剪叉式车载无人机升降调平装置设计

付国壮

（中国航空制造技术研究院，北京 100024）

文章通过结合整车系统集成性能，设计科学的剪叉式升降调平装置，从而提高机电伺服驱动科学性，来充分发挥其自缩功能，有效提高无人机工作稳定性，从而加强其手动操作功能，保证能在断电情况下进行手动应急维护[1]。

1 总体结构方案

该升降调平装置分为调平平台和剪刀叉升降机2个环节。在车辆底盘上安装2组剪刀叉升降架构，并保证这2组升降架构进行独立运动，来控制调平平台进行倾斜和升降运动（图1）。当车辆行驶在坡面时，剪刀叉升降系统会自动控制运动模式，从而调整无人机起降平台的倾斜角度，保证车辆一直处于水平状态，从而实现调平功能[2]。

图1 总体结构方案

剪刀叉升降机作为调整平台水平的重要环节，是由丝杆驱动组件、减速机、伺服电机、单轴铰链座和双导轨滑移底座等环节构成[3]。其通常利用双输出和单输入T型减速机2种方式，等到丝杆转换为丝母进行移动后，工作人员要通过剪叉杆来控制其日常升降运动。而减速机双输出空心轴是以自锁梯形丝杆为核心，有利于其合理控制丝杆停滞、自锁等工作任务，并在其中安装应急手动驱动输入端，一旦遇到特殊情况，工作人员可通过人为手段来进行剪叉杆运动。另外，调平平台组件是车载无人机的起降基础，通常有顶部平台、导向滑移组件和直线导轨等环节组成，跟随剪叉杆转动而出现相应运动，即使倾斜平台的倾斜角度达到17°，车辆在3%的纵坡上也能进行科学调平（图2）。

图2 升降调平装置的三维结构设计

1.1 电气系统原理

升降调平装置电气系统是由倾角调平控制单元、有限位检测单元、升降运动控制模块和平台位置控制单元等环节组成（图3）。其中倾角调平控制单元利用专业计算工具，计算出平台上倾角传感器的倾斜角度，来判断平台停留在何种状态，如下坡状态、上坡状态。由于剪叉式升降平台液压驱动配套系统具有较强的复杂性，很难精确控制执行机构的具体位置，单独安装液压动力系统通常会占据较多内存空间，导致系统集成面积较大。该装置在前后布置2组单级独立电动剪刀叉机构，将其作为执行升降机日常运行的平台，利用纵向滑移倾斜结构和前后高低差方法，让车辆底盘在斜坡上能升降调平平台，在平整路面移动中能动态调整起降平台，给车载无人机日常起降工作打下坚实的基础[4]。当调平平台上升到指定高度时，运动控制模块自动控制剪刀叉升降机构，来实现升降机上升的动作，让调平平台和地面能趋于平行，从而达到预期运动的目的；平台位置控制单位是通过采用拉绳式编码器值，来准确计算出零位标定和置零编码器数值，并将数据信息转换为位置高度值，常用在控制和平台高度数值相关的升降方面，当调平平台上升到指定位置时，系统会自动发布特殊指令来控制伺服电机，保证升降平台日常动作能达到行业标准；而限位检测单元作为升降平台保护机制，一旦拉绳式编码器出现严重的安全故障，限位检测单元会自动控制调平平台，将让其在上下极限位置停止任何活动；升降运动控制模块作为升降调平装置的主要控制设备，其具有多样化功能，如工作流程控制、CAN通信、故障报警和数据采集等功能[5]。

图3 升降调平装置电气系统原理

1.2 控制系统架构

控制系统通常分为运动控制模块和检测单元2个环节（图4）。其中检测单元主要包括限位开关、倾角传感器和拉绳式编码器等组件，倾角传感器是采用陀螺仪和双轴加速度计构成，通常应用在测量水平双轴倾角方面。近年来，随着无人机产业不断发展，不再单纯作为简单的航拍玩具，而是被逐渐应用到日常生活领域中，如影视航拍、电路巡查、环境监控等方面。无人机作为目前最新型的测量方式，凭借自身具有工作效率高、成本低、操作灵活等特征，被广泛应用在各行业中，有利于工作人员提取数字表面模型、点云、三维模型、数字高程模型等多样化数据。在日常使用中剪叉式升降平台很容易受到周围生态环境影响，一旦其出现问题，需要工作人员维护多个保养流程，整个流程非常复杂，特别是军用无人机，如果在-40℃的低温环境下进行工作，会给其液压传动带来严重影响。而X轴方向倾角作为车辆纵向倾角，可有效调整无人机起降平台，来准确判断无人机是否具备起降条件；拉绳式编码器利用绝对值编码器来测量调平平台的基本位置，其具有记忆断电位置功能，能灵活选择使用何种方式控制调平平台，不需要经过重复的校正和标定；限位开关通常有4个接近开关，被工作人员设置在剪刀叉升降机构丝杆两侧，来保护2组剪刀叉架构极限位置电机的正常运行。同时，运动控制模块是由伺服电机、CTM8251系列CAN通信模块、嵌入式控制程序、外围电路等环节组成，能有效满足基本控制和通信要求，实现升降调平装置日常监控和操作任务[6]。

图4 控制系统

1.3 软件设计

升降调平装置的控制软件和通信功能，是以嵌入式控制程序为主体，给升降调平装置提供多样化性能，如运动控制、动作控制、任务控制、故障报警和CAN通信控制等功能，能严格遵循任务优先级别来进行实时控制，能满足整车系统联控和单机控制要求（图5）。无人机是由各种环节组成，如地面工作站、无人飞行载体、数传系统和传感器等。目前，随着现代科学技术不断提升，无人机呈现多样化形态，对不同领域来说，要根据自身工作特征和需求选择对应的飞行载体，充分发挥数传系统的作用，例如，将无人机所拍摄的数据全部传输到消防救援部门，在辅助消防救援时，无人机能利用无线图像系统，将火灾现场数据传输到消防救援指挥部，有利于指挥部结合现场火灾实际情况，安排充足的消防人员，制定科学的消防计划，及时控制火灾现场。同时，无人机作为最先进的飞行装置，需要搭载相应的感应设备，系统内部有安装核心控制系统，要通过定位装置来进行远程控制，并在无人机正式飞行前设定相关程序，制定正确的拍摄任务，才能真正实现航空拍摄的目的，给消防救援工作带来便利。其中BIT自检能定期检查系统的软件系统和硬件系统，通过使用检查、功能检测等功能，在发现故障时自动将故障区域隔离，并主动触发报警系统；任务控制是采用逻辑控制措施来实现完整的动作流程，如一键复位并下降闭合，一键上升到最高点且调平；动作控制能实现日常运行速度控制，保证平台运行稳定性；状态监控通常是用作收集调平平台数据，再将所有数据上传给专业部门，并详细记录升降调平次数；通信控制则是利用CAN总线接口来完成信息交互任务[7]。

图5 升降调平装置

2 控制策略设计

升降调平装置的控制策略是由多样化过程控制，如复位、调平和升降等环节。升降过程控制通常应用在任务执行方面时，主控板通过合理控制驱动器来控制其执行速度，控制其他2个电机进行运动。根据专业人员研究发现，从静止状态到匀速驱动状态一般需要经过2 s，当平台运动靠近上升位置时，要缓慢降低运行速度，一直将其速度降低为0时，才能控制系统进行上升下降运动。同时，在升降过程中，工作人员要操作驱动器，来控制各种类型电机进行日常工作，一旦其中某个电机驱动出现故障，驱动器会自动关闭电机输出；在出现堵转、失速等安全故障时，工作人员要手动关闭输出开关，并将各方面数据上传到指定部门；当拉绳式编码器检测到2组剪刀叉高度差值高于10 mm时，可评价系统升降机产生同步故障，要立刻关闭输出，并将故障数据上传到系统中，系统会自动找到故障的准确位置信息，上位机会自动发送指令，主控板保证驱动器能正常运行，并将纵倾角控制在合理范围内，而当纵倾角下降到2°时，会走进低速调控状态，直到其下降到0°时，整个调平工作全部完成（图6）。复位控制策略是采用主控板来接受复位指令，从而掌握2组剪刀叉运行数据，以此为基础来控制位置较高剪刀叉进行下降活动，直到2组剪刀叉下降到相同高度时，再控制平台同步上升到指定位置，且进行上报复位工作。在正常情况下，复位控制通常应用在手动操作后，来实现剪刀叉自动控制的校准工作，如任意位置调试、单步调平复位[8]。

图6 无人机升降

3 结束语

综上所述，通过将剪叉式升降调平设备应用车载无人机起降平台中，能科学控制车辆在纵坡的倾角，保证其静态升降工作顺利进行，从而满足车载无人机动态起降要求。另外，工作人员可在2组剪刀叉机构和机电驱动位置设置独立升降系统、倾斜平台结构，来实时控制升降平台日常运行轨迹，对提高剪刀叉升降机构运行效率具有重要作用。因此，本文侧重于研究剪叉式升降调平装置，通过控制整车系统集成性能和空间，来提高系统可靠度。