無人機自動充電機庫設計

摘 要：為了實現無人機電源耗盡后能自動充電的功能，提出了無人機自動充電機庫的設計思想。針對無人機自動降落泊位和無線充電精確位置需求，設計了無人機自動充電的機庫整體方案。為了避免降落無人機移位過程中受到損傷，開展了柔性推桿機構受力及變形的有限元分析，確定了柔性板推桿機構形式。同時，分析了3種移位機構方案并最終選擇絲杠形式。最后，研究并確定了機庫平臺無人機檢測傳感器和精確歸位傳感器，設計了無人機平臺起飛和降落的控制流程，為無人機自動充電機庫開發奠定了重要基礎。

關鍵詞：無人機；自動機庫；柔性推桿；精確歸位

中圖分類號：V279" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）14-0046-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.010

0" " 引言

目前，我國無人機在拍攝、農業噴藥、娛樂、救災搶險、故障檢測等諸多領域獲得了廣泛應用[1-3]。科技工作者積極拓展無人機的產業應用，推動了無人機及相關技術的快速發展。

伴隨著無人機技術的不斷提高，人們對無人機機庫建造技術也提出了更高的要求。無人機機庫建造技術主要由各無人機機庫制造公司所推動，國外比較知名的公司有美國Airware公司[4]、以色列Airobotics公司[5]、英國Hereford公司[6]等。與國外相比，國內無人機機庫的發展相對滯后。但隨著我國無人機在各個領域的快速擴展，自2015年開始，大量初創公司和研究人員紛紛投入到無人機機庫研究領域，推動了無人機機庫相關技術的發展[7]。

考慮到無人機執行完一段時間的任務飛行后，需要進行快速補充能量，而采用鋰電池是當前普遍采用的能量提供方式，對此類無人機補充電能一般依賴人工介入進行充電來實現，這種方式效率較低，在偏遠無人地區難以普及。因此，設計自動機庫平臺讓無人機停留，并將無人機精準移動到指定位置，再實施自動無線充電，對于提升無人機充電效率以及智能化管理都有重要的實際應用前景。

1" " 無人機自動充電機庫總體設計

無人機自動充電機庫，具有自動泊位和無線充電功能。自動泊位即具有無人機精準歸位功能，通過設計歸位機械系統，并采用合適傳感器，保證該機械歸位系統具有一定的柔性，在推動機器人移位過程中不損傷無人機，最終將無人機準確地推到指定位置充電。

無人機自動充電機庫平臺的設計方案如圖1所示，通過旋轉艙門可完成無人機平臺的打開和關閉，實現充電過程的封閉化，提升安全性。

2" " 關鍵部件設計

2.1" " 柔性推桿設計

無人機降落到機庫平臺上，為了實現精確歸位進行無線充電，需要借助外部推桿裝置和定位傳感器配合，完成無人機的精確歸位。為了防止機庫推桿在推動無人機時損傷到無人機，需要在推桿的設計上考慮結構應具有一定柔性，將裝置設計成柔性機構。與剛性機構相比，柔性機構可產生彈性形變，來規避無人機的物理損傷。

柔性構件大致可分為兩種：柔性板和柔性鉸鏈板。柔性鉸鏈板在切口上有不同表現形式，但在結構上仍屬于同構型。柔性鉸鏈板優點是精度高，但不足表現在偏移范圍有限，不適合用在大位移、大角度變化的情況。而柔性板卻可以提供較大的變形位移和角變形，使用領域也更為廣闊。

圖2為柔性板和柔性鉸鏈板做成的推桿模型。

為了確認不同柔性結構桿件在受到載荷時的變形和應力分布情況，通過對桿件的一端固定，在另一端加同等載荷進行COMSOL有限元仿真。桿件模型為長100 mm，寬和高都為20 mm，材質為彈簧鋼，獲得不同結構形式推桿應力和位移在桿件上的分布情況（圖3）。

根據上述有限元仿真，可獲得不同構件的最大位移情況（表1）。

從表1可以看出，柔性板在同等載荷作用時，可獲得更大的變形位移。柔性板在受外力作用后，產生柔性位移具有明顯的優勢。基于此，設計的無人機機庫歸位機構采用柔性板作為擋板。

2.2" " 歸位機構設計

要對無人機進行精準歸位，首先將機庫平臺正中央確定為無人機最終停留的位置，而當無人機執行任務回來后停留在機庫平臺上的任意位置時，就需要有推桿從XY軸方向將無人機移動到平臺正中央。為使在X或Y軸上的兩推桿能夠相向移動推動無人機，有以下幾個方案可供選擇。

方案1：通過齒輪帶動上下兩個齒條運動，齒輪往一個方向轉動時，兩推桿分開；齒輪朝另一方向轉動時，推桿向里合攏，如圖4（a）所示。

方案2：通過同步帶傳動，將兩個推桿一個固定在上端，另一個固定在下端，當主動輪轉動帶動同步帶運動，兩個推桿就可實現相互靠近或遠離，如圖4（b）所示。

方案3：在一根絲桿上加雙向螺紋，一半逆螺紋，一半順螺紋，當絲桿轉動時就能帶動兩邊滑塊直線相向移動，如圖4（c）所示。

齒輪齒條有較強的承重的特點，傳動精確高，但傳動噪聲較大。同步帶有較大的承重能力，但如果受力過大就得加大傳送帶，傳動長度也不宜過大，否則易發生較大的彈性變形和顫抖。絲杠可分為普通絲杠和滾珠絲杠。普通絲杠成本低，但傳動效率不高，不適合精度定位。滾珠絲杠成本稍高，但傳動效率高，精確度高，更適用于快速往復運動。

所以，基于以上對比分析，歸位機構設計需要考慮具備精確定位要求和較高傳動效率，最終采用滾珠絲杠的歸位結構傳動方案。

2.3" " 機庫開合艙門設計

機庫的艙門主要是為了提升機庫平臺充電的私密性和安全性，防止外界對機庫平臺造成影響。從結構的簡易實現性考慮，設計了弧形艙門開合結構，具體如圖5所示。

傳動設計中通過同步帶傳動，實現圖5中的帶輪繞中心轉動，帶輪與艙門之間固定連接，帶動艙門跟著轉動。如圖5（a）為艙門開啟，圖5（b）為艙門關閉狀態。

3" " 控制系統設計

3.1" " 機庫平臺無人機檢測傳感器選擇

根據無人機機庫設計技術要求，檢測無人機有無的傳感器可采用接近式或光電式傳感器。當無人機降落機庫平臺時，無人機接近傳感器感應區時，能快速、非接觸感應到無人機是否降落在平臺上，以便能告知相關控制器，發出命令，推動無人機精確歸位到充電位置。為此，針對無人機機庫平臺的檢測傳感器進行了分析和選擇。

1）電感式傳感器：具有重復定位精確度高、構型多樣、開關頻率高等特點。局限性體現在只能檢測到導體，不適用于多變運動狀態的測量。電感式傳感器的分辨率越高，其測量范圍越小。

2）電容式傳感器：具有工作頻率高、抗外界干擾強、頻率響應速度快等特點。檢測對象可以是導體或絕緣的液體等，但其檢測距離比較近，大多不能超過20 mm。

3）光電傳感器：可以實現長距離檢測非接觸的物體，可以在0～60 m的范圍內檢測目標。這種檢測方式具有反應速度快、精確度高、非接觸等特點，同時具備了電感式和電容式傳感器的優點。

因此，在無人機的精準歸位系統中，為了確定無人機是否降落到平臺上，設計采用光電傳感器來檢測無人機目標。圖6為光幕式光電傳感器的示意圖。

在光幕左側放置了幾個等間距的紅外放射器，在另一邊安置了等同數目的紅外吸收器。當無人機沒有落到紅外放射裝置與正對應的紅外吸收器之間時，紅外放射裝置發出的光信號能順利到達紅外吸收器，作為判斷條件判斷出無人機是否落到平臺上。

3.2" " 機庫平臺無人機精確歸位傳感器選擇

當有無人機降落平臺時，推桿推動無人機移動位置。為精準地確認無人機是否移動到指定位置，需要借助高精準傳感器進行判斷處理。考慮到激光具有精度高、反應速度快、方向性好、抗干擾能力強等特點，提出采用激光傳感器（圖7）對無人機的位置進行探測。

通過在無人機的下方中央位置安裝激光發射器，當無人機被移動到平臺中央位置時，激光發射器與平臺正中央安裝的接收器對準，接收器接收到光信號，從而通知控制器讓推桿停止繼續推進。

3.3" " 控制器和控制流程

可編程邏輯控制器（PLC）利用微處理器作處理芯片，控制方式采用順序控制，滿足工業現場邏輯控制需求。其具有抗干擾能力強大、編寫程序簡單、模塊化、擴展容易等特點，可大幅縮短設計和施工時間。基于此，機庫的控制系統控制器采用PLC。

當無人機需要去執行任務時，外部調度中心會給機庫系統發送啟動信號，PLC會控制艙門電機轉動，帶動艙門反向轉動，艙門打開。艙門打開動作結束后，PLC控制推桿機構電機反轉，約束無人機推桿遠離無人機，無人機可執行起飛任務。動作流程圖如圖8（a）所示。

當無人機執行任務返回后，停在機庫平臺上，安裝在平臺兩側的光幕式光電傳感器檢測到無人機，PLC接收到信號后，控制推桿驅動無人機向中心移動。無人機被移動到正中央位置時，安裝于平臺中央的激光接收器收到無人機身上的激光信號，PLC將立即命令推桿停止運動，同時控制艙門電機正轉直至艙門關閉。動作流程如圖8（b）所示。

4" " 結論

為了實現無人機的自動充電功能，本文開發了無人機自動充電機庫系統，完成了整體機械結構方案和控制系統關鍵部分的設計。設計時采用柔性推桿機構實現平臺降落無人機的柔性推移，并通過3種傳動形式的比較，確定了滾珠絲杠作為歸位結構傳動方案。同時，在控制系統開發中對無人機平臺控制器、無人機是否降落平臺和無人機是否處于中心位置的傳感器種類進行了研究和選擇，并設計了無人機起飛和降落過程平臺的控制流程，為項目的順利實施打下了堅實基礎。

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收稿日期：2024-03-25

作者簡介：岳文婷（2004—），女，河北安平人，研究方向：機電一體化設計。