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無人機(jī)整機(jī)
無人機(jī)配件
無人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具地下礦井等環(huán)境面臨的主要挑戰(zhàn)之一是無法獲得GNSS。由于地下無線電范圍有限，遠(yuǎn)程操作也是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此，必須具備強(qiáng)大的車載導(dǎo)航系統(tǒng)（包括定位、測繪和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃）才能使完全自主的系統(tǒng)可靠運(yùn)行。這里介紹了最先進(jìn)的系留無人機(jī)（TUAV）的開發(fā)，它是圖 1 所示的完整自主機(jī)器人系統(tǒng)的一部分。該系統(tǒng)由名為Rhino的無人駕駛地面車輛（UGV）和稱為Oxpecker的TUAV組成，旨在為地下石礦支柱結(jié)構(gòu)完整性提供早期預(yù)警信號(hào)。
圖1.Rhino，無人駕駛地面車輛（UGV），是一個(gè)黃色和藍(lán)色的移動(dòng)機(jī)器人。Oxpecker，系留無人機(jī)（TUAV），是藍(lán)色平臺(tái)上的黑色無人機(jī)。Rhino和Oxpecker組成了一個(gè)用于地下礦山測繪的協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)
該無人機(jī)的任務(wù)要求如下：
①能夠在沒有人為干預(yù)的情況下操作數(shù)小時(shí);
③能夠在從一個(gè)支柱移動(dòng)到下一個(gè)支柱之前精確地降落在 UGV 上。
這些要求促使研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)：
④系繩驅(qū)動(dòng)的四旋翼飛行器，具有足夠的有效載荷能力來攜帶定位和3D映射傳感器，以及釋放的電源線的重量;
⑤一 種系留系統(tǒng)，用于管理電纜釋放和縮回，并通過測量相關(guān)變量（例如系繩角度和系繩長度）來幫助無人機(jī)定位和著陸;
⑥ 一種自調(diào)平著陸平臺(tái)，可補(bǔ)償?shù)孛孳囕v的滾動(dòng)和俯仰并協(xié)助無人機(jī)著陸。
該設(shè)計(jì)的目標(biāo)是開發(fā)一種能夠由電纜供電的無人機(jī)，并具有足夠的有效載荷能力來攜帶所需的儀器和系繩。設(shè)計(jì)這種系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)是通過長電纜傳輸如此高的功率的權(quán)衡。我們的解決方案需要組合選擇車架、動(dòng)力總成和電纜。為了完成設(shè)計(jì)，我們選擇了無人機(jī)上的飛行控制器、配套計(jì)算機(jī)和傳感器套件。硬件設(shè)置的示意圖如圖2所示。
圖2 啄木鳥電子設(shè)備的示意圖。除電池組外，所有其他組件均由無人機(jī)攜帶
無人機(jī)和網(wǎng)絡(luò)共享系統(tǒng)上的傳感器用于測量系繩變量。這些傳感器是編碼器，它連接到絞盤并測量系線的長度，以及系線角度傳感器，旨在測量系線在兩個(gè)端點(diǎn)上的方位角和仰角，即在著陸平臺(tái)和TUAV上。圖3a顯示了專門為平臺(tái)角度測量而設(shè)計(jì)的定制3D打印傳感器，而圖3b顯示了商用現(xiàn)成的操縱桿設(shè)備，該裝置轉(zhuǎn)換為用作TUAV側(cè)的系線角度傳感器。
圖3 系繩角度傳感器（a）顯示具有兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)鏈，用于測量平臺(tái)上的方位角和仰角（b）顯示了一個(gè)模擬操縱桿，適用于在無人機(jī)側(cè)獲得相同的角度
系留系統(tǒng)由 （1） 電纜管理系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)根據(jù)測量的張力將系線卷入或卷出來控制系線張力;（2）用于測量系繩張力的張力儀;（3） 兩個(gè)系繩角度傳感器。張力由一個(gè)由樞軸彈簧負(fù)載桿臂和輸送滑輪組成的機(jī)構(gòu)測量，系繩滑落，如圖 4 所示。由伺服電機(jī)和杠桿臂組成的機(jī)構(gòu)用于在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將電纜均勻分布在卷軸上，如圖 4a（D） 所示。
圖4.電纜管理系統(tǒng)。（a）系統(tǒng)的三維CAD模型，突出顯示滑環(huán)裝置（A），該裝置允許將電力從其外部固定框架傳輸?shù)轿锢磉B接到存儲(chǔ)電源線的定制3D打印線軸（B）的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)框架。電纜進(jìn)入線軸軸線，從（C）出來，穿過漏斗狀裝置 （D）。該設(shè)備由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)從一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)，以將電纜均勻分布在線軸上。當(dāng)直流電機(jī)（F）轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，系線的長度由數(shù)字旋轉(zhuǎn)編碼器（E）測量。系線張力由安裝在樞軸桿臂（H）軸上的電位計(jì)（G）測量，該桿臂支撐一對(duì)滑輪 （J），電纜可以在其中滑落。彈簧 （I）用于加載杠桿臂。電纜通過插座（K）進(jìn)入系統(tǒng)。（b） 所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際實(shí)施情況
UGV中包括一個(gè)自調(diào)平平臺(tái)，為無人機(jī)著陸提供穩(wěn)定的水平表面。在我們的設(shè)計(jì)中，我們使用一個(gè)三軸加速度計(jì)和兩個(gè)線性執(zhí)行器來調(diào)整平臺(tái)姿態(tài)并保持水平，即使UGV位于不平坦的地形或斜坡上，如圖5a所示。該平臺(tái)有助于確保無人機(jī)安全精確地著陸，而不會(huì)翻倒或損壞自身或其周圍環(huán)境。
圖6 AIRDATA應(yīng)用程序
為了開發(fā) TUAV 的自主框架，我們開發(fā)了一組 ROS 節(jié)點(diǎn)來控制無人機(jī)操作。這些節(jié)點(diǎn)分布在地面計(jì)算機(jī)和空中機(jī)器人之間。無人機(jī)和UGV系統(tǒng)及其軟件的概述如圖6所示。狀態(tài)機(jī)節(jié)點(diǎn)通過啟用任務(wù)節(jié)點(diǎn)來選擇 TUAV 將執(zhí)行的任務(wù)。
圖6 協(xié)作自治系統(tǒng)框架（UAV-UGV）。左邊是啄木鳥系統(tǒng)的示意圖。右邊：與無人機(jī)操作相關(guān)的Rhino子系統(tǒng)的示意圖。圓形灰色矩形代表為操作自治系統(tǒng)而開發(fā)的ROS節(jié)點(diǎn)
真實(shí)世界的測繪實(shí)驗(yàn)是在位于美國賓夕法尼亞州匹茲堡的國家職業(yè)安全與健康研究所（NIOSH）運(yùn)營的安全研究煤礦中進(jìn)行的。在地下環(huán)境中檢測精確閉環(huán)的挑戰(zhàn)中進(jìn)行了研究，其中包括提取每個(gè)圖像多達(dá)500個(gè)視覺特征并檢測至少20個(gè)視覺特征。此約束確保僅接受某些循環(huán)閉合。生成的映射如圖7 所示。
圖7 柱子的典型地圖。無人機(jī)通過在柱子前面的割草機(jī)模式中移動(dòng)來收集數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到墻壁的邊緣時(shí)，無人機(jī)會(huì)改變移動(dòng)的高度和水平方向
在這些實(shí)驗(yàn)中，TUAV從相對(duì)于平臺(tái)的不同相對(duì)位置開始。實(shí)驗(yàn)是在高架設(shè)施中進(jìn)行的。圖8顯示了實(shí)驗(yàn)設(shè)置的圖像。圖8a顯示了啄木鳥懸停在UGV上方，系繩完全伸展并拉緊。在圖8b 中，一系列疊加快照顯示了無人機(jī)接近并降落在Rhino頂部的平臺(tái)上。
圖8 典型的系留引導(dǎo)著陸。系繩被拉緊，以幫助引導(dǎo)無人機(jī)回到UGV攜帶的著陸平臺(tái)
未來的工作將包括對(duì)實(shí)際石灰石礦中的系統(tǒng)進(jìn)行全面和長期的評(píng)估。盡管我們在此類礦井中獲得了初步結(jié)果（參見圖9中的支柱地圖），但我們從未有機(jī)會(huì)在這樣的環(huán)境中測試完整的機(jī)器人系統(tǒng)。
圖9 用DJI M3無人機(jī)獲得的石礦柱和其中一個(gè)面的100D地圖
我們最近實(shí)現(xiàn)了基于系繩的定位系統(tǒng)，但我們?nèi)匀灰揽?T265 攝像頭來提供Pixhawk控制無人機(jī)所需的信息。然后，我們未來的工作將把我們的本地化系統(tǒng)集成到Oxpecker的MCU中。我們相信這將提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性，尤其是在非常低的光照條件下。
源自：Drones 2023, 7, 73. https://doi.org/10.3390/drones7020073
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