無人機的智能機巢設計

劉茂豐 王偉 陸昱丞

【摘要】? ? 為解決現無人機執行任務時，由于電池電量限制，而無法長久執行任務的弊端，本文設計一種可以自動更換電池的智能機巢。該系統以SIMATIC S7-200SMART作為系統核心處理單元，系統主要通過光電傳感器檢測無人機位置，PLC控制及時做出相應，控制機械手操作電池盒，進行更換電池操作。并且利用高精度定位系統RTK進行誘導降落。經過實驗測試表明，本系統具備自主更換電池功能和誘導降落功能。

【關鍵詞】? ? PLC? ? 光電傳感器? ? 機械手? ? RTK

引言

隨著無人機快速發展和廣泛應用，無人機技術很好地解決了人們對工作上的需求[1]。在工作上，人們利用無人機進行架空電路的巡檢，但因其電池影響，不能長久工作，需要人工更換電池，極大的降低了工作效率。傳統的固定機巢，只具備控制無人機起降功能，保護無人機避免損傷。傳統固定機巢以一塊四平八穩的平臺供無人機起降，該平臺具備升降功能，在不需使用的時候，可以將無人機收納在內部，可以有效保護無人機。

隨著科技不斷的發展以及市場需求的變化，傳統的固定機巢不能滿足人們對工作上的需求。傳統的固定機巢需要人為選址放置，一般情況不輕易改變機巢位置，并且必須選取空曠且平穩的地方安置，因為無人機降落的時候會有誤差，無法保證在降落的時候，不會碰撞周邊物件，其作業范圍有一定限制 [2]。而智能機巢指的是以合理的機械結構設計為基礎，基于PLC控制，兩者相輔相成，利用PLC控制機械手抓取電池或放入電池。利用STM32F405芯片搭建智信息交互的智能處理單元，高精度定位系統RTK和智能處理單元之間采用CAN通信[3-4]，PLC控制和智能處理單元之間采用串口通信，高精度定位系統RTK獲取當前智能機巢的經緯度位置，通過智能處理單元發送經緯度位置給無人機，來誘導無人機降落。因此研究巡檢無人機的智能機巢具有重要意義。

一、系統總體方案設計

該系統框圖如圖1所示，該系統主要由智能處理單元（MCU）、RTK、PLC控制、機械手部分組成。其中MCU采用的是STM32F405芯片，主要負責數據的中轉;RTK板卡部分主要提供精確的經緯度信息;PLC控制部分主要功能是接受到指令后，操作機械手;機械手的功能是抓取電池。

二、系統硬件設計

2.1 智能處理單元

智能處理單元采用ST公司的STM32F405系列芯片，該芯片是ARM的Cortex-M4系列內核，最高工作頻率可達168 MHz，工作電壓在 2.0V-3.6V。該芯片具有192KB的SRAM、512KB的FLASH，該系列芯片擁有高性價比、低功耗等特點。在此基礎上搭載SIM7600CE-L的4G通信模塊，該模塊支持多種頻段，用于和無人機進行數據交互。

2.2 高精度定位系統RTK

如下圖2所示，RTK板卡采用諾瓦泰多頻單側板卡，支持多頻測向和定位解算，同時支持雙天線輸入。

2.3 PLC控制系統

PLC控制系統采用SIMATIC S7-200SMART作為主控。S7-200有5中CPU模塊，CPU226自帶24輸入和16輸出，同時具有良好的可擴展性，使用中小型控制系統中，用于本課題所設計的智能機巢，已經足夠。

2.4智能機巢設計

智能機巢由起降平臺、機械手和電池倉組成。起降平臺供無人機更換電池和起降。機械手為3軸自由度，分別X軸、Y軸和Z軸，每一個軸的機械手下方都安裝兩個光電傳感器，一個在起點位置，一個在終點位置，可以判定機械手的移動狀態。通過PLC控制電機轉動，從而帶動對應的機械手動作，最終可以完成更換電池操作[5]。如圖3所示。

2.5 機械臂設計

三軸機械臂均由絲杠帶動，從而向上、向下、向左、向右、向前和向后運動。絲杠由電機帶動，如圖4所示。

2.6 起降平臺設計

起降平臺有斜板和平板構成，斜板可以用作，無人機降落后，出現左右位置偏差，可以通過這種坡面，滑動至平板上，平板上有4處固定器，光電傳感器檢測到無人機降落后，固定器會自動向中間合攏，鎖緊無人機。固定器由氣缸帶動。如圖5所示。

三、系統功能實現

系統軟件部分主要流程包括以下步驟：

（1）系統初始化，該過程主要包括機械臂初始化，機械臂歸位于初始位置，等待指令下發。智能處理單元初始化，連接網絡，后臺控制中心可以獲取到當前機巢的信息。RTK獲取當前智能機巢經緯度位置。

（2）當無人機只想任務結束后，無人機通過4G通信模塊，將即將降落的信息發送至服務器，服務器將該條信息轉發至智能機巢，智能機巢獲取到信息后，發送RTK已經獲取到的機巢的經緯度至服務器，服務器將經緯度信息轉發至無人機，至此，形成一個閉環。無人機開始降落，在降落的過程實時接受智能機巢發送來的經緯度信息，隨時調整降落位置。

（3）無人機降落平穩后，智能機巢的起降平臺上安裝由固定器。無人機降落會影響光電傳感器獲取光源的數量，因此判斷無人機已經降落，PLC會控制起降平臺上的固定器將無人機腳架鎖緊。

（4）PLC控制會發送控制命令，首先會移動X軸機械手向中間移動，當X軸機械手移動至終點位置時，光電傳感器會檢測到光亮的變化，從而獲取到X軸機械手的位置狀態。Z軸和Y軸的移動過程大致相同，不在描述。Y軸機械手上安裝抓手，當三軸全部移動到指定位置后，PLC控制抓手抓取電池。抓手獲取無人機電池后，PLC在控制3軸機械手原路返回，最終將電池插入機巢的電池倉中。系統在更具電池倉中電池的電量，選擇符合要求的電池，利用抓手抓出后，在通過機械手送回無人機中。實現自主更換電池。

（5）當無人機重新獲取充足電能后，首先先將準備指令發送至服務器，服務器獲取后，轉發指令到智能機巢，機巢松開固定器。無人機可以起飛。

四、結束語

針對市場的需求，本系統PLC作為核心控制，設計智能機巢。利用4G通信模塊和高精度定位系統RTK，實時誘導無人機降落，可以將無人機的降落精度精確到厘米級。并且具備自主更換電池、成本低廉、操作簡單等優點。該智能機巢在無人機巡檢領域有較大的市場和應用價值。

參? 考? 文? 獻

[1]. 胡智敏，李凱，湯國鋒，等.一種輸電線路無人機“巢-巢”巡檢新模式[J].江西電力，2018

[2] 韋舒天，李龍，岳靈平，等.輸電通道人機協同巡檢方式的探索[J].浙江電力，2016.

[3] 柴大帥. 高頻單歷元GNSS動態差分定位技術研究[D].山東科技大學，2017

[4] 李成鋼.網絡GPS/VRS系統高精度差分改正信息生成與發布研究[D].西南交通大學，2007. [5] 張波，李衛民，尚銳.多功能上下料用機械手液壓系統 [J]. 液壓與氣動，2012（8）：31-32.