一种无人机海面回收与充电平台及控制方法与流程

1.本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人机海面回收与充电平台及控制方法。


背景技术：

2.海面作业的无人机由于续航问题导致工作时间有限，因此为了能够增加作业能力，以及实时回收无人机，因此需要一种能方便安置在任意海面运载艇上的降落充电装置。由于船体的波动(船体的空间位置以及姿态均会发生变化)，需要使得平台能始终保持水平以及空间位置微变化。在平衡方面，目前在小型运载艇上较为适用的是3舵机构建的平衡平台，虽然能够补偿降落平面的姿态变化，可对于空间位置变化缺难以应付。鉴于市面上的6自由度并联结构(市面上主要用来作为体感游戏椅，以及无人机飞行模拟装置等等)，由于采用的是直流伺服推进器做为执行器，数量多，控制算法过于繁琐。对于飞行器的充电问题，在正常情况下，飞行器充电是均采用能平衡充电的充电器，而在市面上存在的无人机海面充电中一般都是回收后在一个地方集中再人工进行处理，费时费力。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对现有技术中的不足之处，提供一种省时省力的无人机海面回收与充电平台及控制方法。
4.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
5.一种无人机海面回收与充电平台，包括：动平台、丝杆、静平台和机械臂；所述动平台用于承接无人机；
6.所述动平台与静平台之间设有三个丝杆；所述丝杆的固定端与所述静平台相连，且三个丝杆与静平台的连接点呈等边三角形分布；所述丝杆的滑块通过万向节与所述动平台相连，且三个丝杆与动平台的连接点呈等边三角形分布；
7.所述机械臂设置在所述动平台的中央，所述机械臂包括底座、第一折臂、第二折臂和第三折臂；所述底座设置在所述动平台的中心；所述第一折臂的一端和所述底座铰接，所述第一折臂的另一端和所述第二折臂铰接，所述第三折臂和所述第二折臂铰接；所述第二折臂可收折至并与所述第一折臂平齐；
8.所述第三折臂的末端设有运动接口；所述运动接口呈六棱台状；所述运动接口的外侧面设有导电端子；所述运动接口用于插接于无人机的靶接口。
9.更进一步的说明，所述动平台上设有加锁装置；所述加锁装置包括电机、连接杆和压杆；所述连接杆包括第一连杆、第二连杆和第三连杆；所述第一连杆的一端与所述电机的输出端相连，另一端与所述第二连杆的一端相连，所述第二连杆的另一端与所述第三连杆的一端相连，所述第三连杆的另一端与所述压杆相连；所述第一连杆和第二连杆平行设置；所述电机设置在所述动平台的底面，所述压杆设置在所述动平台的顶面；所述动平台上开设有容纳空间，所述第三连杆从所述容纳空间穿过与所述压杆相连；所述第三连杆与所述
压杆互相垂直。
10.更进一步的说明，所述动平台的底面设有电磁吸盘。
11.更进一步的说明，所述运动接口包括主轴、壳体、轴套、第一支撑轴和第二支撑轴；所述壳体为底部敞口顶部封闭的六棱台状的壳状结构；所述主轴的一端与所述第三折臂相连，所述主轴从所述壳体的底面穿过，所述主轴的另一端嵌套有轴套，所述轴套可在所述主轴上滑动；所述轴套外侧设有若干第一支撑轴，所述主轴与若干所述第一支撑轴相连形成伞状结构；所述第一支撑轴的另一端与所述第二支撑轴铰接，所述第二支撑轴的末端设有导电端子；所述壳体的侧面设有若干通孔，所述导电端子从通孔中伸出至所述壳体的侧面外。
12.更进一步的说明，所述壳体的顶部中心设有摄像装置。
13.一种无人机海面回收与充电平台的控制方法，包括如下步骤：
14.步骤一：通过动平台中心的传感器分别采集俯仰角pitch和翻滚角roll，以动平台的中心建立直角坐标系o2，则丝杆与动平台的三个连接点a’、b’、c’相对动平台中心o2的姿态角分别为：
[0015][0016][0017]
c’＝pitch；
[0018]
步骤二：对三个丝杆分别进行pid控制，使得动平台为水平状态；
[0019]
若则向下滑动滑块；若则向上滑动滑块；
[0020]
若则向下滑动滑块；若则向上滑动滑块；
[0021]
若c’＝pitc>0，则向下滑动滑块，若c’＝pitc<0，则向上滑动滑块；
[0022]
步骤三：当a’、b’、c’相对动平台中心o2的姿态角均为0
°
时，获取惯性传感器加速度计的加速度ax，ay，az，计算垂直动平台方向的加速的aa，计算动平台中心位置在空间上的相对移动量；
[0023]
步骤四：重复步骤一至步骤三，得到多组相对移动量并计算平均值，将平均值补偿到每根丝杆上。
[0024]
上述技术方案可以带来以下有益效果：能完成自主回收以及充电操作，大大的提高了海面作业无人机的工作时长。
附图说明
[0025]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0026]
图1是本发明的一个实施例的整体结构示意图；
[0027]
图2是本发明的一个实施例的充电接口的结构示意图；
[0028]
图3是本发明的一个实施例的运动接口的结构示意图；
[0029]
图4是本发明的一个实施例的加锁装置的结构示意图；
[0030]
图5是本发明的一个实施例的动平台的仰视图；
[0031]
其中：动平台1、电磁吸盘11、丝杆2、滑块21、静平台3、机械臂4、底座41、第一折臂42、第二折臂43、第三折臂44、运动接口5、主轴51、壳体52、轴套53、第一支撑轴54、第二支撑轴55、靶接口6、导电端子7、加锁装置8、电机81、连接杆82、第一连杆821、第二连杆822、第三连杆823、压杆83、摄像装置9和无人机01。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0033]
如图1
‑
5所示，一种无人机海面回收与充电平台，包括：动平台1、丝杆2、静平台3和机械臂4；所述动平台1用于承接无人机01；
[0034]
所述动平台1与静平台3之间设有三个丝杆2；所述丝杆2的固定端与所述静平台3相连，且三个丝杆2与静平台3的连接点呈等边三角形分布；所述丝杆2的滑块21通过万向节与所述动平台1相连，且三个丝杆2与动平台1的连接点呈等边三角形分布；
[0035]
所述机械臂4设置在所述动平台1的中央，所述机械臂4包括底座41、第一折臂42、第二折臂43和第三折臂44；所述底座41设置在所述动平台1的中心；所述第一折臂42的一端和所述底座41铰接，所述第一折臂42的另一端和所述第二折臂43铰接，所述第三折臂44和所述第二折臂43铰接；所述第二折臂43可收折至并与所述第一折臂42平齐；
[0036]
所述第三折臂44的末端设有运动接口5；所述运动接口5呈六棱台状；所述运动接口5的外侧面设有导电端子7；所述运动接口5用于插接于无人机01的靶接口6。
[0037]
首先整个动平台1靠三个丝杆2动态调节平衡，结构简单，调控三个丝杆2的算法也相对更为简易。机械臂4的三个折臂的设计方式可以保证机械臂4灵活的折叠控制角度，在收拢的过程中，第二折臂43可收折至并与第一折臂42平齐，节省空间。靶接口6中部设有与所述运动接口5相适应的六棱台形状的空腔，所述靶接口6的内侧设有凹槽，凹槽内设有导电端子7。运动接口5和靶接口6的六棱台配合设计，一方面运动接口5的前端小而后端大，靶接口6的开口端大而底端小，方便运动接口5和靶接口6对接时，运动接口5能顺利的推进，直至导电端子7相互接触；另一方面，周围的侧棱能够使得运动接口5和靶接口6对接之后不会发生转动，保持相对稳定的状态。
[0038]
更进一步的说明，所述动平台1上设有加锁装置8；所述加锁装置8包括电机81、连接杆82和压杆83；所述连接杆82包括第一连杆821、第二连杆822和第三连杆823；所述第一连杆821的一端与所述电机81的输出端相连，另一端与所述第二连杆822的一端相连，所述第二连杆822的另一端与所述第三连杆823的一端相连，所述第三连杆823的另一端与所述压杆83相连；所述第一连杆821和第二连杆822平行设置；所述电机81设置在所述动平台1的底面，所述压杆83设置在所述动平台1的顶面；所述动平台1上开设有容纳空间，所述第三连杆823从所述容纳空间穿过与所述压杆83相连；所述第三连杆823与所述压杆83互相垂直。
[0039]
在电机81的作用下，第一连杆821、第二连杆822和第三连杆823转动，由于第一连杆821和第三连杆823平行，因此二者摆动同样的角度将与第三连杆823相连的压杆83抬起，在无人机01降落之后，第一连杆821、第二连杆822和第三连杆823摆动复位，通过压杆83将无人机01的降落架压住，实现对无人机01的机械固定。
[0040]
更进一步的说明，所述动平台1的底面设有电磁吸盘11。
[0041]
当无人机01飞至平台上空，无人机01发出降落请求，然后平台开始保持水平稳定。根据无人机01距离平台的高度(飞行器降落方式为识别apritag码，发送高度h)，控制器控制电磁铁的电流大小而控制磁场强度。降落成功后，系统会控制加锁机构固定飞行器，然后撤去电磁，如果飞行器有充电需求，系统接收到指令后，开始控制机械臂4至初始化位置(此时摄像头能有效捕捉充电转接口)，当摄像头无法找到转接头时，控制动平台1转动，使得摄像装置9(x轴方向/水平)正对靶接口6，此时锁定转盘，再控制机械臂4使得摄像装置9在靶接口6正上方，随后锁定机械臂4，然后控制运动接口5向前运动，与靶接口6结合，进行充电。当充电完成时候，无人机01发送充电完成指令给系统，系统控制运动接口5，机械臂4至最初位置。如果随后无人机01有起飞请求，系统将控制电磁铁吸合，加锁装置8解锁，动平台1开始水平自稳定，最后等待无人机01起飞(无人机01起飞前，电磁铁吸合力度最大，无人机01起飞过程中，无人机01的起飞动力慢慢加大，电磁铁吸力慢慢减小，两者线性相反—需要实时通讯)。当无人机01起飞后，该系统回归最初待机状态。
[0042]
为了保证电磁吸盘11的吸合力能在飞行器下降过程中随距离减小而整大。由于采用的是直流电磁铁(磁场恒定)，那么想要控制吸合力大小，只需要在电源端加入可变电位器即可，电位器的控制由一个舵机进行控制。
[0043]
假设飞行器下降过程中，距离平台的高度为h(小于等于100cm)，设定吸合力为f(最大值)，那么实际的f＝(100
‑
h)/100*f。
[0044]
易知在起飞过程中，吸合力是在无人机01发送起飞指令前最大，在此后，以每秒降低20％的比例来控制。
[0045]
更进一步的说明，所述运动接口5包括主轴51、壳体52、轴套53、第一支撑轴54和第二支撑轴55；所述壳体52为底部敞口顶部封闭的六棱台状的壳状结构；所述主轴51的一端与所述第三折臂44相连，所述主轴51从所述壳体52的底面穿过，所述主轴51的另一端嵌套有轴套53，所述轴套53可在所述主轴51上滑动；所述轴套53外侧设有若干第一支撑轴54，所述主轴51与若干所述第一支撑轴54相连形成伞状结构；所述第一支撑轴54的另一端与所述第二支撑轴55铰接，所述第二支撑轴55的末端设有导电端子7；所述壳体52的侧面设有若干通孔，所述导电端子7从通孔中伸出至所述壳体52的侧面外。
[0046]
主轴51、轴套53、第一支撑轴54、第二支撑轴55组成的伞骨架结构，在对接的时候，轴套53带动第一支撑轴54滑动至主轴51的底端，第一支撑轴54和第二支撑轴55带动导电端子7缩进，方便运动接口5和靶接口6对接，对接完成后，轴套53带动第一支撑轴54滑动至主轴51的顶端，第一支撑轴54和第二支撑轴55将导电端子7推出，实现充电的同时，运动接口5上的导电端子7卡在靶接口6的导电端子7所在的凹陷内，实现定位作用。
[0047]
更进一步的说明，所述壳体52的顶部中心设有摄像装置9。
[0048]
在运动接口5和靶接口6进行对接时，可以通过摄像装置9进行对准。
[0049]
一种无人机海面回收与充电平台的控制方法，包括如下步骤：
[0050]
步骤一：通过动平台1中心的传感器分别采集俯仰角pitch和翻滚角roll，以动平台1的中心建立直角坐标系o2，则丝杆2与动平台1的三个连接点a’、b’、c’相对动平台1中心o2的姿态角分别为：
[0051]
[0052][0053]
c’＝pitch；
[0054]
步骤二：对三个丝杆2分别进行pid控制，使得动平台1为水平状态；
[0055]
若则向下滑动滑块21；若则向上滑动滑块21；
[0056]
若则向下滑动滑块21；若则向上滑动滑块21；
[0057]
若c’＝pitc>0，则向下滑动滑块21，若c’＝pitc<0，则向上滑动滑块21；
[0058]
步骤三：当a’、b’、c’相对动平台1中心o2的姿态角均为0
°
时，获取惯性传感器加速度计的加速度ax，ay，az，计算垂直动平台1方向的加速的aa，计算动平台1中心位置在空间上的相对移动量；
[0059]
步骤四：重复步骤一至步骤三，得到多组相对移动量并计算平均值，将平均值补偿到每根丝杆2上。
[0060]
降落平台在没有接收到无人机01的降落请求时候，3个丝杆2的滑块21均位于1/2有效行程处(中间处)，当接收到降落请求时候，开始动平台1的姿态控制，即保证动平台1的水平。将mpu6050传感器采集到的实时动平台1姿态数据转变成3个丝杆2处的姿态向量，计算出每个丝杆2处向量的角度，即1中的a’，b’，c’的值。计算出了每一个丝杆2的姿态分量后，然后分别对3个分量进行控制，即通过控制a’，b’，c’相对于的滑块21使得其值保证为0，即error＝0，从而保证pitch＝roll＝0，达到动平台1平衡的目的。将3个丝杆2分成了3个一样的子控制系统，控制器均采用pid控制器。3个子系统的同时控制保证了动平台1的平衡。当动平台1平衡后，在保持5s左右的平衡控制后，开启高度补偿控制，首先在着5s内，控制器会记录加速度传感器中3个丝杆2的加速度数值，然后将加速度进行两重积分得到位移数据，经过数据的滤波处理可以大概感知动平台1在空间上的上下波动情况，最后(海浪的在垂直空间上是一个类简谐运动)，为了开启高度补偿，需要使得动平台1的初始位置(开启高度补偿处的位置)应该是采集到的数据中的平均数位置，以此来保证滑块21运动不会超出工作空间的问题。当开启高度控制时候，根据加速度计计算出动平台1的相对位移变换det，然后把这个值给到三个丝杆2，对这一值进行补偿，从而保证高度的补偿控制。
[0061]
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。