李 莎,高 威,范雨婷,程鵬勝
(1.商丘工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,河南 商丘 476000;2.江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江西 贛州 341000)
近年來,無人機(jī)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。為了滿足無人機(jī)在續(xù)航能力方面的要求,各種能源裝置層出不窮,現(xiàn)階段常用的無人機(jī)能源動(dòng)力裝置主要是鋰電池動(dòng)力、油動(dòng)力、氫氧燃料電池動(dòng)力以及太陽能動(dòng)力[1-2];但無論使用哪種動(dòng)力裝置,無人機(jī)的電量或能量都會(huì)受到限制,鋰電池的續(xù)航能力取決于它的電池容量,油動(dòng)力取決于油箱容量,氫氧燃料電池動(dòng)力取決于氫氣的容量,太陽能的能源轉(zhuǎn)換效率現(xiàn)階段只有20%左右,導(dǎo)致無人機(jī)需要更大的翼展,現(xiàn)存最大的太陽能飛機(jī)“陽光動(dòng)力2號(hào)”的翼展達(dá)到了72 m。
為了提高無人機(jī)的續(xù)航能力,研究人員開始探索無人機(jī)自主充電系統(tǒng)。陳昌虎設(shè)計(jì)了一種電力巡檢四旋翼飛行器自主充電系統(tǒng),充電器通過基于E類功率放大器無線電能傳輸方式給飛行器的電池組充電,待充電完成后,飛行器返回繼續(xù)執(zhí)行巡線任務(wù)[3]。無線充電或充電樁直接充電在一定程度上提高了無人機(jī)巡檢做巡檢任務(wù)的效率,但是無人機(jī)的充電時(shí)間一般都在一個(gè)小時(shí)以上[4-6]。
為了繼續(xù)提高無人機(jī)的工作效率,本文設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)自主更換電池的系統(tǒng)。在無人機(jī)降落到指定平臺(tái)的時(shí)間相同的情況下,換電池僅需要2-3分鐘,無人機(jī)即可繼續(xù)執(zhí)行任務(wù),該方案和充電一個(gè)小時(shí)相比速度提高了近30倍。
該無人機(jī)自主更換電池系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)臺(tái)、升降臺(tái)、無人機(jī)降落平臺(tái)三個(gè)結(jié)構(gòu)組成。無人機(jī)工作一段時(shí)間,電池電壓降至安全電壓以下,尋找最近的平臺(tái)進(jìn)行降落。平穩(wěn)降落后,升降臺(tái)開始上升,接觸到電池,無人機(jī)打開電池懸掛卡扣,承接著電池的升降臺(tái)下降將電池放入電池倉,旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)90°,滿電的電池轉(zhuǎn)至無人機(jī)正下方,再由升降臺(tái)將滿電的電池推到一定的位置,無人機(jī)懸掛卡扣卡緊供電,更換電池工作完成,無人機(jī)繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。自主更換電池系統(tǒng)工作流程圖如圖1所示,總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖1 自主更換電池系統(tǒng)工作流程圖
圖2 總體結(jié)構(gòu)圖
旋轉(zhuǎn)臺(tái)上共有四個(gè)電池倉,每個(gè)電池倉底部都保留了電池充電接口方便以后給電量不足的電池使用。旋轉(zhuǎn)臺(tái)通過一個(gè)42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),旋轉(zhuǎn)臺(tái)的直徑是400 mm,為了保證轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性,加入了平面推力軸承。旋轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中圓盤部分和電池倉部分采用亞克力材質(zhì),軸承座采用3D打印的方法制作,旋轉(zhuǎn)臺(tái)支架作為整個(gè)平臺(tái)的支撐使用型材。
圖3 旋轉(zhuǎn)臺(tái)
升降臺(tái)設(shè)計(jì)了兩種方案,一種是剪叉式的升降臺(tái),一種是立式絲杠升降臺(tái)。第一種形式的升降臺(tái)在豎直方向上的高度比較低,本設(shè)計(jì)中的高度為150 mm,使得整個(gè)平臺(tái)的高度就很低,但是該方案的側(cè)向穩(wěn)定性不好,受力后容易產(chǎn)生傾斜,導(dǎo)致在上升過程中無法順利通過電池倉;除此之外,該方案的零件數(shù)目也較多,安裝起來比較困難,由于升降臺(tái)的上端平臺(tái)要能順利通過電池倉,故升降臺(tái)的尺寸應(yīng)當(dāng)較小,在較小的空間里安裝復(fù)雜的結(jié)構(gòu),對(duì)零件的精度和安裝精度就會(huì)很高。
因而,最后我們選擇了第二種立式絲杠升降臺(tái),該方式在縱向上的高度較高,本設(shè)計(jì)中的高度為200 mm。主要結(jié)構(gòu)是立式絲杠滑臺(tái),升降臺(tái)一側(cè)是絲桿一側(cè)是光桿,絲桿起驅(qū)動(dòng)作用,光桿起導(dǎo)向作用,兩者都固定在地面的亞克力板上。結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 升降臺(tái)
升降臺(tái)與電池盒的重量為1 kg,受力F=10 N。電機(jī)大約在9秒的時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)絲杠運(yùn)行90 m,選擇使用螺紋直徑為8 mm,牙距為2 mm的絲杠,螺紋應(yīng)該旋轉(zhuǎn)90/9=10次,所以電機(jī)應(yīng)該以600 r/min,或600×2π/60=62.83 rad/s的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。
克服螺紋桿之間的摩擦力矩為0.8 N·cm。
其中Tf為克服螺紋桿間摩擦的力矩(N·M);Cf= 0.2,鋼之間的摩擦系數(shù);D為螺紋直徑(m)。
因此,總扭矩為所受扭矩與摩擦扭矩之和:
T總=T+Tf=4+0.8=4.8 N·cm
為確保電機(jī)可以處理所需要的扭矩,應(yīng)適用安全系數(shù)(FOS)??紤]到有其他可能的因素會(huì)使還未計(jì)算出來的力被施加到桿上。所以:
T總=2(T+Tf)=2×(4+0.8)=9.6 N·cm
因此,應(yīng)該選擇能夠提供10 N·cm的電機(jī)。
電池常規(guī)的接口不便于自動(dòng)更換的實(shí)現(xiàn),為了更好的達(dá)到自動(dòng)更換電池這一效果,本文對(duì)電池本身和電池與無人機(jī)的連接部分進(jìn)行了單獨(dú)的改裝設(shè)計(jì)。電池部分采用格式電池容量2 200 mah放電系數(shù)25 c的航模鋰電池作為原型進(jìn)行改裝。改裝后的的外形如圖5所示。
圖5 電池盒
改造電池的外殼采用3D打印的方式進(jìn)行制作,電池頂部設(shè)置了兩個(gè)凸槽,用來嵌入導(dǎo)電塊,并在其頂端裝置了墊片,以利于與無人機(jī)的連接以及連接的穩(wěn)定性,將電池的接口改裝連接到導(dǎo)電塊上;在無人機(jī)上設(shè)計(jì)了兩個(gè)懸掛卡扣,通過微型電機(jī)帶動(dòng)舵機(jī)以實(shí)現(xiàn)懸掛卡扣的放松與扣緊,結(jié)構(gòu)如圖6所示,采用導(dǎo)電性的材料來制作該卡扣,卡扣與無人機(jī)的需電部分連接,當(dāng)卡扣扣緊電池時(shí),卡扣與導(dǎo)電塊接觸供電。
圖6 電池卡扣
為了保證改裝后的電池接口有良好的導(dǎo)電性及彈性,對(duì)于制作接觸部位的材料提出以下要求:
①楊氏模量小,才能使接口有微小形變,使其固定更加牢固。
②屈服強(qiáng)度高,防止接口產(chǎn)生塑性變形。
③電阻率低,減小電流的損耗。
各材料屬性如表1。
表1 各材料屬性
通過對(duì)比各常見材料的屬性,傳導(dǎo)的能力是材料的選擇最密切相關(guān)的因素,最終選擇銅作為導(dǎo)電塊與電池卡扣的制作材料。
該系統(tǒng)的控制部分主要使用了STM32f103RC單片機(jī),DRV8825步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),cc2530無線透?jìng)髂K,微動(dòng)開關(guān)以及紅外傳感器[7]。其中單片機(jī)作為主控,兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)和旋轉(zhuǎn)臺(tái),微動(dòng)開關(guān)作為升降臺(tái)的限位;紅外傳感器用來檢測(cè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,檢測(cè)轉(zhuǎn)過90°的次數(shù),通過紅外傳感器的脈沖次數(shù)來保證每次電池倉停下時(shí)都能對(duì)應(yīng)到無人機(jī)懸掛卡扣的正下方[8];cc2530無線透?jìng)髂K用來與無人機(jī)進(jìn)行通訊,將其工作模式更改為廣播模式后,無人機(jī)在一千米的范圍內(nèi)就能接受到它的信號(hào),該模塊主要用于廣播當(dāng)前更換電池系統(tǒng)的工作狀態(tài),電池倉的空位數(shù)以及滿電的電池?cái)?shù)量[9]。
無人機(jī)端的控制部分主要為飛控和電池管理系統(tǒng),兩者可以相互通信,共同協(xié)作實(shí)現(xiàn)自主更換電池。本文主要介紹電池管理系統(tǒng),其主控芯片采用STM32f103c8t6,它的主要功能是檢測(cè)電池電量,控制電池懸掛卡扣的開合,接收更換電池系統(tǒng)發(fā)來的指令,并且根據(jù)指令向無人機(jī)飛控發(fā)出請(qǐng)求降落或?qū)ふ蚁乱徽军c(diǎn)的信號(hào)。自主更換電池系統(tǒng)框圖如圖7所示,無人機(jī)端控制流程圖如圖8所示,總體結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖9所示。
圖7 自主更換電池系統(tǒng)框圖
圖8 無人機(jī)端控制流程圖
圖9 總體結(jié)構(gòu)實(shí)物圖
通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得出通過自主更換電池裝置為無人機(jī)更換電池的時(shí)間只需要40 s,與其他類型的充電方式進(jìn)行對(duì)比,如表2??梢钥闯?,自主換電池比傳統(tǒng)充電的方式節(jié)約了98%的時(shí)間,可以簡(jiǎn)化換電池的過程而且能夠?yàn)槎鄠€(gè)無人機(jī)持續(xù)更換電池,大大的提升了無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的效率。換下的電池能夠在無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的空檔時(shí)間進(jìn)行充電。
表2 各類充電方式對(duì)比
與以往傳統(tǒng)充電和無線充電不同,四旋翼無人機(jī)自主更換電池系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)降落在平臺(tái)上快速更換電池,更換電池的時(shí)間只需要40 s,克服了無人機(jī)在續(xù)航能力差、更換電池周期長等缺陷,對(duì)無人機(jī)的續(xù)航方式提供了新思路,為無人機(jī)更換電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考,在無人機(jī)日益普及的今天具有現(xiàn)實(shí)意義。