劉新超，林振霞，郁夢(mèng)婷，孫維浩，趙軍帥，王凱，任成昊，王虓

基于SolidWorks的無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)設(shè)計(jì)＊

劉新超，林振霞，郁夢(mèng)婷，孫維浩，趙軍帥，王凱，任成昊，王虓

（山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000）

利用SoildWorks設(shè)計(jì)一種無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)，通過(guò)軟件三維建模功能建立各零部件模型和裝配體模型。平臺(tái)通過(guò)位置可調(diào)節(jié)式無(wú)人機(jī)承接平臺(tái)結(jié)構(gòu)和電池更換結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)電路輔助，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的承接，并通過(guò)容差式推送倉(cāng)與機(jī)械夾，對(duì)無(wú)人機(jī)更換電池，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航。

SolidWorks；三維建模；無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)；續(xù)航力

1 引言

1.1 軟件簡(jiǎn)介

SoildWorks是基于Windows操作系統(tǒng)推出的一套三維機(jī)械零件設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件。通過(guò)SolidWorks將三維零件進(jìn)行裝配，可動(dòng)態(tài)查看裝配體所有方向自由運(yùn)動(dòng)，并可以對(duì)零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的干涉和間隙檢查。SoildWorks憑借功能強(qiáng)大、參數(shù)特征造型、適配附件多的特點(diǎn)成為工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最常用的軟件。本文將應(yīng)用SolidWorks軟件，對(duì)無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)進(jìn)行零件設(shè)計(jì)、裝配、干涉檢查和運(yùn)動(dòng)仿真分析。

1.2 設(shè)計(jì)背景

隨著無(wú)人機(jī)持有量逐漸增多、應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，人工降落誤操作帶來(lái)的墜機(jī)事故也時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年至今山東省內(nèi)超過(guò)60%的無(wú)人機(jī)墜機(jī)事故發(fā)生在起飛和降落階段。當(dāng)無(wú)人機(jī)預(yù)降落時(shí)，由于風(fēng)力與儀器等因素影響，無(wú)人機(jī)的姿態(tài)和位置信息發(fā)生偏移，并且野外路面情況復(fù)雜，無(wú)法為無(wú)人機(jī)的降落提供理想場(chǎng)地。同時(shí)無(wú)人機(jī)自身負(fù)重及傳感器作用電量損耗大而導(dǎo)致需頻繁性降落進(jìn)行電池更換。

1.3 解決思路

利用SolidWorks設(shè)計(jì)一款無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)，通過(guò)多尺度目標(biāo)全景攝像頭觀測(cè)與人工遙控承接平臺(tái)輔助升降，借自動(dòng)更換電池設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行電池更換，從而向野外作業(yè)的無(wú)人機(jī)提供平坦降落面以及有效解決電池續(xù)航力問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

本文以大疆悟INSPIRE2系列為研究對(duì)象進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)安全承接與電池更換等功能，主要從位置可調(diào)節(jié)式無(wú)人機(jī)承接平臺(tái)結(jié)構(gòu)與電池更換結(jié)構(gòu)兩大設(shè)計(jì)出發(fā)。

大疆悟INSPIRE2型號(hào)無(wú)人機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 大疆悟INSPIRE2型號(hào)無(wú)人機(jī)相關(guān)參數(shù)

飛行器型號(hào)最大起飛質(zhì)量/g軸距/mm槳距/mm最大下降速度/（m·s-1）最大可承受風(fēng)速/（m·s-1）電池整體質(zhì)量/g電池型號(hào) 大疆悟INSPIRE24 000 605（不含槳，降落模式）127 4 10 515 TB50

由以上參數(shù)與官方資料可得，在不安裝螺旋槳的情況下軸距為605 mm、長(zhǎng)42.7 cm、高31.7 cm、寬42.5 cm。對(duì)此以半徑為30 cm的圓形平面為承接面。同時(shí)為了穩(wěn)定無(wú)人機(jī)，增設(shè)2個(gè)機(jī)械夾，以便對(duì)降落下的無(wú)人機(jī)的位置進(jìn)行固定。機(jī)械夾由1個(gè)舵機(jī)、1個(gè)底盤(pán)、2個(gè)半齒輪、2個(gè)夾子和4個(gè)杠桿組成。舵機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)2個(gè)齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，起緊夾作用，而舵機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)2個(gè)齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，起松夾作用。

機(jī)械夾模型如圖1所示。

因無(wú)人機(jī)最大質(zhì)量為4 000 g，所以需采用太空鋁鑄件做支柱。通過(guò)支柱，使承接面與承接平臺(tái)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)連接。承接面與連接支柱模型如圖2所示。

圖1 機(jī)械夾模型圖

圖2 承接面與連接支柱模型圖

因無(wú)人機(jī)自動(dòng)降落過(guò)程受風(fēng)力與儀器的影響，會(huì)發(fā)生位置偏移，對(duì)此需使用位置可調(diào)節(jié)式無(wú)人機(jī)承接平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)承接。

位置可調(diào)節(jié)式無(wú)人機(jī)承接平臺(tái)設(shè)計(jì)如下：選用大疆M3508 P19直流無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)C620無(wú)刷電機(jī)調(diào)速器控制轉(zhuǎn)動(dòng)。將3508電機(jī)a水平放置帶動(dòng)平臺(tái)軸方向移動(dòng)，3508電機(jī)b豎直放置帶動(dòng)平臺(tái)軸方向移動(dòng)，運(yùn)行方式簡(jiǎn)單且穩(wěn)定。承接平臺(tái)通過(guò)3508電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以很容易地進(jìn)行方向控制和跟蹤，3508電機(jī)根據(jù)控制終端指令，快速執(zhí)行運(yùn)動(dòng)。承接平臺(tái)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—x軸聯(lián)動(dòng)履帶；2—x軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)；3—y軸聯(lián)動(dòng)履帶；4—y軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

具體運(yùn)動(dòng)方案如下。

以承接平臺(tái)為原點(diǎn)建立-二維平面坐標(biāo)系，如圖4所示。因無(wú)人機(jī)降落過(guò)程受風(fēng)力、儀器等影響發(fā)生偏移，執(zhí)行人員通過(guò)承接平臺(tái)上的攝像頭反饋的視頻中無(wú)人機(jī)飛行位置對(duì)承接平臺(tái)進(jìn)行遙控，調(diào)整承接平臺(tái)位置，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)安全降落至承接平臺(tái)表面。例如，當(dāng)無(wú)人機(jī)位于承接平臺(tái)左上方時(shí)，承接平臺(tái)先以軸方向移動(dòng)至與無(wú)人機(jī)同一縱軸方位，再以軸方向移動(dòng)至無(wú)人機(jī)正下方。

由長(zhǎng)100 cm、寬100 cm的太空鋁框架做可調(diào)節(jié)式無(wú)人機(jī)承接平臺(tái)整體高度支撐?？烧{(diào)節(jié)式無(wú)人機(jī)承接平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

針對(duì)機(jī)械滑軌滑動(dòng)存在誤差問(wèn)題，改變現(xiàn)有對(duì)接倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將直面式對(duì)接設(shè)計(jì)優(yōu)化為曲面式對(duì)接倉(cāng)。經(jīng)初代產(chǎn)品的大量實(shí)物實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電池在取送過(guò)程中仍存在對(duì)接誤差（因機(jī)械帶動(dòng)式移動(dòng)），而實(shí)物要求機(jī)械夾必須與無(wú)人機(jī)電池倉(cāng)位置完美匹合，為解決以上問(wèn)題，運(yùn)用下面一種新的連接方法。

圖4 承接平臺(tái)二維坐標(biāo)建立

圖5 可調(diào)節(jié)式無(wú)人機(jī)承接平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型圖

推送倉(cāng)與推送桿通過(guò)軸承連接并于兩者下方裝有彈簧彈性連接，使推送倉(cāng)具有靈活擺動(dòng)性。在無(wú)人機(jī)電池倉(cāng)固定情況下，借助無(wú)人機(jī)電池倉(cāng)對(duì)容差式推送倉(cāng)的反向力帶動(dòng)彈簧的靈活擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)推送倉(cāng)與無(wú)人機(jī)電池倉(cāng)自由對(duì)接位置匹合。容差式推送倉(cāng)模型如圖6所示。

圖6 容差式推送倉(cāng)模型圖

秉持“最簡(jiǎn)”理念，提出三維連體式電池倉(cāng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖7所示。新舊電池倉(cāng)在同一位置的設(shè)計(jì)使得電池夾路徑精簡(jiǎn)。當(dāng)舊電池放入舊電池倉(cāng)后，通過(guò)電機(jī)的帶動(dòng)，新電池倉(cāng)代替舊電池倉(cāng)，可使機(jī)械夾直接將新電池推送至無(wú)人機(jī)電池殼內(nèi)。

具體運(yùn)動(dòng)方案如下。

當(dāng)承接平臺(tái)位置回歸過(guò)程結(jié)束時(shí)，電池更換結(jié)構(gòu)在電機(jī)帶動(dòng)下經(jīng)滑軌向無(wú)人機(jī)方向整體移動(dòng)，容差式推送倉(cāng)與無(wú)人機(jī)電池倉(cāng)發(fā)生切合，推送桿在48式步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)下前移，電池夾夾住無(wú)人機(jī)電池，48式步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)相同相位，舊電池被牽引至舊電池存儲(chǔ)倉(cāng)，三維連體式電池倉(cāng)憑借直流減速電機(jī)與連接結(jié)構(gòu)左向移動(dòng)，新電池倉(cāng)取代舊電池倉(cāng)，推送桿重復(fù)電池推送過(guò)程，新電池進(jìn)入無(wú)人機(jī)電池倉(cāng)，推送桿回到原位置，電池更換結(jié)構(gòu)歸位，無(wú)人機(jī)放飛。電池更換結(jié)構(gòu)模型如圖8所示。

1—新電池倉(cāng)；2—舊電池倉(cāng)。

1—容差式推送倉(cāng)；2—直流減速電機(jī)；3—48步進(jìn)電機(jī)；4—推送桿；5—電池夾；6—三維連體式電池倉(cāng)。

至此，無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)完成，如圖9所示。

圖9 無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)模型圖

2.2 電路補(bǔ)充

為了實(shí)現(xiàn)起降平臺(tái)整體運(yùn)行，還需進(jìn)行簡(jiǎn)單的電路補(bǔ)充。無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)整體流程如圖10所示。

承接平臺(tái)邊緣夾持有小蟻攝像頭SIM卡數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)采集無(wú)人機(jī)位置，以便操作人員對(duì)承接平臺(tái)位置遙控。采用2.4 g天地飛遙控器與STM32F103ZET6系列單片機(jī)做承接平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制硬件。

圖10 無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)整體流程圖

STM32F103ZET6單片機(jī)作為承接平臺(tái)主控板，同時(shí)控制2個(gè)無(wú)刷電機(jī)調(diào)速器。采用C620無(wú)刷電機(jī)調(diào)速器驅(qū)動(dòng)大疆M3508 P19直流無(wú)刷電機(jī)精確轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)承接平臺(tái)-二維平面運(yùn)動(dòng)。整體采用閉環(huán)控制，精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到運(yùn)動(dòng)所需的V1、V2，或者轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。

電池更換結(jié)構(gòu)以STM32F407為主控芯片，通過(guò)控制一個(gè)42步進(jìn)電機(jī)、一個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)與一個(gè)舵機(jī)完成電池更換具體方案。

3 實(shí)物測(cè)試

無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)實(shí)物模型如圖11所示。容差式推送倉(cāng)3D打印部件實(shí)物如圖12所示。

圖11 無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)實(shí)物模型圖

圖12 容差式推送倉(cāng)3D打印部件實(shí)物圖

無(wú)人機(jī)降落時(shí)因受儀器、風(fēng)速影響精確度達(dá)不到對(duì)接要求，糾偏設(shè)計(jì)以全方位、多角度移動(dòng)來(lái)彌補(bǔ)降落偏差的缺陷。在200余次的降落測(cè)試中，降落在平臺(tái)有效位置的成功率高達(dá)94%。在198次的成功降落中，在夾持機(jī)構(gòu)有效范圍內(nèi)的次數(shù)高達(dá)195次。降落測(cè)試數(shù)據(jù)如圖13所示。

在50次速度測(cè)試中，平均耗時(shí)保持在1 min45 s之內(nèi)。

4 結(jié)論

基于SolidWorks的無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)是以位置可調(diào)節(jié)式無(wú)人機(jī)承接平臺(tái)結(jié)構(gòu)與電池更換結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)核心，借助SolidWorks構(gòu)建無(wú)人機(jī)起降平臺(tái)的模型。采用太空鋁鑄件做支柱，有效解決承載能力弱的問(wèn)題。根據(jù)無(wú)人機(jī)承接平臺(tái)搭載的攝像頭所反饋的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)飛行位置對(duì)承接平臺(tái)進(jìn)行遙控，調(diào)整承接平臺(tái)位置，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)安全降落至承接平臺(tái)表面。推送倉(cāng)與推送桿通過(guò)軸承連接并于兩者下方裝有彈簧彈性連接，實(shí)現(xiàn)推送倉(cāng)與無(wú)人機(jī)電池殼有阻尼對(duì)接。三維連體式電池倉(cāng)中新電池倉(cāng)借助直流減速電機(jī)運(yùn)動(dòng)代替舊電池倉(cāng)，對(duì)快速更換電池起到至關(guān)作用。本設(shè)計(jì)可以解決現(xiàn)有無(wú)人機(jī)野外起降以及連續(xù)工作時(shí)存在的續(xù)航時(shí)間短的難題。

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V279

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.008

2095－6835（2021）08－0025－04

劉新超（2000—），男，本科在讀，學(xué)生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)巡檢全自動(dòng)化技術(shù)。

＊國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（編號(hào)：S202010433005）

〔編輯：王霞〕