一种可空中自主布管的飞行器协同取水设备的制作方法

本发明涉及航空飞行器设备的，具体的，涉及一种可空中自主布管的飞行器协同取水设备。

背景技术：

1、近年来无人机飞行器技术在农业灌溉、应急供水、高空清洗、消防灭火、水质监测采样等诸多领域得到了广泛应用。在诸多应用场景中一个常见的作业模式是，无人机挂载软管飞抵目标水域上空然后将软管末端伸入或投入水中，通过机载水泵或地面泵组实现取水、供液或喷洒作业。随着作业需求的不断扩展，用户对无人机取水作业的自主化程度和作业效率提出了更高要求，不仅要求无人机能够飞抵目标位置完成取水，还期望其能够在复杂环境下实现软管的自主布放与回收。

2、为实现上述自主化作业目标，现有技术中已出现了一些利用无人机进行自主布管或空中管线铺设的技术方案，利用无人机拖拽水带至空中预定位置后，通过机械爪自动捕获水带并完成空中自动接驳；还有的设计了可收放的取水机构，无人机到达目标点位后通过舵机控制的收管装置将采水管垂直放入水源地。在系留无人机领域已有线缆收放过程中的张力控制方案，通过在无人机与管缆连接处设置拉压力传感器，实时测量管缆拉力并传输至控制中心再由控制中心随动控制管缆卷筒收放缆，上述技术方案实现了软管或线缆的自主收放与布设，为无人机的空中管线作业提供了技术基础。

3、在实际取水作业中无人机并非始终处于静止的理想状态，飞行器受气流扰动会产生高度方向的起伏波动，软管末端入水瞬间受到水的阻力和浮力冲击，出水时受到水的表面张力拉扯，软管在飞行中受风力作用产生摆动；另外飞行器自带的机载水泵启动时，管道内水流的突然加速会产生水锤效应在软管内形成压力波，该压力波沿管壁传递至飞行器挂载端形成瞬时拉力冲击；泵停止时水流突然减速同样会产生反向的水锤冲击。上述因素均会导致软管张力发生剧烈突变且这种突变往往发生在毫秒级时间尺度内，当突增的拉力经软管直接传递至飞行器机身时会严重干扰飞行器的悬停姿态，轻则导致飞行器位置偏移、取水精度下降，重则可能使飞行器飞控系统超调失稳甚至坠机，因此需要提出一种新的技术方案来解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本技术提出一种可空中自主布管的飞行器协同取水设备，软管突增的拉力经张紧辊驱动浮动块滑动进行缓冲，并且通过联动机构带动调节机构缩短固定辊与滑动辊之间的间距以释放储管长度补偿拉力冲击；缓冲组件在张力减小时推动浮动块复位并恢复储管长度，实现软管张力的纯机械被动式双向自适应调节，避免突增拉力直接传递至飞行器机身。

2、为此，本技术提供了一种可空中自主布管的飞行器协同取水设备，包括具有储水箱、水泵和管道放卷机构的机体以及设置在管道放卷机构处的张紧机构，张紧机构用于缓冲从管道传递过来的突增拉力；

3、所述张紧机构包括与储水箱固定连接壳体、转动设置在壳体内的固定辊、滑动辊和张紧辊以及与张紧辊连接的浮动块，软管穿过壳体且在壳体内依次绕经固定辊、张紧辊和滑动辊，浮动块响应于软管张力变化而在壳体内滑动，浮动块设置有用于对浮动块运动方向施加反向力的缓冲组件，固定辊和滑动辊之间设置有可以用于调节两者之间间距的调节机构，固定辊和滑动辊之间距离变化从而调整壳体内的储管长度，浮动块与调节机构之间设置有用于同步调整的联动机构，软管张力变化时驱动浮动块滑动通过联动机构驱动调节机构调节固定辊和滑动辊之间的距离释放壳体内储管长度从而补偿软管张力变化。

4、通过采用上述技术方案：当软管张力因飞行器起伏、入水冲击、出水拉扯、风力摆动或水泵启停水锤效应而发生突变时，突增的拉力经软管传递至张紧辊，由于软管在壳体内的s型弯曲处有变直的趋势，因此软管推动张紧辊带动驱动浮动块在壳体内沿竖直方向滑动，浮动块滑动承受缓冲组件给予浮动块的反向力，浮动块滑动时通过联动机构同步驱动调节机构，调节机构使滑动辊向靠近固定辊的方向移动，缩短固定辊与滑动辊之间的间距从而减小壳体内的储管长度，相当于从储管段中主动释放出一段软管长度以补偿突增的拉力，该补偿过程完全依靠软管张力自身驱动，无需任何传感器、控制器或外部动力实现了对张力突变的毫秒级纯机械被动响应；同时缓冲组件对浮动块施加反向力将部分冲击能量转化为弹性势能储存，并在张力减小时推动浮动块复位且使滑动辊远离固定辊既储管长度恢复从而张力变小时的软管重新张紧，从而在无需外部能源的条件下实现对飞行器挂载软管张力的双向自适应调节，有效避免突增拉力直接传递至飞行器机身，达到了保障飞行器悬停姿态稳定的目的。

5、作为优选的，所述壳体包括与储水箱固定连接的固定壳以及与固定壳滑动连接的滑动壳，固定辊转动设置在固定壳内，滑动辊转动设置在滑动壳内，滑动壳插入固定壳内，固定壳内设置有与滑动壳内壁平齐的固定板，浮动块设置在固定板与滑动壳之间，调节机构设置在浮动块与固定板之间。

6、通过采用上述技术方案：通过固定壳与滑动壳的相对滑动配合实现壳体总长的可变化，当调节机构拉动滑动壳向固定壳方向移动时，滑动壳插入固定壳内的深度增加，壳体总长缩短，位于滑动壳内的滑动辊随滑动壳同步向固定辊方向移动，固定辊与滑动辊之间的间距缩短，储管长度减小从而释放软管长度补偿突增拉力，固定板的设置为浮动块提供了独立的安装空间，使浮动块可在固定板与滑动壳之间的空间内自由滑动，确保张力缓冲与长度补偿两个功能模块相互独立又协同工作，提高了机构的运动可靠性和空间利用率。

7、作为优选的，所述联动机构包括开设在固定板内凹槽、转动设置在凹槽内的转动齿轮以及与浮动块固定连接的齿条，齿条与转动齿轮啮合，转动齿轮与调节机构之间设置有传动组件。

8、通过采用上述技术方案：浮动块滑动时带动与其固定连接的齿条同步运动，齿条驱动转动齿轮旋转，转动齿轮通过传动组件将旋转运动传递至调节机构，齿条与转动齿轮的啮合传动实现了将浮动块的直线滑动转换为旋转运动，便于通过后续的传动组件将动力传递至调节机构。

9、作为优选的，所述传动组件包括与转动齿轮同步转动的传动齿轮、与固定板转动连接的中间齿轮以及用于驱动调节机构的驱动齿轮，传动齿轮与转动齿轮之间设置有同步轴，传动齿轮和转动齿轮均与同步轴固定连接，同步轴与凹槽的侧壁转动连接，中间齿轮设置有与固定板固定连接的固定轴，中间齿轮与固定轴转动连接，驱动齿轮设置有与固定板转动连接的驱动轴，驱动齿轮与驱动轴固定连接，驱动轴与调节机构连接，中间齿轮与传动齿轮和驱动齿轮均啮合。

10、通过采用上述技术方案：转动齿轮通过同步轴带动传动齿轮同步旋转，传动齿轮通过中间齿轮将动力传递至驱动齿轮，驱动齿轮通过驱动轴驱动与其连接的调节机构动作，通过合理选择中间齿轮的齿数，可在转动齿轮与驱动齿轮之间形成设定的传动比，实现对浮动块滑动行程的放大或缩小，从而以较小的浮动块位移获得较大的储管长度变化量提高缓冲效率，中间齿轮的设置还使传动路径获得一定的偏移量，便于在固定板的有限空间内灵活布置各齿轮的位置优化空间布局，避免调节机构与浮动块和张紧轮滑动时产生干涉。

11、作为优选的，所述调节机构包括与驱动轴固定连接的收线轮以及设置在收线轮和滑动壳之间的调节绳，调节绳的两端分别与收线轮和滑动壳固定连接。

12、通过采用上述技术方案：驱动齿轮转动时通过驱动轴带动收线轮同步旋转，收线轮旋转时将调节绳卷绕于其外圆周面上，调节绳拉动滑动壳向靠近固定壳的方向移动实现储管长度的缩短；线绳传动结构简单、重量轻、占据空间小，且调节绳的柔性特性使其在收卷过程中不会对滑动壳产生刚性冲击使滑动壳的运动平稳顺滑，适合飞行器挂载设备的轻量化要求。

13、作为优选的，所述浮动块的缓冲组件包括若干个压缩弹簧以及设置在相邻压缩弹簧之间的浮动板，若干个压缩弹簧的刚度系数沿远离浮动块的方向递增，浮动板与相邻的两个压缩弹簧均固定连接，靠近浮动块的压缩弹簧与浮动块固定连接，靠近壳体的压缩弹簧与壳体固定连接。

14、通过采用上述技术方案：浮动块因软管张力增大而滑动时各级压缩弹簧依次被压缩，小冲击时仅低刚度弹簧工作从而响应灵敏，中等冲击时多级弹簧串联压缩使得刚度适中，大冲击时所有弹簧同时压缩使得刚度骤增，实现缓冲刚度随冲击强度的自动梯级跃升；该多级变刚度特性使缓冲机构在小冲击下保持高灵敏度且在大冲击下提供足够的缓冲阻力，既避免了单弹簧方案小冲击响应不足但大冲击缓冲过载的缺陷，又通过各级弹簧的依次压缩延长了冲击能量的缓冲行程和时间，进一步减小传递至飞行器的冲击力峰值，当张力减小时随着张力的变化各级压缩弹簧依次释放弹性势能，推动浮动块复位实现张力的自动补偿。

15、作为优选的，所述浮动块和浮动板与壳体之间均设置有引导组件，引导组件包括与壳体固定连接的引导条以及开设在浮动块和浮动板上的引导槽，引导条位于引导槽内，浮动块和浮动板均与引导条滑动连接。

16、通过采用上述技术方案：浮动块和浮动板通过引导槽与引导条滑动配合，引导条对浮动块和浮动板的运动方向进行精确约束，防止其在滑动过程中发生偏转或倾斜，确保各级压缩弹簧的轴线始终与浮动块的运动方向保持一致，避免弹簧因弯曲而受损或产生额外的摩擦阻力；引导槽与引导条的配合方式还具有防脱出的特点，适用于飞行器挂载设备在复杂运动工况下的可靠性要求，确保多级弹簧组在长期往复运动中始终保持稳定的力学性能。

17、作为优选的，所述浮动块靠近滑动壳的一侧设置有主动楔形面，滑动壳靠近浮动块的一侧设置有从动楔形面，主动楔形面与从动楔形面抵接，缓冲组件推动浮动块复位时通过主动楔形面和从动楔形面使浮动块推动滑动壳复位。

18、通过采用上述技术方案：当缓冲组件推动浮动块复位时浮动块上的主动楔形面推动滑动壳上的从动楔形面，使滑动壳随浮动块同步向远离固定壳的方向移动实现壳体总长的恢复和储管长度的恢复，该楔形面配合结构无需额外的传动部件即可将浮动块的复位力传递至滑动壳，确保了储管长度在张力减小后能够自动恢复，使整个机构形成完整的缓冲和复位的工作循环。

19、作为优选的，所述固定辊、滑动辊和张紧辊均设置有用于对软管进行限位的凹槽，软管位于凹槽内。

20、通过采用上述技术方案：软管在依次绕经固定辊、张紧辊和滑动辊时，各辊轮上的凹槽对软管进行径向限位，防止软管在张力变化或振动过程中从辊轮外圆周面上滑脱，确保软管始终沿预定路径绕行，保证储管长度的精确控制和张力传递的可靠性；凹槽的限位作用还使软管在张紧轮上的包角保持稳定的变化规律，提高了张力感知的准确性和缓冲动作的一致性。

21、作为优选的，所述壳体上设置有用于限制浮动块滑动行程的限位块，限位块与壳体固定连接。

22、通过采用上述技术方案：限位块在浮动块滑动至极限位置时与其抵接并限制浮动块的进一步滑动，防止浮动块在极端张力条件下撞击壳体造成端部的结构损坏。

23、本技术的工作原理及有益效果为：

24、1、 通过设置张紧机构突增的拉力经软管传递至张紧辊，当软管张力因飞行器起伏、入水冲击、出水拉扯、风力摆动或水泵启停水锤效应而发生突变时，突增的拉力经软管传递至张紧辊，由于软管在壳体内的s型弯曲处有变直的趋势，因此软管推动张紧辊带动驱动浮动块在壳体内沿竖直方向滑动，浮动块滑动承受缓冲组件给予浮动块的反向力，浮动块滑动时通过联动机构同步驱动调节机构，调节机构使滑动辊向靠近固定辊的方向移动，缩短固定辊与滑动辊之间的间距从而减小壳体内的储管长度，相当于从储管段中主动释放出一段软管长度以补偿突增的拉力，该补偿过程完全依靠软管张力自身驱动，无需任何传感器、控制器或外部动力实现了对张力突变的毫秒级纯机械被动响应；同时缓冲组件对浮动块施加反向力将部分冲击能量转化为弹性势能储存，并在张力减小时推动浮动块复位且使滑动辊远离固定辊既储管长度恢复从而张力变小时的软管重新张紧，从而在无需外部能源的条件下实现对飞行器挂载软管张力的双向自适应调节，有效避免突增拉力直接传递至飞行器机身，达到了保障飞行器悬停姿态稳定的目的。

25、2、 通过设置转动齿轮和齿条，浮动块滑动时带动与其固定连接的齿条同步运动，齿条驱动转动齿轮旋转，转动齿轮通过传动组件将旋转运动传递至调节机构，齿条与转动齿轮的啮合传动实现了将浮动块的直线滑动转换为旋转运动，便于通过后续的传动组件将动力传递至调节机构。

26、3、 通过设置收线轮和调节绳，驱动齿轮转动时通过驱动轴带动收线轮同步旋转，收线轮旋转时将调节绳卷绕于其外圆周面上，调节绳拉动滑动壳向靠近固定壳的方向移动实现储管长度的缩短；线绳传动结构简单、重量轻、占据空间小，且调节绳的柔性特性使其在收卷过程中不会对滑动壳产生刚性冲击使滑动壳的运动平稳顺滑，适合飞行器挂载设备的轻量化要求。