無人機電池快換系統的設計

馮陸穎，平雪良，孫明春，郁章敬,4

(1. 江南大學 君遠學院，江蘇 無錫 214122； 2. 浙江大學，浙江 杭州 310058；3. 寧波諾丁漢大學 ,浙江 寧波 315154； 4. 中國科學院大學沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016)

0 引言

為節約人力成本，提高效率，市面上部分無人機已采用自動換電池的方案來解決電池容量不足引起的一系列問題[1]。精準的定位及一定程度的固定是無人機自動換電池的前提和基礎。無人機自動返航時，著陸點距離初始起飛點會有1～2 m 的誤差[2]，通過視覺傳感器可以進一步縮小離指定位置的位姿誤差[3-4]。然而普通無人機通過將GPS與視覺傳感結合的方式降落到換電池平臺后，其位置精度往往仍不能滿足換電池要求。現已有通過外部裝置解決無人機定位的相關專利，如利用錐面解決精度問題，但對無人機腿部結構做了較大改動，只能用于單一外形的無人機定位，而從腿內側開槽的方式也要求無人機腿變粗[5]。又如利用帶傳動，從外向內定位無人機來解決此問題，然而此裝置占地面積較大[6]。為了解決上述問題，本文提出一種無人機電池快換系統，該系統由外定位裝置與換電池裝置組成。其中外定位裝置將無人機自身具有的定位能力配合外部的機械定位，以實施對無人機的精準定位及固定，為后續換電池操作提供良好的環境。所使用的特制電池盒，在適用于市面上大多數航模電池的同時,既能牢牢固定于無人機，又方便被新的特制電池盒置換；通過換電池裝置上的齒輪驅動無人機上的齒條帶動連接電源的插頭進行插拔，穩定可靠。該系統能提高無人機換電池時的定位精度及速度，具有抗干擾能力強、算法簡單、實現成本低、占地面積小、應用范圍廣等優點，可以滿足正常工業生產需求。

1 無人機電池快換系統機械結構

本文提出的無人機電池快換系統示意圖如圖1所示。該系統采用外定位裝置對已降落的無人機位姿進行調整并固定，從而達到換電池所需要求，并采用換電池裝置對無人機進行電池更換。

圖1 無人機電池快換系統示意圖

1.1 外定位裝置機械結構設計

無人機外定位裝置主要由外定位平臺、錐齒輪換向器、滾珠絲杠、定位桿及電機組成，整個機構長700.5mm，寬650mm，高220.64mm,其裝置俯視圖如圖2所示。

圖2 外定位裝置俯視圖

在該外定位裝置中，錐齒輪換向器四周分別連接4根絲杠，連接電機的絲杠為左旋，其余均為右旋。這樣電機旋轉即可通過錐齒輪換向器分別帶動其余3根絲杠同步轉動，從而使絲杠螺母沿絲杠爬行，進而實現定位桿的同步移動。絲杠螺母及其上零件示意圖如圖3所示。定位桿通過漲套與定位桿座連接，定位桿座通過4個螺栓固定至絲杠螺母座。由于絲杠螺母座與平臺距離6mm，為使定位桿始終平行于平臺移動，故利用外螺紋軸承進行導向。

圖3 絲杠螺母及其上零件示意圖

1.2 換電池裝置機械結構設計

換電池裝置主要由絲杠、不完全齒輪、滑塊、特制電池盒、舵機、推板、電機等組成。該裝置正視圖及左視圖如圖4、圖5所示。該電池快換裝置中，電機帶動絲杠旋轉，使絲杠螺母帶動推板延絲杠爬行，推動新電池置換舊電池，并將舊電池推向充電裝置，舵機控制推板在改變推電池方向時旋轉。不完全齒輪機構在無人機降落時無齒輪處朝上，定位完成后不完全齒輪機構轉動，帶動固定有插頭的齒條座沿滑軌向外滑動。

圖4 電池快換裝置正視圖

圖5 電池快換裝置左視圖

1.3 無人機機械結構設計

無人機主要由機身、支架、起落架、任務平臺、特制電池盒座組成，其側視圖如圖6所示。齒條座通過螺栓連接在MGN 9滑塊上，滑塊兩端裝有限位塊，兩限位塊內側距離為24.5mm。XT60插頭通過XT60固定座固定于齒條座。海綿腿套位于如圖6所示位置。無人機定位時與定位桿接觸，定位時可提供較大的靜摩擦力防止無人機產生位移。

圖6 無人機側視圖

特制電池盒由特制電池盒底座、特制電池盒蓋、普通航模電池和XT60延長線組成，其實物圖如圖7所示。特制電池盒底座與特制電池盒一側利用梯形固定，另一側利用螺栓固定；而XT60延長線一端固定于特制電池盒底座，另一端與航模電池連接，極大地方便了特制電池盒內航模電池的更換。

圖7 特制電池盒實物圖

1.4 電池快換工作原理

無人機電池快換系統在無人機換電池前后流程如下所述。

1)無人機接收到換電池指令，無人機內部的飛行控制系統控制無人機自動返航至換電池裝置上空懸停，無人機通過視覺傳感器掃描換電池平臺上的二維碼調整自身位姿，隨后降落于無人機電池快換系統上。

2)外定位裝置收到無人機降落信號后電機動作，驅動電機軸所連接的絲杠轉動，此絲杠頭部所連錐齒輪帶動其余3個錐齒輪同步轉動，4個絲杠螺母座被其上固定的絲杠螺母帶動，沿絲杠向外爬行，此時絲杠螺母座上的4根定位桿同步向外移動，遇到無人機起落架則將其向外推；無人機4根起落架被4根定位桿卡住后，檢測到電機電流超過閾值，電機停止轉動，此時無人機腿上海綿腿套緊壓定位桿，無人機精確定位。

3)換電池裝置接收到無人機定位完成信號后，舵機帶動不完全齒輪轉動，帶動齒條座上的插頭向外移動。隨后電機轉動，帶動絲杠螺母上的推板將新的特制電池盒推向無人機上的特制電池盒座，舊的特制電池被推出無人機電池盒座。

4)新電池推到準確位置后，舵機帶動不完全齒輪反向轉動，帶動齒條座上的插頭向內移動。電池更換完畢，無人機上電。

5)外定位裝置收到信號，電機反轉使各絲杠螺母沿絲杠向內爬行，直至導塊觸碰到碰撞開關，無人機外定位裝置復位，無人機啟動。

6)換電池裝置上的舵機旋轉90°，電機反向旋轉，絲杠螺母帶動推板移動一個特制電池盒寬度+2mm,隨后舵機反向旋轉90°，電機正向旋轉，帶動推板將耗盡電的特制電池盒推至充電座。

2 控制系統的硬件結構與軟件設計

2.1 硬件結構

無人機選用樹莓派作為上位機，因此視覺識別系統硬件部分主要由樹莓派4B以及通過板載攝像頭模塊CSI接口連接的樹莓派RPI 8MP攝像頭組成。樹莓派體積小、運行速度塊，使用Python進行編程，而Python擁有龐大的標準庫以及很多現成的開源代碼，因此大大降低了視覺識別的難度。成像設備方面,選用樹莓派RPI 8MP攝像頭，RPI 8MP體積小、質量輕、工作電壓低、擁有800萬物理像素，畫面清晰細膩。

無人機電池快換系統的硬件結構主要由搭載STM32F407芯片的探索者開發板以及通過板上外設連接的2個大疆2006電機、2個馴龍者MG995舵機、1塊PCA9685舵機控制板、5個碰撞開關組成。STM32F407探索者開發板資源豐富，有豐富的接口和功能模塊，滿足本次設計要求。大疆2006直流無刷減速電機搭配C610減速電調，額定轉矩為1N·m，可以實現對轉矩的精確控制。本次設計使用的舵機是馴龍者MG995型號的180°數字舵機，能在0°～180°之間運動，反應快，角度精確，扭力大，采用雙軸承，內阻小不抖舵，具有堵轉保護功能。本設計中選用PCA9685控制以上兩個舵機，PCA9685是一個16路12位PWM信號發生器，價格便宜，且周期和占空比都可控，12位精度，i2c通信，可節省主機資源。碰撞開關采用的是歐姆龍SS-5GL2微動開關，體積小，質量輕，安全穩定。

2.2 軟件設計

樹莓派RPI 8MP攝像頭作為樹莓派的外設,可以直接通過芯片引腳實現圖像的實時傳送,并對圖像進行處理,得到二維碼3個定位角點在攝像頭所拍攝到的二維畫面中的坐標值。將該坐標值與圖片中心坐標值進行比較,便可得出無人機和外定位裝置的相對位置關系,隨后,樹莓派與無人機飛控進行通信，無人機調節自身位姿。

無人機電池快換系統的主控板可以接收來自外定位裝置上碰撞開關的信號，判斷定位桿是否到達初始位置、極限位置，接收來自換電池裝置上碰撞開關的信號，判斷新的特制電池盒是否被推至無人機電池盒座對應位置以及推板的兩個極限位置，接收來自外定位裝置上電機的電流信號判斷定位桿是否夾緊無人機。當在行程范圍內所接收到的電流增大時說明定位桿與無人機4根起落架接觸，主控板控制電機減速；當電流急劇增大超出所設閾值時，說明無人機已被準確定位，主控板控制電機停止動作。外定位裝置中主控板還可設置定位模式，一種為自適應模式，定位控制系統通過定位時作用在電機上的負載判斷無人機是否被定位，從而控制電機的啟停；另一種模式為預設模式，主控板先通過自適應模式感應定位桿的定位終點位置，進行記憶，下一次定位時，則可在定位桿接近無人機起落架前控制電機快速運轉，并在定位桿貼近支撐腿時，使電機緩慢運轉，直至定位桿至定位終點位置時使電機停止運轉。

系統運行流程圖如圖8所示。

圖8 系統運行流程圖

3 實驗結果

在實際測試中，無人機飛行時，無人機上的特制電池盒座能將特制電池盒牢固、穩定地固定在無人機上，外定位裝置能準確、穩定地將無人機定位在準確位置，換電池裝置能順利為無人機置換電池。由于實驗中只試驗同一只無人機，為判定無人機是否定位完成采用了碰撞開關信號。需要指出的是，XT60插頭的插拔需要很大的力，會導致齒條座的變形，雖然能對插頭進行插拔，但插入時總會留有縫隙。針對這個問題，后期對齒條座進行了優化，其剛度增加后該問題得到很大改善。未來可考慮將XT60插頭換成其他插拔力度更小的插頭。本裝置實物圖如圖9所示。

圖9 裝置實物圖

4 結語

本文針對現有無人機換電池裝置存在的一些問題，設計了一種無人機電池快換系統，有效解決了無人機續航時間短、電池充電周期長、更換裝置體積大、成本高等問題。其機械裝置結構精巧，控制簡單，采用的特制電池盒可以適應市面上大多數的航模電池，應用更加廣泛。此外，該無人機外定位裝置還可以拓展其他功能，如用于輔助無人機裝載物品時的定位，具有廣闊的發展前景。