黃文早

（武漢虹信技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430070）

0 引言

無人機全稱無人駕駛飛行器，是一種通過預(yù)先裝入的程序控制裝置和利用無線電技術(shù)進(jìn)行遙控的不載人飛機，具有環(huán)境適應(yīng)性強、操作簡單和操作方便等優(yōu)勢。 相較于人工清理，將無人機應(yīng)用于清障作業(yè)中可以發(fā)現(xiàn)各種人工巡檢不易發(fā)現(xiàn)的障礙物，同時使用無人機清障機器實現(xiàn)各種垃圾的識別和清理具有成本低、效率高的優(yōu)點［1］。 因此，設(shè)計一款基于無人機中繼通信的清障機器，將無人機和通信相結(jié)合，利用無人機中繼通信技術(shù)實現(xiàn)垃圾的識別清理一體化具有重要現(xiàn)實意義。 本文梳理了清障機器使用的無人機技術(shù)、通信技術(shù)、飛行姿態(tài)控制及障礙物探測技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，分別對系統(tǒng)總體、無人機平臺、硬件和軟件部分進(jìn)行設(shè)計，在此基礎(chǔ)上設(shè)計出一種基于無人機中繼通信的清障機器。

1 無人機發(fā)展

無人機經(jīng)過了一個世紀(jì)的發(fā)展，目前種類變得多種多樣，其在偵查、巡檢、通信、電子對抗等眾多領(lǐng)域均有應(yīng)用。無人機最早可追溯到1914 年，很多無人機先進(jìn)技術(shù)都是從軍用方面發(fā)展起來的［2］。 世界各國非常重視對無人機遙感技術(shù)的研究，如今無人機遙感技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于氣象觀測、環(huán)境保護(hù)、測繪、城市規(guī)劃、自然災(zāi)害、社會事件、電力巡檢、清掃障礙等多個領(lǐng)域。 未來，對無人機提出了更高的要求，如回避障礙、自動識別跟蹤、精準(zhǔn)定位、投放物品、回收障礙等功能，因此多技術(shù)結(jié)合是無人機的發(fā)展趨勢，綜合多種導(dǎo)航技術(shù)、多傳感器、GPS 等使未來的無人機具有高可靠性、高精度、高自主性及高抗干擾能力。 隨著無人機中繼通信巡視中清障技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，無人機還將在障礙自主識別、自主分類、增強精準(zhǔn)度等方面有更深入的發(fā)展［3］。

2 清障機器相關(guān)技術(shù)

2.1 無人機技術(shù)

2.1.1 無人機組成

無人機最為核心的系統(tǒng)是導(dǎo)航飛控系統(tǒng)，在一些場景下，該系統(tǒng)還可根據(jù)具體功能細(xì)分為飛控子系統(tǒng)和導(dǎo)航子系統(tǒng)，其中導(dǎo)航子系統(tǒng)主要用來通信，不間斷向無人機提供必要的飛行姿態(tài)、速度和位置信息以指導(dǎo)無人機按照指定路線準(zhǔn)確、安全地飛行；飛控子系統(tǒng)主要用于完成起飛、飛行巡視、空中作業(yè)和返回等整個飛行過程［4］。 其中，飛控子系統(tǒng)對無人機尤為重要，相當(dāng)于有人機的駕駛員，近年來，很多專家和學(xué)者將組合控制、非線性動態(tài)控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制等先進(jìn)的控制方法引入到無人機飛控系統(tǒng)，使得無人機具備更好的飛控性能，提高了無人機飛行過程中的控制穩(wěn)定性。 另外，無人機機身裝配有各種傳感器。 如位置、姿態(tài)、高度傳感器等，這是飛控系統(tǒng)的關(guān)鍵。未來，高效性、時效性及規(guī)?；姆蔷€性組合導(dǎo)航是無人機導(dǎo)航控制系統(tǒng)的一個主要發(fā)展方向。

2.1.2 無人機動力裝置

無人機飛行系統(tǒng)依靠電機提供動力，這類電機具有機電一體化的特點，主要由驅(qū)動器與電機主體兩部分構(gòu)成。其中微型無人機有兩類動力電機，分別是無刷電機和有刷電機，有刷電機通過旋轉(zhuǎn)換向器和線圈、保持碳刷和磁鋼不轉(zhuǎn)來獲得交替變化的線圈電流方向；無刷電機的定子和轉(zhuǎn)子之間沒有換向器和電刷，主要通過控制器提供相反方向的直流電來獲得交替變化的電流方向。 由于無刷電機具有運轉(zhuǎn)流暢、噪聲低，維護(hù)成本低、使用期限長，無電刷、干擾低的優(yōu)點，在實際中得到了大范圍應(yīng)用，本文設(shè)計的清障機器的主動力裝置使用的便是無刷電機。

2.2 無人機通信技術(shù)

2.2.1 無人機中繼通信與MAVLink

近年來，無人機技術(shù)日益成熟，常在各個行業(yè)領(lǐng)域中用于遙感測繪、拍攝及監(jiān)控等。 在通信方面，無人機常用作兩地通信的中繼以確保兩地的通信質(zhì)量，這也適用于電磁干擾強或信號傳輸困難的場景。 無人機大量的數(shù)據(jù)通信需要占用大量頻譜，如今電磁環(huán)境相對復(fù)雜，對頻譜管理提出了更高的要求。 無人機通信系統(tǒng)的專用通信協(xié)議之一是MAVLink，該協(xié)議是在LGPL 開源協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的，使用串口互聯(lián)通信方式，具有更強的數(shù)據(jù)分析和處理能力、更廣泛的覆蓋范圍［5］，因此，廣泛應(yīng)用于目前主流的眾多小型無人機系統(tǒng)中。 該協(xié)議簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)全雙工工作，足以滿足大多數(shù)無人機的通信要求，該協(xié)議的廣泛應(yīng)用有助于無人機中繼通信的發(fā)展，使得無人機可以和其他通信設(shè)備之間互通數(shù)據(jù)、更加緊密結(jié)合，使得設(shè)備之間的通信具有一定的高效性、安全性及可靠性。

2.2.2 無人機通信鏈路

無人機通過通信鏈路實現(xiàn)載荷通信、無載荷通信以及系統(tǒng)控制傳輸，無人機通信鏈路分為無載荷鏈路和控制鏈路兩種，主要有規(guī)避和感知、控制和指揮及空中交通管制三種。 通信鏈路可實現(xiàn)無人機和控制器之間實時交換信息，控制器主要是向無人機發(fā)送指令，對無人機進(jìn)行控制和指揮，而無人機需要向控制器發(fā)送自身相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，這些信息主要有：設(shè)備狀態(tài)、高度、速度及位置信息等。 對于一些無人機通信鏈路，根據(jù)實際需要還要將拍攝的高清圖片、視頻和影像等數(shù)據(jù)信息傳給控制器，控制器對數(shù)據(jù)分析并處理，以此發(fā)送下一步指令。

2.3 飛行姿態(tài)控制技術(shù)

無人機在巡視障礙物過程中，可能會受到降雨、強風(fēng)等惡劣天氣的影響，因此需要特別注意無人機飛行姿態(tài)，基于機器視覺的無人機可受控制器控制，實現(xiàn)仰俯姿態(tài)反轉(zhuǎn)從而保證無人機正常安全巡視。 聯(lián)合應(yīng)用多種傳感器，采集站點的姿態(tài)、位置，其中的關(guān)鍵是統(tǒng)一并同步時間和坐標(biāo)，可以通過相應(yīng)定位算法，將時間和計時進(jìn)行同步記錄和控制。

2.4 障礙物探測技術(shù)

在巡視過程中，無人機可通過機器視覺技術(shù)，得到大量的高清圖片、視頻并傳輸、存儲到控制器中，控制器對圖片和視頻進(jìn)行分析和處理；可利用紫外探測技術(shù)和紅外熱成像儀，對周圍環(huán)境中的發(fā)熱點進(jìn)行巡查，一旦發(fā)現(xiàn)熱點溫度判斷是否為障礙物，如果是就向清障機器發(fā)送信號，告知清障機器障礙物位置信息以便及時清理障礙物。

3 清障機器設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的清障機器綜合使用無人機中繼通信技術(shù)，將無人機和清障機器兩者相結(jié)合，從而實現(xiàn)無人機自動識別障礙物，清障機器收取障礙物。 清障機器在硬件方面，應(yīng)用超聲波模塊和Arduino，建立以無人機為核心的空中基站，同時輔助OpenMV3 視覺技術(shù)，實現(xiàn)無人機向清障機器實時發(fā)送障礙物位置信息。 清障機器無人機平臺整體布局參數(shù)見表1。 在軟件方面對無人機中繼通信系統(tǒng)、自動識別與定位進(jìn)行設(shè)計，與此同時對清障機器機械臂進(jìn)行著重設(shè)計。

表1 飛行平臺整體布局參數(shù)

3.2 硬件部分設(shè)計

3.2.1 OpenMV3 視覺模塊

OpenMV3 是機器視覺模塊，由于功能強大、低本低廉得以廣泛應(yīng)用。 OpenMV3 視覺模塊包含多種功能的算法，如人臉識別、邊緣檢測、尋找色塊、眼球跟蹤及標(biāo)志跟蹤等，可用于跟蹤固定的標(biāo)記物、篩選殘次產(chǎn)品、檢測非法入侵等［6］。 其具體的性能參數(shù)見表2。

表2 OpenMV3 性能參數(shù)

3.2.2 Arduino

Arduino 是一個包含軟件和硬件的開源平臺，該平臺操作簡單、邊界靈活、容易上手，通過簡單的開發(fā)方式可以輕便地實現(xiàn)各種功能，有助于縮短開發(fā)周期。 本文的清障機器設(shè)計中使用了性能較為穩(wěn)定的Arduino MEGA 2560，其具體的性能參數(shù)見表3。

表3 Arduino MEGA 2560 性能參數(shù)

3.2.3 動力裝置

動力裝置主要有兩部分組成，分別是輔助動力裝置及主動力裝置［7］，其中主動力裝置使用無刷電機；輔助動力裝置選用直流電機。 另外，為了使清障機器更靈活、容易操縱，無刷電機選用了標(biāo)準(zhǔn)的具有矢量轉(zhuǎn)向功能的金屬舵機。

3.2.4 控制機構(gòu)

清障機器的控制主要有自動控制和手動控制兩種，手動控制主要使用無刷電機，通過航模遙控器利用2.4 G 接收器天線進(jìn)行控制；自動控制主要包括基于超聲波的無人機自動跟蹤和OpenMV3 的色塊識別兩部分，利用Arduino、OpenMV3 視覺模塊、超聲波發(fā)送模塊以及舵機驅(qū)動板組件實現(xiàn)自動控制。 具體的控制系統(tǒng)流程如圖1 所示。

3.3 軟件部分設(shè)計

3.3.1 基于無人機的中繼通信系統(tǒng)設(shè)計

清障機器通過無人機識別障礙物的完整通信過程是，當(dāng)無人機發(fā)現(xiàn)附近有障礙物，清障機器開始計時同時向無人機發(fā)送信號，無人機接收到來自清障機器的無線電信號后發(fā)送超聲波信號給清障機器，從而實現(xiàn)清障機器自動跟隨無人機。

超聲波定位的基本原理是，清障機器上的兩個超聲波接收器和無人機之間的距離不同，因此超聲波到達(dá)兩個接收器所用時間不同，Arduino 可根據(jù)這兩個接收時間進(jìn)行分析和計算，從而得到無人機到兩個超聲波接收器的距離［8］，再基于超聲波模塊定位的相應(yīng)算法，進(jìn)而可以得到無人機在清障機器坐標(biāo)系中的實際坐標(biāo)，以此來實現(xiàn)清障機器判斷和定位無人機的具體方位。

3.3.2 自動識別與定位的設(shè)計

無人機云端用于實時監(jiān)測和控制清障機器全部動作，在清障機器平穩(wěn)性、穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、準(zhǔn)確性及精確度上起著重要作用，在實時監(jiān)控清障機器全部動作的基礎(chǔ)上，可以在任何時間對清障機器的下一步動作進(jìn)行干預(yù)和調(diào)整。

為了確保無人機發(fā)送正確的位置信息，相關(guān)工作人員提前繪制待清障路段的圖紙信息并預(yù)先導(dǎo)入無人機云端，云端依照圖紙信息開始建立坐標(biāo)系并計算和標(biāo)記里程樁等特殊點的位置坐標(biāo)。 無人機工作時使用北斗系統(tǒng)來定位無人機的實時位置，云端處理這些位置信息并為無人機在坐標(biāo)系上移動作出指導(dǎo)。

其中，清障機器能夠?qū)崿F(xiàn)自動識別，主要依賴OpenMV3 視覺模塊，具體設(shè)計思路是：（1）選中一個目標(biāo)色塊，調(diào)換成LABColor 彩色格式，并記錄L、A、B 的min（最小值）與max（最大值）；（2）向find_blobs 函數(shù)中輸入閾值；（3）結(jié)合實際需求，設(shè)定矩形面積和像素點等閾值約束，通過繪制矩形框來鎖定目標(biāo)色塊，使用十字標(biāo)記標(biāo)識目標(biāo)色塊中心位置，從而實現(xiàn)鎖定目標(biāo)物體。 當(dāng)清障機器發(fā)現(xiàn)異物時，向云端發(fā)送此時的位置信息同時將障礙物收入收集容器，如果遇見無法處理的障礙物，清障機器向云端發(fā)送位置信息，云端將信息進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)化并與坐標(biāo)系特殊位置坐標(biāo)進(jìn)行對比分析，以計算障礙物的距離信息及距離數(shù)據(jù)信息，并將這些信息連同預(yù)警信息一同發(fā)送給相關(guān)工作人員使障礙物及時得到清理。

3.4 清障機器機械臂設(shè)計

該清障機器采用輪式行走方式以有效規(guī)避裝置對附屬裝置或線路造成破壞，可通過越障機構(gòu)實現(xiàn)自主越障，此外，為了保障清障機器具有良好的清障效果，對清障機器機械臂進(jìn)行著重設(shè)計。 機械臂具有剪切、松開、加持等功能，安裝在清障機器的上方，可進(jìn)行左右自由旋轉(zhuǎn)，具有一定的靈活性。 清障機器機械臂的抓手上裝置有壓力感受器，可以調(diào)用視覺模塊拍下障礙物信息圖片，無人機云端對這些圖片進(jìn)行綜合分析并計算抓手每個手指的最佳壓力大小及角度，清障機器機械臂按照云端發(fā)來的調(diào)整指令進(jìn)行靈活調(diào)整，收集障礙物過程中，無人機云端會實時分析抓手關(guān)節(jié)壓力并計算出最優(yōu)的調(diào)整方案，向清障機器機械臂實時發(fā)送調(diào)整指令以用適當(dāng)?shù)淖ナ株P(guān)節(jié)力度和姿勢將障礙物放入收集容器或運送至目標(biāo)地點，從而達(dá)到較好的清障效果。 機械臂利用相應(yīng)傳感器來實現(xiàn)全方位運動，由液壓驅(qū)動，具有一定的自由度且傳動精準(zhǔn)平穩(wěn)，可自動根據(jù)清障線路進(jìn)行巡視，如果遇到障礙也可自主越障和清障，其全部動作都是在內(nèi)置電機和液壓系統(tǒng)的相互配合下完成的。 該清障機器的轉(zhuǎn)向功能利用360°旋轉(zhuǎn)自由度是6 的機械臂實現(xiàn)任何方位的障礙物清理，與此同時，機械臂內(nèi)置機械手和剪刀，可以輕松應(yīng)對各式各樣的障礙物。 該清障機器實現(xiàn)自主巡視、轉(zhuǎn)向、清理雜物及向養(yǎng)護(hù)人員發(fā)送消息等功能，節(jié)省了大量人力、物力和時間成本，提高了清障質(zhì)量與效率。

4 結(jié)語

綜上所述，本文設(shè)計的基于無人機中繼通信的清障機器經(jīng)過多次試驗和改進(jìn)，在實際的清障作業(yè)中具有較強的穩(wěn)定性，不僅有效提高工作效率，還大幅降低企業(yè)清障成本。 然而，該清障機器在手動控制上仍存在一些需要改進(jìn)的地方，之后會加大對自動控制的創(chuàng)新，通過清障機器自動跟隨無人機，以無人機作為中繼通信平臺完美聯(lián)合清障機器和無人機，實現(xiàn)障礙識別清理一體化。