沈天翊 支廣達(dá) 王興元

摘要 “空中走廊“室內(nèi)貨品運(yùn)輸系統(tǒng)，基于高精度UWB室內(nèi)分布式異步定位技術(shù)及無人機(jī)飛控?cái)?shù)據(jù)融合技術(shù)，在室內(nèi)環(huán)境下對(duì)貨品、工具、物料利用無人機(jī)進(jìn)行空中配送，全方位提升工廠智能制造信息化水平。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)應(yīng)用 室內(nèi)貨品運(yùn)輸 高精度室內(nèi)定位

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡介

自2013年美國Matternet公司在海地和多米尼加測(cè)試了無人機(jī)配送網(wǎng)絡(luò)，首次實(shí)現(xiàn)無人機(jī)貨品運(yùn)輸以來，亞馬遜、谷歌、DHL等國際巨頭紛紛開始布局無人機(jī)貨運(yùn)領(lǐng)域，國內(nèi)的阿里巴巴、順豐、京東等企業(yè)也緊隨其后，接連斥巨資開展無人機(jī)貨品運(yùn)輸?shù)难邪l(fā)及測(cè)試工作。

目前，無人機(jī)貨品運(yùn)輸主要應(yīng)用于室外環(huán)境，室內(nèi)應(yīng)用存在定位難、定位精度低、環(huán)境復(fù)雜等問題，導(dǎo)致無人機(jī)貨品運(yùn)輸技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境下一直無法得到推廣及運(yùn)用。

想要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在室內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航配送貨品，其核心難點(diǎn)在于高頻高精度室內(nèi)定位、定位飛控?cái)?shù)據(jù)融合及室內(nèi)無人機(jī)動(dòng)力及結(jié)構(gòu)安全上。

2 高頻高精度室內(nèi)定位

無人機(jī)飛行過程中的定位技術(shù)不同于傳統(tǒng)室內(nèi)定位，由于無人機(jī)飛行速度快，對(duì)室內(nèi)人員和設(shè)備存在安全威脅，因此對(duì)于定位的精度、位頻和可靠性有著極高的要求?；谀壳笆覂?nèi)定位技術(shù)技術(shù)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(jīng)過綜合考量和大量測(cè)試，得出超寬帶（UWB： Ultra Wideband，又稱脈沖無線電技術(shù)）是目前運(yùn)用于無人機(jī)室內(nèi)定位最為合適的技術(shù)。該技術(shù)綜合定位精度在30厘米以內(nèi)，位置數(shù)據(jù)獲取時(shí)間小于60毫秒。

分布式異步定位是UWB定位技術(shù)的一種組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)了各設(shè)備之間的獨(dú)立，大幅降低系統(tǒng)布設(shè)無限制。將UWB信標(biāo)安裝在無人機(jī)上，在室內(nèi)安裝多個(gè)固定坐標(biāo)的定位基站。在無人機(jī)需要獲取自身的位置時(shí)，通過信標(biāo)發(fā)送測(cè)距請(qǐng)求，在信標(biāo)獲得范圍內(nèi)多個(gè)基站的測(cè)距數(shù)據(jù)后，采用TDOA算法進(jìn)行測(cè)距，快速解算出無人機(jī)當(dāng)前的位置。由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，在基站在布設(shè)時(shí)需要充分考慮無人機(jī)飛行軌跡，確保在飛行過程中能時(shí)刻和三個(gè)以上的基站進(jìn)行無障礙通信，同時(shí)，需要將定位位頻提升至10Hz以上，確保定位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及有效性。如圖1所示。

3 定位飛控?cái)?shù)據(jù)融合

為使無人機(jī)能及時(shí)獲取自身的位置信息，并基于自身的位置快速調(diào)整飛行姿態(tài)，需將定位及運(yùn)算模塊集成于無人機(jī)上，降低數(shù)據(jù)傳遞過程中的延時(shí)，提高飛行精度。

使用高性能主控核心板，作為定位系統(tǒng)、無人機(jī)飛控主板及貨品運(yùn)輸系統(tǒng)之間的通信處理核心。貨品運(yùn)輸系統(tǒng)接受配送請(qǐng)求后向無人機(jī)主控核心板發(fā)送起飛信號(hào)和目標(biāo)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(jī)飛控主板，配合慣導(dǎo)系統(tǒng)，進(jìn)行飛行姿態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)向目標(biāo)配送點(diǎn)的自動(dòng)飛行。如圖2所示。

4 無人機(jī)動(dòng)力及結(jié)構(gòu)定制

無人機(jī)室內(nèi)貨品運(yùn)輸對(duì)無人機(jī)的動(dòng)力配比和結(jié)構(gòu)提出更高要求，需要根據(jù)飛機(jī)的載重、續(xù)航時(shí)間等要求，進(jìn)行旋翼電機(jī)和電池的選配，以及對(duì)飛機(jī)旋翼的尺寸和旋翼數(shù)的選擇以及無人機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。

4.1 電機(jī)選配

根據(jù)上述計(jì)算方法可以針對(duì)不同的項(xiàng)目要求選配相應(yīng)的型號(hào)的電機(jī)。

4.2 電池選配

鋰電池是目前多旋翼無人機(jī)電源系統(tǒng)使用最為普遍的電池，鋰電池有尺寸小，充電時(shí)間短，質(zhì)量輕，沒有記憶效應(yīng)，適于重復(fù)多次充放電等優(yōu)點(diǎn)。

考慮到電池主要是給無人機(jī)主要是運(yùn)輸貨物和定位數(shù)據(jù)收發(fā)板供電，功耗主要為電機(jī)的消耗和定位數(shù)據(jù)收發(fā)板的消耗。對(duì)于給定飛行時(shí)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(jī)在飛行過程中電機(jī)驅(qū)動(dòng)每個(gè)電機(jī)消耗的電流;

Ionboard一定位數(shù)據(jù)收發(fā)板消耗的電流（換算成相同電壓情況下）;

k—安全系數(shù)，一般為1.5。

根據(jù)上述計(jì)算方法可以針對(duì)不同的項(xiàng)目要求選配相應(yīng)的型號(hào)的鋰電池。

4.3 旋翼尺寸及旋翼數(shù)選擇

多旋翼無人機(jī)的旋翼尺寸和旋翼數(shù)目對(duì)飛行功耗有很大影響，旋轉(zhuǎn)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(gè)機(jī)體面積（防撞結(jié)構(gòu)所包含的整個(gè)區(qū)域）為Sb，旋翼的旋轉(zhuǎn)面積為Sr，電池利用率為p，當(dāng)暫且忽略控制板等一些其他部分的能耗時(shí)，定義如下的效率評(píng)價(jià)參數(shù)：

式中：R-機(jī)體半徑;r-旋翼半徑。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，由于需要考慮到各旋翼之間會(huì)產(chǎn)生氣流擾亂而對(duì)控制性能造成一定的影響，應(yīng)當(dāng)對(duì)機(jī)翼的最大允許尺寸做相應(yīng)的減小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)旋翼實(shí)際半徑r取最大允許半徑rmax的5/6左右。單旋翼的無人機(jī)要考慮尾槳會(huì)抵消主旋翼產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩，會(huì)額外消耗10%的能量，最終計(jì)算得到的總體效率參數(shù)為0.4592。通過式（5）計(jì)算可得四旋翼總體效率參數(shù)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(shù)對(duì)飛機(jī)的平穩(wěn)性有較大的影響，旋翼數(shù)越大飛機(jī)飛行越平穩(wěn)，綜合考慮后在本系統(tǒng)中我們選擇使用六旋翼無人機(jī)。

4.4 無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的無人機(jī)用于室內(nèi)運(yùn)輸，由于實(shí)際飛行通道較窄，工作環(huán)境復(fù)雜，必須為無人機(jī)設(shè)計(jì)防撞結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)中使用的六旋翼無人機(jī)將機(jī)翼裝于翼臂的中點(diǎn)位置，在翼臂外圍加裝一圈彈性保護(hù)欄，并于底部加裝了避震起落架，可在無人機(jī)故障或者飛行異常時(shí)避免無人機(jī)損壞，防止無人機(jī)對(duì)周邊人員和設(shè)備造成損傷。

室內(nèi)飛行對(duì)于飛行定高有著很高的要求，需要使用多種傳感器數(shù)據(jù)融合有效提升定高精度。該無人機(jī)使用紅外測(cè)距、超聲波和氣壓計(jì)這三種傳感器對(duì)高度進(jìn)行測(cè)量并將所得數(shù)據(jù)融合，得到更高精度的高度數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

本文對(duì)無人機(jī)運(yùn)用于室內(nèi)貨品運(yùn)輸系統(tǒng)中的技術(shù)要點(diǎn)和應(yīng)對(duì)方案進(jìn)行了簡要的分析和介紹，隨著“中國制造2025”規(guī)劃中確立“智能制造”為未來主攻方向及其中對(duì)于無人機(jī)領(lǐng)域相關(guān)政策的落地，無人機(jī)在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)出現(xiàn)爆發(fā)式的增長。實(shí)現(xiàn)無人機(jī)室內(nèi)精準(zhǔn)定位及自動(dòng)導(dǎo)航飛行，對(duì)無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用發(fā)展具有重要的意義，是未來無人機(jī)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外定位無縫銜接的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

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