìn)行搜救任務(wù)入手，母機(jī)搭載子機(jī)到達(dá)救援地點(diǎn)，因母機(jī)體型較大，險(xiǎn)峻地勢無法執(zhí)行偵查任務(wù)，搭載的小型子機(jī)可以在狹窄的山谷等地偵查，或者搜救區(qū)域較大，母機(jī)無法獨(dú)自完成搜救偵查任務(wù)，可以派出子機(jī)來配合作業(yè)。對于母機(jī)的選取，我們應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面：①載重能力②續(xù)航時(shí)間較長③穩(wěn)定性，充分考慮了母機(jī)自身也要具備便攜性、靈活性等特點(diǎn)，我們選擇大疆S900作為母機(jī)搭載平臺(tái)。

S900使用V型六旋翼設(shè)計(jì)。它的構(gòu)件使用了碳纖維復(fù)合材料，能夠使無人機(jī)的機(jī)身達(dá)到所需的強(qiáng)度，同時(shí)最大的減輕重量。大疆S900整機(jī)重量3.3kg，是因?yàn)椴捎昧溯p量但堅(jiān)固的碳纖維材質(zhì)，擁有能夠傘形折疊的V型六軸結(jié)構(gòu)，云臺(tái)采用下沉設(shè)計(jì)，所有機(jī)臂均可以向下折疊，GPS則有單獨(dú)的折疊座，因此整體十分輕盈便捷，攜帶時(shí)可以收起機(jī)臂、螺旋槳和GPS，減輕了攜帶時(shí)的不便。擁有獨(dú)特的可拆卸的上中心板，在更改整機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)時(shí)十分快捷。動(dòng)力系統(tǒng)方面采用采用最新款的4114電機(jī)，最大功率500W，配合6s電池、40A電調(diào)能達(dá)到單軸最大2.5kg的推力，滿足母機(jī)的基本條件。

1.2 ?子機(jī)選取

子機(jī)選取過程與母機(jī)類似，從需求入手，有母機(jī)作為可移動(dòng)平臺(tái)。選用子機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)是輕巧、穩(wěn)定性好。因此，選用大疆Mavic 2 Pro。御2是一款主打便攜的無人機(jī)，性能出色，具有很好的機(jī)動(dòng)性和飛行控制系統(tǒng)。它采用三軸機(jī)械云臺(tái)，可以360°全方位感知，工作環(huán)境溫度在-10°—40°之間，能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境。整機(jī)重量734g，最長飛行時(shí)間為31分鐘。這架無人機(jī)十分符合設(shè)計(jì)要求，作為子機(jī)再合適不過。

2 ?機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)

機(jī)械裝置設(shè)計(jì)在符合設(shè)計(jì)需求的前提下，滿足理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)理論以及空氣動(dòng)力學(xué)等理論設(shè)計(jì)理論。通過理論設(shè)計(jì)及數(shù)理驗(yàn)證，利用CATIA專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行建模分析，為機(jī)械結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)導(dǎo)向，使機(jī)械設(shè)計(jì)達(dá)到理論設(shè)計(jì)需求。

初始的設(shè)計(jì)方向?yàn)槟笝C(jī)可折疊的機(jī)械臂，用來抓取子機(jī)。但在空中，機(jī)械臂加上子機(jī)對母機(jī)整體的空氣動(dòng)力影響較大，且重量也大，這無疑為母機(jī)的駕駛操縱帶來困難。為了解決這一問題，可以使用延伸平臺(tái)。將平臺(tái)固定在母機(jī)的上方，在平臺(tái)上再搭建一個(gè)方艙用來存放子機(jī)，采用軟連接的方式固定子機(jī)。方艙的目的是能在釋放子機(jī)時(shí)，避免被母機(jī)的下沉氣場所影響。也保證了子機(jī)精確懸停的精度范圍，最大限度的提高釋放與回收的成功率。

2.1 ?延伸平臺(tái)設(shè)計(jì)

選用的母機(jī)最大載重約為4.9kg，完全足夠搭載子機(jī)到達(dá)指定地點(diǎn)，并且擁有可拆卸的上中心板，能夠?qū)崿F(xiàn)將延伸平臺(tái)固定在母機(jī)上中心板。因?yàn)樽訖C(jī)存放必須保證展開狀態(tài)，因此艙體相比于母機(jī)中心板設(shè)計(jì)的較大，不能將延展平臺(tái)設(shè)計(jì)過高，會(huì)影響母機(jī)的平衡性。母機(jī)的機(jī)臂有一定上傾角，暫將平臺(tái)設(shè)計(jì)離母機(jī)上中心板15mm，選用連接件為銅柱，因?yàn)槠溆捕认啾葏沃螅芨玫闹巫訖C(jī)。通過銅柱將延伸平臺(tái)固定在母機(jī)上，選用M3*15+3的規(guī)格。母機(jī)上中心板的孔位大小為22mm，適合用M3大小的螺絲。延伸平臺(tái)要能保證母機(jī)上中心板和方艙皆能固定在平臺(tái)上，大小為210*170*2，通過切割2mm碳板來制作，來保證其強(qiáng)度。

2.2 ?方艙設(shè)計(jì)

方艙為一個(gè)盒體設(shè)計(jì)，厚度為2mm，為了保證質(zhì)量不會(huì)過大從而影響母機(jī)飛行，采用環(huán)氧樹脂板，在強(qiáng)度足夠的同時(shí)質(zhì)量也輕。因?yàn)樽訖C(jī)水平懸停精度極限值約為0.3m，子機(jī)大小為322×242×84 mm，為了保證能夠成功使子機(jī)起飛降落，方艙設(shè)計(jì)成350×270×100mm，方艙地面按照平臺(tái)設(shè)計(jì)的孔位打孔，方便方艙與延伸平臺(tái)相固定。方內(nèi)側(cè)放有海綿等軟性材料，作為緩沖和固定的作用，避免搭載的子機(jī)因?yàn)樽笥遗鲎捕a(chǎn)生損壞。

方艙蓋的設(shè)計(jì)采用同樣的材質(zhì)。要控制方艙蓋的開合，使子機(jī)正常起飛，在方艙側(cè)面用舵機(jī)架固定一個(gè)大扭力金屬齒舵機(jī)，將舵機(jī)機(jī)臂與方艙蓋相連，控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)帶動(dòng)蓋子旋轉(zhuǎn)一定角度，暴露出內(nèi)側(cè)的子機(jī)。

2.3 ?舵機(jī)支撐架設(shè)計(jì)

舵機(jī)選擇銀燕ES3054，該舵機(jī)扭力大，完全能夠帶動(dòng)頂部蓋子的旋轉(zhuǎn)挪動(dòng)。設(shè)計(jì)一個(gè)可以將舵機(jī)工固定在方艙外側(cè)的舵機(jī)支撐架，如圖1，將舵機(jī)卡入支架開口處，舵機(jī)耳朵與支架頂面固定，支架側(cè)面按照孔位固定在方艙側(cè)面，支撐架選用3D打印機(jī)制作，使用樹脂等材料打印即可滿足需求。

為保證舵機(jī)臂與方艙頂?shù)捻樌B接，方艙頂?shù)脑O(shè)計(jì)要略大于方艙底部，大小設(shè)計(jì)為350×290×2mm，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90°帶動(dòng)頂蓋產(chǎn)生偏移，舵機(jī)與接收機(jī)相連相連接，利用遙控器開放新的通道來控制舵機(jī)，需要飛手來控制。

2.3.1 ?舵機(jī)控制

數(shù)字伺服器是舵機(jī)控制的動(dòng)力源，舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM信號(hào)，利用微處理器的數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制，控制電路接收信號(hào)源的控制信號(hào)并將電機(jī)輸出扭矩放大相應(yīng)倍數(shù)，然后輸出。電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測量舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)到相應(yīng)目標(biāo)。[1]

3 ?多機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)

3.1 ?具體操作

多無人機(jī)協(xié)同控制簡要概括就是多個(gè)無人機(jī)按照相應(yīng)的控制方法完成指定的任務(wù)。其中，按照不同的無人機(jī)任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)對無人機(jī)進(jìn)行劃分，可將協(xié)同控制方法分為一致性控制、編隊(duì)控制以及合圍控制等[3]。

因?yàn)樽幽笝C(jī)具體任務(wù)不同，采用子母機(jī)分開控制，即子機(jī)與母機(jī)分別有自己的飛控，子機(jī)御2的飛控是內(nèi)置的，母機(jī)選用漢鯤的F2飛控。使用北理珠無人機(jī)實(shí)驗(yàn)室的多機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)。母機(jī)與子機(jī)的兩個(gè)飛控分別連接到協(xié)同控制平臺(tái)，由平臺(tái)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，預(yù)留可見兩機(jī)的外場人員在現(xiàn)場，與控制系統(tǒng)內(nèi)場實(shí)時(shí)通話，確保無人機(jī)的安全，若發(fā)生意外情況由外場人員接管無人機(jī)的操控工作，優(yōu)先級(jí)別高于控制系統(tǒng)。

3.1.1 ?子機(jī)釋放與回收

圖3為該系統(tǒng)的控制圖。其中，指揮員明確此次無人機(jī)飛行任務(wù)的具體內(nèi)容和特點(diǎn)，進(jìn)行崗位人員分配，提出具體要求，在下達(dá)任務(wù)前進(jìn)行內(nèi)場和外場飛行前準(zhǔn)備，確保設(shè)備運(yùn)行前處于良好狀態(tài)，準(zhǔn)備完畢后內(nèi)外場需分別向指揮員報(bào)告。外場無人機(jī)登錄遙控器賬號(hào)，因?yàn)樽幽笝C(jī)的飛控不同，內(nèi)場云平臺(tái)需要分別接管子機(jī)母機(jī)并分別上傳航線。指揮員下達(dá)任務(wù)后命令起飛，內(nèi)場操作員控制平臺(tái)先給母機(jī)發(fā)送控制指令，母機(jī)在平臺(tái)全自動(dòng)控制下正常起飛，規(guī)劃的航線使母機(jī)在指定位置懸停，控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，打開艙門，在由平臺(tái)發(fā)送起飛指令給子機(jī)的飛控，讓子機(jī)在方艙內(nèi)完成起飛動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)子機(jī)的釋放。平臺(tái)分別控制兩機(jī)完成不同任務(wù)再回到指定地點(diǎn)。回收子機(jī)時(shí)，控制母機(jī)懸停在指定位置，但是因?yàn)樽訖C(jī)飛控水平精度過大，直接由飛控回收難度較大，若外場觀察員注意到子機(jī)回收有困難，告知外場飛手，外場飛手接管子機(jī)，能最大限度的保證子機(jī)回收成功。

4結(jié)語

本文通在現(xiàn)有無人機(jī)平臺(tái)中根據(jù)需求選擇合適的子母機(jī)，通過給母機(jī)設(shè)計(jì)一種連接機(jī)械裝置，搭載子機(jī)并釋放與回收，再通過多機(jī)協(xié)同控制平臺(tái)完成多任務(wù)分配，初步實(shí)現(xiàn)了子母無人機(jī)協(xié)同作業(yè)。

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