一種全自動(dòng)無人機(jī)充電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案

楊文琛 周海燕 高翔 嚴(yán)鄧一

摘要：由于受四旋翼小型無人機(jī)續(xù)航能力差的特點(diǎn)，無法長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航工作依然是制約無人機(jī)發(fā)展的重要因素。為解決以上問題，本文提出無人機(jī)充電系統(tǒng)，通過無人機(jī)自動(dòng)連接與地面充電平臺(tái)的電源接口，實(shí)現(xiàn)快速充電。通過GPS定位、紅外線定位、紅外條形碼識(shí)別以及圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)接。通過組網(wǎng)的方式，將地面分散的充電平臺(tái)組建為整體運(yùn)作，實(shí)時(shí)操作每一臺(tái)無人機(jī)，方便管理和收集數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；紅外定位；自動(dòng)充電；條形碼識(shí)別； GPS

中圖分類號(hào)：TM910.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2019）06-0228-02

Implementation Scheme of a Fully Automatic Drone Charging System

YANG Wen-shen， ZHOU Hai-yan， GAO Xiang， YAN Deng-yi

（School of Information and Communication， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： Due to the poor endurance of the quadrotor small drone， the inability to maintain the long-term life is still an important factor restricting the development of the drone. In order to solve the above problems， this paper proposes a drone charging system， which automatically connects to the power interface of the ground charging platform through the drone to achieve fast charging. Accurate docking through GPS positioning， infrared positioning， infrared barcode recognition and image processing technology. By means of networking， the ground-distributed charging platform is built into an overall operation， and each drone is operated in real time， which facilitates management and data collection.

Key words： UAV； Infrared positioning； Automatic charging； Barcode recognition； GPS

1 引言

無人機(jī)的續(xù)航能力一直制約著無人機(jī)的快速發(fā)展，廣闊的應(yīng)用前景使它成為無人機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)[1]，當(dāng)前國(guó)外已有無人機(jī)全自動(dòng)地面充電平臺(tái)[2]，由于受環(huán)境氣壓變化和無人機(jī)旋翼產(chǎn)生的氣流影響使無人機(jī)的精準(zhǔn)定點(diǎn)降落變得十分困難，為解決以上問題目前多采用無線充電技術(shù)采用非接觸的方式實(shí)現(xiàn)電能傳輸[3]，來降低對(duì)降落精準(zhǔn)度的要求。當(dāng)今無線充電技術(shù)主要分為電磁感應(yīng)技術(shù)、電磁共振技術(shù)和電場(chǎng)耦合技術(shù)[4]，電磁感應(yīng)技術(shù)能量利用率低且效率不高，并且還容易導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱，而電磁共振和電場(chǎng)耦合技術(shù)受電磁影響較大容易受到干擾，并且還有可能會(huì)影響到無人機(jī)的正常通信。無線充電技術(shù)的發(fā)展帶來的問題又制約了無人機(jī)的持續(xù)工作的能力。根據(jù)以上問題，本文提供了一種全新的無人機(jī)充電模式，既解決了無人機(jī)與充電平臺(tái)的對(duì)接失敗率高的問題，又能提高無人機(jī)的充電效率。

2 無人機(jī)充電系統(tǒng)方案的簡(jiǎn)述

2.1 總系統(tǒng)設(shè)計(jì)

充電系統(tǒng)由無人機(jī)、運(yùn)載小車和充電平臺(tái)構(gòu)成，無人機(jī)配有靈活收縮的起降支架縮，機(jī)身上配有紅外編碼發(fā)射模塊和GPS定位等其他傳感器。運(yùn)載小車前后兩端配有充電接口、紅外線定位模塊和紅外線條形碼識(shí)別系統(tǒng)[5]，充電車?yán)脠D像處理系統(tǒng)和GPS定位系統(tǒng)輔助尋找無人機(jī)和對(duì)接充電接口。充電平臺(tái)配有充電接口和紅外線編碼發(fā)射系統(tǒng)以及用于對(duì)接定位的條形碼，此充電平臺(tái)也可以靈活移動(dòng)，內(nèi)配有大容量電池也可以220V交流電源供電。為了方便管理所有的充電平臺(tái)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理，建立充電平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)，組建一整套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[6]。

2.2實(shí)現(xiàn)的基本流程

無人機(jī)在電量不足時(shí)，通過GPS尋找到一個(gè)充電平臺(tái)后在其附近進(jìn)行降落，降落之后向運(yùn)載小車發(fā)出信號(hào)并等待運(yùn)載小車托運(yùn)至充電平臺(tái)進(jìn)行充電，之后運(yùn)載小車從充電平臺(tái)處出發(fā)，通過與無人機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)接后再將其運(yùn)回到充電平臺(tái)前，之后再與充電平臺(tái)上的接口進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)接。無人機(jī)的充電接口通過運(yùn)載小車間接地與充電平臺(tái)的接口進(jìn)行連接進(jìn)行快速充電，無人機(jī)與運(yùn)載小車，運(yùn)載小車與充電平臺(tái)的連接均通過采用電磁鐵的方式來實(shí)現(xiàn)靈活的對(duì)接與分離，整個(gè)過程中會(huì)采用紅外線定位和條形碼識(shí)別技術(shù)，并以圖像識(shí)別技術(shù)和GPS或北斗定位為輔助。

3 全自動(dòng)充電的實(shí)現(xiàn)過程

3.1 通過多邊定位實(shí)現(xiàn)無人機(jī)返航

當(dāng)無人機(jī)電量不足時(shí)內(nèi)置的AD會(huì)采集到電源輸出電壓下降的信息會(huì)向充電平臺(tái)發(fā)出信號(hào)，無人機(jī)接收信息后自動(dòng)尋找距離無人機(jī)最近的充電平臺(tái)進(jìn)行返航充電。無人機(jī)返航充電時(shí)先通過無人機(jī)多變定位方法定位到充電樁附近，通過GPS或北斗定位實(shí)現(xiàn)無人機(jī)返航至充電平臺(tái)附近，為了確保運(yùn)載小車能快速準(zhǔn)確地找到無人機(jī)的降落地點(diǎn)，利用圖像處理技術(shù)，識(shí)別有特定標(biāo)識(shí)區(qū)域的充電平臺(tái)降落，使無人機(jī)每次降落的位置更加準(zhǔn)確。無人機(jī)降落時(shí)會(huì)將充電接口的方向朝向無人機(jī)充電平臺(tái)，方便運(yùn)載小車尋找到無人機(jī)充電接口的位置，可以通過無人機(jī)上的六軸傳感器以及GPS定位調(diào)整方向。無人機(jī)返航的過程中通過無人機(jī)上的超聲波傳感器或氣壓計(jì)獲得距離地面的高度，再通過無線電或超聲波反射計(jì)算出無人機(jī)距離兩個(gè)充電樁的距離R1和R2，最后可以計(jì)算出在空間的位置坐標(biāo)來定位無人機(jī)。

3.2 運(yùn)載小車尋找無人機(jī)

無人機(jī)落地后，運(yùn)載小車主要是通過紅外定位、超聲波檢測(cè)以及圖像處理技術(shù)等方式來尋找到的無人機(jī)的降落位置， 無人機(jī)上配有6個(gè)紅外線全散射管和4個(gè)細(xì)紅外光束發(fā)射管，通過紅外編碼[7]，運(yùn)載小車可以采集到每一個(gè)紅外線發(fā)射管發(fā)出的不同紅外線信息[8]，采集運(yùn)載小車四個(gè)紅外線接受端對(duì)A、B、C、D、E、F共6個(gè)紅外線全散射管接受情況，再結(jié)合超聲波定位檢測(cè)、圖像處理技術(shù)就能獲取運(yùn)載小車相對(duì)于無人機(jī)的準(zhǔn)確位置，慢慢驅(qū)動(dòng)運(yùn)載小車找到充電接口的位置開始進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)接。

紅外光輔助GPS定位，采用接收不同帶有不同位置編碼的紅外光，識(shí)別不同位置的紅外信息，判斷運(yùn)載小車相對(duì)無人機(jī)的位置，通過不斷地調(diào)整運(yùn)載小車的位置，最后實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的與無人機(jī)進(jìn)行連接。具體無人機(jī)紅外位置分布和具體編碼如圖1所示。

3.3 精準(zhǔn)對(duì)接的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)充電樁與運(yùn)載小車的充電口的精確定位，使用兩個(gè)紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)二維對(duì)準(zhǔn)，判斷兩個(gè)接口是否平衡。同時(shí)利用紅外條形碼輔助確定接口的距離，不斷調(diào)整運(yùn)載小車和充電樁的接口距離，最后采用電磁接口[9]，進(jìn)行精確連接，最后實(shí)現(xiàn)兩個(gè)接口的精確連接。在精準(zhǔn)對(duì)接時(shí)也同樣會(huì)采用超聲波測(cè)距以來檢測(cè)運(yùn)載小車與充電平臺(tái)的間距，從而還能獲取車頭的大致朝向以及防止與充電平臺(tái)發(fā)生相撞。

3.4 無人機(jī)運(yùn)載返回充電的過程

在無人機(jī)的充電接口與運(yùn)載小車建立連接后，就能夠通過托盤將無人機(jī)托住，將無人機(jī)的起落架收起或?qū)⑼斜P抬升這樣就能便于運(yùn)載小車進(jìn)行托運(yùn)。運(yùn)載小車離開充電平臺(tái)的充電接口時(shí)會(huì)將行走過的路線完整地記錄下來，然后再通過計(jì)算就可以知道運(yùn)載小車離開充電平臺(tái)接口的相對(duì)位置從而便于準(zhǔn)確返航。而返航后的對(duì)接過程與運(yùn)載小車與無人機(jī)對(duì)接過程相同。此運(yùn)載小車前后兩端都帶有充電接口以及紅外線超聲波傳感器，一端用于運(yùn)載小車與無人機(jī)的對(duì)接，另一端用于運(yùn)載小車與充電平臺(tái)的對(duì)接，充電時(shí)也是通過運(yùn)載小車建立供電電源與無人機(jī)的充電線路接通。

4 結(jié)論

通過采用運(yùn)載小車使無人機(jī)與電源間接地建立連接，采用電磁鐵對(duì)接的可以靈活的分離與連接，減少對(duì)接過中的容錯(cuò)率，更好地實(shí)現(xiàn)充電接口的精準(zhǔn)對(duì)接，提高了電磁鐵鎖住無人機(jī)從而增加在運(yùn)輸過程中的穩(wěn)定性。

無人機(jī)在低電量時(shí)能夠時(shí)刻保證與運(yùn)載小車的通信，在其著陸后由運(yùn)載小車運(yùn)送到充電平臺(tái)接口前進(jìn)行自動(dòng)對(duì)接，整個(gè)過程減少了人的干預(yù)，使無人機(jī)的工作能夠更加人工智能化，在長(zhǎng)時(shí)間大范圍的無人機(jī)監(jiān)測(cè)任務(wù)中減少了人力。多種傳感器以及各種定位共同實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)接。無人機(jī)降落時(shí)先采用GPS定位等多變定位技術(shù)，再通過紅外定位以及超聲波傳感實(shí)現(xiàn)粗調(diào)對(duì)接，然后再通過條形碼識(shí)別、紅外細(xì)調(diào)和圖像處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)精準(zhǔn)對(duì)接。這些定位過程以及傳感實(shí)現(xiàn)成本低，可操作性強(qiáng)并且還具有對(duì)接效率高的特點(diǎn)。隨著社會(huì)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)更加廣泛，續(xù)航問題是制約無人機(jī)快速發(fā)展的一個(gè)重要短缺因素。本方案的設(shè)計(jì)主要是以可實(shí)施性與可操作性為主，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程中會(huì)考慮經(jīng)濟(jì)成本，偏向于實(shí)際商品化的生產(chǎn)。

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【通聯(lián)編輯：梁書】