劉 碩，管 偉，朱永梅，王 佳

（江蘇科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

無人駕駛飛機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）簡稱無人機，是一種通過遠程操控甚至無人操控的智能化飛機，常用于軍事領(lǐng)域，巡邏監(jiān)察，帶載作業(yè)等。收放技術(shù)是UAV配套技術(shù)中相當(dāng)重要的一個部分，保證UAV的可靠作業(yè)。

其中海軍裝備技術(shù)研究所姚智剛等[1]調(diào)研發(fā)現(xiàn)英國的Caley公司研發(fā)了吊臂式無人艇收放機構(gòu)，能夠保證在6級海況條件下安全起吊工作艇、救生艇及其他大型橡皮艇，其是經(jīng)SOLAS等國際權(quán)威機構(gòu)認可的船用吊艇設(shè)備。目前在世界各國的船舶上廣為應(yīng)用。法國ECA集團和比利時海軍與機器人公司（BNR）聯(lián)合測試了前者研制的一種無人艇橫向施放和回收系統(tǒng)，這套施放回收裝置的吊臂系統(tǒng)采用穩(wěn)定性更高的兩點式吊接，這不僅能在掃雷艇航行中保持無人艇的穩(wěn)定，還能方便船員對無人艇進行維護，更換載荷；其安全系統(tǒng)，負責(zé)將無人艇鎖定在母艦的無人艇艙位處，防止在航行中無人艇出現(xiàn)晃動。Sarda等[2]設(shè)計了一種雙體無人水面艇（USV）通過其投放帶有纜繩連接的翼型鉤鎖，再利用自主式水下航行器（AUV）對鉤鎖進行定位完成物理對接，進而USV回收鉤鎖，將AUV拖曳至回收槽位并完成固定，最終完成對USV的回收。廣州船舶及海洋工程設(shè)計研究院陳海光團隊[3]設(shè)計了轉(zhuǎn)運式尾滑道無人艇收放機構(gòu)，并已完成試驗型的建造與試用。

上述研究者對無人艇收放技術(shù)已經(jīng)有所研究，然而，與UAV相匹配的配套技術(shù)卻處于相對滯后的狀態(tài)，尤其是發(fā)射與回收（launch and recovery，L&R）。本文提出并設(shè)計用于無人機收放并進行無線充電的充電塢方案，其中包括浮力支架、錨定系統(tǒng)、收放機構(gòu)和無線充電裝置4部分。

1 方案設(shè)計

1.1 技術(shù)要求

（1）能夠精準(zhǔn)地對無人機進行收放作業(yè)，包括在水面3級海況以下能完成無人機的回收與釋放，并且能長時間保持無人機在停降狀態(tài)下限位固定在整個充電塢上。

（2）能對無人機在一定的收放精度誤差范圍內(nèi)及無人機或無人機相對充電塢有一定的晃動時進行高效率的無線充電，能在3級海況以下的環(huán)境對無人機進行持續(xù)的高效率無線充電。

（3）充電塢在不同環(huán)境下能保證自身的蓄電池在一定的電量儲備容量內(nèi)，即離岸式的充電塢能依靠太陽能、波浪能和潮流能等自主獲取能量來保持自身供電及對無人機的供電順暢，實現(xiàn)多個無人機的電量監(jiān)控和電量管理。

（4）當(dāng)面對集群式無人機作業(yè)時，能在一定水域范圍內(nèi)設(shè)置多個充電塢進行聯(lián)合作業(yè)，完成充電塢相互之間的通信及和各個外載的無人機進行通信。

為達到上述性能需求，充電塢技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)

1.2 方案設(shè)計

充電塢的根本目的就是要為其他移動載具進行能源補給續(xù)航[4-6]，同時與各個移動載具和其他充電塢之間進行通信。所以其必然是要長時間在水上待機作業(yè)。與此同時還要能精準(zhǔn)地收放各個移動載具，與載具的無線充電對接，以及保證在對接完成后進行無線充電時持續(xù)保持對接狀態(tài)。本文采用模塊化設(shè)計、通用化設(shè)計等，根據(jù)應(yīng)用場景來替換充電塢上的配件裝置，同時還要適應(yīng)多種海況、多種類型及體型大小在一定范圍內(nèi)變化的無人機。結(jié)構(gòu)上要保持輕量化，避免后期的維護工作難以進行等。

離岸式充電塢通常是需要長時間漂浮在水面上，所以其面臨的最大問題就是在水面上的穩(wěn)定性。同時充電塢還要承載一些儲備能源與收集能源的設(shè)備，外加承載一架無人機的整體重量和多個無人機的部分重量。這些要求也對其漂浮穩(wěn)定性提出了更高的要求與考驗。所以，首先要解決的就是為充電塢提供浮力的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。

充電塢搭載的設(shè)備雖然都有防水設(shè)計，但是在對無人機進行無線充電時，傾覆帶來的進水仍然是很危險的，極其容易損毀整個設(shè)備。另外，充電塢要完成對集群化的無人機群進行無線充電，所以其要能同時承載多個無人機進行無線充電。這帶來的問題是充電塢會承載過多的重量，且在面對非滿載無人機的情況下，回收的無人機對充電塢施加的合力會不均勻，導(dǎo)致充電塢會向某個方向傾斜。這種情況下，再加上波浪的影響很容易會發(fā)生傾覆。因此，本充電塢采用了開放圓周式設(shè)計結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 充電塢整體結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 浮力支架

4個浮力支架是均等分布的，通過浮力支架底部連接的浮力板來為整個充電塢提供浮力。浮力支架如圖2所示，其根部與平臺主架體連接，而且可以通過伺服步進舵機來進行驅(qū)動，使得浮力支架可以改變與平臺主架體之間的角度。

圖2 浮力支架

浮力支架采用鏤空設(shè)計，在保證合適強度的同時，可以通過鏤空來內(nèi)部鑲嵌太陽能板。為了節(jié)省空間，則在浮力支架的中間嵌入太陽能板，正好可以全方位地來收集太陽能，且常態(tài)下的浮力支架是與平臺主架體形成一定的角度，以此更加方便收集太陽能資源。

浮力板與浮力支架連接處采用魚眼軸承來連接，賦予其繞浮力支架連接桿的方向的自由度，使其在面對波浪時能自適應(yīng)改變與波浪接觸的角度，使得浮力板能始終保持提供正半軸方向（即與水平面呈小于90°的方向設(shè)定為正半軸）上的浮力矢量，避免水淹沒浮力板而導(dǎo)致浮力板承受部分水的重力進而減少浮力，也避免因此產(chǎn)生不必要的阻力矩和導(dǎo)致充電塢產(chǎn)生不必要的晃動。綜上所述，利用均等分布呈輻射型向外的4個浮力支架作為“分界線”將平臺主架體平均圓周等分為4個部分，在任意2個浮力支架之間的位置設(shè)計為無人機的收放艙位，這樣可以在最大程度上保證充電塢水面穩(wěn)定性的同時大量擴展無人機的收放艙位。

2.2 錨定系統(tǒng)

長時間處于水上作業(yè)的充電塢具有其固定的工作區(qū)域，而同時又要滿足其可快速部署的要求。一般要求充電塢具有快速定位功能，以及快速部署功能。所以，常見的會采用海洋浮標(biāo)的錨定系留系統(tǒng)，而非海洋平臺的固定樁。錨定系留系統(tǒng)可以實現(xiàn)快速部署及快速回收。

單點式系留系統(tǒng)只由1根纜繩連接系泊錨，其優(yōu)點很明顯，便于部署投放及回收，而且結(jié)構(gòu)簡單，故障率相應(yīng)地也很低。重要的是其固定效果好，全方向的限位范圍較小，能將待錨定的水上裝置錨定在較小的范圍內(nèi)。原因在于其繩索的長度是有限的，工作時又處于繃緊狀態(tài)，出現(xiàn)的彈性伸縮也較小。依據(jù)本課題的應(yīng)用場景，單點式系泊系統(tǒng)中，張緊型和彈性張緊型足以應(yīng)對目標(biāo)需求的錨定功能。

2.3 無人機收放機構(gòu)

無人機的收放作業(yè)面臨的最大問題是，如何保證無人機能在無人機停降平臺上穩(wěn)定完成無線充電[7-9]及在高海況的情況下如何回收無人機。所以最終的目的還是要對無人機進行精準(zhǔn)的限位固定。本方案采用了在無人機停降平臺的中心部位設(shè)置2排能夠凹陷的鉸鏈結(jié)構(gòu)，如圖3所示，用以容納無人機的2個起落腳架。這2排收放機構(gòu)的長度與寬度均大于無人機的起落腳架，收放機構(gòu)的內(nèi)側(cè)帶有方向相反朝向外側(cè)的鉤狀結(jié)構(gòu)，由于鉸鏈結(jié)構(gòu)是交錯布置的，在收縮狀態(tài)時是處于互補狀態(tài)，用以鎖緊無人機。

圖3 無人機收放機構(gòu)

整體的收放流程如下：在無人機未停降時，整個無人機收放機構(gòu)是展開狀態(tài)，即鉸鏈結(jié)構(gòu)展開至與無人機停降平臺同一個平面內(nèi)。此時，無人機開始通過視覺引導(dǎo)來進行停降，無人機視覺識別的特征物是無人機收放機構(gòu)的中心。無人機因外界干擾因素及充電塢自身的晃動因素，其產(chǎn)生了停降誤差范圍，此時無人機進行停降后，其整個機體與無人機收放機構(gòu)的鉸鏈結(jié)構(gòu)槽位產(chǎn)生了一定的角度，并且在x軸與y軸皆與停降平臺中心呈現(xiàn)一定的誤差距離。在無人機接觸停降平臺后，觸發(fā)紅外光電傳感器，在無人機接觸平臺的一瞬間，鉸鏈機構(gòu)開始收縮，直至收緊，開始充電。

2.4 無線充電機構(gòu)

本文設(shè)計了一種通過直線導(dǎo)軌搭配紅外光電傳感模塊來自主尋找無人機的方案，如圖4所示。經(jīng)過前文的無人機收放機構(gòu)的位置與姿態(tài)歸整，無人機只會在沿著起落腳架的方向在停降誤差內(nèi)降落，所以直線導(dǎo)軌只需要搭載紅外光電模塊在固定的一條直線上反復(fù)巡回，則必然能搜尋到無人機的位置，進而完成無線充電模塊的對接作業(yè)。

圖4 無人機無線充電對接機構(gòu)

3 結(jié)束語

充分考慮了充電塢在水面的晃動問題，設(shè)計了主動減搖裝置——浮力支架，通過提供浮力矢量來使充電塢在水面上盡量保持穩(wěn)定，進而便于移動載具設(shè)備的收放作業(yè)。設(shè)計了圓周開放式的平臺主架體，增加了可容納無人機的數(shù)量。拓展了在平臺主架體上的槽位，令其通用化的接口可以搭載多種設(shè)備，包括收集能量的太陽能裝置、浮力支架及震蕩浮子式波浪能收集裝置等。同時，還設(shè)計了無人機收放機構(gòu)及無人機無線充電機構(gòu)。無人機限位機構(gòu)可以輔助無人機在晃動的平臺上降落，使其在切斷動力的瞬間即可完成凹陷式限位固定，利用無人機自重及斜槽鉤型結(jié)構(gòu)將其位移至停降平臺的中心，以便于后續(xù)的無線充電機構(gòu)的對接。再通過巡回式的無線充電對接機構(gòu)自主尋找無線充電接收端，完成無線充電對接。