CN113734427A - 一种无人机双余度前轮转弯伺服系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无人机双余度前轮转弯伺服系统，该双余度前轮转弯伺服系统包括伺服控制器和转弯伺服机构，伺服控制器和转弯伺服机构中均有主、备两个通道，正常状态下，主通道工作，备份通道随动，通过伺服控制器的故障监测模块，当监测到主通道发生故障时，将工作通道切换为备份通道，主通道随动。当监测到备份通道也发生故障时，则将主、备份通道全部切除，并上报给飞控计算机，该模式有效提高了伺服系统的可靠性，结合机械结构研发，使无人机用全电式双余度前轮转弯伺服系统具有可靠性高、运动精度高、维护方便的特点，满足了无人机可靠性、维修性、安全性及全电化的需求。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域，特别涉及一种无人机双余度前轮转弯伺服系统。
背景技术
前轮转向是大中型无人机地面转弯的主要方式，在无人机起飞和降落过程中，前轮转向还起到纠正飞机航向的作用。前轮转弯机构是实现前轮转向的执行机构，大量统计表明有50％以上的安全事故发生在飞机的起飞和着陆阶段，因此前轮转弯机构的可靠性对无人机飞行的成败起着重要作用。目前大中型无人机一般采用液压式前轮转弯机构，其体积和重量都比较大，并且存在漏油漏气的风险，维护、维修都比较复杂。
因此，有必要提供一种前轮转弯伺服系统，以满足可靠性高、运动精度高、维护方便等方面的需求。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种高可靠性的、便于安装、传动精度高的无人机前轮转弯伺服系统，该双余度前轮转弯伺服系统包括伺服控制器和转弯伺服机构，伺服控制器和转弯伺服机构中均有主、备两个通道，正常状态下，主通道工作，备份通道随动，通过伺服控制器的故障监测模块，当监测到主通道发生故障时，将工作通道切换为备份通道，主通道随动。当监测到备份通道也发生故障时，则将主、备份通道全部切除，并上报给飞控计算机，该模式有效提高了伺服系统的可靠性，结合机械结构研发，使无人机用全电式双余度前轮转弯伺服系统具有可靠性高、运动精度高、维护方便的特点，满足了无人机可靠性、维修性、安全性及全电化的需求。
本发明提供的技术方案如下：
一种无人机双余度前轮转弯伺服系统，包括伺服控制器和转弯伺服机构，所述伺服控制器包含故障监测模块和主、备份两个完全相同的控制通道，主、备份控制通道均包含控制电路和驱动电路，所述控制电路为转弯伺服系统的控制核心，与飞控计算机通讯，接收下发的控制指令，接收并上传转弯伺服机构发送的转弯伺服机构输出轴的实际偏转角度，并将转弯伺服机构输出轴的偏转角度与控制指令进行比较，通过闭环运算，输出PWM信号至驱动电路；所述驱动电路根据PWM信号调整输出至转弯伺服机构的电压，最终改变转弯伺服机构输出轴的转速；
所述转弯伺服机构包含传动机构和主、备份两个完全相同的执行通道，主、备份执行通道均包含无刷电机和角度传感器，所述无刷电机为转弯伺服机构的动力元件，所述角度传感器为转弯伺服机构输出轴的角度检测元件，用于将采集到的转弯伺服机构输出轴的偏转角度传输至伺服控制器的控制电路；主执行通道无刷电机和备份执行通道无刷电机均与传动机构连接，将无刷电机的转动运动传递至弯伺服机构输出轴。
根据本发明提供的一种无人机双余度前轮转弯伺服系统，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种无人机双余度前轮转弯伺服系统，为提高可靠性，伺服控制器进行了余度设计，一个伺服控制器包含故障监测模块和主、备两个完全相同的控制通道，每个控制通道包含控制电路和驱动电路，各控制通道之间完全隔离，互不干扰，主通道工作时，备份通道不工作，主通道故障时备份通道接通；
(2)本发明提供的一种无人机双余度前轮转弯伺服系统，为提高可靠性，转弯伺服机构进行了余度设计，一个转弯伺服机构包含传动机构和主、备两个完全相同的执行通道，每个执行通道包含电机和角度传感器(RVDT)，各执行通道之间完全隔离，互不干扰，主通道工作时，备份通道不工作，主通道故障时备份通道接通；
(3)本发明提供的一种无人机双余度前轮转弯伺服系统，为提高运动精度，伺服机构中角度传感器(RVDT)通过齿轮副与转弯伺服机构输出轴相连，齿轮副材质选用氟塑料，该材料齿轮具有自润滑效果，并采用正偏差齿厚公差，以此消除了传动间隙；
(4)本发明提供的一种无人机双余度前轮转弯伺服系统，在安装时，通过可伸缩连杆实施前轮转轴调节安装，在使用过程中，伺服机构通过连杆机构控制前轮转弯。
附图说明
图1为本发明中一种无人机双余度前轮转弯伺服系统的模块组成示意图；
图2为本发明中一种无人机双余度前轮转弯伺服系统中伺服控制器的模块组成示意图；
图3为本发明中一种无人机双余度前轮转弯伺服系统中转弯伺服机构的安装示意图；
图4为本发明中一种无人机双余度前轮转弯伺服系统中转弯伺服机构的结构示意图；
图5为本发明中一种无人机双余度前轮转弯伺服系统中凸轮定位示意图；
图6为本发明中一种无人机双余度前轮转弯伺服系统中连杆的结构示意图。
附图标号说明
1-转弯伺服机构；2-无人机起落架；3-前轮转轴；4-连杆；5-主通道无刷电机；6-备份通道无刷电机；7-主通道小齿轮；8-备份通道小齿轮；9-大齿轮；10-凸轮；11-谐波柔轮；12-谐波刚轮；13-转弯伺服机构输出轴；14-初级传感器齿轮；15-主通道次级传感器齿轮；16-备份通道次级传感器齿轮；17-主通道角度传感器；18-备份通道角度传感器；19-外螺纹连杆；20-内螺纹连杆；21-锁紧螺母；24-第一小轴承；25-第二小轴承；26-第一套筒；27-第二套筒。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
如图1所示，本发明提供了一种无人机双余度前轮转弯伺服系统，包括伺服控制器和转弯伺服机构，所述伺服控制器包含故障监测模块和主、备份两个完全相同的控制通道，主、备份控制通道均包含控制电路和驱动电路，所述控制电路为转弯伺服系统的控制核心，与飞控计算机通讯，接收下发的控制指令，接收并上传转弯伺服机构发送的转弯伺服机构输出轴的实际偏转角度，并将转弯伺服机构输出轴的偏转角度与控制指令进行比较，通过闭环运算，输出PWM信号至驱动电路；所述驱动电路根据PWM信号调整输出至转弯伺服机构的电压，最终改变转弯伺服机构输出轴的转速。正常工作时，主控制通道驱动电路的功率开关开启，备份控制通道驱动电路的功率开关关闭。当故障监测模块监测到主通道发生故障时，就会将主控制通道驱动电路的功率开关关闭，备份控制通道驱动电路的功率开关开启，从而实现主、备份通道的切换。
所述转弯伺服机构包含传动机构和主、备份两个完全相同的执行通道，主、备份执行通道均包含无刷电机和角度传感器(RVDT)，所述无刷电机为转弯伺服机构的动力元件，所述角度传感器为转弯伺服机构输出轴的角度检测元件，用于将采集到的转弯伺服机构输出轴的偏转角度传输至伺服控制器的控制电路。主、备份执行通道中，两个电机之间和角度传感器之间完全隔离，互不干扰。主执行通道无刷电机和备份执行通道无刷电机均与传动机构连接，将无刷电机的转动运动传递至弯伺服机构输出轴。
本发明中，主控制通道和主执行通道连接形成主通道，备份控制通道和备份执行通道连接形成备份通道。故障监测模块监测时监测整个主通道或备份通道的故障。
如图2所示，所述伺服控制器中各控制通道的控制电路包括RVDT解码电路、AD芯片、通讯接口电路以及主控芯片(DSP)，所述RVDT解码电路与该通道中角度传感器连接，接收角度传感器采集到的转弯伺服机构输出轴的偏转角度模拟信号并传输至AD芯片，所述AD芯片将模拟信号转化为数字信号并传输至主控芯片，所述主控芯片通过所述通讯接口电路与飞控计算机通讯，接收控制指令，将偏转角度与控制指令进行比较，通过闭环运算，输出PWM信号至驱动电路。
所述伺服控制器中各控制通道的驱动电路包括功率开关和电机驱动模块，所述功率开关受故障监测模块调控实现开启和关闭，并在开启时接收PWM信号并发送至所述电机驱动模块；所述电机驱动模块根据PWM信号调整输出至转弯伺服机构的电压，最终改变转弯伺服机构输出轴的转速。
所述故障监测模块主要通过CPLD芯片完成故障监测功能，包括完成主控芯片(DSP)监测、RVDT工作状态监测、开环监测、停转监测和霍尔监测，具体地，所述DSP将内部监测的结果通过IO口输出至CPLD芯片，CPLD芯片通过逻辑运算产生故障信号，并将该故障信号输出至主、备份控制通道驱动电路的功率开关，实施主、备份通道的切换。例如，当监测到主通道故障时，CPLD芯片输出主通道故障信号到主通道功率开关，使主通道切断，同时通过非门将该信号输出至备份通道功率开关，使备份通道接通，备份通道工作后，当监测到备份通道故障时，CPLD芯片输出备份通道故障信号到备份通道功率开关，使备份通道切除。
具体地，所述主控芯片(DSP)监测，由DSP定期发送自检指令，若自检失败，则认为DSP故障；
RVDT工作状态监测，监测RVDT输出电压，若超过设定范围，则认为RVDT故障；
开环监测，DSP通过将指令与位置反馈进行比对，当指令与反馈的差大于全行程的1/4，且持续时间超过1s，则认为开环；
停转监测，对转弯伺服机构的霍尔信号进行监控，并根据霍尔信号计算电机转速，当检测到DSP控制量大于设定的阈值，且电机转速为0持续超过500ms，则认为电机停转；
霍尔监测，若检测到霍尔为全1或全0，则认为霍尔信号故障。
进一步地，所述伺服控制器还包括供电单元，所述供电单元用于将外部电源电压转换为转弯伺服系统中各元件所需电压。本发明中，所述伺服控制器可集成为独立的电路板，与转弯伺服机构电连接。
如图3所示，转弯伺服机构1通过连接件如螺钉安装在无人机起落架2上，转弯伺服机构的输出轴与摇臂固连，摇臂与连杆4的一端转动连接，连杆4的另一端与前轮转轴3转动连接，通过连杆4将转弯伺服机构输出的转动转化为前轮转轴3的转动，进而带动前轮偏转。所述转弯伺服机构输出轴13的轴心至连杆4的距离与前轮转轴3的轴心至连杆4的距离相等，且转弯伺服机构输出轴13的轴心与连杆4连接点的连线与前轮转轴3的轴心至连杆4连接点的连线平行。
如图4a～4c所示，转弯伺服机构中，传动机构包括谐波减速器和转弯伺服机构输出轴13，主执行通道中主通道无刷电机5的输出轴与主通道小齿轮7固连，备份执行通道中备份通道无刷电机6的输出轴与备份通道小齿轮8固连，主通道小齿轮7和备份通道小齿轮8与位于两者之间的大齿轮9啮合，主通道小齿轮7或备份通道小齿轮8转动时带动大齿轮9旋转，大齿轮9与谐波减速器的凸轮10固连，凸轮10与谐波柔轮11柔性连接，谐波柔轮11与转弯伺服机构输出轴13固连并与谐波刚轮12配合，谐波刚轮12作为转弯伺服机构的部分壳体，为不动元件，通过凸轮10、谐波柔轮11与谐波刚轮12的相互作用将凸轮10的高速旋转转化为谐波柔轮11的低速旋转，进而带动转弯伺服机构输出轴13低速旋转。
所述转弯伺服机构输出轴13与谐波柔轮11和谐波刚轮12同轴，转弯伺服机构输出轴13位于转弯伺服机构壳体内的一端固定有初级传感器齿轮14，初级传感器齿轮14与两侧的主通道次级传感器齿轮15、备份通道次级传感器齿轮16啮合，主通道次级传感器齿轮15与主通道角度传感器17固连，备份通道次级传感器齿轮16与备份通道角度传感器18固连，从而使得主通道角度传感器17或备份通道传感器18检测到转弯伺服机构输出轴13的旋转角度。
为保证前轮转弯伺服机构1输出位置精确，主、备份执行通道角度传感器(17、18)检测到的转弯伺服机构输出轴13的旋转角度必须准确无误。普通的齿轮传动为保证润滑必须要有侧隙，但侧隙的存在对旋转角度的准确性存在负面影响。为消除侧隙，将初级传感器齿轮14和主、备份次级传感器齿轮(15、16)的材料均换为氟塑料，氟塑料相较于传统金属材质具有自润滑效果，在保证润滑的同时通过采用正偏差齿厚公差来消除侧隙。
如图5所示，转弯伺服机构输出轴13的两端通过第一大轴承22和第二大轴承23固定至转弯伺服机构壳体上。为保证凸轮10的轴向定位，所述凸轮10通过第一小轴承24和第二小轴承25固定至所述转弯伺服机构输出轴13上，所述第一小轴承24与第二小轴承25之间的转弯伺服机构输出轴13上套设第一套筒26，所述第二小轴承25与第二大轴承23之间的转弯伺服机构输出轴13上套设第二套筒27，第一小轴承24抵靠在转弯伺服机构输出轴13的轴肩上，实现凸轮10的一侧轴向定位，第二套筒27抵靠在第二大轴承23上，实现凸轮10的另一侧轴向定位。
如图6所示，所述连杆4包括外螺纹连杆19、内螺纹连杆20和锁紧螺母21，所述外螺纹连杆19的一端加工有销孔，另一端为加工有外螺纹的螺纹杆段，所述内螺纹连杆20的一端加工有销孔，另一端为开设有内螺纹的螺纹孔，所述外螺纹连杆19的螺纹杆段与内螺纹连杆20的螺纹孔螺纹配合；锁紧螺母21套设在外螺纹连杆19的螺纹杆段上，通过旋紧至内螺纹连杆20端，将两者紧固，实现防松。
进一步地，外螺纹连杆19、内螺纹连杆20和锁紧螺母21的螺距均为0.75mm的细牙螺纹，这样连杆4的长度就可以精细调整，方便前轮转弯伺服机构1的安装。
进一步地，内螺纹连杆20螺纹孔侧的壁面上加工有铅封丝孔，所述锁紧螺母21的壁面上加工有铅封丝孔，所述锁紧螺母21旋紧至内螺纹连杆20端后，通过在内螺纹连杆20和锁紧螺母21的铅封丝孔内穿设同段铅封丝，实施内螺纹连杆20和锁紧螺母21的固连，实现外螺纹连杆19和内螺纹连杆20之间的防松。
本实施例中，前轮转弯伺服机构运动的传递方式为：主通道无刷电机5带动主通道小齿轮7旋转，主通道小齿轮7带动大齿轮9旋转，大齿轮9与谐波减速器凸轮10固连，谐波刚轮12固定不动，谐波柔轮11与转弯伺服机构输出轴13固连，这样通过谐波减速器就将高速小扭矩的电机转动转化为输出轴的低速大扭矩转动。同时转弯伺服机构输出轴13上固定着初级传感器齿轮14，初级传感器齿轮14与主通道次级传感器齿轮15啮合，主通道次级传感器齿轮15与主通道角度传感器17固连，从而使得主通道角度传感器17检测到输出轴13的旋转角度。
主通道无刷电机5和主通道角度传感器17工作时，由于备份通道驱动电路的功率开关关闭，因此备份通道无刷电机6不通电工作，当主通道无刷电机5和/或主通道角度传感器17发生故障时，备份通道无刷电机6和备份角度传感器18通电保证前轮转弯伺服机构1正常工作。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种无人机双余度前轮转弯伺服系统，其特征在于，包括伺服控制器和转弯伺服机构，所述伺服控制器包含故障监测模块和主、备份两个完全相同的控制通道，主、备份控制通道均包含控制电路和驱动电路，所述控制电路为转弯伺服系统的控制核心，与飞控计算机通讯，接收下发的控制指令，接收并上传转弯伺服机构发送的转弯伺服机构输出轴的实际偏转角度，并将转弯伺服机构输出轴的偏转角度与控制指令进行比较，通过闭环运算，输出PWM信号至驱动电路；所述驱动电路根据PWM信号调整输出至转弯伺服机构的电压，最终改变转弯伺服机构输出轴的转速；
所述转弯伺服机构包含传动机构和主、备份两个完全相同的执行通道，主、备份执行通道均包含无刷电机和角度传感器，所述无刷电机为转弯伺服机构的动力元件，所述角度传感器为转弯伺服机构输出轴的角度检测元件，用于将采集到的转弯伺服机构输出轴的偏转角度传输至伺服控制器的控制电路；主执行通道无刷电机和备份执行通道无刷电机均与传动机构连接，将无刷电机的转动运动传递至弯伺服机构输出轴。
2.根据权利要求1所述的无人机双余度前轮转弯伺服系统，其特征在于，所述伺服控制器中各控制通道的控制电路包括RVDT解码电路、AD芯片、通讯接口电路以及主控芯片，所述RVDT解码电路与该通道中角度传感器连接，接收角度传感器采集到的转弯伺服机构输出轴的偏转角度模拟信号并传输至AD芯片，所述AD芯片将模拟信号转化为数字信号并传输至主控芯片，所述主控芯片通过所述通讯接口电路与飞控计算机通讯，接收控制指令，将偏转角度与控制指令进行比较，通过闭环运算，输出PWM信号至驱动电路。
3.根据权利要求1所述的无人机双余度前轮转弯伺服系统，其特征在于，所述伺服控制器中各控制通道的驱动电路包括功率开关和电机驱动模块，所述功率开关受故障监测模块调控实现开启和关闭，并在开启时接收PWM信号并发送至所述电机驱动模块；所述电机驱动模块根据PWM信号调整输出至转弯伺服机构的电压，最终改变转弯伺服机构输出轴的转速。
4.根据权利要求1所述的无人机双余度前轮转弯伺服系统，其特征在于，所述伺服控制器中故障监测模块主要通过CPLD芯片完成故障监测功能，包括完成主控芯片监测、RVDT工作状态监测、开环监测、停转监测和霍尔监测，所述主控芯片将内部监测的结果通过IO口输出至CPLD芯片，CPLD芯片通过逻辑运算产生故障信号，并将该故障信号输出至主、备份控制通道驱动电路的功率开关，实施主、备份通道的切换。
5.根据权利要求1所述的无人机双余度前轮转弯伺服系统，其特征在于，所述伺服控制器还包括供电单元，所述供电单元用于将外部电源电压转换为转弯伺服系统中各元件所需电压。
6.根据权利要求1所述的无人机双余度前轮转弯伺服系统，其特征在于，所述转弯伺服机构(1)安装在无人机起落架(2)上，转弯伺服机构的输出轴与摇臂固连，摇臂与连杆(4)的一端转动连接，连杆(4)的另一端与前轮转轴(3)转动连接，通过连杆(4)将转弯伺服机构输出的转动转化为前轮转轴(3)的转动，进而带动前轮偏转。
7.根据权利要求6所述的无人机双余度前轮转弯伺服系统，其特征在于，所述转弯伺服机构输出轴(13)的轴心至连杆(4)的距离与前轮转轴(3)的轴心至连杆(4)的距离相等，且转弯伺服机构输出轴(13)的轴心与连杆(4)连接点的连线与前轮转轴(3)的轴心至连杆(4)连接点的连线平行。
8.根据权利要求1所述的无人机双余度前轮转弯伺服系统，其特征在于，所述转弯伺服机构的传动机构包括谐波减速器和转弯伺服机构输出轴(13)，主执行通道中主通道无刷电机(5)的输出轴与主通道小齿轮(7)固连，备份执行通道中备份通道无刷电机(6)的输出轴与备份通道小齿轮(8)固连，主通道小齿轮(7)和备份通道小齿轮(8)与位于两者之间的大齿轮(9)啮合，主通道小齿轮(7)或备份通道小齿轮(8)转动时带动大齿轮(9)旋转，大齿轮(9)与谐波减速器的凸轮(10)固连，凸轮(10)与谐波柔轮(11)柔性连接，谐波柔轮(11)与转弯伺服机构输出轴(13)固连并与谐波刚轮(12)配合，谐波刚轮(12)作为转弯伺服机构的部分壳体，为不动元件，通过凸轮(10)、谐波柔轮(11)与谐波刚轮(12)的相互作用将凸轮(10)的高速旋转转化为谐波柔轮(11)的低速旋转，进而带动转弯伺服机构输出轴(13)低速旋转。
9.根据权利要求8所述的无人机双余度前轮转弯伺服系统，其特征在于，所述转弯伺服机构输出轴(13)与谐波柔轮(11)和谐波刚轮(12)同轴，转弯伺服机构输出轴(13)位于转弯伺服机构壳体内的一端固定有初级传感器齿轮(14)，初级传感器齿轮(14)与两侧的主通道次级传感器齿轮(15)、备份通道次级传感器齿轮(16)啮合，主通道次级传感器齿轮(15)与主通道角度传感器(17)固连，备份通道次级传感器齿轮(16)与备份通道角度传感器(18)固连，从而使得主通道角度传感器(17)或备份通道传感器(18)检测到转弯伺服机构输出轴(13)的旋转角度。
10.根据权利要求6所述的无人机双余度前轮转弯伺服系统，其特征在于，所述连杆(4)包括外螺纹连杆(19)、内螺纹连杆(20)和锁紧螺母(21)，所述外螺纹连杆(19)的一端加工有销孔，另一端为加工有外螺纹的螺纹杆段，所述内螺纹连杆(20)的一端加工有销孔，另一端为开设有内螺纹的螺纹孔，所述外螺纹连杆(19)的螺纹杆段与内螺纹连杆(20)的螺纹孔螺纹配合；锁紧螺母(21)套设在外螺纹连杆(19)的螺纹杆段上，通过旋紧至内螺纹连杆(20)端，将两者紧固，实施防松。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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- 2021-07-28 CN CN202110859382.3A patent/CN113734427A/zh active Pending
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