宋晨暉，程子嘯

（廣州億航智能技術(shù)有限公司技術(shù)部，廣州 510663）

0 引言

隨著無人機行業(yè)電池、通訊、掛載等技術(shù)的快速發(fā)展，無人機以其位于高空中的靈活視野和不受地形限制的機動性，已經(jīng)成為行業(yè)巡檢與日常巡邏領(lǐng)域的重要工具。在電力、能源、工業(yè)園區(qū)等行業(yè)中利用無人機對特定區(qū)域或固定線路的目標(biāo)進行快捷巡查，采集數(shù)據(jù)，為行業(yè)決策管理提供更多的依據(jù)，提高決策管理的效率和準(zhǔn)確性[1-3]。

雖然無人機在行業(yè)應(yīng)用的場景中優(yōu)勢明顯，但在實際使用過程中仍然存在人員操作水平參差不齊、臨時起降場地環(huán)境變化大、通訊狀況受地形限制、作業(yè)現(xiàn)場充電難等問題[4]。例如在遠郊進行巡檢作業(yè)時，每次飛行均需專業(yè)飛手到達現(xiàn)場進行環(huán)境勘察及作業(yè)路徑規(guī)劃，同時還需攜帶大量飛行動力電池甚至臨時搭建充電環(huán)境以支撐完整的作業(yè)流程。在實際應(yīng)用過程中人力與資源的投入相較傳統(tǒng)人工巡檢模式而言性價比并不凸顯。

為應(yīng)對行業(yè)應(yīng)用場景中存在的痛點，耿寒等[5]于2018 年開始探討電力巡檢行業(yè)中巡檢起降平臺的設(shè)計。受無人機應(yīng)用方式所限，起降平臺的設(shè)計仍舊基于人員攜帶裝備現(xiàn)場作業(yè)的形式，鮮有人提及遠程無人機搭配定點自動機場的應(yīng)用形式。當(dāng)下通過4G/5G 通信能力已可實現(xiàn)無人機的全自動化作業(yè)，再結(jié)合分布式部署的遠程無人值守型自動起降機場，根據(jù)不同的應(yīng)用場景實現(xiàn)無人機自主作業(yè)-自動回收-可靠存儲-數(shù)據(jù)回傳的全自動化流程，將會大大提升無人機應(yīng)用能力的上限。本文主要研討分布式部署情況下遠程無人值守自動起降機場的構(gòu)成與設(shè)計[2]。

1 無人值守自動起降機場構(gòu)成

無人值守自動起降機場是一個系統(tǒng)工程，該系統(tǒng)由場景要素和功能要素組成[7]。

1.1 場景要素

無人值守型自動起降機場在行業(yè)應(yīng)用場景中承擔(dān)了無人機的遠端存儲、簡單維護、實時狀態(tài)監(jiān)視、輔助自動起降等職責(zé)，是實現(xiàn)無人值守前提下進行分布式部署的必備條件。

遠端存儲：在分布式部署的前提下，無人值守型自動起降機場的部署方位將會遠離維護人員或控制中心，自動起降機場需要具備安全保管無人機的能力。包括應(yīng)對一日內(nèi)不同的氣象條件、隨季節(jié)更迭的氣溫與濕度變化、防護蚊蟲或野外小動物的侵入、阻止人為惡意破壞等。

簡單維護：由于自動起降機場多會部署于遠離控制中心的方位且無人值守，其需要自行完成對無人機的充電維護、休眠保存、遠程喚醒、實時狀態(tài)監(jiān)視等必要活動，用以替代正常使用過程中維護人員所進行的基本操作。

實時狀態(tài)監(jiān)視：為了能讓控制中心的工作人員及時了解到遠端設(shè)備的實時狀態(tài)，自動起降機場需要具備內(nèi)環(huán)境與外環(huán)境的狀態(tài)監(jiān)視能力。對于內(nèi)環(huán)境而言，除了依托網(wǎng)絡(luò)通信能力監(jiān)視自動起降機場自身的運行狀態(tài)以外，還需要監(jiān)視無人機的實時數(shù)據(jù)狀態(tài)、電池維護狀態(tài)、存儲艙內(nèi)的視頻狀態(tài)等。對外環(huán)境需要監(jiān)視自動起降機場外部的實際氣象條件、光照條件、周邊場地環(huán)境等。

輔助自動起降：由于無人值守的需求，自動起降機場需要通過程序化指令安全地與無人機配合，完成進行起飛前準(zhǔn)備、輔助降落、回收存儲的活動。

1.2 功能要素

1.2.1 起降場地選址

在遠端部署需求下，對起降場地選址及環(huán)境產(chǎn)生了一定要求。自動起降機場的選址首先需要具備良好的衛(wèi)星定位條件，一般來說選址區(qū)域足夠開闊，遠離樹木或高大建筑群可有效降低衛(wèi)星定位的多路徑效應(yīng)干擾[8]。其次對于旋翼機或具有垂直起降功能的復(fù)合翼機型而言，需要在起降場地半徑30 m 內(nèi)的筒形區(qū)域內(nèi)垂直方向無障礙物。場地應(yīng)盡可能位于地勢相對較高之處，以免遭受水淹或受周邊樹木、圍墻倒塌等不可抗力因素的影響。同時應(yīng)盡可能遠離與無關(guān)人員頻繁接觸的區(qū)域，減少人為破壞可能性。

1.2.2 規(guī)范航線設(shè)計

對于固定區(qū)域的巡檢場景，為了確保每次作業(yè)過程中信息采集的一致性，需要對該自動起降機場所使用的無人機執(zhí)飛航線進行完整設(shè)計并進行規(guī)范化存儲管理，以減少人為操作的誤差影響。具體執(zhí)飛時機由人工觸發(fā)或系統(tǒng)自動遠程激活。

1.2.3 通訊鏈路保障

在航線設(shè)計的論證過程中，需要對典型的作業(yè)區(qū)域及起降場地的空域進行通訊鏈路保障。

1.2.4 裝備功能保障

自動起降機場需要具備保障無人機設(shè)備的能力，包括：保障無人機存儲環(huán)境的穩(wěn)定、對無人機進行充電的配套功能、對無人機進行收納放置、具備內(nèi)部系統(tǒng)的監(jiān)視功能、具備外部環(huán)境的監(jiān)視功能、提供長時間聯(lián)網(wǎng)通訊功能、機械執(zhí)行機構(gòu)的備份、穩(wěn)定的能源接入能力與備份能力、設(shè)備自身防護能力[9]。

2 無人值守自動起降機場設(shè)計

無人值守自動起降機場由硬件平臺和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。

2.1 硬件平臺

硬件平臺包含以下構(gòu)成：艙門閉合裝置、停機坪裝置、自動歸中裝置、充電供電模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊、遠程通信模塊。通過對系統(tǒng)外環(huán)境的監(jiān)測與內(nèi)環(huán)境的控制，將為遠程工作人員提供作業(yè)依據(jù)、延長無人機的使用壽命、減少外界對無人機的損害，同時在穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境中完成無人機的設(shè)備維護活動。

2.1.1 艙門閉合裝置

艙門閉合方式選擇頂部對開門方式。頂部可將艙門導(dǎo)軌向兩側(cè)延伸，確保對開門能夠完全打開并露出停機坪裝置。雙對開門同時能夠保證兩側(cè)導(dǎo)軌的負載處于合理的范圍，承受頂部積雪和冰凍帶來的不利影響。對開門接口處需采用電熱方式進行加熱，主要為應(yīng)對冰雪天氣所使用，以防止艙門凍結(jié)無法開啟。同時需在對開門接縫處使用加硅橡膠進行密封防水處理（圖1）。

圖1 艙門閉合方式

2.1.2 停機坪裝置

停機坪裝置是為無人機起降及存儲提供必要功能的裝置?？紤]無人機在停機坪起降時的衛(wèi)星定位效果以及近地時的控制精度，一般來說停機坪裝置的對角線長度應(yīng)約等于2.5～3.0 倍無人機軸距為佳（圖2）。過大的面積會增加自動起降機場其它部件的安裝難度，增加機場整體占地面積，降低部署時的靈活性。而過小的面積則無法在無人機自主降落的過程中提供足夠的安全冗余，等于變相提高無人機自主降落的控制精度要求。同時，停機坪表面設(shè)置了引導(dǎo)無人機降落定位的視覺識別圖形符號。當(dāng)無人機返航下降至停機坪上方約30 m 左右時機上攜帶的下置式微型攝像頭可捕捉到此視覺識別圖形符號，該符號用于輔助修正下降階段的飛行控制姿態(tài)以確保無人機順利降至停機坪上方。

圖2 停機坪布局

2.1.3 自動歸中裝置

自動歸中裝置是為了修正無人機自主降落時所產(chǎn)生的精度誤差，將落至停機坪范圍內(nèi)的無人機通過自動歸中裝置推至停機坪中央位置，為充電維護活動及下一次起飛作業(yè)做準(zhǔn)備。當(dāng)艙門開啟等待無人機起飛或降落時，自動歸中裝置將退至停機坪邊緣以留出足夠的起降空間。其使用2×2 對中夾桿及同步夾緊形式，確保無人機在推中的過程中受力均勻，不會導(dǎo)致腳架偏斜側(cè)翻（圖3）。

圖3 自動歸中裝置

2.1.4 充電供電模塊

充電模塊使用觸針式充電方式，當(dāng)自動歸中裝置將無人機推至停機坪中央位置時，無人機腳架上預(yù)留的充電觸針將對準(zhǔn)平臺中央預(yù)留好的探針接口。當(dāng)充電模塊檢測到動力電池接入后將自動進行充電操作。待動力電池電量充滿，充電模塊通過探針接口與電池通信，將電池轉(zhuǎn)入休眠模式以更好地延長電池使用壽命。此設(shè)計的優(yōu)點可解決自動機械臂或人工裝卸電池的成本問題，缺點則是每次作業(yè)后均需要一定的充電時間，會對連續(xù)作業(yè)場景產(chǎn)生一定限制。

2.1.5 環(huán)境監(jiān)測

由于充電活動位于艙內(nèi)，通過設(shè)置自動恒溫空調(diào)確保艙內(nèi)環(huán)境處于良好狀態(tài)以提高充電效率，降低鋰離子電池?zé)崾Э仫L(fēng)險[3]；艙外則布置立式支架并安裝風(fēng)速儀、溫度濕度傳感器以監(jiān)測外部氣象信息，為遠程工作人員提供是否執(zhí)行任務(wù)的決策依據(jù)；設(shè)置對內(nèi)/對外視頻監(jiān)控攝像頭，確保遠程工作人員掌握艙內(nèi)艙外的實時情況（圖4）。

圖4 整體狀態(tài)示意圖

2.1.6 遠程通信模塊

自動起降機場并非信息的孤島，需通過遠程通信模塊與控制中心建立數(shù)據(jù)連接，所有實時數(shù)據(jù)反饋、狀態(tài)監(jiān)視功能及程序化指令的接收均依賴于此。遠程通信模塊具有以太網(wǎng)接入功能，在條件允許的環(huán)境下通過網(wǎng)絡(luò)布線的形式接入網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。在不具備網(wǎng)絡(luò)布線的環(huán)境中，使用4G/5G 模組以無線通信模式接入網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2.2 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)是為了實現(xiàn)無人值守情況下無人機能自動起降的一種軟件控制系統(tǒng)。在無人值守起降機場設(shè)計中，無人機降落引導(dǎo)程序最為關(guān)鍵，其決定了整體系統(tǒng)的安全性與可用性[4]。

2.2.1 無人機與起降裝置互聯(lián)互通

在整體系統(tǒng)構(gòu)建中需要配置一遠端服務(wù)器，無人機通過機載遠程通信模塊將自身實時工作狀態(tài)上報至遠端服務(wù)器，自動起降機場同理。遠端服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)通信連接綜合判斷兩方的工作狀態(tài)：當(dāng)遠程工作人員需要無人機執(zhí)行巡檢任務(wù)時，通過網(wǎng)絡(luò)獲取無人機維護狀態(tài)信息以及自動起降機場附近的環(huán)境信息，以為是否執(zhí)行任務(wù)提供決策依據(jù)；當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完畢回收無人機時，通過服務(wù)器判斷無人機實時狀態(tài)并為自動起降機場發(fā)送程序化指令，開閉艙門為降落引導(dǎo)程序提供必要的準(zhǔn)備。

2.2.2 視覺識別降落引導(dǎo)

無人機在外部正常作業(yè)時艙門為關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)無人機返航至自動起降機場經(jīng)緯度附近30 m 的空中時，服務(wù)器根據(jù)無人機實時狀態(tài)發(fā)送開啟艙門指令至自動起降機場。艙門開啟后，自動歸中裝置退至邊緣，即露出停機坪上布置的大型視覺識別符號A，至此由遠端服務(wù)器控制的降落引導(dǎo)程序準(zhǔn)備工作即已完成。正式引導(dǎo)程序分為以下3步。

第一步：當(dāng)無人機返航至預(yù)定降落區(qū)域后，在某高度（30 m）開始識別停機坪視覺識別符號（圖5）。

圖5 無人機捕獲停機坪識別符號

由于停機坪視覺識別符號與起降裝置周邊結(jié)構(gòu)件的距離相對固定，則當(dāng)無人機在預(yù)設(shè)高度識別到停機坪視覺識別符號時（白色中心點），機載飛行控制系統(tǒng)將無人機當(dāng)前位置調(diào)整至其正上方（圖6）。

圖6 無人機調(diào)整靠攏方向

第二步：當(dāng)無人機位置朝停機坪視覺識別符號A中心點的位置靠攏后，無人機將開始執(zhí)行降低高度動作。在此過程中飛行控制系統(tǒng)持續(xù)修正無人機與視覺識別符號的相對位置，并盡可能靠攏中心點。

第三步：無人機高度下降至近地區(qū)間后（10 m 以下），無人機視覺識別模塊可能會丟失一部分大型視覺識別符號A的圖像信息，此時無人機調(diào)整位置以停機坪大型視覺識別符號A 內(nèi)部嵌套的小型視覺識別符號B1、B2、B3 等信息作為定位參照物（圖7）。由于小型視覺識別符號距離中心點的位置相對固定，同理飛行控制系統(tǒng)可調(diào)整無人機位置直至成功觸地。

圖7 識別符號內(nèi)嵌套信息

2.2.3 降落引導(dǎo)程序的搜尋模式

在上述視覺識別降落引導(dǎo)程序正常運行的前提下，額外增加降落引導(dǎo)程序的搜尋模式。無人機返航至目標(biāo)經(jīng)緯度并降落至某預(yù)定高度（25 m）時，若仍無法成功進入降落引導(dǎo)程序，則停留在當(dāng)前高度并進入搜尋模式。搜尋模式為：以大地坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，無人機當(dāng)前經(jīng)緯度坐標(biāo)位置為中心，朝正北方向移動至邊長為6 m 的方形軌道上。并沿此軌道進行一圈移動以搜尋可能存在的大型視覺識別符號A（圖8）。

圖8 降落引導(dǎo)搜尋模式

若無人機成功搜尋到停機坪大型視覺識別符號A，則轉(zhuǎn)入降落引導(dǎo)程序。若搜尋失敗，則令無人機懸停在原地并主動向遠端服務(wù)器報出無人機當(dāng)前所處狀態(tài)，等待人工操作調(diào)整[5]。

3 結(jié)束語

本文在梳理無人機自動巡檢場景下的問題與痛點基礎(chǔ)上，通過分析無人機自動起降機場的場景要素與功能要素，提出一種無人機無人值守自動起降機場設(shè)計。

在硬件平臺的設(shè)計中艙門閉合方式使用頂部雙對開門形式以應(yīng)對合理負載，停機坪布局尺寸約2.5～3.0 倍無人機軸距以提供起降安全冗余，自動歸中裝置使用2×2 對中夾桿及同步夾緊形式以確保無人機腳架受力均勻，充電供電方式使用觸針方式以降低整體成本，配置恒溫空調(diào)、風(fēng)速計、溫度濕度傳感器、內(nèi)外攝像頭以實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測與控制，配置遠程通信模塊實現(xiàn)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互能力。

在自動控制系統(tǒng)中配置遠程服務(wù)器以實現(xiàn)互聯(lián)互通，在無人機飛控系統(tǒng)中設(shè)計視覺識別降落引導(dǎo)程序及搜尋模式，實現(xiàn)其精準(zhǔn)的自動降落。

通過以上綜合設(shè)計，可有效解決無人機續(xù)航時間短、需人工現(xiàn)場操作等應(yīng)用問題，進而幫助提升無人機應(yīng)用的能力上限。但該設(shè)計方案在分布式部署的情況下需要通過數(shù)據(jù)與視頻回傳的方式實時監(jiān)控各設(shè)備運行狀態(tài)，且需在降落引導(dǎo)程序失敗的情況下及時進行人工遠程介入，故對網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量極度依賴。