CN113753235B - 一种绳系末端机动自主对接***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种绳系末端机动自主对接***及方法,属于直升机吊装领域;包括主动对接***和被动对接***,主动对接***包括运输用直升机、系绳收放机构和系绳13、无人机和末端自主对接机构;系绳上端通过系绳收放机构与直升机下方连接,下端固定有无人机,无人机的底部固定有末端自主对接机构;被动对接***包括固定于目标物体上方的对接部件,与末端自主对接机构配合实现对接工作;末端自主对接机构包括电机、联轴器、丝杠、结构件、滑块、视觉相机和外壳;通过电机驱动丝杠,并带动滑块向外壳外滑出后扩张,与对接部件锁紧完成对接。本发明的对接机构能够适应与之对接的目标物体上的对接部件之间的位姿偏差,实现对接锁基本对准对接接口后柔性对接。
Description
技术领域
本发明属于直升机吊装领域,具体涉及一种绳系末端机动自主对接***及方法。
背景技术
自主对接机构(亦称对接***)可以实现空中直升机系绳末端与“地面”目标物体之间的结构连接并保持连接使其成为一个整体,最终还能实现对接机构和目标物体之间的正常分离或紧急分离。所述目标物体是实际情境中需要运输的物资等,对接***可广泛应用于航母舰群之间或是复杂地形的无障碍运输,利用没有地形限制的运输直升机,能完成灵活的垂直补给、特种作战,战场救援等多种任务。
要对接的***包括末端自主对接机构和目标物体,自主对接机构接近目标物体实现对接。传统方法大多是人工对接,例如,海鹰直升机的挂钩属于末端对接机构,接近处在“地面”上的弹药补给箱为目标物体,在“地面”工作人员指引下,携带挂钩接近目标物体上的吊杆,最后通过人工利用吊杆对接挂钩的方式,实现物体与直升的对接、保持,并依靠机上人员的操作进行分离。对接物体环节是可靠性最低,实施最危险的部分。高强度的飞行,对直升机机组人员是极大的考验。吊运的目标物体可能存在***危险,而且体积小、重量大,对飞行技术是很大的考验。在强力的直升机螺旋桨滑流下,单个地面工作人员很难精准对接挂钩,需要额外的工作人员辅助调节对准,整个对接过程耗时长,人力成本较高。
发明内容
要解决的技术问题:
克服现有技术的不足,消除飞行员驾驶危险性和人工辅助对准过程,降低对接失败率和人力成本,提出一种绳系末端机动自主对接***,包括直升机、系绳、系绳收放机构、末端无人机、图像识别***和一套自动对接机构,该自主对接***提供对目标物体的自主相对距离修正、对接、保持以及分离的功能,所述自主对接***被配置为,当直升机通过系绳末端对接***接近至对接***的工作范围内时,接下来的一系列对接任务由对接***自主地完成。采用基于可图像识别的无人机靠近目标物体的方式,快速准确、安全有效地实现对目标物体自主对接。
本发明的技术方案是:一种绳系末端机动自主对接***,其特征在于:包括主动对接***1和被动对接***2,主动对接***1包括运输用直升机11、系绳收放机构12和系绳13、无人机14和末端自主对接机构15;系绳13上端通过系绳收放机构12与直升机11下方连接,下端固定有无人机14,无人机14的底部固定有末端自主对接机构15;被动对接***2包括固定于目标物体22上方的对接部件21,与末端自主对接机构15配合实现对接工作;
所述末端自主对接机构15包括电机151、联轴器152、丝杠153、结构件154、滑块155、视觉相机156和外壳157,外壳157顶端固定于无人机14底面中部,其内从上到下依次同轴安装有电机151、联轴器152、丝杠153、结构件154、滑块155、视觉相机156;丝杠153顶端通过联轴器152与电机151的输出轴连接,底端通过外螺纹与结构件154中心孔的内螺纹配合安装;结构件154为平板结构,多个滑块155沿周向铰接于结构件154的下端面;通过电机151驱动丝杠153旋转,同时由结构件154带动滑块155沿丝杠153的轴向位移;多个滑块155在外壳157内成聚拢结构,向下移动至外壳157外时,成向外扩张的结构;视觉相机156用于对接目标物体的跟踪定位;
所述对接部件21包括对接部件锁紧装置211和连接部件212,对接部件锁紧装置211通过连接部件212固定于目标物体22的顶部;对接部件锁紧装置211是底部为平面的碗装结构,其周壁从上到下成收敛结构,其底面沿周向开有多个通孔,分别与多个滑块155一一对应;由无人机14的飞行控制***将末端自主对接机构15与被动对接***2调整相对后,启动电机151,由丝杠153驱动结构件154、多个滑块155向下移动,直到滑块155穿过对接部件锁紧装置211的各对应通孔后,向外扩张实现锁紧。
本发明的进一步技术方案是:所述系绳收放机构12为绞车式收放牵引结构,用于控制系绳13的收放,从而调节无人机14和末端自主对接机构15的高度位置。
本发明的进一步技术方案是:所述外壳157为中空的柱状框架式结构。
本发明的进一步技术方案是:所述滑块155的截面为近直角三角形或钝角三角形结构,各角均为圆弧结构,其中一个底角与结构件154铰接。
本发明的进一步技术方案是:所述外壳内同轴安装有收纳仓;收纳仓为两端开口的圆筒结构,其下端沿周向开有多个轴向通槽,轴向通槽与滑块155的位置和数量一一对应,滑块155的上顶角与轴向通槽槽顶铰接;所述收纳仓的上端作为滑块155的聚拢空间,滑块155向下移动至轴向通槽时,绕与轴向通槽槽顶的铰接轴旋转至向外扩张状态。
本发明的进一步技术方案是:所述滑块155和结构件154的铰接处安装有扭簧,使得滑块155伸出外壳157后,在扭簧恢复力的作用下向外弹出。
本发明的进一步技术方案是:所述结构件154为圆板结构,其外周面上沿周向均布多个凹口,多个滑块155一一对应铰接于凹口处。
本发明的进一步技术方案是:所述滑块155和对接部件锁紧装置211通孔的数量均为3个,且沿周向均布。
一种绳系末端机动自主对接***进行目标物体对接的方法,其特征在于具体步骤如下:
步骤一:主动对接***1向固定的被动对接***2靠近,直到主动对接***1与被动对接***2的距离缩短至视觉相机156自身图像识别范围内;
步骤二:通过系绳收放机构12伸长系绳13,同时下放无人机14;首先无人机14根据视觉相机156对被动对接部件21进行定位,然后无人机14通过飞行控制***调整和被动对接部件21的相对位置后,无人机14平稳下降,末端自主对接机构15与对接部件21同轴相对;
步骤三:启动电机151,控制丝杠153旋转,进而带动驱动结构件154、多个滑块155向下移动,直到各滑块155穿过对接部件锁紧装置211的各对应通孔后,向外扩张实现锁紧,完成锁紧后关闭电机151;
步骤四:通过步骤三将末端自主对接机构15和对接部件21锁紧后,系绳收放机构12收回系绳13,同时将无人机14、末端自主对接机构15和被动对接***2拉起,完成对接。
一种绳系末端机动自主对接***进行目标物体分离的方法,其特征在于具体步骤如下:
步骤一:启动电机151,控制丝杠153反向旋转,进而带动驱动结构件154、多个滑块155向上移动,直到各滑块155与对接部件锁紧装置211的各通孔脱离,由向外扩张状态转变为聚拢状态,完成脱离后关闭电机151;
步骤二:无人机14通过飞行控制***拉升,直到脱离对接部件21至安全距离;
步骤三:启动系绳收放机构12收回系绳13,进一步拉开主动对接***1和被动对接***2间之间的距离,完成分离任务;系绳13回到初始位置做好下一次对接准备。
有益效果
本发明的有益效果在于:
(1)本发明的对接机构依靠直升机机动,有足够的灵活性来接近中心位置,可适应与之对接的目标物体上的对接部件之间的位姿偏差,实现对接锁基本对准对接接口后柔性对接。
(2)本发明的自主对接***包括直升机、系绳、系绳收放机构、无人机、末端自主对接机构,与现有技术中的垂直吊运方法相比,利用系绳下放自主对接***,增大直升机与被对接物体的工作距离,有效地减小直升机螺旋桨滑流的干扰影响,保证对接过程的稳定性,相比传统对接方法,更加稳定可靠;;利用无人机和对接机构,在图像识别的帮助下,准确获取图像信息,实现末端自主对接,极大降低了对飞行驾驶员操作的要求,消除地面工作人员对准过程的危险性和不准确性,提高了对接精度和效率。
(3)本发明***在对接开始前,直升机通过系绳携带无人机和对接机构接近目标物体,在末端对接机构进入无人机可修正范围后下放系绳,使无人机和末端对接机构靠近目标物体,且允许在无人机、末端对接机构和目标物体之间存在一定的初始相对偏差的情况下,执行对接操作。对接装置在自身的运动范围内,具有精细调整相对对接中心位置的能力,具有校正对接接口恢复到中心位置的能力,适应多种对接目标的需求。
(4)本发明该主对接***提供对目标物体的自主相对距离修正、对接、保持以及分离的功能,所述自主对接***被配置为,当直升机通过系绳末端对接***接近至对接***的工作范围内时,接下来的一系列对接任务由对接***自主地完成。所需工作人员极少,大大降低了整个操作流程的危险性,并且提高了对接精准度和对接效率,可保证安全高效地完成任务。
(5)本发明的自主对接机构采用丝杠控制滑块的方式,具有运动平稳、传动效率高、精度高、同步性好、耐用性与可靠性高的优势,适应于末端自主对接的多种可能工作场景需求,与传统对接方式相比,极大减少了对接失败率。同时采用滑块实现锁紧操作可以节省对接机构空间,快速、平稳地实现对接时的缩紧与分离时的释放功能,保证可靠性。
附图说明
图1为本发明被动对接***和主动对接***示意图;
图2为本发明末端自主对接机构结构示意图;
图3为本发明被动对接部件外型与结构示意图;
图4为本发明主动——被动对接***自主对接流程图。
附图标记说明:1.主动对接***,11.运输用直升机,12.系绳收放机构,13.系绳,14.无人机,15.末端自主对接机构;151.电机,152.联轴器,153.丝杠,154.结构件,155.滑块,156.视觉相机,157.外壳;21.对接部件,22.目标物体,211.对接部件锁紧装置,212.连接部件。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
本发明提供一种绳系末端机动自主对接***,是比直升机目前使用的挂钩—人工吊杆对接方式更安全、高效的装置和对接***。一种基于图像识别的无人机,实现对目标物体的位置跟踪和修正,其主动末端自主对接机构一般安装于无人机底部,被动对接部件一般安装于目标物体,如补给弹药箱、物资给养以及其它运输货物等。
本发明一种绳系末端机动自主对接***,包括主动对接***1和被动对接***2,主动对接***1包括运输用直升机11、系绳收放机构12和系绳13、无人机14和末端自主对接机构15;系绳13上端通过系绳收放机构12与直升机11下方连接,下端固定有无人机14,无人机14的底部固定有末端自主对接机构15;被动对接***2包括固定于目标物体22上方的对接部件21,与末端自主对接机构15配合实现对接工作。
所述末端自主对接机构15包括电机151、联轴器152、丝杠153、结构件154、滑块155、视觉相机156和外壳157,外壳157顶端固定于无人机14底面中部,其内从上到下依次同轴安装有电机151、联轴器152、丝杠153、结构件154、滑块155、视觉相机156;外壳157为中空的柱状框架式结构,所述外壳内同轴安装有收纳仓;收纳仓为两端开口的圆筒结构,其下端沿周向开有多个轴向通槽,轴向通槽与滑块155的位置和数量一一对应,滑块155的上顶角与轴向通槽槽顶铰接;所述收纳仓的上端作为滑块155的聚拢空间,滑块155向下移动至轴向通槽时,绕与轴向通槽槽顶的铰接轴旋转至向外扩张状态。
丝杠153顶端通过联轴器152与电机151的输出轴连接,底端通过外螺纹与结构件154中心孔的内螺纹配合安装;结构件154为平板结构,多个滑块155沿周向铰接于结构件154的下端面;通过电机151驱动丝杠153旋转,同时由结构件154带动滑块155沿丝杠153的轴向位移;多个滑块155在外壳157内成聚拢结构,向下移动至外壳157外时,成向外扩张的结构;或者,所述滑块155和结构件154的铰接处安装有扭簧使得滑块155伸出外壳157后,在扭簧恢复力的作用下向外弹出。
视觉相机156用于对接目标物体的跟踪定位,固定设置在丝杠的底部,且视觉相机指向无人机底部垂直方向。
所述结构件154为圆板结构,其外周面上沿周向均布多个凹口,多个滑块155一一对应安装于凹口处。
所述滑块155的截面为近直角三角形或钝角三角形结构,各顶角均为圆弧结构,其中一个锐角与结构件154铰接。
所述滑块155和对接部件锁紧装置211通孔的数量均为3个,且沿周向均布。
所述对接部件21包括对接部件锁紧装置211和连接部件212,对接部件锁紧装置211通过连接部件212固定于目标物体22的顶部;对接部件锁紧装置211沿周向开有多个通孔,分别与多个滑块155一一对应;由无人机14的飞行控制***将末端自主对接机构15与被动对接***2调整相对后,启动电机151,由丝杠153驱动结构件154、多个滑块155向下移动,直到滑块155穿过对接部件锁紧装置211的各对应通孔后,向外扩张实现锁紧。
本实施例,以现有海上直升机系绳人工挂钩对接运输的对接高度10m为对接目标,被动目标物体轴向竖直放置。
如图1所示,主动对接***1包括运输用直升机11、系绳收放机构12、系绳13、无人机14、末端自主对接机构15;其中,直升机11携带其它部分靠近被动对接***2,待进入视觉相机156自身可识别被动对接***2的范围后,启动系绳收放机构下放无人机14和末端对接机构15;系绳收放机构12为绞车式收放牵引结构;系绳13设置在无人机14的顶部端面中部;末端自主对接机构15为轴向竖直放置的柱状结构,设置在无人机13的底部端面中部;被动对接***2由“地面”等待对接的目标物体22和固定安装于其上的对接部件21组成。通过系绳收放机构12伸长系绳13,使无人机14和末端对接机构15进入工作范围,视觉相机156通过图像识别,帮助无人机14调整、修正末端对接机构15与对接部件21相对位置,使二者对应;最终对结构件对接对应的对接部件21实现锁死,最终完成自主对接。
在主动对接***中1,所述无人机14设计为负上弯角机臂,提供较大横向控制力,以尽量抵消工作环境下的强风干扰。
如图2所示,末端自主对接机构15包括电机151、联轴器152、丝杠153、结构件154、滑块155、视觉相机156和外壳157;其中,电机151固定安装在末端自主对接机构15的轴向顶端下表面;联轴器152设置在电机151的底端;丝杠153的轴向顶端与联轴器152的连接,以此实现电机151驱动下的旋转;结构件154的中心由丝杠153穿过;3个滑块155设置在结构件154凹口处;旋转的丝杠153通过结构件154带动3个滑块155绕丝杠轴垂直方向旋转,伸出收纳仓;视觉相机156固定设置在末端对接机构15的底部空间处,且视觉相机156指向被对接***21,实现对对接部件21的跟踪定位;所有部件组合安装于外壳157内。
直升机通过系绳携带无人机和末端自主对接机构向被动对接***靠近,当主动对接***于被动对接***的距离缩短至视觉相机设定的水平2m×2m工作范围时,系绳收放机构以0.15m/s的速度伸长系绳,工作时间最长为30s,使末端自主对接***进入工作范围;根据视觉相机对视觉合作目标的跟踪定位,上位机根据摄像头的反馈信息,无人机根据控制律快速进行相对位置修正。
采用一个正定二次型李雅普诺夫函数:
其中,ρ、θ分别代表了距离误差和角度误差。
其中ρ、α、θ都是摄像头能实时获得的位姿数据。
使ρ=2m,α=20°,θ=5°,根据控制律可取K1=0.16,K2=0.05,可得
v=0.15m/s,ω=1.25°/s,同时保证线速度与系绳收放机构放绳速度一致,此时末端对接机构精确对接时间为t=13.33s,对接过程耗时短,准确性高,无需人工挂钩对准,提高了对接有效性和安全性。
对接***的工作过程为:
主动对接***1向固定在“地面”的被动对接***2靠近,当主动对接***1与被动对接***2的距离缩短至视觉相机156自身图像识别范围时,系绳收放机构12伸长系绳13下放无人机14,无人机14根据视觉相机156对被动对接部件21进行精细定位,由设计好的无人机飞行控制***调整和被动对接部件21的相对位置后,无人机14平稳下降使末端对接机构15穿过对接部件21中心,如图3所示;当末端自主对接机构的滑块155接近至对接部件21水平底部位置时,通过电机151、联轴器152、丝杠153、结构件154和滑块155的旋转配合,实现滑块155与对接部件锁紧装置211的对接,锁紧装置211在对接部件21中的位置如图3(b)所示。图3(b)中的连接部件212紧密安装在被对接目标物体22顶部端面,当滑块155与锁紧装置211实现锁死后,系绳收放机构12收缩系绳13,拉起无人机14、末端自主对接机构15和被动对接***2,实现对接。
当需要将主动对接***1与被动对接***2分离时,通过电机151、联轴器152、丝杠153、结构件154和滑块155的反向旋转配合,实现滑块155与对接部件锁紧装置211的分离;由末端自主对接机构15收紧滑块155进收纳仓,无人机14利用控制***拉升,安全脱离对接部件21至安全距离,随后系绳收放机构12启动进一步拉开主动——被动对接***间的距离,完成分离任务。系绳13回到合适位置做好下一次对接准备。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种绳系末端机动自主对接***,其特征在于:包括主动对接***(1)和被动对接***(2),主动对接***(1)包括运输用直升机(11)、系绳收放机构(12)和系绳(13)、无人机(14)和末端自主对接机构(15);系绳(13)上端通过系绳收放机构(12)与直升机(11)下方连接,下端固定有无人机(14),无人机(14)的底部固定有末端自主对接机构(15);被动对接***(2)包括固定于目标物体(22)上方的对接部件(21),与末端自主对接机构(15)配合实现对接工作;
所述末端自主对接机构(15)包括电机(151)、联轴器(152)、丝杠(153)、结构件(154)、滑块(155)、视觉相机(156)和外壳(157),外壳(157)顶端固定于无人机(14)底面中部,其内从上到下依次同轴安装有电机(151)、联轴器(152)、丝杠(153)、结构件(154)、滑块(155)、视觉相机(156);丝杠(153)顶端通过联轴器(152)与电机(151)的输出轴连接,底端通过外螺纹与结构件(154)中心孔的内螺纹配合安装;结构件(154)为平板结构,多个滑块(155)沿周向铰接于结构件(154)的下端面;通过电机(151)驱动丝杠(153)旋转,同时由结构件(154)带动滑块(155)沿丝杠(153)的轴向位移;多个滑块(155)在外壳(157)内成聚拢结构,向下移动至外壳(157)外时,成向外扩张的结构;视觉相机(156)用于对接目标物体的跟踪定位;
所述对接部件(21)包括对接部件锁紧装置(211)和连接部件(212),对接部件锁紧装置(211)通过连接部件(212)固定于目标物体(22)的顶部;对接部件锁紧装置(211)是底部为平面的碗装结构,其周壁从上到下成收敛结构,其底面沿周向开有多个通孔,分别与多个滑块(155)一一对应;由无人机(14)的飞行控制***将末端自主对接机构(15)与被动对接***(2)调整相对后,启动电机(151),由丝杠(153)驱动结构件(154)、多个滑块(155)向下移动,直到滑块(155)穿过对接部件锁紧装置(211)的各对应通孔后,向外扩张实现锁紧。
2.根据权利要求1所述绳系末端机动自主对接***,其特征在于:所述系绳收放机构(12)为绞车式收放牵引结构,用于控制系绳(13)的收放,从而调节无人机(14)和末端自主对接机构(15)的高度位置。
3.根据权利要求1所述绳系末端机动自主对接***,其特征在于:所述外壳(157)为中空的柱状框架式结构。
4.根据权利要求1所述绳系末端机动自主对接***,其特征在于:所述滑块(155)的截面为近直角三角形或钝角三角形结构,各角均为圆弧结构,其中一个底角与结构件(154)铰接。
5.根据权利要求4所述绳系末端机动自主对接***,其特征在于:所述外壳内同轴安装有收纳仓;收纳仓为两端开口的圆筒结构,其下端沿周向开有多个轴向通槽,轴向通槽与滑块(155)的位置和数量一一对应,滑块(155)的上顶角与轴向通槽槽顶铰接;所述收纳仓的上端作为滑块(155)的聚拢空间,滑块(155)向下移动至轴向通槽时,绕与轴向通槽槽顶的铰接轴旋转至向外扩张状态。
6.根据权利要求4所述绳系末端机动自主对接***,其特征在于:所述滑块(155)和结构件(154)的铰接处安装有扭簧,使得滑块(155)伸出外壳(157)后,在扭簧恢复力的作用下向外弹出。
7.根据权利要求1所述绳系末端机动自主对接***,其特征在于:所述结构件(154)为圆板结构,其外周面上沿周向均布多个凹口,多个滑块(155)一一对应铰接于凹口处。
8.根据权利要求1所述绳系末端机动自主对接***,其特征在于:所述滑块(155)和对接部件锁紧装置(211)通孔的数量均为3个,且沿周向均布。
9.一种权利要求1所述绳系末端机动自主对接***进行目标物体对接的方法,其特征在于具体步骤如下:
步骤一:主动对接***(1)向固定的被动对接***(2)靠近,直到主动对接***(1)与被动对接***(2)的距离缩短至视觉相机(156)自身图像识别范围内;
步骤二:通过系绳收放机构(12)伸长系绳(13),同时下放无人机(14);首先无人机(14)根据视觉相机(156)对被动对接部件(21)进行定位,然后无人机(14)通过飞行控制***调整和被动对接部件(21)的相对位置后,无人机(14)平稳下降,末端自主对接机构(15)与对接部件(21)同轴相对;
步骤三:启动电机(151),控制丝杠(153)旋转,进而带动驱动结构件(154)、多个滑块(155)向下移动,直到各滑块(155)穿过对接部件锁紧装置(211)的各对应通孔后,向外扩张实现锁紧,完成锁紧后关闭电机(151);
步骤四:通过步骤三将末端自主对接机构(15)和对接部件(21)锁紧后,系绳收放机构(12)收回系绳(13),同时将无人机(14)、末端自主对接机构(15)和被动对接***(2)拉起,完成对接。
10.一种权利要求1所述绳系末端机动自主对接***进行目标物体分离的方法,其特征在于具体步骤如下:
步骤一:启动电机(151),控制丝杠(153)反向旋转,进而带动驱动结构件(154)、多个滑块(155)向上移动,直到各滑块(155)与对接部件锁紧装置(211)的各通孔脱离,由向外扩张状态转变为聚拢状态,完成脱离后关闭电机(151);
步骤二:无人机(14)通过飞行控制***拉升,直到脱离对接部件(21)至安全距离;
步骤三:启动系绳收放机构(12)收回系绳(13),进一步拉开主动对接***(1)和被动对接***(2)间之间的距离,完成分离任务;系绳(13)回到初始位置做好下一次对接准备。
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