一种用于旋翼无人机降落后位姿调整的装置与方法

本发明属于无人机平台，具体涉及一种旋翼无人机位姿调整装置。

背景技术：

1、旋翼无人机是利用无线电遥感技术与程序控制装置操控的不载人飞机。与固定翼无人机相比，旋翼无人机由于可以垂直起降、灵活性高等原因被广泛用于近距离运输、侦察等场景。目前高续航无人机主要采用油电混动的驱动形式，借助汽油发电给无人机电池充电以达到纯电无人机无法满足的续航要求。为了进一步加快无人机的补能速度，提出在无人机油、电消耗完后对无人机进行快速的能源补给，在此过程中需要给无人机进行加油和换电。无人机加油和换电的整个过程皆在无人保障车车厢内进行，所有过程皆为无人操纵。在补能前无人机首先需要降落在无人保障车的降落平台上，此时无人机降落平台已经位于接收无人机的理想位置，而无人机操纵的随机性会导致降落后位姿具有多样性，多数位姿是无法满足要求的，无人机需要达到某一精确或者相对精确的位姿后才能将其缩进车厢，以防止释放/回收平台下降过程中机身与车厢发生碰撞。同时保证在加油和换电之前无人机的油箱口和电池接口相对于无人保障车达到一个理想的位置是顺利完成补能操作的重要前提。

2、目前的位姿调整装置主要应用于小型旋翼无人机，这些无人机一般用于测绘、拍摄等小负载场景，其主要特点为机身轻，姿态控制比较容易，即便如此，其降落后的位姿仍无法满足要求，也需要通过调姿平台进行调整。对于大型旋翼无人机，大机身、大重量等特点使其在位姿控制过程中具有更大的挑战，即便可以应用高精度定位和精准的姿态控制，但往往技术难度非常大，鲁棒性比较差，不利于复杂情况下的应用。

技术实现思路

1、鉴于以上的技术背景，本发明的主要目标是对旋翼无人机降落后的位姿进行调整以满足后续的补能要求。为此，本发明提出一种分离式可升降的xyzrz位姿调整装置，下称位姿调整装置。该位姿调整装置的调姿过程主要由两个相同的执行平台完成，执行平台可以分别实现沿x轴、y轴、z轴移动和绕z轴转动的四个自由度，两执行平台可协同运行以满足调姿要求，同时执行平台可缩进升降平台内部以提升无人机的降落空间。调姿完成后可将无人机缩进车厢以完成后续补能操作。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种用于旋翼无人机降落后位姿调整的装置，所述的装置包括释放/回收平台1和位姿调整平台2两部分。所述的释放/回收平台1能够将无人机缩进车厢或将无人机举起以满足无人机的补能或发射要求。所述的位姿调整平台2根据工作状态不同分别可位于释放/回收平台1的顶部、内部，其作用是对降落后的无人机进行位置和姿态的调整，在防止无人机缩进车厢过程中不与车厢发生碰撞的同时也可满足无人机的自动补能的精度要求。具体如下：

4、所述的释放/回收平台包括两部分，分别是无人机降落平台11和剪叉举升机构12。具体的：

5、所述无人机降落平台11为一长方体降落台，无人降落平台11上搭载位姿识别传感器用于识别无人机位姿，降落台存在两个对称面，分别为对称面a和对称面b，为方便下文描述，现定义长方体降落台宽和高组成的两个面是关于对称面a对称，长和高组成的两个面是关于对称面b对称。无人机降落平台的面积应足够大以满足无人机的降落要求以及位姿调整平台的工作空间要求，其整体尺寸稍小于车厢尺寸以保证能安全缩进车厢。无人机降落平台的顶部开有两个相同的矩形槽111，两个矩形槽111关于对称面b对称且中间存在一定距离，每个均矩形槽111沿对称面a法线方向贯穿整个平台。两个矩形槽111内部安装两条相同且平行的“t”形滑轨112，滑轨112上表面与无人机降落平台11上表面位于同一平面上，以配合位姿调整平台2工作。无人机降落平台11上有两个相同的垂直于平台上表面的矩形孔113，矩形孔113贯穿整个无人机降落平台11，其作用是使两个执行平台21可以缩进无人机降落平台11下。矩形孔113的长边略大于两条“t”形滑轨112之间的距离，同时将与“t”形滑轨112重合部分的滑轨切掉。两个矩形孔113关于对称面a对称，单个矩形孔113关于对称面b对称，两个矩形孔113之间的空间为无人机降落的主要空间，故要保证其距离要大于无人机长度。

6、所述的剪叉举升机构12由两组结构相同的剪叉机构并联而成，两组剪叉机构的中间预留一定空间以保证后续的执行平台可缩进预留空间内。剪叉机构均由矩形管制成，两矩形管中间由铰链连接形成“x”形悬架，多组“x”形悬架串联形成一组剪叉机构。剪叉机构的底部可与车厢底部的铰链和滑轨连接，顶部可与无人机降落平台底面的铰链和滑轨连接，两组剪叉机构通过位于其中间的驱动缸驱动其上升和下降。剪叉举升机构下降至最底部时，无人机降落平台11缩进车厢，此时可对无人机进行能源补给。剪叉举升机构12上升至最顶部时，无人机被送至车厢外侧，此时无人机处于发射位置。

7、所述的位姿调整平台2由两个执行平台21组成，在结构方面两个执行平台21完全相同，其主要差异在于后续的控制策略上。所述执行平台21主要由底座211、平台升降机构212、移动滑台213、驱动缸底座214、驱动缸a215，驱动缸b216、夹紧平台217七部分组成。下面将在空间上自下而上的依次进行介绍。具体的：

8、所述底座211位于两组并联的剪叉机构中间部分，其大致结构为一长方体切割而成的“凸”字形结构。“凸”字形结构的长度方向为对称面b的法线方向，“凸”字形上部突出部分的宽度和长度分别略小于无人机降落平台11上的矩形孔113的短边和长边，其目的在于使底座211上部与矩形孔113相互配合以实现执行平台21的升降。“凸”字形上部突出部分的高度占整个形状的一半以上，以确保执行平台21可以升至理想位置。“凸”字形底部两侧分别装有相同的平台升降机构212，平台升降机构212为一组“x”形悬架组成的剪叉机构。平台升降机构212的一端可与无人机降落平台11底面的铰链和滑轨连接，另一端可与“凸”字形底部两侧的铰链和滑轨连接，可驱动平台升降机构212来实现执行平台21的升降。“凸”字形顶部开有两条平行的贯穿于对称面a法线方向的矩形槽2173，槽内分别装有“t”形滑轨2212，矩形槽2173和滑轨的方向、截面尺寸与无人机降落平台11的矩形槽111和滑轨相同，底座“t”形滑轨上表面与底座上表面位于同一平面上，当底座211被提升至工作位置后，底座“t”形滑轨2212将填补无人机降落平台11上被矩形孔切掉的滑轨部分，二者相互配合以完成位姿调整平台工作。

9、所述移动滑台213为长方体结构，其长度方向与底座211的长度方向相同，移动滑台213的底部存在两条矩形凸起2131，两条凸起关于对称面b对称。凸起的长度方向与对称面a的法线方向相同，凸起内部各存在一条贯穿对称面a法线方向的“t”形槽2132，该“t”形槽2132刚好可以与底座“t”形滑轨2212相配合。移动滑台213顶部存在两条凸出的“t”形滑轨2133，滑轨2133贯穿于对称面b法线方向。执行平台21处于工作位置时，移动滑台213可从底座滑轨上移动到无人机降落平台11的滑轨上以扩大执行平台21的移动范围。

10、所述驱动缸底座214为两个矩形块自下而上堆叠而成，位于下方的矩形块具有更大尺寸以保证结构的稳定性，两矩形块内部为驱动缸a215、驱动缸b216和夹紧平台217的驱动和传动机构提供安装空间。驱动缸底座214底部开有两条平行的“t”形槽，“t”形槽沿对称面b法线方向贯穿整个矩形块。“t”形槽可与移动滑台顶部“t”形滑轨配合以实现移动功能。驱动缸底座214上表面开有圆孔，圆孔可与驱动缸a215配合以实现驱动缸的伸缩功能。驱动缸a215和驱动缸b216为空心圆柱结构，驱动缸b216的外表面可与驱动缸a215的内表面相互配合实现升降功能。

11、所述夹紧平台217下半部分为驱动缸c2171，驱动缸c2171也为空心圆柱结构，其外表面与驱动缸b216内表面相互配合以实现升降和旋转功能。夹紧平台217上半部分为夹持机构，其整体外形为矩形板结构，矩形板底面与驱动缸c2171顶面刚性连接。所述夹持机构由两个相同的夹板2172、两个相同的移动滑板2174和一个连接板2175组成，各板子皆为矩形板。为方便描述，定义各矩形板面积最大的面称为b面，面积最小的面称为l面，面积适中的面称为m面。夹板2172的两个l面上分别装有铰链轴，铰链轴可与孔配合使夹板2172旋转。移动滑板2174的厚度要大于夹板2172的厚度，其表面开有夹板2172大小的矩形槽2173，矩形槽2173的深度与夹板2172的厚度相同，矩形槽2173某相对的两个面上分别开有与夹板铰链轴相配合的孔，孔的轴向与移动滑板2174的m面的法线方向相同。为了保证夹板2172可在矩形槽2173中旋转，夹板铰链轴应靠近该l面的端部，同时端部棱角应作合适的倒角以保证夹板旋转时不与移动滑板2174发生干涉。移动滑板2174的一个l面上有一矩形凸起，该矩形凸起可与位于连接板2175l面上的矩形孔配合使移动滑板2174向其l面的法线方向移动。连接板2175的两个l面的矩形孔分别与两个夹板2172l面上的凸起配合以实现夹板2172的夹紧功能。由于夹板2172具有旋转功能，在非夹紧状态时可将夹板2172旋于移动滑板2174的矩形槽2173内以保证夹紧平台217上表面的平整度。在执行平台21被降至两组剪叉机构的预留空间中时，夹持机构的矩形板可将无人机降落平台11的矩形孔填补，从而保证了无人机降落平台11的平整度。

12、综上所述，与本装置相对应用的旋翼无人机的姿态调整方法，包括以下步骤：

13、1)无人机未降落时，位姿调整平台2位于车厢内部，无人降落平台11位于整个工作过程的最低位置，夹紧平台217的矩形板位于无人机降落平台的矩形孔内，底座两侧的平台升降机构处于伸长状态。无人机发送降落命令后，无人机降落平台11在剪叉举升机构12的作用下升至与车厢顶部平齐位置，此时车厢顶部已被打开。

14、2)无人机降落后，位于无人降落平台11上的位姿识别传感器识别无人机位姿，位姿信息经计算机计算可获得位姿调整的动作序列，执行机构21得到命令后驱动执行平台进行位姿调整。

15、具体地：两个执行平台21在平台升降机构212的作用下升至无人机降落平台11上面，此时底座滑轨2212与无人机降落平台滑轨112处于同一高度，两个移动滑台213可沿对称面a的法线方向移动，与此同时驱动缸底座214也可沿对称面b的法线方向移动。进一步，驱动缸a215、驱动缸b216以及驱动缸c2171可实现沿无人机降落平台的法线方向的伸缩功能，具体表现与多节液压缸原理相同。进一步地，驱动缸c2171除了可实现伸缩功能外，其还可以绕圆柱轴线进行旋转。到目前为止，执行平台已经完成了xyzrz四个自由度的运动。进一步地，夹持机构可将无人机夹紧，在z方向将无人机抬起，通过两个执行平台21的协同控制实现无人机的位姿调整。

16、值得注意的是，两个执行平台21的执行动作并非相同，主要原因在于两个夹持机构将无人机夹紧后二者处于刚性连接状态，相同的执行动作会施加给无人机很大的弯矩导致无人机或夹持机构发生破坏。

17、具体地：在调姿过程中，两个执行平台21可采用多自由度主被动时变控制模式，即选用其中一个执行平台作为主动牵引控制，另一个执行平台作为被动跟随控制。在控制过程中以主动执行平台为导向，通过改变主被动执行平台的某些自由度而达到柔性调姿的作用。例如，当无人机处于某一位姿时，此时主动执行平台将无人机牵引至该平台所在的目标位置，在此过程中主动执行平台的rz旋转自由度全程被释放，被动牵引平台y方向和rz旋转自由度被释放，在x方向将执行平台驱动到x轴的目标位置后，y方向可被牵引至y轴目标位置。

18、3)调姿完成后，两个执行平台21在平台升降机构的所用下缩回到剪叉举升机构12的预留空间内，同时夹持机构的矩形板也缩回至无人机降落平台11的矩形孔中，无人机在剪叉举升机构12的作用下下降至车厢底部以等待后续操作。

19、本发明采用的技术方案能达到以下有益效果：

20、(1)本发明所提出的位姿调整装置除了可用于小型无人机的位姿调整，对于大型无人机位姿调整具有更好的效果。

21、(2)本发明提出的多自由度主被动时变控制模式可有效降低在调姿过程中对无人机的损害，增大了设备和无人机的使用寿命。

22、(3)本发明提出的执行平台在调姿过程中可将无人机抬起，可降低无人机和降落平台的磨损。

23、(4)相比于无人机空中实时位姿调整，本发明大大降低了无人机降落的位置精度和操纵要求，不依赖高精度定位导航即可实现无人机的位姿调整。