搭載電池快換裝置的無人機(jī)續(xù)航移動基站*

□ 李海琳 □ 平雪良,2 □ 田森文 □ 馮陸穎 □ 孫明春 □ 陳 壯

1.江南大學(xué) 君遠(yuǎn)學(xué)院 江蘇無錫 214122 2.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇無錫 214122

1 設(shè)計背景

近年來,無人機(jī)技術(shù)發(fā)展勢不可擋,但無人機(jī)續(xù)航時間短的問題始終限制著無人機(jī)行業(yè)的發(fā)展。針對如何提高無人機(jī)續(xù)航能力,有許多研究。從研發(fā)新型電池出發(fā),張旺旺等[1]提出通過鋪設(shè)足夠多的太陽能電池板來提供無人機(jī)飛行所需的動力。從研發(fā)具有混合動力的無人機(jī)出發(fā),張曉輝等[2]提出在鋰電池與燃料電池混合供電系統(tǒng)中,對燃鋰混合和飛行狀態(tài)進(jìn)行綜合優(yōu)化,進(jìn)而降低無人機(jī)的燃料消耗。從研發(fā)地面供電系統(tǒng)出發(fā),付松源[3]利用機(jī)載電源模塊和超輕型光電復(fù)合系統(tǒng)代替普通多旋翼無人機(jī)的機(jī)載電池,實現(xiàn)無人機(jī)持續(xù)滯空。從研發(fā)無線充電系統(tǒng)出發(fā),馬秀娟等[4]設(shè)計了基于無線充電耦合的無人機(jī)無線充電系統(tǒng),可以在錯位30 mm的范圍內(nèi)對80 W無人機(jī)正常充電。從研究智能更換電池系統(tǒng)出發(fā),FLYBi無人機(jī)能降落在起落甲板上自動更換電池。

上述研究的研發(fā)時間成本和經(jīng)濟(jì)成本均較高。新型燃料和混合動力目前不具備產(chǎn)業(yè)化能力。地面供電系統(tǒng)有地面高壓供電和飛行控制難度高等多個技術(shù)難點。無線充電系統(tǒng)容錯率較低,且對無人機(jī)降落精準(zhǔn)度要求高。目前的智能更換電池系統(tǒng)雖然較人工更換電池效率有所提升,但是更換后的電池仍需要人工取回進(jìn)行充電。

綜合上述研究背景,筆者設(shè)計了一種搭載電池快換裝置的無人機(jī)續(xù)航移動基站。移動基站是無人機(jī)的起降平臺,搭載電池自動快換裝置后可以實現(xiàn)自動更換電池,同時能夠攜帶電池盒裝置和移動電源裝置為無人機(jī)持續(xù)供能。

2 無人機(jī)續(xù)航移動基站組成

搭載電池快換裝置的無人機(jī)續(xù)航移動基站由四個模塊組成:① 機(jī)器視覺和衛(wèi)星-慣性導(dǎo)航組合定位系統(tǒng)雙重定位模塊,其關(guān)鍵技術(shù)是使用單目視覺提升衛(wèi)星-慣性導(dǎo)航組合定位系統(tǒng)的定位精度,從而獲得無人機(jī)自主降落的精準(zhǔn)位置信息;② 電池自動快換裝置模塊,用于無人機(jī)精準(zhǔn)降落后為無人機(jī)自動、迅速更換新電池,模塊中附有無人機(jī)降落標(biāo)志,輔助無人機(jī)視覺定位;③ 電池盒組與自動快充單元模塊,包括旋轉(zhuǎn)型電池座及與之相連接的自動快充單元,用于實現(xiàn)基站對多個無人機(jī)更換電池,持續(xù)供能;④ 全方位移動底盤模塊,用于搭載電池自動快換裝置模塊、電池盒組與自動快充單元模塊,并用作無人機(jī)的通信基站。搭載電池快換裝置的無人機(jī)續(xù)航移動基站系統(tǒng)框架如圖1所示。

▲圖1 無人機(jī)續(xù)航移動基站系統(tǒng)框架

2.1 機(jī)器視覺和衛(wèi)星-慣性導(dǎo)航組合定位系統(tǒng)雙重定位模塊

機(jī)器視覺和衛(wèi)星-慣性導(dǎo)航組合定位系統(tǒng)雙重定位模塊中,機(jī)器視覺負(fù)責(zé)采集無人機(jī)降落時的圖像,并對其進(jìn)行處理和傳輸。為減小運(yùn)算量并提高降落精度,設(shè)置標(biāo)識物進(jìn)行輔助視覺定位。衛(wèi)星-慣性導(dǎo)航組合定位系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理、融合全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù),這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)通過主控計算機(jī)融合,獲得更為精準(zhǔn)的位置信息。機(jī)器視覺和衛(wèi)星-慣性導(dǎo)航組合定位系統(tǒng)雙重定位模塊原理如圖2所示。

▲圖2 機(jī)器視覺和衛(wèi)星-慣性導(dǎo)航組合定位系統(tǒng)雙重定位模塊原理

筆者設(shè)計采用兩個內(nèi)置慣性測量單元的飛行控制器,兩個慣性測量單元之間的數(shù)據(jù)相互實時備份。外置高性能導(dǎo)航模塊,實現(xiàn)返航的精確性。配置STM32嵌入式單片機(jī)的USART2串行通信端口與個人計算機(jī)進(jìn)行通信,個人計算機(jī)的應(yīng)用程序通過機(jī)載計算機(jī)與連接至USART3串行通信端口的飛行控制器進(jìn)行通信。機(jī)載攝像頭采用OV7725攝像頭,其硬件自適應(yīng)曝光,且可與控制器連接,直接輸出數(shù)字信號,用于采集二維定點坐標(biāo)信息[5]。主控計算機(jī)通過串行總線接口接收飛行控制器和攝像頭的數(shù)據(jù),并在線完成所有數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理。

2.2 電池自動快換裝置模塊

電池自動快換裝置模塊和電池盒組與自動快充單元模塊相連接,包括摩擦輪裝置、移動平臺車外殼、電池旋轉(zhuǎn)更換裝置等部分,如圖3所示。電池自動快換裝置模塊中附有降落標(biāo)志,輔助視覺導(dǎo)航。采用摩擦輪裝置控制電池進(jìn)出,可減少對電機(jī)數(shù)量的需求。電池旋轉(zhuǎn)更換裝置采用抓手裝置與凸輪頂桿裝置相配合,可以方便實現(xiàn)電池盒組在電池旋轉(zhuǎn)更換裝置多個電池座上的固定與折卸。

▲圖3 電池自動快換裝置模塊結(jié)構(gòu)

2.3 電池盒組與自動快充單元模塊

電池盒組固定于電池自動快換裝置模塊上。電池盒組包括一個第一電池盒座、六個第二電池盒座、六個電池盒及六個航模電池。第一電池盒座固定于無人機(jī)腹部,第二電池盒座固定于電池旋轉(zhuǎn)裝置上。六個電池盒用于裝載航模電池,其中一個電池盒固定于第一電池盒座中,五個固定于第二電池盒座中,空置的一個第二電池盒座始終位于摩擦輪裝置正下方。自動快充單元包括移動電源和電池充電控制裝置。移動電源搭載于全方位移動底盤模塊上,電池充電控制裝置固定于電池旋轉(zhuǎn)更換裝置上,兩者通過內(nèi)部接線連接。電池盒與電池盒座的連接如圖4所示。

▲圖4 電池盒與電池盒座連接

2.4 全方位移動底盤模塊

全方位移動底盤模塊主要由動力模塊、傳感器模塊、控制模塊、無線通信模塊組成。動力模塊采用四個雙排全向輪間隔90°均布的方式,全向輪有主軸滾動方向、從動輪滾動方向、繞從動輪與地面接觸點轉(zhuǎn)動方向三個自由度[6],使底盤可以沿平面內(nèi)任意方向移動。全方位移動底盤模塊的車架設(shè)有多個通孔和預(yù)留空間,可用于搭載其它裝置。

3 雙重定位系統(tǒng)

目前一般的四翼無人機(jī)具有一鍵返航功能,即當(dāng)無人機(jī)完成既定任務(wù)收到自動返航指令或者丟失控制信號后,通過自身全球定位系統(tǒng)的記錄,自動返回返航點上方。由于全球定位系統(tǒng)信號易受環(huán)境影響,定位精度較低,無人機(jī)返航位置不精確,導(dǎo)致無法精準(zhǔn)降落。筆者在無人機(jī)一鍵返航基礎(chǔ)上,采用機(jī)器視覺與衛(wèi)星-慣性導(dǎo)航組合定位系統(tǒng)雙重定位來輔助無人機(jī)完成精準(zhǔn)降落。雙重定位系統(tǒng)流程如圖5所示。

▲圖5 雙重定位系統(tǒng)流程

機(jī)載攝像機(jī)采集視覺圖像,識別無人機(jī)降落標(biāo)志。為簡化識別算法,提高降落效率和魯棒性,筆者采用分級地標(biāo),如圖6所示。該分級地標(biāo)只有黑白兩色,且內(nèi)外輪廓為正方形,便于閾值分割、求解高度信息。圖像預(yù)處理包括圖像灰度化處理、平均濾波和圖像二值化處理[7]。圖像特征提取包括輪廓提取、矩形檢測、矩形聚類與識別,最終矩形數(shù)量最多的一類識別為正確目標(biāo)。位姿數(shù)據(jù)一般采用非迭代的即插即算位姿估計算法,由于筆者采用的分級地標(biāo)中特征點不多,因此采用基于面積特征的位置測量算法[8],解算出無人機(jī)相對位姿數(shù)據(jù)。采用濾波算法[9],融合全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)解算出無人機(jī)絕對位姿數(shù)據(jù)。主控計算機(jī)結(jié)合無人機(jī)相對位姿數(shù)據(jù)和絕對位姿數(shù)據(jù),解算出精準(zhǔn)的降落信息,傳輸至飛行控制器。筆者采用速度控制方式,結(jié)合比例積分微分控制原理[10],使無人機(jī)不斷向目標(biāo)點飛行,直至降落。

▲圖6 分級地標(biāo)

4 自動更換電池自動快充系統(tǒng)

無人機(jī)成功降落至移動底盤的無人機(jī)固定裝置上,電池自動快換裝置模塊和電池盒組與自動快充單元模塊通過四個步驟完成自動更換電池并自動快充電池的過程。第一步為固定無人機(jī),通過四個導(dǎo)軌,無人機(jī)固定裝置將無人機(jī)正位并固定。第二步為取電池。電池盒固定桿收縮,摩擦輪裝置啟動,使舊電池盒緩緩落至頂桿處,并隨頂桿繼續(xù)向下移動,落入電池盒座內(nèi),抓手裝置固定舊電池盒。第三步為安裝電池。圓筒形電池盒旋轉(zhuǎn),將新電池轉(zhuǎn)至無人機(jī)正下方,舊電池被抓手裝置固定,并觸發(fā)電池充電裝置,為舊電池充電,充電完成之后又自動斷開。新電池的抓手裝置松開,凸輪頂桿裝置將新電池盒推至摩擦輪處,摩擦輪反方向旋轉(zhuǎn),將電池盒推入電池盒座內(nèi)。第四步為裝置復(fù)位。無人機(jī)固定裝置復(fù)位,為下一次動作做好準(zhǔn)備。自動更換電池自動快充系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

5 結(jié)束語

筆者針對無人機(jī)續(xù)航時間短、人工更換電池過程復(fù)雜的問題,對現(xiàn)有的無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行集成和創(chuàng)新,設(shè)計了一種搭載電池快換裝置的無人機(jī)續(xù)航移動基站。這一無人機(jī)續(xù)航移動基站采用機(jī)器視覺和衛(wèi)星-慣性導(dǎo)航組合定位系統(tǒng)雙重定位技術(shù),通過速度控制結(jié)合比例積分微分算法使無人機(jī)不斷向目標(biāo)點飛行,降落標(biāo)志采用分級地標(biāo),解決小型四翼無人機(jī)自主降落位置不精確的問題。應(yīng)用這一無人機(jī)續(xù)航移動基站,可以簡化更換電池的過程,搭載于全方位移動底盤模塊上的電池盒組與自動快充單元模塊能夠?qū)崿F(xiàn)為多個無人機(jī)持續(xù)更換電池。