一种电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒及工作方法
阅读说明：本技术 一种电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒及工作方法 (Electrical and pneumatic heterogeneous redundant undercarriage retractable actuator cylinder of unmanned aerial vehicle and working method ) 是由 赵亚妮 李桐 窦森 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒及工作方法,属于飞机起落架技术领域,以电动单元为主工作通道,气动单元为应急的辅助通道。正常工作情况下,控制器接收到指令后控制电机转动,电机通过传动组件带动推杆按指令要求方向运动,从而带动起落架运动,直至起落架至目标位置,则控制电机停转,起落架到位锁定。当电动单元出现故障时,飞管计算机启动应急放电源,电磁阀开通气瓶输出高压气体,使气动马达开始工作,气动马达通过传动组件带动推杆运动,进而带动起落架运动。本发明装置能够在电动单元出现故障时,通过气动单元带动起落架运动,有效解决了液压作动筒体积大、效率低、维修性差及电动作动筒可靠性低等问题。(The invention discloses an electric and pneumatic heterogeneous redundant unmanned aerial vehicle undercarriage retracting actuator cylinder and a working method, belongs to the technical field of aircraft undercarriages, and aims to provide an electric unit as a main working channel and a pneumatic unit as an emergency auxiliary channel. Under the normal operating condition, the controller receives the instruction and then controls the motor to rotate, the motor drives the push rod to move according to the instruction required direction through the transmission assembly, so that the undercarriage is driven to move, until the undercarriage reaches the target position, the motor is controlled to stop rotating, and the undercarriage is locked in place. When the electric unit breaks down, the flying pipe computer starts an emergency discharge source, the electromagnetic valve is switched on, the gas cylinder outputs high-pressure gas, the pneumatic motor starts to work, and the pneumatic motor drives the push rod to move through the transmission assembly, so that the undercarriage is driven to move. The device can drive the undercarriage to move through the pneumatic unit when the electric unit fails, and effectively solves the problems of large volume, low efficiency, poor maintainability, low reliability of the electric actuating cylinder and the like of the hydraulic actuating cylinder.)
技术领域
本发明属于飞机起落架技术领域，涉及一种电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒及工作方法。
背景技术
起落架收放作动筒是无人机起落架的重要组成部分，其工作可靠性直接影响着无人机安全起飞、滑行、着陆的实现以及飞行性能。
现有的无人机起落架多采用以单一的液压或电力为收放动力源，以液压或电动作动筒为主要执行元件的收放系统。液压收放系统虽然技术成熟，但其元件质量大、能耗高、效率低、管路复杂、检修维护时间长。与液压收放系统相比，电动收放系统具有结构紧凑、质量小、检修维护性方便、工作效率高等优点，但是其锁定装置机构复杂、结构件多、故障点较多、可靠性不高。
现有的无人机起落架液压及电动收放作动筒都存在一定的局限性，严重影响了无人机起飞、着陆的可靠性及性能的提高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中，无人机起落架液压及电动收放作动筒都存在一定局限性的缺点，提供一种电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒，包括电动单元和气动单元；
电动单元包括机箱，机箱内安装有控制器、电机、气动马达和传动组件，机箱上还安装有第一电连接器和推杆，推杆上安装有到位开关，第一电连接器与控制器电连接，推杆与外接的无人机起落架连接；
气动单元包括气瓶、电磁阀和第二电连接器，第二电连接器和电磁阀安装在气瓶的一侧，气瓶与气动马达通过管道连接，电磁阀与第二电连接器电连接；
第一电连接器、到位开关、电机分别与控制器电连接；第一电连接器与外接工作电源、应急放电源电连接，第二电连接器与外接应急放电源电连接；气动马达和电机分别与传动组件的输入端连接，传动组件的输出端与推杆连接。
优选地，传动组件包括齿轮、蜗轮蜗杆和滚珠丝杠副；
齿轮输出端与蜗轮蜗杆连接，蜗轮蜗杆的另一端与滚珠丝杠副连接，滚珠丝杠副的另一端与推杆连接；
齿轮的输入端分别与电机和气动马达连接。
优选地，气动单元还包括恒压阀，恒压阀安装在电磁阀的一端；
第一电连接器的侧边开设有气动马达的进气口，气动马达的进气口与恒压阀的出气口通过气体软管连接。
优选地，控制器内设有处理器及驱动器，驱动器用于控制电机的转速，处理器设有七个速度档，七个速度档对应的电压分别为：-4.5V、-3V、-1.5V、0V、+1.5V、+3V和+4.5V。
优选地，到位开关设有四只，推杆的起始位置和终止位置各安装2只到位开关。
优选地，在推杆的两端分别放置有MC尼龙缓冲环。
优选地，电机为无刷直流电机。
一种基于所述电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒的工作方法，包括：
正常情况下，控制器接收到收起/放下指令后，控制电机转动，电机带动传动组件运动，传动组件带动推杆运动，实现起落架的收起或放下动作；
当电动单元故障时，应急放电源上电开通电磁阀，气瓶输出的高压气体带动气动马达转动，气动马达带动传动组件运动，传动组件带动推杆运动，实现起落架的放下动作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒，包括电动单元和气动单元，以电动单元为主工作通道，气动单元为应急的辅助通道，正常工作情况下，控制器控制电机转动，电机通过传动组件带动推杆按指令要求方向运动，从而带动起落架运动，直至起落架至目标位置，则控制无刷电机停转，起落架到位锁定。当电动单元出现故障时，飞管计算机启动应急放电源，通过第二电连接器给气动单元供电，使气动马达开始工作，气动马达通过传动组件带动推杆运动，进而带动起落架运动。本发明装置能够在电动单元出现故障时，通过气动单元带动起落架运动，有效解决了液压作动筒体积大、效率低、维修性差及电动作动筒可靠性低等问题。本发明提出的电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒，具有正常收放、故障时应急放的功能；具有断电后在任意位置锁定功能；采用由电动和气动组成的非相似余度设计，使作动筒的可靠性比之前的双余度电动收放作动筒提升了20％。
进一步地，气瓶上安装有电磁阀，电磁阀分别与第二电连接器电连接。通电开启气瓶，通过高压气体驱动气动马达带动起落架运动，完成放下动作。
进一步地，气动单元还包括恒压阀，恒压阀安装在气瓶的出口；第一电连接器的侧边开设有气动马达的进气口，气动马达的进气口与恒压阀的出气口连接，从而使得进入气动马达的气体压力稳定，保障其正常工作。
进一步地，到位开关设有四只，推杆的起始和终止位置两端各安装2只，保证到位状态的可靠性，在推杆的两端分别放置MC尼龙缓冲环，用于防止超行程运行产生的大冲击力对执行机构造成损伤。
本发明提出的电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒的工作方法，由电动和气动两个非相似余度构成。收放作动筒采用以电动单元为主通道，气动单元为备通道的主从冷备份工作模式，正常情况下，电动单元完成起落架的收起、放下功能，故障情况下，气动单元实现应急放下功能。
附图说明
图1为电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒的功能框图；
图2为电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒的结构示意图；
其中：1-第一电连接器1；2-第二电连接器；3-气体软管；4-气瓶；5-电磁阀；6-恒压阀；7-推杆；8-控制器；9-电机；10-气动马达；11-齿轮；12-蜗轮蜗杆；13-滚珠丝杠副；14-到位开关；15-机箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
一种电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒，如图2所示，包括电动单元和气动单元；
电动单元包括机箱15，机箱15内安装有控制器8、电机9、气动马达10和传动组件，机箱15上还安装有第一电连接器1、推杆7和到位开关14，控制器8与电机9电连接，推杆7与外接的无人机起落架连接；
气动单元包括气瓶4、电磁阀5、恒压阀6和第二电连接器2，第二电连接器2安装在气瓶4的一侧，恒压阀6与气动马达10通过气体软管3连接，电磁阀5与第二电连接器2电连接；
第一电连接器1、到位开关14、电机9分别与控制器8电连接；第一电连接器1与外接工作电源、应急放电源电连接，第二电连接器2与外接应急放电源电连接；气动马达10和电机9分别与传动组件的输入端连接，传动组件的输出端与推杆7连接。
实施例2
除下述内容外，其余内容同实施例1。
气动单元还包括恒压阀6，恒压阀6安装在电磁阀5的一端；
第一电连接器1的侧边开设有气动马达10的进气口，气动马达10的进气口与恒压阀6的出气口通过气体软管3连接。
实施例3
除下述内容外，其余内容同实施例1。
传动组件包括齿轮11、蜗轮蜗杆12和滚珠丝杠副13；齿轮11输出端与蜗轮蜗杆12连接，蜗轮蜗杆12的另一端与滚珠丝杠副13连接，滚珠丝杠副13的另一端与推杆7连接；齿轮11的输入端分别与电机9和气动马达10连接。到位开关14设有四只，推杆7起始和终止行程的两端各安装2只。在推杆14的两端分别放置有MC尼龙缓冲环。电机9为无刷直流电机。
实施例4
参见图1，电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒的功能由电动组件、气动组件、执行机构三部分组成。其中，电动组件由控制器8(包括处理器、驱动器、电源变换及继电器)、电机9组成；气动组件由气瓶4、电磁阀5、恒压阀6、气动马达10组成；执行机构由齿轮11、蜗轮蜗杆12、滚珠丝杠副13、推杆7、到位开关14组成。
参见图2，电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒的结构由电动单元和气动单元两部分组成。其中，气动单元由气瓶4、电磁阀5和恒压阀6组成；电动单元由推杆7、控制器8、电机9、气动马达10、齿轮11、蜗轮蜗杆12、滚珠丝杠13、到位开关14等组成。
电动单元通过第一电连接器1接工作电源、应急放电源及收起/放下指令，通过气动接口接气体软管3；气动单元通过第二电连接器2接应急放电源，通过气动接口接气体软管3。电动组件-气动组件构成电气并联余度，执行机构采用双轴输入，单轴输出的形式，电机9和气动马达10的输出力均可通过传动组件独立带动起落架运动。正常情况下，电机9正向驱动齿轮11转动，气动马达10会被齿轮11带动反向运动；故障情况下，气动马达10正向驱动齿轮11转动，电机9会被齿轮11带动反向运动。
实施例5
一种基于所述电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒的工作方法，包括：
正常情况下，控制器8上电后先检测指令类型(放下/收起)；再检查到位开关14状态；若到位开关14的状态为未到位，到位开关与控制器连接，控制器中的处理器检测开关是否到位；控制器8控制电机9按指令要求方向带动起落架运动，若开关状态为已到位，则控制器8控制电机9停转，起落架到位锁定。当电机9驱动起落架放下动作出现故障时，飞管计算机启动应急放电源，给电磁阀5通电开启气瓶4，通过气瓶4内的高压气体驱动气动马达10带动执行机构运动，完成起落架放下动作。由于气动马达10工作时，电机9会被齿轮11带动高速旋转，成为发电机。为防止发电产生的泵升电压损坏电动单元中的元器件，在驱动器和电机之间增加电磁继电器，在应急放过程，断开电机三相绕组与驱动器的连线，防止电机9发的电回馈到工作电源母线，确保产品安全。
实施例6
电动单元实现对起落架的正常收起/放下、运动调速、停止控制等功能。控制器内部设有电源变换电路、驱动器、电磁继电器和固态继电器。电源变换电路将28V工作电源电压经DC/DC变换成+3.3V、±15V、±12V电源，分别为处理器、驱动器及电磁继电器供电。处理器检测收放指令信号及到位状态信号，产生转速指令信号。驱动器检测电机HALL信号状态及转速，根据转速指令信号，完成电机换向及转速闭环控制功能。电磁继电器用于接通/断开电机三相绕组与驱动器三相桥的物理连接；固态继电器用于断开电磁继电器的±12V供电源。电机将电能转换为旋转的机械能。
为实现电机平稳地加减速，将电机正、反转速度分为低速、中速和高速3个等级。处理器设置正转3个速度档，对应电压+1.5V(低速)、+3V(中速)、+4.5V(高速)；反转3个速度档，对应电压-1.5V(低速)、-3V(中速)、-4.5V(高速)；停转电压0V。
为实现起落架快速收放，让电机保持高转速状态的时间尽量长，因此进行了如下速度控制：电机启动后1s内输出低速指令，接下来1s内输出中速指令，开关到位前2s输出高速指令，接下来1s内输出中速指令，最后1s内输出低速指令，到位后输出停转指令。
收起/放下到位信号采用冗余设计，每种到位状态(收起、放下)各有2个信号，当2个信号中任何一个信号有效，就认为已到位，控制电机9停转。
电磁继电器选用常开触点，固态继电器选用常闭触点。正常情况下，固态继电器的触点闭合，输出±12V电源，电磁继电器上电后触点闭合，电机绕组被接通。故障情况下，应急放电源启动，固态继电器上电触点断开，电磁继电器失电触点断开，电机绕组被断开。
气动单元实现对起落架的应急放下功能。
气瓶4为动力源，内部存储0.8L/15MPa高压气体，按照5L/s的流量，能够保证16s的工作时间，能确保气动马达10驱动执行机构完成起落架放下动作。电磁阀为常闭式，线圈不通电时，气瓶气体泄放通道关闭。恒压阀6(含压力表)将高压气体转换成压力恒定的0.6MPa低压气体，通过调节压力表开关可实现输出压力调节。气动马达10将气体的压力转换为旋转的机械能。
应急放电源开启后，电磁阀5通电打开，气瓶4内的高压气体流过电磁阀，经恒压阀6调节压力、流量后，输出至气动马达10的进气口，气动马达10在气压的作用下开始转动，产生转矩和转速，多余的气体通过气动马达10的出气口排出。当气压低于气动马达10的驱动气压时，气动马达10停止转动。
执行机构将电机9、气动马达10的旋转运动转换成推杆的直线运动，同时将电机、马达的高转速、小力矩转换成低速、大推力传递到推杆；执行机构提供到位状态指示信号，并具有到位锁定功能。
需要说明的是，执行机构采用一级锥齿轮+二级直齿轮+蜗轮蜗杆+滚珠丝杠副+推杆的机械传动方式。其中锥齿轮和直齿轮采用余度设计，通过电机输出轴和气动马达输出轴实现双轴输入，经两级齿轮运动耦合后，单轴输出到蜗轮蜗杆，蜗轮蜗杆依次将力传递至滚珠丝杠副、推杆。为保证作动筒锁定的可靠性，在执行机构中设置有蜗轮蜗杆，利用蜗轮蜗杆的反向自锁特性，可保证起落架收放作动筒断电后在任意位置自锁。为保证到位状态的可靠性，以零位为基准，在推杆行程的起始和终止位置各放置2只到位开关，到位开关的位置可调，可调距离为±3mm。到位开关选用长寿命的微动开关。为保证作动筒工作的安全性，在推杆的起始和终止极限位置放置MC尼龙缓冲环，用于防止超行程运行产生的大冲击力对执行机构造成损伤。电机为无刷直流电机。
综上所述，本发明的电、气异构冗余无人机起落架收放作动筒，首先检测收起/放下指令，驱动电机9带动推杆7进行直线往复运动，并通过到位开关14判断到位状态，实现到位停止。当电动单元出现异常情况时，通过气动单元完成起落架放下动作。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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