激光對(duì)微型無(wú)人機(jī)跟瞄充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 港,董大興,楊雁南

(南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院 應(yīng)用物理系，南京 210016)

引 言

微型無(wú)人機(jī)(micro-unmanned aerial vehicle，MUAV)具有靈活、高效、隱蔽及高安全性等特點(diǎn)，在軍用[1-3]和民用[4-6]領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。而現(xiàn)階段MUAV的廣泛應(yīng)用對(duì)其動(dòng)力方面的要求顯著提升，提高M(jìn)UAV的續(xù)航時(shí)間已經(jīng)成為研究人員廣泛關(guān)注的重要問(wèn)題?；诩す饽芰考小⒎较蛐院靡约疤刂萍す怆姵卦试S照射光強(qiáng)大、光電轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，以激光束作為無(wú)線能量傳輸載體對(duì)MUAV進(jìn)行實(shí)時(shí)充電，是提高M(jìn)UAV續(xù)航時(shí)間的一條有效途徑[7-13]。但這種實(shí)時(shí)充電方式需對(duì)飛行過(guò)程中的MUAV進(jìn)行精準(zhǔn)、快速的跟蹤，才能保證激光束始終對(duì)準(zhǔn)激光電池片，以實(shí)現(xiàn)MUAV的高效充電[14]。

從國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展的激光對(duì)移動(dòng)目標(biāo)跟蹤瞄準(zhǔn)的相關(guān)研究報(bào)道看，激光對(duì)移動(dòng)目標(biāo)跟瞄方式主要分為兩類：(1)采用四象限光電探測(cè)器、光電二極管等光電傳感器對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，該類方式可以將光電傳感器直接放置在移動(dòng)目標(biāo)上，其感知的目標(biāo)位置信息通過(guò)無(wú)線傳輸方法傳送到激光發(fā)射端，用以控制激光束的發(fā)射方位[15]，也可以將光電傳感器放置在激光發(fā)射端，而在移動(dòng)目標(biāo)上放置角錐反射鏡，利用角錐鏡等光學(xué)器件反射回光電傳感器上的激光信號(hào)來(lái)控制激光束的發(fā)射方位[16-17];(2)采用電荷耦合器件(charge-coupled device,CCD)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)等圖像傳感器對(duì)移動(dòng)目標(biāo)或激光光斑位置進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)激光對(duì)MUAV的實(shí)時(shí)充電[18-19]。這兩類跟蹤瞄準(zhǔn)方式各有特點(diǎn)：第1類方式由于光電傳感器硬件響應(yīng)時(shí)間的限制，跟蹤速度受到制約，但跟蹤精度較高，該方式比較適用于線度小、移動(dòng)速度低的目標(biāo)跟蹤瞄準(zhǔn)；第2類方式由于圖像處理速度快，因此跟蹤速度較高，但由于圖像清晰度的影響，跟蹤精度會(huì)受到限制，該方式比較適用于線度大、移動(dòng)速度高的目標(biāo)跟蹤瞄準(zhǔn)。

為了提高旋翼式MUAV的續(xù)航時(shí)間和工作性能，本文中設(shè)計(jì)并搭建了一套基于振鏡的激光遠(yuǎn)程充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用掃描振鏡、硅光電池陣列和無(wú)線數(shù)傳模塊構(gòu)建閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，通過(guò)合理布置硅光電池陣列，使之同時(shí)兼顧激光束對(duì)空中移動(dòng)MUAV的掃描跟蹤和充電功能，且接收端結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、輕巧，可有效提高M(jìn)UAV的續(xù)航時(shí)間。

1 激光跟瞄充電系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)激光對(duì)飛行中MUAV的實(shí)時(shí)充電，首先要實(shí)現(xiàn)激光束對(duì)MUAV的掃描與捕獲，之后需要激光束對(duì)MUAV實(shí)時(shí)地跟蹤與瞄準(zhǔn)。因此，在置于地面上的激光發(fā)射端與加載到MUAV上的激光接收端間建立了一套閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

激光發(fā)射端由光纖輸出的高功率半導(dǎo)體激光器、光束整形光學(xué)器件和二軸掃描振鏡組成，光束整形光學(xué)器件對(duì)光纖輸出的激光束進(jìn)行勻化和調(diào)焦，以實(shí)現(xiàn)激光束發(fā)散角大小可調(diào)；激光束先后照射到可繞兩垂直x-y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的全反射振鏡上，通過(guò)控制振鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，可使激光束在一定的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的瞄準(zhǔn)。激光接收端由硅光電池陣列與MUAV上的鋰電池組成，硅光電池陣列將照射到其上激光能量轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)升壓整流電路為MUAV上的鋰電池進(jìn)行充電。

同時(shí)，硅光電池陣列在激光照射前后負(fù)載電壓信號(hào)發(fā)生變化，由單片機(jī)芯片處理后進(jìn)行模/數(shù)信號(hào)采樣識(shí)別，采用跟蹤算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，獲取激光斑與硅光電池陣列的相對(duì)位置信息，將此位置信息進(jìn)行編碼處理后，由無(wú)線數(shù)傳模塊傳輸?shù)降孛婵刂葡到y(tǒng)。在地面控制端，控制器將反饋的信息進(jìn)行解碼，再通過(guò)相應(yīng)控制算法進(jìn)行處理，輸出對(duì)二軸振鏡的數(shù)字電壓控制信號(hào)，并通過(guò)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(digital-to-analog converter,DAC)模塊轉(zhuǎn)換為模擬電壓控制信號(hào)，用來(lái)調(diào)整二軸振鏡姿態(tài)，使激光束偏轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，實(shí)現(xiàn)激光對(duì)MUAV的實(shí)時(shí)跟蹤瞄準(zhǔn)。若MUAV端無(wú)電壓信號(hào)反饋，則表示激光束未照射到硅光電池陣列，此時(shí)控制系統(tǒng)則會(huì)控制振鏡在充電區(qū)域內(nèi)按照掃描算法快速掃描，直至激光束捕獲到硅光電池陣列;若有激光照射的位置信息反饋，閉環(huán)控制系統(tǒng)便進(jìn)入正常的跟蹤瞄準(zhǔn)工作模式。位于地面上的激光掃描振鏡及其控制系統(tǒng)如圖2所示。

Fig.1 Structrue block diagram of laser aiming charging system for MUAV

Fig.2 Prototype of laser scanning galvanometer and its control system

在本系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)振鏡轉(zhuǎn)角的輸入信號(hào)為MUAV上硅光電池陣列與激光束的相對(duì)位置經(jīng)掃描跟蹤算法處理后所得控制信號(hào)。振鏡上兩反射鏡片尺寸為7mm×11mm×0.6mm，鏡片光學(xué)反射率大于98%。控制器提供的電壓信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)放大電路和DAC模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和與電機(jī)固連的鏡片轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制激光束發(fā)射方向。振鏡的掃描速率為20×103packet/s，模擬電壓信號(hào)在-10V～+10V變化，對(duì)應(yīng)每個(gè)反射鏡片-20°～+20°的角度變化，且角度變化與電壓信號(hào)變化成線性關(guān)系。振鏡電機(jī)的小角度步進(jìn)響應(yīng)時(shí)間為0.15ms，可識(shí)別0.001V的電壓波動(dòng)，因此具有很高的跟蹤靈敏度和跟蹤精度。

MUAV端硅光電池陣列設(shè)計(jì)如圖3所示。由9個(gè)硅光電池以3×3矩陣排列，當(dāng)有激光照射到硅光電池光敏面上時(shí)，硅光電池的負(fù)載兩端產(chǎn)生負(fù)載電壓，且在負(fù)載電阻不變時(shí)，照射的激光強(qiáng)度越大，光電流越大，負(fù)載電壓也越大。通過(guò)單片機(jī)芯片分別讀取各子電池的負(fù)載電壓信號(hào)，采用跟蹤算法處理即可得到激光斑在硅光電池陣列上的相對(duì)位置信息，再對(duì)該信息進(jìn)行傳輸和處理，就可實(shí)現(xiàn)激光束對(duì)硅光電池陣列的跟蹤。在整個(gè)激光充電模塊中，硅光電池陣列有兩個(gè)作用:一是作為光電信息位置傳感器，得到激光斑與光電池陣列的相對(duì)位置信息；二是作為電能獲取裝置，將激光能量轉(zhuǎn)換為電能，為MUAV上的鋰電池實(shí)時(shí)充電。即同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光定位跟蹤與實(shí)時(shí)充電兩種功能。

Fig.3 Prototype of laser charging module at MUAV

為了實(shí)現(xiàn)激光對(duì)運(yùn)動(dòng)MUAV的跟瞄，作者采用Nordic公司的NRF52840芯片作為信號(hào)傳輸與反饋的無(wú)線數(shù)傳模塊，該模塊具有功耗低、體積小、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),其樣機(jī)如圖4所示。NRF52840通過(guò)SPI接口與單片機(jī)芯片連接，進(jìn)行協(xié)議設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)通過(guò)串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)接口接收單片機(jī)芯片的控制指令，進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。RF52840的工作電壓為1.7V～5.5V，工作頻率為2402MHz～2480MHz，發(fā)射功率為-20dBm～+8dBm，同時(shí)內(nèi)部自帶32.768kHz晶振，功耗很低，工作時(shí)電流消耗僅為1.34μA，最大傳輸距離可到達(dá)550m，可適應(yīng)-40℃～85℃的惡劣工作環(huán)境。

Fig.4 Wireless data transmission module based on NRF52840

2 激光跟瞄充電系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

采用上述系統(tǒng)裝置完成激光對(duì)空中移動(dòng)MUAV的實(shí)時(shí)充電，需分兩步實(shí)現(xiàn)。第1步是激光束對(duì)MUAV的掃描與捕獲；第2步則是激光束對(duì)MUAV的跟蹤瞄準(zhǔn)。

2.1 掃描捕獲

首先，在選定單片機(jī)芯片作為控制掃描振鏡的主處理器后，為使系統(tǒng)整體工作模式簡(jiǎn)潔高效，采用2維圖形掃描作為主要掃描方式。

位于地面控制端的DAC模塊可通過(guò)SPI接口讀取16位二進(jìn)制數(shù)字電壓信號(hào)，為此，首先將MUAV飛行空域的2維平面離散為65535×65535個(gè)像素點(diǎn)，其次將掃描算法所用的2維掃描圖形進(jìn)行離散化處理，計(jì)算得出圖形中各離散點(diǎn)的2維坐標(biāo)，再將其轉(zhuǎn)化為數(shù)組存入到單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。在單片機(jī)運(yùn)行掃描算法時(shí)，就可直接按照掃描順序調(diào)用數(shù)組中的坐標(biāo)值，通過(guò)算法處理后，直接由單片機(jī)芯片的輸入/輸出(in/out,I/O)端口輸出相應(yīng)的數(shù)字電壓信號(hào)，DAC模塊再將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)振鏡轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，從而控制激光束發(fā)射方向，完成激光束對(duì)MUAV工作空域的掃描工作。圖5為系統(tǒng)掃描程序原理框圖。本文中選用螺線掃描方式對(duì)MUAV飛行空域進(jìn)行掃描，示意圖如圖6所示。

掃描起始坐標(biāo)為(32767，32767)，掃描參數(shù)方程為：

式中,v為掃描線速度,ω為掃描角速度,a為常數(shù)，t為時(shí)間。在中心點(diǎn)附近區(qū)域掃描角速度較大，這樣可降低掃描密度，有效提高掃描速度；而在掃描區(qū)域邊緣附近時(shí)掃描角速度較小，但分辨率和精度較高。該掃描方式有利于提高系統(tǒng)的掃描效率，可使激光束在較短的時(shí)間內(nèi)捕獲到硅光電池陣列。

Fig.5 Schematic diagram of system scanning program

2.2 跟蹤瞄準(zhǔn)

在激光束對(duì)硅光電池陣列的跟瞄過(guò)程中，采用和差算法通過(guò)對(duì)陣列中各硅光電池輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)跟瞄。系統(tǒng)照射到硅光電池陣列上的激光束近似為圓形光斑，且能量分布均勻。首先對(duì)陣列內(nèi)的子電池進(jìn)行編號(hào)，如圖7所示，然后以位于中心的5號(hào)子電池為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立2維坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系中對(duì)其余子電池進(jìn)行坐標(biāo)定位。

Fig.7 Schematic diagram of silicon photocell

和差算法根據(jù)激光斑發(fā)生位置偏移后各子電池負(fù)載電壓信號(hào)的不同進(jìn)行定位，在MUAV飛行過(guò)程中，激光斑中心相對(duì)硅光電池陣列中心有偏離時(shí)，各子電池會(huì)由于光斑信號(hào)的變化產(chǎn)生不同光電流I1，I2，…,I9，進(jìn)而產(chǎn)生不同電壓信號(hào)U1，U2，…,U9，且每個(gè)電壓信號(hào)的大小與照射到各子電池光敏面上的激光斑面積大小成正比。采用和差算法對(duì)該系列電壓信號(hào)進(jìn)行處理，即可得到光斑與光電池陣列的相對(duì)位置信息。通過(guò)定量計(jì)算可得，激光斑中心在硅光電池陣列坐標(biāo)系中的位置為：

式中,λ為常數(shù)，由此和差算法對(duì)激光束的位置信息判斷簡(jiǎn)單迅速。需要說(shuō)明的是，在單片機(jī)芯片對(duì)硅光電池陣列上輸出電壓的兩次采樣之間，若光斑偏移距離較大，則該算法得出的激光斑位置信息誤差較大，因此該算法對(duì)單片機(jī)芯片的采樣頻率要求較高。

同時(shí)，還采用卡爾曼濾波算法對(duì)激光斑中心下一時(shí)刻的位置進(jìn)行預(yù)測(cè)與修正，以減小跟蹤延遲，提高跟蹤速度及精度。設(shè)常態(tài)情況下MUAV勻速運(yùn)動(dòng)，但由于空氣中氣流干擾或飛行控制系統(tǒng)誤差，也會(huì)出現(xiàn)非勻速飛行的狀態(tài)?？柭鼮V波算法可將激光光斑中心在硅光電池陣列上的相對(duì)位置作為觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行濾波處理，將干擾項(xiàng)隨機(jī)加速度u2×1(k-1)(k表示采樣次數(shù))作為輸入向量，硅光電池輸出電壓信號(hào)的誤差作為觀測(cè)噪聲v2×1(k),下標(biāo)2×1表示2行1列的矩陣。將x、y軸方向的坐標(biāo)和速率作為狀態(tài)向量：

式中,T為信號(hào)采集周期，k為采樣次數(shù),Z(k)為第k次采樣對(duì)應(yīng)的相對(duì)位置觀測(cè)量。將(5)式和(6)式代入到卡爾曼濾波的預(yù)測(cè)和校正方程后,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)下一時(shí)刻激光斑中心位置的預(yù)測(cè)，減小跟瞄的時(shí)間延遲?？柭鼮V波算法是一個(gè)遞歸的過(guò)程，只需知道初始時(shí)刻MUAV坐標(biāo)測(cè)量值和速度計(jì)算值，即可得到下一時(shí)刻的最優(yōu)估計(jì)，該算法不需要保存其它原始數(shù)據(jù)，占用內(nèi)存極小且速度很快，非常適用于本系統(tǒng)中連續(xù)實(shí)時(shí)跟瞄的工作模式。

3 激光跟瞄充電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

在室外實(shí)驗(yàn)中，選用四旋翼MUAV做為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，將硅光電池陣列、單片機(jī)芯片電路板及一個(gè)NRF52840無(wú)線數(shù)傳模塊作為激光跟瞄充電系統(tǒng)的接收端，固定至MUAV底部，光電轉(zhuǎn)換器件采用BPW34S型號(hào)的貼片硅光伏電池，其光譜響應(yīng)范圍為400nm～1100nm，響應(yīng)時(shí)間為20ns，最大輸出功率可達(dá)150mW，硅光電池陣列電壓信號(hào)由單片機(jī)芯片采集后，經(jīng)掃描跟蹤算法處理得到二軸振鏡控制電壓信號(hào)，由無(wú)線數(shù)傳模塊傳輸?shù)降孛娑?；地面端由激光器、光束整形器件、二軸振鏡、控制系統(tǒng)及另一無(wú)線數(shù)傳模塊組成，考慮到硅光電池對(duì)不同波長(zhǎng)光轉(zhuǎn)換效率的差異和“大氣窗口”的存在，選用輸出波長(zhǎng)為808nm的光纖輸出半導(dǎo)體激光器，在該激光器照射下,選用硅光電池的光譜靈敏度可達(dá)到其最大靈敏度的90%，激光束經(jīng)非球面鏡組成的可變焦光束勻化準(zhǔn)直整形器件后，照射到二軸振鏡，地面端的無(wú)線數(shù)傳模塊將接收到的二軸振鏡控制電壓信號(hào)傳輸?shù)秸耒R控制模塊，控制振鏡電機(jī)及其固連的反射鏡片轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制激光束出射方向，實(shí)現(xiàn)激光束對(duì)硅光電池陣列的實(shí)時(shí)跟蹤。

對(duì)MUAV在不同飛行距離和飛行速度條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)可在空中直線距離100m的范圍內(nèi)準(zhǔn)確跟蹤MUAV，當(dāng)MUAV在距水平地面80m上空、直徑50m區(qū)域內(nèi)水平飛行，MUAV飛行速率低于2m/s時(shí)，本激光跟瞄充電系統(tǒng)能實(shí)時(shí)跟瞄到MUAV進(jìn)行充電，跟蹤精度低于0.63mrad。當(dāng)MUAV飛行速率超過(guò)5m/s后，跟蹤效果有所降低，激光束無(wú)法保證對(duì)硅光電池陣列的實(shí)時(shí)跟蹤。不盡人意的是，由于目前所用硅光電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低，且激光能量較高時(shí)，受溫度影響較大，因此系統(tǒng)整體充電效率不高。若選用允許光照強(qiáng)度大、光電轉(zhuǎn)換效率高的激光電池，可使系統(tǒng)充電效率大幅提升[20-22]。

4 結(jié) 論

為了延長(zhǎng)MUAV的續(xù)航時(shí)間，基于激光無(wú)線充電、振鏡掃描和反饋控制等技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)并搭建了一套激光對(duì)MUAV實(shí)時(shí)跟瞄充電系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)部分關(guān)鍵器件選取和總體性能優(yōu)化，以及編寫(xiě)配套的控制軟件，實(shí)現(xiàn)了地面激光束對(duì)空中飛行目標(biāo)的快速捕獲及高精度跟瞄充電。測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)MUAV的飛行高度為80m、飛行區(qū)域?yàn)橹睆?0m的圓形區(qū)域，飛行速率低于2m/s時(shí)，跟瞄精度低于0.63mrad。因此,本文中設(shè)計(jì)的跟瞄充電系統(tǒng)為激光對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)能量傳輸提供了一種有效的解決方案。