多旋翼无人机无人值守的多功能停机坪系统设计

多旋翼无人机无人值守的多功能停机坪系统设计姚少灿1,郗小鹏2,张勇1,王建1,岳向泉1(1.天津航天中为数据系统科技有限公司,天津300301;2.航天恒星科技有限公司(503所))摘要:设计了一种无人值守停机坪系统,采用2.4G无线通信技术,远程操控无人机进行巡检作业,作业完成后,对无人机进行自主收藏㊁充电等,实现了无人机外场巡检作业时无需专业人员现场值守操作,系统采用封闭式舱体设计,可防水防尘,并融合环境感知传感器,使用各种复杂的外场作业环境,具有良好的应用前景㊂关键词:无人值守停机坪;2.4G无线通信;D S P中图分类号:T P274文献标识码:AD e s i g n o f M u l t i-f u n c t i o n A p r o n S y s t e m f o r U n m a n n e d M u l t i-r o t o r U A VY a o S h a o c a n1,X i X i a o p e n g2,Z h a n g Y o n g1,W a n g J i a n1,Y u e X i a n g q u a n1(1.T i a n j i n Z h o n g w e i A e r o s p a c e D a t e S y s t e m T e c h n o l o g y C o.,L t d.,T i a n j i n300301,C h i n a;2.S p a c e S t a r T e c h n o l o g y C o.,L t d.)A b s t r a c t:I n t h e p a p e r,a n u n m a n n e d p l a t f o r m s y s t e m i s d e s i g n e d,w h i c h u s e s2.4G w i r e l e s s c o mm u n i c a t i o n t e c h n o l o g y t o a c h i e v e t h e r e-m o t e c o n t r o l l.T h e f u n c t i o n s s u c h a s t h e U A V c o l l e c t i o n,t h e U A V c h a r g i n g a n d s o o n a r e d e s i g n e d i n t h e u n m a n n e d p l a t f o r m s y s t e m. T h e s y s t e m r e a l i z e s t h e U A V o u t f i e l d i n s p e c t i o n o p e r a t i o n w i t h o u t t h e n e e d f o r p r o f e s s i o n a l o n-s i t e o p e r a t i o n.T h i s s y s t e m c o m b i n e s t h e e n v i r o n m e n t a l s e n s i n g s e n s o r s f o r o p e r a t i o n s i n a v a r i e t y o f c o m p l e x o u t f i e l d e n v i r o n m e n t s.A n d t h e g o o d p r o s p e c t w i l l b e e x p e c t e d i n t h e u n m a n n e d p l a t f o r m s y s t e m i n t h e f u t u r e.K e y w o r d s:u n m a n n e d p l a t f o r m s y s t e m;2.4G w i r e l e s s c o mm u n i c a t i o n s;D S P引言近几年,多旋翼无人机技术在电力巡线㊁高速公路巡检㊁森林火情监控等领域被推广和应用[1]㊂但在实际应用中也存在许多问题,如偏远山区巡检作业时,飞行环境恶劣,飞机的降落需要专业飞手操控,不同地点降落需人为提前选择着陆环境,多架次飞行作业时需备用大量电池,且需多次频繁更换电池,在实际应用中与传统的人力巡检模式相比,没有太大的优势,反而还要增加人力物资投入,巡检效率值不高,且使用不便捷[2]㊂为了提高多旋翼无人机在电力巡线㊁高速公路巡检㊁森林火情监控等领域应用中的巡检效率,减少人力投入,节省运营维护成本等市场需求,国内外都正在研制无人机自动机场系统,有的仅处在理论论证阶段,有的虽已研制样机,但性能尚不完善,外场作业能力尚待考究,实用性价比很低,而我公司结合自身研制的电力巡检㊁高速公路巡检㊁消防等多型号旋翼无人机,开展了无人值守停机坪系统样机研制工作,确保无人机在极端环境下执行巡检任务时,可及时进行电量补充,状态维护,且实现远程操控,作业现场无人值守,提升了巡检作业效率㊂1系统结构及原理无人值守停机坪系统由无人值守停机坪㊁旋翼无人机和远程监控终端三部分组成㊂当需要执行巡检任务时,远程终端在指定区域规划巡检作业航迹,航迹规划完成后上传至旋翼无人机,待旋翼无人机状态具备后,远程终端发出执行巡检任务指令,旋翼无人机从停机坪上起飞,开始按照设定航迹执行巡检作业㊂当巡检作业执行完毕后,旋翼无人机在G P S导航下,移动至停机坪上方,由于G P S定位精度问题,旋翼无人机在飞机上方悬停时会有较大的距离偏差,此时启动旋翼无人机视觉辅助降落系统,通过旋翼无人机下方的挂载云台寻找停机坪上的降落标志,结合图像处理算法逐渐修正无人机离着落中心点的距离,从而实现旋翼无人机在停机坪指定区域的准确着陆[3]㊂图像处理估算降落点与中心位置会有较小的误差,所以当旋翼无人机着陆到指定区域后,远程终端操控停机坪将无人机收藏至停机坪中心位置,防止飞机降落时与停机坪其他结构干涉,无人机停至机坪中心位置后,停机坪自主控制升降机构,将无人机降至舱底进行充电,以备下次巡检作业任务[4]㊂停机坪与飞机的状态在远程终端可实时监控,便于停机坪与旋翼无人机的状态维护㊂无人值守停机坪系统框图如图1所示㊂图1 无人值守停机坪系统框图2 系统硬件设计2.1 结构设计无人值守停机坪内部采用升降式舱储设计,外部采用可开关式舱门设计,当需要执行作业任务时,需打开停机坪舱门,通过升降机构将无人机从舱内升出舱面,当作业任务执行结束后,旋翼无人机采用视觉辅助系统进行降落,降至停机坪上时,与目标位置会有一定的偏差,停机坪设计有水平㊁竖直的二维收藏装置,将飞机推至目标位置,通过升降机构将无人机降至舱内进行充电㊂舱门关闭时,进行密封处理,可有效防尘㊁防水[5]㊂传动结构上采用齿轮减速箱设计,齿轮减速箱内部设计多个大小不同的齿轮[6],利用齿轮多级传动作用使电机在低速段能够输出较大的力矩,不仅兼顾伺服系统宽范围的调速性能,而且兼顾系统的拉力输出[7]㊂2.2 控制电路设计无人值守停机坪伺服系统以数字信号处理器(D i gi t a l S i g n a l P r o c e s s i n g,D S P )为核心,选用直流伺服电机作为驱动元件,增量式光电编码器作为位置量和速度量的反馈元件,实现电机的闭环控制㊂直流伺服电机具有启动转矩大㊁转速随供给电压线性变化㊁输出转矩与驱动电流成比例等特点㊂输出效率高,价格低,搭配增量式光电编码器构成伺服系统控制闭环,可提高伺服系统控制的可靠性[8]㊂停机坪伺服系统可分为舱门伺服系统㊁收藏伺服系统㊁升降伺服系统㊂在各伺服系统中直线行程较远,光电编码器存在旋转多圈数问题,为了保证系统运行过程中当前位置或速度信息的准确性,控制系统引入各伺服系统校零开关,确保每次运动初始位置一致[9]㊂停机坪内部控制系统通信部分采用2.4G 无线通信模块,工作频率最高可达2M b ps ,高效G F S K 调制,抗干扰能力强,支持多通道通信,有效传输距离远㊂远程终端通过2.4G 无线通信模块可实时操控停机坪的状态㊂停机坪内设计有充电模块,当停机坪对无人机完成收藏并降至舱底后,停机坪开始对无人机的动力电池进行充电,当无人机电池电量充满以后,停机坪将充电模式切为电池保养模式,以便延长电池使用寿命[10]㊂无人值守停机坪硬件设计框图如图2所示㊂图2 无人值守停机坪硬件设计框图停机坪系统融合环境感知传感器,可实时采集周围环境的温湿度㊁风速风向㊁雨量等信息,反馈至远程终端,远程终端决定是否执行巡检任务或中途停止巡检任务㊂2.3 可靠性设计由于现场环境复杂和各种各样的电磁环境,干扰可以沿着线路或以场的形式导入D S P 系统,使得实验室环境下运行正常的控制系统在现场安装调试过程中常常会出现运行不稳定的现象,所以对D S P 应用系统的可靠性设计及抗干扰设计尤其重要㊂硬件可靠性设计方面,硬件上采用R C 低通滤波设计,大大削弱各类高频干扰信号㊂在控制系统的输入输出通道上采用光电耦合隔离器件,将D S P 系统与各传感器及驱动器从电气上隔离开来,防止强电信号干扰D S P 系统弱电信号㊂数字信号长线传输时,采用双绞线设计工艺可对噪声干扰抑制有较好的效果㊂控制系统采用金属外壳屏蔽处理,防止各种电磁感应引起的干扰㊂3 系统软件设计3.1 伺服系统控制设计伺服系统中位置㊁速度参数的控制采用经典比例积分微分(P r o p o r t i o n I n t e gr a l D e r i v a t i v e ,P I D )控制算法㊂期望位置与实测位置作差,然后经位置P I D 调节器适当调节后输出期望转速,期望转速与计算转速作差,然后经速度P I D 调节器适当调节后,输出对应的脉宽调制(P u l s eW i d t h M o d u l a t i o n ,P WM )占空比及频率值给到对应的伺服驱动器,进行电机驱动控制,从而在实现伺服系统位置控制的同时又进行速度控制㊂伺服系统位置㊁转速闭环控制框图如图3所示㊂经典P I D 控制器的输入输出关系为:u (t )=K P ㊃e (t )+K I ʏt 0e(t )㊃d t +K D ㊃d e (t)d t其中,u (t )为输出量,K P 为比例系数,K I 为积分系数,K D图3 伺服系统位置㊁转速闭环控制框图为微分系数,e (t)为输入量差值㊂在控制系统中,增大K P 可加快系统的响应速度,但K P 过大会使系统产生超调,往往需要加入K I ㊁K D 参数的调节,可以使控制系统兼顾响应速度的同时又能减小系统的超调,增强控制系统的稳定性㊂3.2 软件实现流程系统上电后首先进行D S P 初始化,然后进行系统自检,停机坪各伺服系统进行初始零位校正,自检完成以后,等待获取任务执行命令,收到任务执行命令后,自主控制舱门伺服系统进行停机坪舱门打开运动,根据舱门伺服编码器的位置反馈确定舱门打开以后,自主控制升降伺服系统进行飞机上升运动,根据升降伺服编码器的位置反馈确图4 无人值守停机坪软件设计框图定飞机升到停机坪上后,旋翼无人机自主起飞,按照设定航迹进行任务巡检㊂当旋翼无人机电量过低或执行完巡检任务时,立即返航,自主降落至停机坪上,无人值守停机坪收到旋翼无人机已确定降落状态[8],自主控制收藏伺服系统进行无人机收藏运动,根据收藏伺服编码器的位置反馈确定飞机已收藏到位后,自主控制升降伺服进行无人机下降运动,根据升降伺服编码器的位置反馈确定飞机降到位后,关闭舱门,无人值守停机坪系统开始对飞机进行充电,无人值守执行任务结束㊂无人值守停机坪软件设计框图如图4所示㊂伺服系统上电后,各伺服系统中各以设定好的方向正向或反向旋转,当到达校零光耦开关位置后,D S P 捕获引脚捕获当前时刻光电编码器的角度值,将当前时刻编码器的角度值作为绝对位置坐标系下的零点位置,即可实现机械零点位置校正㊂在状态监控程序设计中,从执行任务开始到结束,停机坪自主控制舱门,升降㊁收藏等各伺服系统的运动状态,旋翼无人机自主起飞㊁巡检㊁降落㊁电池充电等状态通过无线通信模块实时反馈到远程监控终端,操作人员在远程终端上进行各分系统的调度操作以及状态监控,实现无人值守远程操控㊂3.3 软件可靠性设计在软件可靠性设计方面,采用指令冗余设计,C P U 取指令过程先取操作码,再取操作数㊂当D S P 系统受到干扰时,程序便脱离正常轨道乱飞,在系统流向指令前插入N O P 指令,可将乱飞程序纳入正轨,确保系统流向指令的正常执行㊂在软件陷阱方面,当程序受到干扰时,在未用的程序区设置引导程序,通过引导程序跳入错误处理程序段,从而避开软件陷阱问题㊂在软件设计上使用看门狗定时器,对软件和硬件的运行情况进行监视,如果软件进入死循环或C P U 发生暂时混乱,看门狗定时器上溢,使系统复位,从而提高C P U 的可靠性,保证系统的完整性㊂4 实验结果与分析无人值守停机坪工程样机研制完成后,为了验证系统的性能,结合我公司自研高速公路巡检无人机,对无人值守停机坪系统样机进行系统验证测试和可靠性测试㊂图5所示为远程终端遥控旋翼无人机从停机坪上进行起飞测试㊂图6所示为旋翼无人机执行完巡检任务后,进行自主返航降落测试㊂图7所示为停机坪确定旋翼无人机着陆后,收藏伺服系统自主对无人机进行收藏,当收藏到目标位置后,停机坪自主控制升降伺服系统将无人机降至舱底进行充电测试㊂图8所示为停机坪在长时间室外放置进行的防尘防雨测试,密封舱门设计良好,杜绝了停机坪内部与外界的尘土㊁水渍㊂实验测试记录如表1所列,在不同的风速条件下,对图5无人值守停机坪系统起飞测试图6 无人值守停机坪系统降落测试图7无人值守停机坪系统收藏测试图8 无人值守停机坪系统防尘防水测试无人值守状态下停机坪系统自主打开舱门㊁关闭舱门,对无人机收藏,充电,停机坪上升㊁下降等伺服系统的自主控制响应成功率进行记录,测试结果表明,在5级风速以内,无人值守停机坪系统运行状态稳定,停机坪系统检测到风速大于5级以上时,系统停止进行巡检作业任务,符合预期设计指标,状态稳定可靠,具备外场作业条件㊂表1 无人值守停机坪系统测试记录表飞行架次风速/m s舱门打开/关闭成功率/%飞机收藏成功率/%飞机充电成功率/%机坪升起成功率/%机坪下降成功率/%1000.0~0.21001001001001001000.3~1.51001001001001001001.6~3.31001001001001001003.4~5.41001001001001001005.5~7.91001001001001001008.0~101001001001001000>10/////结 语本文分析了旋翼无人机在巡检作业应用中存在的一些问题,设计了一种无人值守停机坪系统,可兼容收藏我公司自研多型号旋翼产品,如电力巡线㊁高速公路巡检㊁森林火情监控等应用无人机,无人机电量过低时可及时对无人机进行电量补充,减少备用电池等物资投入,密封式设计具备防水防尘性能,采用2.4G 无线远程通信可对停机坪进行远程操作与监控,减少作业人员投入,实现作业现场无人值守化,融合环境感知传感器实时获取的作业环境参数,便于在户外复杂的环境中稳定可靠的作业㊂目前已完成样机研制㊁系统联试㊁可靠性测试等相关试验,技术指标符合前期设计要求,为后续产品推广奠定了基础㊂参考文献[1]周松涛.基于15单片机的电动门和电动停机坪控制[J ].价值工程,2018,29(67):161163.[2]张积洪.基于L i n u x 的嵌入式停机坪保障设备状态监测平台设计[J ].数字技术与应用,2016,131(3):192195.[3]孙盛凯.微型U A V 视觉辅助降落系统研究[D ].杭州:浙江大学,2008.[4]曹聪.基于视觉反馈的微型四旋翼飞行器自主着陆系统研究及应用[D ].武汉:武汉科技大学,2018.[5]孙健.旋翼无人机方舱结构设计[J ].现代机械,2018,19(4):8385.[6]高华.带自动充电装置的无人值守的无人机起降平台系统[P ].中国:C N 205469865U ,20160817.[7]刘洪伟,王伟.旋翼无人机多动能起降平台[P ].中国:C N 106892128A ,20170627.[8]陈豪,骆伟,蔡品隆,等.旋翼无人机的自动辅助降落系统及其控制方法[P ].中国:C N 106809402A ,20170609.[9]陈东平.基于单片机的电机控制电路改造[J ].科技信息,2010(3):392394.[10]马思乐,张佰顺,马晓静,等.一种辅助无人机降落的精确定位及固定装置[P ].中国:C N 106864763A ,20170620.姚少灿(初级工程师),主要研究方向为嵌入式软件系统设计㊁伺服运动控制系统设计㊂(责任编辑:薛士然 收稿日期:2019-04-29) [4]Y a n g Me i L ,B o C .E l e c t r o n i c C i r c u i t V i r t u a l L a b o -r a t o r y Ba s e d o n L ab V I E W a n d M u l t i s i m [C ]//I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e nc e o n I n t e l l i g e n t C o m p u t a t i o n T e c h n o l o g y &Au t o -m a t i o n .I E E E ,2015.[5]H e Z ,S h e n Z ,Z h u S .D e s i g n a n d i m pl e m e n t a t i o n o f a n i n t e r -n e t b a s e d e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g l a b o r a t o r y[J ].I S A T r a n s a c -t i o n s ,2014,53(5):13771382.[6]张民.远程虚拟实验平台及L a b V I E W 实验研究[D ].太原:太原理工大学,2010.[7]姜俊敏,郝子轶,蓝帆,等.基于L a b v i e w 和A RM 的便携多功能电子技术基础实验箱设计[J ].中国现代教育装备,2011(7):7376.[8]李美凤,贾伟伟,付会凯.基于L a b V I E W 和M u l t i s i m 的R L C串联电路暂态响应仿真研究[J ].自动化与仪器仪表,2018(1):138140,143.[9]闫国忠,于亚萍,卫勇.基于L a b V I E W 和M u l t i s i m 虚拟电子实验系统的设计[J ].天津农学院学报,2017,24(4):6466.[10]于建,姚宇凤.基于M u l t i s i m 和L a b V I E W 联合仿真的课堂演示实例设计[J ].电子制作,2016(20):56.[11]刘伟玲,杨彩双,杨泽青,等.基于L a b V I E W 与M u l t i s i m 的电路实验平台设计[J ].自动化与仪表,2016,31(11):7073.(责任编辑:薛士然 收稿日期:2019-01-28)。