一种系留无人机线缆收放装置
阅读说明：本技术 一种系留无人机线缆收放装置 (Staying unmanned aerial vehicle cable winding and unwinding devices ) 是由 贾涛 张望成 孙冰寒 白文虎 郑小磊 李�浩 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种系留无人机线缆收放装置,属于无人机技术领域。该装置内部采用ARM处理器,通过网口与地面站进行通信,无人机位置信息通过系留线缆光纤通信传至地面站,地面站将无人机位置信息发送给控制装置ARM处理器；同时,ARM处理器接收线轮上拉力传感器的数值,ARM处理器通过解算无人机位置信息和拉力值,经过卡尔曼滤波算法消除噪声,结合自适应控制算法,输出控制电压信号,控制离合器离合程度及减速电机转速,达到改变收线速度的效果。与现有技术相比,本发明可以根据无人机的位置及高度自主进行收放缆的动作,减少人力操作成本。(The invention provides a mooring unmanned aerial vehicle cable winding and unwinding device, and belongs to the technical field of unmanned aerial vehicles. The device is internally provided with an ARM processor and is communicated with a ground station through a network port, the position information of the unmanned aerial vehicle is transmitted to the ground station through the optical fiber communication of a mooring cable, and the ground station sends the position information of the unmanned aerial vehicle to the ARM processor of the control device; meanwhile, the ARM processor receives the value of the tension sensor on the take-up pulley, eliminates noise through a Kalman filtering algorithm by resolving the position information and the tension value of the unmanned aerial vehicle, and outputs a control voltage signal by combining with a self-adaptive control algorithm to control the clutch degree of the clutch and the rotating speed of the speed reduction motor so as to achieve the effect of changing the take-up speed. Compared with the prior art, the cable winding and unwinding device can automatically perform cable winding and unwinding actions according to the position and the height of the unmanned aerial vehicle, and reduces the manual operation cost.)
技术领域
本发明涉及到无人机技术领域，特别涉及一种系统无人机线缆收放装置。
背景技术
随着无人机技术的发展和推广，其续航问题越发突出。当前旋翼无人机主要采用电池供电，其续航能力一般为30-60分钟，无法在高空持续悬停执行任务。针对上述问题，设计了一套旋翼无人机系留线供电及收放系统，采用地面站进行供电、控制和业务数据通信，不仅可以有效保证飞控指令交互的安全性，还可以进行长时间不间断的空中悬停，完成侦察、通信任务。当系留无人机起飞降落时，系留线缆的收放需要人工参与，本发明基于该问题，采用智能控制装置来控制线缆的自动收放，减少人力操作成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种系留无人机线缆收放装置。该装置收放速度自主性高，不要人工参与。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种系留无人机线缆收放装置，包括卷扬机和驱动卷扬机转动的电机，还包括线缆控制系统；
所述线缆控制系统包括用于实时监测线缆拉力的拉力传感器、用于控制电机的ARM控制器以及用于接收无人机位置信息的上位机；所述电机和卷扬机之间通过离合器和减速电机变速驱动；
所述ARM控制器包括中心处理模块、电压控制模块和继电器；所述ARM控制器接收到拉力传感器的拉力信息和上位机传输的无人机位置信息进行解算，输出电压控制信号到电压控制模块，通过电压控制模块控制离合器的离合程度和减速电机的转速，并对无人机线缆收放速度进行控制；ARM控制器通过电磁继电器对电机进行启停控制。
进一步的，所述ARM控制器执行的高度控制过程具体如下：
a、当无人机高度h增加时，ARM控制器向电磁继电器发送放线指令，通过电机执行放线动作；
b、当无人机高度h降低时，ARM控制器向电磁继电器发送收线指令，通过电机执行收线动作；
c、当无人机高度h不变即无人机保持悬停时，ARM控制器向电磁继电器发出停转指令，电机停转。
进一步的，所述ARM控制器执行的线缆拉力控制过程具体如下：
无人机悬停状态的拉力值为F0，ARM控制器设定拉力的上限值为F0+b，下限值为F0+a，其中，b＞a＞0；在t时刻，拉力传感器监测到拉力传感器的拉力值为
a、当时，电磁继电器接通，电机执行收线动作；
b、当且电机执行收线动作时，电机保持收线动作；
c、当且电机执行收线动作时，电机停止转动；
d、当且电机执行放线动作时，停止电机转动；
e、当电磁继电器接通，电机执行放线动作。
进一步的，所述ARM控制器内还执行有用于减小噪声对拉力传感器的影响的拉力辅助算法：
由拉力传感器测量的实时拉力无人机的实时高度h以及上升/下降速度ω，其中则拉力F的状态方程为：
式中，Fk为要估计的状态，Fm为实时拉力测量值，k-1为上一时刻状态，k为当前时刻状态，u为过程噪声，v为测量噪声，Fk-1为上一时刻的预测值；
在当前时刻，扩展卡尔曼滤波包括预测和更新，其中预测算法为：
更新算法为：
Pk丨k-1＝(1-KkHk)Pk丨k-1
其中，为通过测量值Fm求出的当前状态的后验状态估计，Pk表示后验状态估计的误差协方差矩阵，Q和R分别是噪声u、v的协方差矩阵，G表示上一状态到当前状态的转换矩阵，H表示当前状态到测量值的转换矩阵，Kk表示卡尔曼增益，Sk表示中间变量，下标k丨k-1代表k-1时刻对k时刻的变量预测，为当前时刻状态的测量值；
通过迭代预测和更新，得到拉力的预测结果。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明的线缆轮的收放过程全程自动进行，控制装置内部ARM芯片通过地面站得到的无人机定位信息及线缆张力大小，自主解算出收放速度，不需要人工参与。
附图说明
图1是本发明实施例的系统图；
图2是本发明实施例的原理图；
图3是本发明实施例的信号流程图；
图4是本发明实施例经过卡尔曼滤波算法后的线缆拉力滤波效果图。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
本发明的目的是这样实现的：地面控制站PC通过串口与线缆控制装置进行通信，上电后控制器刚化，将电机置于停机模式下，停机模式下线轮处于恒张力状态，使线轮静止。正常工作阶段，收线模式下，电机通电实现电机带动线轮旋转实现光电线缆卷收，通过离合器及减速电机调节线缆卷收速度，主要用于无人机下降过程中线缆的自动收线；放线模式下，使离合器为微阻尼状态，电机停转，无人机上升产生的拉力将线缆拉出带动线轮自由转动，离合器微阻尼状态为了克服线轮在快速转动时产生惯性；停转模式，电机停转，离合器为收紧状态，外力转动受到一定阻力，主要用于在系留无人机长时间飞行过程中防止风、外力等因素而导致线缆放出。
线缆自动收放控制装置通过STM32单片机集成继电器，通过线轮预留接口实现地面站端控制，通过I/O口高低电平控制5V电磁继电器实现24V电机的停转，通过DAC功能调节电源转换模块的电压大小，控制离合器离合程度及减速电机转动速度，由于电机齿轮与离合器齿轮啮合，电机转速恒定情况下，离合器两端电压越高，啮合度越高，线轮收线速度越快；该过程由智能控制器自主进行。此外，加入人工控制，使用方法为通过地面站上位机软件切换线轮模式，按键“停机”为停模式，系统上电默认为停机模式，通过按键“放线”可切换至放模式，通过按键“收线”可切换至收模式，当切换至收模式下，通过按键“加速”“减速”调节收线速度，控制装置内部芯片由5V供电，外部预留四芯航插头，可与线轮原有四芯航插头直接相连。
本发明还包括这样一些特征：
1.控制装置通过航插接头与线轮预留接口相连接。
2.控制装置与系留无人机地面站通过网口通信，由地面站输出控制信号。
3.包括权利要求3所述的系留无人机收放缆装置，控制装置输出可调节电压信号控制离合器，控制装置输出通断指令控制继电器从而控制直流电机，地面站将给定张力值和无人机定位信息发送给控制装置；控制装置通过网口通讯将当前工作状态发送给地面站。
下面为更一具体的实施例：
结合图1至图3，本实施例为一种系留无人机线缆自动收放装置和其控制方法。
基于自适应控制算法主要包括以下步骤：
(1)收放缆装置的控制系统由拉力传感器、陀螺仪、ARM控制板及其控制算法组成。
具体地，包括以下步骤：
(1.1)通过测量线缆的实时拉力及无人机的高度，控制电机进行收放线缆的动作，实现线缆长度的实时调节。
(1.2)其基本原理是：设定线缆拉力的上下限，并结合无人机的高度值，如果拉力小于下限，收线缆直至回复到设定范围；反之则放线缆。控制的最终效果为线缆处于略收紧的状态，实现线缆的自适应控制。
(1.3)驱动系统为直流电机、离合器及减速电机构成，，按照动作要求进行转动，实现拉力维持在设定的范围内。
(2)由于测量点易受天气、空中环境条件等扰动影响。测量值含大量噪声，容易造成执行机构的误动作或频繁动作，此外，在风力、无人机升力等外力作用下，线缆拉力会频繁变化，对此，在线缆轮处安装拉力传感器。
本实施例中。具体地，包括以下步骤：
由拉力传感器测量的实时拉力无人机的实时高度h以及上升/下降速度ω，其中则拉力F的状态方程为：
式中，Fk为要估计的状态，Fm为实时拉力测量值，k-1为上一时刻状态，k为当前时刻状态，u为过程噪声，v为测量噪声；
在当前时刻，扩展卡尔曼滤波包括预测和更新，其中预测算法为：
更新算法为：
Pk丨k-1＝(1-KkHk)Pk丨k-1
其中，为通过测量值Fm求出的当前状态的后验状态估计，Pk表示后验状态估计的误差协方差矩阵，Q和R分别是噪声u、v的协方差矩阵，G表示上一状态到当前状态的转换矩阵，H表示当前状态到测量值的转换矩阵，Kk表示卡尔曼增益，Sk表示中间变量，下标k丨k-1代表k-1时刻对k时刻的变量预测；
通过迭代预测和更新，得到拉力的预测结果。图4对比了滤波前后的拉力值，其中在100s时拉力F(t)产生阶跃渐变。可以看到采用EKF方案能明显改善噪声的影响，提高预测准确度。
进一步地，线缆自适应控制算法由无人机高度控制算法(算法1)和线缆拉力控制算法(算法2)组成。具体地，包括以下步骤：
无人机高度控制算法(算法1)。无人机飞行高度为h，t时刻的执行规则为：
a.当无人机高度h增加时，智能控制器发出“放线”指令，使之执行放线动作；
b.当无人机高度h降低时，智能控制器发出“收线”指令，转动电机，使之执行收线动作；
c.当无人机高度h不变(悬停)时，智能控制器发出“停止”指令，电机停转，收线机构不动作；
线缆拉力控制算法(算法2)无人机悬停状态的拉力值为F0，ARM控制器设定拉力的上限值为F0+b，下限值为F0+a，其中，b＞a＞0；在t时刻，拉力传感器监测到拉力传感器的拉力值为
a、当时，电磁继电器接通，电机执行收线动作；
b、当且电机执行收线动作时，电机保持收线动作；
c、当且电机执行收线动作时，电机停止转动；
d、当且电机执行放线动作时，停止电机转动；
e、当电磁继电器接通，电机执行放线动作。
若发生不符合以上条件的情况，算法2不产生动作信号；若算法1和算法2的结果相互冲突，优先执行算法1的结果。
执行算法1和算法2，呈现出的效果为无人机悬停时线缆基本保持竖直方向，线缆自动收放控制装置上传感器的拉力阈值控制在[F0+a，F0+b]，使线缆始终处于略收紧的状态。
若传感器产生故障信号，控制板控制外部输出电路，使警示灯发出每5s闪烁一次的故障信号；在异常状况下，如执行机构卡死或线缆收放机构失去动力，可能导致系统工作不正常。对此，若判定连续10个采样时间或成立，则控制板回传故障信号到地面站，使地面站警示灯发出每1s闪烁一次的故障信号。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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