無(wú)人機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線充電解決方案

亞馬遜的Prime Air無(wú)人機(jī)引起轟動(dòng)，甚至沒(méi)有服務(wù)。最近，該公司發(fā)布了一項(xiàng)在街道路燈柱上安裝擴(kuò)展塢的建議（圖1），讓他們深入了解其開發(fā)團(tuán)隊(duì)正在應(yīng)對(duì)的后勤挑戰(zhàn)。作為轉(zhuǎn)移負(fù)載的地方，這些站點(diǎn)可以為交付計(jì)劃提供靈活性，并且可能更重要的是，車輛在繼續(xù)到最終目的地之前重新激活，等待下一個(gè)任務(wù)或返回基地的充電點(diǎn)。燈柱也方便地連接到電源。

圖1：亞馬遜已經(jīng)確定高燈柱是Prime Air無(wú)人機(jī)的安全場(chǎng)所

自動(dòng)駕駛汽車的精確對(duì)接

為了充電，自動(dòng)駕駛汽車必須與對(duì)接站上提供的充電電極準(zhǔn)確連接。亞馬遜的專利申請(qǐng)暗示了它可能正在考慮的安排類型（圖2）。

圖2：專利申請(qǐng)中的草圖表明了無(wú)人機(jī)可以連接到充電點(diǎn)。

要在對(duì)接之前定位車輛，可以選擇多種方案?，F(xiàn)有的機(jī)器人對(duì)接系統(tǒng)提供了一些需要考慮的例子。

機(jī)器人真空吸塵器，如Roomba，已經(jīng)上市一段時(shí)間了，并通過(guò)在清潔過(guò)程中監(jiān)控電池狀況自動(dòng)處理電池充電確定何時(shí)返回基站進(jìn)行充電。基站發(fā)射紅外信標(biāo)，Roomba鎖定此信號(hào)，在信號(hào)返回時(shí)將信標(biāo)保持在其視野的中心。

開源ardumower機(jī)器人割草機(jī)項(xiàng)目采用略有不同的技術(shù)。當(dāng)電池電壓低于指示需要充電的水平時(shí)，車輛將跟隨嵌入地面的周邊線路返回其充電站。通過(guò)準(zhǔn)確地跟蹤導(dǎo)線，割草機(jī)到達(dá)對(duì)接站的入口處于合適的位置，以便被引導(dǎo)到碼頭內(nèi)部與車輛表面上的充電墊接觸的電極。

視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)是另一個(gè)已在各種項(xiàng)目中展示的選項(xiàng)。制造商社區(qū)是一個(gè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的蜂巢，包括這個(gè)在線視頻，顯示如何使用前置攝像頭定位充電站并確保正確對(duì)齊。本演示中使用Raspberry Pi和Arduino計(jì)算機(jī)的機(jī)器人會(huì)多次停止調(diào)整對(duì)齊，并且每次都可以將其位置校正幾厘米。當(dāng)車輛是懸停在塢站上方的空中無(wú)人機(jī)時(shí)，微調(diào)車輛位置可能會(huì)帶來(lái)更復(fù)雜的挑戰(zhàn)。陣風(fēng)可能會(huì)增加進(jìn)一步的復(fù)雜性。

無(wú)線充電是一種替代方案，目前由Skysense銷售的無(wú)人機(jī)著陸墊。無(wú)線充電已經(jīng)可用于移動(dòng)電話和電動(dòng)車輛。如果發(fā)射器和接收器相隔最多幾厘米，則可以進(jìn)行充電。通過(guò)將接收裝置引導(dǎo)到最佳位置或使用允許電力接收器自由定位的若干方法之一，可以實(shí)現(xiàn)更快的能量傳遞的更緊密定位。這些包括在充電板中構(gòu)建多個(gè)線圈以僅在接收器附近產(chǎn)生磁場(chǎng)，或者將發(fā)射器線圈機(jī)械驅(qū)動(dòng)到靠近接收器的位置。

中國(guó)黑龍江省哈爾濱工業(yè)大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)利用線性霍爾傳感器結(jié)合視覺(jué)預(yù)對(duì)準(zhǔn)和隨后的高精度對(duì)準(zhǔn)，解決了自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)模塊的挑戰(zhàn)。這個(gè)名為UBot的機(jī)器人可以根據(jù)需要重新安排模塊來(lái)重新配置自己，以執(zhí)行各種任務(wù)，并且還可以在需要時(shí)通過(guò)更換有缺陷的模塊進(jìn)行自我修復(fù)。傳感器模塊包含CCD視覺(jué)傳感器和四個(gè)線性霍爾傳感器，其位置對(duì)應(yīng)于有源對(duì)接模塊中的磁體位置。模塊能夠向前和向側(cè)面移動(dòng)，并且可以旋轉(zhuǎn)。 CCD傳感器用于目標(biāo)采集并指導(dǎo)預(yù)對(duì)準(zhǔn)階段。來(lái)自線性霍爾傳感器的信號(hào)然后用于控制精確定位，然后使用鉤機(jī)構(gòu)完成對(duì)接過(guò)程。

對(duì)哈爾濱團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)檢查，可以深入了解視覺(jué)或磁性所面臨的挑戰(zhàn)對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)從CCD圖像中提取識(shí)別的特征，計(jì)算角度和線性偏移，并進(jìn)行線性調(diào)整直到它們分別在3度和4毫米內(nèi)，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)。然后，活動(dòng)模塊移近，直到捕獲的圖像占據(jù)視野的80％。然后視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)終止，并開始使用線性霍爾傳感器進(jìn)行精確對(duì)準(zhǔn)。 X，Y和角度校正是根據(jù)四個(gè)霍爾傳感器的輸出電壓計(jì)算出來(lái)的，與模塊配合面上的坐標(biāo)有關(guān)，可以在兩個(gè)線性軸和2度角位移中精確定位模塊的精度大于1 mm。/p>

用于機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的各種圖像傳感器或相機(jī)模塊可能能夠支持機(jī)器人應(yīng)用中的視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)。安森美半導(dǎo)體NOIV1SN1300A是一款單色CMOS傳感器，集成了可編程增益放大器和10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并提供4個(gè)LVDS串行輸出。還提供具有并行CMOS輸出的替代變體。像素陣列為1280 x 1024，最多可以編程8個(gè)特定感興趣區(qū)域，如果需要可以提供高幀率。

與數(shù)字霍爾傳感器不同，哈爾濱項(xiàng)目中使用的線性類型允許以高分辨率計(jì)算位移，從而允許重復(fù)的測(cè)量校正循環(huán)，最終導(dǎo)致精確對(duì)接。 Cherry LIN-11HAW等線性傳感器設(shè)計(jì)用于工業(yè)驅(qū)動(dòng)和控制，以及汽車換檔位置檢測(cè)器，測(cè)量范圍高達(dá)45 mm，雙冗余輸出可提高可靠性。

設(shè)計(jì)出對(duì)準(zhǔn)確度的要求？

利用現(xiàn)有的自動(dòng)駕駛車輛對(duì)接和充電知識(shí)，可以考慮采用多種技術(shù)使無(wú)人機(jī)相對(duì)于對(duì)接的充電點(diǎn)定位自己站。采用輪式車輛的典型方法是將感應(yīng)系統(tǒng)安裝在機(jī)器人上，利用機(jī)器人自身的智能和推進(jìn)力來(lái)調(diào)整相對(duì)于固定碼頭的位置。然而，定位系統(tǒng)會(huì)增加機(jī)器人的重量，這在無(wú)人機(jī)應(yīng)用中可能是不可接受的。對(duì)于亞馬遜來(lái)說(shuō)，額外的重量可以轉(zhuǎn)化為減少承載能力和交付范圍。

無(wú)對(duì)準(zhǔn)無(wú)線充電可提供最小化無(wú)人機(jī)上額外電子設(shè)備需求的解決方案。如果歐姆充電觸點(diǎn)是優(yōu)選的，例如使用防水連接器，則具有內(nèi)置機(jī)構(gòu)以固定和重新定位無(wú)人機(jī)的更復(fù)雜的對(duì)接站可提供可行的替代方案。這可以像掛鉤和絞車一樣簡(jiǎn)單，只需要無(wú)人機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)位置提供“把手”和充電連接器。這可能有助于降低每架無(wú)人機(jī)的物料清單成本，并在必要時(shí)自由改變無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì);權(quán)衡是一個(gè)更復(fù)雜的擴(kuò)展塢，可能需要定期維護(hù)。

結(jié)論

任何將自動(dòng)駕駛汽車對(duì)接以進(jìn)行電池充電的方法都需要準(zhǔn)確定位?？梢钥紤]許多光學(xué)和磁性位置檢測(cè)技術(shù)，盡管在懸停期間將無(wú)人機(jī)對(duì)準(zhǔn)在毫米精度內(nèi)可能證明是困難的并且可能由于諸如風(fēng)速快速變化的天氣條件而進(jìn)一步復(fù)雜化。無(wú)線充電或創(chuàng)造性機(jī)械工程可以提供一種設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)本身的主動(dòng)定位需求的方法。