阅读说明：本技术 无人机系留线缆收放控制系统和控制方法 (Unmanned aerial vehicle mooring cable winding and unwinding control system and control method ) 是由 邱承跃 白宇军 李森 于 2019-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了无人机系留线缆收放结构,属于无人机系留技术领域,地面控制装置通过控制电路控制所述卷缆装置对系留线缆的收放,系留线缆卷绕在所述卷缆装置上,且其头端穿过所述排线装置、缓冲装置以及应急脱揽装置连接无人机；所述缓冲装置带有与地面控制装置通讯的过缓冲信号检测单元,所述地面控制装置根据过缓冲信号检测单元的信号控制所述应急脱揽装置的启动；所述电源管理器用于连接电源并为控制系统供电,是一种适用于系留无人机的自动收放、稳定、且带有一定的缓冲功能的收放系统。(The invention discloses a mooring cable winding and unwinding structure of an unmanned aerial vehicle, and belongs to the technical field of mooring of unmanned aerial vehicles.A ground control device controls winding and unwinding of a mooring cable by a cable winding device through a control circuit, the mooring cable is wound on the cable winding device, and the head end of the mooring cable penetrates through a wire arranging device, a buffer device and an emergency cable releasing device to be connected with the unmanned aerial vehicle; the buffer device is provided with an over-buffer signal detection unit communicated with the ground control device, and the ground control device controls the starting of the emergency cable-removing device according to the signal of the over-buffer signal detection unit; the power supply manager is used for connecting a power supply and supplying power for the control system, and is an automatic winding and unwinding system which is suitable for the tethered unmanned aerial vehicle, stable and has a certain buffering function.)

无人机系留线缆收放控制系统和控制方法

技术领域

本发明属于无人机系留技术领域，具体涉及一种无人机系留线缆收放控制系统及其控制方法。

背景技术

系留无人机系统由多旋翼无人机、系留线缆、地面起降平台组成，无人机使用地面供电长时间滞空悬停，同时，机载设备采集的高清视频等数据可以通过系留线缆内置的光纤回传到地面，具有空中长时间作业、数据传输带宽大的优势，整个系统可独立式安装，也可以车载安装，并能自动同步跟随车辆移动。系留旋翼无人机的市场需求来源于系留升空平台系统。

系留多旋翼无人机的最关键改进是增加了系留供电系统，其基本原理是地面电源将地面220 V交流电变换为高压后通过系缆传输到机载电源，再变换为飞行器及任务载荷的供电电源。系缆中除了供电导线，还有两条单模光纤，可用于机载任务载荷与地面设备之间的宽带信号通信。

系留旋翼平台主要是在定点周围悬停，不会有过多复杂的飞行动作，但系留旋翼的飞控需要充分考虑系缆对其飞行的影响，特别是在各种风场条件下，系缆随风产生的摆动会使平台失去控制，一般来说，民用系留旋翼无人机至少要达到恒风6级阵风8级的要求，才能有实际使用意义。在6～8级的风场的应用时，系缆并没有固定的运动规律可言，要靠飞控对旋翼平台控制的鲁棒性来调整，其操控难度不低于固定翼，为匹配系统旋翼平台要在强风中的作业场景，平台的气动力设计尤其重要。系统旋翼平台在风场中悬停，实际上相当于平台在沿来风方向做平面飞行。6～8级风速为10.8～20.7米/秒，相当于旋翼平台要有最高时速不小于75千米的能力。

在现有技术中，如公开号为CN108248888A，公开日为2018年7月6日，名称为“用于系留无人机飞行器的自动收放线装置”的发明专利文献，公开了一种用于系留无人机飞行器的自动收放线装置，包括旋转臂和线缆盘，所述的旋转臂一端连接驱动装置，旋转臂的外侧端部具有走线套筒，电缆线通过走线套筒从线缆盘连接飞行器，所述的走线套筒包括套筒环，套筒环具有多个安装滚珠的滚珠槽，滚珠安装在滚珠槽内，滚珠在滚珠槽的开口处呈半裸露状态。本发明中，旋转臂通过驱动装置带动旋转，来完成线缆盘中电缆线的收放，臂旋转的线盘效率高，而且效果好，电缆线与套筒环内的滚珠能够处于滑动接触，防止电缆线出现打卷或者卡死现象，而且提升的电缆线的收放速度；但是这种系留结构的技术方案中缺乏针对系留状态下突发升降、偏移等动作的有效、便捷处理应对结构，调整结构的动作始终要慢过突发动作的行程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于系留无人机的自动收放、稳定、且带有一定的缓冲功能的线缆收放控制系统和控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

无人机系留线缆收放控制系统，其特征在于：包括地面控制装置、电源管理器、应急脱揽装置以及带有排线装置和缓冲装置的卷缆装置；

所述地面控制装置通过控制电路控制所述卷缆装置对系留线缆的收放，系留线缆卷绕在所述卷缆装置上，且其头端穿过所述排线装置、缓冲装置以及应急脱揽装置连接无人机；所述缓冲装置带有与地面控制装置通讯的过缓冲信号检测单元，所述地面控制装置根据过缓冲信号检测单元的信号控制所述应急脱揽装置的启动；所述电源管理器用于连接电源并为控制系统供电，即地面控制装置操控线缆收放，线缆则经过排线装置、缓冲装置以及应急脱揽装置连接无人机，过缓冲信号检测单元可以在无人机突发情况下触脱揽机制保证安全。

优选地，还包括与控制电路相连、用于显示系统工作运行状态的显示器。

所述缓冲装置包括定滑轮组和动滑轮组，系留线缆通过所述排线装置绕过所述缓冲装置的定滑轮组和动滑轮组后连接无人机；且所述动滑轮组通过系留线缆悬吊在所述定滑轮组之下，且所述定滑轮组和动滑轮组之间设置有测距装置。该结构保证了定滑轮组和动滑轮组之间可以有一定程度的相向运动空间。

即无人机上升时系留线缆自卷缆装置开始放出，经过排线装置、定滑轮组和动滑轮组随着无人机上升到达指定系留高度后卷缆装置停止放线，无人机遇到气流等影响时，发生偏移或上升，就会通过系留线缆将动滑轮向上拉，定滑轮组和动滑轮组之间的相向运动空间就成为了缓冲行程。

进一步的，所述定滑轮组和动滑轮组之间设置有直线的导向滑轨，所述定滑轮组设置在导向滑轨一端，所述动滑轮组可滑动的设置在导向滑轨上；即，所述定滑轮组和动滑轮组之间的相对滑动被所述导向滑轨限定在直线上，这样可以保证避免相对滑动的偏移使得线缆打搅，也可以确保过缓冲信号检测单元只需要检测直线距离的变化即可确定缓冲程度的变化。

进一步的，本发明还公开了一种无人机系留线缆收放控制系统的控制方法，其特征在于：

将缓冲装置的定滑轮组和动滑轮组之间的行程划分为上、中、下三段区域，并通过定滑轮组和动滑轮组之间设置的测距装置实时监测动滑轮组与定滑轮组之间的相对距离以及动滑轮组相对定滑轮组的速度；

当动滑轮组朝向定滑轮组升高运动至上段区域时，即判断无人机此时在上升状态中，通过地面控制装置控制卷缆装置启动释放系留线缆；

而当动滑轮组位于中段区域时，可以判断无人机在稳定系留状态，卷缆装置不放缆也不收揽；

当动滑轮组相向定滑轮组下降至下段区域时，即判断此时无人机在下降状态中，通过地面控制装置控制卷缆装置启动收卷系留线缆;

所述地面控制装置控制卷缆装置启动释放或收卷系留线缆，均根据动滑轮组上升或者下降的速度来对应控制系留线缆释放或收卷的速度。

可以明确看出，本发明的这种控制方法，针对无人机系留状态中上升、下降、系留三个状态分别设置控制机制，并且可以根据地面站的检测实时得知状态，还能通过速率调整及时应对无人机的突发动作。

整个缓冲区域可以随着换轮组的增加和减小来改变缓冲对缓冲长度。

所述动滑轮组上升或者下降的速度是通过所述测距装置实时监测动滑轮组与定滑轮组之间的相对距离并结合监测时间计算得到的。速度的算法则很容易实现，如在第一次测量定滑轮组和动滑轮组之间的距离值为L₁，第二次为L₂，两次测量的时间间隔为t，N为滑轮数量，则速度为V_s=|L₁-L₂|*N/t，并且（L₁-L₂）的值为正和负刚好能够对应此时的升降状态。

还包括应急脱揽步骤，系留线缆还通过应急脱揽装置与无人机连接，设置定滑轮组和动滑轮组之间的安全距离值L，当判断无人机在上升状态时，地面控制装置根据所述测距装置实时监测动滑轮组与定滑轮组之间的相对距离L，当L_i≦L，所述控制装置控制所述应急脱揽装置切断系留线缆并且关闭供电电源。

所述地面控制装置控制卷缆装置启动收卷系留线缆时，还包括排线装置与卷缆装置同步调整步骤，根据卷缆装置同收卷系留线缆的方向与速度，通过排线装置上的舵机左右移动带动系留线缆排顺卷入卷缆装置排齐线缆，保证线不会堆积和掉落。

附图说明

本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1是本发明系统一种优选方案的结构示意图；

图2是本发明卷缆装置一种优选方案的立体结构示意图；

图3是本发明缓冲装置一种优选方案的立体结构示意图；

图4是本发明缓冲装置一种优选方案的内部结构示意图；

图中：

1、定滑轮组；2、动滑轮组；3、排线装置；4、卷缆装置；5、测距装置；6、导向滑轨。

具体实施方式

下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。

实施例1

作为本发明系统一种最基本的实施方案，公开了无人机系留线缆收放控制系统，如图1，包括地面控制装置、电源管理器、应急脱揽装置以及带有排线装置3和缓冲装置的卷缆装置4；

所述地面控制装置通过控制电路控制所述卷缆装置4对系留线缆的收放，系留线缆卷绕在所述卷缆装置4上，且其头端穿过所述排线装置3、缓冲装置以及应急脱揽装置连接无人机；所述缓冲装置带有与地面控制装置通讯的过缓冲信号检测单元，所述地面控制装置根据过缓冲信号检测单元的信号控制所述应急脱揽装置的启动；所述电源管理器用于连接电源并为控制系统供电，即地面控制装置操控线缆收放，线缆则经过排线装置3、缓冲装置以及应急脱揽装置连接无人机，过缓冲信号检测单元可以在无人机突发情况下触脱揽机制保证安全。

实施例2

作为本发明系统一种优选地实施方案，在具体实施例1的基础上，进一步的，还包括与控制电路相连、用于显示系统工作运行状态的显示器；所述缓冲装置包括定滑轮组1和动滑轮组2，系留线缆通过所述排线装置3绕过所述缓冲装置的定滑轮组1和动滑轮组2后连接无人机；且所述动滑轮组2通过系留线缆悬吊在所述定滑轮组1之下，且所述定滑轮组1和动滑轮组2之间设置有测距装置5。该结构保证了定滑轮组1和动滑轮组2之间可以有一定程度的相向运动空间。

即无人机上升时系留线缆自卷缆装置4开始放出，经过排线装置3、定滑轮组1和动滑轮组2随着无人机上升到达指定系留高度后卷缆装置4停止放线，无人机遇到气流等影响时，发生偏移或上升，就会通过系留线缆将动滑轮向上拉，定滑轮组1和动滑轮组2之间的相向运动空间就成为了缓冲行程。进一步的，所述定滑轮组1和动滑轮组3之间设置有直线的导向滑轨6，所述定滑轮组1设置在导向滑轨6一端，所述动滑轮组2可滑动的设置在导向滑轨6上；即，所述定滑轮组1和动滑轮组2之间的相对滑动被所述导向滑轨6限定在直线上，这样可以保证避免相对滑动的偏移使得线缆打搅，也可以确保过缓冲信号检测单元只需要检测直线距离的变化即可确定缓冲程度的变化。

实施例3

作为本发明系统一种最基本的实施方案，公开了一种无人机系留线缆收放控制系统的控制方法，将缓冲装置的定滑轮组1和动滑轮组2之间的行程划分为上、中、下三段区域，并如图1，通过定滑轮组1和动滑轮组2之间设置的测距装置5实时监测动滑轮组2与定滑轮组1之间的相对距离以及动滑轮组2相对定滑轮组1的速度；

当动滑轮组2朝向定滑轮组1升高运动至上段区域时，即判断无人机此时在上升状态中，通过地面控制装置控制卷缆装置4启动释放系留线缆；

而当动滑轮组2位于中段区域时，可以判断无人机在稳定系留状态，卷缆装置4不放缆也不收揽；

当动滑轮组2相向定滑轮组1下降至下段区域时，即判断此时无人机在下降状态中，通过地面控制装置控制卷缆装置4启动收卷系留线缆;

所述地面控制装置控制卷缆装置4启动释放或收卷系留线缆，均根据动滑轮组2上升或者下降的速度来对应控制系留线缆释放或收卷的速度。

可以明确看出，本发明的这种控制方法，针对无人机系留状态中上升、下降、系留三个状态分别设置控制机制，并且可以根据地面站的检测实时得知状态，还能通过速率调整及时应对无人机的突发动作。

实施例4

作为本发明系统一种优选地实施方案，在实施例3的基础上，进一步的，所述动滑轮组2上升或者下降的速度是通过所述测距装置5实时监测动滑轮组2与定滑轮组1之间的相对距离并结合监测时间计算得到的。速度的算法则很容易实现，如在第一次测量定滑轮组1和动滑轮组2之间的距离值为L1，第二次为L2，两次测量的时间间隔为t，滑轮个数N，则速度为Vs=N*|L1-L2|/t，并且（L1-L2）的值为正和负刚好能够对应此时的升降状态。

并且还包括应急脱揽步骤，系留线缆还通过应急脱揽装置与无人机连接，设置定滑轮组1和动滑轮组2之间的安全距离值L，以及动滑轮组2向定滑轮组1移动的最大安全速度V，当判断无人机在上升状态时，地面控制装置根据所述测距装置5实时监测动滑轮组2与定滑轮组1之间的相对距离Li，当Li≦L，所述控制装置控制所述应急脱揽装置切断系留线缆并且关闭供电电源。

所述地面控制装置控制卷缆装置4启动收卷系留线缆时，还包括排线装置3与卷缆装置4同步调整步骤，根据卷缆装置4同收卷系留线缆的方向与速度，通过排线装置3上的舵机左右移动带动系留线缆排顺卷入卷缆装置4排齐线缆，保证线不会堆积和掉落。

例如：

1.线缆宽度为2.4mm，线长120m，滚筒直径=270mm，宽度=130mm。

2.计算后需绕约142圈线在滚筒上，由于需要富裕15mm在宽度上，至少在滚筒上卷4层线缆。

3.根据滚筒的宽度可以得出舵机排线支撑杆的行程≤100mm，每一层40圈。所以舵机角行程刻度在≥80°（舵机精度2°比较合适）。舵机角行程不宜超过120°，超过120°绕线会更稀松会让滚筒上的线层数更多，不宜散热。

4.来设计舵机排线支撑杆的长度L，满足：sinα*L*2≤100mm （其中80°≤α≤120°）。

本方法的优点在于，通过地面电源馈电给无人机使用以至于让无人机长时间飞行，根据无人机姿态自动去适应收揽或放缆状态，根据无人机状态开启或关闭高压电源，自动排线防止线缆松动发生故障，自动缓冲区能够有约3米缓冲区，缓冲线缆状态，全自动控制电路，智能控制机器状态和监控。