無人機室內貨品運輸系統設計

沈天翊 支廣達 王興元

摘要 “空中走廊“室內貨品運輸系統，基于高精度UWB室內分布式異步定位技術及無人機飛控數據融合技術，在室內環境下對貨品、工具、物料利用無人機進行空中配送，全方位提升工廠智能制造信息化水平。

【關鍵詞】無人機應用 室內貨品運輸 高精度室內定位

1 系統設計簡介

自2013年美國Matternet公司在海地和多米尼加測試了無人機配送網絡，首次實現無人機貨品運輸以來，亞馬遜、谷歌、DHL等國際巨頭紛紛開始布局無人機貨運領域，國內的阿里巴巴、順豐、京東等企業也緊隨其后，接連斥巨資開展無人機貨品運輸的研發及測試工作。

目前，無人機貨品運輸主要應用于室外環境，室內應用存在定位難、定位精度低、環境復雜等問題，導致無人機貨品運輸技術在室內環境下一直無法得到推廣及運用。

想要實現無人機在室內進行自動導航配送貨品，其核心難點在于高頻高精度室內定位、定位飛控數據融合及室內無人機動力及結構安全上。

2 高頻高精度室內定位

無人機飛行過程中的定位技術不同于傳統室內定位，由于無人機飛行速度快，對室內人員和設備存在安全威脅，因此對于定位的精度、位頻和可靠性有著極高的要求。基于目前室內定位技術技術的成熟度、精度、位頻、成本、集成難易度、抗干擾性、硬件尺寸大小等因素，經過綜合考量和大量測試，得出超寬帶（UWB： Ultra Wideband，又稱脈沖無線電技術）是目前運用于無人機室內定位最為合適的技術。該技術綜合定位精度在30厘米以內，位置數據獲取時間小于60毫秒。

分布式異步定位是UWB定位技術的一種組網方式，實現了各設備之間的獨立，大幅降低系統布設無限制。將UWB信標安裝在無人機上，在室內安裝多個固定坐標的定位基站。在無人機需要獲取自身的位置時，通過信標發送測距請求，在信標獲得范圍內多個基站的測距數據后，采用TDOA算法進行測距，快速解算出無人機當前的位置。由于室內環境復雜，在基站在布設時需要充分考慮無人機飛行軌跡，確保在飛行過程中能時刻和三個以上的基站進行無障礙通信，同時，需要將定位位頻提升至10Hz以上，確保定位數據的準確性及有效性。如圖1所示。

3 定位飛控數據融合

為使無人機能及時獲取自身的位置信息，并基于自身的位置快速調整飛行姿態，需將定位及運算模塊集成于無人機上，降低數據傳遞過程中的延時，提高飛行精度。

使用高性能主控核心板，作為定位系統、無人機飛控主板及貨品運輸系統之間的通信處理核心。貨品運輸系統接受配送請求后向無人機主控核心板發送起飛信號和目標位置，主控核心板與基站通信獲取位置信息并傳輸給無人機飛控主板，配合慣導系統，進行飛行姿態調整，實現向目標配送點的自動飛行。如圖2所示。

4 無人機動力及結構定制

無人機室內貨品運輸對無人機的動力配比和結構提出更高要求，需要根據飛機的載重、續航時間等要求，進行旋翼電機和電池的選配，以及對飛機旋翼的尺寸和旋翼數的選擇以及無人機結構進行定制設計。

4.1 電機選配

根據上述計算方法可以針對不同的項目要求選配相應的型號的電機。

4.2 電池選配

鋰電池是目前多旋翼無人機電源系統使用最為普遍的電池，鋰電池有尺寸小，充電時間短，質量輕，沒有記憶效應，適于重復多次充放電等優點。

考慮到電池主要是給無人機主要是運輸貨物和定位數據收發板供電，功耗主要為電機的消耗和定位數據收發板的消耗。對于給定飛行時間h，可以得到如下近似的電池容量Cb。

Cb≥k（Nmotorla+Ionboard）h

（4）

式中：

Ia 一無人機在飛行過程中電機驅動每個電機消耗的電流;

Ionboard一定位數據收發板消耗的電流（換算成相同電壓情況下）;

k—安全系數，一般為1.5。

根據上述計算方法可以針對不同的項目要求選配相應的型號的鋰電池。

4.3 旋翼尺寸及旋翼數選擇

多旋翼無人機的旋翼尺寸和旋翼數目對飛行功耗有很大影響，旋轉面積大的旋翼可以獲得的升力也越大，效率也越高。定義整個機體面積（防撞結構所包含的整個區域）為Sb，旋翼的旋轉面積為Sr，電池利用率為p，當暫且忽略控制板等一些其他部分的能耗時，定義如下的效率評價參數：

式中：R-機體半徑;r-旋翼半徑。

在實際設計過程中，由于需要考慮到各旋翼之間會產生氣流擾亂而對控制性能造成一定的影響，應當對機翼的最大允許尺寸做相應的減小。根據經驗旋翼實際半徑r取最大允許半徑rmax的5/6左右。單旋翼的無人機要考慮尾槳會抵消主旋翼產生的旋轉扭矩，會額外消耗10%的能量，最終計算得到的總體效率參數為0.4592。通過式（5）計算可得四旋翼總體效率參數為0.4766，六旋翼總體效率為0.4630，八旋翼總體效率為0.4256。由此可見四旋翼是總體效率利用率最高的，但增加旋翼數對飛機的平穩性有較大的影響，旋翼數越大飛機飛行越平穩，綜合考慮后在本系統中我們選擇使用六旋翼無人機。

4.4 無人機結構設計

系統中的無人機用于室內運輸，由于實際飛行通道較窄，工作環境復雜，必須為無人機設計防撞結構。本系統中使用的六旋翼無人機將機翼裝于翼臂的中點位置，在翼臂外圍加裝一圈彈性保護欄，并于底部加裝了避震起落架，可在無人機故障或者飛行異常時避免無人機損壞，防止無人機對周邊人員和設備造成損傷。

室內飛行對于飛行定高有著很高的要求，需要使用多種傳感器數據融合有效提升定高精度。該無人機使用紅外測距、超聲波和氣壓計這三種傳感器對高度進行測量并將所得數據融合，得到更高精度的高度數據。

5 結語

本文對無人機運用于室內貨品運輸系統中的技術要點和應對方案進行了簡要的分析和介紹，隨著“中國制造2025”規劃中確立“智能制造”為未來主攻方向及其中對于無人機領域相關政策的落地，無人機在工業制造領域的應用將會出現爆發式的增長。實現無人機室內精準定位及自動導航飛行，對無人機行業應用發展具有重要的意義，是未來無人機實現室內外定位無縫銜接的重要技術基礎。

參考文獻

[1]趙路勛.基于視覺和TOF距離傳感器的室內無人機導航方法研究[D].深圳大學，2001.

[2]郭芳，復雜環境下四旋翼無人機定位研究[D].天津大學，2014.

[3]李婷.基于強化學習的無人機懸掛負載系統控制研究[D].哈爾濱工業大學，2011.