系留無人機自動收放線設備設計與研究

侯潔明，孫桂祥

（合肥賽為智能有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

系留無人機又稱系留式無人機，為多旋翼無人機的一種特殊形式，通過系留線纜將地面電源傳輸至高空飛機，代替傳統的鋰電池，最主要的特點是擁有長時間的滯空懸停能力。系留無人機多用于通信中繼、應急搶險、高空檢測、高空視頻監控、高空照明等，系留無人機與電信基站組合可以快速部署在因自然災害受損的地區。系留無人機由地面高壓直流穩壓系統、放線器、同步繞線輪、系留電纜、空中穩壓模塊和備用電池組成，高壓直流穩壓系統和同步繞線輪安裝在自動收放線器上，系留電纜與穩壓模塊和備用電池連接。

本文主要討論地面智能自動收發線設備（下文簡稱收放線機構），通過地面高壓電源將220 V 或380 V 交流電轉換成750 V 直流電，通過系留線纜傳輸至無人機電源艙，經過無人機機載電源艙處理后，輸出48 V 直流電供給無人機的電機、電調、飛控、載荷等模塊使用，同時配備了兩塊動力電池作為UPS切換系統的電源。收放線機構在保證供電和通信穩定可靠的同時實現線纜隨飛機飛行高度自動收放。

1 電纜收放線設備設計要求

系留無人機的最大飛行高度為350 m，地面裝置能提供750 V 直流、12 kW 高壓電源，由3 根光纖通信。飛機以2 m/s的速度上升或下降的過程中，線纜能夠根據張緊度自動放線或者收線。飛機在空中懸停工況下不可避免會受到橫向風的干擾，線纜也會因風的作用而左右搖晃，諸多因素的作用下，線纜會有不間斷的拉升和收回動作。因此自動收放線機構在繞線機上增加機械緩沖裝置，在電機控制上需要做相應的控制設計，保障線纜的張緊度均一，保障飛機在高空中不受線纜的拉扯影響。由于線纜長度為360 m，即使加載高電壓，線纜本身也有發熱狀況，因此當線纜纏繞在收放線機構內部的絞盤上時，熱量會持續增加，在夏季炎熱季節現象更為明顯，所以結構中要有通風換熱裝置。飛機在飛行和工作狀態下，自動收放線機構是無需人為干預的，一個良好的人機交互系統是很必要的。由于此系留無人機大多應用在緊急和特殊狀況下，因此地面自動收放線機構要有體積緊湊、移動方便、抗干擾、部署便捷等特點。

2 設計參數與計算

2.1 繞線輪設計

繞線輪外圓采用6063 鋁板加工拼接而成，厚度3 mm，鋁板總共用有24 塊。在線輪軸一端加工線纜槽，線纜通過線纜槽進入線輪軸內部，并固定在線纜卡上，線輪旋轉實現收放線。線輪側板從中心向外逐漸收窄，目的是防止在收放線纜時對晃動的線纜造成磨損。線輪軸外徑340 mm，繞線輪寬度366 mm，線纜直徑按照4.5 mm 設計，則繞線輪繞線層數及長度見表1。

表1 繞線輪繞線計算

線輪最小內徑Φ1=0.17 m，線輪重G1=7.21 kg，繞線8 層是線輪外徑Φ2=0.22 m，線長L=390 m，線纜單重g=0.033 kg/m，則線纜總重：

繞線輪重大重量：

繞線輪總的轉動慣量為：

繞線輪最大線速度V=2 m/s，速度從零加速到最大速度時間t=2 s。

線輪角速度和角加速度分別為：

繞線8 層時線輪轉速和轉矩分別為：

2.2 電機選型與減速器

電機選擇北京時代超群電器的直流無刷電機80BL100S40-430：額定電壓48 V，額定功率500 W，額定轉矩1.6 N·m，額定轉速3000 r/min，空載轉速4000 r/min，額定電流14.8 A，空載電流1.5 A，極對數2。

行星齒輪箱選擇北京時代超群PX80N004SW 行星減速機：減速比4∶1，實際減速比4∶1，輸出轉矩40 N·m，輸入轉速300 r/min，效率90%，回程間隙18 arcmin，機身長度76 mm，重量1.35 kg，極數1，配套電機為80 無刷電機。

減速鏈輪齒數15，繞線鏈輪齒數82，傳動比為15∶82。計算電機在不同電流下線輪的轉矩見表2。當工作電流達到8.5 A時，線輪轉矩12.55 N·m，滿足線輪繞線要求。

表2 不同電流下線輪轉矩N·m

2.3 傳動機構設計計算

絲杠導程為15 mm，當繞線輪轉動1 周，絲杠滑塊移動距離為15×0.34≈5.1 mm。而線纜的直徑4.5 mm，絲杠滑塊的移動距離與線纜直徑相當，滿足繞線需求。

3 結構設計

3.1 滾輪總裝

繞線輪是纜線存載體，設計要求線纜總長360 m。由于線纜通過12 kW 的工作載荷，即便將電壓升至650 V，工作中的線纜仍然會發熱，為了不讓線纜聚集發熱，設計要求線纜不能在繞線輪上纏繞過多圈數。

繞線輪的一端安裝有光電滑環，光電滑環可保證旋轉的同時電流和信號不受干擾地通過。繞線輪的另一端是通孔，散熱風扇安裝在外側組件上，氣流在風扇的動作下引入繞線輪內部，在通過繞線輪輪條上的空隙向外擴散，帶走線纜上的熱量。

為方便加工和組裝，繞線輪外圓采用6063 鋁板加工拼接而成，鋁板總共用有24 塊。鋁板中間開孔一則是為了減輕重量，二則是方便氣流從中間通過，繞線輪外圓直徑340 mm，線輪寬度366 mm，則單圈周長1067.6 mm。則按此推算則第1 層繞線80.03 m，第2 層繞線90.32 m，第3 層繞線92.62 m，第4 層繞線94.92 m，4 層累計總長度是365.9 m，滿足設計要求。繞線輪是需要轉動的，則在繞線輪的兩端安裝有兩款瓦房店東方神力精密軸承的等截面超薄壁軸承（KC040XPO 101.6×120.65×9.525和KC047XPO 120.65×139.7×9.525）。一端軸承內孔安裝有光電滑環，保證繞線輪旋轉的同時供電持續穩定，通信流暢良好。另一端軸承內孔安裝有鏈輪和散熱通道，鏈輪是在部驅動鏈條的作用下驅動繞線輪轉動，散熱通道是為風扇將外部空氣吹入內部留有的空間。

3.2 緩沖區底盤

正常工況下系留無人機在空中懸停是穩定無波動的，但是在飛機起飛爬升和緊急下降過程中線纜就必須快速響應地放線和收線動作。由于繞線輪自身重量較重，必定有較大的轉動慣量，電機的驅動加速度也是有極限的，因此在機器的底部設計增加了線纜的緩沖裝置。當飛機突然升高或外界干擾緊急拉伸電纜的狀況下，此緩沖裝置的重要作用就是吸收線纜突然拉出的力量，當繞線輪還來不及動作釋放電纜的情況下緩沖裝置釋放出儲存在內部的部分電纜；在飛機緊急下降中，線纜空中滯留較多需要快速響應收入并纏繞至繞線輪上，此時緩沖裝置中的機構就會吸收掉這部分多余的線纜。而后控制系統會根據傳感器反饋的情況迅速調整控制電機運動，驅動繞線輪正轉或反轉彌補上中間段的延遲期。緩沖區底盤分前后兩個部分，為減輕其重量將材料中間無功能部分做偷料處理，前底板既是線纜的緩沖裝置又是整個機架的底部結構件，后底板是承托著無刷伺服電機和減速器的作用，對整個機器的底部也起到支撐連接的作用。

前底板上安裝共有3 個定滑輪、1 個動滑輪、1 組直線導軌、1 個鋼絲定滑輪、1 個鋼絲輪、1 個發條彈簧和1 組角度傳感裝置。線纜盤繞在中間的繞線輪上，通過下部的中轉輪引導至底部的緩沖裝置。定滑輪1 改變線纜方向，引導線纜穿過底部，定滑輪2 再次改變線纜方向將線纜引導至動滑輪上3 上，最后通過定滑輪4 引導至機器其他裝置上。動滑輪中間轉動軸由鋼絲繩牽引，通過鋼絲定滑輪改變方向最終纏繞在鋼絲輪上，鋼絲輪底部安裝有發條彈簧，此時動滑輪的運動便由發條彈簧的勢能控制。平時彈簧收緊，動滑輪在啟始位置，線纜會預留在動滑輪的右側，當線纜突然拉扯出去，動滑輪向導軌的另一端運動過去，釋放線纜的同時也吸收掉部分的拉力，收線工作機理相反。

鋼絲輪的另一端安裝有小齒輪，再通過其后的大齒輪嚙合傳動將轉動角度傳遞出去，大齒輪上的角度傳感器實時監測到角度位移。線纜的拉伸力便通過滑輪組件轉換為角度位移數值最終發送給控制系統。

3.3 導向阻尼

線纜從繞線輪至機器外部，由導向阻尼結構進行引導。導向機構分3 組輪，底部導輪上有海綿，線纜從左右輪中間穿過，導向輪兩側安裝有扭力彈簧，在彈簧的作用下底部導輪夾住線纜。底部導輪既可以夾持住線纜又不影響線纜拉出與回收速度，中部導輪起到約束線纜左右位置移動，上部輸出導輪約束線纜前后位置移動。整套導輪系統既可以約束線纜方向又不影響線纜的抽拉移動，并且順利地將線纜引導至內部繞線輪上。

3.4 鏈輪傳動

右側板傳動距離較遠采用鏈輪傳動，繞線鏈輪齒數82，排線連輪齒數52，傳動比i1=82/52。通過排線輪軸將動力傳遞給左側排線齒輪。排線齒輪齒數30，絲杠齒輪齒數140，傳動比i2=3/14。傳動系統總的傳動比：

計算功率Pca是根據傳遞的功率P，并考慮到載荷性質和原動機的種類而確定的：

式中 Pca——計算功率，W

P——傳遞的功率，W

WA——工作情況系數，中等沖擊系數1.2

根據鏈傳動的工作情況、主動鏈輪齒數和鏈條排數，計算鏈節距。鏈的節距P 的大小，反應了鏈條和鏈輪齒各部分尺寸的大小。在一定條件下，鏈的節距越大，承載能力就越高，但傳動的多邊形效應也要增大，于是振動、沖擊、噪聲也越嚴重。所以設計時，為使傳動結構緊湊，壽命長，盡量選取較小節距的單排鏈；速度高、功率大時，則選用小節距的多排鏈；從經濟上考慮，中心距大、傳動比小時，選大節距單排鏈。

根據鏈條接距和傳動條件對P0進行修正：

式中 P0——在特定條件下單排鏈所能傳遞的功率，W

Pca——鏈傳動的計算功率，W

KZ——小鏈輪齒數系數

KL——鏈長系數

KP——多排鏈系數

4 電路控制部分

整個系統由外部發電機供電，三相交流電接入地面收放線機構，4P 空氣開關負責過載保護，此處分出一路220 V 電給收放線機構和控制電路板供電，另一路380 V 電路供給地面電源，地面電源將電壓升至750 V，再接入電纜上，電纜在地面是纏繞在繞線輪上的，外部接入飛機（圖1）。

圖1 控制電路

5 電機控制

電機控制采用閉環方式工作，放線的控制算法是典型的PID（Proportional Integral Derivative，比例積分微分），收線動作則采用P 算法（圖2）。在收放的底部有線纜緩沖裝置，其底部的動滑輪和角度傳感器將線纜的張緊轉換為角度物理量，通過A/D 數值轉換輸入到控制單路中，最后將計算結果再反饋至驅動電機中。實際工作中，線纜能跟隨飛機的高度自動放線和收線動作，并且線纜始終保持一定的張力。

圖2 算法原理

6 結語

系留無人機的地面收放線設備是系留無人機的重要組成部分，它為無人機提供動力支持和通信轉發，其機構的可靠性關系到無人機的飛行安全。系留無人機地面收放線設備在系留無人機滯空過程中伴隨著飛機的上升和降低，保持著線纜的自動收放工作，并且穩定提供電能、保持通信暢通。由于電纜長度超過300 m，為保持電力不在線纜上損耗，工作中將電壓升到750 V，在繞線輪中加裝排風扇用強風冷卻纜線上的熱量。本文著重設計計算系留無人機地面收放線機構中的傳動系統、機械結構、緩沖裝置和電控系統，此設計研究已經過試飛驗證并多次測試，測試時間達到500 h，在經過3 次設計修改后已推出定型產品，在電信企業和通信單位得到成功運用并得到良好效果。