无人机室内货品运输系统设计

沈天翊 支广达 王兴元

摘要 “空中走廊“室内货品运输系统，基于高精度UWB室内分布式异步定位技术及无人机飞控数据融合技术，在室内环境下对货品、工具、物料利用无人机进行空中配送，全方位提升工厂智能制造信息化水平。

【关键词】无人机应用 室内货品运输 高精度室内定位

1 系统设计简介

自2013年美国Matternet公司在海地和多米尼加测试了无人机配送网络，首次实现无人机货品运输以来，亚马逊、谷歌、DHL等国际巨头纷纷开始布局无人机货运领域，国内的阿里巴巴、顺丰、京东等企业也紧随其后，接连斥巨资开展无人机货品运输的研发及测试工作。

目前，无人机货品运输主要应用于室外环境，室内应用存在定位难、定位精度低、环境复杂等问题，导致无人机货品运输技术在室内环境下一直无法得到推广及运用。

想要实现无人机在室内进行自动导航配送货品，其核心难点在于高频高精度室内定位、定位飞控数据融合及室内无人机动力及结构安全上。

2 高频高精度室内定位

无人机飞行过程中的定位技术不同于传统室内定位，由于无人机飞行速度快，对室内人员和设备存在安全威胁，因此对于定位的精度、位频和可靠性有着极高的要求。基于目前室内定位技术技术的成熟度、精度、位频、成本、集成难易度、抗干扰性、硬件尺寸大小等因素，经过综合考量和大量测试，得出超宽带（UWB： Ultra Wideband，又称脉冲无线电技术）是目前运用于无人机室内定位最为合适的技术。该技术综合定位精度在30厘米以内，位置数据获取时间小于60毫秒。

分布式异步定位是UWB定位技术的一种组网方式，实现了各设备之间的独立，大幅降低系统布设无限制。将UWB信标安装在无人机上，在室内安装多个固定坐标的定位基站。在无人机需要获取自身的位置时，通过信标发送测距请求，在信标获得范围内多个基站的测距数据后，采用TDOA算法进行测距，快速解算出无人机当前的位置。由于室内环境复杂，在基站在布设时需要充分考虑无人机飞行轨迹，确保在飞行过程中能时刻和三个以上的基站进行无障碍通信，同时，需要将定位位频提升至10Hz以上，确保定位数据的准确性及有效性。如图1所示。

3 定位飞控数据融合

为使无人机能及时获取自身的位置信息，并基于自身的位置快速调整飞行姿态，需将定位及运算模块集成于无人机上，降低数据传递过程中的延时，提高飞行精度。

使用高性能主控核心板，作为定位系统、无人机飞控主板及货品运输系统之间的通信处理核心。货品运输系统接受配送请求后向无人机主控核心板发送起飞信号和目标位置，主控核心板与基站通信获取位置信息并传输给无人机飞控主板，配合惯导系统，进行飞行姿态调整，实现向目标配送点的自动飞行。如图2所示。

4 无人机动力及结构定制

无人机室内货品运输对无人机的动力配比和结构提出更高要求，需要根据飞机的载重、续航时间等要求，进行旋翼电机和电池的选配，以及对飞机旋翼的尺寸和旋翼数的选择以及无人机结构进行定制设计。

4.1 电机选配

根据上述计算方法可以针对不同的项目要求选配相应的型号的电机。

4.2 电池选配

锂电池是目前多旋翼无人机电源系统使用最为普遍的电池，锂电池有尺寸小，充电时间短，质量轻，没有记忆效应，适于重复多次充放电等优点。

考虑到电池主要是给无人机主要是运输货物和定位数据收发板供电，功耗主要为电机的消耗和定位数据收发板的消耗。对于给定飞行时间h，可以得到如下近似的电池容量Cb。

Cb≥k（Nmotorla+Ionboard）h

（4）

式中：

Ia 一无人机在飞行过程中电机驱动每个电机消耗的电流;

Ionboard一定位数据收发板消耗的电流（换算成相同电压情况下）;

k—安全系数，一般为1.5。

根据上述计算方法可以针对不同的项目要求选配相应的型号的锂电池。

4.3 旋翼尺寸及旋翼数选择

多旋翼无人机的旋翼尺寸和旋翼数目对飞行功耗有很大影响，旋转面积大的旋翼可以获得的升力也越大，效率也越高。定义整个机体面积（防撞结构所包含的整个区域）为Sb，旋翼的旋转面积为Sr，电池利用率为p，当暂且忽略控制板等一些其他部分的能耗时，定义如下的效率评价参数：

式中：R-机体半径;r-旋翼半径。

在实际设计过程中，由于需要考虑到各旋翼之间会产生气流扰乱而对控制性能造成一定的影响，应当对機翼的最大允许尺寸做相应的减小。根据经验旋翼实际半径r取最大允许半径rmax的5/6左右。单旋翼的无人机要考虑尾桨会抵消主旋翼产生的旋转扭矩，会额外消耗10%的能量，最终计算得到的总体效率参数为0.4592。通过式（5）计算可得四旋翼总体效率参数为0.4766，六旋翼总体效率为0.4630，八旋翼总体效率为0.4256。由此可见四旋翼是总体效率利用率最高的，但增加旋翼数对飞机的平稳性有较大的影响，旋翼数越大飞机飞行越平稳，综合考虑后在本系统中我们选择使用六旋翼无人机。

4.4 无人机结构设计

系统中的无人机用于室内运输，由于实际飞行通道较窄，工作环境复杂，必须为无人机设计防撞结构。本系统中使用的六旋翼无人机将机翼装于翼臂的中点位置，在翼臂外围加装一圈弹性保护栏，并于底部加装了避震起落架，可在无人机故障或者飞行异常时避免无人机损坏，防止无人机对周边人员和设备造成损伤。

室内飞行对于飞行定高有着很高的要求，需要使用多种传感器数据融合有效提升定高精度。该无人机使用红外测距、超声波和气压计这三种传感器对高度进行测量并将所得数据融合，得到更高精度的高度数据。

5 结语

本文对无人机运用于室内货品运输系统中的技术要点和应对方案进行了简要的分析和介绍，随着“中国制造2025”规划中确立“智能制造”为未来主攻方向及其中对于无人机领域相关政策的落地，无人机在工业制造领域的应用将会出现爆发式的增长。实现无人机室内精准定位及自动导航飞行，对无人机行业应用发展具有重要的意义，是未来无人机实现室内外定位无缝衔接的重要技术基础。

参考文献

[1]赵路勋.基于视觉和TOF距离传感器的室内无人机导航方法研究[D].深圳大学，2001.

[2]郭芳，复杂环境下四旋翼无人机定位研究[D].天津大学，2014.

[3]李婷.基于强化学习的无人机悬挂负载系统控制研究[D].哈尔滨工业大学，2011.