搭載電池快換裝置的無人機續航移動基站*

□ 李海琳 □ 平雪良,2 □ 田森文 □ 馮陸穎 □ 孫明春 □ 陳 壯

1.江南大學 君遠學院 江蘇無錫 214122 2.江南大學 機械工程學院 江蘇無錫 214122

1 設計背景

近年來,無人機技術發展勢不可擋,但無人機續航時間短的問題始終限制著無人機行業的發展。針對如何提高無人機續航能力,有許多研究。從研發新型電池出發,張旺旺等[1]提出通過鋪設足夠多的太陽能電池板來提供無人機飛行所需的動力。從研發具有混合動力的無人機出發,張曉輝等[2]提出在鋰電池與燃料電池混合供電系統中,對燃鋰混合和飛行狀態進行綜合優化,進而降低無人機的燃料消耗。從研發地面供電系統出發,付松源[3]利用機載電源模塊和超輕型光電復合系統代替普通多旋翼無人機的機載電池,實現無人機持續滯空。從研發無線充電系統出發,馬秀娟等[4]設計了基于無線充電耦合的無人機無線充電系統,可以在錯位30 mm的范圍內對80 W無人機正常充電。從研究智能更換電池系統出發,FLYBi無人機能降落在起落甲板上自動更換電池。

上述研究的研發時間成本和經濟成本均較高。新型燃料和混合動力目前不具備產業化能力。地面供電系統有地面高壓供電和飛行控制難度高等多個技術難點。無線充電系統容錯率較低,且對無人機降落精準度要求高。目前的智能更換電池系統雖然較人工更換電池效率有所提升,但是更換后的電池仍需要人工取回進行充電。

綜合上述研究背景,筆者設計了一種搭載電池快換裝置的無人機續航移動基站。移動基站是無人機的起降平臺,搭載電池自動快換裝置后可以實現自動更換電池,同時能夠攜帶電池盒裝置和移動電源裝置為無人機持續供能。

2 無人機續航移動基站組成

搭載電池快換裝置的無人機續航移動基站由四個模塊組成:① 機器視覺和衛星-慣性導航組合定位系統雙重定位模塊,其關鍵技術是使用單目視覺提升衛星-慣性導航組合定位系統的定位精度,從而獲得無人機自主降落的精準位置信息;② 電池自動快換裝置模塊,用于無人機精準降落后為無人機自動、迅速更換新電池,模塊中附有無人機降落標志,輔助無人機視覺定位;③ 電池盒組與自動快充單元模塊,包括旋轉型電池座及與之相連接的自動快充單元,用于實現基站對多個無人機更換電池,持續供能;④ 全方位移動底盤模塊,用于搭載電池自動快換裝置模塊、電池盒組與自動快充單元模塊,并用作無人機的通信基站。搭載電池快換裝置的無人機續航移動基站系統框架如圖1所示。

▲圖1 無人機續航移動基站系統框架

2.1 機器視覺和衛星-慣性導航組合定位系統雙重定位模塊

機器視覺和衛星-慣性導航組合定位系統雙重定位模塊中,機器視覺負責采集無人機降落時的圖像,并對其進行處理和傳輸。為減小運算量并提高降落精度,設置標識物進行輔助視覺定位。衛星-慣性導航組合定位系統負責處理、融合全球定位系統和慣性導航系統的數據,這兩部分數據通過主控計算機融合,獲得更為精準的位置信息。機器視覺和衛星-慣性導航組合定位系統雙重定位模塊原理如圖2所示。

▲圖2 機器視覺和衛星-慣性導航組合定位系統雙重定位模塊原理

筆者設計采用兩個內置慣性測量單元的飛行控制器,兩個慣性測量單元之間的數據相互實時備份。外置高性能導航模塊,實現返航的精確性。配置STM32嵌入式單片機的USART2串行通信端口與個人計算機進行通信,個人計算機的應用程序通過機載計算機與連接至USART3串行通信端口的飛行控制器進行通信。機載攝像頭采用OV7725攝像頭,其硬件自適應曝光,且可與控制器連接,直接輸出數字信號,用于采集二維定點坐標信息[5]。主控計算機通過串行總線接口接收飛行控制器和攝像頭的數據,并在線完成所有數據的運算和處理。

2.2 電池自動快換裝置模塊

電池自動快換裝置模塊和電池盒組與自動快充單元模塊相連接,包括摩擦輪裝置、移動平臺車外殼、電池旋轉更換裝置等部分,如圖3所示。電池自動快換裝置模塊中附有降落標志,輔助視覺導航。采用摩擦輪裝置控制電池進出,可減少對電機數量的需求。電池旋轉更換裝置采用抓手裝置與凸輪頂桿裝置相配合,可以方便實現電池盒組在電池旋轉更換裝置多個電池座上的固定與折卸。

▲圖3 電池自動快換裝置模塊結構

2.3 電池盒組與自動快充單元模塊

電池盒組固定于電池自動快換裝置模塊上。電池盒組包括一個第一電池盒座、六個第二電池盒座、六個電池盒及六個航模電池。第一電池盒座固定于無人機腹部,第二電池盒座固定于電池旋轉裝置上。六個電池盒用于裝載航模電池,其中一個電池盒固定于第一電池盒座中,五個固定于第二電池盒座中,空置的一個第二電池盒座始終位于摩擦輪裝置正下方。自動快充單元包括移動電源和電池充電控制裝置。移動電源搭載于全方位移動底盤模塊上,電池充電控制裝置固定于電池旋轉更換裝置上,兩者通過內部接線連接。電池盒與電池盒座的連接如圖4所示。

▲圖4 電池盒與電池盒座連接

2.4 全方位移動底盤模塊

全方位移動底盤模塊主要由動力模塊、傳感器模塊、控制模塊、無線通信模塊組成。動力模塊采用四個雙排全向輪間隔90°均布的方式,全向輪有主軸滾動方向、從動輪滾動方向、繞從動輪與地面接觸點轉動方向三個自由度[6],使底盤可以沿平面內任意方向移動。全方位移動底盤模塊的車架設有多個通孔和預留空間,可用于搭載其它裝置。

3 雙重定位系統

目前一般的四翼無人機具有一鍵返航功能,即當無人機完成既定任務收到自動返航指令或者丟失控制信號后,通過自身全球定位系統的記錄,自動返回返航點上方。由于全球定位系統信號易受環境影響,定位精度較低,無人機返航位置不精確,導致無法精準降落。筆者在無人機一鍵返航基礎上,采用機器視覺與衛星-慣性導航組合定位系統雙重定位來輔助無人機完成精準降落。雙重定位系統流程如圖5所示。

▲圖5 雙重定位系統流程

機載攝像機采集視覺圖像,識別無人機降落標志。為簡化識別算法,提高降落效率和魯棒性,筆者采用分級地標,如圖6所示。該分級地標只有黑白兩色,且內外輪廓為正方形,便于閾值分割、求解高度信息。圖像預處理包括圖像灰度化處理、平均濾波和圖像二值化處理[7]。圖像特征提取包括輪廓提取、矩形檢測、矩形聚類與識別,最終矩形數量最多的一類識別為正確目標。位姿數據一般采用非迭代的即插即算位姿估計算法,由于筆者采用的分級地標中特征點不多,因此采用基于面積特征的位置測量算法[8],解算出無人機相對位姿數據。采用濾波算法[9],融合全球定位系統數據和慣性導航系統數據解算出無人機絕對位姿數據。主控計算機結合無人機相對位姿數據和絕對位姿數據,解算出精準的降落信息,傳輸至飛行控制器。筆者采用速度控制方式,結合比例積分微分控制原理[10],使無人機不斷向目標點飛行,直至降落。

▲圖6 分級地標

4 自動更換電池自動快充系統

無人機成功降落至移動底盤的無人機固定裝置上,電池自動快換裝置模塊和電池盒組與自動快充單元模塊通過四個步驟完成自動更換電池并自動快充電池的過程。第一步為固定無人機,通過四個導軌,無人機固定裝置將無人機正位并固定。第二步為取電池。電池盒固定桿收縮,摩擦輪裝置啟動,使舊電池盒緩緩落至頂桿處,并隨頂桿繼續向下移動,落入電池盒座內,抓手裝置固定舊電池盒。第三步為安裝電池。圓筒形電池盒旋轉,將新電池轉至無人機正下方,舊電池被抓手裝置固定,并觸發電池充電裝置,為舊電池充電,充電完成之后又自動斷開。新電池的抓手裝置松開,凸輪頂桿裝置將新電池盒推至摩擦輪處,摩擦輪反方向旋轉,將電池盒推入電池盒座內。第四步為裝置復位。無人機固定裝置復位,為下一次動作做好準備。自動更換電池自動快充系統工作流程如圖7所示。

5 結束語

筆者針對無人機續航時間短、人工更換電池過程復雜的問題,對現有的無人機技術進行集成和創新,設計了一種搭載電池快換裝置的無人機續航移動基站。這一無人機續航移動基站采用機器視覺和衛星-慣性導航組合定位系統雙重定位技術,通過速度控制結合比例積分微分算法使無人機不斷向目標點飛行,降落標志采用分級地標,解決小型四翼無人機自主降落位置不精確的問題。應用這一無人機續航移動基站,可以簡化更換電池的過程,搭載于全方位移動底盤模塊上的電池盒組與自動快充單元模塊能夠實現為多個無人機持續更換電池。