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        剪叉式車載無人機(jī)升降調(diào)平裝置設(shè)計(jì)

        2023-03-06 02:56:24付國壯
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2023年5期
        關(guān)鍵詞:故障系統(tǒng)

        付國壯

        (中國航空制造技術(shù)研究院,北京 100024)

        文章通過結(jié)合整車系統(tǒng)集成性能,設(shè)計(jì)科學(xué)的剪叉式升降調(diào)平裝置,從而提高機(jī)電伺服驅(qū)動科學(xué)性,來充分發(fā)揮其自縮功能,有效提高無人機(jī)工作穩(wěn)定性,從而加強(qiáng)其手動操作功能,保證能在斷電情況下進(jìn)行手動應(yīng)急維護(hù)[1]。

        1 總體結(jié)構(gòu)方案

        該升降調(diào)平裝置分為調(diào)平平臺和剪刀叉升降機(jī)2個環(huán)節(jié)。在車輛底盤上安裝2組剪刀叉升降架構(gòu),并保證這2組升降架構(gòu)進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動,來控制調(diào)平平臺進(jìn)行傾斜和升降運(yùn)動(圖1)。當(dāng)車輛行駛在坡面時,剪刀叉升降系統(tǒng)會自動控制運(yùn)動模式,從而調(diào)整無人機(jī)起降平臺的傾斜角度,保證車輛一直處于水平狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)調(diào)平功能[2]。

        圖1 總體結(jié)構(gòu)方案

        剪刀叉升降機(jī)作為調(diào)整平臺水平的重要環(huán)節(jié),是由絲桿驅(qū)動組件、減速機(jī)、伺服電機(jī)、單軸鉸鏈座和雙導(dǎo)軌滑移底座等環(huán)節(jié)構(gòu)成[3]。其通常利用雙輸出和單輸入T型減速機(jī)2種方式,等到絲桿轉(zhuǎn)換為絲母進(jìn)行移動后,工作人員要通過剪叉桿來控制其日常升降運(yùn)動。而減速機(jī)雙輸出空心軸是以自鎖梯形絲桿為核心,有利于其合理控制絲桿停滯、自鎖等工作任務(wù),并在其中安裝應(yīng)急手動驅(qū)動輸入端,一旦遇到特殊情況,工作人員可通過人為手段來進(jìn)行剪叉桿運(yùn)動。另外,調(diào)平平臺組件是車載無人機(jī)的起降基礎(chǔ),通常有頂部平臺、導(dǎo)向滑移組件和直線導(dǎo)軌等環(huán)節(jié)組成,跟隨剪叉桿轉(zhuǎn)動而出現(xiàn)相應(yīng)運(yùn)動,即使傾斜平臺的傾斜角度達(dá)到17°,車輛在3%的縱坡上也能進(jìn)行科學(xué)調(diào)平(圖2)。

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

        1.1 電氣系統(tǒng)原理

        升降調(diào)平裝置電氣系統(tǒng)是由傾角調(diào)平控制單元、有限位檢測單元、升降運(yùn)動控制模塊和平臺位置控制單元等環(huán)節(jié)組成(圖3)。其中傾角調(diào)平控制單元利用專業(yè)計(jì)算工具,計(jì)算出平臺上傾角傳感器的傾斜角度,來判斷平臺停留在何種狀態(tài),如下坡狀態(tài)、上坡狀態(tài)。由于剪叉式升降平臺液壓驅(qū)動配套系統(tǒng)具有較強(qiáng)的復(fù)雜性,很難精確控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體位置,單獨(dú)安裝液壓動力系統(tǒng)通常會占據(jù)較多內(nèi)存空間,導(dǎo)致系統(tǒng)集成面積較大。該裝置在前后布置2組單級獨(dú)立電動剪刀叉機(jī)構(gòu),將其作為執(zhí)行升降機(jī)日常運(yùn)行的平臺,利用縱向滑移傾斜結(jié)構(gòu)和前后高低差方法,讓車輛底盤在斜坡上能升降調(diào)平平臺,在平整路面移動中能動態(tài)調(diào)整起降平臺,給車載無人機(jī)日常起降工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[4]。當(dāng)調(diào)平平臺上升到指定高度時,運(yùn)動控制模塊自動控制剪刀叉升降機(jī)構(gòu),來實(shí)現(xiàn)升降機(jī)上升的動作,讓調(diào)平平臺和地面能趨于平行,從而達(dá)到預(yù)期運(yùn)動的目的;平臺位置控制單位是通過采用拉繩式編碼器值,來準(zhǔn)確計(jì)算出零位標(biāo)定和置零編碼器數(shù)值,并將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為位置高度值,常用在控制和平臺高度數(shù)值相關(guān)的升降方面,當(dāng)調(diào)平平臺上升到指定位置時,系統(tǒng)會自動發(fā)布特殊指令來控制伺服電機(jī),保證升降平臺日常動作能達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);而限位檢測單元作為升降平臺保護(hù)機(jī)制,一旦拉繩式編碼器出現(xiàn)嚴(yán)重的安全故障,限位檢測單元會自動控制調(diào)平平臺,將讓其在上下極限位置停止任何活動;升降運(yùn)動控制模塊作為升降調(diào)平裝置的主要控制設(shè)備,其具有多樣化功能,如工作流程控制、CAN通信、故障報警和數(shù)據(jù)采集等功能[5]。

        圖3 升降調(diào)平裝置電氣系統(tǒng)原理

        1.2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

        控制系統(tǒng)通常分為運(yùn)動控制模塊和檢測單元2個環(huán)節(jié)(圖4)。其中檢測單元主要包括限位開關(guān)、傾角傳感器和拉繩式編碼器等組件,傾角傳感器是采用陀螺儀和雙軸加速度計(jì)構(gòu)成,通常應(yīng)用在測量水平雙軸傾角方面。近年來,隨著無人機(jī)產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展,不再單純作為簡單的航拍玩具,而是被逐漸應(yīng)用到日常生活領(lǐng)域中,如影視航拍、電路巡查、環(huán)境監(jiān)控等方面。無人機(jī)作為目前最新型的測量方式,憑借自身具有工作效率高、成本低、操作靈活等特征,被廣泛應(yīng)用在各行業(yè)中,有利于工作人員提取數(shù)字表面模型、點(diǎn)云、三維模型、數(shù)字高程模型等多樣化數(shù)據(jù)。在日常使用中剪叉式升降平臺很容易受到周圍生態(tài)環(huán)境影響,一旦其出現(xiàn)問題,需要工作人員維護(hù)多個保養(yǎng)流程,整個流程非常復(fù)雜,特別是軍用無人機(jī),如果在-40℃的低溫環(huán)境下進(jìn)行工作,會給其液壓傳動帶來嚴(yán)重影響。而X軸方向傾角作為車輛縱向傾角,可有效調(diào)整無人機(jī)起降平臺,來準(zhǔn)確判斷無人機(jī)是否具備起降條件;拉繩式編碼器利用絕對值編碼器來測量調(diào)平平臺的基本位置,其具有記憶斷電位置功能,能靈活選擇使用何種方式控制調(diào)平平臺,不需要經(jīng)過重復(fù)的校正和標(biāo)定;限位開關(guān)通常有4個接近開關(guān),被工作人員設(shè)置在剪刀叉升降機(jī)構(gòu)絲桿兩側(cè),來保護(hù)2組剪刀叉架構(gòu)極限位置電機(jī)的正常運(yùn)行。同時,運(yùn)動控制模塊是由伺服電機(jī)、CTM8251系列CAN通信模塊、嵌入式控制程序、外圍電路等環(huán)節(jié)組成,能有效滿足基本控制和通信要求,實(shí)現(xiàn)升降調(diào)平裝置日常監(jiān)控和操作任務(wù)[6]。

        圖4 控制系統(tǒng)

        1.3 軟件設(shè)計(jì)

        升降調(diào)平裝置的控制軟件和通信功能,是以嵌入式控制程序?yàn)橹黧w,給升降調(diào)平裝置提供多樣化性能,如運(yùn)動控制、動作控制、任務(wù)控制、故障報警和CAN通信控制等功能,能嚴(yán)格遵循任務(wù)優(yōu)先級別來進(jìn)行實(shí)時控制,能滿足整車系統(tǒng)聯(lián)控和單機(jī)控制要求(圖5)。無人機(jī)是由各種環(huán)節(jié)組成,如地面工作站、無人飛行載體、數(shù)傳系統(tǒng)和傳感器等。目前,隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷提升,無人機(jī)呈現(xiàn)多樣化形態(tài),對不同領(lǐng)域來說,要根據(jù)自身工作特征和需求選擇對應(yīng)的飛行載體,充分發(fā)揮數(shù)傳系統(tǒng)的作用,例如,將無人機(jī)所拍攝的數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)较谰仍块T,在輔助消防救援時,無人機(jī)能利用無線圖像系統(tǒng),將火災(zāi)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)较谰仍笓]部,有利于指揮部結(jié)合現(xiàn)場火災(zāi)實(shí)際情況,安排充足的消防人員,制定科學(xué)的消防計(jì)劃,及時控制火災(zāi)現(xiàn)場。同時,無人機(jī)作為最先進(jìn)的飛行裝置,需要搭載相應(yīng)的感應(yīng)設(shè)備,系統(tǒng)內(nèi)部有安裝核心控制系統(tǒng),要通過定位裝置來進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,并在無人機(jī)正式飛行前設(shè)定相關(guān)程序,制定正確的拍攝任務(wù),才能真正實(shí)現(xiàn)航空拍攝的目的,給消防救援工作帶來便利。其中BIT自檢能定期檢查系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng),通過使用檢查、功能檢測等功能,在發(fā)現(xiàn)故障時自動將故障區(qū)域隔離,并主動觸發(fā)報警系統(tǒng);任務(wù)控制是采用邏輯控制措施來實(shí)現(xiàn)完整的動作流程,如一鍵復(fù)位并下降閉合,一鍵上升到最高點(diǎn)且調(diào)平;動作控制能實(shí)現(xiàn)日常運(yùn)行速度控制,保證平臺運(yùn)行穩(wěn)定性;狀態(tài)監(jiān)控通常是用作收集調(diào)平平臺數(shù)據(jù),再將所有數(shù)據(jù)上傳給專業(yè)部門,并詳細(xì)記錄升降調(diào)平次數(shù);通信控制則是利用CAN總線接口來完成信息交互任務(wù)[7]。

        圖5 升降調(diào)平裝置

        2 控制策略設(shè)計(jì)

        升降調(diào)平裝置的控制策略是由多樣化過程控制,如復(fù)位、調(diào)平和升降等環(huán)節(jié)。升降過程控制通常應(yīng)用在任務(wù)執(zhí)行方面時,主控板通過合理控制驅(qū)動器來控制其執(zhí)行速度,控制其他2個電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動。根據(jù)專業(yè)人員研究發(fā)現(xiàn),從靜止?fàn)顟B(tài)到勻速驅(qū)動狀態(tài)一般需要經(jīng)過2 s,當(dāng)平臺運(yùn)動靠近上升位置時,要緩慢降低運(yùn)行速度,一直將其速度降低為0時,才能控制系統(tǒng)進(jìn)行上升下降運(yùn)動。同時,在升降過程中,工作人員要操作驅(qū)動器,來控制各種類型電機(jī)進(jìn)行日常工作,一旦其中某個電機(jī)驅(qū)動出現(xiàn)故障,驅(qū)動器會自動關(guān)閉電機(jī)輸出;在出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)、失速等安全故障時,工作人員要手動關(guān)閉輸出開關(guān),并將各方面數(shù)據(jù)上傳到指定部門;當(dāng)拉繩式編碼器檢測到2組剪刀叉高度差值高于10 mm時,可評價系統(tǒng)升降機(jī)產(chǎn)生同步故障,要立刻關(guān)閉輸出,并將故障數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)中,系統(tǒng)會自動找到故障的準(zhǔn)確位置信息,上位機(jī)會自動發(fā)送指令,主控板保證驅(qū)動器能正常運(yùn)行,并將縱傾角控制在合理范圍內(nèi),而當(dāng)縱傾角下降到2°時,會走進(jìn)低速調(diào)控狀態(tài),直到其下降到0°時,整個調(diào)平工作全部完成(圖6)。復(fù)位控制策略是采用主控板來接受復(fù)位指令,從而掌握2組剪刀叉運(yùn)行數(shù)據(jù),以此為基礎(chǔ)來控制位置較高剪刀叉進(jìn)行下降活動,直到2組剪刀叉下降到相同高度時,再控制平臺同步上升到指定位置,且進(jìn)行上報復(fù)位工作。在正常情況下,復(fù)位控制通常應(yīng)用在手動操作后,來實(shí)現(xiàn)剪刀叉自動控制的校準(zhǔn)工作,如任意位置調(diào)試、單步調(diào)平復(fù)位[8]。

        圖6 無人機(jī)升降

        3 結(jié)束語

        綜上所述,通過將剪叉式升降調(diào)平設(shè)備應(yīng)用車載無人機(jī)起降平臺中,能科學(xué)控制車輛在縱坡的傾角,保證其靜態(tài)升降工作順利進(jìn)行,從而滿足車載無人機(jī)動態(tài)起降要求。另外,工作人員可在2組剪刀叉機(jī)構(gòu)和機(jī)電驅(qū)動位置設(shè)置獨(dú)立升降系統(tǒng)、傾斜平臺結(jié)構(gòu),來實(shí)時控制升降平臺日常運(yùn)行軌跡,對提高剪刀叉升降機(jī)構(gòu)運(yùn)行效率具有重要作用。因此,本文側(cè)重于研究剪叉式升降調(diào)平裝置,通過控制整車系統(tǒng)集成性能和空間,來提高系統(tǒng)可靠度。

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