試論旋翼無人機(jī)自主充電系統(tǒng)設(shè)計

陳鳴

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局 廣東 惠州 516000

旋翼無人機(jī)主要指的是依靠螺旋槳快速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而為整體機(jī)身提供強(qiáng)大基礎(chǔ)動能的飛行設(shè)備，在日常運(yùn)轉(zhuǎn)和工作中可以根據(jù)無人機(jī)旋翼整體數(shù)量分為多旋翼無人機(jī)設(shè)備以及單項旋翼無人機(jī)設(shè)備兩種。在實際操作過程中，旋翼無人機(jī)設(shè)備自身重量相對較輕，并且整體體積較小，通過技術(shù)操作后，可以有效完成設(shè)備起飛、降落、懸停等多種飛行模式和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并且其設(shè)備還可以通過飛行速度的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)精準(zhǔn)地區(qū)飛行，極易適合在復(fù)雜且多變的外部環(huán)境以及空間較小的區(qū)域開展工作。

1 旋翼無人機(jī)運(yùn)行原理

在旋翼無人機(jī)日常運(yùn)轉(zhuǎn)和飛行軌跡中，可以明顯觀察出，其設(shè)備運(yùn)行模式處于自由狀態(tài)下，圍繞鋼體軸向運(yùn)行和平行運(yùn)動。所以在日常方案設(shè)計過程中，需要將兩種系統(tǒng)控制回路進(jìn)行分別處理，以此有效控制兩種運(yùn)動方式。

1.1 內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)

旋翼無人機(jī)在日常運(yùn)行方式的控制上，主要通過三個獨(dú)立的運(yùn)行軌道以及三個對應(yīng)姿態(tài)角度，比如：航線偏移角度、橫向滾動角度以及設(shè)備仰視角度等，并且受到設(shè)備耦合狀態(tài)影響，每一個信息通道所控制的數(shù)據(jù)信號會對其他控制渠道產(chǎn)生一定程度影響，但是三者相互之間的影響并不嚴(yán)重[1]。在設(shè)備開始操作時，需要技術(shù)人員預(yù)先輸入設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)信號三種姿態(tài)角度預(yù)期數(shù)值，以此有效控制無人機(jī)運(yùn)行軌跡和模式。而預(yù)期數(shù)值與實際姿態(tài)角度產(chǎn)生數(shù)值如果產(chǎn)生信息誤差后，需要依靠耦合技術(shù)進(jìn)行全面轉(zhuǎn)化，再輸入主控制設(shè)備中。其中耦合轉(zhuǎn)化的主要目的是為了將地面主要信息坐標(biāo)誤差信息轉(zhuǎn)移至無人機(jī)內(nèi)部坐標(biāo)結(jié)構(gòu)體系中，并且同時將經(jīng)過耦合技術(shù)處理后的誤差數(shù)據(jù)同樣傳輸至無人機(jī)內(nèi)部控制區(qū)域，最終得出控制指令，進(jìn)而有效傳送至設(shè)備各個區(qū)域，以此實現(xiàn)實時調(diào)整無人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)整個設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系的閉環(huán)流程。而在實際萬余人及操作過程中，為了得到更高的控制質(zhì)量和水平，無人機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)需要更快的控制速度、更強(qiáng)的抗擊干擾實力。所以通常研發(fā)團(tuán)隊使用運(yùn)行角度、運(yùn)行角速度串級模式，以此作為無人機(jī)姿態(tài)內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)中主要運(yùn)轉(zhuǎn)模式和計劃，以此完成其系統(tǒng)控制作用。

1.2 外環(huán)控制系統(tǒng)

旋翼無人機(jī)在運(yùn)行位置方面上的控制主要包含水平位置控制以及垂直位置控制，以上兩個控制流程需要相互獨(dú)立，但是同樣需要互相協(xié)作。其中設(shè)備水平位置的控制模式主要使用位置外環(huán)控制模式、速度外環(huán)控制模式以及姿態(tài)外環(huán)控制模式等三個級別的控制系統(tǒng)。而位置外環(huán)PID系統(tǒng)需要將預(yù)先期望位置與無人機(jī)實際運(yùn)轉(zhuǎn)位置所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)偏差進(jìn)行技術(shù)處理，隨后得到無人機(jī)運(yùn)行預(yù)期速度數(shù)據(jù)，隨后根據(jù)其預(yù)期速度數(shù)據(jù)所得到的信息偏差得出在橫向翻滾角度以及設(shè)備俯視角度等不同姿態(tài)下，控制設(shè)備對于無人機(jī)的不同形態(tài)進(jìn)行有效姿態(tài)控制。同時根據(jù)以上外環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析，最終得出相關(guān)結(jié)論：無人機(jī)在水平方向進(jìn)行行駛時，其位置控制需要依靠姿態(tài)角度實現(xiàn)，從本質(zhì)上看，無人機(jī)在水平位置上系統(tǒng)控制的本質(zhì)，主要通過旋翼無人機(jī)實際運(yùn)行高度數(shù)據(jù)所決定。然而與水平位置控制模式不同的是，其高度數(shù)據(jù)控制并不會產(chǎn)生姿態(tài)角度變化，即使出現(xiàn)高度偏差數(shù)值也會直接傳送至無人機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的分配設(shè)備進(jìn)行電機(jī)數(shù)據(jù)輸出[2]。

2 旋翼無人機(jī)自主充電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 自主飛行系統(tǒng)方案設(shè)計

現(xiàn)階段我國大部分旋翼無人機(jī)在自主飛行系統(tǒng)方案設(shè)計中，主要采用DJI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的N3飛行控制模式，加上DJI系統(tǒng)主要飛行和控制模式并沒有開源系統(tǒng)，所以為了進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，DJI系統(tǒng)為無人機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)提供了基于API區(qū)域接口等多種技術(shù)優(yōu)化和開發(fā)模式，其中包含MOBILE SDK模式、UX SDK模式、PAYLOAD SDK模式等。而無人機(jī)依靠以上系統(tǒng)，有效實現(xiàn)了基礎(chǔ)功能的技術(shù)研發(fā)。針對目前我國無人機(jī)使用現(xiàn)狀，本次試驗將使用ONBOARD SDK模式，開展無人機(jī)自主飛行功能優(yōu)化和管理。尤其在系統(tǒng)方案設(shè)計中，需要以DJI Onboard SDK模式作為基礎(chǔ)控制方式，并且根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)計算，進(jìn)一步認(rèn)識和了解Onboard SDK模式的控制方式和管理機(jī)制。但是由于DJI系統(tǒng)下的飛行控制計算方式不屬于開源模式，所以技術(shù)人員不能使用開源數(shù)據(jù)代碼控制無人機(jī)姿態(tài)角度或者姿態(tài)角度速度等，完成其位置的控制和軌跡引導(dǎo)。

2.2 自主電量系統(tǒng)方案設(shè)計

在無人機(jī)自主電量系統(tǒng)方案設(shè)計環(huán)節(jié)中，電量儲存設(shè)備一般選擇鋰離子電池模式，但是其結(jié)構(gòu)通常由電池正極、電池負(fù)極、電池隔膜以及內(nèi)部電解物質(zhì)所構(gòu)成。所以鋰電池物質(zhì)中，充電與放電工作需要依靠電池內(nèi)部鋰離子物質(zhì)，從電池正極、負(fù)極內(nèi)部脫嵌和嵌入完成[3]。當(dāng)鋰離子電池開啟充電狀態(tài)時，鋰離子物質(zhì)從電池的正極脫嵌，隨后通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸，直至嵌入負(fù)極區(qū)域。同時當(dāng)鋰離子電池開啟放電狀態(tài)后，鋰離子物質(zhì)從電池內(nèi)部的負(fù)極脫嵌，隨著電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全嵌入正極區(qū)域。鋰離子電池自身的充電和放電流程相對比較復(fù)雜，其中鋰離子在實際充電和放電過程中，會涉及的數(shù)據(jù)變量相對較多，比如：電池正極、負(fù)極的外部板材材質(zhì)、電解物質(zhì)的內(nèi)部物質(zhì)濃度、電池外部環(huán)境溫度等各個方面因素，都會影響電池整體可承受的最大程度，進(jìn)而影響其使用壽命。

3 結(jié)束語

由此可見，近幾年，旋翼無人機(jī)無論是技術(shù)水平還是行業(yè)發(fā)展，速度十分迅速，在電力檢測、農(nóng)村植物保護(hù)以及航空拍攝等方面都存在著廣泛的應(yīng)用。一定程度上也暴露出其設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電力續(xù)航方面不足和問題。由于電池發(fā)展水平以及經(jīng)濟(jì)成本的約束和限制，造成大部分無人機(jī)無法實現(xiàn)長時間的拍攝和運(yùn)轉(zhuǎn)，并且使用人工更換電池效率和質(zhì)量無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。