引 言

四旋翼具有體型小、成本低、環(huán)境適應(yīng)力和反應(yīng)力強等特點，同時還具備高、廣視角等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、救援勘探、物流、航拍攝影等領(lǐng)域 [1]。因此，以四旋翼為典型的無人機家族成為未來通用航空業(yè)發(fā)展方向的代表，在近年來被賦予了更多的重定義與希望，甚至被認為是國家經(jīng)濟增長的新動力之一。

相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，60% 以上的飛行事故都發(fā)生在起飛降落階段，而起飛降落階段中后者又超半數(shù)。究其原因，在降落過程中，飛行器被控量多、控制精度要求高，為飛行安全引入諸多不利因素 [2]。除飛行控制外，無人機的續(xù)航能力也是重要的技術(shù)性能之一。當(dāng)前無人機航模電池多為鋰電池， 其續(xù)航時間最長只能維持在 20 min 左右，這導(dǎo)致無人機作業(yè)時經(jīng)常需要多次起降進行能源補充 [3]。傳統(tǒng)的有線充電方式使得充電過程變得復(fù)雜，同時反復(fù)的插拔會導(dǎo)致充電接口損壞。

在此背景下，針對無人機技術(shù)現(xiàn)階段存在的自主導(dǎo)航定位難、續(xù)航能力差等關(guān)鍵問題進行研究，進一步發(fā)掘四旋翼飛行器的潛力，提高其可靠性、自主性、易用性，降低安全風(fēng)險。本文提出的降落平臺較好地解決了小面積平臺上精準降落和能源補充問題。

1 整體方案

針對無人機降落問題，本文提出一套全新的無人機自動降落流程 ：在傳統(tǒng)衛(wèi)星定位導(dǎo)航基礎(chǔ)上，提出采用“一發(fā)四收”超聲定位裝置對降落時段的無人機進行實時精準定位 ；并設(shè)計飛行輔助控制裝置，其上搭載 LoRa 無線通信模塊實現(xiàn)“機 - 地”間坐標信息傳輸后，進而對降落過程實現(xiàn)專項輔助控制以及無人機厘米級的智能降落。

在精準降落基礎(chǔ)上，為解決無人機能源問題，以提高能量補充效率為出發(fā)點，基于無線充電思想對降落平臺本身結(jié)構(gòu)做出調(diào)整。無線充電裝置相對于傳統(tǒng)有線裝置更加便捷， 省去了操作員插拔接線的多余工作同時也避免了可能出現(xiàn)的接口損壞等狀況。

2 整體設(shè)計

在整體方案的思想指導(dǎo)下，設(shè)計如圖 1 所示的降落平臺系統(tǒng)，其在傳統(tǒng)無人機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上還包括 ：“一發(fā)四收”超聲定位裝置的接收與發(fā)射部分、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站、飛行輔助控制裝置和無線充電裝置。

3 定位設(shè)計

當(dāng)前廣泛應(yīng)用于機載衛(wèi)星定位裝置的定位精度為 2 m 左右，僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)無人機基本返航至操作員的可視距離或設(shè)定降落點數(shù)米的范圍內(nèi) [4]。這樣的結(jié)果顯然不能夠滿足具有面積限制或空間限制的降落需求，并且使無人機的回收變得十分困難，更談不上智能化、自主化。由此看來，選定合適精度的定位裝置并對運動目標的實時跟蹤定位是精準降落導(dǎo)航的前提。

查閱大量資料文獻，比較多重定位手段后，本文決定采用超聲定位技術(shù)。當(dāng)前常見的超聲測距模塊多為“收發(fā)一體”。其測距原理為 ：計算超聲波從發(fā)射經(jīng)障礙物反射到最后接收的用時乘以時間所得值的半數(shù)來得到待測物體的距離[5]。通過實際試驗發(fā)現(xiàn)，單個超聲測距模塊具有精度高、質(zhì)量輕等優(yōu)勢，但卻可能因為所測距離為超聲波往返值而在遠距離情況下時效性差，同時航模電池對超聲模塊過近易產(chǎn)生干擾。

綜上所述，在此以“收發(fā)分離”為思想，采用“一發(fā)四收” 超聲定位裝置。裝置采集實時坐標，模擬實現(xiàn)對運動無人機目標實時定位與跟蹤，從而獲得運動目標的運動參數(shù)及運動軌跡，為完成更高一級任務(wù)打好基礎(chǔ)。

“一發(fā)四收”超聲定位裝置包括一個機載超聲波發(fā)射器和 4 個安裝在降落平臺的超聲波接收器，控制模塊被設(shè)置在平臺背面，如圖 2 所示。在降落階段，發(fā)射器與接收器構(gòu)成空間四棱錐。控制模塊每隔 300 ms 向超聲發(fā)射器和接收器發(fā)送特定地址信息控制其工作并獲得 4 個所測距離值，即四棱錐棱長 ；可設(shè)定接收器兩兩間距為定值即四棱錐底邊長。此時四旋翼坐標問題即轉(zhuǎn)換為已知四棱錐各邊長求四棱錐定點的幾何問題。

以左下角超聲接收器為原點建立圖 2 所示的空間直角坐標系，以 S1，S2，S3 為例，列出以下三元二次方程 ：

同理對 S2，S3，S4 ；S1，S2，S4 ；S1，S3，S4 三組數(shù)據(jù)進行計算，又可得到對應(yīng)的坐標 Point 2，Point 3，Point 4。將此四值進行均值處理后可得到相對準確的三維坐標信息，被保存在控制模塊中。

4 控制單元設(shè)計

當(dāng)前，四旋翼的控制結(jié)構(gòu)一般為 ：接收機與遙控發(fā)射機以 2.4 GHz 無線通信方式傳輸信號，接收機與飛控有線連接。但基于降落過程專項單元專項控制的思想，筆者設(shè)置了嵌入式單片機作為飛控的輔助控制單元 ：將飛控與接收機通過STM32 單片機相連。在飛行輔助控制裝置與定位裝置的控制端間設(shè)置 LoRa 無線通信模塊，解決坐標信息的“機 - 地”傳輸 ；搭載 MPU6050 傳感器以實時獲取姿態(tài)角信息。三維坐標信息（x，y，z）與姿態(tài)角信息（pitch，roll，yaw）兩組六項數(shù)據(jù)共同為無人機姿態(tài)控制提供更新變量，采用常見的無人機PID 控制算法即可實現(xiàn)對無人機降落階段的精準控制 [6-7]。

作為飛行輔助控制裝置的核心，STM32 單片機通過定時器捕獲和輸出 PWM 波信號可實現(xiàn)對遙控器控制的接收機信號的獲取以及向飛控等輸出值的過程，即遙控飛行模式 ；以獲取到坐標作為中斷觸發(fā)標志，可切換至降落模式。

專項控制思路因并未對原有結(jié)構(gòu)本身做出改變，僅僅是在兩個原有模塊中增加了一個連接單元，所以幾乎適用于各類機型，通用性較強。優(yōu)化的無人機控制單元結(jié)構(gòu)圖如圖 3所示。

5 無線充電設(shè)計

在精準降落的前提下，筆者在降落平臺上增加無線充電裝置以實現(xiàn)降落后無人機更加便捷地能量補充。當(dāng)前市面上的無線充電裝置種類繁多，其原理依據(jù)大都是以發(fā)射線圈和接收線圈諧振方式的磁傳輸 [8]。

降落平臺的中心部分被絕緣物質(zhì)圓形填充，避免耦合時導(dǎo)體材料的干擾 [9]。無人機電池與接收線圈相連，隨無人機精準降落后與發(fā)射線圈對接，此時打開發(fā)射線圈的電源開關(guān)即可開始充電。此功能省去了操作員插拔接線的多余工作， 同時也避免了可能出現(xiàn)的接口損壞等狀況。無線充電原理圖如圖 4 所示。

6 實驗驗證

6.1 定位實驗

定位實驗時，在超聲波發(fā)射端采用獨立電源供電并單獨固定放置，如圖 5 所示。

定位具體步驟為 ：

(1) 將降落平臺垂直于桌面放置，即“一發(fā)四收”定位圖 8 多次降落點位置分布圖裝置的四個接收端所在平面垂直于桌面 ；

(2) 將單獨供電的超聲波發(fā)射端也垂直于桌面并使發(fā)射頭直射向四個接收端 ；

(3) 遵循之前設(shè)定的三維坐標系，可通過測量方式較為準確地給出當(dāng)前超聲波發(fā)射端在此坐標系中的坐標值，將定位裝置所測得的坐標值與實測坐標值比較并記錄 ；

(4) 調(diào)整超聲波發(fā)射端在上述坐標系中的位置，重復(fù)步驟（3）以得到多組對比值，如圖 6 所示。

6.2 降落實驗

本文設(shè)計如圖 7 所示的平臺作為無人機降落后的支撐部分以及各模塊的搭載平臺。四個超聲波接收探頭嵌置于小圓孔下，且探頭通過小圓孔露出，同時保證探頭與平臺表面處于同一水平面。

為了保證降落實驗的安全性，采用 5 mm 牽引繩連接無人機機架并將另一端于地面固定。在平臺上不同的空位置開始降落，降落結(jié)束后測量無人機幾何中心相對降落平臺位置。 圖 8 為隨機放置無人機開始降落過程后，無人機最終降落點位置分布圖。顯然可以觀察到幾乎所有降落點都與降落閾值邊界所構(gòu)成的邊長為 2 cm 的正方形吻合，說明了定位裝置及降落算法的可行性。

7 結(jié) 語

本文設(shè)計一種以四旋翼無人機為對象的精準降落平臺并能夠?qū)德浜蟮臒o人機進行無線充電。通過理論分析和實驗驗證，本文的降落方案可行且定位裝置的實時精度可達毫米級，設(shè)置降落精度可達厘米級，同時平臺搭載無線充電裝置避免了有線充電方式繁瑣和反復(fù)插拔導(dǎo)致的接口損壞現(xiàn)象，提升飛行作業(yè)效率。以該降落平臺為基礎(chǔ)，可以發(fā)展包括車載無人機 [10]、物流無人機、巡防無人機等眾多無人機產(chǎn)業(yè)，助力無人機技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，具有廣闊的市場前景。