一种双飞行器协同吊挂自适应平衡装置、方法及运输系统与流程

本发明涉及无人机协同吊装，特别是涉及一种双飞行器协同吊挂自适应平衡装置、方法及运输系统。

背景技术：

1、双飞行器协同吊挂运输是重载无人机物资转运、野外工程设备吊装、高原物流运输及应急救援物资投送的重要作业方式；相较于单机吊挂，双机协同吊挂在载重能力、作业稳定性及对大尺寸货物的适配性方面具有显著优势，因而在山区、高原、海岛等无道路区域的物资运输和重型设备吊装场景中得到了日益广泛的应用；

2、目前，现有双机协同吊挂装置多采用固定式横杆结构，即在两架无人机下方刚性连接一根横杆，货物集中吊挂于横杆中心，两架无人机通过固定长度的绳索分别连接横杆两端；这种结构在理想飞行条件下能够保持货物水平姿态，但在实际飞行作业中，受阵风扰动、无人机自身姿态漂移、动力系统输出波动、不同高度层气流差异等复杂环境因素影响，两架协同作业的无人机极易产生飞行高度差；由于绳索长度固定不可调节，高度差直接导致横杆发生倾斜，货物重心随之偏移，进而引发单边绳索过载、货物偏摆振荡、载荷分布严重不均等一系列问题；轻则影响飞行稳定性和运输效率，重则导致无人机姿态失控、货物意外坠落、设备损坏甚至人员伤亡等重大安全事故；

3、为克服上述固定式横杆结构的缺陷，近年来出现了一些可调节吊挂结构的技术方案，现有可调节方案通常采用两套独立的驱动电机分别控制两侧绳索长度，并配合倾角传感器及复杂的电控算法实现横杆姿态纠偏；然而，这类方案存在以下显著不足：其一，两套独立驱动系统需要精确的电子同步控制，否则两侧收放量难以严格匹配，反而容易引入新的不平衡扰动；其二，双电机配置导致结构臃肿、硬件成本高、故障率高，在高原、风沙等恶劣环境中维护困难、可靠性不足；其三，现有方案的控制参数多依赖经验整定，对不同载重、不同绳长工况的适应能力有限，难以满足高频次、高可靠、强扰动环境下的双机协同吊挂作业需求。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中双飞行器协同吊挂作业时横杆易倾斜、货物摆动难以抑制，双卷扬独立驱动同步控制困难，传统控制方式工况适应性弱、难以同时实现快速纠偏与稳态高精度调平的缺陷，提供一种双飞行器协同吊挂自适应平衡装置、方法及运输系统。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种双飞行器协同吊挂自适应平衡装置，其包括：平衡横杆，待运输货物连接于所述平衡横杆的底部中心；驱动机构，所述驱动机构包括主驱动器、第一绳索收放器以及第二绳索收放器，所述主驱动器固设于所述平衡横杆的上表面中心位置，且其具有动力输出方向相反的两个输出轴，所述第一绳索收放器以及第二绳索收放器分别连接于两个所述输出轴，以同步反向作业，其中，所述第一绳索收放器上卷绕有第一吊挂绳索，所述第二绳索收放器上卷绕有第二吊挂绳索，所述第一吊挂绳索以及所述第二吊挂绳索分别连接两个外部飞行器；检测调控机构，所述检测调控机构包括姿态检测模块、控制模块以及两个编码器，其中，所述姿态检测模块设置于所述平衡横杆上，以实时采集所述平衡横杆的倾角数据和角速度数据，两个所述编码器分别连接于所述第一绳索收放器以及第二绳索收放器，以分别检测所述第一绳索收放器和所述第二绳索收放器的累计转动圈数，并换算两侧绳索的实际长度差，所述姿态检测模块以及所述编码器均连接于所述控制模块，所述控制模块根据倾角数据、角速度数据以及实际长度差计算最优绳长收放速率，并基于所述最优绳长收放速率控制所述主驱动器的启停与正反转。

3、在本发明的一个实施例中，所述双飞行器协同吊挂自适应平衡装置还包括吊挂环，所述吊挂环连接于所述平衡横杆的底部中心，以连接待运输货物。

4、在本发明的一个实施例中，所述主驱动器配置为同轴的双输出减速电机，以使所述第一绳索收放器与所述第二绳索收放器转速一致且转向相反。

5、本发明还提供一种双飞行器协同吊挂自适应平衡方法，其通过上述的双飞行器协同吊挂自适应平衡装置进行双飞行器协同吊挂自适应平衡运输，其包括：步骤s1、将第一吊挂绳索与第二吊挂绳索分别连接于两个飞行器，同时将待运输货物连接于所述平衡横杆的底部中心后，启动飞行器进行运输；步骤s2、在运输过程中，依据平衡横杆的倾角数据、角速度数据以及第一吊挂绳索与第二吊挂绳索之间的实际长度差实时计算所述平衡横杆的广义偏差量；步骤s3、基于所述广义偏差量，通过非线性函数映射计算当前所述最优绳长收放速率；步骤s4、将所述最优绳长收放速率转换为主驱动器的转速指令并执行，以通过同步反向作业的第一绳索收放器及第二绳索收放器执行绳索收放动作，直至所述平衡横杆复位至水平状态。

6、在本发明的一个实施例中，步骤s2中，所述广义偏差量，其中，为所述平衡横杆的倾角数据，为所述平衡横杆的角速度数据，为两侧绳索的所述实际长度差，为所述平衡横杆的半长度，代表从所述平衡横杆的几何中心到任一绳索收放器出绳口的水平距离；为所述自适应平衡装置的固有圆频率，为重力加速度，为等效悬挂长度，为所述第一吊挂绳索或第二吊挂绳索在平衡状态下的标称竖直长度，为货物重心至所述货物吊挂环悬挂点的垂直偏置距离。

7、在本发明的一个实施例中，步骤s3中，所述最优绳长收放速率，其中，负号表示驱动绳索收放器执行与偏差方向相反的调节动作，为双曲正切函数，系数为最优速率增益。

8、在本发明的一个实施例中，在执行所述步骤s4之前，还包括死区判断步骤：当计算出的最优绳长收放速率的绝对值小于或等于预设的速度死区阈值时，将输出的指令速率设为零，控制所述主驱动器停转；当所述绝对值大于所述速度死区阈值时，将计算出的最优绳长收放速率作为指令速率输出，并将其绝对值限制在预设的最大安全速率之内。

9、在本发明的一个实施例中，所述步骤s4包括：通过公式，将所述指令速率换算为所述主驱动器的转速指令并执行；其中，为所述第一绳索收放器和第二绳索收放器的卷绳槽半径，所述转速指令的正负号用于指示所述主驱动器的正反转方向。

10、在本发明的一个实施例中，所述控制模块配置分级纠偏调节逻辑，预设倾角阈值区分大幅扰动与小幅扰动工况；当平衡横杆倾角超出预设倾角阈值时，优先配合飞行器飞控系统完成姿态粗调，快速抑制大幅倾斜偏差；当平衡横杆倾角回落至阈值范围内的小幅偏差状态时，切换至控制模块自适应精调模式，通过广义偏差量非线性映射持续修正绳长差，实现横杆水平姿态的稳态收敛，同时抑制货物残余摆动与机构微颤。

11、本发明还提供一种运输系统，其通过上述的双飞行器协同吊挂自适应平衡方法驱动至少一个双飞行器协同吊挂自适应平衡装置进行货物运输。

12、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

13、本发明所述的双飞行器协同吊挂自适应平衡装置、方法及运输系统，依托中心布置的双反向输出轴主驱动器搭配对称设置的双绳索收放器结构，能够通过单一动力源实现两侧吊挂绳索的同步反向收放作业，从机械结构层面保证了两侧绳长变化量严格对等，彻底规避了传统双电机独立调控方案存在的同步精度差、电控匹配难度大、硬件臃肿故障率高的缺陷，大幅简化了吊挂调控结构，提升了整体装置在复杂户外、风沙及高原颠簸扰动工况下的结构可靠性与环境适应性，有效解决了双飞行器飞行高度波动带来的横杆倾斜、载荷分布不均、单边绳索过载及货物偏摆振荡等核心问题。

14、同时本发明集成搭载姿态检测模块与编码器的检测调控机构，可实时精准采集平衡横杆的倾角、角速度以及两侧绳索实际长度差多维度状态信息，通过多物理量融合的广义偏差量结合非线性函数映射方式自适应求解最优绳长收放速率，摒弃了传统控制方案依赖人工经验整定参数、适配性差且响应滞后的弊端，能够根据实时扰动幅度自适应输出平滑连续的调控指令，小幅度姿态偏差下具备高灵敏调节特性，大幅度扰动工况下可自动实现速率饱和限幅，有效避免机械冲击与电机频繁微颤，配合分级纠偏的调控逻辑可实现大幅扰动粗调与小幅偏差精调的无缝切换，快速收敛横杆倾斜姿态并抑制货物残余摆动。

15、本技术整体调控响应速度快、稳态精度高、运行稳定性好，显著提升了双飞行器协同吊挂运输过程的作业安全性与运输平稳性，降低了货物坠落及设备损坏的风险，极大拓宽了双飞行器协同吊挂技术在重载转运、野外施工及应急物资投送等复杂场景的适用范围。