劉茂豐 王偉 陸昱丞

【摘要】? ? 為解決現(xiàn)無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，由于電池電量限制，而無法長久執(zhí)行任務(wù)的弊端，本文設(shè)計(jì)一種可以自動更換電池的智能機(jī)巢。該系統(tǒng)以SIMATIC S7-200SMART作為系統(tǒng)核心處理單元，系統(tǒng)主要通過光電傳感器檢測無人機(jī)位置，PLC控制及時(shí)做出相應(yīng)，控制機(jī)械手操作電池盒，進(jìn)行更換電池操作。并且利用高精度定位系統(tǒng)RTK進(jìn)行誘導(dǎo)降落。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試表明，本系統(tǒng)具備自主更換電池功能和誘導(dǎo)降落功能。

【關(guān)鍵詞】? ? PLC? ? 光電傳感器? ? 機(jī)械手? ? RTK

引言

隨著無人機(jī)快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，無人機(jī)技術(shù)很好地解決了人們對工作上的需求[1]。在工作上，人們利用無人機(jī)進(jìn)行架空電路的巡檢，但因其電池影響，不能長久工作，需要人工更換電池，極大的降低了工作效率。傳統(tǒng)的固定機(jī)巢，只具備控制無人機(jī)起降功能，保護(hù)無人機(jī)避免損傷。傳統(tǒng)固定機(jī)巢以一塊四平八穩(wěn)的平臺供無人機(jī)起降，該平臺具備升降功能，在不需使用的時(shí)候，可以將無人機(jī)收納在內(nèi)部，可以有效保護(hù)無人機(jī)。

隨著科技不斷的發(fā)展以及市場需求的變化，傳統(tǒng)的固定機(jī)巢不能滿足人們對工作上的需求。傳統(tǒng)的固定機(jī)巢需要人為選址放置，一般情況不輕易改變機(jī)巢位置，并且必須選取空曠且平穩(wěn)的地方安置，因?yàn)闊o人機(jī)降落的時(shí)候會有誤差，無法保證在降落的時(shí)候，不會碰撞周邊物件，其作業(yè)范圍有一定限制 [2]。而智能機(jī)巢指的是以合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，基于PLC控制，兩者相輔相成，利用PLC控制機(jī)械手抓取電池或放入電池。利用STM32F405芯片搭建智信息交互的智能處理單元，高精度定位系統(tǒng)RTK和智能處理單元之間采用CAN通信[3-4]，PLC控制和智能處理單元之間采用串口通信，高精度定位系統(tǒng)RTK獲取當(dāng)前智能機(jī)巢的經(jīng)緯度位置，通過智能處理單元發(fā)送經(jīng)緯度位置給無人機(jī)，來誘導(dǎo)無人機(jī)降落。因此研究巡檢無人機(jī)的智能機(jī)巢具有重要意義。

一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由智能處理單元（MCU）、RTK、PLC控制、機(jī)械手部分組成。其中MCU采用的是STM32F405芯片，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn);RTK板卡部分主要提供精確的經(jīng)緯度信息;PLC控制部分主要功能是接受到指令后，操作機(jī)械手;機(jī)械手的功能是抓取電池。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能處理單元

智能處理單元采用ST公司的STM32F405系列芯片，該芯片是ARM的Cortex-M4系列內(nèi)核，最高工作頻率可達(dá)168 MHz，工作電壓在 2.0V-3.6V。該芯片具有192KB的SRAM、512KB的FLASH，該系列芯片擁有高性價(jià)比、低功耗等特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上搭載SIM7600CE-L的4G通信模塊，該模塊支持多種頻段，用于和無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.2 高精度定位系統(tǒng)RTK

如下圖2所示，RTK板卡采用諾瓦泰多頻單側(cè)板卡，支持多頻測向和定位解算，同時(shí)支持雙天線輸入。

2.3 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)采用SIMATIC S7-200SMART作為主控。S7-200有5中CPU模塊，CPU226自帶24輸入和16輸出，同時(shí)具有良好的可擴(kuò)展性，使用中小型控制系統(tǒng)中，用于本課題所設(shè)計(jì)的智能機(jī)巢，已經(jīng)足夠。

2.4智能機(jī)巢設(shè)計(jì)

智能機(jī)巢由起降平臺、機(jī)械手和電池倉組成。起降平臺供無人機(jī)更換電池和起降。機(jī)械手為3軸自由度，分別X軸、Y軸和Z軸，每一個(gè)軸的機(jī)械手下方都安裝兩個(gè)光電傳感器，一個(gè)在起點(diǎn)位置，一個(gè)在終點(diǎn)位置，可以判定機(jī)械手的移動狀態(tài)。通過PLC控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而帶動對應(yīng)的機(jī)械手動作，最終可以完成更換電池操作[5]。如圖3所示。

2.5 機(jī)械臂設(shè)計(jì)

三軸機(jī)械臂均由絲杠帶動，從而向上、向下、向左、向右、向前和向后運(yùn)動。絲杠由電機(jī)帶動，如圖4所示。

2.6 起降平臺設(shè)計(jì)

起降平臺有斜板和平板構(gòu)成，斜板可以用作，無人機(jī)降落后，出現(xiàn)左右位置偏差，可以通過這種坡面，滑動至平板上，平板上有4處固定器，光電傳感器檢測到無人機(jī)降落后，固定器會自動向中間合攏，鎖緊無人機(jī)。固定器由氣缸帶動。如圖5所示。

三、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件部分主要流程包括以下步驟：

（1）系統(tǒng)初始化，該過程主要包括機(jī)械臂初始化，機(jī)械臂歸位于初始位置，等待指令下發(fā)。智能處理單元初始化，連接網(wǎng)絡(luò)，后臺控制中心可以獲取到當(dāng)前機(jī)巢的信息。RTK獲取當(dāng)前智能機(jī)巢經(jīng)緯度位置。

（2）當(dāng)無人機(jī)只想任務(wù)結(jié)束后，無人機(jī)通過4G通信模塊，將即將降落的信息發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器將該條信息轉(zhuǎn)發(fā)至智能機(jī)巢，智能機(jī)巢獲取到信息后，發(fā)送RTK已經(jīng)獲取到的機(jī)巢的經(jīng)緯度至服務(wù)器，服務(wù)器將經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)發(fā)至無人機(jī)，至此，形成一個(gè)閉環(huán)。無人機(jī)開始降落，在降落的過程實(shí)時(shí)接受智能機(jī)巢發(fā)送來的經(jīng)緯度信息，隨時(shí)調(diào)整降落位置。

（3）無人機(jī)降落平穩(wěn)后，智能機(jī)巢的起降平臺上安裝由固定器。無人機(jī)降落會影響光電傳感器獲取光源的數(shù)量，因此判斷無人機(jī)已經(jīng)降落，PLC會控制起降平臺上的固定器將無人機(jī)腳架鎖緊。

（4）PLC控制會發(fā)送控制命令，首先會移動X軸機(jī)械手向中間移動，當(dāng)X軸機(jī)械手移動至終點(diǎn)位置時(shí)，光電傳感器會檢測到光亮的變化，從而獲取到X軸機(jī)械手的位置狀態(tài)。Z軸和Y軸的移動過程大致相同，不在描述。Y軸機(jī)械手上安裝抓手，當(dāng)三軸全部移動到指定位置后，PLC控制抓手抓取電池。抓手獲取無人機(jī)電池后，PLC在控制3軸機(jī)械手原路返回，最終將電池插入機(jī)巢的電池倉中。系統(tǒng)在更具電池倉中電池的電量，選擇符合要求的電池，利用抓手抓出后，在通過機(jī)械手送回?zé)o人機(jī)中。實(shí)現(xiàn)自主更換電池。

（5）當(dāng)無人機(jī)重新獲取充足電能后，首先先將準(zhǔn)備指令發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器獲取后，轉(zhuǎn)發(fā)指令到智能機(jī)巢，機(jī)巢松開固定器。無人機(jī)可以起飛。

四、結(jié)束語

針對市場的需求，本系統(tǒng)PLC作為核心控制，設(shè)計(jì)智能機(jī)巢。利用4G通信模塊和高精度定位系統(tǒng)RTK，實(shí)時(shí)誘導(dǎo)無人機(jī)降落，可以將無人機(jī)的降落精度精確到厘米級。并且具備自主更換電池、成本低廉、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。該智能機(jī)巢在無人機(jī)巡檢領(lǐng)域有較大的市場和應(yīng)用價(jià)值。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]. 胡智敏，李凱，湯國鋒，等.一種輸電線路無人機(jī)“巢-巢”巡檢新模式[J].江西電力，2018

[2] 韋舒天，李龍，岳靈平，等.輸電通道人機(jī)協(xié)同巡檢方式的探索[J].浙江電力，2016.

[3] 柴大帥. 高頻單歷元GNSS動態(tài)差分定位技術(shù)研究[D].山東科技大學(xué)，2017

[4] 李成鋼.網(wǎng)絡(luò)GPS/VRS系統(tǒng)高精度差分改正信息生成與發(fā)布研究[D].西南交通大學(xué)，2007. [5] 張波，李衛(wèi)民，尚銳.多功能上下料用機(jī)械手液壓系統(tǒng) [J]. 液壓與氣動，2012（8）：31-32.