基于無(wú)人機(jī)的燈籠掛裝及卸裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武 琳,侯鑫新

(江西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院,江西 南昌 330038)

0 引言

每年春節(jié)臨近,城市都要“掛燈籠迎新春”,營(yíng)造喜慶祥和的春節(jié)氛圍,增添濃濃的年味。 但是,現(xiàn)階段燈籠的掛裝及卸裝主要是通過汽車搭載剪叉式升降臺(tái)機(jī)構(gòu),由安裝人員站在升降臺(tái)手動(dòng)進(jìn)行掛裝。 這種方式存在以下弊端:(1)效率低。 剪叉式升降臺(tái)每次升降均耗時(shí)久,且每個(gè)路燈都需要升降一次,完成整條街道的燈籠掛裝效率非常低下。 (2)易造成交通擁堵。 城市街道車輛繁多,每次掛裝都要占用一個(gè)車道,極易造成街道的擁堵。 (3)安全性更低。 安裝人員高空作業(yè)有很大安全風(fēng)險(xiǎn)。 (4)維護(hù)保養(yǎng)困難。 剪叉式升降臺(tái)屬于特殊作業(yè)設(shè)備,使用率不高,但需定期維護(hù)保養(yǎng),造成了一定的資金浪費(fèi)。

本項(xiàng)目旨在研究無(wú)人機(jī)在城市街道燈籠掛裝及卸裝的應(yīng)用,并設(shè)計(jì)研發(fā)一種利用無(wú)人機(jī)一次掛載多個(gè)燈籠升空并完成掛裝的裝置;同時(shí),通過連接卸裝附件,實(shí)現(xiàn)對(duì)燈籠的卸裝。 該技術(shù)可以大大地減少相關(guān)的人力物力,對(duì)于城市美化是一項(xiàng)非常重要的應(yīng)用。

1 無(wú)人機(jī)選型及接口

1.1 無(wú)人機(jī)選型

無(wú)人機(jī)是利用無(wú)線遙控和程序控制的不載人飛機(jī)。 近年來(lái),無(wú)人機(jī)由于其高機(jī)動(dòng)性和低成本而引起各方面的重視。 例如,在災(zāi)難救援和遠(yuǎn)程空間感知中,無(wú)人機(jī)可以比傳統(tǒng)方法更好、更快地執(zhí)行任務(wù)。

根據(jù)飛行平臺(tái)構(gòu)型進(jìn)行分類,無(wú)人機(jī)可以分為旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)兩類,且各自具有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)[1]。

固定翼無(wú)人機(jī)優(yōu)點(diǎn)有:(1)續(xù)航能力強(qiáng),適合用于長(zhǎng)途飛行;(2)比懸停的無(wú)人機(jī)更大,在部署天線陣列時(shí)更靈活,適用于MIMO 天線。 局限之處在于需要跑道輔助起飛降落,對(duì)地形的要求更為苛刻。

旋翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)動(dòng)、靈活,不需要跑道便可以垂直起降,能精準(zhǔn)懸停,可對(duì)某個(gè)目標(biāo)進(jìn)行精細(xì)觀察,體積小,操作簡(jiǎn)單易上手,應(yīng)用領(lǐng)域廣。 缺點(diǎn)是機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性和效率都比較差,操控距離較近,飛行高度較低,負(fù)載較小,續(xù)航時(shí)間短,所以只能小面積作業(yè),而且旋翼無(wú)人機(jī)上的旋轉(zhuǎn)葉片運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致高頻多普勒反射,對(duì)通信信號(hào)造成一定影響。

由于燈籠掛裝對(duì)無(wú)人機(jī)位置及精準(zhǔn)懸停有較高的要求,結(jié)合上述兩類無(wú)人機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn),本文選用旋翼無(wú)人機(jī)完成燈籠的掛裝工作。

1.2 無(wú)人機(jī)接口

現(xiàn)如今,無(wú)人機(jī)已被廣泛應(yīng)用于生活中的方方面面,包括航拍、高空作業(yè)、交通、通信、軍事或?yàn)?zāi)難響應(yīng)等領(lǐng)域。

本文的應(yīng)用場(chǎng)景要求無(wú)人機(jī)有一定的負(fù)載量,且支持自主開發(fā)及外接附件。 因此,選用大疆M600 PRO無(wú)人機(jī),負(fù)載可達(dá)6 kg。

大疆M600 PRO 是一款大軸距六旋翼大載重?zé)o人機(jī),軸距符合中國(guó)民用航空局無(wú)人機(jī)飛行執(zhí)照考試要求,無(wú)人機(jī)底部掛載接口及安裝尺寸如圖1 所示。

圖1 無(wú)人機(jī)底部掛載安裝尺寸

2 燈籠掛裝及卸裝裝置方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)研發(fā)了一種可以連接無(wú)人機(jī)的無(wú)線控制燈籠掛裝裝置,通過同時(shí)控制無(wú)人機(jī)姿態(tài)和無(wú)線遙控掛裝裝置的開合,實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)掛裝及卸裝燈籠。 本項(xiàng)目機(jī)械單元包含燈籠掛裝機(jī)架、掛裝裝置及卸裝附件3個(gè)部分。

2.1 掛裝機(jī)架

燈籠掛裝機(jī)架首次通過人工的方式固連在路燈上,安裝好后不需做任何操作,可長(zhǎng)期使用。 機(jī)架兩端設(shè)置對(duì)稱凹槽,用于懸掛燈籠,在凹槽內(nèi)部設(shè)置可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬片,上下各連接一根彈簧,一個(gè)雙向卡簧,進(jìn)入凹槽方向的彈簧選用彈性系數(shù)小的彈簧,使進(jìn)入凹槽方向的力為小阻力,無(wú)人機(jī)可以輕松帶動(dòng)燈籠進(jìn)入凹槽,出凹槽方向的彈簧選用彈性系數(shù)大的彈簧,使進(jìn)入凹槽方向的力為大阻力,在燈籠掛裝后,不會(huì)被風(fēng)吹離凹槽。

2.2 掛裝裝置

掛裝裝置由連桿和直流電機(jī)組成。 連桿頂部設(shè)計(jì)螺紋,可與無(wú)人機(jī)接口匹配,并穩(wěn)定固連。 通過電機(jī)作動(dòng)筒的伸縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了底部燈籠掛載桿的開合運(yùn)動(dòng)。在掛載桿上設(shè)置多個(gè)不同深度的鋸齒形溝槽,便于燈籠的掛裝,同時(shí)掛載桿前端設(shè)置螺紋孔,可連接卸裝附件。 機(jī)械原理如圖2 所示。

圖2 掛裝裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

計(jì)算該掛裝裝置的自由度:F=3n-2Pl-Ph

該開合裝置構(gòu)件數(shù)n為5,Pl為7,Ph為0,因此該掛裝裝置的自由度為1,可以實(shí)現(xiàn)確定的運(yùn)動(dòng)。

2.3 卸裝附件

卸裝附件為剪刀式結(jié)構(gòu),只在卸裝燈籠時(shí)安裝,掛裝燈籠時(shí)不安裝。 通過在剪刀式結(jié)構(gòu)尾部設(shè)置與螺紋孔配裝的螺紋桿,實(shí)現(xiàn)卸裝附件與掛裝裝置的固連;通過控制掛裝裝置的開合同時(shí)實(shí)現(xiàn)了剪刀的剪切控制。

3 燈籠掛裝及卸裝裝置控制方案設(shè)計(jì)

電機(jī)伸縮桿由無(wú)線遙控控制,控制器分為發(fā)射單元和接收單元。 無(wú)線控制采用ZigBee 協(xié)議。

3.1 ZigBee 技術(shù)概述

近幾年,人們不斷探索適應(yīng)工控場(chǎng)合的無(wú)線應(yīng)用需求,形成了多種無(wú)線通信協(xié)議和產(chǎn)品。 最流行的短距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)有藍(lán)牙Bluetooth(IEEE802.15.4),WiFi(IEEE802.11b),Ir DA 以及極具發(fā)展?jié)摿Α⒁驯粯I(yè)界認(rèn)可的ZigBee(IEEE802.15.4)等。

如表1 所示幾種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)比較情況[2],結(jié)合Zigbee 的特點(diǎn),可以總結(jié)出ZigBee 技術(shù)的以下4 個(gè)特點(diǎn):

表1 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)

(1)低功耗。 由于ZigBee 技術(shù)傳輸率低,發(fā)射功率僅為1 mW,ZigBee 設(shè)備僅使用2 枚普通5 號(hào)干電池,就可維持6～8 年正常工作時(shí)間。

(2)低成本。 ZigBee 協(xié)議是免專利費(fèi)的,可隨意使用,因此,其低成本也是受歡迎的一個(gè)重要因素。

(3)時(shí)延短。 通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都很短,搜索設(shè)備時(shí)延一般為30 ms,休眠到激活狀態(tài)的時(shí)延為15 ms,活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15 ms。

(4)可靠。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)采用碰撞避免策略,為避開發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突,專門為固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙。 MAC 層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息,如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。

從低功耗、低成本等特點(diǎn)出發(fā),采用 ZigBee 技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)非常適用于本項(xiàng)目的無(wú)線控制。 發(fā)射單元由無(wú)人機(jī)飛行員手持控制,在發(fā)射電路板上設(shè)置電位器,將電位器調(diào)節(jié)信號(hào)通過ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送,接收單元安裝在掛裝裝置上將接收的信號(hào)輸出給電機(jī),電機(jī)根據(jù)信號(hào)執(zhí)行伸縮動(dòng)作。

3.2 電機(jī)控制

本項(xiàng)目采用直線電機(jī),掛裝裝置通過電機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)燈籠掛載桿的開合。 直線電機(jī)是一類利用電磁作用直接將電能轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)動(dòng)子沿直線方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能,并且這期間無(wú)需其它傳動(dòng)或者連接裝置的電動(dòng)機(jī)[3]。 直線電機(jī)初、次級(jí)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)也因氣隙磁場(chǎng)的作用,不同的是旋轉(zhuǎn)電機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),而直線電機(jī)為行波磁場(chǎng),輸入電能通過行波磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為電磁推力,從而驅(qū)使直線電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)[4]。

3.2.1 直線電機(jī)的PWM 控制

以24 V 直流電機(jī)為例,在電機(jī)兩端接24 V 直流電源,電機(jī)會(huì)以滿速轉(zhuǎn)動(dòng),電壓降至2/3 即16 V,電機(jī)以滿速的2/3 轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。 因此,調(diào)節(jié)電機(jī)行程只需控制電機(jī)兩端電壓即可。

通常通過PWM 調(diào)節(jié)電機(jī)兩端電壓,改變單位時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻,改變占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。 占空比越大,得到的平均電壓越大,幅值也越大;占空比越小,得到的平均電壓越小,幅值也越小。

3.2.2 電機(jī)選型

本文選用MightZAP 系列微型直線電機(jī)(行程選用96 mm),該電機(jī)供電電壓12 V,可由無(wú)人機(jī)直接供電,無(wú)須再設(shè)置供電單元,支持PWM 協(xié)議控制;電機(jī)尺寸緊湊,節(jié)省空間內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路,可用于重力方向(Z 型軸),支持多種應(yīng)用程序界面及編程語(yǔ)言。

4 燈籠掛裝及卸裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直線舵機(jī)發(fā)射端由無(wú)人機(jī)飛行員手持控制,在發(fā)射電路板上設(shè)置電位器,將電位器調(diào)節(jié)信號(hào)通過ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送,接收單元安裝在燈籠掛裝裝置上;接收的信號(hào)調(diào)制為PWM 信號(hào)輸出給電機(jī),電機(jī)根據(jù)接收的信號(hào)執(zhí)行伸縮動(dòng)作。

掛載桿上的鋸齒形凹槽可使燈籠繩牢固懸掛,在無(wú)人機(jī)攜帶燈籠飛行過程中不易移動(dòng)。 通過更改掛載桿,可使無(wú)人機(jī)攜帶不同數(shù)量的燈籠升空,實(shí)現(xiàn)掛裝燈籠的效率最大化。 燈籠掛裝三維示意如圖3 所示。

圖3 燈籠掛裝三維示意

無(wú)人機(jī)飛行員通過同時(shí)操控?zé)o人機(jī)的姿態(tài)和掛載桿的開合,將燈籠放置在路燈機(jī)架上,完成城市街道燈籠的掛裝工作;接上卸裝附件后,通過操控?zé)o人機(jī)的姿態(tài)和剪刀式結(jié)構(gòu)的開合,剪斷燈籠繩,完成城市街道燈籠的卸裝工作。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)線控制燈籠掛裝及卸裝系統(tǒng),無(wú)人機(jī)連接本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的燈籠掛裝裝置升空,通過操縱無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)和遙控掛裝裝置電機(jī)的伸縮,實(shí)現(xiàn)燈籠的掛放及卸裝。 本設(shè)計(jì)在城市美化工程上具有非常好的應(yīng)用前景,可以使城市燈籠掛裝工作更加智能、便捷、高效,大大地減少了政府在該方面工作上的投入,節(jié)約了人力和財(cái)力。