一种基于飞行阵列的全方位对接系统及方法

1.本发明属于空间对接技术领域，尤其涉及一种基于飞行阵列的全方位对接系统及方法。


背景技术：

2.目前：无人机空中对接的发展和应用引起了各国的高度重视，人们对无人机的空中航时，无人机间信息传递以及无人机的载荷，作业单元的模块化设计提出了更高的要求。其中，多架无人机组成的飞行系统称为飞行阵列。飞行阵列内任意两个单元之间需要保证可靠的对接关系，并且有时需要对接机构具备非正对面对接的能力。所谓非正对面是指：当无人机组成空中阵列时，产生对接动作的对应面之外的所有面，其作用为保证飞行阵列整体结构的可靠性。一种能够同时保证两架无人机对接时非正对面的对接需求的装置，能够保证无人机非正对面之间结构连接的可靠性以及空中阵列组装飞行的结构稳定性；能够将无人机系统的功能对象设计模块化，使得无人机系统的造价降低，储存空间减小。极大的丰富了无人机系统的适装性以及应用可能性。
3.传统的空中对接机构大多应用于空中加油系统，主动对接系统(载油机)对接被动对接系统(受油机)，通过导引型面引导主动对接头深入对接口，之后完成对接锁紧动作。这种机构要求对接机构具有较长的轴向距离，对接动作不连续，位置无法精确确定。另外，通过导引面导引主动对接装置具有碰撞的干扰性，易产生零件的机械损耗。
4.基于电磁特性的对接机构，主动对接机构与从动对接机构通过电磁力进行位置的精确对准，然后通过特定手段进行机构的抓取锁紧。这种机构要求对接机构具有足够的轴向距离供旋转驱动机构进行旋进锁紧，且由于电磁力的特点，只能完成正对面的对接任务，系统的对接性能较差。
5.基于对接钩爪的对接机构，通过两个对接面贴合碰撞，然后对接钩锁紧对接面。同样，这种机构由于使用对接钩爪进行结构锁定，钩爪的运动平面只能垂直于对接面，因此不具备非正对面对接的能力。
6.此外，基于上述的机构方案所设计的空中无人机对接系统大多占用空间较大，连接刚性较差，对接间隙较大，导致无人机之间会由于相对速度产生松动碰撞。不具备小空间、高刚性、可靠电气连接的工作能力。
7.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
8.(1)现有的空中对接机构具有较长的轴向距离，对接动作不连续，位置无法精确确定。另外，通过导引面导引主动对接装置具有碰撞的干扰性，易产生零件的机械损耗。
9.(2)基于电磁特性的对接机构只能完成正对面的对接任务，系统的对接性能较差。
10.(3)基于对接钩爪的对接机构使用对接钩爪进行结构锁定，钩爪的运动平面只能垂直于对接面，不具备非正对面对接的能力。
11.(4)现有的空中无人机对接系统大多占用空间较大，连接刚性较差，对接间隙较大，导致无人机之间会由于相对速度产生松动碰撞。不具备小空间、高刚性、可靠电气连接
的工作能力。
12.解决以上问题及缺陷的难度为：在蜂窝式飞行阵列中，保证正对面对接之外的其余对接面的连接稳固性，该对接机构具备较短的轴向距离，具备相对对接面的结构镜像性，同时，具备自主调节间隙距离的能力。
13.解决以上问题及缺陷的意义为：在蜂窝式飞行阵列的拓扑结构中，任意模块之间通过全方位对接机构能够保证任意模块的对接面都能够实现结构连接，保证飞行阵列的稳固性。


技术实现要素：

14.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于飞行阵列的全方位对接系统及方法。
15.本发明是这样实现的，一种基于飞行阵列的全方位对接系统包括：
16.对接外壳；
17.所述对接外壳外端通过螺丝固定有驱动舵机，所述对接外壳外形呈圆柱形，内部中空作为舵机旋转空间，所述对接外壳中间安装有轴承环，锁定轨道环安装在轴承环内环上，锁定轨道环里侧通过若干螺丝固定连接有舵机臂，舵机臂另一端安装在驱动舵机上；
18.所述锁定轨道环中间的凹陷内安装有缓冲块，所述缓冲块通过螺丝与舵机臂和锁定轨道环连接；
19.所述缓冲块侧面通过固定组件与锁定轨道环连接。
20.进一步，所述对接外壳外侧周围分布有多个螺丝孔，用于与无人机机体结构连接。
21.进一步，所述对接外壳内部中空处外分布有半圆形的凸起，轴承环外柱面安装在对接外壳的半圆形凸起内，半圆形的凸起用于限制轴承环的横向位移。
22.进一步，所述对接外壳内部一体化设置有限制锁定轨道环动作的圆柱形凸起。
23.进一步，所述锁定轨道环设置有固连螺丝滑道、锁定通道、锁紧橡胶孔、轴承止推块和固定滑道；
24.所述固连螺丝滑道开设在锁定轨道环中间凹陷的底面，固连螺丝滑道与舵机臂通过若干螺丝固连；
25.所述锁紧橡胶孔外侧通过固定组件与缓冲块固定连接；
26.所述固定滑道用于固定锁定轨道环的位置，插入对接外壳上的柱状凸起，使锁定轨道环只能进行轴向转动；
27.所述锁定通道末端开设有圆孔，圆孔为另一个对接机构的锁紧橡胶插入的位置，锁定通道为滑动的轨道，最终实现法向锁定。
28.进一步，所述固定组件包括锁紧橡胶螺丝、锁紧橡胶、高度调节装置、一级固定螺丝和二级固定螺丝；
29.锁紧橡胶螺丝连接锁紧橡胶、高度调节器、锁定轨道环、缓冲块，并结合一级固定螺丝、二级固定螺丝实现连接锁定；
30.锁紧橡胶材质为橡胶材料，在两个对接机构对接完成时，限制两者的相对位移；
31.高度调节器用于调节锁紧橡胶的伸出长度，调节对接机构的容许间隙。
32.进一步，所述高度调节器由若干垫片组成。
33.进一步，所述锁定轨道环的固定滑道里侧通过固定环垫片螺丝固定有固定环垫片，固定环垫片螺丝下端与对接外壳内的圆柱形凸起连接。
34.本发明的另一目的在于提供一种基于飞行阵列的全方位对接方法，所述基于飞行阵列的全方位对接方法包括对接锁定动作和分离解锁动作；
35.所述对接锁定动作分为三个阶段，分别为引导阶段、缓冲阶段和滑动阶段；
36.所述分离解锁动作分为三个阶段，分别为滑动释放阶段、缓冲阶段和远离阶段。
37.进一步，所述对接锁定动作具体包括：
38.引导阶段：两架无人机产生对接动作，其中在非正对对接面与另一架无人机的对应面靠近时，对接机构开始准备对接，此时二者的直线距离大于正对面距离；
39.缓冲阶段：首先两个对接机构的缓冲块上凸出的摇臂结构最先结束，并通过圆角结构滑动，此时其中一个对接机构的锁紧橡胶插入另一对接机构的锁定通道内，并随着距离的靠近而靠近；
40.滑动锁定阶段：此时，两个对接机构的锁紧橡胶已经插入对方结构的锁定通道内，驱动舵机作动，其中一个对接机构顺时针旋转45度，另一个对接机构逆时针旋转45度，最终实现对接锁定。
41.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明具有明显的非正对面对接能力，能够实现飞行阵列非正对面之间的结构锁定，具有连接可靠，占据空间小等优点。具备自主调节能力、活动间隙小。整体结构由13个零件组成，并且只有一个舵机，结构简易，控制简单，并且能够高效的完成对接锁定任务。
42.本发明对接机构没有主动被动的分别，两个对接机构除了舵机的转动方向相反外，其结构与操纵远离完全相同，具有拓扑结构的统一性。所有零件特征简单，具备大规模数控加工的特点，具备良好的标准特性。
附图说明
43.为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。
44.图1是本发明实施例提供的基于飞行阵列的全方位对接系统的爆炸图。
45.图2是本发明实施例提供的锁定轨道环的结构示意图。
46.图3是本发明实施例提供的基于飞行阵列的全方位对接系统的45
°
轴测图。
47.图4是本发明实施例提供的基于飞行阵列的全方位对接系统的剖面图。
48.图中：1、驱动舵机；2、对接外壳；3、轴承环；4、锁定轨道环；401、固连螺丝滑道；402、锁定通道；403、锁紧橡胶孔；404、轴承止推块；405、固定滑道；5、舵机臂；6、缓冲块；7、固定环垫片；8、锁紧橡胶；9、固定环垫片螺丝；10、锁紧橡胶螺丝；11、高度调节装置；12、一级固定螺丝；13、二级固定螺丝。
49.图5是本发明实施例提供的对接卡扣的位置与结构示意图。
50.图6是本发明实施例提供的对接锁定过程中，对接卡扣的行为示意图。
51.图7是本发明实施例提供的对接过程位置路线图。
52.图8是本发明实施例提供的对接到锁定的过程轴测图与剖面图，其中，a为装置接触时轴测图，c为此时剖面图；b为对接完成时轴测图，d为剖面图。
53.图9式是本发明实施例提供的应用于阵列拓扑结构中的对接面形式与数量。
具体实施方式
54.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
55.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于飞行阵列的全方位对接系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
56.如图1所示，本发明实施例提供的基于飞行阵列的全方位对接系统包括驱动舵机1、对接外壳2、轴承环3、锁定轨道环4、舵机臂5、缓冲块6、固定环垫片7、锁紧橡胶8、固定环垫片螺丝9、锁紧橡胶螺丝10、高度调节装置11、一级固定螺丝12、二级固定螺丝13。
57.驱动舵机1安装在对接外壳2上固定驱动舵机1的特征结构上。
58.对接外壳2外形呈圆柱形，内部中空；周围分布四个孔与无人机机体结构固连；内部中空的半圆形凸起固定轴承环3，限制轴承环3的横向位移；圆柱形凸起限制锁定轨道环4的动作。
59.轴承环3外柱面安装在对接外壳2的半圆形凸起内，内柱面安装在锁紧片上，采用过盈配合限制轴向位移。
60.锁定轨道环4安装在轴承环3内环上，底面的固连螺丝滑道401与舵机臂5通过固连；凹陷内安装缓冲块6，通过锁紧橡胶孔403连接；周围固定滑道405锁定轨道环4的位置；周围的锁定通道402，其作用为：圆孔为另一个对接机构的锁紧橡胶8插入的位置，半环形通道为滑动时的轨道，最终实现法向锁定。
61.舵机臂5安装在驱动舵机1上，与锁定轨道环4固连。
62.缓冲块6安装在锁定轨道环4的凹陷圆柱内，与舵机臂5与锁定轨道环4固连。
63.固定环垫片7通过固定环垫片螺丝9连接固定在对接外壳2内部圆柱形凸起上。
64.锁紧橡胶8材质为橡胶材料，通过锁紧橡胶螺丝10连接在缓冲块6、锁定轨道环4上，最终结合固定螺丝保证结构固连。
65.固定环垫片螺丝9为m2
×
6mm型号的螺丝。
66.锁紧橡胶螺丝10为m2
×
16mm型号的螺丝。
67.高度调节器11由若干m2
×
1mm垫片组成。
68.固定螺丝为m2螺母，锁定上述锁紧橡胶螺丝10上连接对象的位置。
69.如图2所示，一种基于飞行阵列的全方位对接系统及方法，其特征为：
70.锁定轨道环4的特征包括：固连螺丝滑道401、锁定通道402、锁紧橡胶孔403、轴承止推块404、固定滑道405。
71.固连螺丝滑道401分布在锁定轨道环4中心，由m12的圆孔与外部分布的θ6的滑道组成，六个滑道之间夹角为60度；
72.锁定通道402由r27，90度的内圆弧，r33的外圆弧之间的区域组成，起始端为m6的圆弧，终止段为θ16的圆弧；
73.锁紧橡胶孔403为标准m2螺纹孔，分布在整体结构最下端；
74.轴承止推块404分布在锁定轨道环4内测，高度为4mm，分布在固定滑道405与圆柱形凸起、锁定通道402与圆柱形凸起之间；
75.固定滑道405由r27，90度的内圆弧，r33的外圆弧之间的区域组成，起始端与终止段为θ6的圆弧。
76.如图3、4所示，驱动舵机1作为对接机构的动力源；
77.对接外壳2作为对接机构的整体安装结构，其内部的各种特征的作用为：内部中空留给舵机作动；周围分布四个m3螺丝孔，与无人机机体结构连接；内部中空处外分布有半圆形的凸起，固定轴承环3，限制轴承环3相对于对接外壳2的横向位移；外壳内部的圆柱形凸起限制锁定轨道环4的动作。
78.轴承环3与锁定轨道环4采用过盈配合，限制两者共同的轴向位移。
79.锁定轨道环4内凸起的固连螺丝滑道401与舵机臂5通过若干m2螺丝固连；凹陷的顶部小圆柱通过分布在其周围的一个m3的锁紧橡胶孔403与舵机臂5固连；固定滑道405固定锁定轨道环4的位置，插入对接外壳2上的柱状凸起，使其只能进行轴向转动；其周围锁定通道402是另一个对接机构的锁紧橡胶8插入的位置，半环形通道为滑动时的轨道，最终实现法向锁定。
80.舵机臂5安装在驱动舵机1上传递舵机的转动。
81.缓冲块6缓冲对接碰撞，固连舵机臂5与锁定轨道环4。
82.固定环垫片7限制锁定轨道环4的轴向位移，固定位置。
83.锁紧橡胶8材质为橡胶材料，在两个对接机构对接完成时，限制两者的相对位移。
84.固定环垫片螺丝9连接固定环垫片7。
85.锁紧橡胶螺丝10连接锁紧橡胶8、高度调节器11、锁定轨道环4、缓冲块6，并结合一、二级固定螺丝13实现连接锁定。
86.高度调节器11调节锁紧橡胶8的伸出长度，调节对接机构的容许间隙。
87.固定螺丝13锁定上述锁紧橡胶螺丝10上连接对象的位置。
88.如图5所示，一种基于飞行阵列的全方位对接系统及方法，其特征为：
89.对接锁定的基本原理为：
90.锁紧橡胶8通过锁紧橡胶螺丝10连接在缓冲装置及锁定轨道环4上，通过高度调节器11调节伸出长度；
91.一级固定螺丝12锁定高度调节装置11与缓冲块6的位置，二级固定螺丝13锁定其余结构与锁定轨道环4的位置；
92.通过调节高度调节器11，使锁紧橡胶8在对接过程中，当两个对接机构的缓冲块6碰撞后，使其能够最大程度的贴合另一个对接机构的锁定轨道环4内壁，然后通过相对旋转，使其固连；
93.锁定通道402的θ16圆孔为锁紧橡胶8插入的位置，θ6的通道为相对滑动动作发生时的作动轨道。
94.如图6所示，一种基于飞行阵列的全方位对接系统及方法，其特征为：滑动锁定阶段的动作特点为：
95.另一个对接机构的锁紧橡胶8斜方向插入锁定通道402的θ16圆孔内，此时在缓冲
块6的接触作用下，两个对接机构的法向位移锁定；
96.一个对接机构的驱动舵机1顺时针旋转45度，与其同时，另一个对接机构的驱动舵机1逆时针旋转45度；
97.最终实现如图6b中所示的动作，两个对接机构的锁紧橡胶8分别处在对方的锁定通道402内，由于高度调节器11的调节作用，使其能够最大程度地贴合在对方的锁定轨道环4内壁上，实现对接面法向位移锁定。
98.如图7所示，一种基于飞行阵列的全方位对接系统及方法，其特征为：
99.对接锁定动作分为三个阶段，分别为引导阶段、缓冲阶段、滑动阶段。
100.如图7中的(1)～(2)所示为引导阶段：
101.两架无人机产生对接动作，其中本发明安装的面为非正对面，两个非正正对面从法线60度方向靠近对接；
102.在非正对对接面与另一架无人机的对应面靠近时，对接机构开始准备对接，此时二者的直线距离大于正对面距离；
103.如图7中的(3)为缓冲阶段：
104.首先两个对接机构的缓冲块6上凸出的摇臂结构最先接触，并通过圆角结构滑动，缓冲块6的逐渐接触碰撞；
105.此时其中一个对接机构的锁紧橡胶8斜方插入另一对接机构的锁定通道402内，并随着距离的靠近而靠近；
106.由于橡胶的柔性，此时锁紧橡胶8会在法向推动力的作用下挤入锁定通道402的θ16圆孔内；
107.如图7中的(4)为滑动锁定阶段：
108.此时，两个对接机构的锁紧橡胶8已经插入对方结构的锁定通道402内，锁紧橡胶8也已经完全深入对方的锁定轨道环4内部锁定通道402内；
109.接下来驱动舵机1作动，使得其中一个对接机构顺时针旋转45度，另一个对接机构逆时针旋转45度，最终实现对接锁定；
110.在旋转的过程中，锁紧橡胶8紧紧贴合对方的锁定轨道环4内壁，此时高度调节器11在对方的锁定通道402内滑动，而锁定橡胶的直径远远大于锁定通道402的直径，保证两对接机构的轴向锁定。
111.分离解锁过程同样分为三个阶段：
112.如图7中的(4)所示为滑动释放阶段(滑动解锁阶段的逆运动)；
113.如图7中的(3)所示为缓冲阶段；
114.如图7中的(2)所示为远离阶段(引导阶段的逆运动)；
115.分离解锁过程中所有零件的行为与对接锁定过程中对应过程完全相同，步骤相反。
116.如图8所示，一种基于飞行阵列的全方位对接系统及方法，其特征为：对接过程中的滑动阶段两对接机构的行为：
117.当一个对接机构的锁紧橡胶8深入到另一个对接机构的锁定通道402内θ16圆口内时，此时两对接机构的状态为：缓冲块6圆柱面贴合，锁紧橡胶8的底面与锁定轨道环4底端共面；
118.当驱动舵机1开始动作时，在其作用下，一个对接机构的锁定轨道环4、缓冲块6顺时针转动45度，另一个对接机构同样的结构逆时针旋转45度；
119.在二者的相对运动下，高度调节器11在锁定通道402内开始相对滑动，同时，锁紧橡胶8贴合锁定轨道环4内壁，保证间隙的对接可靠性。
120.如图9所示，一种基于飞行阵列的全方位对接系统及方法，其特征为：拓扑结构中对接面的数量与关系为：
121.图示为含有9个模块的飞行阵列，其中，粗线条代表的对接面为正对面对接，细线条代表的面为非正对面对接，虚线代表不进行对接的面。
122.非正对面对接是在正对面对接的基础上对阵列的整体结构进行加固。
123.图中9个模块有8个正对面对接，有8个非正对面对接。
124.本发明应用于非正对面对接，并安装在每一个参与对接的面上，通过正对面的运动指引，两个非正对面相对于运动方向呈一定角度靠近，并在两个对接面完全贴近时锁紧。
125.本发明的具体实施实例是这样的：
126.首先装置的安装载体为正六边形结构，该正六边形结构分为两种对接形式：正对面对接、非正对面对接。
127.在形成飞行阵列时，首先若干的单模块通过正对面对接手段连接在一起，反映在图9中的关系即为：粗线条代表的正对面对接首先建立对接关系，正对面对接为两个正六边形面的法线共线的情况下实现，发生在两个对接模块之间。
128.然后细线条代表的非正对面对接继而建立对接关系，其对接过程中，两个对界面的法线平行但不共线，发生在任意相连的模块之间的非正对面上。
129.在模块对接的过程中，正对面对接装置的对接面正对且法线重合，并且对接面不断靠近。
130.同时，引导非正对面的对接，两者法线互相平行，并与运动方向呈一定角度靠近，直到锁紧弹簧深入到锁定通道内，之后旋转锁定。
131.本发明应用于非正对面对接，一个模块与另外两个模块实现正对面对接时；首先其中两个模块通过正对面对接实现连接；之后，另一个模块参与对接，同样由正对面对接实现；当正对面对接完成时，三个模块则会产生三个对接面，其中两个发生正对面对接，另一个面发生非正对面对接；
132.假设模块对接最终产生m个对接面，一共有n个正六边形模块参与对接，则发生正对面对接的对接面数量为(n
‑
1)个；发生非正对面对接的对接面有(m
‑
n+1)个。
133.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
134.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。