鹿彬 王剛 李建興

摘要：隨著國內(nèi)無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展與成熟，無人機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)開始普及。當(dāng)前的無人機(jī)已經(jīng)非常智能，可以實(shí)現(xiàn)自動啟飛和自動返航，但是沒有專業(yè)的產(chǎn)品來給無人機(jī)提供自動充電的服務(wù)以及供無人機(jī)起飛與返航的停機(jī)坪，車載無人機(jī)智能充電機(jī)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)迫在眉睫。本系統(tǒng)正是在這個大背景下設(shè)計(jì)而成的。系統(tǒng)主要分為五個部分，分別是電池充電部分、停機(jī)坪部分、本地控制部分、時間控制部分和遠(yuǎn)程遙控部分。其中電池充電部分主要有太陽能光伏板和220V交流電兩種供電方式。停機(jī)坪部分的動力系統(tǒng)采用電動推桿，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MCU和控制面板來實(shí)現(xiàn)機(jī)庫門、停機(jī)坪和太陽能光伏板。時間控制部分主要功能是控制停機(jī)坪在規(guī)定時間內(nèi)伸出或者收回。還有遠(yuǎn)程遙控部分，通過433MHz無線串口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控功能。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；智能機(jī)庫；遠(yuǎn)程遙控

1緒論

1.1引言

無人機(jī)是一種利用無線電遙控設(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)，英文縮寫為“UAV”，也被稱為空中機(jī)器人。多旋翼無人機(jī)足一種具備懸停功能的無人機(jī)，幾年來發(fā)展迅猛。對于大面積無人值守，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，無人飛機(jī)現(xiàn)在己廣泛應(yīng)用各個領(lǐng)域，例如用于空中拍攝、農(nóng)藥噴灑和快遞運(yùn)輸[2]。隨著對無人機(jī)應(yīng)用價值認(rèn)知的加深，無人機(jī)在消費(fèi)級，工業(yè)級和軍用級市場都呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展之勢，無人機(jī)外圍產(chǎn)品也如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。

1.2研究背景

無人機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，但是眾所周知，無人機(jī)在是使用過程中有許多局限，有無人機(jī)自身的局限，也有外界環(huán)境的因素，限制了無人機(jī)的使用場合。其一，就是無人機(jī)在戶外使用的過程中需要解決頻繁的充電問題。目前市場上使用電能驅(qū)動的無人機(jī)都是用鋰電池供電。鋰電池質(zhì)量輕、壽命長、承載能量高，所以鋰電池成為了無人機(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，這就大大限制了無人機(jī)的使用場合和時間，無人機(jī)迫切需要一套可以隨時隨地可充電的移動式充電站。該移動式充電站不僅能給無人機(jī)充電，還要實(shí)現(xiàn)方便移動、可車載等優(yōu)點(diǎn)，更為重要的是使用太陽能作為能量來源，隨時隨地可取電。

其二，就是無人機(jī)?？颗c起飛都需要相對平穩(wěn)的平而，否則會伴隨“炸機(jī)”的風(fēng)險，所以在野外諸多場合，無人機(jī)無法起飛與降落。因此，一個穩(wěn)定可靠的停機(jī)坪也是無人機(jī)野外工作的必要條件。停機(jī)坪需要給無人機(jī)提供穩(wěn)定可靠的起飛降落環(huán)境，而且要防止無人機(jī)在?？砍潆姇r意外起飛。由于無人機(jī)屬于電子產(chǎn)品，高濕度環(huán)境會發(fā)生故障，停機(jī)坪還需要給無人機(jī)提供遮風(fēng)擋雨的環(huán)境。

為了給無人機(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載智能充電無人機(jī)機(jī)庫系統(tǒng)，可由太陽能和220V交流電作為電源，為無人機(jī)提供高效率充電和穩(wěn)定的停機(jī)坪。同時還帶有時問控制器，為自動返航的無人機(jī)提供更智能的停機(jī)與起飛服務(wù)。自動充電系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)自動充電。

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能光伏板，輔助供電是220V交流電，防止長時間陰天而造成電力不足。太陽能光伏板通過太陽能控制器穩(wěn)壓，UPS電源無縫切換太陽能供電與磷酸鐵鋰電池供電，確保系統(tǒng)不會斷電。同時，太陽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，無人機(jī)鋰電池充電部分由太陽能控制器直接輸出供電，大電流充電可確保充電時間和效率。磷酸鐵鋰電池只是輔助充電，在沒有太陽光或者太陽能光伏板無法工作時給無人機(jī)鋰電池充電。220V交流電與太陽能智能切換，如果220V交流供電時，太陽能自動切斷。

2.2系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用工業(yè)級單片機(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，有開關(guān)可以切換兩種控制方式。本地控制可以控制機(jī)柜門的開合，太陽能板的平移，停機(jī)坪的伸出與收回。同時也可以切換本地控制與遠(yuǎn)程控制。

時問控制器主要功能是給系統(tǒng)傳輸時問數(shù)據(jù)，配合主控芯片，在規(guī)定的時問內(nèi)控制機(jī)柜門的開合與停機(jī)坪的伸出和收回，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的定時起飛和定時降落的功能。時間控制器也可以于動輸入時問，實(shí)現(xiàn)對時功能，防止有誤差而影響無人機(jī)的自動啟飛和降落。

壓力傳感器判斷無人機(jī)是否降落在停機(jī)坪上，配合電磁吸盤使無人機(jī)固定在停機(jī)坪上而，可以防止在無人機(jī)充電的時候意外起飛。機(jī)柜門、停機(jī)坪和太陽能板的活動是通過電動推桿來實(shí)現(xiàn)。由主控發(fā)送控制信號給電推桿驅(qū)動模塊，從而驅(qū)動電動推桿做出相應(yīng)動作。

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。同時檢測壓力傳感器的數(shù)據(jù)，判斷無人機(jī)是否降落。其中電動推桿的驅(qū)動程序則是封裝成子程序模塊，適時調(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。壓力傳感器的檢測則由外部中斷實(shí)現(xiàn)。時間控制器通過IIC總線與主控模塊通信，通過定時器中斷服務(wù)程序定時發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.4系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

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

停機(jī)坪，太陽能板以及機(jī)庫門的開啟關(guān)閉均由智能電推桿完成。電動推桿是一種將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往復(fù)運(yùn)動的電力驅(qū)動裝置。電動機(jī)經(jīng)齒輪減速后，帶動一對絲桿螺母，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動，利用電動機(jī)正反轉(zhuǎn)完成推桿動作。推桿兩頭各有一個行程限位開關(guān)，推桿運(yùn)行到底或頂后，會自動停止。在停機(jī)坪和太陽能電池板的下方安裝有直線導(dǎo)軌和滑塊，停機(jī)坪和太陽能板通過滑塊在直線導(dǎo)軌上作直線運(yùn)動?；瑝K里面有兩排滾珠，能夠大大減少停機(jī)坪及太陽能板運(yùn)動過程中的摩擦力。

2.5系統(tǒng)的停機(jī)坪結(jié)構(gòu)

無人機(jī)在野外起飛與降落都需要相對平穩(wěn)的平面，這就限制了無人機(jī)的使用環(huán)境。本機(jī)庫專為無人機(jī)起飛與?？吭O(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，停機(jī)坪上搭載了大功率充電電路，無人機(jī)?？亢罂梢詫?shí)現(xiàn)自動充電。本機(jī)庫的停機(jī)坪也設(shè)計(jì)了防止無人機(jī)在充電過程中意外起飛的把保護(hù)電路，檢測無人機(jī)是否停靠在停機(jī)坪，實(shí)現(xiàn)自動保護(hù)。

3系統(tǒng)測試與分析

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

3.1系統(tǒng)硬件測試與分析

系統(tǒng)硬件測試是為了檢測系統(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)不合理的問題。在進(jìn)行通電檢測之前，根據(jù)已經(jīng)沒計(jì)好的電路圖，用檢測工具檢測系統(tǒng)各個部分是否存在開路、短路等情況。在對設(shè)計(jì)硬件部分進(jìn)行基本的檢測之后，給設(shè)備上電，通電檢測主要是判斷系統(tǒng)各個子模塊在上電以后是否可以正常工作。

3.12無線通信測試與分析

433MHz通信部分測試主要測試通電以后無線模塊是否能正常傳輸數(shù)據(jù)。首先檢測模塊是否初始化成功。接著檢測WIFI是否能通信，通過USB轉(zhuǎn)串口模塊，分別將433MHz無線串口與兩臺電腦電腦相連，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)的測試。接下來進(jìn)行通信距離測試，本系統(tǒng)采用100mW功率的433MHz無線模塊，理論通信距離lkm，實(shí)測在200m范圍內(nèi)，通信效果非常好，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。通過以上測試，可以看出433MHz無線模塊可實(shí)時、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)功能測試與分析

本系統(tǒng)主要有兩大功能，一是給無人機(jī)充電，二是為無人機(jī)提供停機(jī)坪。無人機(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)是通過大面積金屬接觸面給無人機(jī)電池充電，充電時配合電磁吸盤，將無人機(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)柜門和太陽能光伏板做出相應(yīng)的動作。經(jīng)過測試，都可以實(shí)現(xiàn)。