金慧萍, 楊家富, 張文武, 李 祥, 穆 鍵

(1.南京林業(yè)大學(xué)工程培訓(xùn)中心,江蘇 南京 210037;2.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,江蘇 南京210037;3.南京普新機(jī)電有限公司,江蘇 南京 210037)

無(wú)人駕駛飛機(jī)是一種利用無(wú)線電遙控設(shè)備或自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)[1]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,無(wú)人機(jī)各方面的性能得到了極大的提升,不斷向小型化、集成化方向發(fā)展[2],并在影視制作、測(cè)繪巡檢、安檢應(yīng)急、植保噴藥、森林防火、物流運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)應(yīng)用日益廣泛,極大地拓展了無(wú)人機(jī)的用途[3, 4]。無(wú)人機(jī)的戶外作業(yè)環(huán)境,如軍事偵察[5]、電力巡檢[6]等多是在野外山區(qū),在實(shí)際使用過(guò)程中受到環(huán)境的局限較為明顯[7]。無(wú)人機(jī)在野外作業(yè)場(chǎng)合較多,起飛與停降都需要相對(duì)平穩(wěn)可靠的平臺(tái),否則在起飛與停降過(guò)程中會(huì)伴隨著“炸機(jī)”現(xiàn)象的發(fā)生[8],給無(wú)人機(jī)的起降帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前無(wú)人機(jī)放飛、回收技術(shù)的發(fā)展程度相對(duì)落后于無(wú)人機(jī)的自身技術(shù),多行業(yè)場(chǎng)景下的無(wú)人值守作業(yè)模式發(fā)展相對(duì)滯后,自動(dòng)化程度低,大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合均不同程度地依賴于人工操控。

為了妥善解決無(wú)人機(jī)戶外作業(yè)過(guò)程中難以自動(dòng)放飛與回收的問(wèn)題,給無(wú)人機(jī)提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的停放平臺(tái),近年來(lái),無(wú)人機(jī)移動(dòng)機(jī)庫(kù)產(chǎn)品逐漸進(jìn)入了市場(chǎng)。高偉等[9]研制了多旋翼無(wú)人機(jī)多功能起降輔助平臺(tái),能有效降低無(wú)人機(jī)故障發(fā)生概率,提高巡檢作業(yè)效率。宋晨暉等[10]設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)無(wú)人值守自動(dòng)起降機(jī)場(chǎng),可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)降落及收回,有效解決無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間短、需人工現(xiàn)場(chǎng)操作等問(wèn)題。

目前市面上的無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)大多采用箱體結(jié)構(gòu),設(shè)備成本高,市場(chǎng)應(yīng)用推廣難度大,且設(shè)備搬運(yùn)及作業(yè)過(guò)程中對(duì)人工操作的依賴程度高,與此同時(shí),可直接安裝在車(chē)廂內(nèi)的移動(dòng)車(chē)載式自動(dòng)機(jī)庫(kù)產(chǎn)品案例較少。本研究以依維科商務(wù)車(chē)為車(chē)載平臺(tái),設(shè)計(jì)了一種適用于該車(chē)型的車(chē)載無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù),融合PLC控制、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信及遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù),有效實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)自動(dòng)平穩(wěn)放飛和停降,解決了無(wú)人機(jī)返航過(guò)程中降落姿態(tài)隨機(jī)和槳葉散開(kāi)不確定的問(wèn)題。

1 機(jī)庫(kù)硬件設(shè)計(jì)

1.1 工作流程

車(chē)載無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)的工作流程為:待工作狀態(tài)下,無(wú)人機(jī)停放于車(chē)載機(jī)庫(kù)的停機(jī)平臺(tái)上,執(zhí)行一鍵放飛命令后,載車(chē)車(chē)頂?shù)奶齑白詣?dòng)打開(kāi),升降機(jī)構(gòu)上升,歸中夾緊機(jī)構(gòu)自動(dòng)解鎖放開(kāi),放開(kāi)到位信息傳輸至無(wú)人機(jī)控制終端,無(wú)人機(jī)啟動(dòng)放飛作業(yè)流程;無(wú)人機(jī)起飛后,升降平臺(tái)下降,載車(chē)天窗自動(dòng)關(guān)閉;無(wú)人機(jī)收到返航信號(hào)后,載車(chē)天窗自動(dòng)打開(kāi),機(jī)庫(kù)升降平臺(tái)上升,待無(wú)人機(jī)飛回至停機(jī)平臺(tái)上后,歸中夾緊機(jī)構(gòu)分別向X、Y向收攏,無(wú)人機(jī)歸中,隨后撥槳機(jī)構(gòu)將槳葉撥至回收邊界內(nèi),升降平臺(tái)下降歸位,載車(chē)天窗自動(dòng)關(guān)閉,無(wú)人機(jī)放飛與回收流程全部完成。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車(chē)載無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由底座、雙軌剪叉式升降機(jī)構(gòu)、停機(jī)平臺(tái)、歸中夾緊機(jī)構(gòu)以及撥槳機(jī)構(gòu)組成。底座是整個(gè)自動(dòng)機(jī)庫(kù)的承載結(jié)構(gòu),安裝于車(chē)廂內(nèi)的設(shè)備承載平臺(tái)上;升降機(jī)構(gòu)采用雙軌剪叉式結(jié)構(gòu)形式,可實(shí)現(xiàn)有限安裝空間內(nèi)大行程范圍升降的功能;停機(jī)平臺(tái)位于升降機(jī)構(gòu)的上方,用于停放無(wú)人機(jī);歸中夾緊機(jī)構(gòu)由兩個(gè)相互垂直交錯(cuò)的同步帶傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成,可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)降落后X、Y向的位置歸中和無(wú)人機(jī)底座的夾緊固定;撥槳機(jī)構(gòu)由兩組直線運(yùn)動(dòng)的同步帶傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成,可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在歸中夾緊后槳葉位置調(diào)整的功能。車(chē)載無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車(chē)載無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1.3 控制系統(tǒng)硬件配置

通過(guò)分析無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作流程,對(duì)自動(dòng)機(jī)庫(kù)控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行配置?？刂葡到y(tǒng)以PLC控制器為核心,由PLC控制器、觸摸屏、伺服驅(qū)動(dòng)器、繼電器及磁性開(kāi)關(guān)等組成。PLC控制器選用基于模塊化緊湊型設(shè)計(jì)的西門(mén)子S7-1200PLC模塊,型號(hào)為6ES7214-1AG40-0XB0,該模塊具有功能強(qiáng)大、可靠性高、靈活度高的特點(diǎn)[11];采用西門(mén)子KTP400型號(hào)觸摸屏作為HMI(Human-Machine Interface)人機(jī)交互界面的載體,通過(guò)RS485串口與PLC進(jìn)行通信,將內(nèi)部存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC控制器,使PLC執(zhí)行相應(yīng)的控制程序;采用CM1241(RS422/485)作為通信模塊,PLC作為主站,伺服驅(qū)動(dòng)器作為從站,通過(guò)Modbus-Rtu總線通信協(xié)議向伺服驅(qū)動(dòng)器讀寫(xiě)相關(guān)控制參數(shù),以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)的升降伺服電機(jī)、歸中夾緊機(jī)構(gòu)的X/Y向伺服電機(jī)以及撥槳機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)的控制,最終實(shí)現(xiàn)升降、對(duì)中、撥槳?jiǎng)幼?。無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)控制系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件組成

2 機(jī)庫(kù)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括PLC控制程序設(shè)計(jì)、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)部分。PLC控制程序設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制指令,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制;人機(jī)界面設(shè)計(jì)可以用于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行手/自動(dòng)操作、參數(shù)設(shè)置以及機(jī)庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等;監(jiān)控設(shè)計(jì)可以分別獲取無(wú)人機(jī)和機(jī)庫(kù)的運(yùn)行相關(guān)參數(shù),實(shí)現(xiàn)機(jī)庫(kù)和無(wú)人機(jī)之間的信息交互。

2.1 PLC控制程序設(shè)計(jì)

采用TIA Portal V16軟件,使用梯形圖語(yǔ)言對(duì)PLC進(jìn)行程序編寫(xiě)。PLC程序包括初始化程序、手動(dòng)控制程序和自動(dòng)控制程序3個(gè)部分。上電后首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化程序,保證所有動(dòng)作機(jī)構(gòu)在運(yùn)行前保持最初始狀態(tài);其次,設(shè)置好伺服系統(tǒng)通訊參數(shù),監(jiān)控伺服系統(tǒng)的狀態(tài);最后,通過(guò)開(kāi)關(guān)按鈕選擇手/自動(dòng)控制方式,手動(dòng)控制方式下,設(shè)計(jì)各執(zhí)行動(dòng)作的手動(dòng)運(yùn)行程序,自動(dòng)控制方式下,根據(jù)無(wú)人機(jī)放飛與回收的流程需求,設(shè)計(jì)自動(dòng)控制程序,實(shí)現(xiàn)一鍵放飛與回收的操作。系統(tǒng)程序整體流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)程序流程圖

對(duì)無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)控制系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行分析,需使用18個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào),6個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào),控制系統(tǒng)的I/O配置如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)I/O控制表

2.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)自動(dòng)機(jī)庫(kù)的實(shí)時(shí)操控性,設(shè)計(jì)了HMI人機(jī)交互界面。人機(jī)界面和PLC之間通過(guò)Modbus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息交互,當(dāng)選擇為本地控制狀態(tài)時(shí),通過(guò)操控觸摸屏上的執(zhí)行按鍵,對(duì)機(jī)庫(kù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。人機(jī)界面主要包含手動(dòng)操作界面、自動(dòng)操作界面以及參數(shù)設(shè)置界面,當(dāng)開(kāi)關(guān)按鈕選擇為手動(dòng)控制時(shí),分別操作手動(dòng)界面的各執(zhí)行按鍵,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)庫(kù)的停機(jī)平臺(tái)上升/下降控制、無(wú)人機(jī)歸中/復(fù)位控制、車(chē)頂天窗打開(kāi)/關(guān)閉控制、撥槳正行/反行控制,手動(dòng)界面如圖4a所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)按鈕選擇為自動(dòng)時(shí),觸摸自動(dòng)控制界面的“自動(dòng)放飛”鍵,機(jī)庫(kù)執(zhí)行自動(dòng)放飛工作流程;觸摸“自動(dòng)回收”鍵,機(jī)庫(kù)執(zhí)行自動(dòng)回收工作流程。自動(dòng)控制界面顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),包含設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)、手/自動(dòng)狀態(tài)、急停狀態(tài)、天窗狀態(tài)、歸中狀態(tài)、升降臺(tái)狀態(tài)、撥槳狀態(tài)以及系統(tǒng)故障狀態(tài),自動(dòng)控制界面如圖4b所示。

圖4 控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層由觸摸屏、信息采集元件、執(zhí)行元件和PLC單元組成,獲取機(jī)庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài);遠(yuǎn)程監(jiān)控層由GPRS智能網(wǎng)關(guān)、云平臺(tái)服務(wù)器和移動(dòng)顯示終端組成。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)Modbus總線通信協(xié)議中的TCP/IP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)智能終端設(shè)備和PLC的通訊。以PLC作為服務(wù)器端,上位機(jī)作為客戶端,采用通訊模塊中的RS485作為通訊網(wǎng)口,在主程序中調(diào)用Modbus-TCP通訊模塊,與PLC進(jìn)行通信讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。在通訊中,首先設(shè)置IP地址,然后在程序中調(diào)用通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)的傳輸方式是上位機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù),每22個(gè)字節(jié)連續(xù)一帖。PLC與上位機(jī)通訊數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 通訊數(shù)據(jù)圖

3 試驗(yàn)測(cè)試與分析

依據(jù)無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)系統(tǒng)實(shí)際使用場(chǎng)景,對(duì)歸中夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作及撥槳機(jī)構(gòu)動(dòng)作進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試場(chǎng)景如圖7所示。

圖7 無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)測(cè)試場(chǎng)景

3.1 歸中夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作測(cè)試

無(wú)人機(jī)停降后,其機(jī)體位于停機(jī)平臺(tái)上的位置是隨機(jī)的,而在停機(jī)平臺(tái)下降回收至載車(chē)平臺(tái)內(nèi)部的過(guò)程中,需對(duì)無(wú)人機(jī)的停放位置進(jìn)行歸中夾緊。基于該種情況的停機(jī)條件,需對(duì)無(wú)人機(jī)降落在停機(jī)平臺(tái)上的幾類典型位置進(jìn)行歸中夾緊動(dòng)作測(cè)試,以覆蓋無(wú)人機(jī)在停機(jī)平臺(tái)上不同位置的停降情況?？紤]無(wú)人機(jī)停降在停機(jī)平臺(tái)上位置的隨機(jī)性,而歸中夾緊機(jī)構(gòu)的執(zhí)行單元分為X、Y向的二維執(zhí)行機(jī)構(gòu),無(wú)人機(jī)停放在停機(jī)平臺(tái)上的位置形態(tài)相對(duì)于X、Y向歸中夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置可分為4類,即無(wú)人機(jī)支架與X向歸中夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾角為0°、0°～90°、90°、90°～180°和180°此4種情況,具體停放位置示意圖如圖8所示。

圖8 無(wú)人機(jī)典型停降位置圖

對(duì)無(wú)人機(jī)在停機(jī)平臺(tái)上的典型停放位置分別開(kāi)展測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,在4類典型停放位置狀態(tài)下,無(wú)人機(jī)均能在自動(dòng)機(jī)庫(kù)的歸中夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作下實(shí)現(xiàn)歸中并夾緊。測(cè)試后的狀態(tài)如圖9所示。

圖9 歸中夾緊測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

3.2 撥槳機(jī)構(gòu)動(dòng)作測(cè)試

無(wú)人機(jī)停降歸中夾緊后,其4只槳葉停留的位置是隨機(jī),而在停機(jī)平臺(tái)下降回收于載車(chē)平臺(tái)內(nèi)部的過(guò)程中,需對(duì)無(wú)人機(jī)的槳葉位置進(jìn)行撥槳處理?；谠摲N情況的停機(jī)條件,需對(duì)無(wú)人機(jī)降落在停機(jī)平臺(tái)上后槳葉的幾組典型位置進(jìn)行撥槳?jiǎng)幼鳒y(cè)試,以覆蓋無(wú)人機(jī)槳葉在平臺(tái)上不同停留位置的回收情況。無(wú)人機(jī)停降于停機(jī)平臺(tái)上,在完成歸中夾緊動(dòng)作后,無(wú)人機(jī)的4只槳葉停留的位置姿態(tài)可分為2大類,即部分或全部槳葉超出回收邊界和全部槳葉均不超出回收邊界兩類狀態(tài),槳葉停留的位置姿態(tài)示意圖如圖10所示。

圖10 無(wú)人機(jī)槳葉位置姿態(tài)示意圖

當(dāng)部分或全部槳葉超出停機(jī)坪邊界,即需要撥槳機(jī)構(gòu)進(jìn)行撥槳操作使其全部槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)至停機(jī)平臺(tái)邊界內(nèi)部。經(jīng)過(guò)撥槳測(cè)試,無(wú)人機(jī)的4只槳葉在部分或全部超出回收邊界的狀態(tài)下均能在撥槳機(jī)構(gòu)的動(dòng)作下成功將槳葉撥至回收邊界內(nèi)。測(cè)試后的狀態(tài)如圖11所示。

4 結(jié)論

本文針對(duì)無(wú)人機(jī)戶外巡檢作業(yè)中的放飛以及回收需求,設(shè)計(jì)了一種適用于依維柯品牌的商務(wù)車(chē)車(chē)載無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù),該自動(dòng)機(jī)庫(kù)的結(jié)構(gòu)主要包含停機(jī)平臺(tái)、升降機(jī)構(gòu)、歸中夾緊機(jī)構(gòu)及撥槳機(jī)構(gòu)。采用PLC作為核心控制器,設(shè)計(jì)了硬件電路和軟件程序,基于觸摸屏設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)操作及監(jiān)控的人機(jī)交互界面,可以對(duì)自動(dòng)機(jī)庫(kù)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試及一鍵自動(dòng)放飛和回收,同時(shí)也可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)記錄,以確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與安全性。采用GPRS和云平臺(tái)服務(wù)器作為遠(yuǎn)程傳輸介質(zhì),設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)和機(jī)庫(kù)的雙向通信。對(duì)自動(dòng)機(jī)庫(kù)的歸中夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作與撥槳機(jī)構(gòu)動(dòng)作進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,無(wú)人機(jī)在4類典型的停放位置狀態(tài)下,自動(dòng)機(jī)庫(kù)均能實(shí)現(xiàn)歸中夾緊功能;在部分或全部槳葉超出回收邊界的狀態(tài)下,均能在撥槳機(jī)構(gòu)的動(dòng)作下成功將槳葉撥至回收邊界內(nèi)。該車(chē)載無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)庫(kù)已投入使用,目前運(yùn)行良好,極大提高了無(wú)人機(jī)戶外作業(yè)的效率。