一种平面盖板无人机机库及其盖板控制方法
技术领域
本发明涉及智能机库领域，更具体地，涉及一种平面盖板无人机机库及其盖板控制方法。
背景技术
多旋翼无人机在巡检、测绘、地址勘探、监测等领域应用广泛，在使用过程中多为“单人单机”的最小工作单元，由人员携带无人机到任务地点附近，现场起飞无人机完成具体的作业任务。目前市场上消费无人机和工业级无人机执行任务时大部分是在操作人员的参与下完成任务，全自主的起降飞行以及储存任务不够完善，尤其是无人机自动回收定位的问题。同时，无人机野外执行任务时，外界环境恶劣、远距离执行任务时的起降和自主充电问题逐渐凸显出来。
并且现有的无人机机库中，盖板开合伸展后占有的面积基本上是原有占地面积的二倍，占用安装场地较大，盖板不能折放；无人机降落时，由于无人机机浆扰动产生的环境流场的不稳定，加上环境造成的影响，无人机降落将产生偏差，甚至由于无人机降落位置不准，对无人机的收放和盖板的正常工作造成困难。
在中国申请的专利201920109099.7说明书中公开了一种多旋翼无人机智能机库装置，具有可以开合的盖板和停机平台，停机平台可以升降；但是该专利机库无法调整无人机降落后的位置，并且机库的盖板打开时向左右两侧伸展占用的空间大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种平面盖板无人机机库，来解决无人机停入机库中出现位置不正而使无人机收放困难的问题，以及无人机机库盖板水平开合占用面积大的问题，达到方便无人机收放的效果。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一方面，本发明公开了一种平面盖板无人机机库，包括箱体、开合盖板、升降机构、归拢装置和电动推杆；
所述开合盖板位于所述箱体顶部；所述电动推杆包括箱体外推杆和箱体内推杆；所述箱体外推杆和所述箱体内推杆的一端安装在所述箱体上，所述箱体外推杆和所述箱体内推杆的另一端与所述开合盖板转动连接，所述箱体内推杆还与所述开合盖板滑动连接；所述开合盖板是平面结构；
所述升降机构位于所述箱体内部，所述升降机构包括升降平台、丝杆、转轮和升降电机；所述丝杆穿过所述升降平台，所述丝杆的一端与所述转轮连接；所述转轮安装在所述箱体的下部；所述升降电机通过第一传动机构与所述转轮连接；所述升降电机固定在所述箱体的下部；所述升降平台上开有限位轨道孔；
所述归拢装置包括限位爪、限位电机、限位同步带和限位同步轮；所述限位同步轮成对安装在所述升降平台的下平面上；所述限位同步带的两端分别安装在成对的所述限位同步轮上；所述限位电机通过第二传动机构与所述限位同步轮连接；所述限位电机固定在所述升降平台的下平面上；所述限位爪与所述限位同步带连接，所述限位爪穿过所述限位轨道孔后伸出所述升降平台的上平面，所述限位爪通过移动无人机机脚来调整无人机的位置。
本发明公开的无人机机库，在无人机需要降落时打开开合盖板，开合盖板通过电动推杆的作用力开合，箱体外推杆对开合盖板靠外部份进行向下牵引，箱体内推杆对开合盖板靠内部分进行向上顶出，以使开合盖板可以转动一定角度停在机箱的外侧，这样可以节省机库所占用的空间；在无人机降落到升降平台后，由于风力等不确定因素其位置有一定偏差，这时归拢装置运动，限位电机通过限位同步轮带动限位同步带运动，限位同步带带动限位爪移动，限位爪伸出限位平台的限位轨道孔后会与无人机的机脚接触，限位爪通过移动无人机的机脚来调整无人机的位置，解决了无人机停入机库中出现位置不正而使无人机收放困难的问题，使得无人机的收放更方便，另外还能保证后续无人机自主充电定位的准确性。
需要说明的是，在无人机降落到升降平台上时，升降平台是在箱体的上部，之后升降平台会将降落后的无人机移动到箱体的下部，升降平台的移动通过升降机构实现；升降电机通过第一传动机构带动所述转轮转动，转轮带动丝杆转动，丝杆的转动会使得升降平台上升或者下降。
进一步的，所述箱体包括前壁、后壁、底板和左右两侧的侧壁；所述开合盖板包括左盖板和右盖板；所述左盖板连接所述箱体外推杆和所述箱体内推杆，所述右盖板连接所述箱体外推杆和所述箱体内推杆。
进一步的，所述归拢装置在左右和前后方向移动无人机，每个移动方向的所述限位同步带上连接有第一限位爪和第二限位爪，所述第一限位爪与所述限位同步带的上部连接，所述第二限位爪与所述限位同步带的下部连接；所述第一限位爪和所述第二限位爪相对所述升降平台的中心平面对称。将所述第一限位爪和所述第二限位爪分别至于同一个同步带的上部和下部，是为了让第一限位爪和第二限位爪同时向中间移动或同时向外移动，来推动任一位置的无人机往中心位置移动。
进一步的，所述限位轨道孔是左右和前后方向的矩形开孔。对应于左右和前后移动的限位爪。
进一步的，所述限位爪伸出所述升降平台的上平面部位是钩状结构。钩状结构的限位爪可与无人机的机脚更牢固的连接，从而更稳的移动无人机。
进一步的，所述箱体内部四个角分别固定有导向杆，所述升降平台与所述导向杆滑动连接。导向杆使得升降平台移动的更平稳。
进一步的，所述第一传动机构采用带传动，所述升降电机与升降同步轮连接，所述升降同步轮通过升降同步带与所述转轮连接；
所述第二传动机构采用轴传动，所述限位电机与转动轴的一端连接，所述限位同步轮安装在所述转动轴上。
当然，第一传动机构和第二传动机构也可以采用其他惯用传动方式，如齿轮传动，这里不再赘述。
进一步的，所述升降平台与所述导向杆连接处设有直线轴承。直线轴承可减小升降平台移动时与导向杆的摩擦力。
另一方面，本发明还公开了一种控制上述无人机机库的盖板的方法，所述方法用于控制所述开合盖板的活动，所述方法包括以下步骤：
S1：对无人机机库建立坐标系；将所述开合盖板看做一条线段，所述箱体内推杆与所述箱体外推杆与所述开合盖板的连接点设为E和C；在所述开合盖板运动过程中，将所述箱体中与所述开合盖板最近的边缘设为D；C到所述箱体距离为L2，E到所述箱体距离为L1，所述箱体高h；
获得坐标：D(0，h)，C(L2，h)，E(-L1，h)；
设所述开合盖板运动时：Ci(L2，Yci)，
S2：计算所述箱体外推杆和所述箱体内推杆与所述开合盖板连接点的坐标关系；在平面坐标中有：
对上式化简：
S3：计算所述E和所述C两点的速度关系：对上式
进行时间求导，获得：
本法发明的控制方法，给出了箱体外推杆和箱体内推杆与开合盖板接触点在保证开合盖板正常运动时的位置和速度关系，从而可以获得机盖的运动轨迹，并可根据开合盖板的运动极限位置，避免盖板开合时产生触碰、卡壳和摩擦情况。
进一步的，若考虑所述电动推杆与所述开合盖板之间的连接件，则所述控制方法如下：
设所述箱体内推杆与所述箱体外推杆与所述连接件的连接点设为E和C，对应的所述连接件与所述开合盖板的连接点为E′和C′，所述连接件与所述开合盖板始终保持垂直关系，
将所述开合盖板看做一条线段；在所述开合盖板运动过程中，将所述箱体中与所述开合盖板最近的边缘设为D；C到所述箱体距离为L2，E到所述箱体距离为L1；所述箱体高为h；
建立坐标系，则可知：
D(0，h)，C′(xC′，yC′)，E(-L1，YE)，C(L2，Yc)；
已知L1、L2、h、，
C、D、E、C′四点坐标共八个量，当给定Yc后，未知量有三个，分别为xC′、yC′和YE；
(xC′-L2)2+(yC′-yc)2＝a2
因E、D、C′三点共线，则：
L22+(h-yc)2＝a2+[xC′2+(h-yC′)2]
设所述开合盖板与所述水平面夹角为θ，根据坐标系中的几何关系可以求出：
yE＝h+L2tgθ
根据上式可以求出yC′、yE的关系式，然后对时间求导进而可以求出C′和E的速度关系。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1.本发明提供的无人机机库，在无人机需要降落时打开开合盖板，开合盖板通过电动推杆的作用力开合，箱体外推杆对开合盖板靠外部份进行向下牵引，箱体内推杆对开合盖板靠内部分进行向上顶出，以使开合盖板可以转动一定角度停在机箱的外侧，这样可以节省机库所占用的面积；在无人机降落到升降平台后，由于风力等不确定因素其位置有一定偏差，归拢装置中限位电机通过限位同步轮带动限位同步带运动，限位同步带带动限位爪移动，限位爪伸出限位平台的限位轨道孔后会与无人机的机脚接触，限位爪通过移动无人机的机脚来调整无人机的位置，解决了无人机停入机库中出现位置不正而使无人机收放困难的问题，使得无人机的收放更方便，另外还能保证后续无人机自主充电定位的准确性。
2.本发明提供的控制上述无人机机库的方法，用于控制所述开合盖板的开合，给出了箱体外推杆和箱体内推杆与开合盖板接触点的位置和速度关系，还给出了机盖的运动轨迹，进而了确定开合盖板的运动极限位置，从而避免了盖板打开时产生触碰、卡壳和摩擦情况。
附图说明
图1为本发明实施例一的无人机机库打开盖板时的结构示意图；
图2为本发明实施例一中箱体内推杆连接部位的结构示意图；
图3为本发明实施例一的无人机机库关闭盖板时的结构示意图；
图4为本发明实施例一中升降机构的结构示意图；
图5为本发明实施例一中升降平台上平面的结构示意图；
图6为本发明实施例一中归拢装置的结构示意图；
图7为本发明实施例一中第一传动机构的结构示意图；
图8为本发明实施例二的原理示意图；
图9为本发明实施例三的原理示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1至图6所示，本实施例提供一种平面盖板无人机机库，其特征在于，包括箱体100、开合盖板200、升降机构300、归拢装置400和电动推杆；
所述开合盖板200位于所述箱体100顶部；所述电动推杆包括箱体外推杆500和箱体内推杆600；所述箱体外推杆500和所述箱体内推杆600的一端安装在所述箱体100上，所述箱体外推杆500和所述箱体内推杆600的另一端与所述开合盖板200转动连接，所述箱体内推杆600还与所述开合盖板200滑动连接；所述开合盖板200是平面板结构；
所述升降机构300位于所述箱体100内部，所述升降机构300包括升降平台301、丝杆302、转轮303和升降电机304；所述丝杆302穿过所述升降平台301，所述丝杆302的一端与所述转轮303连接；所述转轮303安装在所述箱体100的下部；所述升降电机304通过第一传动机构与所述转轮303连接；所述升降电机304固定在所述箱体100的下部；所述升降平台301上开有限位轨道孔305；
所述归拢装置400包括限位爪401、限位电机402、限位同步带403和限位同步轮404；所述限位同步轮404成对安装在所述升降平台301的下平面上；所述限位同步带403的两端分别安装在成对的所述限位同步轮404上；所述限位电机402通过第二传动机构与所述限位同步轮404连接；所述限位电机402固定在所述升降平台301的下平面上；所述限位爪401与所述限位同步带403连接，所述限位爪401穿过所述限位轨道孔305后伸出所述升降平台301的上平面，所述限位爪401通过移动无人机机脚来调整无人机的位置。
本实施例提供的无人机机库，在无人机需要降落时打开开合盖板200，开合盖板200通过电动推杆的作用力开合，所述箱体外推杆500相对于开合盖板200既可以滑动也可以转动，所述箱体内推杆600相对于开合盖板200转动，以使开合盖板200可以转动一定角度停在机箱100的两侧，这样可以节省机库所占用的空间。
需要说明的是，在无人机降落到升降平台301后，由于风力等不确定因素其位置有一定偏差，这时归拢装置400运动，限位电机402通过限位同步轮404带动限位同步带403运动，限位同步带403带动限位爪401移动，限位爪401伸出升降平台301的限位轨道孔305后会与无人机的机脚接触，限位爪401通过移动无人机的机脚来调整无人机的位置，解决了无人机停入机库中出现位置不正而使无人机收放困难的问题，使得无人机的收放更方便，并且还能保证后续无人机自主充电定位的准确性。
需要说明的是，在无人机降落到升降平台301上时，升降平台301是在箱体100的上部，之后升降平台301会将降落后的无人机移动到箱体100的下部，升降平台301的移动通过升降机构300实现；升降电机304通过第一传动机构带动所述转轮303转动，转轮带动丝杆302转动，丝杆302的转动会使得升降平台301上升或者下降。
进一步的，本实施例中所述箱体100包括前壁、后壁、底板和左右两侧的侧壁；所述开合盖板200包括左盖板201和右盖板202；所述左盖板201连接所述箱体外推杆500和所述箱体内推杆600，所述右盖板202连接所述箱体外推杆500和所述箱体内推杆600。其中每个盖板都与两个箱体外推杆500和两个箱体内推杆600连接。
进一步的，本实施例中所述归拢装置400在左右和前后方向移动无人机，每个移动方向的所述限位同步带403上连接有第一限位爪和第二限位爪，所述第一限位爪与所述限位同步带403的上部连接，所述第二限位爪与所述限位同步带403的下部连接；所述第一限位爪和所述第二限位爪相对所述升降平台301的中心平面对称。如图5所示，左右和前后每个方向上都有两对限位爪401，每对限位爪401都是由同一条限位同步带403驱动，第一限位爪和第二限位爪组成一对；第一限位爪和第二限位爪分别至于同一个限位同步带403的上部和下部，是为了让第一限位爪和第二限位爪同时向中间移动或同时向外移动，来推动任一位置的无人机往中心位置移动，这样即可让一条限位同步带403同时驱动一对相向移动的限位爪401。
需要说明的是，在升降平台301上，从四个方向设置了8个限位爪401，当无人机降落在平台以后，由于无人机降落过程控制精度存在困难，降落后无人机的机脚存在一定的平移偏差和角度的偏差。限位爪401的作用主要是固定无人机，同时将无人机调整到正确的位置，解决由于无人机降落过程中的偏差，导致无人机在升降平台301降落过程中与箱体100的侧壁发生接触和碰撞，使无人机不能完成在箱体100中的存放。
四个方向的8个限位爪401分为四组，其控制过程有多种多样，具体我们可以选择一种。相对的两组先同步反向运动，另一相对方向随后同步反向运动。具体步骤如下：当无人机降落在升降平台301上以后，根据无人机降落的机脚情况，选择与机脚垂直方向的二组限位爪401，通过控制限位电机402使两组限位爪401分别从最远端向平台中部同步平移；当无人机存在角度偏差时，从一面向中部同步移动的两个限位爪401中的一个会先接触到无人机机脚，在继续的向中部推动过程中，会使得无人机的角度向正确的方向偏转和调整。当无人机的角度得到纠正后，同一边的两个限位爪401都会接触到无人机机脚，这样的同一边的两个限位爪的同步推动就会使无人机产生平移，当两边的四个限位爪401都到达设定的位置时(一般先根据无人机的机脚间隔设定好)，无人机机脚的平移偏差和角度偏差都得到纠正，无人机被限制并被卡位固定。另外一个方向的两组限位爪401，可以不工作，也可以根据无人机机脚的结构特点设置工作，推动无人机机脚调整平移偏差和位置偏差，工作流程同上述两组相似这里不再赘述。
可选的，所述限位轨道孔305是左右和前后方向的矩形开孔。根据限位爪401移动位置开孔即可。
进一步的，所述限位爪401伸出所述升降平台301的上平面部位是钩状结构，类似数字“7”的形状。
可选的，所述箱体100内部四个角分别固定有导向杆，所述升降平台301与所述导向杆滑动连接，导向杆使得升降平台301移动的更平稳。当然这里也可以采用多个丝杆驱动保证升降平台301的平稳移动。
进一步的，如图7所示，所述第一传动机构采用带传动，所述升降电机304与升降同步轮306连接，所述升降同步轮306通过升降同步带307与所述转轮303连接；
所述第二传动机构采用轴传动，所述限位电机402与转动轴405的一端连接，所述限位同步轮404安装在所述转动轴405上。
同样的，第一传动机构或第二传动机构也可以采用其他传动方式连接，如齿轮传动。
可选的，所述升降平台301与所述导向杆连接处设有直线轴承。直线轴承可减小升降平台移动时与导向杆的摩擦力。
实施例2
本实施例提供一种控制实施例一中无人机机库的盖板的方法，所述方法用于控制所述开合盖板200的活动；所述方法原理如图8所示，所述方法包括以下步骤：
S1：对无人机机库建立坐标系；将所述开合盖板200看做一条线段CF，所述箱体内推杆600和所述箱体外推杆500与所述开合盖板200的连接点设为E和C；在所述开合盖板200运动过程中，将所述箱体100中与所述开合盖板200最近的边缘设为D；C到所述箱体100距离为L2，E到所述箱体100距离为L1，所述箱体100高h，CF＝L；
获得坐标：D(0，h)，C(L2，h)，E(-L1，h)；
设所述开合盖板200运动时：Ci(L2，Yci)，
S2：计算所述箱体外推杆500和所述箱体内推杆600与所述开合盖板200连接点的坐标关系；在平面坐标中有：
对上式化简：
S3：计算所述E和所述C两点的速度关系：对上式
进行时间求导，获得：
本法发明的控制方法，给出了箱体外推杆500和箱体内推杆600与开合盖板200接触点在保证开合盖板200正常运动时的位置和速度关系，从而可以获得机盖的运动轨迹，并可根据开合盖板200的运动极限位置，避免盖板开合时产生触碰、卡壳和摩擦情况。
实施例3
本实施例提供的控制方法与实施例二有所区别，区别为本实施例考虑了所述电动推杆与所述开合盖板200之间的连接件的影响，结合图9的原理图，本实施例控制方法如下：
设所述箱体内推杆600与所述箱体外推杆500与所述连接件的连接点设为E和C，对应的所述连接件与所述开合盖板200的连接点为E′和C′，所述连接件与所述开合盖板200始终保持垂直关系，
将所述开合盖板200看做一条线段CF，令CF＝L；在所述开合盖板200运动过程中，将所述箱体100中与所述开合盖板200最近的边缘设为D；C到所述箱体100距离为L2，E到所述箱体100距离为L1；所述箱体100高为h；
建立坐标系，则可知：
D(0，h)，C′(xC′，yC′)，E(-L1，YE)，C(L2，Yc)；
已知L1、L2、h、，
C、D、E、C′四点坐标共八个量，当给定Yc后，未知量有三个，分别为xC′、YC′和YE；
(xC′-L2)2+(yC′-yc)2＝a2
因E、D、C′三点共线，则：
L22+(h-yc)2＝a2+[xC′2+(h-yC′)2]
设所述开合盖板(200)与所述水平面夹角为θ，根据坐标系中的几何关系可知：
ΔEDM：
yE＝h+L2tgθ
ΔCC′G：CG是斜边，
CG＝a/cosθ
所以
故
yc＝h-L1tgθ-a/cosθ
以参数θ作变量讨论，求得θ与yc的关系：
则有：
根据上式可以求出yC′、yE的关系式，然后对时间求导进而可以求出C′和E的速度关系。
用Ci和Ei表示C点和E点运动状态时的位置，用yCi和yEi表示二点运动时的坐标，则有：
VyEi＝dyE/dt＝dyE/dθ·dθ/dt
VyCi＝dyc/dt＝dyC/dθ·dθ/dt
由此可求Ci和Ei二点的速度关系。
需要说明的是，运用本实施例的方法，盖板的开折步骤是：①确定a`的位置坐标，②数学模型计算，③确定c`的对应位置坐标，④内推杆升降，⑤c`到达与a`对应的位置坐标，⑥外推杆升降，⑦a`到达新的位置坐标，⑧重复步骤②，⑨重复步骤②到直至a`到达目标位置后停止。
其中，目标位置可以是a`点的最低位置坐标，这对应着盖板折叠状态。也可以是a`点的最高位置坐标，这对应着盖板处在盖合状态。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
