基于SolidWorks的無人機起降平臺設計＊

劉新超，林振霞，郁夢婷，孫維浩，趙軍帥，王凱，任成昊，王虓

基于SolidWorks的無人機起降平臺設計＊

劉新超，林振霞，郁夢婷，孫維浩，趙軍帥，王凱，任成昊，王虓

（山東理工大學，山東 淄博 255000）

利用SoildWorks設計一種無人機起降平臺，通過軟件三維建模功能建立各零部件模型和裝配體模型。平臺通過位置可調節(jié)式無人機承接平臺結構和電池更換結構為基礎，通過電路輔助，實現(xiàn)對無人機的承接，并通過容差式推送倉與機械夾，對無人機更換電池，從而實現(xiàn)無人機的長時間續(xù)航。

SolidWorks；三維建模；無人機起降平臺；續(xù)航力

1 引言

1.1 軟件簡介

SoildWorks是基于Windows操作系統(tǒng)推出的一套三維機械零件設計自動化軟件。通過SolidWorks將三維零件進行裝配，可動態(tài)查看裝配體所有方向自由運動，并可以對零部件進行動態(tài)的干涉和間隙檢查。SoildWorks憑借功能強大、參數(shù)特征造型、適配附件多的特點成為工業(yè)設計領域最常用的軟件。本文將應用SolidWorks軟件，對無人機起降平臺進行零件設計、裝配、干涉檢查和運動仿真分析。

1.2 設計背景

隨著無人機持有量逐漸增多、應用領域的不斷擴大，人工降落誤操作帶來的墜機事故也時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，2019年至今山東省內超過60%的無人機墜機事故發(fā)生在起飛和降落階段。當無人機預降落時，由于風力與儀器等因素影響，無人機的姿態(tài)和位置信息發(fā)生偏移，并且野外路面情況復雜，無法為無人機的降落提供理想場地。同時無人機自身負重及傳感器作用電量損耗大而導致需頻繁性降落進行電池更換。

1.3 解決思路

利用SolidWorks設計一款無人機起降平臺，通過多尺度目標全景攝像頭觀測與人工遙控承接平臺輔助升降，借自動更換電池設計對無人機進行電池更換，從而向野外作業(yè)的無人機提供平坦降落面以及有效解決電池續(xù)航力問題。

2 設計原理

2.1 機械設計

本文以大疆悟INSPIRE2系列為研究對象進行研究設計。為實現(xiàn)無人機安全承接與電池更換等功能，主要從位置可調節(jié)式無人機承接平臺結構與電池更換結構兩大設計出發(fā)。

大疆悟INSPIRE2型號無人機相關參數(shù)如表1所示。

表1 大疆悟INSPIRE2型號無人機相關參數(shù)

飛行器型號最大起飛質量/g軸距/mm槳距/mm最大下降速度/（m·s-1）最大可承受風速/（m·s-1）電池整體質量/g電池型號 大疆悟INSPIRE24 000 605（不含槳，降落模式）127 4 10 515 TB50

由以上參數(shù)與官方資料可得，在不安裝螺旋槳的情況下軸距為605 mm、長42.7 cm、高31.7 cm、寬42.5 cm。對此以半徑為30 cm的圓形平面為承接面。同時為了穩(wěn)定無人機，增設2個機械夾，以便對降落下的無人機的位置進行固定。機械夾由1個舵機、1個底盤、2個半齒輪、2個夾子和4個杠桿組成。舵機逆時針轉動帶動2個齒輪逆時針旋轉，起緊夾作用，而舵機順時針轉動帶動2個齒輪順時針旋轉，起松夾作用。

機械夾模型如圖1所示。

因無人機最大質量為4 000 g，所以需采用太空鋁鑄件做支柱。通過支柱，使承接面與承接平臺運動結構連接。承接面與連接支柱模型如圖2所示。

圖1 機械夾模型圖

圖2 承接面與連接支柱模型圖

因無人機自動降落過程受風力與儀器的影響，會發(fā)生位置偏移，對此需使用位置可調節(jié)式無人機承接平臺進行實時承接。

位置可調節(jié)式無人機承接平臺設計如下：選用大疆M3508 P19直流無刷電機作為驅動電機，通過C620無刷電機調速器控制轉動。將3508電機a水平放置帶動平臺軸方向移動，3508電機b豎直放置帶動平臺軸方向移動，運行方式簡單且穩(wěn)定。承接平臺通過3508電機的轉動，可以很容易地進行方向控制和跟蹤，3508電機根據(jù)控制終端指令，快速執(zhí)行運動。承接平臺運動結構如圖3所示。

1—x軸聯(lián)動履帶；2—x軸驅動電機；3—y軸聯(lián)動履帶；4—y軸驅動電機。

具體運動方案如下。

以承接平臺為原點建立-二維平面坐標系，如圖4所示。因無人機降落過程受風力、儀器等影響發(fā)生偏移，執(zhí)行人員通過承接平臺上的攝像頭反饋的視頻中無人機飛行位置對承接平臺進行遙控，調整承接平臺位置，以實現(xiàn)無人機安全降落至承接平臺表面。例如，當無人機位于承接平臺左上方時，承接平臺先以軸方向移動至與無人機同一縱軸方位，再以軸方向移動至無人機正下方。

由長100 cm、寬100 cm的太空鋁框架做可調節(jié)式無人機承接平臺整體高度支撐。可調節(jié)式無人機承接平臺結構模型如圖5所示。

針對機械滑軌滑動存在誤差問題，改變現(xiàn)有對接倉結構設計，將直面式對接設計優(yōu)化為曲面式對接倉。經初代產品的大量實物實驗，發(fā)現(xiàn)電池在取送過程中仍存在對接誤差（因機械帶動式移動），而實物要求機械夾必須與無人機電池倉位置完美匹合，為解決以上問題，運用下面一種新的連接方法。

圖4 承接平臺二維坐標建立

圖5 可調節(jié)式無人機承接平臺結構模型圖

推送倉與推送桿通過軸承連接并于兩者下方裝有彈簧彈性連接，使推送倉具有靈活擺動性。在無人機電池倉固定情況下，借助無人機電池倉對容差式推送倉的反向力帶動彈簧的靈活擺動，實現(xiàn)推送倉與無人機電池倉自由對接位置匹合。容差式推送倉模型如圖6所示。

圖6 容差式推送倉模型圖

秉持“最簡”理念，提出三維連體式電池倉設計結構，如圖7所示。新舊電池倉在同一位置的設計使得電池夾路徑精簡。當舊電池放入舊電池倉后，通過電機的帶動，新電池倉代替舊電池倉，可使機械夾直接將新電池推送至無人機電池殼內。

具體運動方案如下。

當承接平臺位置回歸過程結束時，電池更換結構在電機帶動下經滑軌向無人機方向整體移動，容差式推送倉與無人機電池倉發(fā)生切合，推送桿在48式步進電機帶動下前移，電池夾夾住無人機電池，48式步進電機反轉相同相位，舊電池被牽引至舊電池存儲倉，三維連體式電池倉憑借直流減速電機與連接結構左向移動，新電池倉取代舊電池倉，推送桿重復電池推送過程，新電池進入無人機電池倉，推送桿回到原位置，電池更換結構歸位，無人機放飛。電池更換結構模型如圖8所示。

1—新電池倉；2—舊電池倉。

1—容差式推送倉；2—直流減速電機；3—48步進電機；4—推送桿；5—電池夾；6—三維連體式電池倉。

至此，無人機起降平臺機械設計完成，如圖9所示。

圖9 無人機起降平臺模型圖

2.2 電路補充

為了實現(xiàn)起降平臺整體運行，還需進行簡單的電路補充。無人機起降平臺整體流程如圖10所示。

承接平臺邊緣夾持有小蟻攝像頭SIM卡數(shù)據(jù)聯(lián)網實時采集無人機位置，以便操作人員對承接平臺位置遙控。采用2.4 g天地飛遙控器與STM32F103ZET6系列單片機做承接平臺運動控制硬件。

圖10 無人機起降平臺整體流程圖

STM32F103ZET6單片機作為承接平臺主控板，同時控制2個無刷電機調速器。采用C620無刷電機調速器驅動大疆M3508 P19直流無刷電機精確轉動，從而實現(xiàn)承接平臺-二維平面運動。整體采用閉環(huán)控制，精確控制電機轉速達到運動所需的V1、V2，或者轉動一個固定的角度。

電池更換結構以STM32F407為主控芯片，通過控制一個42步進電機、一個直流無刷電機與一個舵機完成電池更換具體方案。

3 實物測試

無人機起降平臺實物模型如圖11所示。容差式推送倉3D打印部件實物如圖12所示。

圖11 無人機起降平臺實物模型圖

圖12 容差式推送倉3D打印部件實物圖

無人機降落時因受儀器、風速影響精確度達不到對接要求，糾偏設計以全方位、多角度移動來彌補降落偏差的缺陷。在200余次的降落測試中，降落在平臺有效位置的成功率高達94%。在198次的成功降落中，在夾持機構有效范圍內的次數(shù)高達195次。降落測試數(shù)據(jù)如圖13所示。

在50次速度測試中，平均耗時保持在1 min45 s之內。

4 結論

基于SolidWorks的無人機起降平臺是以位置可調節(jié)式無人機承接平臺結構與電池更換結構為設計核心，借助SolidWorks構建無人機起降平臺的模型。采用太空鋁鑄件做支柱，有效解決承載能力弱的問題。根據(jù)無人機承接平臺搭載的攝像頭所反饋的無人機實時飛行位置對承接平臺進行遙控，調整承接平臺位置，以實現(xiàn)無人機安全降落至承接平臺表面。推送倉與推送桿通過軸承連接并于兩者下方裝有彈簧彈性連接，實現(xiàn)推送倉與無人機電池殼有阻尼對接。三維連體式電池倉中新電池倉借助直流減速電機運動代替舊電池倉，對快速更換電池起到至關作用。本設計可以解決現(xiàn)有無人機野外起降以及連續(xù)工作時存在的續(xù)航時間短的難題。

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V279

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.008

2095－6835（2021）08－0025－04

劉新超（2000—），男，本科在讀，學生，主要研究方向為電力系統(tǒng)巡檢全自動化技術。

＊國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（編號：S202010433005）

〔編輯：王霞〕