CN112722315B - 一种基于缆绳拉力控制的系留飞行机械臂及缆绳拉力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于缆绳拉力控制的系留飞行机械臂，包括飞行器、地面站、机械臂、绳索驱动装置、系留控制装置，机械臂和系留控制装置分别设置于飞行器底部中心的两侧，系留控制装置包括系留缆绳和地面移动平台，系留飞行机械臂的供电部分设置于地面移动平台中，地面移动平台通过系留缆绳为飞行器和绳索驱动装置供电。该系留飞行机械臂将大容量电池设置于地面移动平台，通过系留缆绳对系留飞行机械臂进行供电，可以实现对系留飞行机械臂不间断供电，延长空中作业时间，同时飞行器上无需使用较大容量电池可以减轻机身质量，提高飞行质量。

Description

一种基于缆绳拉力控制的系留飞行机械臂及缆绳拉力控制 方法

技术领域

本发明涉及飞行机械臂空中作业，尤其是一种基于缆绳拉力控制的系留飞行机械臂及其缆绳拉力控制方法。

背景技术

近年来，由于飞行器技术的快速发展，无人机得到广泛应用。但是目前大多数无人机的应用和研究都基于观测和巡逻方面，缺少与环境的交互作业。面对当下日益增长的空中作业需求，提出了基于旋翼飞行器的空中机械臂。结合旋翼飞行器的空中运动控制、悬停性能以及机械臂的可操作性，组成旋翼飞行机械臂，以此实现空中作业。

然而，传统普通旋翼飞行器普遍将驱动系统置于关节处，使得运动臂部分惯量过大，上一级驱动系统成为下一级的负载，导致能耗较高、负载能力较小，在加上作业装置之后，负载能力进一步降低，且在作业装置的运动过程中会产生重心偏移等扰动，导致飞行器的稳定性降低。除此之外，由于电池技术的限制，电池容量低，大部分的旋翼飞行器的单次飞行时间较短，使得普通飞行机械臂无法进行长时间高空作业。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种实现长时间空中作业的基于缆绳拉力控制的系留飞行机械臂。

本发明还提供上述系留飞行机械臂减小扰动产生的缆绳拉力控制方法。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种基于缆绳拉力控制的系留飞行机械臂，包括飞行器、机械臂、绳索驱动装置、系留控制装置，所述机械臂和系留控制装置分别设置于飞行器底部中心的两侧，所述系留控制装置包括系留缆绳和地面移动平台，系留缆绳一端与飞行器连接，另一端与地面移动平台连接，系留飞行机械臂的供电部分设置于地面移动平台中，地面移动平台通过系留缆绳为飞行器和绳索驱动装置供电，并跟随飞行器同步移动。

进一步的，还包括地面站，所述地面站通过无线控制方式控制飞行器的运动，且所述地面站通过无线控制方式控制绳索驱动装置驱动机械臂运动。

进一步的，所述飞行器包括机架、动力系统以及传感器系统，所述机械臂设置于机架底部，所述动力系统为飞行器提供升力和扭矩，所述传感器系统测量飞行器的位置和姿态，并将位置和姿态信号传输给地面站。

进一步的，所述飞行器设置备用电源，所述备用电源设置于系留控制装置同侧，备用电源用于在系留缆绳的电力传输出现故障时，对飞行器和绳索驱动装置进行供电。

进一步的，所述机械臂包括底板、第一关节、第二关节、第三关节和第四关节，所述底板固定于机架底部，第一关节与底板铰接，第二关节与第一关节铰接，第三关节与第二关节铰接，第四关节与第三关节铰接，第四关节末端设置外部接口；所述绳索驱动装置包括四个绳索驱动单元，四个绳索驱动单元分别驱动第一关节、第二关节、第三关节和第四关节的运动，每个绳索驱动单元包括编码器、伺服电机、导向轮、张紧绳和张紧轮，四个绳索驱动单元的伺服电机分别为第一关节伺服电机、第二关节伺服电机、第三关节伺服电机和第四关节伺服电机，所述第一关节伺服电机、第二关节伺服电机和第三关节伺服电机设置于底板上。

进一步的，所述系留控制装置还包括系留缆绳驱动装置，系留缆绳驱动装置设置于地面移动平台上面，系留缆绳驱动装置包括绕线轮、支架以及系留缆绳伺服电机，所述支架固定于地面移动平台上，绕线轮设置于支架上，系留缆绳缠绕在绕线轮上，系留缆绳伺服电机控制绕线轮的转动从而缩放系留缆绳。

一种上述系留飞行机械臂的缆绳拉力控制方法，包括以下步骤：

(1)对初始状态的飞行器进行力矩布局，使其初始状态合力矩为0；

(2)飞行器开始飞行，受系留缆绳重力影响飞行器合力矩变化，通过调节机械臂的角度调整机械臂的转矩，减小飞行器的合力矩；

(3)机械臂向外伸出开始作业，机械臂的转矩迅速增大，此时通过增大系留缆绳的拉力，减小飞行器的合力矩。

所述步骤(1)中，对初始状态的飞行器力矩布局包括：

(1.1)建立坐标系，以飞行器底部中点为原点，以重力的反方向为Z轴正方向，机械臂偏离方向为X轴正方向，Y轴垂直于X轴和Z轴所在平面，X轴正方向在Y轴正方向右侧；

(1.2)对飞行器的主要受力进行分析，

飞行器所受合力方向朝Z轴负方向，合力G计算公式如下：

G＝G_j+G_d+F_l

其中，G_j为机械臂的重力，G_d为备用电源的重力，F_l为系留缆绳的拉力及重力之和；

飞行器所受合力矩方向绕Y轴逆时针，合力矩M计算公式如下：

M＝G_j·L₁-G_d·L₂-F_l·L₃+M_j

其中，L₁为机械臂作用点与原点的距离，L₂为备用电源重心与原点的距离，L₃为系留缆绳拉力作用点与原点的距离，M_j为机械臂的转矩；

(1.3)初始状态时，系留缆绳拉力及重力之和F_l视为0，机械臂转矩M_j视为0，布局备用电源和机械臂的位置，满足G_j·L₁＝G_d·L₂。

进一步的，所述步骤(3)中，机械臂向外伸出开始作业，但不带负载时，根据机械臂自身参数及机械臂动作时的姿态，估计出机械臂产生的力矩，通过机械臂的力矩得出系留缆绳应该施加的拉力；当机械臂带负载工作时，根据绳索驱动单元伺服电机的电流环得出电机的转矩，从而估计出机械臂产生的力矩，通过机械臂的力矩得出系留缆绳应该施加的拉力。

进一步的，所述步骤(3)中，机械臂向外伸出开始作业时，根据飞行器的姿态角得出系留缆绳应该施加的拉力，飞行器绕Y轴正方向的角度定义为滚转角，当滚转角为负时，增大系留缆绳的拉力，当滚转角为正时，减小系留缆绳的拉力，使滚转角为0。

有益效果：该系留飞行机械臂将大容量电池设置于地面移动平台，通过系留缆绳对系留飞行机械臂进行供电，可以实现对系留飞行机械臂不间断供电，延长空中作业时间，同时飞行器上无需使用较大容量电池可以减轻机身质量，提高飞行质量。机械臂采用绳驱动技术，将大部分驱动装置都置于飞行器底座，各关节通过绳索驱动。可以降低运动臂身惯量，从而降低能耗、减小扰动、提升了作业柔顺性。采用机械臂和系留缆绳张力的联合控制，利用缆绳产生与机械臂相反的力矩，从而较小甚至抵消机械臂在运动过程中产生的反力矩，减小飞行机械臂扰动的产生。

附图说明

图1是本发明系留飞行机械臂控制系统的结构框图；

图2是本发明系留飞行机械臂的结构示意图；

图3是本发明中六旋翼飞行器的结构示意图；

图4是本发明中机械臂和绳索驱动装置的结构示意图；

图5是本发明中系留缆绳驱动装置的结构示意图；

图6是本发明中多旋翼飞行器的受力分析图。

具体实施方式

如图2所示，本次发明的一种基于缆绳拉力控制的系留飞行机械臂，包括飞行器1、地面站、机械臂2、绳索驱动装置、系留控制装置3，飞行器1采用多旋翼飞行器，机械臂2和系留控制装置3分别设置于多旋翼飞行器1底部中心的两侧，机械臂2的起始位置偏离多旋翼飞行器1底部的中心一定距离，且位于空中作业位置的同侧，可以有效的增加飞行机械臂最大伸出距离，能更好的满足空中作业。为了后续系留缆绳31对机械臂2产生的转矩进行平衡，将系留缆绳31和多旋翼飞行器1的接口设置于机械臂2的反侧。

地面站通过无线控制方式控制多旋翼飞行器1的运动，并同样通过无线控制方式控制绳索驱动装置驱动机械臂2运动，多旋翼飞行器1根据地面站的指令飞行到达指定位置，然后绳索驱动装置根据地面站的指令驱动机械臂2对作业对象进行操作。大容量电源安装于系留控制装置3上，利用系留缆绳31对多旋翼飞行器1和绳索驱动装置进行供电，系留控制装置3通过系留缆绳31里的光缆获得多旋翼飞行器1的实时位置，并同步移动到多旋翼飞行器1的正下方。

如图3所示，多旋翼飞行器1包括机架13、备用电源14、起落架16、动力系统11以及传感器系统，在本实施例中，多旋翼飞行器1采用DJI S900六旋翼飞行器，可以提供较大的拉力，亦可以根据具体需要采用其他型号的飞行器，也可以采用四旋翼或八旋翼飞行器。多旋翼飞行器1的动力系统11包括飞行驱动电机、电调以及螺旋桨，飞行驱动电机带动螺旋桨转动，螺旋桨直接产生多旋翼飞行器1所需升力和扭矩，而电调可以对飞行驱动电机进行调速，也对飞行驱动电机起到保护作用。多旋翼飞行器1的传感器系统包括GPS模块12和惯性导航模块15，传感器系统实时测量多旋翼飞行器1的位置和姿态，并将位置和姿态信号传输给地面站。

多旋翼飞行器1设置备用电源14，为了使整机保持相对平衡，备用电源14设置于系留控制装置3同侧，机械臂2的另一侧，以抵消机械臂2偏移产生的重心偏移。备用电源14在大部分时候是不使用的，当系留缆绳31的电力传输出现故障时，立即将电源切换为备用电源14，以此对多旋翼飞行器1和绳索驱动装置进行供电。如果在备用电源14电量使用超过一定限度前，系统无法自动解决故障，多旋翼飞行器1将会自动进行紧急迫降。因此，每次起飞作业前，需保证备用电源14的电量充足。起落架16主要在多旋翼飞行器1起飞降落时起支撑作用，避免旋翼和地面太近，从而发生碰撞，同时也具有减震的功能。

如图4所示，机械臂2包括底板21、第一关节22、第二关节23、第三关节24和第四关节25，底板21固定于多旋翼飞行器1机架13底部，第一关节22与底板21铰接，第二关节23与第一关节22铰接，第三关节24与第二关节23铰接、第四关节25与第三关节24铰接，机械臂2可以根据实际作业需求，在第四关节25的末端增加作业装置。第一关节22的关节轴延伸方向与第二关节23的关节轴和第三关节24的关节轴延伸方向平行，第四关节25的关节轴延伸方向与第一关节22的关节轴延伸方向垂直。在本实施例中，第一关节22、第二关节23、第三关节24和第四关节25的长度分别为240mm，160mm，120mm，70mm，在机械臂2完全展开下总长为590mm。

绳索驱动装置包括四个绳索驱动单元，四个绳索驱动单元分别驱动第一关节22、第二关节23、第三关节24和第四关节25的运动，每个绳索驱动单元包括编码器、伺服电机、导向轮、张紧绳和张紧轮，以第一关节的绳索驱动单元为例，包括第一关节编码器221、第一关节伺服电机222、第一关节导向轮223和第一关节张紧装置224，第一关节编码器221和第一关节伺服电机222形成一个角度闭环，可以提高关节转角精度。第一关节张紧装置224包括第一关节张紧轮和第一关节张紧绳，第一关节导向轮223改变第一关节张紧绳的方向，起导向作用；机械臂2在安装或多次使用时，由于磨损或者制造精度误差可能导致第一关节张紧绳松动，通过调整第一关节张紧轮可以使第一关节张紧绳紧绷，从而提高精度。四个绳索驱动单元的伺服电机分别为第一关节伺服电机222、第二关节伺服电机、第三关节伺服电机和第四关节伺服电机，第一关节伺服电机、第二关节伺服电机和第三关节伺服电机固定于底板21上。

如图5所示，系留控制装置3包括系留缆绳31、留缆绳驱动装置和地面移动平台4，系留缆绳驱动装置设置于地面移动平台4上面，系留缆绳31一端与多旋翼飞行器1连接，另一端与系留缆绳驱动装置连接，在本实施例中，系留缆绳31为光电复合缆，该缆绳包含光缆和电缆，既可以传输电力亦可以信号传输。系留缆绳驱动装置包括绕线轮32、支架33、联轴器34以及系留缆绳伺服电机35，在本实施例中，系留缆绳伺服电机35采用唯川电机ECG2845，工作方式为转矩模式，从而控制所输出的转矩。地面移动平台4采用四轮驱动的小车，亦可以采用其他地面移动平台，只要能准确接收多旋翼飞行器1位置，并将平台同步移动至多旋翼飞行器1底部。

支架33固定于地面移动平台4上，绕线轮32设置于支架33上，系留缆绳31缠绕在绕线轮32上，系留缆绳伺服电机35通过联轴器34控制绕线轮32的转动从而缩放系留缆绳31，控制系留缆绳31对多旋翼飞行器1的拉力，系留飞行机械臂的供电部分设置于地面移动平台4中，地面移动平台4通过系留缆绳31为多旋翼飞行器1和绳索驱动装置供电，并且地面移动平台4根据地面站的指令跟随多旋翼飞行器1同步移动。

如图1和图6所示，一种上述系留飞行机械臂的缆绳拉力控制方法，包括以下步骤：

(1)对初始状态的多旋翼飞行器进行力矩布局，使其初始状态合力矩为0；

对初始状态的多旋翼飞行器力矩布局包括：

(1.1)建立坐标系，如图6所示，以多旋翼飞行器1底部中点为原点，以重力的反方向为Z轴正方向，机械臂偏离方向为X轴正方向，Y轴垂直于X轴和Z轴所在平面，X轴正方向在Y轴正方向右侧；

(1.2)对多旋翼飞行器1的主要受力进行分析，忽略次要受力，除了受到自身重力和旋翼拉力以外，

多旋翼飞行器1所受合力方向朝Z轴负方向，合力G计算公式如下：

G＝G_j+G_d+F_l

其中，G_j为机械臂的重力，G_d为备用电源的重力，F_l为系留缆绳的拉力及重力之和；

多旋翼飞行器所受合力矩方向绕Y轴逆时针，合力矩M计算公式如下：

M＝G_j·L₁-G_d·L₂-F_l·L₃+M_j

其中，L₁为机械臂作用点与原点的距离，L₂为备用电源重心与原点的距离，L₃为系留缆绳拉力作用点与原点的距离，M_j为机械臂的转矩；当多旋翼飞行器1受到合力矩不为0时，就会使多旋翼飞行器1有绕Y轴转动的趋势，当合力矩过大时，就可能导致飞行器出现不稳定。

(1.3)初始状态时，系留缆绳31拉力及重力之和F_l视为0，机械臂2转矩M_j视为0，布局备用电源14和机械臂2的位置，满足G_j·L₁＝G_d·L₂。通过合理的布局备用电源14和机械臂2，使多旋翼飞行器1在初始位置保证和力矩最小。

(2)多旋翼飞行器开始飞行，受系留缆绳重力影响多旋翼飞行器合力矩变化，通过调节机械臂的角度调整机械臂的转矩，减小多旋翼飞行器的合力矩；

(3)机械臂向外伸出开始作业，机械臂的转矩迅速增大，此时通过增大系留缆绳的拉力，减小多旋翼飞行器的合力矩。以下为两种缆绳拉力控制的方式：

(1)机械臂向外伸出开始作业，但不带负载时，根据机械臂自身参数及机械臂动作时的姿态，估计出机械臂产生的力矩，通过机械臂的力矩得出系留缆绳应该施加的拉力；当机械臂带负载工作时，根据绳索驱动单元伺服电机的电流环得出电机的转矩，从而估计出机械臂产生的力矩，通过机械臂的力矩得出系留缆绳应该施加的拉力。

(2)机械臂向外伸出开始作业时，根据多旋翼飞行器的姿态角得出系留缆绳应该施加的拉力，多旋翼飞行器绕Y轴正方向的角度定义为滚转角，当滚转角为负时，增大系留缆绳的拉力，当滚转角为正时，减小系留缆绳的拉力，使滚转角为0。

系留飞行机械臂的整个工作过程为：

首先多旋翼飞行器1接收地面站的指令，确定操作对象的位置信息。多旋翼飞行器1在获得目标物的位置信息后，进行轨迹规划，并启动飞行驱动电机，此时系留缆绳伺服电机35采用低扭矩控制，这样控制模式下系留缆绳31对多旋翼飞行器1的阻力较小，系留缆绳31可以较容易伸长。当多旋翼飞行器1飞行到一个高度后，地面移动平台4开始工作，并实时接收多旋翼飞行器1的位置信息。

多旋翼飞行器1按照规划的轨迹飞行，而地面移动平台4实时跟踪多旋翼飞行器1的位置，使得系留缆绳31与地面始终保持几乎垂直。在多旋翼飞行器1飞行过程中，地面站控制机械臂2关节缓慢转动来平衡系留缆绳31增加的重力而对多旋翼飞行器1产生的力矩。

当多旋翼飞行器1到达指定位置后，多旋翼飞行器1保持悬停，为了使多旋翼飞行器1更加稳定，通过系留缆绳31和机械臂2的共同控制来平衡力矩。如果工作过程中系留缆绳31出现故障无法继续给多旋翼飞行器1和机械臂2的绳索驱动装置进行供电，则迅速切换到备用电源14供电模式，如备用电源14电池容量使用至一定限度，系留缆绳31仍然不能恢复正常供电，则多旋翼飞行器1进行紧急迫降，以保障系留飞行机械臂的安全。

Claims (7)

1.一种基于缆绳拉力控制的系留飞行机械臂的缆绳拉力控制方法，其特征在于，系留飞行机械臂包括飞行器、机械臂、绳索驱动装置、系留控制装置，所述机械臂和系留控制装置分别设置于飞行器底部中心的两侧，所述系留控制装置包括系留缆绳和地面移动平台，系留缆绳一端与飞行器连接，另一端与地面移动平台连接，系留飞行机械臂的供电部分设置于地面移动平台中，地面移动平台通过系留缆绳为飞行器和绳索驱动装置供电，地面移动平台实时获取飞行器的位置，并跟随飞行器同步移动, 使得系留缆绳与地面保持垂直；

缆绳拉力控制方法包括以下步骤：

（1）对初始状态的飞行器进行力矩布局，使其初始状态合力矩为0；

（2）飞行器开始飞行，受系留缆绳重力影响飞行器合力矩变化，通过调节机械臂的角度调整机械臂的转矩，减小飞行器的合力矩；

（3）机械臂向外伸出开始作业，机械臂的转矩迅速增大，此时通过增大系留缆绳的拉力，减小飞行器的合力矩；

机械臂向外伸出开始作业，但不带负载时，根据机械臂自身参数及机械臂动作时的姿态，估计出机械臂产生的力矩，通过机械臂的力矩得出系留缆绳应该施加的拉力；当机械臂带负载工作时，根据绳索驱动单元伺服电机的电流环得出电机的转矩，从而估计出机械臂产生的力矩，通过机械臂的力矩得出系留缆绳应该施加的拉力。

2.根据权利要求1所述的缆绳拉力控制方法，其特征在于，还包括地面站，所述地面站通过无线控制方式控制飞行器的运动，且所述地面站通过无线控制方式控制绳索驱动装置驱动机械臂运动。

3.根据权利要求2所述的缆绳拉力控制方法，其特征在于，所述飞行器包括机架、动力系统以及传感器系统，所述机械臂设置于机架底部，所述动力系统为飞行器提供升力和扭矩，所述传感器系统测量飞行器的位置和姿态，并将位置和姿态信号传输给地面站。

4.根据权利要求1或2所述的缆绳拉力控制方法，其特征在于，所述飞行器设置备用电源，所述备用电源设置于系留控制装置同侧，备用电源用于在系留缆绳的电力传输出现故障时，对飞行器和绳索驱动装置进行供电。

5.根据权利要求3所述的缆绳拉力控制方法，其特征在于，所述机械臂包括底板、第一关节、第二关节、第三关节和第四关节，所述底板固定于机架底部，第一关节与底板铰接，第二关节与第一关节铰接，第三关节与第二关节铰接，第四关节与第三关节铰接，第四关节末端设置外部接口；所述绳索驱动装置包括四个绳索驱动单元，四个绳索驱动单元分别驱动第一关节、第二关节、第三关节和第四关节的运动，每个绳索驱动单元包括编码器、伺服电机、导向轮、张紧绳和张紧轮，四个绳索驱动单元的伺服电机分别为第一关节伺服电机、第二关节伺服电机、第三关节伺服电机和第四关节伺服电机，所述第一关节伺服电机、第二关节伺服电机和第三关节伺服电机设置于底板上。

6.根据权利要求1所述的缆绳拉力控制方法，其特征在于，所述系留控制装置还包括系留缆绳驱动装置，系留缆绳驱动装置设置于地面移动平台上面，系留缆绳驱动装置包括绕线轮、支架以及系留缆绳伺服电机，所述支架固定于地面移动平台上，绕线轮设置于支架上，系留缆绳缠绕在绕线轮上，系留缆绳伺服电机控制绕线轮的转动从而缩放系留缆绳。

7.根据权利要求6所述的缆绳拉力控制方法，其特征在于，所述步骤（1）中，对初始状态的飞行器力矩布局包括：

（1.1）建立坐标系，以飞行器底部中点为原点，以重力的反方向为

轴正方向，机械臂偏离方向为

轴正方向，

轴垂直于

轴和

轴所在平面，

轴正方向在

轴正方向右侧；

（1.2）对飞行器的主要受力进行分析，

飞行器所受合力方向朝

轴负方向，合力

计算公式如下：

其中，

为机械臂的重力，

为备用电源的重力，

为系留缆绳的拉力及重力之和；

飞行器所受合力矩方向绕

轴逆时针，合力矩

计算公式如下：

其中，

为机械臂作用点与原点的距离，

为备用电源重心与原点的距离，

为系留缆绳拉力作用点与原点的距离，

为机械臂的转矩；

（1.3）初始状态时，系留缆绳拉力及重力之和

视为0，机械臂转矩

视为0，布局备用电源和机械臂的位置，满足

。

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