侯潔明，孫桂祥

（合肥賽為智能有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

系留無(wú)人機(jī)又稱系留式無(wú)人機(jī)，為多旋翼無(wú)人機(jī)的一種特殊形式，通過(guò)系留線纜將地面電源傳輸至高空飛機(jī)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋰電池，最主要的特點(diǎn)是擁有長(zhǎng)時(shí)間的滯空懸停能力。系留無(wú)人機(jī)多用于通信中繼、應(yīng)急搶險(xiǎn)、高空檢測(cè)、高空視頻監(jiān)控、高空照明等，系留無(wú)人機(jī)與電信基站組合可以快速部署在因自然災(zāi)害受損的地區(qū)。系留無(wú)人機(jī)由地面高壓直流穩(wěn)壓系統(tǒng)、放線器、同步繞線輪、系留電纜、空中穩(wěn)壓模塊和備用電池組成，高壓直流穩(wěn)壓系統(tǒng)和同步繞線輪安裝在自動(dòng)收放線器上，系留電纜與穩(wěn)壓模塊和備用電池連接。

本文主要討論地面智能自動(dòng)收發(fā)線設(shè)備（下文簡(jiǎn)稱收放線機(jī)構(gòu)），通過(guò)地面高壓電源將220 V 或380 V 交流電轉(zhuǎn)換成750 V 直流電，通過(guò)系留線纜傳輸至無(wú)人機(jī)電源艙，經(jīng)過(guò)無(wú)人機(jī)機(jī)載電源艙處理后，輸出48 V 直流電供給無(wú)人機(jī)的電機(jī)、電調(diào)、飛控、載荷等模塊使用，同時(shí)配備了兩塊動(dòng)力電池作為UPS切換系統(tǒng)的電源。收放線機(jī)構(gòu)在保證供電和通信穩(wěn)定可靠的同時(shí)實(shí)現(xiàn)線纜隨飛機(jī)飛行高度自動(dòng)收放。

1 電纜收放線設(shè)備設(shè)計(jì)要求

系留無(wú)人機(jī)的最大飛行高度為350 m，地面裝置能提供750 V 直流、12 kW 高壓電源，由3 根光纖通信。飛機(jī)以2 m/s的速度上升或下降的過(guò)程中，線纜能夠根據(jù)張緊度自動(dòng)放線或者收線。飛機(jī)在空中懸停工況下不可避免會(huì)受到橫向風(fēng)的干擾，線纜也會(huì)因風(fēng)的作用而左右搖晃，諸多因素的作用下，線纜會(huì)有不間斷的拉升和收回動(dòng)作。因此自動(dòng)收放線機(jī)構(gòu)在繞線機(jī)上增加機(jī)械緩沖裝置，在電機(jī)控制上需要做相應(yīng)的控制設(shè)計(jì)，保障線纜的張緊度均一，保障飛機(jī)在高空中不受線纜的拉扯影響。由于線纜長(zhǎng)度為360 m，即使加載高電壓，線纜本身也有發(fā)熱狀況，因此當(dāng)線纜纏繞在收放線機(jī)構(gòu)內(nèi)部的絞盤上時(shí)，熱量會(huì)持續(xù)增加，在夏季炎熱季節(jié)現(xiàn)象更為明顯，所以結(jié)構(gòu)中要有通風(fēng)換熱裝置。飛機(jī)在飛行和工作狀態(tài)下，自動(dòng)收放線機(jī)構(gòu)是無(wú)需人為干預(yù)的，一個(gè)良好的人機(jī)交互系統(tǒng)是很必要的。由于此系留無(wú)人機(jī)大多應(yīng)用在緊急和特殊狀況下，因此地面自動(dòng)收放線機(jī)構(gòu)要有體積緊湊、移動(dòng)方便、抗干擾、部署便捷等特點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)與計(jì)算

2.1 繞線輪設(shè)計(jì)

繞線輪外圓采用6063 鋁板加工拼接而成，厚度3 mm，鋁板總共用有24 塊。在線輪軸一端加工線纜槽，線纜通過(guò)線纜槽進(jìn)入線輪軸內(nèi)部，并固定在線纜卡上，線輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)收放線。線輪側(cè)板從中心向外逐漸收窄，目的是防止在收放線纜時(shí)對(duì)晃動(dòng)的線纜造成磨損。線輪軸外徑340 mm，繞線輪寬度366 mm，線纜直徑按照4.5 mm 設(shè)計(jì)，則繞線輪繞線層數(shù)及長(zhǎng)度見表1。

表1 繞線輪繞線計(jì)算

線輪最小內(nèi)徑Φ1=0.17 m，線輪重G1=7.21 kg，繞線8 層是線輪外徑Φ2=0.22 m，線長(zhǎng)L=390 m，線纜單重g=0.033 kg/m，則線纜總重：

繞線輪重大重量：

繞線輪總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

繞線輪最大線速度V=2 m/s，速度從零加速到最大速度時(shí)間t=2 s。

線輪角速度和角加速度分別為：

繞線8 層時(shí)線輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別為：

2.2 電機(jī)選型與減速器

電機(jī)選擇北京時(shí)代超群電器的直流無(wú)刷電機(jī)80BL100S40-430：額定電壓48 V，額定功率500 W，額定轉(zhuǎn)矩1.6 N·m，額定轉(zhuǎn)速3000 r/min，空載轉(zhuǎn)速4000 r/min，額定電流14.8 A，空載電流1.5 A，極對(duì)數(shù)2。

行星齒輪箱選擇北京時(shí)代超群PX80N004SW 行星減速機(jī)：減速比4∶1，實(shí)際減速比4∶1，輸出轉(zhuǎn)矩40 N·m，輸入轉(zhuǎn)速300 r/min，效率90%，回程間隙18 arcmin，機(jī)身長(zhǎng)度76 mm，重量1.35 kg，極數(shù)1，配套電機(jī)為80 無(wú)刷電機(jī)。

減速鏈輪齒數(shù)15，繞線鏈輪齒數(shù)82，傳動(dòng)比為15∶82。計(jì)算電機(jī)在不同電流下線輪的轉(zhuǎn)矩見表2。當(dāng)工作電流達(dá)到8.5 A時(shí)，線輪轉(zhuǎn)矩12.55 N·m，滿足線輪繞線要求。

表2 不同電流下線輪轉(zhuǎn)矩N·m

2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

絲杠導(dǎo)程為15 mm，當(dāng)繞線輪轉(zhuǎn)動(dòng)1 周，絲杠滑塊移動(dòng)距離為15×0.34≈5.1 mm。而線纜的直徑4.5 mm，絲杠滑塊的移動(dòng)距離與線纜直徑相當(dāng)，滿足繞線需求。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 滾輪總裝

繞線輪是纜線存載體，設(shè)計(jì)要求線纜總長(zhǎng)360 m。由于線纜通過(guò)12 kW 的工作載荷，即便將電壓升至650 V，工作中的線纜仍然會(huì)發(fā)熱，為了不讓線纜聚集發(fā)熱，設(shè)計(jì)要求線纜不能在繞線輪上纏繞過(guò)多圈數(shù)。

繞線輪的一端安裝有光電滑環(huán)，光電滑環(huán)可保證旋轉(zhuǎn)的同時(shí)電流和信號(hào)不受干擾地通過(guò)。繞線輪的另一端是通孔，散熱風(fēng)扇安裝在外側(cè)組件上，氣流在風(fēng)扇的動(dòng)作下引入繞線輪內(nèi)部，在通過(guò)繞線輪輪條上的空隙向外擴(kuò)散，帶走線纜上的熱量。

為方便加工和組裝，繞線輪外圓采用6063 鋁板加工拼接而成，鋁板總共用有24 塊。鋁板中間開孔一則是為了減輕重量，二則是方便氣流從中間通過(guò)，繞線輪外圓直徑340 mm，線輪寬度366 mm，則單圈周長(zhǎng)1067.6 mm。則按此推算則第1 層繞線80.03 m，第2 層繞線90.32 m，第3 層繞線92.62 m，第4 層繞線94.92 m，4 層累計(jì)總長(zhǎng)度是365.9 m，滿足設(shè)計(jì)要求。繞線輪是需要轉(zhuǎn)動(dòng)的，則在繞線輪的兩端安裝有兩款瓦房店?yáng)|方神力精密軸承的等截面超薄壁軸承（KC040XPO 101.6×120.65×9.525和KC047XPO 120.65×139.7×9.525）。一端軸承內(nèi)孔安裝有光電滑環(huán)，保證繞線輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)供電持續(xù)穩(wěn)定，通信流暢良好。另一端軸承內(nèi)孔安裝有鏈輪和散熱通道，鏈輪是在部驅(qū)動(dòng)鏈條的作用下驅(qū)動(dòng)繞線輪轉(zhuǎn)動(dòng)，散熱通道是為風(fēng)扇將外部空氣吹入內(nèi)部留有的空間。

3.2 緩沖區(qū)底盤

正常工況下系留無(wú)人機(jī)在空中懸停是穩(wěn)定無(wú)波動(dòng)的，但是在飛機(jī)起飛爬升和緊急下降過(guò)程中線纜就必須快速響應(yīng)地放線和收線動(dòng)作。由于繞線輪自身重量較重，必定有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)加速度也是有極限的，因此在機(jī)器的底部設(shè)計(jì)增加了線纜的緩沖裝置。當(dāng)飛機(jī)突然升高或外界干擾緊急拉伸電纜的狀況下，此緩沖裝置的重要作用就是吸收線纜突然拉出的力量，當(dāng)繞線輪還來(lái)不及動(dòng)作釋放電纜的情況下緩沖裝置釋放出儲(chǔ)存在內(nèi)部的部分電纜；在飛機(jī)緊急下降中，線纜空中滯留較多需要快速響應(yīng)收入并纏繞至繞線輪上，此時(shí)緩沖裝置中的機(jī)構(gòu)就會(huì)吸收掉這部分多余的線纜。而后控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)傳感器反饋的情況迅速調(diào)整控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)繞線輪正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)彌補(bǔ)上中間段的延遲期。緩沖區(qū)底盤分前后兩個(gè)部分，為減輕其重量將材料中間無(wú)功能部分做偷料處理，前底板既是線纜的緩沖裝置又是整個(gè)機(jī)架的底部結(jié)構(gòu)件，后底板是承托著無(wú)刷伺服電機(jī)和減速器的作用，對(duì)整個(gè)機(jī)器的底部也起到支撐連接的作用。

前底板上安裝共有3 個(gè)定滑輪、1 個(gè)動(dòng)滑輪、1 組直線導(dǎo)軌、1 個(gè)鋼絲定滑輪、1 個(gè)鋼絲輪、1 個(gè)發(fā)條彈簧和1 組角度傳感裝置。線纜盤繞在中間的繞線輪上，通過(guò)下部的中轉(zhuǎn)輪引導(dǎo)至底部的緩沖裝置。定滑輪1 改變線纜方向，引導(dǎo)線纜穿過(guò)底部，定滑輪2 再次改變線纜方向?qū)⒕€纜引導(dǎo)至動(dòng)滑輪上3 上，最后通過(guò)定滑輪4 引導(dǎo)至機(jī)器其他裝置上。動(dòng)滑輪中間轉(zhuǎn)動(dòng)軸由鋼絲繩牽引，通過(guò)鋼絲定滑輪改變方向最終纏繞在鋼絲輪上，鋼絲輪底部安裝有發(fā)條彈簧，此時(shí)動(dòng)滑輪的運(yùn)動(dòng)便由發(fā)條彈簧的勢(shì)能控制。平時(shí)彈簧收緊，動(dòng)滑輪在啟始位置，線纜會(huì)預(yù)留在動(dòng)滑輪的右側(cè)，當(dāng)線纜突然拉扯出去，動(dòng)滑輪向?qū)к壍牧硪欢诉\(yùn)動(dòng)過(guò)去，釋放線纜的同時(shí)也吸收掉部分的拉力，收線工作機(jī)理相反。

鋼絲輪的另一端安裝有小齒輪，再通過(guò)其后的大齒輪嚙合傳動(dòng)將轉(zhuǎn)動(dòng)角度傳遞出去，大齒輪上的角度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到角度位移。線纜的拉伸力便通過(guò)滑輪組件轉(zhuǎn)換為角度位移數(shù)值最終發(fā)送給控制系統(tǒng)。

3.3 導(dǎo)向阻尼

線纜從繞線輪至機(jī)器外部，由導(dǎo)向阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行引導(dǎo)。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)分3 組輪，底部導(dǎo)輪上有海綿，線纜從左右輪中間穿過(guò)，導(dǎo)向輪兩側(cè)安裝有扭力彈簧，在彈簧的作用下底部導(dǎo)輪夾住線纜。底部導(dǎo)輪既可以?shī)A持住線纜又不影響線纜拉出與回收速度，中部導(dǎo)輪起到約束線纜左右位置移動(dòng)，上部輸出導(dǎo)輪約束線纜前后位置移動(dòng)。整套導(dǎo)輪系統(tǒng)既可以約束線纜方向又不影響線纜的抽拉移動(dòng)，并且順利地將線纜引導(dǎo)至內(nèi)部繞線輪上。

3.4 鏈輪傳動(dòng)

右側(cè)板傳動(dòng)距離較遠(yuǎn)采用鏈輪傳動(dòng)，繞線鏈輪齒數(shù)82，排線連輪齒數(shù)52，傳動(dòng)比i1=82/52。通過(guò)排線輪軸將動(dòng)力傳遞給左側(cè)排線齒輪。排線齒輪齒數(shù)30，絲杠齒輪齒數(shù)140，傳動(dòng)比i2=3/14。傳動(dòng)系統(tǒng)總的傳動(dòng)比：

計(jì)算功率Pca是根據(jù)傳遞的功率P，并考慮到載荷性質(zhì)和原動(dòng)機(jī)的種類而確定的：

式中 Pca——計(jì)算功率，W

P——傳遞的功率，W

WA——工作情況系數(shù)，中等沖擊系數(shù)1.2

根據(jù)鏈傳動(dòng)的工作情況、主動(dòng)鏈輪齒數(shù)和鏈條排數(shù)，計(jì)算鏈節(jié)距。鏈的節(jié)距P 的大小，反應(yīng)了鏈條和鏈輪齒各部分尺寸的大小。在一定條件下，鏈的節(jié)距越大，承載能力就越高，但傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)也要增大，于是振動(dòng)、沖擊、噪聲也越嚴(yán)重。所以設(shè)計(jì)時(shí)，為使傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，壽命長(zhǎng)，盡量選取較小節(jié)距的單排鏈；速度高、功率大時(shí)，則選用小節(jié)距的多排鏈；從經(jīng)濟(jì)上考慮，中心距大、傳動(dòng)比小時(shí)，選大節(jié)距單排鏈。

根據(jù)鏈條接距和傳動(dòng)條件對(duì)P0進(jìn)行修正：

式中 P0——在特定條件下單排鏈所能傳遞的功率，W

Pca——鏈傳動(dòng)的計(jì)算功率，W

KZ——小鏈輪齒數(shù)系數(shù)

KL——鏈長(zhǎng)系數(shù)

KP——多排鏈系數(shù)

4 電路控制部分

整個(gè)系統(tǒng)由外部發(fā)電機(jī)供電，三相交流電接入地面收放線機(jī)構(gòu)，4P 空氣開關(guān)負(fù)責(zé)過(guò)載保護(hù)，此處分出一路220 V 電給收放線機(jī)構(gòu)和控制電路板供電，另一路380 V 電路供給地面電源，地面電源將電壓升至750 V，再接入電纜上，電纜在地面是纏繞在繞線輪上的，外部接入飛機(jī)（圖1）。

圖1 控制電路

5 電機(jī)控制

電機(jī)控制采用閉環(huán)方式工作，放線的控制算法是典型的PID（Proportional Integral Derivative，比例積分微分），收線動(dòng)作則采用P 算法（圖2）。在收放的底部有線纜緩沖裝置，其底部的動(dòng)滑輪和角度傳感器將線纜的張緊轉(zhuǎn)換為角度物理量，通過(guò)A/D 數(shù)值轉(zhuǎn)換輸入到控制單路中，最后將計(jì)算結(jié)果再反饋至驅(qū)動(dòng)電機(jī)中。實(shí)際工作中，線纜能跟隨飛機(jī)的高度自動(dòng)放線和收線動(dòng)作，并且線纜始終保持一定的張力。

圖2 算法原理

6 結(jié)語(yǔ)

系留無(wú)人機(jī)的地面收放線設(shè)備是系留無(wú)人機(jī)的重要組成部分，它為無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力支持和通信轉(zhuǎn)發(fā)，其機(jī)構(gòu)的可靠性關(guān)系到無(wú)人機(jī)的飛行安全。系留無(wú)人機(jī)地面收放線設(shè)備在系留無(wú)人機(jī)滯空過(guò)程中伴隨著飛機(jī)的上升和降低，保持著線纜的自動(dòng)收放工作，并且穩(wěn)定提供電能、保持通信暢通。由于電纜長(zhǎng)度超過(guò)300 m，為保持電力不在線纜上損耗，工作中將電壓升到750 V，在繞線輪中加裝排風(fēng)扇用強(qiáng)風(fēng)冷卻纜線上的熱量。本文著重設(shè)計(jì)計(jì)算系留無(wú)人機(jī)地面收放線機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、緩沖裝置和電控系統(tǒng)，此設(shè)計(jì)研究已經(jīng)過(guò)試飛驗(yàn)證并多次測(cè)試，測(cè)試時(shí)間達(dá)到500 h，在經(jīng)過(guò)3 次設(shè)計(jì)修改后已推出定型產(chǎn)品，在電信企業(yè)和通信單位得到成功運(yùn)用并得到良好效果。