無人機(jī)電池快換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馮陸穎，平雪良，孫明春，郁章敬,4

(1. 江南大學(xué) 君遠(yuǎn)學(xué)院，江蘇 無錫 214122； 2. 浙江大學(xué)，浙江 杭州 310058；3. 寧波諾丁漢大學(xué) ,浙江 寧波 315154； 4. 中國科學(xué)院大學(xué)沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016)

0 引言

為節(jié)約人力成本，提高效率，市面上部分無人機(jī)已采用自動換電池的方案來解決電池容量不足引起的一系列問題[1]。精準(zhǔn)的定位及一定程度的固定是無人機(jī)自動換電池的前提和基礎(chǔ)。無人機(jī)自動返航時(shí)，著陸點(diǎn)距離初始起飛點(diǎn)會有1～2 m 的誤差[2]，通過視覺傳感器可以進(jìn)一步縮小離指定位置的位姿誤差[3-4]。然而普通無人機(jī)通過將GPS與視覺傳感結(jié)合的方式降落到換電池平臺后，其位置精度往往仍不能滿足換電池要求?，F(xiàn)已有通過外部裝置解決無人機(jī)定位的相關(guān)專利，如利用錐面解決精度問題，但對無人機(jī)腿部結(jié)構(gòu)做了較大改動，只能用于單一外形的無人機(jī)定位，而從腿內(nèi)側(cè)開槽的方式也要求無人機(jī)腿變粗[5]。又如利用帶傳動，從外向內(nèi)定位無人機(jī)來解決此問題，然而此裝置占地面積較大[6]。為了解決上述問題，本文提出一種無人機(jī)電池快換系統(tǒng)，該系統(tǒng)由外定位裝置與換電池裝置組成。其中外定位裝置將無人機(jī)自身具有的定位能力配合外部的機(jī)械定位，以實(shí)施對無人機(jī)的精準(zhǔn)定位及固定，為后續(xù)換電池操作提供良好的環(huán)境。所使用的特制電池盒，在適用于市面上大多數(shù)航模電池的同時(shí),既能牢牢固定于無人機(jī)，又方便被新的特制電池盒置換；通過換電池裝置上的齒輪驅(qū)動無人機(jī)上的齒條帶動連接電源的插頭進(jìn)行插拔，穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)能提高無人機(jī)換電池時(shí)的定位精度及速度，具有抗干擾能力強(qiáng)、算法簡單、實(shí)現(xiàn)成本低、占地面積小、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足正常工業(yè)生產(chǎn)需求。

1 無人機(jī)電池快換系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

本文提出的無人機(jī)電池快換系統(tǒng)示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)采用外定位裝置對已降落的無人機(jī)位姿進(jìn)行調(diào)整并固定，從而達(dá)到換電池所需要求，并采用換電池裝置對無人機(jī)進(jìn)行電池更換。

圖1 無人機(jī)電池快換系統(tǒng)示意圖

1.1 外定位裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無人機(jī)外定位裝置主要由外定位平臺、錐齒輪換向器、滾珠絲杠、定位桿及電機(jī)組成，整個(gè)機(jī)構(gòu)長700.5mm，寬650mm，高220.64mm,其裝置俯視圖如圖2所示。

圖2 外定位裝置俯視圖

在該外定位裝置中，錐齒輪換向器四周分別連接4根絲杠，連接電機(jī)的絲杠為左旋，其余均為右旋。這樣電機(jī)旋轉(zhuǎn)即可通過錐齒輪換向器分別帶動其余3根絲杠同步轉(zhuǎn)動，從而使絲杠螺母沿絲杠爬行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位桿的同步移動。絲杠螺母及其上零件示意圖如圖3所示。定位桿通過漲套與定位桿座連接，定位桿座通過4個(gè)螺栓固定至絲杠螺母座。由于絲杠螺母座與平臺距離6mm，為使定位桿始終平行于平臺移動，故利用外螺紋軸承進(jìn)行導(dǎo)向。

圖3 絲杠螺母及其上零件示意圖

1.2 換電池裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

換電池裝置主要由絲杠、不完全齒輪、滑塊、特制電池盒、舵機(jī)、推板、電機(jī)等組成。該裝置正視圖及左視圖如圖4、圖5所示。該電池快換裝置中，電機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，使絲杠螺母帶動推板延絲杠爬行，推動新電池置換舊電池，并將舊電池推向充電裝置，舵機(jī)控制推板在改變推電池方向時(shí)旋轉(zhuǎn)。不完全齒輪機(jī)構(gòu)在無人機(jī)降落時(shí)無齒輪處朝上，定位完成后不完全齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，帶動固定有插頭的齒條座沿滑軌向外滑動。

圖4 電池快換裝置正視圖

圖5 電池快換裝置左視圖

1.3 無人機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無人機(jī)主要由機(jī)身、支架、起落架、任務(wù)平臺、特制電池盒座組成，其側(cè)視圖如圖6所示。齒條座通過螺栓連接在MGN 9滑塊上，滑塊兩端裝有限位塊，兩限位塊內(nèi)側(cè)距離為24.5mm。XT60插頭通過XT60固定座固定于齒條座。海綿腿套位于如圖6所示位置。無人機(jī)定位時(shí)與定位桿接觸，定位時(shí)可提供較大的靜摩擦力防止無人機(jī)產(chǎn)生位移。

圖6 無人機(jī)側(cè)視圖

特制電池盒由特制電池盒底座、特制電池盒蓋、普通航模電池和XT60延長線組成，其實(shí)物圖如圖7所示。特制電池盒底座與特制電池盒一側(cè)利用梯形固定，另一側(cè)利用螺栓固定；而XT60延長線一端固定于特制電池盒底座，另一端與航模電池連接，極大地方便了特制電池盒內(nèi)航模電池的更換。

圖7 特制電池盒實(shí)物圖

1.4 電池快換工作原理

無人機(jī)電池快換系統(tǒng)在無人機(jī)換電池前后流程如下所述。

1)無人機(jī)接收到換電池指令，無人機(jī)內(nèi)部的飛行控制系統(tǒng)控制無人機(jī)自動返航至換電池裝置上空懸停，無人機(jī)通過視覺傳感器掃描換電池平臺上的二維碼調(diào)整自身位姿，隨后降落于無人機(jī)電池快換系統(tǒng)上。

2)外定位裝置收到無人機(jī)降落信號后電機(jī)動作，驅(qū)動電機(jī)軸所連接的絲杠轉(zhuǎn)動，此絲杠頭部所連錐齒輪帶動其余3個(gè)錐齒輪同步轉(zhuǎn)動，4個(gè)絲杠螺母座被其上固定的絲杠螺母帶動，沿絲杠向外爬行，此時(shí)絲杠螺母座上的4根定位桿同步向外移動，遇到無人機(jī)起落架則將其向外推；無人機(jī)4根起落架被4根定位桿卡住后，檢測到電機(jī)電流超過閾值，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，此時(shí)無人機(jī)腿上海綿腿套緊壓定位桿，無人機(jī)精確定位。

3)換電池裝置接收到無人機(jī)定位完成信號后，舵機(jī)帶動不完全齒輪轉(zhuǎn)動，帶動齒條座上的插頭向外移動。隨后電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動絲杠螺母上的推板將新的特制電池盒推向無人機(jī)上的特制電池盒座，舊的特制電池被推出無人機(jī)電池盒座。

4)新電池推到準(zhǔn)確位置后，舵機(jī)帶動不完全齒輪反向轉(zhuǎn)動，帶動齒條座上的插頭向內(nèi)移動。電池更換完畢，無人機(jī)上電。

5)外定位裝置收到信號，電機(jī)反轉(zhuǎn)使各絲杠螺母沿絲杠向內(nèi)爬行，直至導(dǎo)塊觸碰到碰撞開關(guān)，無人機(jī)外定位裝置復(fù)位，無人機(jī)啟動。

6)換電池裝置上的舵機(jī)旋轉(zhuǎn)90°，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母帶動推板移動一個(gè)特制電池盒寬度+2mm,隨后舵機(jī)反向旋轉(zhuǎn)90°，電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，帶動推板將耗盡電的特制電池盒推至充電座。

2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

無人機(jī)選用樹莓派作為上位機(jī)，因此視覺識別系統(tǒng)硬件部分主要由樹莓派4B以及通過板載攝像頭模塊CSI接口連接的樹莓派RPI 8MP攝像頭組成。樹莓派體積小、運(yùn)行速度塊，使用Python進(jìn)行編程，而Python擁有龐大的標(biāo)準(zhǔn)庫以及很多現(xiàn)成的開源代碼，因此大大降低了視覺識別的難度。成像設(shè)備方面,選用樹莓派RPI 8MP攝像頭，RPI 8MP體積小、質(zhì)量輕、工作電壓低、擁有800萬物理像素，畫面清晰細(xì)膩。

無人機(jī)電池快換系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由搭載STM32F407芯片的探索者開發(fā)板以及通過板上外設(shè)連接的2個(gè)大疆2006電機(jī)、2個(gè)馴龍者M(jìn)G995舵機(jī)、1塊PCA9685舵機(jī)控制板、5個(gè)碰撞開關(guān)組成。STM32F407探索者開發(fā)板資源豐富，有豐富的接口和功能模塊，滿足本次設(shè)計(jì)要求。大疆2006直流無刷減速電機(jī)搭配C610減速電調(diào)，額定轉(zhuǎn)矩為1N·m，可以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的精確控制。本次設(shè)計(jì)使用的舵機(jī)是馴龍者M(jìn)G995型號的180°數(shù)字舵機(jī)，能在0°～180°之間運(yùn)動，反應(yīng)快，角度精確，扭力大，采用雙軸承，內(nèi)阻小不抖舵，具有堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能。本設(shè)計(jì)中選用PCA9685控制以上兩個(gè)舵機(jī)，PCA9685是一個(gè)16路12位PWM信號發(fā)生器，價(jià)格便宜，且周期和占空比都可控，12位精度，i2c通信，可節(jié)省主機(jī)資源。碰撞開關(guān)采用的是歐姆龍SS-5GL2微動開關(guān)，體積小，質(zhì)量輕，安全穩(wěn)定。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

樹莓派RPI 8MP攝像頭作為樹莓派的外設(shè),可以直接通過芯片引腳實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)傳送,并對圖像進(jìn)行處理,得到二維碼3個(gè)定位角點(diǎn)在攝像頭所拍攝到的二維畫面中的坐標(biāo)值。將該坐標(biāo)值與圖片中心坐標(biāo)值進(jìn)行比較,便可得出無人機(jī)和外定位裝置的相對位置關(guān)系,隨后,樹莓派與無人機(jī)飛控進(jìn)行通信，無人機(jī)調(diào)節(jié)自身位姿。

無人機(jī)電池快換系統(tǒng)的主控板可以接收來自外定位裝置上碰撞開關(guān)的信號，判斷定位桿是否到達(dá)初始位置、極限位置，接收來自換電池裝置上碰撞開關(guān)的信號，判斷新的特制電池盒是否被推至無人機(jī)電池盒座對應(yīng)位置以及推板的兩個(gè)極限位置，接收來自外定位裝置上電機(jī)的電流信號判斷定位桿是否夾緊無人機(jī)。當(dāng)在行程范圍內(nèi)所接收到的電流增大時(shí)說明定位桿與無人機(jī)4根起落架接觸，主控板控制電機(jī)減速；當(dāng)電流急劇增大超出所設(shè)閾值時(shí)，說明無人機(jī)已被準(zhǔn)確定位，主控板控制電機(jī)停止動作。外定位裝置中主控板還可設(shè)置定位模式，一種為自適應(yīng)模式，定位控制系統(tǒng)通過定位時(shí)作用在電機(jī)上的負(fù)載判斷無人機(jī)是否被定位，從而控制電機(jī)的啟停；另一種模式為預(yù)設(shè)模式，主控板先通過自適應(yīng)模式感應(yīng)定位桿的定位終點(diǎn)位置，進(jìn)行記憶，下一次定位時(shí)，則可在定位桿接近無人機(jī)起落架前控制電機(jī)快速運(yùn)轉(zhuǎn)，并在定位桿貼近支撐腿時(shí)，使電機(jī)緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)，直至定位桿至定位終點(diǎn)位置時(shí)使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)際測試中，無人機(jī)飛行時(shí)，無人機(jī)上的特制電池盒座能將特制電池盒牢固、穩(wěn)定地固定在無人機(jī)上，外定位裝置能準(zhǔn)確、穩(wěn)定地將無人機(jī)定位在準(zhǔn)確位置，換電池裝置能順利為無人機(jī)置換電池。由于實(shí)驗(yàn)中只試驗(yàn)同一只無人機(jī)，為判定無人機(jī)是否定位完成采用了碰撞開關(guān)信號。需要指出的是，XT60插頭的插拔需要很大的力，會導(dǎo)致齒條座的變形，雖然能對插頭進(jìn)行插拔，但插入時(shí)總會留有縫隙。針對這個(gè)問題，后期對齒條座進(jìn)行了優(yōu)化，其剛度增加后該問題得到很大改善。未來可考慮將XT60插頭換成其他插拔力度更小的插頭。本裝置實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 裝置實(shí)物圖

4 結(jié)語

本文針對現(xiàn)有無人機(jī)換電池裝置存在的一些問題，設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)電池快換系統(tǒng)，有效解決了無人機(jī)續(xù)航時(shí)間短、電池充電周期長、更換裝置體積大、成本高等問題。其機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)精巧，控制簡單，采用的特制電池盒可以適應(yīng)市面上大多數(shù)的航模電池，應(yīng)用更加廣泛。此外，該無人機(jī)外定位裝置還可以拓展其他功能，如用于輔助無人機(jī)裝載物品時(shí)的定位，具有廣闊的發(fā)展前景。