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原文传递一种无人机增稳的动态配重平衡系统及其平衡方法

专利名称：	一种无人机增稳的动态配重平衡系统及其平衡方法
摘要：	本发明公开了一种无人机增稳的动态配重平衡系统及其平衡方法。本发明采用第一和第二金属齿轮环、微型直流电机、配重电机套筒、滚动套筒和连接杆共同构成可动配重；在正常使用时，实现无人机的重心自动平衡，从而降低飞控系统平衡机身的负担，增强无人机的飞控性能；同时它不需要依赖于外部传感器，通过高可靠性的机械装置实现自适应平衡，当无人机的飞控传感器系统失效后，仍然能够通过此平衡系统保持无人机姿态角平稳，使得无人机保持悬停状态，从而得以被安全回收。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	北京理工大学
发明人：	娄文忠;刘伟桐;汪金奎;廖茂浩
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-25T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-10T00:00:00+0800
申请号：	CN201910552866.6
公开号：	CN110217381A
代理机构：	北京万象新悦知识产权代理有限公司
代理人：	王岩
分类号：	B64C17/02(2006.01);B;B64;B64C;B64C17
申请人地址：	100081 北京市海淀区中关村南大街5号
主权项：	1.一种无人机增稳的动态控制配重平衡系统，其特征在于，所述动态控制配重平衡系统包括：固定架、正极导电齿条、负极导电齿条、第一和第二金属齿轮环、微型直流电机、配重电机套筒、滑动电阻片、滑动电阻触点、连接杆和控制电路；其中，微型直流电机设置在配重电机套筒内，微型直流电机的转轴与配重电机套筒的中心轴重合，并且微型直流电机的外壁与配重电机套筒的内壁互相不接触，配重电机套筒采用绝缘材料，微型直流电机的转轴固定在配重电机套筒的底壁圆心上；第一和第二金属齿轮环分别嵌套在配重电机套筒外，第一和第二金属齿轮环同轴且与配重电机套筒共轴；固定架安装在无人机的底部；在固定架上，设置有互相平行的正极导电齿条、负极导电齿条和滑动电阻片；第一和第二金属齿轮环分别设置在正极导电齿条和负极导电齿条内，能够沿正极导电齿条和负极导电齿条滚动；连接杆的一端设置有滑动电阻触点，滑动电阻触点与滑动电阻片相接触，连接杆的另一端穿过配重电机套筒固定连接至微型直流电机的底座上；第一和第二金属齿轮环、微型直流电机、配重电机套筒和连接杆共同称为可动配重，第一和第二金属齿轮环、配重电机套筒以及微型直流电机整体沿正极导电齿条和负极导电齿条运动，并通过固定在微型直流电机上连接杆带动滑动电阻触点沿滑动电阻片同步运动；正极导电齿条和负极导电齿条分别连接至控制电路，并分别通过正极导线和负极导线连接至微型直流电机，为微型直流电机供电，正极导线和负极导线分别盘绕于配重电机套筒内；滑动电阻片的两个固定端和滑动电阻触点分别连接至控制电路；控制电路连接至无人机的主机；当无人机处于垂直起飞状态或者处于颠簸状态时，无人机的主机向控制电路发出开启控制信号，控制电路向微型直流电机输出解锁电压，微型直流电机解锁，控制电路实时检测可动配重的位置；如果无人机的基准平面水平，可动配重位置不变，控制电路检测到电压不变，则不对微型直流电机输出驱动电压，在锁定时间内微型直流电机没有接收到驱动电压则进行自锁；如果无人机的基准平面不水平，可动配重向下滑动；滑动电阻触点在滑动电阻片上的位置发生改变，控制电路检测到电压的变化，得到可动配重的位置，并结合前一时刻的位置和时间间隔得到可动配重的速度，进一步得到加速度，通过加速度得到倾角，根据倾角和无人机的重量，再结合可动配重的速度和位置以及前一时刻的微型直流电机的驱动电压值，解算出微型直流电机的驱动电压，动态调整可动配重至新的位置，直至可动配重的速度趋于零，达到基准平面回归水平，同时向微型直流电机施加的驱动电压处于自锁阈值范围之内，微型直流电机进行自锁，可动配重的位置固定，无人机重新实现静态配重平衡。 2.如权利要求1所述的动态控制配重平衡系统，其特征在于，所述控制电路包括：直流电机控制芯片、电源管理单元、稳压电路、解算控制芯片、定值电阻和模数转换电路；其中，来自无人机的外部电源连接至电源管理单元；电源管理单元分别连接至电机控制芯片、稳压电路和解算控制芯片，为其提供工作电压；解算控制芯片包括处理单元和存储单元；解算控制芯片连接至无人机的主机；直流电机控制芯片和模数转换电路分别连接至解算控制芯片；稳压电路的两端通过定值电阻分别连接在滑动电阻片的两个固定端；滑动电阻片的一个固定端和滑动电阻触点分别连接至模数转换电路的两端；直流电机控制芯片的正极和负极分别连接至正极导电齿条和负极导电齿条。 3.如权利要求1所述的动态控制配重平衡系统，其特征在于，所述微型直流电机为圆柱体；配重电机套筒为圆筒状，材料为绝缘体；配重电机套筒的内径大于微型直流电机的外径。 4.如权利要求1所述的动态控制配重平衡系统，其特征在于，所述滑动电阻触点为弹性金属片，焊接在连接杆的顶端。 5.如权利要求1所述的动态控制配重平衡系统，其特征在于，还包括限位装置，所述限位装置，安装在导轨槽的两端；在导轨槽两端的侧壁上，分别设置有一对定位销孔，一对定位销孔内插入定位销。 6.如权利要求1所述的动态控制配重平衡系统，其特征在于，还包括导轨槽和滚动套筒，所述导轨槽设置在固定架上，导轨槽的方向平行于正极导电齿条和负极导电齿条；在连接杆上固定有分支杆，滚动套筒套在分支杆上，分支杆位于滚动套筒的中心轴上，滚动套筒位于导轨槽内，滚动套筒能够绕着分支杆转动从而沿着导轨槽滚动。 7.如权利要求1所述的动态控制配重平衡系统，其特征在于，固定架、正极导电齿条、负极导电齿条、第一和第二金属齿轮环、微型直流电机、配重电机套筒、滑动电阻片、滑动电阻触点和连接杆构成机械部分；或者，固定架、正极导电齿条、负极导电齿条、第一和第二金属齿轮环、微型直流电机、配重电机套筒、滑动电阻片、滑动电阻触点、连接杆、导轨槽和滚动套筒构成机械部分；所述动态控制配重平衡系统配准一个方向，则沿无人机的正前与正后的连线安装或者正左与正右的连线安装在无人机的底部；或者配准两个方向，则沿无人机的前后方向平行安装两套前后方向的机械部分，两套前后方向的机械部分的正极和负极导电齿条互相平行，安装时关于正前与正后的连线对称；在两套前后方向的机械部分之间位于正左与正右的连线上安装一套左右方向的机械部分；两套前后方向的机械部分和一套左右方向的机械部分共用一个控制电路。 8.一种如权利要求1所述的无人机增稳的动态控制配重平衡系统的平衡方法，其特征在于，所述平衡方法包括以下步骤： 1)在无人机使用之前，将动态控制配重平衡系统安装在无人机上； 2)当安装完成之后，无人机启动，系统开始供电； 3)无人机启动后，初始处于垂直起飞状态，通过无人机的主机向动态控制配重平衡系统发送开启控制信号； 4)收到来自无人机的控制开启信号后，动态控制配重平衡系统开启，控制电路向微型直流电机输出解锁电压，微型直流电机解锁； 5)控制电路实时检测可动配重的位置； a)如果无人机的基准平面水平，可动配重位置不变，控制电路检测到电压不变，则不对微型直流电机输出驱动电压，在锁定时间内微型直流电机没有接收到驱动电压则进行自锁；控制电路向无人机的主机发送配重调整就绪信号，无人机继续飞行程序； b)当无人机处于失稳状态时，无人机的基准平面不水平，可动配重向下滑动；控制电路向无人机的主机发送配重调整信号，进入悬停状态；滑动电阻触点在滑动电阻片上的位置发生改变，控制电路检测到电压的变化，得到可动配重的位置，并结合前一时刻的位置和时间间隔得到可动配重的速度，进一步得到加速度，通过加速度得到倾角，根据倾角和无人机的重量，再结合可动配重的速度和位置以及前一刻微型直流电机的驱动电压，解算出当前时刻微型直流电机的驱动电压，动态调整可动配重至新的位置，直至可动配重的速度趋于零，达到基准平面回归水平，同时向微型直流电机施加的驱动电压处于自锁阈值范围之内，微型直流电机进行自锁，可动配重的位置固定，无人机重新实现静态配重平衡；控制电路向无人机的主机发送配重调整就绪信号，无人机继续飞行程序； 6)当无人机的传感器感受到无人机颠簸过大，超过阈值范围，这时无人机自身控制已经失效，无人机的主机向动态控制配重平衡系统发送开启控制信号，动态控制配重平衡系统开启，控制电路向微型直流电机发送解锁电压，微型直流电机解锁，控制电路实时检测可动配重的位置，滑动电阻触点在滑动电阻片上的位置发生改变，控制电路检测到电压的变化，得到可动配重的位置，并结合前一时刻的位置和时间间隔得到可动配重的速度，进一步得到加速度，通过加速度得到倾角，根据倾角和无人机的重量，再结合可动配重的速度和位置以及前一时刻的微型直流电机的驱动电压值，解算出微型直流电机的驱动电压，动态调整可动配重至新的位置，直至可动配重的速度趋于零，达到基准平面回归水平，同时向微型直流电机施加的驱动电压处于自锁阈值范围之内，微型直流电机进行自锁，可动配重的位置固定，无人机重新实现静态配重平衡；控制电路向无人机的主机发送配重调整就绪信号，无人机继续稳定飞行。 9.如权利要求8所述的平衡方法，其特征在于，在步骤1)中，动态控制配重平衡系统配准一个方向，则沿无人机的正前与正后的连线或者正左与正右的连线安装在无人机的底部；或者配准两个方向，则沿无人机的前后方向平行安装两套前后方向的机械部分，两套前后方向的机械部分的正极和负极导电齿条互相平行，安装时关于正前与正后的连线对称；在两套前后方向的机械部分之间位于正左与正右的连线上安装一套左右方向的机械部分。
所属类别：	发明专利