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)
隨著無(wú)人機(jī)行業(yè)電池、通訊、掛載等技術(shù)的快速發(fā)展,無(wú)人機(jī)以其位于高空中的靈活視野和不受地形限制的機(jī)動(dòng)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(wú)人機(jī)對(duì)特定區(qū)域或固定線路的目標(biāo)進(jìn)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(wú)人機(jī)在行業(yè)應(yīng)用的場(chǎng)景中優(yōu)勢(shì)明顯,但在實(shí)際使用過(guò)程中仍然存在人員操作水平參差不齊、臨時(shí)起降場(chǎng)地環(huán)境變化大、通訊狀況受地形限制、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)充電難等問(wèn)題[4]。例如在遠(yuǎn)郊進(jìn)行巡檢作業(yè)時(shí),每次飛行均需專業(yè)飛手到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行環(huán)境勘察及作業(yè)路徑規(guī)劃,同時(shí)還需攜帶大量飛行動(dòng)力電池甚至臨時(shí)搭建充電環(huán)境以支撐完整的作業(yè)流程。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)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(jià)比并不凸顯。
為應(yīng)對(duì)行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中存在的痛點(diǎn),耿寒等[5]于2018 年開(kāi)始探討電力巡檢行業(yè)中巡檢起降平臺(tái)的設(shè)計(jì)。受無(wú)人機(jī)應(yīng)用方式所限,起降平臺(tái)的設(shè)計(jì)仍舊基于人員攜帶裝備現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的形式,鮮有人提及遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)搭配定點(diǎn)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)的應(yīng)用形式。當(dāng)下通過(guò)4G/5G 通信能力已可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的全自動(dòng)化作業(yè),再結(jié)合分布式部署的遠(yuǎn)程無(wú)人值守型自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng),根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主作業(yè)-自動(dòng)回收-可靠存儲(chǔ)-數(shù)據(jù)回傳的全自動(dòng)化流程,將會(huì)大大提升無(wú)人機(jī)應(yīng)用能力的上限。本文主要研討分布式部署情況下遠(yuǎn)程無(wú)人值守自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)的構(gòu)成與設(shè)計(jì)[2]。
無(wú)人值守自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)是一個(gè)系統(tǒng)工程,該系統(tǒng)由場(chǎng)景要素和功能要素組成[7]。
無(wú)人值守型自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)在行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中承擔(dān)了無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)端存儲(chǔ)、簡(jiǎn)單維護(hù)、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視、輔助自動(dòng)起降等職責(zé),是實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守前提下進(jìn)行分布式部署的必備條件。
遠(yuǎn)端存儲(chǔ):在分布式部署的前提下,無(wú)人值守型自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)的部署方位將會(huì)遠(yuǎn)離維護(hù)人員或控制中心,自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)需要具備安全保管無(wú)人機(jī)的能力。包括應(yīng)對(duì)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(hù)蚊蟲(chóng)或野外小動(dòng)物的侵入、阻止人為惡意破壞等。
簡(jiǎn)單維護(hù):由于自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)多會(huì)部署于遠(yuǎn)離控制中心的方位且無(wú)人值守,其需要自行完成對(duì)無(wú)人機(jī)的充電維護(hù)、休眠保存、遠(yuǎn)程喚醒、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視等必要活動(dòng),用以替代正常使用過(guò)程中維護(hù)人員所進(jìn)行的基本操作。
實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視:為了能讓控制中心的工作人員及時(shí)了解到遠(yuǎn)端設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài),自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)需要具備內(nèi)環(huán)境與外環(huán)境的狀態(tài)監(jiān)視能力。對(duì)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(dòng)起降機(jī)場(chǎng)自身的運(yùn)行狀態(tài)以外,還需要監(jiān)視無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)狀態(tài)、電池維護(hù)狀態(tài)、存儲(chǔ)艙內(nèi)的視頻狀態(tài)等。對(duì)外環(huán)境需要監(jiān)視自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)外部的實(shí)際氣象條件、光照條件、周邊場(chǎng)地環(huán)境等。
輔助自動(dòng)起降:由于無(wú)人值守的需求,自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)需要通過(guò)程序化指令安全地與無(wú)人機(jī)配合,完成進(jìn)行起飛前準(zhǔn)備、輔助降落、回收存儲(chǔ)的活動(dòng)。
1.2.1 起降場(chǎng)地選址
在遠(yuǎn)端部署需求下,對(duì)起降場(chǎng)地選址及環(huán)境產(chǎn)生了一定要求。自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)的選址首先需要具備良好的衛(wèi)星定位條件,一般來(lái)說(shuō)選址區(qū)域足夠開(kāi)闊,遠(yuǎn)離樹(shù)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(duì)于旋翼機(jī)或具有垂直起降功能的復(fù)合翼機(jī)型而言,需要在起降場(chǎng)地半徑30 m 內(nèi)的筒形區(qū)域內(nèi)垂直方向無(wú)障礙物。場(chǎng)地應(yīng)盡可能位于地勢(shì)相對(duì)較高之處,以免遭受水淹或受周邊樹(shù)木、圍墻倒塌等不可抗力因素的影響。同時(shí)應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離與無(wú)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(jì)
對(duì)于固定區(qū)域的巡檢場(chǎng)景,為了確保每次作業(yè)過(guò)程中信息采集的一致性,需要對(duì)該自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)所使用的無(wú)人機(jī)執(zhí)飛航線進(jìn)行完整設(shè)計(jì)并進(jìn)行規(guī)范化存儲(chǔ)管理,以減少人為操作的誤差影響。具體執(zhí)飛時(shí)機(jī)由人工觸發(fā)或系統(tǒng)自動(dòng)遠(yuǎn)程激活。
1.2.3 通訊鏈路保障
在航線設(shè)計(jì)的論證過(guò)程中,需要對(duì)典型的作業(yè)區(qū)域及起降場(chǎng)地的空域進(jìn)行通訊鏈路保障。
1.2.4 裝備功能保障
自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)需要具備保障無(wú)人機(jī)設(shè)備的能力,包括:保障無(wú)人機(jī)存儲(chǔ)環(huán)境的穩(wěn)定、對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行充電的配套功能、對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)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(zhǎng)時(shí)間聯(lián)網(wǎng)通訊功能、機(jī)械執(zhí)行機(jī)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(hù)能力[9]。
無(wú)人值守自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)由硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。
硬件平臺(tái)包含以下構(gòu)成:艙門(mén)閉合裝置、停機(jī)坪裝置、自動(dòng)歸中裝置、充電供電模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、遠(yuǎn)程通信模塊。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)外環(huán)境的監(jiān)測(cè)與內(nèi)環(huán)境的控制,將為遠(yuǎn)程工作人員提供作業(yè)依據(jù)、延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的使用壽命、減少外界對(duì)無(wú)人機(jī)的損害,同時(shí)在穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境中完成無(wú)人機(jī)的設(shè)備維護(hù)活動(dòng)。
2.1.1 艙門(mén)閉合裝置
艙門(mén)閉合方式選擇頂部對(duì)開(kāi)門(mén)方式。頂部可將艙門(mén)導(dǎo)軌向兩側(cè)延伸,確保對(duì)開(kāi)門(mén)能夠完全打開(kāi)并露出停機(jī)坪裝置。雙對(duì)開(kāi)門(mén)同時(shí)能夠保證兩側(cè)導(dǎo)軌的負(fù)載處于合理的范圍,承受頂部積雪和冰凍帶來(lái)的不利影響。對(duì)開(kāi)門(mén)接口處需采用電熱方式進(jìn)行加熱,主要為應(yīng)對(duì)冰雪天氣所使用,以防止艙門(mén)凍結(jié)無(wú)法開(kāi)啟。同時(shí)需在對(duì)開(kāi)門(mén)接縫處使用加硅橡膠進(jìn)行密封防水處理(圖1)。
圖1 艙門(mén)閉合方式
2.1.2 停機(jī)坪裝置
停機(jī)坪裝置是為無(wú)人機(jī)起降及存儲(chǔ)提供必要功能的裝置??紤]無(wú)人機(jī)在停機(jī)坪起降時(shí)的衛(wèi)星定位效果以及近地時(shí)的控制精度,一般來(lái)說(shuō)停機(jī)坪裝置的對(duì)角線長(zhǎng)度應(yīng)約等于2.5~3.0 倍無(wú)人機(jī)軸距為佳(圖2)。過(guò)大的面積會(huì)增加自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)其它部件的安裝難度,增加機(jī)場(chǎng)整體占地面積,降低部署時(shí)的靈活性。而過(guò)小的面積則無(wú)法在無(wú)人機(jī)自主降落的過(guò)程中提供足夠的安全冗余,等于變相提高無(wú)人機(jī)自主降落的控制精度要求。同時(shí),停機(jī)坪表面設(shè)置了引導(dǎo)無(wú)人機(jī)降落定位的視覺(jué)識(shí)別圖形符號(hào)。當(dāng)無(wú)人機(jī)返航下降至停機(jī)坪上方約30 m 左右時(shí)機(jī)上攜帶的下置式微型攝像頭可捕捉到此視覺(jué)識(shí)別圖形符號(hào),該符號(hào)用于輔助修正下降階段的飛行控制姿態(tài)以確保無(wú)人機(jī)順利降至停機(jī)坪上方。
圖2 停機(jī)坪布局
2.1.3 自動(dòng)歸中裝置
自動(dòng)歸中裝置是為了修正無(wú)人機(jī)自主降落時(shí)所產(chǎn)生的精度誤差,將落至停機(jī)坪范圍內(nèi)的無(wú)人機(jī)通過(guò)自動(dòng)歸中裝置推至停機(jī)坪中央位置,為充電維護(hù)活動(dòng)及下一次起飛作業(yè)做準(zhǔn)備。當(dāng)艙門(mén)開(kāi)啟等待無(wú)人機(jī)起飛或降落時(shí),自動(dòng)歸中裝置將退至停機(jī)坪邊緣以留出足夠的起降空間。其使用2×2 對(duì)中夾桿及同步夾緊形式,確保無(wú)人機(jī)在推中的過(guò)程中受力均勻,不會(huì)導(dǎo)致腳架偏斜側(cè)翻(圖3)。
圖3 自動(dòng)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(dòng)歸中裝置將無(wú)人機(jī)推至停機(jī)坪中央位置時(shí),無(wú)人機(jī)腳架上預(yù)留的充電觸針將對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)中央預(yù)留好的探針接口。當(dāng)充電模塊檢測(cè)到動(dòng)力電池接入后將自動(dòng)進(jìn)行充電操作。待動(dòng)力電池電量充滿,充電模塊通過(guò)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(zhǎng)電池使用壽命。此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)可解決自動(dòng)機(jī)械臂或人工裝卸電池的成本問(wèn)題,缺點(diǎn)則是每次作業(yè)后均需要一定的充電時(shí)間,會(huì)對(duì)連續(xù)作業(yè)場(chǎng)景產(chǎn)生一定限制。
2.1.5 環(huán)境監(jiān)測(cè)
由于充電活動(dòng)位于艙內(nèi),通過(guò)設(shè)置自動(dòng)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(xiǎn)[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(cè)外部氣象信息,為遠(yuǎn)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(duì)內(nèi)/對(duì)外視頻監(jiān)控?cái)z像頭,確保遠(yuǎn)程工作人員掌握艙內(nèi)艙外的實(shí)時(shí)情況(圖4)。
圖4 整體狀態(tài)示意圖
2.1.6 遠(yuǎn)程通信模塊
自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)并非信息的孤島,需通過(guò)遠(yuǎn)程通信模塊與控制中心建立數(shù)據(jù)連接,所有實(shí)時(shí)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(yuǎn)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(guò)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(wú)線通信模式接入網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
自動(dòng)控制系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守情況下無(wú)人機(jī)能自動(dòng)起降的一種軟件控制系統(tǒng)。在無(wú)人值守起降機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)中,無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)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(yuǎn)端服務(wù)器,無(wú)人機(jī)通過(guò)機(jī)載遠(yuǎn)程通信模塊將自身實(shí)時(shí)工作狀態(tài)上報(bào)至遠(yuǎn)端服務(wù)器,自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)同理。遠(yuǎn)端服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信連接綜合判斷兩方的工作狀態(tài):當(dāng)遠(yuǎn)程工作人員需要無(wú)人機(jī)執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取無(wú)人機(jī)維護(hù)狀態(tài)信息以及自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)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(wú)人機(jī)時(shí),通過(guò)服務(wù)器判斷無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)并為自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)發(fā)送程序化指令,開(kāi)閉艙門(mén)為降落引導(dǎo)程序提供必要的準(zhǔn)備。
2.2.2 視覺(jué)識(shí)別降落引導(dǎo)
無(wú)人機(jī)在外部正常作業(yè)時(shí)艙門(mén)為關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)無(wú)人機(jī)返航至自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)經(jīng)緯度附近30 m 的空中時(shí),服務(wù)器根據(jù)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)發(fā)送開(kāi)啟艙門(mén)指令至自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)。艙門(mén)開(kāi)啟后,自動(dòng)歸中裝置退至邊緣,即露出停機(jī)坪上布置的大型視覺(jué)識(shí)別符號(hào)A,至此由遠(yuǎn)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(wú)人機(jī)返航至預(yù)定降落區(qū)域后,在某高度(30 m)開(kāi)始識(shí)別停機(jī)坪視覺(jué)識(shí)別符號(hào)(圖5)。
圖5 無(wú)人機(jī)捕獲停機(jī)坪識(shí)別符號(hào)
由于停機(jī)坪視覺(jué)識(shí)別符號(hào)與起降裝置周邊結(jié)構(gòu)件的距離相對(duì)固定,則當(dāng)無(wú)人機(jī)在預(yù)設(shè)高度識(shí)別到停機(jī)坪視覺(jué)識(shí)別符號(hào)時(shí)(白色中心點(diǎn)),機(jī)載飛行控制系統(tǒng)將無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置調(diào)整至其正上方(圖6)。
圖6 無(wú)人機(jī)調(diào)整靠攏方向
第二步:當(dāng)無(wú)人機(jī)位置朝停機(jī)坪視覺(jué)識(shí)別符號(hào)A中心點(diǎn)的位置靠攏后,無(wú)人機(jī)將開(kāi)始執(zhí)行降低高度動(dòng)作。在此過(guò)程中飛行控制系統(tǒng)持續(xù)修正無(wú)人機(jī)與視覺(jué)識(shí)別符號(hào)的相對(duì)位置,并盡可能靠攏中心點(diǎn)。
第三步:無(wú)人機(jī)高度下降至近地區(qū)間后(10 m 以下),無(wú)人機(jī)視覺(jué)識(shí)別模塊可能會(huì)丟失一部分大型視覺(jué)識(shí)別符號(hào)A的圖像信息,此時(shí)無(wú)人機(jī)調(diào)整位置以停機(jī)坪大型視覺(jué)識(shí)別符號(hào)A 內(nèi)部嵌套的小型視覺(jué)識(shí)別符號(hào)B1、B2、B3 等信息作為定位參照物(圖7)。由于小型視覺(jué)識(shí)別符號(hào)距離中心點(diǎn)的位置相對(duì)固定,同理飛行控制系統(tǒng)可調(diào)整無(wú)人機(jī)位置直至成功觸地。
圖7 識(shí)別符號(hào)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(jué)識(shí)別降落引導(dǎo)程序正常運(yùn)行的前提下,額外增加降落引導(dǎo)程序的搜尋模式。無(wú)人機(jī)返航至目標(biāo)經(jīng)緯度并降落至某預(yù)定高度(25 m)時(shí),若仍無(wú)法成功進(jìn)入降落引導(dǎo)程序,則停留在當(dāng)前高度并進(jìn)入搜尋模式。搜尋模式為:以大地坐標(biāo)系為基準(zhǔn),無(wú)人機(jī)當(dāng)前經(jīng)緯度坐標(biāo)位置為中心,朝正北方向移動(dòng)至邊長(zhǎng)為6 m 的方形軌道上。并沿此軌道進(jìn)行一圈移動(dòng)以搜尋可能存在的大型視覺(jué)識(shí)別符號(hào)A(圖8)。
圖8 降落引導(dǎo)搜尋模式
若無(wú)人機(jī)成功搜尋到停機(jī)坪大型視覺(jué)識(shí)別符號(hào)A,則轉(zhuǎn)入降落引導(dǎo)程序。若搜尋失敗,則令無(wú)人機(jī)懸停在原地并主動(dòng)向遠(yuǎn)端服務(wù)器報(bào)出無(wú)人機(jī)當(dāng)前所處狀態(tài),等待人工操作調(diào)整[5]。
本文在梳理無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡檢場(chǎng)景下的問(wèn)題與痛點(diǎn)基礎(chǔ)上,通過(guò)分析無(wú)人機(jī)自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)的場(chǎng)景要素與功能要素,提出一種無(wú)人機(jī)無(wú)人值守自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)。
在硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中艙門(mén)閉合方式使用頂部雙對(duì)開(kāi)門(mén)形式以應(yīng)對(duì)合理負(fù)載,停機(jī)坪布局尺寸約2.5~3.0 倍無(wú)人機(jī)軸距以提供起降安全冗余,自動(dòng)歸中裝置使用2×2 對(duì)中夾桿及同步夾緊形式以確保無(wú)人機(jī)腳架受力均勻,充電供電方式使用觸針?lè)绞揭越档驼w成本,配置恒溫空調(diào)、風(fēng)速計(jì)、溫度濕度傳感器、內(nèi)外攝像頭以實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制,配置遠(yuǎn)程通信模塊實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互能力。
在自動(dòng)控制系統(tǒng)中配置遠(yuǎn)程服務(wù)器以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通,在無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)中設(shè)計(jì)視覺(jué)識(shí)別降落引導(dǎo)程序及搜尋模式,實(shí)現(xiàn)其精準(zhǔn)的自動(dòng)降落。
通過(guò)以上綜合設(shè)計(jì),可有效解決無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間短、需人工現(xiàn)場(chǎng)操作等應(yīng)用問(wèn)題,進(jìn)而幫助提升無(wú)人機(jī)應(yīng)用的能力上限。但該設(shè)計(jì)方案在分布式部署的情況下需要通過(guò)數(shù)據(jù)與視頻回傳的方式實(shí)時(shí)監(jiān)控各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),且需在降落引導(dǎo)程序失敗的情況下及時(shí)進(jìn)行人工遠(yuǎn)程介入,故對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量極度依賴。