基于北斗導(dǎo)航無人機抓投系統(tǒng)設(shè)計

朱通

（天津工業(yè)職業(yè)學(xué)院，天津，300400）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，無人機越來越多地走向千家萬戶，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，無人機的實用性不斷提高，無人機技術(shù)具有廣闊的市場、良好的發(fā)展前景和應(yīng)用前景。無人機的定點抓取拋投技術(shù)有著時間短、效率高、輕便等優(yōu)點，為大家?guī)碓S多便利。目前國內(nèi)主要利用無人機進(jìn)行航拍和搜尋功能，不能充分利用無人機的各個優(yōu)點，隨著近兩年無人機民用市場的加速成長，物流、快遞、餐飲送餐、保險查勘等新領(lǐng)域的嘗試應(yīng)用也紛紛出現(xiàn)。

我國自主研發(fā)的北斗系統(tǒng)也越漸完善，實用性超越GPS。北斗衛(wèi)星的定位和通信雙重作用，可以應(yīng)用到生活的各個方面，全天候地提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航等服務(wù)。

將北斗系統(tǒng)和無人機抓取技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)許多實用的功能，解決大量的問題，避免人力和財力的浪費，降低一定的危險性。使用無人機定點抓卸滅火彈，用于消防滅火，精確的定位可使無人機直接飛向火情發(fā)生處，不用考慮交通的不方便和發(fā)生火災(zāi)時上下樓困難等問題，節(jié)約了時間也避免了資源的浪費。也可用于送快遞和外賣，解決“最后一公里”問題。在快遞集裝車或外賣運餐車將快遞和外賣運送到目標(biāo)區(qū)域附近時，依靠北斗定位的功能，確保位置精確，再利用無人機靈活和速度快的優(yōu)點，將物品運送到單個的指定地點，避免了上下樓等重復(fù)活動。除此之外，可以使用無人機搭載高清攝像頭進(jìn)行地形的精準(zhǔn)勘測[1]。

1 設(shè)計方案

基于北斗導(dǎo)航的無人機自主抓投系統(tǒng)可以完成快遞、外賣的定區(qū)域定點投放與定點滅火等功能。

（1）小區(qū)火警滅火，將該產(chǎn)品安裝在小區(qū)的各個樓宇，當(dāng)小區(qū)火警器報警或者人為啟動無人機的方式使無人機啟動工作；無人機搭載的OpenMV 攝像頭可以準(zhǔn)確獲取起火位置，通過無人機底部的機械結(jié)構(gòu)將已準(zhǔn)備好的滅火劑投遞到火災(zāi)處。該產(chǎn)品更加節(jié)約了人工的成本，同時在危險情況下保證了火災(zāi)救援人員的安全，同時能夠更加及時地將火撲滅，保證了相關(guān)的財產(chǎn)，為小區(qū)提供了安全保障措施。

（2）無人機快遞投遞，該產(chǎn)品可以用于快遞的收件以及運送。通過快遞集裝車或外賣運餐車將無人機拉放到指定地點，啟動無人機，此產(chǎn)本可以通過攜帶的攝像頭模塊自主地識別物品，通過無人機底部的手抓可以將物品依次運送到千家萬戶。

（3）充當(dāng)實驗平臺，滿足學(xué)生相關(guān)科研需求。

2 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)需求，結(jié)合本系統(tǒng)特點，設(shè)計整體結(jié)構(gòu)框架圖如圖1 所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)框架圖

無人機完成特定的自主飛行任務(wù)需要有完整的控制邏輯，無人機自主飛行層次結(jié)構(gòu)可以按照以下分層。即為任務(wù)層、導(dǎo)航層、控制層三個方面。這三個層次之間信息聯(lián)系緊密，并且相互傳遞數(shù)據(jù)和信息。

任務(wù)層的主要功能是進(jìn)行決策，根據(jù)當(dāng)前的態(tài)勢，利用無人機定位數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的決策行為。控制層是控制整個飛機作出相應(yīng)的行為動作，以達(dá)到任務(wù)層發(fā)出的決策。定位系統(tǒng)是無人機組成系統(tǒng)中得非常重要的一部分，其對無人機的正常自主飛行有著至關(guān)重要的作用。無人機位置控制結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 無人機位置控制結(jié)構(gòu)圖

從圖2 可以看出，定位模塊在無人機中的作用十分重要，整個系統(tǒng)輸入目標(biāo)航向，然后無人機進(jìn)行外環(huán)的位置控制，控制無人機飛向目標(biāo)點，但是定位模塊實時的工作，為無人機傳輸精準(zhǔn)的定位信息，所以定位模塊工作正常時，無人機才能朝向目標(biāo)點飛行，無人機才能正常飛行，從而完成工作，所以無人機定位模塊的定位精度將為整個任務(wù)的實現(xiàn)提供重要的保障。

■2.1 無人機定位系統(tǒng)

無人機定位系統(tǒng)包括了兩個部分，無人機硬件傳感器和軟件算法。無人機定位傳感器包括北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和氣壓計、超聲波傳感器等。BDS 和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為無人機提供水平方向的位置信息，BDS 和氣壓計、超聲波為無人機提供高度方向的位置信息。利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，將結(jié)合北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)與自動控制、云計算等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，將傳統(tǒng)無人機控制技術(shù)結(jié)合“北斗+”，實現(xiàn)無人機的自主定位導(dǎo)航及自主飛行。

2.1.1 硬件定位系統(tǒng)

無人機定位傳感器包括北斗衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和氣壓計、超聲波定高模塊等，這些傳感器相互協(xié)作相互補充，達(dá)到對無人機高精度定位的效果。

北斗系統(tǒng)具有以下特點[2]：

北斗系統(tǒng)的空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，進(jìn)而抗遮擋能力強。

北斗系統(tǒng)可以提供多個頻點的導(dǎo)航信號。因此，可以通過多頻信號組合的使用等方式，進(jìn)而提高服務(wù)精度。

北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具有實時導(dǎo)航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務(wù)五大功能。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部集成有加速度計，加速度計通過積分和再次積分得到位置信息從而完成自主定位。該系統(tǒng)不會受到磁場如周圍電磁場及地磁場的干擾，不受周圍環(huán)境因素限制，所以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)常應(yīng)用于工業(yè)場景尤其是航空領(lǐng)域采用慣性導(dǎo)航最為廣泛。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在無人機上包括加速度計、陀螺儀，分別用于測量無人機機體的三維加速度信息和角度信息。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)牛頓第二定律，利用慣性測量單元加速度計測量機體加速度參數(shù)和偏角信息，加速度參數(shù)經(jīng)一次積分得到加速度，再次積分得到位置信息，由陀螺儀測量機體相對于慣性空間的偏角和角速度運動。

由于在城市樓宇下和樹木遮擋的情況下會導(dǎo)致衛(wèi)星信號不足進(jìn)而使得無人機通過衛(wèi)星定位不準(zhǔn)確的情況，因此采用氣壓計和超聲波傳感器對衛(wèi)星定位信號不足的情況下進(jìn)行補充定位。氣壓高度計傳感器是根據(jù)地球表面附近大氣壓強隨高度的增加而降低的原理來測量高度的傳感器，通過在無人機起飛之前測量得到地表大氣壓，再通過當(dāng)?shù)卮髿鉁囟忍荻?，在無人機飛行時即可根據(jù)當(dāng)前大氣壓強計算出此時無人機所處的高度。超聲波傳感器利用超聲波測距的原理測量無人機所處的高度，由于聲波在空氣中傳播的速度是一個固定值，利用超聲波探頭發(fā)出聲波和接收到聲波的時間差即可算得所處高度，超聲波傳感器在低空0.2～3m 時誤差很小[3]。

2.1.2 軟件定位系統(tǒng)

無人機軟件定位系統(tǒng)運行在機載嵌入式計算機內(nèi)，通過監(jiān)控所搭載的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、氣壓計和超聲波定高系統(tǒng)運用定位算法來計算無人機的實時位置。其中所采用的算法為粒子濾波算法，它利用蒙特卡洛方法和遞推貝葉斯估計，通過使用大量隨機樣本，能精確地為無人機提供軌跡規(guī)劃和自主飛行的指令。

（1）地面監(jiān)控系統(tǒng)

針對無人機自主飛行設(shè)計一套具有特定功能的地面站監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)同時具備了定位數(shù)據(jù)通信功能、可視化監(jiān)控功能和存儲定位數(shù)據(jù)的功能。無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通訊模塊與無人機進(jìn)行數(shù)據(jù)相互傳輸，實現(xiàn)地面站人員對無人機飛行狀態(tài)監(jiān)控。無人機地面站的顯示模塊實時地顯示二維平面飛行軌跡圖，直觀反映無人機的飛行狀態(tài)。在二維平面圖上規(guī)劃好航行軌跡，地面站實時的監(jiān)控?zé)o人機是否偏離軌跡飛行并利用人機界面發(fā)送各種飛行控制指令，然后無人機根據(jù)指令完成定高和航線飛行。無人機實時反饋飛行數(shù)據(jù)并存儲到地面站存儲模塊中。無人機定位監(jiān)控系統(tǒng)如圖3 所示[4～5]。

圖3 地面監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

通信模塊負(fù)責(zé)無人機與地面站之間的數(shù)據(jù)傳輸，無人機監(jiān)控系統(tǒng)接收無人機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要通過地面站的通信協(xié)議來接收，而通訊協(xié)議的作用就是確保地面站接收定位數(shù)據(jù)的正確性，為地面監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理做強有力的支撐。

本文無線數(shù)據(jù)通訊模塊中的通信協(xié)議采用如表1 所示。

通信協(xié)議的波特率為57600bit/s，一個校驗位，多個數(shù)據(jù)位，其中數(shù)據(jù)位是根據(jù)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)提前進(jìn)行設(shè)定。字頭作用就是用來判斷是否無人機已經(jīng)開始發(fā)送數(shù)據(jù)了，在無線通信過程中起到判斷作用。該通訊協(xié)議以0xFF 和0xFE開始。校驗位對數(shù)據(jù)字頭、數(shù)據(jù)和字尾進(jìn)行校驗，校驗的目的就是確保因為外界環(huán)境的干擾而接收錯誤的定位信息。數(shù)據(jù)塊主要包含了要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)參數(shù)，包括無人機定位數(shù)據(jù)、姿態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)以及無人機狀態(tài)數(shù)據(jù)，為實時判斷無人機狀態(tài)提供了重要的依據(jù)。字尾和字頭的作用一樣為了判斷本次數(shù)據(jù)是否接收完成。為接收下一次數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備[5]。

（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)和存儲

地面站軟件主要負(fù)責(zé)實時的采集無人機上的工控機傳輸?shù)臒o人機各個位置信息和姿態(tài)信息并進(jìn)行處理。本系統(tǒng)設(shè)計的地面站不僅能夠為無人機自主飛行發(fā)送控制指令，還能夠顯示無人機的飛行軌跡和飛控參數(shù)信息。包括了載體姿態(tài)數(shù)據(jù)信息、位置數(shù)據(jù)信息、所需要的任務(wù)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)信息以及電壓電流信息。無人機采集的數(shù)據(jù)通過通訊設(shè)備傳輸?shù)降孛嬲?，地面站通過程序解算所需要的數(shù)據(jù)，并存儲必要的數(shù)據(jù)信息。地面站軟件界面如圖4 所示。

圖4 地面站軟件界面圖

■2.2 無人機抓投模塊

本無人機抓投系統(tǒng)主要通過Solidworks 畫圖軟件進(jìn)行設(shè)計，通過3D 打印技術(shù)進(jìn)行實現(xiàn)。采用工程塑料材質(zhì)進(jìn)行打印，具有強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的特點。通此無人機設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)具有柔韌性好、不易于形變以及重量輕等特點。磨合相關(guān)齒輪，加入了舵機使得操作更加準(zhǔn)確，具有耗電低等優(yōu)點，圖5 為設(shè)計無人機抓投系統(tǒng)。此系統(tǒng)供電方式采用單獨供電的方法，避免與無人機共用同一供電系統(tǒng)對無人機信號造成干擾。

圖5 無人機抓投模塊

■2.3 無人機視覺模塊

此無人機通過搭載OpenMV視覺模塊對無人機進(jìn)行控制決策。視覺控制采用輪廓識別以及顏色識別的技術(shù)采取相關(guān)控制措施，比如當(dāng)此無人機應(yīng)用于小區(qū)居民滅火中時，將火警信號發(fā)送給無人機，無人機能夠在3s 內(nèi)迅速定位火災(zāi)地點并進(jìn)行啟動，通過抓投系統(tǒng)攜帶的滅火物體通過視覺模塊的顏色識別與自身溫度感應(yīng)方式對火災(zāi)精準(zhǔn)定位，從而精準(zhǔn)投遞到火災(zāi)區(qū)，完成滅火任務(wù)；當(dāng)無人機執(zhí)行快遞運送任務(wù)時，可以通過導(dǎo)航與視覺模塊的輪廓特征識別的方式將快遞進(jìn)行投遞與收取的任務(wù)。圖6為搭載在此無人機系統(tǒng)的視覺模塊。

圖6 無人機視覺模塊

■2.4 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)是無人機完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返場回收等整個飛行過程的核心系統(tǒng)。主要的實現(xiàn)功能包含無人機姿態(tài)穩(wěn)定控制、無人機任務(wù)設(shè)備管理以及應(yīng)急控制三大類。

■2.5 服務(wù)器與客戶端

此系統(tǒng)服務(wù)器用于實時收集和存儲無人機的飛行狀態(tài)信息，并且能通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給其他終端。客戶端可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程查看服務(wù)器傳輸過來的飛行信息和圖像信息。

■2.6 遙控系統(tǒng)

此無人機加入遙控系統(tǒng)，用戶可根據(jù)自己所需選擇相應(yīng)的模式：娛樂模式、航拍模式、自主投遞模式以及滅火模式等。

3 結(jié)論

通過對基于北斗導(dǎo)航無人機抓投系統(tǒng)的設(shè)計，可以得到以下幾點結(jié)論：

（1）無人機搭載北斗導(dǎo)航系統(tǒng)使其在我國及周邊地區(qū)的定位精度可達(dá)很高的級別，其服務(wù)性能與GPS 相當(dāng)甚至有多處地方超越。同時，北斗導(dǎo)航的安全性優(yōu)勢更為突出。

（2）限定小區(qū)域內(nèi)投放模式劃定物品投放范圍，無人機的活動范圍固定，航程相對全程配送更短，路徑規(guī)劃與定位跟蹤更為簡單，受到不可預(yù)測的影響概率相對較少。

（3）限定投放區(qū)域一般設(shè)在小區(qū)或其他陸上配送不便的區(qū)域，無人機可以憑借其自身優(yōu)勢克服人員密集環(huán)境和惡劣地形環(huán)境帶來的難題。

（4）所設(shè)計抓投模塊可以大幅度提高抓取速度，應(yīng)用更加便捷。