剪叉式車載無人機升降調平裝置設計

付國壯

（中國航空制造技術研究院，北京 100024）

文章通過結合整車系統集成性能，設計科學的剪叉式升降調平裝置，從而提高機電伺服驅動科學性，來充分發揮其自縮功能，有效提高無人機工作穩定性，從而加強其手動操作功能，保證能在斷電情況下進行手動應急維護[1]。

1 總體結構方案

該升降調平裝置分為調平平臺和剪刀叉升降機2個環節。在車輛底盤上安裝2組剪刀叉升降架構，并保證這2組升降架構進行獨立運動，來控制調平平臺進行傾斜和升降運動（圖1）。當車輛行駛在坡面時，剪刀叉升降系統會自動控制運動模式，從而調整無人機起降平臺的傾斜角度，保證車輛一直處于水平狀態，從而實現調平功能[2]。

圖1 總體結構方案

剪刀叉升降機作為調整平臺水平的重要環節，是由絲桿驅動組件、減速機、伺服電機、單軸鉸鏈座和雙導軌滑移底座等環節構成[3]。其通常利用雙輸出和單輸入T型減速機2種方式，等到絲桿轉換為絲母進行移動后，工作人員要通過剪叉桿來控制其日常升降運動。而減速機雙輸出空心軸是以自鎖梯形絲桿為核心，有利于其合理控制絲桿停滯、自鎖等工作任務，并在其中安裝應急手動驅動輸入端，一旦遇到特殊情況，工作人員可通過人為手段來進行剪叉桿運動。另外，調平平臺組件是車載無人機的起降基礎，通常有頂部平臺、導向滑移組件和直線導軌等環節組成，跟隨剪叉桿轉動而出現相應運動，即使傾斜平臺的傾斜角度達到17°，車輛在3%的縱坡上也能進行科學調平（圖2）。

圖2 升降調平裝置的三維結構設計

1.1 電氣系統原理

升降調平裝置電氣系統是由傾角調平控制單元、有限位檢測單元、升降運動控制模塊和平臺位置控制單元等環節組成（圖3）。其中傾角調平控制單元利用專業計算工具，計算出平臺上傾角傳感器的傾斜角度，來判斷平臺停留在何種狀態，如下坡狀態、上坡狀態。由于剪叉式升降平臺液壓驅動配套系統具有較強的復雜性，很難精確控制執行機構的具體位置，單獨安裝液壓動力系統通常會占據較多內存空間，導致系統集成面積較大。該裝置在前后布置2組單級獨立電動剪刀叉機構，將其作為執行升降機日常運行的平臺，利用縱向滑移傾斜結構和前后高低差方法，讓車輛底盤在斜坡上能升降調平平臺，在平整路面移動中能動態調整起降平臺，給車載無人機日常起降工作打下堅實的基礎[4]。當調平平臺上升到指定高度時，運動控制模塊自動控制剪刀叉升降機構，來實現升降機上升的動作，讓調平平臺和地面能趨于平行，從而達到預期運動的目的；平臺位置控制單位是通過采用拉繩式編碼器值，來準確計算出零位標定和置零編碼器數值，并將數據信息轉換為位置高度值，常用在控制和平臺高度數值相關的升降方面，當調平平臺上升到指定位置時，系統會自動發布特殊指令來控制伺服電機，保證升降平臺日常動作能達到行業標準；而限位檢測單元作為升降平臺保護機制，一旦拉繩式編碼器出現嚴重的安全故障，限位檢測單元會自動控制調平平臺，將讓其在上下極限位置停止任何活動；升降運動控制模塊作為升降調平裝置的主要控制設備，其具有多樣化功能，如工作流程控制、CAN通信、故障報警和數據采集等功能[5]。

圖3 升降調平裝置電氣系統原理

1.2 控制系統架構

控制系統通常分為運動控制模塊和檢測單元2個環節（圖4）。其中檢測單元主要包括限位開關、傾角傳感器和拉繩式編碼器等組件，傾角傳感器是采用陀螺儀和雙軸加速度計構成，通常應用在測量水平雙軸傾角方面。近年來，隨著無人機產業不斷發展，不再單純作為簡單的航拍玩具，而是被逐漸應用到日常生活領域中，如影視航拍、電路巡查、環境監控等方面。無人機作為目前最新型的測量方式，憑借自身具有工作效率高、成本低、操作靈活等特征，被廣泛應用在各行業中，有利于工作人員提取數字表面模型、點云、三維模型、數字高程模型等多樣化數據。在日常使用中剪叉式升降平臺很容易受到周圍生態環境影響，一旦其出現問題，需要工作人員維護多個保養流程，整個流程非常復雜，特別是軍用無人機，如果在-40℃的低溫環境下進行工作，會給其液壓傳動帶來嚴重影響。而X軸方向傾角作為車輛縱向傾角，可有效調整無人機起降平臺，來準確判斷無人機是否具備起降條件；拉繩式編碼器利用絕對值編碼器來測量調平平臺的基本位置，其具有記憶斷電位置功能，能靈活選擇使用何種方式控制調平平臺，不需要經過重復的校正和標定；限位開關通常有4個接近開關，被工作人員設置在剪刀叉升降機構絲桿兩側，來保護2組剪刀叉架構極限位置電機的正常運行。同時，運動控制模塊是由伺服電機、CTM8251系列CAN通信模塊、嵌入式控制程序、外圍電路等環節組成，能有效滿足基本控制和通信要求，實現升降調平裝置日常監控和操作任務[6]。

圖4 控制系統

1.3 軟件設計

升降調平裝置的控制軟件和通信功能，是以嵌入式控制程序為主體，給升降調平裝置提供多樣化性能，如運動控制、動作控制、任務控制、故障報警和CAN通信控制等功能，能嚴格遵循任務優先級別來進行實時控制，能滿足整車系統聯控和單機控制要求（圖5）。無人機是由各種環節組成，如地面工作站、無人飛行載體、數傳系統和傳感器等。目前，隨著現代科學技術不斷提升，無人機呈現多樣化形態，對不同領域來說，要根據自身工作特征和需求選擇對應的飛行載體，充分發揮數傳系統的作用，例如，將無人機所拍攝的數據全部傳輸到消防救援部門，在輔助消防救援時，無人機能利用無線圖像系統，將火災現場數據傳輸到消防救援指揮部，有利于指揮部結合現場火災實際情況，安排充足的消防人員，制定科學的消防計劃，及時控制火災現場。同時，無人機作為最先進的飛行裝置，需要搭載相應的感應設備，系統內部有安裝核心控制系統，要通過定位裝置來進行遠程控制，并在無人機正式飛行前設定相關程序，制定正確的拍攝任務，才能真正實現航空拍攝的目的，給消防救援工作帶來便利。其中BIT自檢能定期檢查系統的軟件系統和硬件系統，通過使用檢查、功能檢測等功能，在發現故障時自動將故障區域隔離，并主動觸發報警系統；任務控制是采用邏輯控制措施來實現完整的動作流程，如一鍵復位并下降閉合，一鍵上升到最高點且調平；動作控制能實現日常運行速度控制，保證平臺運行穩定性；狀態監控通常是用作收集調平平臺數據，再將所有數據上傳給專業部門，并詳細記錄升降調平次數；通信控制則是利用CAN總線接口來完成信息交互任務[7]。

圖5 升降調平裝置

2 控制策略設計

升降調平裝置的控制策略是由多樣化過程控制，如復位、調平和升降等環節。升降過程控制通常應用在任務執行方面時，主控板通過合理控制驅動器來控制其執行速度，控制其他2個電機進行運動。根據專業人員研究發現，從靜止狀態到勻速驅動狀態一般需要經過2 s，當平臺運動靠近上升位置時，要緩慢降低運行速度，一直將其速度降低為0時，才能控制系統進行上升下降運動。同時，在升降過程中，工作人員要操作驅動器，來控制各種類型電機進行日常工作，一旦其中某個電機驅動出現故障，驅動器會自動關閉電機輸出；在出現堵轉、失速等安全故障時，工作人員要手動關閉輸出開關，并將各方面數據上傳到指定部門；當拉繩式編碼器檢測到2組剪刀叉高度差值高于10 mm時，可評價系統升降機產生同步故障，要立刻關閉輸出，并將故障數據上傳到系統中，系統會自動找到故障的準確位置信息，上位機會自動發送指令，主控板保證驅動器能正常運行，并將縱傾角控制在合理范圍內，而當縱傾角下降到2°時，會走進低速調控狀態，直到其下降到0°時，整個調平工作全部完成（圖6）。復位控制策略是采用主控板來接受復位指令，從而掌握2組剪刀叉運行數據，以此為基礎來控制位置較高剪刀叉進行下降活動，直到2組剪刀叉下降到相同高度時，再控制平臺同步上升到指定位置，且進行上報復位工作。在正常情況下，復位控制通常應用在手動操作后，來實現剪刀叉自動控制的校準工作，如任意位置調試、單步調平復位[8]。

圖6 無人機升降

3 結束語

綜上所述，通過將剪叉式升降調平設備應用車載無人機起降平臺中，能科學控制車輛在縱坡的傾角，保證其靜態升降工作順利進行，從而滿足車載無人機動態起降要求。另外，工作人員可在2組剪刀叉機構和機電驅動位置設置獨立升降系統、傾斜平臺結構，來實時控制升降平臺日常運行軌跡，對提高剪刀叉升降機構運行效率具有重要作用。因此，本文側重于研究剪叉式升降調平裝置，通過控制整車系統集成性能和空間，來提高系統可靠度。