車(chē)載智能充電無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鹿彬 王剛 李建興

摘要：隨著國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展與成熟，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始普及。當(dāng)前的無(wú)人機(jī)已經(jīng)非常智能，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟飛和自動(dòng)返航，但是沒(méi)有專業(yè)的產(chǎn)品來(lái)給無(wú)人機(jī)提供自動(dòng)充電的服務(wù)以及供無(wú)人機(jī)起飛與返航的停機(jī)坪，車(chē)載無(wú)人機(jī)智能充電機(jī)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)迫在眉睫。本系統(tǒng)正是在這個(gè)大背景下設(shè)計(jì)而成的。系統(tǒng)主要分為五個(gè)部分，分別是電池充電部分、停機(jī)坪部分、本地控制部分、時(shí)間控制部分和遠(yuǎn)程遙控部分。其中電池充電部分主要有太陽(yáng)能光伏板和220V交流電兩種供電方式。停機(jī)坪部分的動(dòng)力系統(tǒng)采用電動(dòng)推桿，導(dǎo)軌系統(tǒng)采用滑塊和滑桿，可以實(shí)現(xiàn)停機(jī)坪在軌道上平移。本地控制主要是通過(guò)MCU和控制面板來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)庫(kù)門(mén)、停機(jī)坪和太陽(yáng)能光伏板。時(shí)間控制部分主要功能是控制停機(jī)坪在規(guī)定時(shí)間內(nèi)伸出或者收回。還有遠(yuǎn)程遙控部分，通過(guò)433MHz無(wú)線串口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控功能。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；智能機(jī)庫(kù)；遠(yuǎn)程遙控

1緒論

1.1引言

無(wú)人機(jī)是一種利用無(wú)線電遙控設(shè)備或者自備的智能程序?qū)崿F(xiàn)駕駛操控的不載人飛機(jī)，英文縮寫(xiě)為“UAV”，也被稱為空中機(jī)器人。多旋翼無(wú)人機(jī)足一種具備懸停功能的無(wú)人機(jī)，幾年來(lái)發(fā)展迅猛。對(duì)于大面積無(wú)人值守，特別惡劣的環(huán)境，代替人工進(jìn)行工作，大大降低了危險(xiǎn)性和成本，是極具潛力的應(yīng)用[1]。隨著小型化和功能化進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)人飛機(jī)現(xiàn)在己廣泛應(yīng)用各個(gè)領(lǐng)域，例如用于空中拍攝、農(nóng)藥噴灑和快遞運(yùn)輸[2]。隨著對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用價(jià)值認(rèn)知的加深，無(wú)人機(jī)在消費(fèi)級(jí)，工業(yè)級(jí)和軍用級(jí)市場(chǎng)都呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展之勢(shì)，無(wú)人機(jī)外圍產(chǎn)品也如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)。

1.2研究背景

無(wú)人機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，但是眾所周知，無(wú)人機(jī)在是使用過(guò)程中有許多局限，有無(wú)人機(jī)自身的局限，也有外界環(huán)境的因素，限制了無(wú)人機(jī)的使用場(chǎng)合。其一，就是無(wú)人機(jī)在戶外使用的過(guò)程中需要解決頻繁的充電問(wèn)題。目前市場(chǎng)上使用電能驅(qū)動(dòng)的無(wú)人機(jī)都是用鋰電池供電。鋰電池質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、承載能量高，所以鋰電池成為了無(wú)人機(jī)能量提供的不二選擇。但是鋰電池自身需要穩(wěn)定電源供電，這就大大限制了無(wú)人機(jī)的使用場(chǎng)合和時(shí)間，無(wú)人機(jī)迫切需要一套可以隨時(shí)隨地可充電的移動(dòng)式充電站。該移動(dòng)式充電站不僅能給無(wú)人機(jī)充電，還要實(shí)現(xiàn)方便移動(dòng)、可車(chē)載等優(yōu)點(diǎn)，更為重要的是使用太陽(yáng)能作為能量來(lái)源，隨時(shí)隨地可取電。

其二，就是無(wú)人機(jī)停靠與起飛都需要相對(duì)平穩(wěn)的平而，否則會(huì)伴隨“炸機(jī)”的風(fēng)險(xiǎn)，所以在野外諸多場(chǎng)合，無(wú)人機(jī)無(wú)法起飛與降落。因此，一個(gè)穩(wěn)定可靠的停機(jī)坪也是無(wú)人機(jī)野外工作的必要條件。停機(jī)坪需要給無(wú)人機(jī)提供穩(wěn)定可靠的起飛降落環(huán)境，而且要防止無(wú)人機(jī)在停靠充電時(shí)意外起飛。由于無(wú)人機(jī)屬于電子產(chǎn)品，高濕度環(huán)境會(huì)發(fā)生故障，停機(jī)坪還需要給無(wú)人機(jī)提供遮風(fēng)擋雨的環(huán)境。

為了給無(wú)人機(jī)提供穩(wěn)定可靠節(jié)能環(huán)保的野外工作基地，我們特此提出一種車(chē)載智能充電無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù)系統(tǒng)，可由太陽(yáng)能和220V交流電作為電源，為無(wú)人機(jī)提供高效率充電和穩(wěn)定的停機(jī)坪。同時(shí)還帶有時(shí)問(wèn)控制器，為自動(dòng)返航的無(wú)人機(jī)提供更智能的停機(jī)與起飛服務(wù)。自動(dòng)充電系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的主要供電方式是太陽(yáng)能光伏板，輔助供電是220V交流電，防止長(zhǎng)時(shí)間陰天而造成電力不足。太陽(yáng)能光伏板通過(guò)太陽(yáng)能控制器穩(wěn)壓，UPS電源無(wú)縫切換太陽(yáng)能供電與磷酸鐵鋰電池供電，確保系統(tǒng)不會(huì)斷電。同時(shí)，太陽(yáng)能光伏板一直在給磷酸鐵鋰電池供電。本系統(tǒng)其他模塊，如控制模塊，通信模塊都由磷酸鐵鋰電池直接供電。其中，無(wú)人機(jī)鋰電池充電部分由太陽(yáng)能控制器直接輸出供電，大電流充電可確保充電時(shí)間和效率。磷酸鐵鋰電池只是輔助充電，在沒(méi)有太陽(yáng)光或者太陽(yáng)能光伏板無(wú)法工作時(shí)給無(wú)人機(jī)鋰電池充電。220V交流電與太陽(yáng)能智能切換，如果220V交流供電時(shí)，太陽(yáng)能自動(dòng)切斷。

2.2系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)單片機(jī)作為系統(tǒng)主控，能適應(yīng)比較惡劣的環(huán)境。控制方式有本地而板控制和遠(yuǎn)程遙控兩種方式，有開(kāi)關(guān)可以切換兩種控制方式。本地控制可以控制機(jī)柜門(mén)的開(kāi)合，太陽(yáng)能板的平移，停機(jī)坪的伸出與收回。同時(shí)也可以切換本地控制與遠(yuǎn)程控制。

時(shí)問(wèn)控制器主要功能是給系統(tǒng)傳輸時(shí)問(wèn)數(shù)據(jù)，配合主控芯片，在規(guī)定的時(shí)問(wèn)內(nèi)控制機(jī)柜門(mén)的開(kāi)合與停機(jī)坪的伸出和收回，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的定時(shí)起飛和定時(shí)降落的功能。時(shí)間控制器也可以于動(dòng)輸入時(shí)問(wèn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)功能，防止有誤差而影響無(wú)人機(jī)的自動(dòng)啟飛和降落。

壓力傳感器判斷無(wú)人機(jī)是否降落在停機(jī)坪上，配合電磁吸盤(pán)使無(wú)人機(jī)固定在停機(jī)坪上而，可以防止在無(wú)人機(jī)充電的時(shí)候意外起飛。機(jī)柜門(mén)、停機(jī)坪和太陽(yáng)能板的活動(dòng)是通過(guò)電動(dòng)推桿來(lái)實(shí)現(xiàn)。由主控發(fā)送控制信號(hào)給電推桿驅(qū)動(dòng)模塊，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿做出相應(yīng)動(dòng)作。

2.3系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要是有主程序模塊和中斷模塊兩大部分組成。主程序模塊主要是實(shí)現(xiàn)硬件的初始化，循環(huán)檢測(cè)控制而板上的按鍵是否按下，如果按下，則執(zhí)行相應(yīng)的子程序。同時(shí)檢測(cè)壓力傳感器的數(shù)據(jù)，判斷無(wú)人機(jī)是否降落。其中電動(dòng)推桿的驅(qū)動(dòng)程序則是封裝成子程序模塊，適時(shí)調(diào)用即可。

其余部分都由中斷程序?qū)崿F(xiàn)。433MHz遠(yuǎn)程遙控通過(guò)USART中斷實(shí)現(xiàn)，判斷是否接收到遙控器的數(shù)據(jù)。如果接收到，則由串口中斷程序執(zhí)行數(shù)據(jù)比較；如果數(shù)據(jù)一致，則執(zhí)行相應(yīng)指令。壓力傳感器的檢測(cè)則由外部中斷實(shí)現(xiàn)。時(shí)間控制器通過(guò)IIC總線與主控模塊通信，通過(guò)定時(shí)器中斷服務(wù)程序定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.4系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

無(wú)人機(jī)機(jī)庫(kù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括停機(jī)坪和太陽(yáng)能板伸縮機(jī)構(gòu)，機(jī)庫(kù)框架及相關(guān)覆蓋件。待工作狀態(tài)下，無(wú)人機(jī)停在機(jī)庫(kù)內(nèi)的停機(jī)坪上，當(dāng)接到工作指令時(shí)，機(jī)庫(kù)門(mén)打開(kāi)，停機(jī)坪伸出后無(wú)人機(jī)起飛，同時(shí)左右太陽(yáng)能充電板伸出，利用太陽(yáng)能給蓄電池充電。無(wú)人機(jī)起飛后，停機(jī)坪縮回，機(jī)庫(kù)門(mén)關(guān)閉。當(dāng)收到無(wú)人機(jī)返航信號(hào)時(shí)，機(jī)庫(kù)門(mén)打開(kāi)，停機(jī)坪伸出，待無(wú)人機(jī)停穩(wěn)后，停機(jī)坪自動(dòng)縮回。通過(guò)停機(jī)坪上而的輔助觸點(diǎn)，太陽(yáng)能直接給無(wú)人機(jī)充電。在機(jī)庫(kù)的后面安裝有基站箱，在機(jī)庫(kù)的右側(cè)而板上安裝有于動(dòng)操作面板，在緊急情況下，可通過(guò)于動(dòng)操作而板都機(jī)庫(kù)進(jìn)行控制。

停機(jī)坪，太陽(yáng)能板以及機(jī)庫(kù)門(mén)的開(kāi)啟關(guān)閉均由智能電推桿完成。電動(dòng)推桿是一種將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的電力驅(qū)動(dòng)裝置。電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪減速后，帶動(dòng)一對(duì)絲桿螺母，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，利用電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)完成推桿動(dòng)作。推桿兩頭各有一個(gè)行程限位開(kāi)關(guān)，推桿運(yùn)行到底或頂后，會(huì)自動(dòng)停止。在停機(jī)坪和太陽(yáng)能電池板的下方安裝有直線導(dǎo)軌和滑塊，停機(jī)坪和太陽(yáng)能板通過(guò)滑塊在直線導(dǎo)軌上作直線運(yùn)動(dòng)。滑塊里面有兩排滾珠，能夠大大減少停機(jī)坪及太陽(yáng)能板運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力。

2.5系統(tǒng)的停機(jī)坪結(jié)構(gòu)

無(wú)人機(jī)在野外起飛與降落都需要相對(duì)平穩(wěn)的平面，這就限制了無(wú)人機(jī)的使用環(huán)境。本機(jī)庫(kù)專為無(wú)人機(jī)起飛與停靠設(shè)計(jì)了可伸縮的停機(jī)坪，即使在野外環(huán)境下也可以實(shí)現(xiàn)安全起飛和降落。同時(shí)，停機(jī)坪上搭載了大功率充電電路，無(wú)人機(jī)停靠后可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電。本機(jī)庫(kù)的停機(jī)坪也設(shè)計(jì)了防止無(wú)人機(jī)在充電過(guò)程中意外起飛的把保護(hù)電路，檢測(cè)無(wú)人機(jī)是否停靠在停機(jī)坪，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)。

3系統(tǒng)測(cè)試與分析

系統(tǒng)測(cè)試是檢測(cè)系統(tǒng)是否能夠正常工作，是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試，可以判斷出系統(tǒng)的不足并及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在本設(shè)計(jì)中對(duì)系統(tǒng)測(cè)試主要包括系統(tǒng)的硬件測(cè)試、系統(tǒng)無(wú)線通信測(cè)試與系統(tǒng)功能測(cè)試三部分。

3.1系統(tǒng)硬件測(cè)試與分析

系統(tǒng)硬件測(cè)試是為了檢測(cè)系統(tǒng)硬件部分是否能夠正常工作，是不是存在硬件電路接觸不良、電路設(shè)計(jì)不合理的問(wèn)題。在進(jìn)行通電檢測(cè)之前，根據(jù)已經(jīng)沒(méi)計(jì)好的電路圖，用檢測(cè)工具檢測(cè)系統(tǒng)各個(gè)部分是否存在開(kāi)路、短路等情況。在對(duì)設(shè)計(jì)硬件部分進(jìn)行基本的檢測(cè)之后，給設(shè)備上電，通電檢測(cè)主要是判斷系統(tǒng)各個(gè)子模塊在上電以后是否可以正常工作。

3.12無(wú)線通信測(cè)試與分析

433MHz通信部分測(cè)試主要測(cè)試通電以后無(wú)線模塊是否能正常傳輸數(shù)據(jù)。首先檢測(cè)模塊是否初始化成功。接著檢測(cè)WIFI是否能通信，通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口模塊，分別將433MHz無(wú)線串口與兩臺(tái)電腦電腦相連，再由PC端串口助手分別進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的測(cè)試。接下來(lái)進(jìn)行通信距離測(cè)試，本系統(tǒng)采用100mW功率的433MHz無(wú)線模塊，理論通信距離lkm，實(shí)測(cè)在200m范圍內(nèi)，通信效果非常好，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。通過(guò)以上測(cè)試，可以看出433MHz無(wú)線模塊可實(shí)時(shí)、快速的發(fā)送所采集到的數(shù)據(jù)，完全可以滿足系統(tǒng)需求。

3.3系統(tǒng)功能測(cè)試與分析

本系統(tǒng)主要有兩大功能，一是給無(wú)人機(jī)充電，二是為無(wú)人機(jī)提供停機(jī)坪。無(wú)人機(jī)電池是6串鋰電池，額定電壓22.8v，容量為16000mAH，平均充電電流是15A。本系統(tǒng)是通過(guò)大面積金屬接觸面給無(wú)人機(jī)電池充電，充電時(shí)配合電磁吸盤(pán)，將無(wú)人機(jī)嚴(yán)密吸合，極大提升充電電流，提高充電效率。

機(jī)柜停機(jī)坪的測(cè)試主要是配合控制面板和遠(yuǎn)程遙控器控制停機(jī)坪、機(jī)柜門(mén)和太陽(yáng)能光伏板做出相應(yīng)的動(dòng)作。經(jīng)過(guò)測(cè)試，都可以實(shí)現(xiàn)。