一种车载无人机巢的机电系统设计*

2022-06-24徐国太张凤涛王向宇魏铭辰李福根

机械工程与自动化 2022年3期

徐国太，张凤涛，王向宇，魏铭辰，李福根

(长春师范大学工程学院，吉林长春 130032)

0 引言

随着科技的发展，无人机的功能变得多样化。在日常的使用及运输过程中,无人机内部许多细小零件容易发生损坏。由于对无人机零件材料的要求很高，维修成本很大，因此需要一个保护无人机的装置——无人机巢。该装置既能避免无人机在非工作环境下受到损伤，又能对无人机进行飞行数据的传输，并且还能对无人机进行智能充电，使得无人机能够持续性工作，保证无人机的续航能力。因此，本文以车载无人机巢为研究对象，设计了一种车载无人机巢机电系统。

1 车载无人机巢设计方案

本文所研究的车载无人机巢，适合安装在HAVAL-H6型汽车的行李架上。其整体设计方案如图1所示，它主要由传动装置、停机坪、感应装置、控制装置、驱动机构、机巢腔体等一系列组件组成。操作者可以通过手机APP来控制车载无人机巢执行相关命令，例如无人机的放飞与回收等操作，实现无人机巢的自动化、智能化。

图1 车载无人机巢整体设计方案

该车载无人机巢外观如图2所示，主要用于收纳GT5型无人机，能够实现GT5型无人机在停机坪上手动起飞、自动降落的功能。当需要将无人机从无人机巢中取出时，有两种可用方法，一种是手动控制，一种是遥控控制。手动时操作者用手动方式打开舱盖，拉出停机坪，从而取出无人机。遥控控制时可利用手机的APP通过蓝牙连接，点击打开舱盖，伸出停机坪，取出无人机。无人机因受电池寿命影响，不能长久工作，需要人工更换电池，极大地降低了其工作效率[1]。但车载无人机巢可以通过车上的供电系统为无人机巢提供电能，同时给无人机电池进行充电，提高了工作效率。同时手机APP也能实时监控无人机的各项状态。图3为该无人机巢的关键零部件。

图2 车载无人机巢

图3 无人机巢的关键零部件

2 车载无人机巢工作原理分析

该车载无人机巢的工作过程分为两部分，一为回收过程，二为起飞过程，其整体控制过程如图4所示。

图4 车载无人机巢控制流程图

2.1 无人机回收过程

当无人机飞到回收地点时，无人机巢的电机1、2运作，上盖开始向后移动，同时停机坪也向前移动。然后无人机识别停机坪的方位，根据降落标识无人机停在停机坪上，接着驱使电机使停机坪上的固定装置启动，电机1、2运作，上盖与停机坪同时向相反方向开始滑动闭合，无人机回到无人机巢内。

2.2 无人机起飞过程

无人机巢的控制系统控制无人机巢内部的两个电机工作，使得上盖和停机坪往相反方向运动，从而打开无人机巢。之后停机坪上的固定装置开始运动，向停机坪四周推动，并且给无人机发送准备起飞的信号。无人机起飞后，电机运作，停机坪和上盖收回，停机坪回收至无人机巢中。

3 无人机巢传动系统参数计算

系统中存在两个导轨，舱盖和停机坪均需通过导轨进行平移。由于系统对工作效率有严格要求，包括舱盖打开不得高于30 s，停机坪出舱不得高于10 s，因此需对丝杠导程和电机转速进行计算和选择。

3.1 丝杠导程计算

滚珠丝杠是实现直线和旋转运动相互转换的重要部件,一般由丝杠、螺母、滚珠和回珠器等构成,其传动具有平稳、效率高、精度高、负载能力强和寿命长等特点[2]。根据要求选择滚珠丝杠。

滚珠丝杠导程的计算公式为：

(1)

其中：P为丝杠的单位导程；vmax为停机坪最高移动速度，vmax=0.5 m/s；nmax为电机最高转速，nmax=315 r/min；i为电机与丝杠之间的传动比，i=8(设用一级减速齿轮联接)。

将相关数据代入式(1)计算可得P=12 mm/r。

3.2 电机的选择

舱盖打开的位移一共是1 700 mm，按照要求需在30 s内完全打开。选择带额定负载后输出为n=300 r/min=5 r/s的直流减速电机。此时舱盖打开所需的时间T1为：

(2)

其中：S1为舱盖达到既定位置的位移,S1=1 700 mm；n为滚珠丝杠的转速,n=5 r/s。将相关参数代入式(2)计算可得T1≈28.33 s。

根据系统设置，舱盖打开时间不得超出30 s，可以满足要求。

停机坪移动的位移S2一共为550 mm，按照要求在10 s内移出机舱。若也选择12 mm导程的丝杠、n=300 r/min=5 r/s的直流减速电机，停机坪达到工作位置时所需要的时间T2为：

因此机械传动系统中的两个导轨均选择了直径为20 mm、导程为12 mm的丝杠，丝杠与直流减速电机通过联轴器直接相连，带载后输出为300 r/min，并在导轨的起点和终点处均设置了限位传感器，为控制电路提供信息反馈。

4 无人机巢控制系统设计

控制系统的任务包括驱动电机1完成机舱的运动、驱动电机2完成停机坪的移动。利用压力传感器判断无人机是否降落在停机坪上, 配合电磁吸盘和电磁锁扣使无人机固定在停机坪上面, 可以防止无人机在充电时意外起飞[3]；识别限位传感器判断电机运动的极限位置，识别条形码判断无人机的型号，驱动蓝牙模块接收手机端的控制命令等。

以上任务中，传感器的识别均属于基本的IO输入操作，驱动电磁吸盘和电磁锁扣属于基本的IO输出操作。因此设计的重点在于控制器的选型、电机驱动电路设计、条形码识别及蓝牙模块的接口设计和电源变换电路设计四部分。

4.1 控制器的选型

根据图1计算控制系统所需的端口资源，大约需要16个IO接口，此时可以选择STC89C4051或Arduino Uno等单片机作为控制CPU。这两款单片机均可以提供20个左右的端口资源，鉴于条形码传感器、蓝牙模块需要与单片机进行串口通信，而Arduino Uno自身带有1组异步串行口，且可通过普通IO和定时器产生一对模拟串口，这样可以满足控制系统对串口数量的需求，且在编程方面相对容易实现，存储指令代码的空间相对较大。因此选择Arduino Uno单片机作为系统的控制器。

4.2 电机驱动电路设计

通过对电机的计算可知，系统可选择DC12V、300 r/min的直流减速电机，目前市场上JGY-370、JGY-N20、JGB37-520等型号均可满足需求，根据安装位置、尺寸、负载扭矩等需求，最终选择JGB37-520减速电机，其正常工作时，工作电流小于1 A，工作电压有12 V、24 V可选，根据车载点烟口的电压应选择12 V款。

直流减速电机的控制包括启动、调速、制动三个方面，为保证驱动芯片可提供的电流达到电机正常工作电流的2倍以上，设计该驱动电路时使用了L298N芯片，其工作电压最高可达到46 V、电流可达2 A，具体驱动电路如图5所示。

图5 电机驱动电路

4.3 条形码识别及蓝牙模块的接口设计

条形码传感器模块一般自带控制CPU，可通过9 600的波特率、8位数据位、无校验、1个停止位的异步通信协议接收命令和发送数据，而蓝牙模块也采用相同的帧格式与主控制器通信。在设计这两种传感器接口时，将蓝牙模块接在Arduino Uno的硬串口上，条形码传感器接在软串口上，如图6所示。

图6 条形码识别及蓝牙接口电路

4.4 电源变换电路

本控制系统电源来自于车载点烟口电压，即DC12 V。电机、L298N芯片、电磁锁扣和电磁吸盘可工作在12 V电压下，单片机、压力传感器、限位传感器、蓝牙模块需要在DC5 V电压下工作，而条形码识别模块需在DC3.3 V电压下工作，综上控制系统共需三种工作电压。按照消耗功率的大小排列，DC12 V需要为电机供电消耗功率最大，DC3.3V仅需给条形码识别模块供电，其消耗的功率最小，因此使用LM2596芯片完成DC12 V到DC5 V的降压变换，使用REG1117芯片完成DC5 V到DC3.3 V的降压变换[4]，DC-DC电源变换电路如图7所示。