1.本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置。


背景技术：

2.目前系留无人机系统是基于多旋翼无人机为载体，通过线缆收放装置上的系留光电复合缆(简称：系留缆)对无人机进行不间断供电及测控，以达到长时间留空飞行作业的无人机系统。
3.当前系留无人机系统系中留缆常见的使用收放方式普遍存在使用不方便，线缆易磨损弯折漏电使用寿命短，与人体安全隔离度不足，收纳效率低下的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置，旨在解决现有技术中的系留无人机系统系中留缆收敛方式存在使用不方便，线缆易磨损弯折漏电，使用寿命短，与人体安全隔离度不足，收纳效率低下的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明采用的一种用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置，包括系留缆盘、驱动系统和传动机构，所述系留缆盘包括两个侧板、固定轴、两个转盘和多根条幅，两个所述侧板对称设置，其中一个所述侧板的一侧转动连接所述固定轴的一端，且所述固定轴贯穿所述侧板，所述固定轴的另一端与其中一个所述转盘固定连接，另一个所述侧板与另一个所述转盘转动连接，多根所述条幅的两端均与两个所述转盘固定连接，并位于两个所述转盘之间，且多根所述条幅沿所述转盘的轴向中心线呈圆周分布，多根所述条幅供系留缆缠绕，所述驱动系统用于驱动所述传动机构，所述传动机构带动所述固定轴转动。
6.其中，所述驱动系统包括支架、驱动电机和扭矩输出控制机构，所述支架固定安装在两个所述侧板之间，所述驱动电机与所述支架固定连接，所述驱动电机的输出端与所述扭矩输出控制机构的输入端连接。
7.其中，所述传动机构包括皮带轮、第一同步皮带、第一同步轮、第二同步轮、第二同步皮带和第三同步轮，所述皮带轮与所述扭矩输出控制机构的输出端连接，所述第一同步轮与所述固定轴固定连接，并套设在所述固定轴的外部，所述第一同步轮和所述皮带轮之间通过所述第一同步皮带传动连接，所述第二同步轮与所述固定轴固定连接，并套设在所述固定轴的外部，且位于所述第一同步轮的一侧，所述第二同步轮通过所述第二同步皮带与所述第三同步轮传动连接。
8.其中，所述用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置还包括自动排线机构，所述自动排线机构包括往复丝杠、导向滑套和牵引杆，所述往复丝杠的一端与其中一个所述侧板转动连接，所述往复丝杠的另一端与所述第三同步轮固定连接，且所述第三同步轮与另一个所述侧板转动连接，所述牵引杆的两端与两个所述侧板固定连接，且所述牵引杆
与所述往复丝杠平行设置，所述导向滑套与所述往复丝杠适配，且所述导向滑套与所述牵引杆滑动连接。
9.其中，所述用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置还包括抱闸机构，所述抱闸机构，所述抱闸机构与所述固定轴固定连接，并位于所述固定轴远离所述转盘的一侧。
10.其中，所述用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置还包括用于引入多路光纤和直流高压的接线盒，用于将多路光纤和直流高压汇流至腔体的光电复合滑环，所述腔体由多根所述条幅围合而成。
11.其中，所述用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置还包括散热系统，所述散热系统由散热主体和所述接线盒上的风扇组合而成，所述散热主体由所述腔体的透气结构以及所述侧板的进气道形成，所述风扇向所述散热主体提供外界空气。
12.本发明的一种用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置，通过所述驱动系统动作，带动所述传动机构进行动作，继而带动所述固定轴进行旋转，以此带动所述转盘旋转，实现收放系留缆，利用电机代替人力对该收放装置的系留缆盘进行驱动，避免了系统运转时人员肢体接触线缆，可实现人员与高压输电有效隔离，有效保障人员操作安全。另外通过特有的联动控制方法，由无人机飞控或综合控制器对收放装置驱动电机进行实时控制，使收放装置可以在系留无人机下降或改变高度过程中及时且完全自主启动系留缆盘收纳系留缆，使系留缆可及时收纳至缆盘且不会存在系留缆坠地或打结，操作步骤较大程度简化，使用效率提升明显，使用更加方便，另外能够避免线缆磨损弯折漏电，提升使用寿命。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1是本发明的用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置的结构示意图。
15.图2是本发明的用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置的侧视图。
16.图3是本发明的图2的a-a线结构剖视图。
17.图4是本发明的图3的d处局部结构放大图。
18.图5是本发明的用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置的主视图。
19.图6是本发明的图3的e处局部结构放大图。
20.图7是本发明的图1的b处局部结构放大图。
21.图8是本发明的图1的c处局部结构放大图。
22.1-系留缆盘、2-驱动系统、3-传动机构、4-侧板、5-固定轴、6-转盘、7-条幅、8-支架、9-驱动电机、10-扭矩输出控制机构、11-皮带轮、12-第一同步皮带、13-第一同步轮、14-第二同步轮、15-第二同步皮带、16-第三同步轮、17-自动排线机构、18-往复丝杠、19-导向滑套、20-牵引杆、21-抱闸机构、22-接线盒、23-光电复合滑环、24-腔体、25-散热系统、26-凹槽、27-滑套本体、28-上辅助轮、29-下辅助轮、30-手摇机构、31-中心轴、32-连接盘、33-手摇杆。
具体实施方式
23.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
24.请参阅图1至图8，本发明提供了一种用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置，包括系留缆盘1、驱动系统2和传动机构3，所述系留缆盘1包括两个侧板4、固定轴5、两个转盘6和多根条幅7，两个所述侧板4对称设置，其中一个所述侧板4的一侧转动连接所述固定轴5的一端，且所述固定轴5贯穿所述侧板4，所述固定轴5的另一端与其中一个所述转盘6固定连接，另一个所述侧板4与另一个所述转盘6转动连接，多根所述条幅7的两端均与两个所述转盘6固定连接，并位于两个所述转盘6之间，且多根所述条幅7沿所述转盘6的轴向中心线呈圆周分布，多根所述条幅7供系留缆缠绕，所述驱动系统2用于驱动所述传动机构3，所述传动机构3带动所述固定轴5转动。
25.在本实施方式中，所述转盘6由铝合金制成，所述条幅7的数量优选8根，由八根所述条幅7形成的条幅轮直径为138mm，条幅轮上缠绕系留缆，通过所述驱动系统2动作，带动所述传动机构3进行动作，继而带动所述固定轴5进行旋转，以此带动所述转盘6旋转，实现收放系留缆，利用电机代替人力对该收放装置的系留缆盘1进行驱动，避免了系统运转时人员肢体接触线缆，可实现人员与高压输电有效隔离，有效保障人员操作安全。另外通过特有的联动控制方法，由无人机飞控或综合控制器对收放装置驱动电机9进行实时控制，使收放装置可以在系留无人机下降或改变高度过程中及时且完全自主启动系留缆盘1收纳系留缆，使系留缆可及时收纳至缆盘且不会存在系留缆坠地或打结，操作步骤较大程度简化，使用效率提升明显，使用更加方便，另外能够避免线缆磨损弯折漏电，提升使用寿命。
26.进一步地，所述驱动系统2包括支架8、驱动电机9和扭矩输出控制机构10，所述支架8固定安装在两个所述侧板4之间，所述驱动电机9与所述支架8固定连接，所述驱动电机9的输出端与所述扭矩输出控制机构10的输入端连接。所述传动机构3包括皮带轮11、第一同步皮带12、第一同步轮13、第二同步轮14、第二同步皮带15和第三同步轮16，所述皮带轮11与所述扭矩输出控制机构10的输出端连接，所述第一同步轮13与所述固定轴5固定连接，并套设在所述固定轴5的外部，所述第一同步轮13和所述皮带轮11之间通过所述第一同步皮带12传动连接，所述第二同步轮14与所述固定轴5固定连接，并套设在所述固定轴5的外部，且位于所述第一同步轮13的一侧，所述第二同步轮14通过所述第二同步皮带15与所述第三同步轮16传动连接。所述用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置还包括自动排线机构17，所述自动排线机构17包括往复丝杠18、导向滑套19和牵引杆20，所述往复丝杠18的一端与其中一个所述侧板4转动连接，所述往复丝杠18的另一端与所述第三同步轮16固定连接，且所述第三同步轮16与另一个所述侧板4转动连接，所述牵引杆20的两端与两个所述侧板4固定连接，且所述牵引杆20与所述往复丝杠18平行设置，所述导向滑套19与所述往复丝杠18适配，且所述导向滑套19与所述牵引杆20滑动连接。
27.在本实施方式中，所述支架8用于对所述驱动电机9起到支撑作用，所述驱动电机9采用57-76闭环一体式电机，最大扭矩1.89n
·
m，通过rs485总线接收来自综合控制器或无人机飞控的指令，以及时控制所述驱动电机9配合无人机降落或改变高度动作。通过所述驱
动电机9转动，带动所述扭矩输出控制机构10的输入端旋转，继而带动所述扭矩输出控制机构10的输出端旋转，从而所述皮带轮11转动，在所述第一同步皮带12的作用下，带动所述第一同步轮13旋转，从而所述固定轴5跟随旋转，继而带动所述转盘6旋转，以此通过所述驱动电机9的正反转实现系留缆的收线及放线，另外在所述固定轴5旋转的同时，所述第二同步轮14随之旋转，在所述第二同步皮带15的作用下，所述第三同步轮16旋转，以此带动所述往复丝杠18转动，带动所述导向滑套19进行滑移，从初始位置开始匀速平移，系留缆在所述导向滑套19的引导下均匀收纳在条幅轮上，确保系留缆的使用环境良好，延长使用寿命。其中所述牵引杆20用于起到导向作用。
28.进一步地，所述用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置还包括抱闸机构21，所述抱闸机构21，所述抱闸机构21与所述固定轴5固定连接，并位于所述固定轴5远离所述转盘6的一侧。
29.在本实施方式中，所述抱闸机构21为失电式抱闸，当该收放装置未通电处于非工作状态时，抱闸结构自动锁止，所述系留缆盘1以及与之相连的所述自动排线机构17被同时锁止，以保证非工作状态下系留缆不松弛跳线。
30.进一步地，所述用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置还包括用于引入多路光纤和直流高压的接线盒22，用于将多路光纤和直流高压汇流至腔体24的光电复合滑环23，所述腔体24由多根所述条幅7围合而成。
31.在本实施方式中，光路及电路由接线盒22的接线端子引入后通过所述光电复合滑环23汇流后转至所述腔体24，再接入系留缆，系留缆再缠绕至所述条幅轮上，另一端延伸到无人机处并与无人机上的光路及电路进行连通，建立起动态高度条件下稳定的供电及测控通道。
32.进一步地，所述用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置还包括散热系统25，所述散热系统25由散热主体和所述接线盒22上的风扇组合而成，所述散热主体由所述腔体24的透气结构以及所述侧板4的进气道形成，所述风扇向所述散热主体提供外界空气。
33.在本实施方式中，其中所述腔体24的透气结构为相邻两个所述条幅7间的间隙，散热系统25由所述腔体24的透气结构以及侧板4的进气道形成的散热主体，并由接线盒22上的高流量的所述风扇向散热主体提供外界空气，在散热主体内形成一定程度正压，腔体24内的外界空气通过系留缆排列间的缝隙均匀向外流通，带走大部分沉积在系留缆表面的热量，有效降低系统在高负荷运行时系留缆产生的温升，使系留缆工作在正常温度范围内。
34.进一步地，每根所述条幅7的内部均具有多个凹槽26，且多个所述凹槽26沿所述条幅7的长度方向等距离分布。
35.在本实施方式中，通过所述凹槽26的设置，能够使得所述腔体24具有更好的散热效果。
36.进一步地，所述导向滑套19包括滑套本体27、两个上辅助轮28和两个下辅助轮29，两个所述上辅助轮28均与所述滑套本体27转动连接，且两个所述上辅助轮28对称设置，两个所述下辅助轮29与所述滑套本体27转动连接，并对称设置在所述上辅助轮28的下方，且所述上辅助轮28的轴向线与所述下辅助轮29的轴向线纵横分布。
37.在本实施方式中，所述滑套本体27能够沿所述牵引杆20进行往复移动，在系留缆收线或者放线对其自动排线时，系留缆分别从两个所述上辅助轮28之间和两个所述下辅助
轮29之间的间隙穿过，以此保证系留缆在排线时更加顺畅。
38.进一步地，所述用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置还包括手摇机构30，所述手摇机构30包括中心轴31、连接盘32和手摇杆33，所述中心轴31的一端与所述固定轴5固定连接，所述中心轴31的另一端与所述连接盘32固定连接，所述手摇杆33与所述连接盘32固定连接，且所述手摇杆33偏心设置在所述连接盘32的外边缘。
39.在本实施方式中，不仅可以通过电动收放系留线缆，另外还可通过手动转动所述手摇杆33，带动所述连接盘32旋转，进而通过所述中心杆带动所述固定轴5旋转，以此实现对系留缆的收放线。
40.综上所述，利用电机代替人力对收放装置的缆盘进行驱动，避免了系统运转时人员肢体接触线缆，可实现人员与高压输电有效隔离，有效保障人员操作安全。
41.可实现全自动收放系留缆。通过特有的联动控制方法，由无人机飞控或综合控制器对收放装置驱动电机进行实时控制，使收放装置可以在系留无人机下降或改变高度过程中及时且完全自主启动系留缆盘1收纳系留缆，使系留缆可及时收纳至缆盘且不会存在系留缆坠地或打结，操作步骤较大程度简化，使用效率提升明显。
42.提供稳定牵引力，保障系留缆自动收放。通过特有的扭矩输出控制机构对缆盘施加合理阻尼，当无人机处于上升时使缆盘克服惯性影响，避免缆盘因惯性不能及时停转导致系留缆跳线；当无人机悬停工作时使缆盘在保持静止状态，确保系留缆空中摆幅稳定；当无人机处于下降时使系留缆盘1回收系留缆的牵引力始终处于稳定状态，避免牵引力过大导致无人机负载功率过大或电机堵转。整机性能和可靠性大大增加。
43.独特的热设计，将多根所述条幅7内空间做成了均匀的散热腔，由高流量风扇对整个腔体送风形成正压，腔体内气体通过系留缆排列间的缝隙均匀向外流通，带走大部分沉积在系留缆表面的热量，有效降低系统在高负荷运行时系留缆产生的温升，使系留缆工作在正常温度范围内，延长使用寿命。
44.基于双向往复丝杠设计的自动排线机构，可将系留缆在释放或收纳过程中均匀整齐的排列在条幅轮上，使系留缆的磨损始终处于较低水平，且使系留缆散热更加均匀，延长系留缆的使用寿命。
45.由于传统的系留缆收放装置较为简单，通常仅能提供手动收线功能或者以电动机驱动形式的半自动收线功能。而本装置的特点是解决无人机上升及下降过程中系留缆的全自动化释放及收纳，如何在本装置上实现稳定且自主的收放系留缆，则需要解决“系留缆盘与无人机联动控制”、“系留缆牵引力稳定度”、“系留缆排线均匀程度”、“系留缆工作温度控制”等关键问题。
46.本发明的用于系留无人机系统的自动化系留缆收放装置：
47.(1)系留缆盘与无人机的联动控制
48.实现全自动收放系留缆的关键一步就是要实现系留缆盘与无人机的联动控制，无人机上升时系留缆靠无人机的牵引力拖拽上升，无人机下降时由无人机飞控或综合控制器发出的下降信号通过rs485总线对收放装置的驱动电机发出“使能”信号，驱动电机按照内置模块预设的转动参数进行运转，使下降中的系留缆被及时收纳至系留缆盘之上，该联动控制方式逻辑清晰且简单可靠，可将系留缆收纳和无人机的同步配合度提高到毫秒级。
49.(2)系留缆牵引力稳定度
50.仅完成系留缆盘1与无人机的联动控制还不能达到稳定的释放或收纳系留缆，由于驱动电机的电气特性，无法满足可能使驱动电机9堵转或被动旋转的使用场景，且电机的输出扭矩和转速并非稳定输出，为了解决这一系列问题，在驱动电机9输出轴端增加了扭矩输出控制机构10，为了保证长时间工况条件下的可靠性，该机构由磁粉式离合器为主体，连接轴及输出轴等附件组成，根据系留缆盘以及驱动电机的特性进行选型，磁粉式离合器输出扭矩可调，通过传动机构后传递到系留缆盘的牵引力为0～10n(默认状态为5n，根据不同无人机型匹配)。
51.当无人机正处于上升状态，此时驱动电机9处于静止状态，扭矩输出控制机构10将提供稳定的制动力从而使系留缆牵引力大小稳定保持在5n左右，系留缆始终处于合理拉直状态。当无人机到达预定高度时将突然进入悬停，此时系留缆盘由于惯性可能有继续转动的趋势，但由于扭矩输出控制机构提供了制动力，系留缆盘则不会继续转动，避免了因惯性引发的跳线情况。
52.当无人机处于悬停状态，在扭矩输出控制机构提供的制动力干预下，系留缆将始终处于稳定拉直状态，以克服设计风速内的系留缆随风飘摆现象。
53.当无人机处于下降状态时，驱动电机开始转动，此时无论电机转速和扭矩是否超过系留缆下降的速率和拉力，扭矩输出控制机构将系留缆上的牵引力始终稳定在5n(默认可调)左右。满足收线需求将系留缆始终拉直的同时，避免因电机直接驱动可能导致的堵转或系留缆拉力过大不稳定对系留无人机系统的风险。
54.(3)系留缆排线均匀程度
55.具备了系留缆盘1与无人机的联动控制和较高的系留缆牵引力稳定度，还未完全实现真正意义上的全自动化收放系留缆，自动排线机构17则是完成“全自动化”的最后一环。自动排线机构17由往复丝杠18以及导向滑套19等附属组件组成，当转盘6转动时，同步带动往复丝杠18运行，使丝杠上的导向滑套19从初始位置开始随系留缆盘匀速平移，系留缆在导向滑套19的引导下均匀收纳在条幅轮之上，保证了系留缆释放和收纳的均匀程度，进一步确保了系留缆牵引力稳定度处于良好水平，实现真正意义上的全自动化收放系留缆。创造了良好的使用条件，延长了系留缆使用寿命。
56.(4)系留缆工作温度控制
57.实现了真正意义上的全自动化收放系留缆，同时也需要保证系留缆的使用可靠性，当系留缆多层收纳于系留缆盘1之上时，系留无人机系统在高负荷工况下可能导致内层系留缆堆积热量无法正常散出，引发高温损坏系留缆进而影响整个系留无人机系统。为了保证系留无人机系统的可靠性，依托系留缆收放装置结构为基础设计了散热系统25。散热系统由缆盘内腔体的透气结构以及侧板的进气道形成的散热主体，并由接线盒22上的高流量的风扇向散热主体提供外界空气，在散热主体内形成一定程度正压，腔体24内的外界空气通过系留缆排列间的缝隙均匀向外流通，带走大部分沉积在系留缆表面的热量，有效降低系统在高负荷运行时系留缆产生的温升，创造了良好的使用条件，延长了系留缆使用寿命。
58.综上所述，本发明通过特有的联动控制方法，无人机下降时由无人机飞控或综合控制器发出的下降信号通过rs485总线对收放装置的驱动电机发出“使能”信号，驱动电机按照内置模块预设的转动参数进行运转，使下降中的系留缆被及时收纳至系留缆盘1之上，
该联动控制方式逻辑清晰且简单可靠，可将系留缆收纳和无人机的同步配合度提高到毫秒级。使系留缆可及时收纳至条幅轮且不会存在系留缆坠地或打结，操作步骤较大程度简化，使用效率提升明显。通过特有的系留缆牵引力的控制方法，即通过特有的扭矩输出控制机构10对缆盘施加合理阻尼，当无人机处于上升时使缆盘克服惯性影响，避免缆盘因惯性不能及时停转导致系留缆跳线；当无人机悬停工作时使缆盘在保持静止状态，确保系留缆空中摆幅稳定；当无人机处于下降时使缆盘回收系留缆的牵引力始终处于稳定状态，避免牵引力过大导致无人机负载功率过大或电机堵转。整机性能和可靠性大大增加。
59.以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。