農用無人機自動續航裝置歸中平臺升降系統設計

趙振華，張 園,，韋麗嬌,，陳曉垚，沈德戰，郭昌進,4，李興貴，陳永健

（1.中國熱帶農業科學院農業機械研究所，廣東 湛江 524091；2.廣東省農業類顆粒體精量排控工程技術研究中心，廣東 湛江 524000；3.湛江市類顆粒體動力學及精準精量排控重點實驗室，廣東 湛江 524091；4.農業農村部熱帶作物農業裝備重點試驗室，廣東 湛江 524091；5.東莞市典航自動化設備科技有限公司，廣東 東莞 523129；6.佛山天源創新科技有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

近些年來，我國的農業機械化水平不斷提高，無人機在農業領域得到廣泛的應用，在無人機的發展過程中，由于電池電量的有效性問題，導致續航能力受到了極大限制，無法實現遠距離飛行和超長待機飛行，這使得如何解決無人機電池的及時更換成為相關技術領域所要面對的首要問題[1]。為了解決這一問題，研制出一種基于農用無人機的自動換電續航裝置，這將加快無人機作業效率和減少人工成本。隨著無人機自動續航裝置的使用率不斷提高，而無人機續航裝置作業平臺的調平性能直接影響無人機換電的準確性和作業的安全性，對無人機續航裝置升降平臺調平性能的提高具有十分重要的意義。本文研究并設計了一種基于六自由度無人機的升降調平平臺，在無人機以任意姿態降落時，可進行無人機的全方位調平和大行程升降，保障了無人機的穩定航行及平穩升降。

調平平臺廣泛應用于機械、船載、車載武器、空間遙感探測、公安消防、環境監測等領域。通過對調平運動機理的常規應用進行逆向擴展，將升降調平平臺中的橫向和縱向運動組合使用，控制平臺恒定水平，可有效提高升降平臺的穩定性。

1 調平系統國內外研究現狀

在早期，調平技術主要用于導彈炮架車和雷達車等軍用設備中，隨著政治、經濟和科技的不斷發展，調平技術也被廣泛應用于工程機械和民用生產等設備。

20 世紀中后期，許多的外國學者將調平技術應用到軍用設備領域，二戰期間所使用的戰車和防空導彈發射架采用的調平技術為三點支撐式的手動調平法，該方法調平精度低，速度慢且系統穩定性差。隨著計算機控制系統和液壓傳動技術的迅速發展，手動調平迅速被自動調平技術所取代，四點支撐和六點支撐也取代了三點支撐方式，但當時這2 種支撐方式都存在一些問題。二十世紀八十年代后期，電液控制技術已經不能滿足發展需求，而此時迅速發展的機電控制技術被應用于調平技術中，調平的支撐方式較為常見的四點支撐、六點支撐的靜定問題得到解決，以及增加了并聯機構的方式[2-3]。進入21 世紀，調平系統的精度要求和穩定性要求也越來越高，隨著數字化技術的逐步發展，相繼研發出更高精度和集成的數字式交流伺服系統，新的計算機技術和調平控制算法也應用于自動調平系統中并完成調平動作，提升了調平系統的自動化水平以及適應復雜環境的能力[4-7]。

我國的調平技術研究起步相對較晚，直到上世紀90 年代才開始[8-10]。華中科技大學的SU 等[4]設計了一套使用高速調節開關調節閥控制的調平裝置，通過實際應用驗證了其有效性。盛英等[11]設計了一種針對重型機械且調平精度較高的調平裝置。該裝置采用電液伺服系統，利用Stewart 結構以6 個液壓缸作為并聯機構，通過分析計算將自動調平裝置的液壓結構進行簡化，轉為靜定結構，并通過運動學和動力學的分析計算，得出了六點支撐式自動調平系統的調平算法和運動規劃方案。

本世紀初期，我國對調平系統的精度要求和穩定性要求也越來越嚴苛[12-14]。林有才等[15]設計了一種液壓調平系統應用在高機動性地面雷達上，采用高精度的水平誤差檢測儀器和誤差反饋電路實現調平系統的閉環調節，同時采用電動手動并聯和模塊化系統設計，提高了系統反應速度和可靠性。李迪科等[16]對電液式調平系統與機電式調平系統，三點支撐與四點支撐進行對比，優選出一種四點支撐多單片機并聯的機電式調平系統，在X、Y 這2個角度下的誤差都相當小。何林立[17]設計了一種基于模糊PID 算法控制的四點支撐式重載調平裝置，該算法能夠有效地抑制振蕩，使裝置更快速、更平穩地達到水平狀態。張鵬等[18]通過虛擬樣機現代設計方法，對動力學模型進行了仿真和結構優化，得到了最優結構的高空作業平臺的調平裝置。

2 總體結構方案

2.1 設計要求

本文要設計的是無人機自動換電裝置升降平臺，當無人機在換電裝置上方懸停時，升降平臺接收到系統的信號將完成上升動作，等待無人機成功降落之后，歸中裝置使無人機?？吭谕C坪的中間位置。完成夾緊動作，升降平臺接收信號完成下降動作，升降平臺需要具有很好的穩定性與安全性，為無人機換電提供穩定性和精準性平臺支撐保障。

2.2 設計方案

本換電裝置升降平臺采用滾珠絲桿驅動的升降方式。升降結構包括伺服電機驅動、齒輪齒條副和絲桿等結構，其工作原理是以伺服電機為動力，通過做角運動的鉸接副驅動框架進行直線運動，從而實現換電裝置上升或下降的動作。其優點是構造簡單、操作簡便、運轉高效、升降行程大，缺點是升降時的速度為非線性、穩定性差、操作時的各種參數較小，變速比難以控制、變速系統復雜等，這對變速裝置的工作性能和使用壽命提出了更高的要求。在升降過程中，采用升降臺與齒條組合結構，以滿足升降要求，但由于其需要安裝在固定支架上，而且對使用環境要求較高，因此其具有系統相對穩定性的優勢。對于絲桿驅動的升降機構，使用絲桿可將旋轉運動轉變為直線運行，運動特征使平臺完成上升和下降，它結構緊湊、體積小、噪音小、傳動相對穩定，特別適合在大面積的微動平臺上使用，設計合理，具備自鎖功能。

2.3 升降平臺結構

升降平臺裝置的總體結構主要由升降基座和滾珠絲桿升降機構、伺服電機驅動組件、歸中校正機構組成，如圖1 所示。

圖1 升降裝置總體結構

滾珠絲桿升降機構是升降平臺的升降基座，該升降基座主要包括4 組滾珠絲桿組件、2 組伺服電機組件以及停機坪。升降平臺由伺服電機驅動的上下滾珠絲桿升降裝置作垂直運動。該設備可以任意方式停滯或滯留在自鎖升降平臺上，方便增加用于緊急手動升降的模塊化手動裝置。

歸中校正機構可在無人機停放在停機坪上時，自動調整無人機的停放位置，保證無人機停放在停機坪的中央。在停機坪的頂端加裝有2 組對向推送可呈“井”字型分布的橫向推桿和縱向推桿，可被雙軸步進電機驅動同步向內或向外移動，改變橫向推桿和縱向推桿交錯組成的矩形大小，從而使無人機的停放位置在停機坪上的居中位置。

升降調平平臺與歸中校正機構、滾珠絲桿升降機構以及無人機的總體銜接方案如圖2 所示。升降調平平臺的驅動傳動組件為4 組折返式伺服電機。升降調平平臺的傳動組件包括上層的單軸鉸鏈和下層的雙軸鉸鏈以及頂部的調平平臺，與滾珠絲桿升降機構共用安裝基座。調平平臺通過驅動4 個伺服電動缸，能實現平臺在空間運動的“升、降、?！?個姿態和“單向、對向、垂向”3 個平動位移，繼而驅動橫向推桿和縱向推桿同步向內或向外移動來調節平臺水平方向，從而達到歸中的目的，使無人機在特殊情況下降落受影響時，能夠完成水平校正和穩定升降，保障了無人機的自動換電及平穩升降過程。

圖2 總體銜接方案

2.4 工作流程

無人機自動換電裝置升降平臺的工作流程是由伺服電機提供動力，絲桿軸與螺母能夠形成滾珠運行的軌跡，絲桿軸的轉動使得滾珠沿著滾珠絲桿螺紋和螺母內所匹配的螺紋軌跡滾動，使滾動運動變為高效率的直線運動，進而帶動升降調平平臺作上下直線運動。其工作流程如圖3 所示，主要工作過程是步進電機驅動器通過升降指令控制電機啟動，從而實現調平平臺的升降運動，通過電限位檢測裝置的反饋對電機的工作狀態進行監測，同時為了防止步進電機燒壞而設置了過流保護。

圖3 升降機構的工作流程

根據升降平臺的功能實現，需要通過伺服電機帶動齒輪實現絲桿軸轉動，同時其余的絲桿同步轉動，使得升降盤上下平移，從而聯動升降平臺上的歸中校準機構平臺上下運動。本次設計的平臺采用4 根滾軸絲桿控制升降平臺的升降動作，相比于其他數目的絲桿，4 根絲桿分布于長方形升降平臺的4 個邊角，在工作時同時轉動，由于滾軸絲桿具有自鎖的特性，使得每根絲桿都起到承受力的作用，同時確保導向平臺作平穩的上下運動，保證了升降平臺工作的平穩性，且具有更強的結構穩定性。

3 歸中平臺升降系統設計

3.1 電氣系統組成

歸中平臺升降裝置的電氣系統主要由控制系統、檢測組件和執行機構等組成，具體結構框架如圖4所示。歸中平臺升降裝置的升降系統是由CAN 控制器實現電氣系統控制，在接收到無人機返航信號時，CAN 控制器通過CAN 總線傳輸信號至伺服電機組驅動自動調平平臺升至預設無人機降落高度；當CAN控制器接收到無人機降落至自動調平平臺并完全停穩的信號時，驅動絲桿滑塊式升降機構開始下降，同時置于平臺上的驅動伺服電機組全向調平控制單元對無人機進行校準調平；當升降平臺下降至下限位的限位開關時，CAN 控制器接收到限位開關信號并暫停動作，檢測組件（傾角傳感器、位移傳感器）無信號輸出時，整體調平平臺的升降系統部分任務完成。

圖4 電氣系統框架

檢測組件包括傾角傳感器、位移傳感器和上下極限位置的限位開關等硬件。其中傾角傳感器是用于測量升降平臺與水平面的X 軸和Y 軸的傾斜角數值，并將該值傳遞至CAN 控制器進行處理及控制；位移傳感器是用于測量調平平臺的位移距離數值并反饋給CAN 控制器；上下極限位置的限位開關是用于限制平臺超行程運動以及當位移傳感器出現故障時，緊急控制升降平臺停止。

控制系統的核心是調平及升降運動控制單元。它根據傾角傳感器回傳的傾斜角數值，通過CPU 處理并轉化為信號，控制伺服電動缸的運動，并對傾斜角數值的回傳頻率與伺服電動缸的響應頻率進行耦合，達到對升降平臺進行動態水平校正的目的。它還能根據位移傳感器回傳的平臺位移距離數值，通過CPU 處理并轉化為信號，控制伺服電動缸來驅動滾珠絲桿升降機構，使平臺上升或者下降，達到對升降平臺高度調整的目的。

執行機構包括伺服驅動器、伺服電缸和傳動裝置等，它用于支撐整個平臺以及按照控制系統的指令完成對平臺的升降和調平工作。

3.2 控制系統組成

控制系統為基于嵌入式控制的四點支撐自動調平的機電式調平系統，主要包括運動控制單元和檢測組件，結構框架如圖5 所示。調平平臺工作時，傾角傳感器和位移傳感器將測量的數值信號回傳到CAN 控制器，CAN 控制器通過CAN 總線將控制信號傳達到運動控制器，調平升降平臺有6 組伺服系統（4 組伺服電缸組和2 組伺服電機組）實現平臺的自動調平和升降系統的控制，2 個步進電機控制歸中校正。

圖5 控制系統框架圖

檢測組件由傾角傳感器、位移傳感器和上下極限位置的限位開關等組成。其中傾角傳感器可實時測量升降平臺與水平面的X 軸和Y 軸的傾斜角數值，能保持升降調平平臺恒定水平。位移傳感器設置了手動和電動這2 種控制方式，具有斷電位置記憶功能。限位開關由上下2 個接近開關組成，用于上下極限位置電氣安全保護。

運動控制單元包括CAN 控制器、CAN 總線通信、運動控制器、嵌入式操作系統及其控制軟件。

3.3 軟件系統設計

整個歸中調平系統采用嵌入式控制軟件，其程序主要包括人機交互系統，硬件初始化，自檢程序，升降、調平、運動控制軟件應用程序及驅動程序等，能夠與無人機換電裝置結合，完成無人機全程自動化作業。

控制軟件的主要功能包括自檢、CAN 通信控制、信號接收、工作監控、數據采集、驅動運動控制以及故障報警等，并且具有工作順序安排功能，保證高效且迅速地完成任務。

歸中平臺升降系統控制流程如圖6 所示，其中自檢程序可對硬件和軟件的功能和運行狀態進行檢測，當發現硬件或運行程序故障時，會自動發出警報并顯示故障信息。在接收到降落信號時，控制系統會按照時序及邏輯控制完成全部工作流程，如當無人機飛至自動續航裝置上空時，升降平臺上升至最高點，待無人機降落完畢進行歸中校正和調平平臺，并下降至最低點準備換電。工作監控用于接收傳感器回傳的角度和位置從而確定平臺的位置與狀態，能夠記錄平臺校正至水平狀態的調整次數。運動控制系統能通過對運動學模型進行解析，計算出每個伺服電缸的移動距離和運動速度，再由運動控制器協同控制伺服電缸，完成1 次調平運動。各部分通過CAN 總線進行通信控制，將收集到的信息傳遞給CAN控制器進行梳理，并通過時序及邏輯控制完成工作。

圖6 控制策略流程

4 結語

本文主要研究了無人機自動換電裝置的歸中升降平臺的結構設計與控制系統軟硬件的設計及搭建，目前形成了試驗樣機，且對無人機降落后的歸中、調平、升降和換電的整個操作流程進行了試驗，并通過優化無人機在自動續航平臺內部的升降動作，最終使得歸中平臺升降系統實現靜態或動態升降，保障無人機在升降調平平臺的安全起降。本文針對無人機自動續航裝置的設計實現進行研究，從歸中升降平臺的結構設計出發，開發了一套針對無人機自動續航裝置升降平臺實際應用場景的升降調平控制系統，該系統能夠在接收無人機降落信號后控制平臺完成歸中、升降、調平動作，輔助無人機的自動換電工作，擴展了調平式運動平臺的應用場合，更好地實現調平平臺運動控制，也為實現無人機自動續航裝置的升降調平動作提供了基礎的控制原理與結構方案。