基于无人机中继通信的清障机器设计

黄文早

（武汉虹信技术服务有限责任公司 湖北 武汉 430070）

0 引言

无人机全称无人驾驶飞行器，是一种通过预先装入的程序控制装置和利用无线电技术进行遥控的不载人飞机，具有环境适应性强、操作简单和操作方便等优势。 相较于人工清理，将无人机应用于清障作业中可以发现各种人工巡检不易发现的障碍物，同时使用无人机清障机器实现各种垃圾的识别和清理具有成本低、效率高的优点［1］。 因此，设计一款基于无人机中继通信的清障机器，将无人机和通信相结合，利用无人机中继通信技术实现垃圾的识别清理一体化具有重要现实意义。 本文梳理了清障机器使用的无人机技术、通信技术、飞行姿态控制及障碍物探测技术等关键技术，分别对系统总体、无人机平台、硬件和软件部分进行设计，在此基础上设计出一种基于无人机中继通信的清障机器。

1 无人机发展

无人机经过了一个世纪的发展，目前种类变得多种多样，其在侦查、巡检、通信、电子对抗等众多领域均有应用。无人机最早可追溯到1914 年，很多无人机先进技术都是从军用方面发展起来的［2］。 世界各国非常重视对无人机遥感技术的研究，如今无人机遥感技术已经应用于气象观测、环境保护、测绘、城市规划、自然灾害、社会事件、电力巡检、清扫障碍等多个领域。 未来，对无人机提出了更高的要求，如回避障碍、自动识别跟踪、精准定位、投放物品、回收障碍等功能，因此多技术结合是无人机的发展趋势，综合多种导航技术、多传感器、GPS 等使未来的无人机具有高可靠性、高精度、高自主性及高抗干扰能力。 随着无人机中继通信巡视中清障技术的不断发展和应用，无人机还将在障碍自主识别、自主分类、增强精准度等方面有更深入的发展［3］。

2 清障机器相关技术

2.1 无人机技术

2.1.1 无人机组成

无人机最为核心的系统是导航飞控系统，在一些场景下，该系统还可根据具体功能细分为飞控子系统和导航子系统，其中导航子系统主要用来通信，不间断向无人机提供必要的飞行姿态、速度和位置信息以指导无人机按照指定路线准确、安全地飞行；飞控子系统主要用于完成起飞、飞行巡视、空中作业和返回等整个飞行过程［4］。 其中，飞控子系统对无人机尤为重要，相当于有人机的驾驶员，近年来，很多专家和学者将组合控制、非线性动态控制及神经网络智能控制等先进的控制方法引入到无人机飞控系统，使得无人机具备更好的飞控性能，提高了无人机飞行过程中的控制稳定性。 另外，无人机机身装配有各种传感器。 如位置、姿态、高度传感器等，这是飞控系统的关键。未来，高效性、时效性及规模化的非线性组合导航是无人机导航控制系统的一个主要发展方向。

2.1.2 无人机动力装置

无人机飞行系统依靠电机提供动力，这类电机具有机电一体化的特点，主要由驱动器与电机主体两部分构成。其中微型无人机有两类动力电机，分别是无刷电机和有刷电机，有刷电机通过旋转换向器和线圈、保持碳刷和磁钢不转来获得交替变化的线圈电流方向；无刷电机的定子和转子之间没有换向器和电刷，主要通过控制器提供相反方向的直流电来获得交替变化的电流方向。 由于无刷电机具有运转流畅、噪声低，维护成本低、使用期限长，无电刷、干扰低的优点，在实际中得到了大范围应用，本文设计的清障机器的主动力装置使用的便是无刷电机。

2.2 无人机通信技术

2.2.1 无人机中继通信与MAVLink

近年来，无人机技术日益成熟，常在各个行业领域中用于遥感测绘、拍摄及监控等。 在通信方面，无人机常用作两地通信的中继以确保两地的通信质量，这也适用于电磁干扰强或信号传输困难的场景。 无人机大量的数据通信需要占用大量频谱，如今电磁环境相对复杂，对频谱管理提出了更高的要求。 无人机通信系统的专用通信协议之一是MAVLink，该协议是在LGPL 开源协议基础上进行开发的，使用串口互联通信方式，具有更强的数据分析和处理能力、更广泛的覆盖范围［5］，因此，广泛应用于目前主流的众多小型无人机系统中。 该协议简单，能够实现全双工工作，足以满足大多数无人机的通信要求，该协议的广泛应用有助于无人机中继通信的发展，使得无人机可以和其他通信设备之间互通数据、更加紧密结合，使得设备之间的通信具有一定的高效性、安全性及可靠性。

2.2.2 无人机通信链路

无人机通过通信链路实现载荷通信、无载荷通信以及系统控制传输，无人机通信链路分为无载荷链路和控制链路两种，主要有规避和感知、控制和指挥及空中交通管制三种。 通信链路可实现无人机和控制器之间实时交换信息，控制器主要是向无人机发送指令，对无人机进行控制和指挥，而无人机需要向控制器发送自身相关的数据信息，这些信息主要有：设备状态、高度、速度及位置信息等。 对于一些无人机通信链路，根据实际需要还要将拍摄的高清图片、视频和影像等数据信息传给控制器，控制器对数据分析并处理，以此发送下一步指令。

2.3 飞行姿态控制技术

无人机在巡视障碍物过程中，可能会受到降雨、强风等恶劣天气的影响，因此需要特别注意无人机飞行姿态，基于机器视觉的无人机可受控制器控制，实现仰俯姿态反转从而保证无人机正常安全巡视。 联合应用多种传感器，采集站点的姿态、位置，其中的关键是统一并同步时间和坐标，可以通过相应定位算法，将时间和计时进行同步记录和控制。

2.4 障碍物探测技术

在巡视过程中，无人机可通过机器视觉技术，得到大量的高清图片、视频并传输、存储到控制器中，控制器对图片和视频进行分析和处理；可利用紫外探测技术和红外热成像仪，对周围环境中的发热点进行巡查，一旦发现热点温度判断是否为障碍物，如果是就向清障机器发送信号，告知清障机器障碍物位置信息以便及时清理障碍物。

3 清障机器设计

3.1 系统总体设计

本文设计的清障机器综合使用无人机中继通信技术，将无人机和清障机器两者相结合，从而实现无人机自动识别障碍物，清障机器收取障碍物。 清障机器在硬件方面，应用超声波模块和Arduino，建立以无人机为核心的空中基站，同时辅助OpenMV3 视觉技术，实现无人机向清障机器实时发送障碍物位置信息。 清障机器无人机平台整体布局参数见表1。 在软件方面对无人机中继通信系统、自动识别与定位进行设计，与此同时对清障机器机械臂进行着重设计。

表1 飞行平台整体布局参数

3.2 硬件部分设计

3.2.1 OpenMV3 视觉模块

OpenMV3 是机器视觉模块，由于功能强大、低本低廉得以广泛应用。 OpenMV3 视觉模块包含多种功能的算法，如人脸识别、边缘检测、寻找色块、眼球跟踪及标志跟踪等，可用于跟踪固定的标记物、筛选残次产品、检测非法入侵等［6］。 其具体的性能参数见表2。

表2 OpenMV3 性能参数

3.2.2 Arduino

Arduino 是一个包含软件和硬件的开源平台，该平台操作简单、边界灵活、容易上手，通过简单的开发方式可以轻便地实现各种功能，有助于缩短开发周期。 本文的清障机器设计中使用了性能较为稳定的Arduino MEGA 2560，其具体的性能参数见表3。

表3 Arduino MEGA 2560 性能参数

3.2.3 动力装置

动力装置主要有两部分组成，分别是辅助动力装置及主动力装置［7］，其中主动力装置使用无刷电机；辅助动力装置选用直流电机。 另外，为了使清障机器更灵活、容易操纵，无刷电机选用了标准的具有矢量转向功能的金属舵机。

3.2.4 控制机构

清障机器的控制主要有自动控制和手动控制两种，手动控制主要使用无刷电机，通过航模遥控器利用2.4 G 接收器天线进行控制；自动控制主要包括基于超声波的无人机自动跟踪和OpenMV3 的色块识别两部分，利用Arduino、OpenMV3 视觉模块、超声波发送模块以及舵机驱动板组件实现自动控制。 具体的控制系统流程如图1 所示。

3.3 软件部分设计

3.3.1 基于无人机的中继通信系统设计

清障机器通过无人机识别障碍物的完整通信过程是，当无人机发现附近有障碍物，清障机器开始计时同时向无人机发送信号，无人机接收到来自清障机器的无线电信号后发送超声波信号给清障机器，从而实现清障机器自动跟随无人机。

超声波定位的基本原理是，清障机器上的两个超声波接收器和无人机之间的距离不同，因此超声波到达两个接收器所用时间不同，Arduino 可根据这两个接收时间进行分析和计算，从而得到无人机到两个超声波接收器的距离［8］，再基于超声波模块定位的相应算法，进而可以得到无人机在清障机器坐标系中的实际坐标，以此来实现清障机器判断和定位无人机的具体方位。

3.3.2 自动识别与定位的设计

无人机云端用于实时监测和控制清障机器全部动作，在清障机器平稳性、稳定性，数据传输的实时性、准确性及精确度上起着重要作用，在实时监控清障机器全部动作的基础上，可以在任何时间对清障机器的下一步动作进行干预和调整。

为了确保无人机发送正确的位置信息，相关工作人员提前绘制待清障路段的图纸信息并预先导入无人机云端，云端依照图纸信息开始建立坐标系并计算和标记里程桩等特殊点的位置坐标。 无人机工作时使用北斗系统来定位无人机的实时位置，云端处理这些位置信息并为无人机在坐标系上移动作出指导。

其中，清障机器能够实现自动识别，主要依赖OpenMV3 视觉模块，具体设计思路是：（1）选中一个目标色块，调换成LABColor 彩色格式，并记录L、A、B 的min（最小值）与max（最大值）；（2）向find_blobs 函数中输入阈值；（3）结合实际需求，设定矩形面积和像素点等阈值约束，通过绘制矩形框来锁定目标色块，使用十字标记标识目标色块中心位置，从而实现锁定目标物体。 当清障机器发现异物时，向云端发送此时的位置信息同时将障碍物收入收集容器，如果遇见无法处理的障碍物，清障机器向云端发送位置信息，云端将信息进行相应转化并与坐标系特殊位置坐标进行对比分析，以计算障碍物的距离信息及距离数据信息，并将这些信息连同预警信息一同发送给相关工作人员使障碍物及时得到清理。

3.4 清障机器机械臂设计

该清障机器采用轮式行走方式以有效规避装置对附属装置或线路造成破坏，可通过越障机构实现自主越障，此外，为了保障清障机器具有良好的清障效果，对清障机器机械臂进行着重设计。 机械臂具有剪切、松开、加持等功能，安装在清障机器的上方，可进行左右自由旋转，具有一定的灵活性。 清障机器机械臂的抓手上装置有压力感受器，可以调用视觉模块拍下障碍物信息图片，无人机云端对这些图片进行综合分析并计算抓手每个手指的最佳压力大小及角度，清障机器机械臂按照云端发来的调整指令进行灵活调整，收集障碍物过程中，无人机云端会实时分析抓手关节压力并计算出最优的调整方案，向清障机器机械臂实时发送调整指令以用适当的抓手关节力度和姿势将障碍物放入收集容器或运送至目标地点，从而达到较好的清障效果。 机械臂利用相应传感器来实现全方位运动，由液压驱动，具有一定的自由度且传动精准平稳，可自动根据清障线路进行巡视，如果遇到障碍也可自主越障和清障，其全部动作都是在内置电机和液压系统的相互配合下完成的。 该清障机器的转向功能利用360°旋转自由度是6 的机械臂实现任何方位的障碍物清理，与此同时，机械臂内置机械手和剪刀，可以轻松应对各式各样的障碍物。 该清障机器实现自主巡视、转向、清理杂物及向养护人员发送消息等功能，节省了大量人力、物力和时间成本，提高了清障质量与效率。

4 结语

综上所述，本文设计的基于无人机中继通信的清障机器经过多次试验和改进，在实际的清障作业中具有较强的稳定性，不仅有效提高工作效率，还大幅降低企业清障成本。 然而，该清障机器在手动控制上仍存在一些需要改进的地方，之后会加大对自动控制的创新，通过清障机器自动跟随无人机，以无人机作为中继通信平台完美联合清障机器和无人机，实现障碍识别清理一体化。