一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)換電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊 睿，趙梓杰，蘭天翔，鄒紅艷

(南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210018)

0 引言

四旋翼無(wú)人機(jī)在當(dāng)代社會(huì)已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用，但是續(xù)航問(wèn)題還沒(méi)有得到很好的解決，一般無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間維持在10 min～20 min左右。因此，不少研究者提出一些方法以提升無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，例如利用無(wú)線(xiàn)充電等方式來(lái)延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)工作時(shí)間[1，2]，或者是通過(guò)使用燃料電池進(jìn)行續(xù)航[3]。張值勛等[4]提出通過(guò)算法提高無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間。但是有關(guān)無(wú)人機(jī)自動(dòng)返回?fù)Q電站更換電池的相關(guān)研究仍是較少。李海琳等[5]提出通過(guò)機(jī)器視覺(jué)和衛(wèi)星-慣性導(dǎo)航組合定位來(lái)返回移動(dòng)基站，但是成本較高。張帆等[6]對(duì)智慧換電平臺(tái)的設(shè)計(jì)作了簡(jiǎn)要說(shuō)明，但是缺少無(wú)人機(jī)返航方面相應(yīng)的論述。

超寬帶技術(shù)(Ultra-Wideband，UWB)由于擁有較低的系統(tǒng)復(fù)雜度、較低的發(fā)射信號(hào)功率譜密度、較好的測(cè)距能力等性能，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于各種定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中[7-15]。因此，本文將UWB技術(shù)與基于航軌推算法的IMU(Inertial Measurement Unit)定位技術(shù)相融合，作為無(wú)人機(jī)空間定位方式，并通過(guò)視覺(jué)識(shí)別換電站上圖標(biāo)的方式進(jìn)行無(wú)人機(jī)?？?，彌補(bǔ)UWB技術(shù)和IMU技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中容易產(chǎn)生較大誤差的缺陷。

本文設(shè)計(jì)的飛行器首先使用UWB技術(shù)結(jié)合TDOA(Time Difference of Arrival，到達(dá)時(shí)間差)算法，通過(guò)4個(gè)地面基站與飛行器之間的通訊得出飛行器在空間中的坐標(biāo)作大范圍低精度的定位；然后使用攝像頭作小范圍高精度定位，通過(guò)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行高斯濾波[16]結(jié)合霍夫變換法[17]，得到換電站平面的圖形信息，從而準(zhǔn)確降落。

1 UWB和IMU融合定位系統(tǒng)

1.1 UWB定位

UWB定位系統(tǒng)主要用于無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)的空間坐標(biāo)獲取，由各自搭載NodeMCU-BU01開(kāi)發(fā)板的4個(gè)基站和1個(gè)搭載NodeMCU-BU01模塊作為定位信標(biāo)的無(wú)人機(jī)組成。UWB定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 UWB定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

無(wú)人機(jī)標(biāo)簽坐標(biāo)的獲取采用TDOA算法，通過(guò)檢測(cè)無(wú)人機(jī)發(fā)出信號(hào)到達(dá)多個(gè)時(shí)間戳精準(zhǔn)同步的基站的時(shí)間差來(lái)計(jì)算無(wú)人機(jī)的實(shí)際坐標(biāo)。根據(jù)數(shù)學(xué)規(guī)律，到達(dá)兩個(gè)不動(dòng)點(diǎn)的距離差為固定常數(shù)的點(diǎn)一定在以這兩個(gè)不動(dòng)點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線(xiàn)上?，F(xiàn)有基站1、2、3、4，則會(huì)有4條雙曲線(xiàn)，且唯一都相交于無(wú)人機(jī)標(biāo)簽一點(diǎn)。算法示意圖如圖2所示。

圖2 TDOA算法原理示意圖

現(xiàn)假設(shè)基站與無(wú)人機(jī)搭載的定位標(biāo)簽時(shí)間戳同步，將4個(gè)基站和換電站的空間位置人為設(shè)置好。規(guī)定換電站的空間坐標(biāo)Sc=(xc,yc,zc)T。UWB定位解算出的無(wú)人機(jī)定位標(biāo)簽的空間坐標(biāo)為Sf1=(xf1,yf1,zf1)T?；緄的空間坐標(biāo)為Si=(xi,yi,zi)T，基站j的空間坐標(biāo)為Sj=(xj,yj,zj)T?；緄、基站j與無(wú)人機(jī)定位標(biāo)簽間的距離分別為Ri、Rj；Rij為基站i、基站j與定位標(biāo)簽的距離之差。當(dāng)定位標(biāo)簽發(fā)出信號(hào)后，基站i與基站j接收到的時(shí)間分別為ti、tj；tij為基站i收到定位標(biāo)簽發(fā)出信號(hào)的時(shí)間與基站j收到定位標(biāo)簽發(fā)出信號(hào)的時(shí)間之差。當(dāng)i=4時(shí)，j=1；否則,j=i+1；i,j=1,2,3,4。規(guī)定電磁波的傳播速度為C，則可以得到以下公式：

Rij=tij×C.

(1)

(2)

(3)

其中：Rij=Ri-Rj；tij=ti-tj。

(4)

(5)

由Rij=Ri-Rj可得：

(6)

將式(4)、式(5)代入式(6)中可得：

(7)

其中：xij=xi-xj；yij=yi-yj；zij=zi-zj。當(dāng)i=4時(shí)，j=1；否則,j=i+1；i,j=1,2,3,4。

最終代入數(shù)據(jù)求解式(7)，可解得無(wú)人機(jī)定位標(biāo)簽的空間坐標(biāo)Sf1=(xf1,yf1,zf1)T。

1.2 IMU定位

IMU是慣性測(cè)量單元的縮寫(xiě)，IMU結(jié)合了陀螺儀和加速度計(jì)，可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的矢量加速度和三軸角速度，廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)飛行控制。

IMU定位基于航軌推算法，即通過(guò)無(wú)人機(jī)前一時(shí)刻位置坐標(biāo)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)推算出當(dāng)前目標(biāo)的位置坐標(biāo)。反映在公式上表達(dá)如下：

(8)

其中：Sinit和Sf2分別為無(wú)人機(jī)的前一時(shí)刻位置坐標(biāo)和IMU定位推算出的當(dāng)前位置坐標(biāo)，分別為(xinit,yinit,zinit)T和(xf2,yf2,zf2)T；v為IMU解算得到的無(wú)人機(jī)前一時(shí)刻空間速度矢量，為(vx,vy,vz)T；a為無(wú)人機(jī)前一時(shí)刻空間加速度矢量，為(ax,ay,az)T；T為系統(tǒng)采樣時(shí)間。每一次計(jì)算出的當(dāng)前位置坐標(biāo)都作為下一刻的前一時(shí)刻坐標(biāo)。

1.3 UWB和IMU融合

基于TDOA的UWB定位需要信標(biāo)與基站的定位模塊時(shí)間戳完全同步，且信號(hào)的傳輸會(huì)受到較大的環(huán)境影響。而IMU定位是基于運(yùn)動(dòng)積分進(jìn)行的，因此歷史中的定位誤差會(huì)不斷累積體現(xiàn)在新的定位數(shù)據(jù)中，隨著時(shí)間的變化，定位精度不斷下降。將UWB和IMU定位進(jìn)行融合，可以很好地彌補(bǔ)各自的缺陷。UWB和IMU定位算法更新過(guò)程如圖3所示。

UWB定位解算出無(wú)人機(jī)坐標(biāo)Sf1=(xf1,yf1,zf1)T，IMU定位推算出無(wú)人機(jī)坐標(biāo)Sf2=(xf2,yf2,zf2)T。Sf1乘以權(quán)值B,Sf2乘以權(quán)值A(chǔ)，兩者求和得出無(wú)人機(jī)的解算坐標(biāo)Sf=(xf,yf,zf)T，并將無(wú)人機(jī)的解算坐標(biāo)作為下一次IMU定位坐標(biāo)推算的前一時(shí)刻位置坐標(biāo)。權(quán)值A(chǔ)、B根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)調(diào)節(jié)而定。上述計(jì)算用公式表達(dá)如下：

Sf=ASf2+BSf1.

(9)

A=1-B.

(10)

無(wú)人機(jī)執(zhí)行返航動(dòng)作后，實(shí)時(shí)比較無(wú)人機(jī)的空間坐標(biāo)和換電站的坐標(biāo)數(shù)據(jù)；當(dāng)xf≈xc，yf≈yc，zf-zc≈X時(shí)，開(kāi)始執(zhí)行視覺(jué)輔助定位。其中，X為無(wú)人機(jī)距離換電站的豎直高度，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的情況而定，確保攝像頭能捕捉到換電站上的圖形標(biāo)志。

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由于高度的測(cè)量難以進(jìn)行，因此本系統(tǒng)在學(xué)校操場(chǎng)進(jìn)行二維平面上的實(shí)驗(yàn)。由人拿著定位標(biāo)簽代替無(wú)人機(jī)。式(9)中的權(quán)值參數(shù)設(shè)置為：A=0.3，B=0.7。相關(guān)坐標(biāo)設(shè)置如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)坐標(biāo)設(shè)置 m

系統(tǒng)啟動(dòng)后，對(duì)定位誤差記錄如圖4、圖5所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)橫坐標(biāo)推算誤差

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)縱坐標(biāo)推算誤差

圖4、圖5為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差。從圖4和圖5中可以得出，UWB系統(tǒng)解算得出的坐標(biāo)誤差不穩(wěn)定，在0～11 cm左右。在采樣時(shí)間為4 min時(shí)，橫、縱坐標(biāo)的解算誤差達(dá)到最大，此時(shí)是由于基站2與無(wú)人機(jī)定位信標(biāo)的信號(hào)直線(xiàn)傳輸路徑被一擋板截?cái)?，由此可?jiàn)UWB定位系統(tǒng)受環(huán)境條件影響較大。IMU系統(tǒng)推算出的坐標(biāo)雖然一開(kāi)始誤差較小，但是隨著時(shí)間變化，誤差逐漸增大。將UWB和IMU定位技術(shù)融合后，補(bǔ)足了兩種方法各自的缺陷，減小了系統(tǒng)誤差，使其基本穩(wěn)定在0～9 cm左右。

2 視覺(jué)輔助定位

2.1 識(shí)別系統(tǒng)及流程

視覺(jué)部分采用樹(shù)莓派、攝像頭結(jié)合OpenCV對(duì)換電站平臺(tái)上的圖形進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，平臺(tái)表面示意圖如圖6所示。

圖6 換電站平臺(tái)示意圖

換電站正方形平臺(tái)為全黑色，中間從上至下分別有綠、紅、白三個(gè)圓形標(biāo)記，紅色圓心標(biāo)記位于平臺(tái)的正中央。檢測(cè)識(shí)別流程如圖7所示。

圖7 視覺(jué)定位檢測(cè)識(shí)別流程圖

在攝像頭開(kāi)始工作后，將采集到的每幀圖像拷貝一份，并將拷貝的圖像灰度化，通過(guò)高斯濾波減少圖像中的噪點(diǎn)。再通過(guò)霍夫變換法檢測(cè)出灰度圖中的圓。隨后將圓在灰度圖中的區(qū)域標(biāo)記在原始圖像上，并檢測(cè)圓形區(qū)域內(nèi)的顏色，同時(shí)提取三個(gè)圓的中心坐標(biāo)。

當(dāng)三個(gè)中心圓的橫坐標(biāo)未能保持在正方形平臺(tái)的中間，或紅色圓的圓形坐標(biāo)未能處于正方形平臺(tái)的正中心，或圖像中從上至下并非是綠、紅、白的順序，則不滿(mǎn)足要求，無(wú)人機(jī)需根據(jù)參數(shù)情況進(jìn)行平移或者旋轉(zhuǎn)直至要求滿(mǎn)足，視覺(jué)輔助定位部分結(jié)束。

2.2 圓檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)霍夫變換法對(duì)圖6中的圓進(jìn)行檢測(cè)，提取出中心坐標(biāo)。檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)圖6，給圖中圓自上而下編號(hào)為圓1、圓2、圓3。

由圖6和表2可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，視覺(jué)輔助定位方法可行。

表2 圓檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 無(wú)人機(jī)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在無(wú)人機(jī)自動(dòng)換電系統(tǒng)中，電源結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與換電過(guò)程關(guān)聯(lián)緊密，為保證換電過(guò)程的順利進(jìn)行，無(wú)人機(jī)端的微型處理器必須保持全程帶電不停機(jī)的狀態(tài)，為此設(shè)計(jì)大、小雙電池方案來(lái)構(gòu)建無(wú)人機(jī)的電源系統(tǒng)。

大電池為無(wú)人機(jī)的主電源部分，為11.2 V鋰電池，為無(wú)人機(jī)上所有設(shè)備供電。該電池設(shè)計(jì)為由電磁卡扣與機(jī)身連接的快速拆卸形式，方便在換電時(shí)電池快速脫落以及新電池的安裝。電池的兩個(gè)電源觸點(diǎn)與無(wú)人機(jī)電源系統(tǒng)之間使用接觸式彈簧觸點(diǎn)連接，在保證良好的電流供應(yīng)前提下做到了電池的快拆卸設(shè)計(jì)，如圖8所示。

圖8 無(wú)人機(jī)主電池部分結(jié)構(gòu)圖

副電池是無(wú)人機(jī)的備用電池，其容量較小。副電池保證無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在大電池脫落的情況下，與換電過(guò)程直接相關(guān)的器件有充足的電力供應(yīng)。在本系統(tǒng)中，以一塊超級(jí)電容作為無(wú)人機(jī)的副電池，其最大的特點(diǎn)是支持的充放電電流極大，完全可以滿(mǎn)足短時(shí)間大電流工作需求。

主電池需通過(guò)BUCK降壓DC-DC電路[18]進(jìn)行降壓，從而為無(wú)人機(jī)內(nèi)部所有低壓器件進(jìn)行供電。副電池的放電端需設(shè)置BOOST升壓DC-DC電路[19]，使輸出到系統(tǒng)的電壓維持穩(wěn)定。主、副電池的電路結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 主、副電池電路結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套無(wú)人機(jī)自動(dòng)換電的理論定位系統(tǒng)，通過(guò)UWB和IMU融合定位技術(shù)和圖像處理技術(shù)確保無(wú)人機(jī)在電池低壓后能夠自動(dòng)地返回?fù)Q電站進(jìn)行電池更換。在室外環(huán)境下，UWB和IMU融合定位技術(shù)可以控制定位誤差在0～9 cm左右，基本滿(mǎn)足定位的需求。通過(guò)研究分析，本文提出的方案雖然仍未解決無(wú)人機(jī)延長(zhǎng)供電時(shí)間等問(wèn)題，但是可以通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)并更換電池，達(dá)到更長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)執(zhí)行任務(wù)的效果，對(duì)于無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有一定的意義。