PAGE5無人機電池快換系統(tǒng)方案設計案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u23109無人機電池快換系統(tǒng)方案設計案例概述 1136451.1功能分析 1288761.2設計方案的提出 1無人機電池快換系統(tǒng)的方案包括無人機方案設計、換電池裝置方案設計、機械定位裝置的方案設計。本章對無人機電池快換系統(tǒng)功能進行了分析，并確定系統(tǒng)的總體方案。1.1功能分析在為無人機更換電池的過程中，該設計應能自動調整無人機位姿，固定無人機，并且將無人機上即將耗盡的電池更換為充滿電的電池，同時實現(xiàn)新舊電池的循環(huán)。若需實現(xiàn)上述功能，則要對該設計的硬件結構、圖像采集、軟件設計這三個方面提出相應要求。硬件結構對于硬件結構，要求其具有一定的穩(wěn)定性、強度及韌性。機械定位裝置在定位時能夠牢牢固定無人機不讓其上下左右移動又不對其產生破壞，同時適用范圍要廣，可以定位不同大小的無人機。換電池裝置與機械定位裝置互不干涉，能很好地相互配合。換電池裝置具有一定的容錯能力，即使有一定誤差也能完成換電池的任務。整個系統(tǒng)簡潔、方便拆裝、安全高效。圖像采集能準確識別無人機換電池平臺上的圖像標識，且所采集到的圖像應盡量清晰完整，并可以通過圖像標識計算得到無人機換電池所需正確位姿，從而調整無人機位姿。軟件設計整個程序安全、有序，遇到緊急情況可以馬上停止系統(tǒng)運作，電機和舵機能安全、準確地按要求有序運行。1.2設計方案的提出1.1.1無人機設計方案如今無人機在民用行業(yè)火熱發(fā)展，以電動四旋翼無人機為代表的無人機在市場迅速普及。無人機電池快換系統(tǒng)的提出主要用于遠距離運輸或作業(yè)的無人機，因此該設計中的無人機擬采用小型電動X型四旋翼無人機。四旋翼無人機飛行原理本設計中使用了X型四旋翼無人機。四旋翼是一種能夠實現(xiàn)垂直起降及懸停運動的飛行器。為了抵消旋翼在旋轉時產生的扭轉力矩，相互對應的兩個旋翼的旋轉方向相同，而相鄰旋翼的旋轉方向正好相反，因此當無人機平衡飛行時，空氣動力扭矩效和陀螺效兩者都被抵消。通過四個電機產生不同的轉速可以控制無人機沿三個坐標軸發(fā)生平移或旋轉，每個坐標軸上均有兩個自由度，因此一般情況下四旋翼無人機可以實現(xiàn)基本的六種運動，分別為前后、垂直、左右、俯仰、滾轉、偏航運動。俯仰運動的原理圖如圖2-1所示，在保持2、4號電機轉速不變的情況下，力F2和F4不變，改變1號和3號電機的轉速，力F3增加F1減小或力F1增加F3減小，便可使四旋翼產生俯仰動作.其他運動原理同上REF_Ref30809\r\h[17]。圖2-1四旋翼俯仰運動原理圖飛控系統(tǒng)飛控系統(tǒng)由飛控計算機和各種傳感器組成。飛控系統(tǒng)常用的傳感器包括角速率傳感器、姿態(tài)傳感器、航向傳感器、高度和空速傳感器、位置傳感器和迎角傳感器等。該設計中的無人機還包括視覺傳感器。飛控計算機是無人機控制和管理的核心部件，它集機載控制測量設備管理、導航管理、飛行狀態(tài)管理、無線電鏈路管理、任務設備管理于一體，是聯(lián)系空中和地面指揮系統(tǒng)的樞紐。本設計中的無人機飛控采用了大疆的Naza-MV2，這是一款用于多旋翼模型的通用飛控平臺，也同時可以滿足商用及工業(yè)應用需求的高性價比飛行控制系統(tǒng)。支持市面上最常見的第三方電調，而無需做任何線路的修改。Naza-MV2集成了高精度的感應器元件，運用了先進的溫度補償算法和工業(yè)化的精準校準算法，使系統(tǒng)發(fā)揮出穩(wěn)定、高效、可靠的性能。Naza-MV2中包含了GPS,在GPS模式下其懸停精度垂直方向，水平方向精度為。其連線及安裝要求如圖2-2所示。圖2-2Naza-MV2連線及安裝要求動力系統(tǒng)四旋翼無人機動力系統(tǒng)主要由電源、電機、調速控制系統(tǒng)三部分組成。其中電源使用30C2200mah4S型號的格氏航模電池，該電池厚35.40mm，寬33.30mm,長118.00mm,重281g,電壓為14.8V,容量為2200mah,放電插頭為XT60插頭，非常適合作為無人機的電源。無人機上采用的電機主要是直流電動機。直流電動機比較適合高轉速的場合，其轉速可達14000r/min。動力電機的調速系統(tǒng)稱為電子調速器，簡稱電調。電調可以根據控制信號調節(jié)電動機的轉速，使用方便、環(huán)保，而且輸出功率不受海拔高度影響。其連接方式是：電調的輸入線與電池連接；電調的輸出線與電機連接；電調的信號線與接收機連接。本設計中的無人機采用了破風Air2216電機及破風的IR20A4S電調，其連接方式如圖2-3所示。圖2-3電機電調連接示意圖本設計中無人機的機械結構參考了2019年RoboMaster競賽培訓營的空中機器人，制作完成后進行了試飛，試飛實驗如圖2-4所示，設計的無人機能懸停在空中且可以通過遙控器控制其運動，該方案可行。圖2-4無人機試飛1.1.2換電池裝置設計方案換電池裝置主要有平面的和立體的兩種方案。圓筒形換電池方案立體的換電池方案主要有圓筒形換電池方式，具體方案如下：圓筒形換電池裝置包括1電池旋轉更換裝置、2無人機、3移動平臺車、4摩擦輪平臺、4無人機這四個部分，如圖2-5所示。摩擦輪平臺上附有降落標志，輔助視覺導航。采用摩擦輪裝置控制電池進出，可減少對電機數(shù)量的需求。電池旋轉更換裝置采用抓手與凸輪頂桿相配合，可以方便實現(xiàn)電池盒組在電池旋轉更換裝置多個電池座上的固定與折卸。圖2-5圓筒形換電池裝置示意圖圓筒形換電池裝置和特制電池盒的內部原理圖如圖2-6（a）、（b）所示。具體電池更換的過程如下REF_Ref9193\r\h[18]REF_Ref9203\r\h[19]REF_Ref9206\r\h[20]：（1）無人機起飛，衛(wèi)星定位模塊可大致記錄全方位移動平臺車的位置；（2）無人機失去遙控器信號或接收到遙控器一鍵返航指令，無人機內部的飛行控制系統(tǒng)控制無人機自動返航至全方位移動平臺車的位置上空，并開始緩緩下降；（3）可拆卸電池換接充電裝置上的攝像頭捕捉、拍攝電池盒底部的圖案，并傳送至可拆卸電池換接充電裝置內部的視覺識別模塊；（4）裝置控制系統(tǒng)控制全方位移動平臺車下的四個萬向腳輪進行移動，確保無人機上連接的電池盒正對與電池孔，固定裝置將無人機固定；（5）當無人機上連接的電池盒與兩個摩擦輪接觸時，電池盒得到信號，舵機控制舵盤旋轉90°，固定桿收縮，電池盒從無人機的第一電池盒座中脫落；電池盒受重力作用及摩擦輪相對轉動作用下，進入電池孔內，同時頂桿向上移動，抓手打開，當電池盒落入第三電池盒座內時，頂桿向下移動，抓手收攏將電池盒固定在第三電池盒座內；（6）裝置控制系統(tǒng)控制電機帶動漲套轉動，帶動聯(lián)軸器旋轉，從而使電池旋轉裝置的旋轉外筒旋轉一個角度，使充滿電的電池盒旋轉至正對無人連接的第一電池盒座的位置，舊電池則通過電池換接充電控制系統(tǒng)進行充電，頂桿將充滿電的電池盒向上推直至與摩擦輪接觸，摩擦輪相向旋轉，將電池盒送入第一電池盒座內，電導片與第一電池盒座內插針相連，此時舵機得信號后動作，帶動舵盤旋轉90°，固定桿外伸將電池盒固定在第一電池盒座上。（7）待完成換電池動作后，無人機固定裝置復位，無人機啟動。該裝置可行性較高，但結構較為復雜，電池盒較重。（a）圓筒形換電池裝置內部原理圖(b)特制電池盒內部原理圖圖2-6圓筒形換電池裝置原理圖平面換電池方案平面的換電池方案有圓環(huán)形、長方形等，圓環(huán)形換電池方案示意圖如圖1-1、1-2所示，其占地面積較大，而長方形換電池方案則可較好節(jié)省換電池平臺的空間，具體如下：圖2-7所示為長方形換電池方案的示意圖，包括一長方形底板，底板兩側各一推板，初始狀態(tài)為無人機上一個電池盒，換電池裝置上三個電池盒。無人機被無人機裝置固定后，中間升降臺向上移動，無人機上面的電池盒松開，被升降臺接住，升降臺向下運動至和底板平行，這時圖中下方的托板向前移動一個電池寬的距離，把新的電池推到中間，舊的電池盒推至上方，然后中間的托板向上將新電池推至無人機電池盒座內。一個輪回之后，此推板復位，另一側的推板重復前一個推板動作。該方案整體機構較低，體積小，機械結構簡單，具有很強的可行性。圖2-7長方形換電池裝置示意圖1.1.3外定位裝置設計方案關于無人機的外部機械定位方案的專利有許多種，如使用錐形坡面、使用皮帶輪驅動定位桿推等，為了能在減小外定位裝置體積的基礎上和換電池裝置更好的融合，擬采用如圖2-8所示方案。該方案采取將定位桿從內向外移動的方式定位無人機，且采用錐齒輪換