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        一種剪叉式車載無人機(jī)升降調(diào)平裝置的研究

        2020-12-29 09:01:54張延芝
        機(jī)電信息 2020年35期
        關(guān)鍵詞:調(diào)平限位剪刀

        張延芝

        (江蘇無線電廠有限公司,江蘇南京210022)

        0 引言

        在軍用和民用無人機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用中,車載無人機(jī)可根據(jù)環(huán)境態(tài)勢(shì)靈活選擇多種作業(yè)模式,從而開展通信距離擴(kuò)展及全天候、全天時(shí)、多目標(biāo)、多任務(wù)的偵察監(jiān)視,戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)收集和輻射源探測(cè)等作戰(zhàn)任務(wù),必要時(shí)可拓展載荷,承擔(dān)低空預(yù)警、電子對(duì)抗等任務(wù)[1]。車載無人機(jī)的動(dòng)態(tài)起降、跟車伴飛和斜坡起降成為衡量整車系統(tǒng)性能的重要技術(shù)指標(biāo),因而整車集成的無人機(jī)起降平臺(tái)需具備動(dòng)態(tài)升降、任意高度滯留自鎖及斜坡調(diào)平等功能。常見的剪叉式升降平臺(tái)一般采用液壓驅(qū)動(dòng)升降方式,具有結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)固、載重量大、升降平穩(wěn)、耐用可靠等特點(diǎn)。當(dāng)精度要求不高時(shí),在升降類機(jī)構(gòu)中其具有閉合高度小、升降行程大、占用空間小的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2]。剪叉式升降平臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)配套系統(tǒng)復(fù)雜,且較難對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確的位置控制,單獨(dú)配置液壓動(dòng)力單元占用空間較大,系統(tǒng)集成龐大。在使用方面,剪叉式升降平臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)配套系統(tǒng)易污染環(huán)境,維護(hù)保養(yǎng)較復(fù)雜,且對(duì)溫度比較敏感,尤其在軍用裝備工作的-40 ℃低溫環(huán)境條件下,采用液壓傳動(dòng)有一定的困難。

        本文設(shè)計(jì)的剪叉式升降調(diào)平裝置,綜合考慮整車系統(tǒng)集成的空間限制及性能可達(dá)性,采用了簡(jiǎn)單可靠的機(jī)電伺服驅(qū)動(dòng)方式,易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自鎖,綜合安全性高,便于增配手動(dòng)操作功能,在斷電時(shí)可手動(dòng)應(yīng)急使用與維護(hù)。

        1 總體結(jié)構(gòu)方案

        該升降調(diào)平裝置總體結(jié)構(gòu)主要由剪刀叉升降機(jī)構(gòu)和調(diào)平平臺(tái)組件組成,其總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。在車輛底盤上前后布置兩組獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的剪刀叉升降機(jī)構(gòu),帶動(dòng)調(diào)平平臺(tái)組件進(jìn)行升降和傾斜運(yùn)動(dòng)。當(dāng)車輛在縱向坡度α上時(shí),其中一組剪刀叉升降機(jī)構(gòu)單獨(dú)運(yùn)動(dòng),可以調(diào)節(jié)無人機(jī)起降平臺(tái)傾斜α角度至水平狀態(tài),實(shí)現(xiàn)調(diào)平功能。

        剪刀叉升降機(jī)構(gòu)作為調(diào)平平臺(tái)的升降機(jī)構(gòu),其主要由伺服電機(jī)和減速機(jī)、雙導(dǎo)軌滑移底座、單軸鉸鏈座、絲桿驅(qū)動(dòng)組件和嵌套式剪叉桿組件等組成。剪刀叉升降機(jī)構(gòu)通過單輸入雙輸出T型減速機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿,轉(zhuǎn)化為絲母的直線移動(dòng)后,帶動(dòng)一側(cè)剪叉桿進(jìn)行變角度升降運(yùn)動(dòng)。減速機(jī)雙輸出空心軸使用同軸自鎖梯形絲桿,其能在任意位置停滯并滯留自鎖,且可增配應(yīng)急手動(dòng)驅(qū)動(dòng)輸入端,實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)或手動(dòng)搖把帶動(dòng)剪叉桿運(yùn)動(dòng)。調(diào)平平臺(tái)組件作為車載無人機(jī)的起降平臺(tái),主要由直線導(dǎo)軌、導(dǎo)向滑移組件、虎克鉸以及頂部平臺(tái)組成。其配合剪叉桿的變角度移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng),連接兩組獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的剪刀叉升降機(jī)構(gòu),傾斜平臺(tái)時(shí)角度可達(dá)17°,車輛在30%縱坡上能調(diào)平起降平臺(tái)。

        升降調(diào)平裝置的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示,其主要性能指標(biāo)及技術(shù)參數(shù)如表1所示。

        圖1 總體結(jié)構(gòu)方案

        圖2 升降調(diào)平裝置的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        表1 主要性能指標(biāo)及技術(shù)參數(shù)

        2 電氣系統(tǒng)原理

        升降調(diào)平裝置電氣系統(tǒng)主要由傾角調(diào)平控制單元、平臺(tái)位置控制單元、限位檢測(cè)組件和升降運(yùn)動(dòng)控制模塊等組成,其電氣系統(tǒng)原理如圖3所示。

        傾角調(diào)平控制單元實(shí)時(shí)采集調(diào)平平臺(tái)上傾角傳感器的縱向傾角值,通過傾角的正負(fù)判斷平臺(tái)處于縱向上坡或下坡狀態(tài)。當(dāng)調(diào)平平臺(tái)平行于車輛底盤升起到指定高度后,由運(yùn)動(dòng)控制模塊閉環(huán)控制單側(cè)剪刀叉升降機(jī)構(gòu)繼續(xù)執(zhí)行上升動(dòng)作,使調(diào)平平臺(tái)相對(duì)地面水平后停止運(yùn)動(dòng)。

        平臺(tái)位置控制單元實(shí)時(shí)采集拉繩式編碼器值,通過置零運(yùn)算與零位標(biāo)定,將編碼器讀取值解算并轉(zhuǎn)換為當(dāng)前調(diào)平平臺(tái)的位置高度值,主要用于判斷并控制與平臺(tái)高度參數(shù)相關(guān)的升起到開始調(diào)平、復(fù)位后開始下降閉合、非調(diào)平水平升起結(jié)束、下降閉合后停止等動(dòng)作與狀態(tài)。當(dāng)調(diào)平平臺(tái)到達(dá)指定高度值后,根據(jù)上位機(jī)指令控制伺服電機(jī),完成升降平臺(tái)的升起調(diào)平或復(fù)位下降動(dòng)作。

        圖3 升降調(diào)平裝置電氣系統(tǒng)原理

        限位檢測(cè)組件作為升降平臺(tái)的極限位置電氣限位保護(hù),當(dāng)拉繩式編碼器發(fā)生故障時(shí),限位檢測(cè)組件用于控制調(diào)平平臺(tái)在設(shè)定的上、下極限位置處停止剪刀叉升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

        升降運(yùn)動(dòng)控制模塊作為升降調(diào)平裝置的主控制器,具有剪刀叉升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制、調(diào)平平臺(tái)位置控制、工作流程控制、數(shù)據(jù)采集與處理、CAN通信、任務(wù)處理與故障報(bào)警等功能。

        3 控制系統(tǒng)架構(gòu)

        控制系統(tǒng)主要由檢測(cè)組件和運(yùn)動(dòng)控制模塊兩部分組成,其控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

        圖4 控制系統(tǒng)架構(gòu)

        檢測(cè)組件由傾角傳感器、拉繩式編碼器及限位開關(guān)等組成。傾角傳感器采用由雙軸加速度計(jì)和MEMS陀螺儀組合的動(dòng)態(tài)傾角測(cè)量傳感器,可實(shí)時(shí)測(cè)量水平雙軸X、Y方向的傾角。X方向傾角作為車輛縱向傾角,用于車輛在縱坡上調(diào)平無人機(jī)起降平臺(tái);Y軸方向傾角作為車輛縱向傾角,用于監(jiān)測(cè)車輛縱傾角,判斷無人機(jī)起降條件。拉繩式編碼器采用絕對(duì)值編碼器,用于測(cè)量調(diào)平平臺(tái)的當(dāng)前位置,具備斷電位置記憶功能,可自由選擇手動(dòng)或電動(dòng)方式操控調(diào)平平臺(tái),無需反復(fù)標(biāo)定與校零。限位開關(guān)由4個(gè)接近開關(guān)組成,分別在兩組剪刀叉升降機(jī)構(gòu)的絲桿軸向兩端各使用一個(gè),對(duì)兩組獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的剪刀叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行極限位置電氣安全保護(hù)。

        運(yùn)動(dòng)控制模塊由STM32系列主控制器、CTM8251系列CAN通信模塊、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、嵌入式控制板硬件與外圍電路、嵌入式控制程序及上位機(jī)操作軟件等組成,可滿足通信與控制功能要求,完成升降調(diào)平裝置的操控任務(wù)與狀態(tài)監(jiān)控。

        4 軟件設(shè)計(jì)

        升降調(diào)平裝置的通信與控制軟件采用嵌入式控制程序,主要完成的功能包括BIT自檢、任務(wù)控制、動(dòng)作控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)監(jiān)控、CAN通信控制、故障報(bào)警等,能按任務(wù)優(yōu)先級(jí)實(shí)時(shí)調(diào)度控制,可滿足單機(jī)調(diào)控及整車系統(tǒng)聯(lián)控要求。

        BIT自檢可對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行開機(jī)自檢和定期監(jiān)控,通過功能檢測(cè)和使用檢查,在發(fā)現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)隔離故障并發(fā)出預(yù)警信息。任務(wù)控制是通過時(shí)序和邏輯控制方式完成一整套完整的動(dòng)作流程,如能一鍵上升至最高點(diǎn)并調(diào)平,一鍵復(fù)位并下降閉合。動(dòng)作控制用于單步運(yùn)動(dòng)控制與調(diào)試,可單獨(dú)執(zhí)行上升、下降、調(diào)平、復(fù)位、停止等動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)控制可進(jìn)行初始升降和閉合結(jié)束時(shí)的調(diào)速控制,穩(wěn)定平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度和位置。狀態(tài)監(jiān)控用于采集調(diào)平平臺(tái)當(dāng)前傾角值和高度值,監(jiān)測(cè)編碼器、傳感器、電機(jī)等的正常與故障狀態(tài),上報(bào)設(shè)備工作狀態(tài),并記錄升降調(diào)平次數(shù)。通信控制采用CAN總線接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)指令和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等的信息交互。

        5 控制策略設(shè)計(jì)

        升降調(diào)平裝置的控制策略主要分為升降、調(diào)平、復(fù)位等過程的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

        升降過程控制策略:在執(zhí)行上升或下降任務(wù)時(shí),主控板控制驅(qū)動(dòng)器速度環(huán)同步帶動(dòng)兩個(gè)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加速2 s后勻速驅(qū)動(dòng),平臺(tái)運(yùn)動(dòng)接近上升展開或下降閉合位置時(shí),做減速運(yùn)動(dòng)2 s后速度為零,完成平臺(tái)上升展開或下降閉合功能。

        在升降過程中,采用驅(qū)動(dòng)器速度環(huán)控制兩個(gè)電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)。一路電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)生故障時(shí),驅(qū)動(dòng)器可同時(shí)關(guān)斷另一路輸出;在出現(xiàn)失速、堵轉(zhuǎn)等故障時(shí),可及時(shí)關(guān)斷輸出并上報(bào)故障;當(dāng)拉繩式編碼器檢測(cè)到兩組剪刀叉高度值相差超過100 mm,或傾角傳感器檢測(cè)到縱傾角度變化大于4°時(shí),認(rèn)為系統(tǒng)升降存在同步故障,可及時(shí)關(guān)斷輸出并上報(bào)故障。

        調(diào)平過程控制策略:當(dāng)平臺(tái)上升展開完成并上報(bào)位置狀態(tài),上位機(jī)發(fā)送調(diào)平指令后,主控板控制驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入獨(dú)立工作模式,并判斷當(dāng)前縱傾角的正負(fù),控制其中一個(gè)電機(jī)繼續(xù)上升,當(dāng)縱傾角減小并接近2°時(shí)進(jìn)入低速調(diào)控,到達(dá)0°時(shí)調(diào)平完成。

        復(fù)位控制策略:主控板收到復(fù)位指令后,判斷兩組剪刀叉位置,并控制位置較高一組下降,至兩組剪刀叉高度位置一致時(shí),再控制平臺(tái)同步上升到展開位置,并上報(bào)復(fù)位完成。復(fù)位控制主要用于手動(dòng)操作后自動(dòng)控制的切換與校準(zhǔn),在單步調(diào)平復(fù)位及任意位置調(diào)試時(shí)使用。

        6 結(jié)語

        本文研制的剪叉式升降調(diào)平裝置已成功應(yīng)用于車載無人機(jī)起降平臺(tái),可在車輛縱坡17°傾角內(nèi),靜態(tài)升降并調(diào)平平臺(tái);可在平坦路面上動(dòng)態(tài)升降平臺(tái),滿足車載無人機(jī)的動(dòng)態(tài)起降和跟車伴飛要求。此外,機(jī)電驅(qū)動(dòng)、兩組剪刀叉機(jī)構(gòu)的獨(dú)立升降設(shè)計(jì)以及可傾斜平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制,在剪刀叉升降機(jī)構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計(jì)和特殊應(yīng)用方面具有參考意義。

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