基于三自由度电控调平的无人机起降平台及调平方法与流程

1.本发明涉及自动化控制技术领域，尤其涉及一种基于三自由度电控调平的无人机起降平台及调平方法。


背景技术：

2.目前旋翼无人机垂直起降机舱中多为一自由度(单纯改变高度)升降平台，整体机舱的主要功能是实现无人机的收放、储藏及一定的保护。由于车载机舱的应用场景是伴随载具行进环境改变而改变的，载具无法始终保持自身的水平，然而传统机舱中的升降平台自由度受限制，无法满足旋翼型无人机的起降条件，所以导致其应用场景仅限于路面平整情况下，并且无法保证在载具运动时为无人机提供始终水平的起飞条件。
3.传统机舱体积较大，对装配载具的承载能力有一定要求和限制，并且大部分机舱和起降平台需要完美契合，无法根据旋翼型无人机情况和安装位置改变时调整调平系统的控制参数。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于三自由度电控调平的无人机起降平台及调平方法，旨在优化现有的无人机升降平台的机舱结构，提高机舱空间的利用率，同时能动态调整对应的场景参数，使无人机可以随载具运行实现自身的起降。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于三自由度电控调平的无人机起降平台，包括起降平台硬件结构和软件系统，所述软件系统用于协调控制所述起降平台硬件结构；
6.所述起降平台硬件结构包括上水平板、下水平板、三个电动缸、电源、控制柜、陀螺仪和激光测距仪，每个所述电动缸的两端分别与所述上水平板和所述下水平板固定连接，所述上水平板和所述下水平板相对平行布置，所述电源所述控制柜和所述激光测距仪均设置在所述上水平板和所述下水平板之间，所述陀螺仪设置在所述上水平板上。
7.其中，每个所述电动缸分别包括电动缸限位器、可伸缩缸体、伺服电机和减速机，所述电动缸限位器位于所述可伸缩缸体的顶部，所述伺服电机轴线与所述可伸缩缸体轴线平行，所述减速机设置在所述伺服电机的上方。
8.其中，所述电动缸与所述上水平板通过十字铰固定连接，所述电动缸与所述下水平板通过u型座固定连接。
9.其中，三个所述十字铰以120
°
间隔均匀分布在所述上水平板的一个平台圆上，三个所述u型座以120
°
间隔均匀分布在所述下水平板的一个平台圆上。
10.其中，所述上水平板和所述下水平板的平台圆的圆心处于同一垂直位置。
11.其中，所述软件系统包括上位机部分、主控部分和电动缸控制程序部分，所述上位机部分负责完成信息显示、参数设置和设备调试功能，所述主控部分用于接收设置参数、获取传感器数据、更新调平平台调平方法和输出电动缸位置控制量，所述电动缸控制程序部分用于伺服电机的控制。
12.本发明还提出了一种基于三自由度电控调平的无人机起降平台的调平方法，采用所述基于三自由度电控调平的无人机起降平台，包括下列步骤：
13.分别设立世界坐标系和动坐标系；
14.获取三个电动缸与下水平板的连接点在世界坐标系下的齐次坐标；
15.获取三个电动缸与上水平板的连接点在动坐标系下的齐次坐标；
16.经过坐标变换矩阵处理获得三个电动缸与上水平板的连接点在世界坐标系下的最终位置坐标；
17.计算获得电动缸体的位移数值；
18.根据所述位移数值调节电动缸位置控制量，进而完成调平设置。
19.本发明提供了一种基于三自由度电控调平的无人机起降平台及调平方法，采用三自由度调平结构，选用了三个高速可伸缩电动缸和水平板组成，相对于传统三自由度调平结构，减少了三个电动缸，降低了调平系统对机舱的空间损耗，提升整体机舱的空间利用率。并且升级了三缸调平系统的物理结构，增加每个缸体与其垂线方向的倾角，使其形成多方向的三角稳定结构，提高了三缸结构的稳定性，并且根据倾角度数自动调节调平方法参数，还可以通过调平系统上位机设置对应参数，其中包括缸体倾角和三个缸体的安装位置，大大增加了升降平台的应用场景，提高了机舱空间的利用率，使得整体机舱可以满足装载需求，无人机可以随载具运行实现自身的起降。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明的基于三自由度电控调平的无人机起降平台的结构示意图。
22.图2是本发明的基于三自由度电控调平的无人机起降平台的电动缸的结构示意图。
23.图3是本发明的基于三自由度电控调平的无人机起降平台停留系留无人机的效果示意图。
24.图4是本发明的电动缸与上下水平板组合方式的不同角度比较示意图。
25.图5是本发明的陀螺仪安装位置示意图。
26.图6是本发明的起降平台硬件结构的空间结构示意图。
27.图7是本发明的软件系统各部分功能示意图。
28.图8是本发明的主控程序流程示意图。
29.1-上水平板、2-下水平板、3-电动缸、4-电源、5-控制柜、6-陀螺仪、7-激光测距仪、8-电动缸限位器、9-可伸缩缸体、10-伺服电机、11-减速机、12-编码器、13-十字铰、14-u型座、15-系留无人机、16-无人机夹具、17-系留收放线架。
具体实施方式
30.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终
相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
32.请参阅图1至图3，本发明提出了一种基于三自由度电控调平的无人机起降平台，包括起降平台硬件结构和软件系统，所述软件系统用于协调控制所述起降平台硬件结构；
33.如图1所示，所述起降平台硬件结构包括上水平板1、下水平板2、三个电动缸3、电源4、控制柜5、陀螺仪6和激光测距仪7，每个所述电动缸3的两端分别与所述上水平板1和所述下水平板2固定连接，所述上水平板1和所述下水平板2相对平行布置，所述电源4所述控制柜5和所述激光测距仪7均设置在所述上水平板1和所述下水平板2之间，所述陀螺仪6设置在所述上水平板1上。
34.如图2，每个所述电动缸3分别包括电动缸限位器8、可伸缩缸体9、伺服电机10和减速机11，所述电动缸限位器8位于所述可伸缩缸体9的顶部，所述伺服电机10轴线与所述可伸缩缸体9轴线平行，所述减速机11设置在所述伺服电机10的上方。
35.所述电动缸3与所述上水平板1通过十字铰13固定连接，所述电动缸3与所述下水平板2通过u型座14固定连接。
36.装配系留无人机15后的所述基于三自由度电控调平的无人机起降平台如图3所示，系留无人机15配合无人机夹具16固定在上水平板1上方，系留线收纳在系留收放线架17中。
37.具体的，本发明三个电动缸采用二级伸缩结构，电机轴线与缸体轴线平行，伺服电机驱动，经齿轮箱传动后带动丝杆旋转，通过丝杠副将电机的旋转运动转化为推杆的直线运动，利用伺服电机的可控性对推杆的位置进行精准控制。电动缸底部减速箱上，设置双耳片耳环，通过销轴与下铰座进行连接，下铰座直接安装在底座上。电缸推杆顶部，设置十字铰组件，十字铰下安装座安装在推杆顶端，上安装座与负载安装台通过螺钉连接。十字铰允许偏转角度：
±
20
°
。运行速度：0～83.3mm/s可调(电机转速0～1000rpm时)。
38.图4为电动缸与上下水平板(以下称为上下平台)组合方式的不同角度视图比较，图中所示上下平台铰圆心在同一垂直位置，直径相差100mm，下平台选择800mm，上平台为700mm，上下平台圆直径可以根据具体安装数值用上位机进行设置更新。中控程序根据上位机设置值，重新配置算法参数，适配不同安装参数。对应的安装位置如图中所示。最终安装好的结构为多方向三角形稳定结构，使得设备在进行整体联动伸缩时始终保持三角形结构，使得整体更加稳定，同时由传统的六缸体结构缩减为了三缸体，保证了一定稳定性的同时，搞笑的节省了空间中用。并且电动缸的伸缩速度快，可以短时间内完成角度调整，在陀螺仪采集到角度变化时，电动缸可以高速响应。对应到应用中可以实现载具运动中始终保持平台水平，为无人机起飞提供水平位置。
39.同时在安装好的平台结构中选取位置安装陀螺仪，由于调平方法是根据平台角度及高度解析出电动缸两端六个连接点的空间位置坐标，进而算出电动缸对应的控制量。
40.如图5所示，图5为陀螺仪安装位置图，首先选取调平结构中的上平面的升降，俯仰，滚动三个自由度，使得陀螺仪的自由度与上平面的三个自由度重合。如图中陀螺仪安装在上平板背面，安装位置如图所示，绕其y轴旋转时，对应采集的为滚动角，绕x轴旋转采集的是俯仰角。a、b、c三点为电动缸上端与上平板连接点。在电动缸长度发生改变时，缸体的旋转平面与其他两个缸体所在的边的垂线水平。为了准确计算三个点的空间坐标，三个电动缸安装位置如下图所示，水平板的滚动轴即过a点，bc边的垂线，它与y轴水平，并且在同一平板上，此时陀螺仪采集的滚动角即为上平板产生的滚动角。水平板bc边为俯仰轴，与陀螺仪x轴水平，且在同一平板内，同理此时陀螺仪采集的俯仰角为水平板发生的俯仰角。由于陀螺仪安装在水平版上，当三个杠长度改变时，其高度也会随之改变，此时陀螺仪采集的高度信息为平面板发生的高度。结合陀螺仪采集的滚动，俯仰和高度差，对应到空间旋转中，上面板进行了旋转和位移操作。
41.本发明还提出了一种基于三自由度电控调平的无人机起降平台的调平方法，采用所述基于三自由度电控调平的无人机起降平台，包括下列步骤：
42.分别设立世界坐标系和动坐标系；
43.获取三个电动缸与下水平板的连接点在世界坐标系下的齐次坐标；
44.获取三个电动缸与上水平板的连接点在动坐标系下的齐次坐标；
45.经过坐标变换矩阵处理获得三个电动缸与上水平板的连接点在世界坐标系下的最终位置坐标；
46.计算获得电动缸体的位移数值；
47.根据所述位移数值调节电动缸位置控制量，进而完成调平设置。
48.具体的，请参阅图6，图6为所述起降平台硬件结构的空间结构示意图；
49.如图所示，坐标系oxyz为世界坐标系，bwvu为动坐标系。防扭结构属于机构加强从动装置，并且在z轴方向的偏航角较小，为了求解方便可将该部分机构忽略。设等腰三角形底边长度为d，底边高为h，平台初始离度为l(上述参数也可以通过上位机设置，使得算法鲁棒性变强)可知：
50.a1，a2，a3点在坐标系oxyz下的齐次坐标为：
[0051][0052]
b1，b2，b3点在坐标系bwvu下的齐次坐标为：
[0053][0054]
初始位置时b1，b2，b3点在固定坐标系oxyz中的坐标为：
[0055][0056]
初始位置，b点在固定坐标系oxyz中的坐标为(0，0，l)。动坐标系bwvu可通过固定坐标系oxyz首先绕y轴旋转β得坐标系([x` y` z`])，再绕x`轴旋转α，最后沿固定坐标系z轴平移δz得到，α,β为动坐标系bwvu的欧拉变换角。δz为平动位移,且都可以通过陀螺仪获取到。
[0057]
由于上述操作进行了两次旋转和一次平移，结合平移旋转变换矩阵，得到本次操作的坐标变换矩阵t如下：
[0058][0059]
b1，b2，b3三个点坐标左乘t矩阵即得到；旋转αβ角度后的最终位置坐标[b1
’ꢀ
b2
’ꢀ
b3’]。由上述条件即可求出缸体的位移。
[0060][0061]
则缸体位移δl为：
[0062][0063]
根据求出的缸体位移，中控输出电动缸位置控制量。电动缸长度改变，使得每个缸体产生倾斜，下拉或者上抬上平板连接点，使得上平面中的三个连接点到达旋转α，β角度后的位置处，此时平台完成了两次旋转和平移，如需要调平，只需陀螺仪采集的数据取反，即可对平台角度进行调平。
[0064]
进一步的，所述软件系统包括上位机部分、主控部分和电动缸控制程序部分。
[0065]
各部分关系流程请参阅图7，上位机部分：主要完成信息显示、参数设置和设备调试功能。其中参数设置主要是在调平系统的自身参数和安装后的参数。自身参数包括缸体长度，行程，速度，最低高度。安装后的参数包括缸体倾斜角，缸体上连接点圆形半径，缸体下连接点圆形半径。显示信息主要显示摄像头传回的视频信息，缸体信息，包括当前位置，是否存在故障及备用电源状态信息。设备调试功能主要是可以通过上位机单独调节三个缸体的长度，和平台的角度。
[0066]
主控部分：主控程序流程图如图8所示，主控程序运行在主控柜中，上电后程序会对整个系统进行通信及设备状态检测，完成自检后加载本地信息，用于更新调平平台调平方法，若上位机更改相关参数，主控会更新本地参数从新保存，确保断电上电或正常上电时平台能够维持断电前状态继续工作。若数据不是参数设置，而是控制指令，既可以来自上位机调试测试，也可以来自陀螺仪传感器反馈数据，更具输入的控制指令或反馈数据计算出控制量，完成对调平平台电动缸的控制，在收到电动缸反馈位置到达时停止修正电动缸位
置。同时主控程序会采集激光测距仪信息，在超量程情况下或存在障碍物阻挡电动缸行进时会自动丢弃本次操作，并且以警告形式上报上位机。
[0067]
电动缸控制程序部分主要包括的伺服驱动器的控制，接收到主控程序输出的位置控制量后，与位置反馈信息形成位置残差信息后通过位置环控制器输出速度控制量，在与速度反馈形成速度残差信息，通过速度环控制输出电流控制量，最终与电流反馈形成电流残差信息，通过电流环控制输出电流控制量作用于电机上，控制电机运转，电机转动带动丝杠主动，从而改变缸体长度。编码器采集电机信息，生成位置及速度反馈，电流测量模块生成电流反馈。其中位置环控制器为pd控制器，速度环和电流环为pid控制器。
[0068]
综上所述，本发明与传统机舱中的升降平台相比较，具有以下优势：
[0069]
1.三缸稳定结构(通过缸体与垂线的夹角，形成三角稳定结构，并且角度可以在一定范围内修改，稳定的同时减少了一半的缸体的数量，使得结构空间占有率降低，结构自身空间也可以提供一定空间安装其他设备)；
[0070]
2.断电保护功能(断电下系统备用电源维持调平平台的升降调平功能)；
[0071]
3.参数可调的三自由度调平系统调平方法；
[0072]
4.可装配载具的三自由度动态调平系统(三自由度包括升降，俯仰，滚动，滚动，俯仰和高度电动缸实现了动态调平功能，保证载具在移动时的应用需求。升降可以减少载具箱体空间的浪费，并且可以提供不同的起降高度)。
[0073]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种基于三自由度电控调平的无人机起降平台，其特征在于，包括起降平台硬件结构和软件系统，所述软件系统用于协调控制所述起降平台硬件结构；所述起降平台硬件结构包括上水平板、下水平板、三个电动缸、电源、控制柜、陀螺仪和激光测距仪，每个所述电动缸的两端分别与所述上水平板和所述下水平板固定连接，所述上水平板和所述下水平板相对平行布置，所述电源所述控制柜和所述激光测距仪均设置在所述上水平板和所述下水平板之间，所述陀螺仪设置在所述上水平板上。2.如权利要求1所述的基于三自由度电控调平的无人机起降平台，其特征在于，每个所述电动缸分别包括电动缸限位器、可伸缩缸体、伺服电机和减速机，所述电动缸限位器位于所述可伸缩缸体的顶部，所述伺服电机轴线与所述可伸缩缸体轴线平行，所述减速机设置在所述伺服电机的上方。3.如权利要求2所述的基于三自由度电控调平的无人机起降平台，其特征在于，所述电动缸与所述上水平板通过十字铰固定连接，所述电动缸与所述下水平板通过u型座固定连接。4.如权利要求3所述的基于三自由度电控调平的无人机起降平台，其特征在于，三个所述十字铰以120
°
间隔均匀分布在所述上水平板的一个平台圆上，三个所述u型座以120
°
间隔均匀分布在所述下水平板的一个平台圆上。5.如权利要求4所述的基于三自由度电控调平的无人机起降平台，其特征在于，所述上水平板和所述下水平板的平台圆的圆心处于同一垂直位置。6.如权利要求1所述的基于三自由度电控调平的无人机起降平台，其特征在于，所述软件系统包括上位机部分、主控部分和电动缸控制程序部分，所述上位机部分负责完成信息显示、参数设置和设备调试功能，所述主控部分用于接收设置参数、获取传感器数据、更新调平平台调平方法和输出电动缸位置控制量，所述电动缸控制程序部分用于伺服电机的控制。7.一种基于三自由度电控调平的无人机起降平台的调平方法，采用如权利要求1至6任一项所述的基于三自由度电控调平的无人机起降平台，其特征在于，包括下列步骤：分别设立世界坐标系和动坐标系；获取三个电动缸与下水平板的连接点在世界坐标系下的齐次坐标；获取三个电动缸与上水平板的连接点在动坐标系下的齐次坐标；经过坐标变换矩阵处理获得三个电动缸与上水平板的连接点在世界坐标系下的最终位置坐标；计算获得电动缸体的位移数值；根据所述位移数值调节电动缸位置控制量，进而完成调平设置。

技术总结
本发明涉及自动化控制技术领域，尤其涉及一种基于三自由度电控调平的无人机起降平台，选用了三个高速可伸缩电动缸和水平板组成，相对于传统三自由度调平结构，减少了三个电动缸，降低了调平系统对机舱的空间损耗，提升整体机舱的空间利用率。并且升级了三缸调平系统的物理结构，增加每个缸体与其垂线方向的倾角，使其形成多方向的三角稳定结构，提高了三缸结构的稳定性，并且根据倾角度数自动调节调平方法参数，还可以通过调平系统上位机设置对应参数，其中包括缸体倾角和三个缸体的安装位置，大大增加了升降平台的应用场景，提高了机舱空间的利用率，使得整体机舱可以满足装载需求，无人机可以随载具运行实现自身的起降。无人机可以随载具运行实现自身的起降。无人机可以随载具运行实现自身的起降。


技术研发人员：全凯 黄剑 朱仕洪 张政豪 张云翔 夏飞 杨洋 胡栋
受保护的技术使用者：中国人民解放军第六九O五工厂
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/7/4