基于無人機的燈籠掛裝及卸裝系統(tǒng)設計

武 琳,侯鑫新

(江西經(jīng)濟管理干部學院,江西 南昌 330038)

0 引言

每年春節(jié)臨近,城市都要“掛燈籠迎新春”,營造喜慶祥和的春節(jié)氛圍,增添濃濃的年味。 但是,現(xiàn)階段燈籠的掛裝及卸裝主要是通過汽車搭載剪叉式升降臺機構,由安裝人員站在升降臺手動進行掛裝。 這種方式存在以下弊端:(1)效率低。 剪叉式升降臺每次升降均耗時久,且每個路燈都需要升降一次,完成整條街道的燈籠掛裝效率非常低下。 (2)易造成交通擁堵。 城市街道車輛繁多,每次掛裝都要占用一個車道,極易造成街道的擁堵。 (3)安全性更低。 安裝人員高空作業(yè)有很大安全風險。 (4)維護保養(yǎng)困難。 剪叉式升降臺屬于特殊作業(yè)設備,使用率不高,但需定期維護保養(yǎng),造成了一定的資金浪費。

本項目旨在研究無人機在城市街道燈籠掛裝及卸裝的應用,并設計研發(fā)一種利用無人機一次掛載多個燈籠升空并完成掛裝的裝置;同時,通過連接卸裝附件,實現(xiàn)對燈籠的卸裝。 該技術可以大大地減少相關的人力物力,對于城市美化是一項非常重要的應用。

1 無人機選型及接口

1.1 無人機選型

無人機是利用無線遙控和程序控制的不載人飛機。 近年來,無人機由于其高機動性和低成本而引起各方面的重視。 例如,在災難救援和遠程空間感知中,無人機可以比傳統(tǒng)方法更好、更快地執(zhí)行任務。

根據(jù)飛行平臺構型進行分類,無人機可以分為旋翼無人機和固定翼無人機兩類,且各自具有相應的優(yōu)勢[1]。

固定翼無人機優(yōu)點有:(1)續(xù)航能力強,適合用于長途飛行;(2)比懸停的無人機更大,在部署天線陣列時更靈活,適用于MIMO 天線。 局限之處在于需要跑道輔助起飛降落,對地形的要求更為苛刻。

旋翼無人機的優(yōu)點是機動、靈活,不需要跑道便可以垂直起降,能精準懸停,可對某個目標進行精細觀察,體積小,操作簡單易上手,應用領域廣。 缺點是機動性、穩(wěn)定性和效率都比較差,操控距離較近,飛行高度較低,負載較小,續(xù)航時間短,所以只能小面積作業(yè),而且旋翼無人機上的旋轉葉片運動可能導致高頻多普勒反射,對通信信號造成一定影響。

由于燈籠掛裝對無人機位置及精準懸停有較高的要求,結合上述兩類無人機的優(yōu)缺點,本文選用旋翼無人機完成燈籠的掛裝工作。

1.2 無人機接口

現(xiàn)如今,無人機已被廣泛應用于生活中的方方面面,包括航拍、高空作業(yè)、交通、通信、軍事或災難響應等領域。

本文的應用場景要求無人機有一定的負載量,且支持自主開發(fā)及外接附件。 因此,選用大疆M600 PRO無人機,負載可達6 kg。

大疆M600 PRO 是一款大軸距六旋翼大載重無人機,軸距符合中國民用航空局無人機飛行執(zhí)照考試要求,無人機底部掛載接口及安裝尺寸如圖1 所示。

圖1 無人機底部掛載安裝尺寸

2 燈籠掛裝及卸裝裝置方案設計

本文設計研發(fā)了一種可以連接無人機的無線控制燈籠掛裝裝置,通過同時控制無人機姿態(tài)和無線遙控掛裝裝置的開合,實現(xiàn)無人機掛裝及卸裝燈籠。 本項目機械單元包含燈籠掛裝機架、掛裝裝置及卸裝附件3個部分。

2.1 掛裝機架

燈籠掛裝機架首次通過人工的方式固連在路燈上,安裝好后不需做任何操作,可長期使用。 機架兩端設置對稱凹槽,用于懸掛燈籠,在凹槽內部設置可繞轉軸轉動的金屬片,上下各連接一根彈簧,一個雙向卡簧,進入凹槽方向的彈簧選用彈性系數(shù)小的彈簧,使進入凹槽方向的力為小阻力,無人機可以輕松帶動燈籠進入凹槽,出凹槽方向的彈簧選用彈性系數(shù)大的彈簧,使進入凹槽方向的力為大阻力,在燈籠掛裝后,不會被風吹離凹槽。

2.2 掛裝裝置

掛裝裝置由連桿和直流電機組成。 連桿頂部設計螺紋,可與無人機接口匹配,并穩(wěn)定固連。 通過電機作動筒的伸縮運動實現(xiàn)了底部燈籠掛載桿的開合運動。在掛載桿上設置多個不同深度的鋸齒形溝槽,便于燈籠的掛裝,同時掛載桿前端設置螺紋孔,可連接卸裝附件。 機械原理如圖2 所示。

圖2 掛裝裝置機械結構

計算該掛裝裝置的自由度:F=3n-2Pl-Ph

該開合裝置構件數(shù)n為5,Pl為7,Ph為0,因此該掛裝裝置的自由度為1,可以實現(xiàn)確定的運動。

2.3 卸裝附件

卸裝附件為剪刀式結構,只在卸裝燈籠時安裝,掛裝燈籠時不安裝。 通過在剪刀式結構尾部設置與螺紋孔配裝的螺紋桿,實現(xiàn)卸裝附件與掛裝裝置的固連;通過控制掛裝裝置的開合同時實現(xiàn)了剪刀的剪切控制。

3 燈籠掛裝及卸裝裝置控制方案設計

電機伸縮桿由無線遙控控制,控制器分為發(fā)射單元和接收單元。 無線控制采用ZigBee 協(xié)議。

3.1 ZigBee 技術概述

近幾年,人們不斷探索適應工控場合的無線應用需求,形成了多種無線通信協(xié)議和產品。 最流行的短距離無線數(shù)據(jù)通信標準有藍牙Bluetooth(IEEE802.15.4),WiFi(IEEE802.11b),Ir DA 以及極具發(fā)展?jié)摿Α⒁驯粯I(yè)界認可的ZigBee(IEEE802.15.4)等。

如表1 所示幾種無線標準及參數(shù)比較情況[2],結合Zigbee 的特點,可以總結出ZigBee 技術的以下4 個特點:

表1 無線標準及參數(shù)

(1)低功耗。 由于ZigBee 技術傳輸率低,發(fā)射功率僅為1 mW,ZigBee 設備僅使用2 枚普通5 號干電池,就可維持6～8 年正常工作時間。

(2)低成本。 ZigBee 協(xié)議是免專利費的,可隨意使用,因此,其低成本也是受歡迎的一個重要因素。

(3)時延短。 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都很短,搜索設備時延一般為30 ms,休眠到激活狀態(tài)的時延為15 ms,活動設備信道接入的時延為15 ms。

(4)可靠。 ZigBee 網(wǎng)絡采用碰撞避免策略,為避開發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突,專門為固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙。 MAC 層采用完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個發(fā)送數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息,如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。

從低功耗、低成本等特點出發(fā),采用 ZigBee 技術的無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)非常適用于本項目的無線控制。 發(fā)射單元由無人機飛行員手持控制,在發(fā)射電路板上設置電位器,將電位器調節(jié)信號通過ZigBee 無線網(wǎng)絡發(fā)送,接收單元安裝在掛裝裝置上將接收的信號輸出給電機,電機根據(jù)信號執(zhí)行伸縮動作。

3.2 電機控制

本項目采用直線電機,掛裝裝置通過電機的直線運動實現(xiàn)燈籠掛載桿的開合。 直線電機是一類利用電磁作用直接將電能轉變?yōu)殡妱訖C動子沿直線方向運動的機械能,并且這期間無需其它傳動或者連接裝置的電動機[3]。 直線電機初、次級產生相對運動也因氣隙磁場的作用,不同的是旋轉電機產生的磁場為旋轉磁場,而直線電機為行波磁場,輸入電能通過行波磁場轉化為電磁推力,從而驅使直線電機的初級和次級產生相對運動[4]。

3.2.1 直線電機的PWM 控制

以24 V 直流電機為例,在電機兩端接24 V 直流電源,電機會以滿速轉動,電壓降至2/3 即16 V,電機以滿速的2/3 轉速運轉。 因此,調節(jié)電機行程只需控制電機兩端電壓即可。

通常通過PWM 調節(jié)電機兩端電壓,改變單位時間內脈沖的個數(shù)實現(xiàn)調頻,改變占空比實現(xiàn)調壓。 占空比越大,得到的平均電壓越大,幅值也越大;占空比越小,得到的平均電壓越小,幅值也越小。

3.2.2 電機選型

本文選用MightZAP 系列微型直線電機(行程選用96 mm),該電機供電電壓12 V,可由無人機直接供電,無須再設置供電單元,支持PWM 協(xié)議控制;電機尺寸緊湊,節(jié)省空間內置驅動電路,可用于重力方向(Z 型軸),支持多種應用程序界面及編程語言。

4 燈籠掛裝及卸裝系統(tǒng)設計

直線舵機發(fā)射端由無人機飛行員手持控制,在發(fā)射電路板上設置電位器,將電位器調節(jié)信號通過ZigBee 無線網(wǎng)絡發(fā)送,接收單元安裝在燈籠掛裝裝置上;接收的信號調制為PWM 信號輸出給電機,電機根據(jù)接收的信號執(zhí)行伸縮動作。

掛載桿上的鋸齒形凹槽可使燈籠繩牢固懸掛,在無人機攜帶燈籠飛行過程中不易移動。 通過更改掛載桿,可使無人機攜帶不同數(shù)量的燈籠升空,實現(xiàn)掛裝燈籠的效率最大化。 燈籠掛裝三維示意如圖3 所示。

圖3 燈籠掛裝三維示意

無人機飛行員通過同時操控無人機的姿態(tài)和掛載桿的開合,將燈籠放置在路燈機架上,完成城市街道燈籠的掛裝工作;接上卸裝附件后,通過操控無人機的姿態(tài)和剪刀式結構的開合,剪斷燈籠繩,完成城市街道燈籠的卸裝工作。

5 結語

本文設計了一種無線控制燈籠掛裝及卸裝系統(tǒng),無人機連接本項目設計的燈籠掛裝裝置升空,通過操縱無人機的飛行姿態(tài)和遙控掛裝裝置電機的伸縮,實現(xiàn)燈籠的掛放及卸裝。 本設計在城市美化工程上具有非常好的應用前景,可以使城市燈籠掛裝工作更加智能、便捷、高效,大大地減少了政府在該方面工作上的投入,節(jié)約了人力和財力。