基于無(wú)人機(jī)的物流自動(dòng)投放系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

亢煒

（陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710038）

處于21 世紀(jì)背景下，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，小型無(wú)人機(jī)也能夠?qū)崿F(xiàn)更加豐富的功能，無(wú)人機(jī)設(shè)備包括GPS、激光、雷達(dá)和聲吶等，能夠采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、人為操縱多種方式，更好地幫助無(wú)人機(jī)執(zhí)行特定任務(wù)，譬如監(jiān)控目標(biāo)、跟蹤逃犯，精準(zhǔn)估計(jì)無(wú)人直升機(jī)所在位置及速度信息。雖然在無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展中，不同國(guó)家研究學(xué)者都展開(kāi)了對(duì)無(wú)人機(jī)問(wèn)題的系統(tǒng)研究，但是研究側(cè)重點(diǎn)仍然存在不同，包括集中于目標(biāo)識(shí)別、跟蹤策略、模擬理論等不同研究模塊。而文中研究則將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于近年來(lái)迅猛發(fā)展的物流快遞行業(yè)，即物流自動(dòng)投放系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。其中無(wú)人機(jī)所具備的“小微型”技術(shù)特點(diǎn)，也創(chuàng)造了更好的自動(dòng)智能快遞體驗(yàn)，可是總體無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用還尚未形成成熟體系，所以提出了基于無(wú)人機(jī)的物流自動(dòng)投放系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。豐富我國(guó)該領(lǐng)域的理論研究，為類似研究提供參考作用的同時(shí)，也為無(wú)人機(jī)在我國(guó)物流快遞行業(yè)領(lǐng)域更好地應(yīng)用提供指導(dǎo)價(jià)值[1-5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總架構(gòu)

文中研究是為了能夠設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投放的無(wú)人機(jī)投放系統(tǒng)，經(jīng)無(wú)人機(jī)、自主快遞柜、調(diào)度中心多個(gè)單位之間共同完成。那么，在設(shè)計(jì)該自動(dòng)投放系統(tǒng)時(shí)，作為該核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊的無(wú)人機(jī)快遞系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)人機(jī)快遞系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

物流投放系統(tǒng)主要包括了機(jī)械爪、投放塢（見(jiàn)圖2），通過(guò)在無(wú)人機(jī)上固定投放塢，經(jīng)機(jī)械爪連接凱夫拉線，便可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的工作流程。即在飛行無(wú)人機(jī)至指定投放點(diǎn)，然后經(jīng)電機(jī)1 啟動(dòng)投放塢，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械爪的投放控制，經(jīng)對(duì)電機(jī)1 的具體轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并對(duì)機(jī)械爪的具體下降速度進(jìn)行有效控制，從而對(duì)機(jī)械爪的具體下降姿態(tài)做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。直至到達(dá)地面均可以采用機(jī)械爪成功釋放包裹，最終將機(jī)械爪進(jìn)行回收并置于投放塢內(nèi)，這樣就完成了一次投放流程[6-10]。

圖2 無(wú)人機(jī)投放系統(tǒng)三維圖

2.1 系統(tǒng)硬件

圖3 為該機(jī)載無(wú)人機(jī)自動(dòng)投放系統(tǒng)的總架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括了小型無(wú)人直升機(jī)、投放塢、機(jī)械爪三大硬件組成，主要包括了主控板、超聲波、模板、無(wú)線模塊、電機(jī)模塊。

圖3 機(jī)載無(wú)人機(jī)自動(dòng)投放系統(tǒng)

2.2 主控芯片

在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)運(yùn)用了主控芯片型號(hào)為STM 32F103C8T6 單片機(jī)，能夠依照該單片機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用32 位ARM 微控制器，達(dá)到72 MHz 的工作頻率，在實(shí)際應(yīng)用中真正做到減小功耗，提高系統(tǒng)性能，且增加運(yùn)行速度等多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)。其中，該主控芯片出廠自帶SPI、I2C 接口控制器，能夠更好地與該系統(tǒng)的其他硬件模塊之間進(jìn)行有效通信。而且，該主控芯片還能夠?qū)崿F(xiàn)多路PWM 輸出，能較好地控制芯片內(nèi)部集成定時(shí)器的功能模塊。

2.3 機(jī)載處理器及傳感器

該機(jī)載處理器及傳感器運(yùn)用ODROID-U3 開(kāi)發(fā)板，能夠滿足四核A9處理器以2 GB RAM，達(dá)到1.7 GHz的主頻，可以應(yīng)用于高負(fù)載運(yùn)算的處理測(cè)試程序中，確保整體性能良好運(yùn)行，并滿足系統(tǒng)的負(fù)載量需求。ODROID-U3 在該系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)用中，由于具備了質(zhì)量輕、體積小的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，還能夠與多個(gè)外設(shè)接口相連接，其中擁有3 個(gè)USB 2.0 接口、一個(gè)RJ-45 網(wǎng)口和調(diào)試串口。并選用小巧輕便、方便機(jī)載安裝的USB 相機(jī)，采用了MPI6050 型號(hào)的6 軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器，能夠支持UVC 免驅(qū)協(xié)議，在Linux 開(kāi)發(fā)環(huán)境下成功開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，并且具備了各3 軸的陀螺儀、加速度，同時(shí)該傳感器還擁有I2C 第二個(gè)接口，能夠在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)用自帶DMP 連接嵌入式運(yùn)動(dòng)處理驅(qū)動(dòng)庫(kù)，來(lái)轉(zhuǎn)換處理加速度、陀螺儀兩個(gè)傳感器采集所獲的數(shù)據(jù)，最終得出四元數(shù)。該傳感器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，加速度、角速度這兩大測(cè)量范圍分別如下：

加速度：±2 g、±4 g、±8 g、±16 g；角速度：±250 rad/s、±500 rad/s、±1 000 rad/s、以及20 000 rad/s(dsp)，可以經(jīng)編程代碼控制以上兩個(gè)測(cè)量范圍，示例如下：

2.4 超聲波傳感器

文中自動(dòng)投放系統(tǒng)設(shè)計(jì)中運(yùn)用的超聲波傳感器型號(hào)為KS103H，該傳感器能夠做到對(duì)發(fā)出的超聲波型號(hào)進(jìn)行特有調(diào)制，然后進(jìn)行成功發(fā)射，能夠擁有較強(qiáng)抗干擾效果。并且該傳感器還自帶溫度補(bǔ)償，能夠完成8 m 的距離測(cè)量，達(dá)到偏差在1 mm 以內(nèi)的測(cè)量高精度，并且在測(cè)量過(guò)程中可以有效控制功耗，為了實(shí)現(xiàn)該傳感器和主控芯片之間的良好通信，同樣在內(nèi)部設(shè)計(jì)集成I2C 接口控制器。

2.5 電機(jī)模塊及無(wú)人機(jī)參數(shù)

為了在設(shè)計(jì)自動(dòng)投放系統(tǒng)中，滿足投放塢的低質(zhì)量、大扭矩電機(jī)技術(shù)需求，最終選擇使用能夠做到全方位無(wú)死角的連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，設(shè)計(jì)供電電壓為6 V，扭矩為7.5 kg/cm，能夠做到1.5 kg 以內(nèi)的包裹穩(wěn)定投放。采用小型飛行器，作為被控?zé)o人機(jī)，擁有成熟、簡(jiǎn)化的模型優(yōu)勢(shì)，對(duì)于指定任務(wù)目標(biāo)完成容易度更大，所以被廣泛運(yùn)用于航拍、監(jiān)測(cè)等無(wú)人機(jī)中。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用四旋翼經(jīng)緯M100 型號(hào)飛行器，擁有輕盈機(jī)身、較大有效載荷、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、動(dòng)力系統(tǒng)可以達(dá)到較久的續(xù)航時(shí)間，能夠方便后期的試飛、調(diào)試及執(zhí)行任務(wù)。經(jīng)串口連接上層處理器和飛控，并開(kāi)發(fā)SDK 完成相關(guān)參數(shù)傳遞。將錐形導(dǎo)向運(yùn)用于投放塢在投放中的固定導(dǎo)向，多連桿四指運(yùn)用于機(jī)械爪中，并運(yùn)用了TB6612FNG 驅(qū)動(dòng)芯片，能夠在運(yùn)用過(guò)程中達(dá)到較高的運(yùn)行效率和較大的電流量，并且設(shè)計(jì)兩個(gè)I/O 接口，一路PWM。這樣可以實(shí)現(xiàn)投放系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的牢固需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

文中基于無(wú)人機(jī)的物流自動(dòng)投放系統(tǒng)軟件，設(shè)計(jì)采用了嵌入式ARM 開(kāi)發(fā)板，并在PC 終端成功安裝了嵌入式Linux 操作系統(tǒng)及ROS 開(kāi)發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板同接地面站局域網(wǎng)，形成了ROS 網(wǎng)絡(luò)，在綁定兩個(gè)主機(jī)網(wǎng)卡IP 賬號(hào)時(shí)，通過(guò)ROS 網(wǎng)絡(luò)可以滿足主機(jī)之間的共享信息發(fā)布，從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)之間信息訪問(wèn)的便捷可靠，無(wú)需對(duì)通信層加以關(guān)注，作為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的ROS 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。針對(duì)部分需要通信的相關(guān)技術(shù)指令，經(jīng)某程序具體發(fā)布的相關(guān)信息話題，能夠完成傳統(tǒng)層面廣播。所以可以劃分該程序?yàn)槎鄠€(gè)小模塊程序，便于后期的調(diào)試管理[10-16]。

為了能夠成功可靠的對(duì)自動(dòng)投放系統(tǒng)機(jī)械爪、投放塢進(jìn)行控制，并獲得在不同姿態(tài)下的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。將PID 算法引入該系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理中，運(yùn)用PID 控制器主要包括了比例、積分、微分以上三大單元，結(jié)合該投放系統(tǒng)的實(shí)際PID 運(yùn)算應(yīng)用，選用積分分離式PID 算法如式（1）所示。

運(yùn)用該算法能夠?qū)﹄姍C(jī)正反轉(zhuǎn)、速度進(jìn)行有效控制，設(shè)計(jì)的投放塢程序、機(jī)械爪程序兩大控制流程圖如圖4、圖5 所示。

圖4 投放塢程序流程

圖5 機(jī)械爪程序流程

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)將文中設(shè)計(jì)的基于無(wú)人機(jī)的自動(dòng)投放系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際物流自動(dòng)投放中，設(shè)計(jì)的Linux 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)終端給出飛行器控制指令，經(jīng)監(jiān)控飛機(jī)端具體發(fā)布的實(shí)時(shí)位置、姿態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)UAV2car 成功獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)情況。經(jīng)該系統(tǒng)ROS 平臺(tái)架構(gòu)的自帶rqt 工具包，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)并繪制變化曲線，來(lái)更加直觀地觀察監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的變動(dòng)情況。

通過(guò)主控芯片經(jīng)傳感器、超聲波傳感器等獲得不同姿態(tài)下的控制數(shù)據(jù)，運(yùn)用以上PID 算法公式，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID 控制參數(shù)的反復(fù)調(diào)試，經(jīng)多次飛行投放實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可以獲得2.5 m 高度下的快遞自動(dòng)投放。并且設(shè)計(jì)的該無(wú)人機(jī)自動(dòng)投放系統(tǒng)，能夠成功控制無(wú)人機(jī)機(jī)械爪具體升降速度和定點(diǎn)高度，可以準(zhǔn)確穩(wěn)定地展開(kāi)投放工作，從而獲得預(yù)期系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，證實(shí)了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的可行性。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，通過(guò)文中設(shè)計(jì)的基于無(wú)人機(jī)的物流自動(dòng)投放系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，能夠擁有較高穩(wěn)定性且自重較低的投放技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠在人機(jī)適配應(yīng)用中，有效控制物流投放的原本時(shí)間，并且可以減少不必要的人力成本投入，不僅如此，在未來(lái)還能夠?qū)⒃撟詣?dòng)投放系統(tǒng)應(yīng)用于勘探、急救、救災(zāi)、高危采樣等多行業(yè)領(lǐng)域中，因此應(yīng)用前景十分廣闊。