摘要：隨著無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，其應(yīng)用范圍日益廣泛。為滿足無人機(jī)長時(shí)間、大規(guī)模作業(yè)需求，自動充電系統(tǒng)的研發(fā)變得至關(guān)重要。本文重點(diǎn)研究基于無人機(jī)庫的自動充電技術(shù)，提出了一套完整的自動充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并探討了關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化與應(yīng)用。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的自動充電系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和工作效率，為無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供了有力支持。
關(guān)鍵詞：無人機(jī)庫；自動充電系統(tǒng)；充電管理；充電優(yōu)化
doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.010
中圖分類號：TM 910.6；V 279+.2" " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）01-00-04
Research on Automatic Charging Based on Unmanned Aerial Vehicle Hangar
XIONG Bin， SHEN Lingkang， YAO Xiaojun， LU Yangwen
（Suzhou Suneng Group Co.， Ltd. Technology Branch， Suzhou 215000， China）
Abstract： With the rapid development of drone technology， its application scope is becoming increasingly widespread. The development of automatic charging systems has become crucial to meet the long-term and large-scale operational needs of drones. This article focuses on the research of automatic charging technology based on unmanned aerial vehicles， proposes a complete design scheme for automatic charging system， and explores the optimization and application of key technologies. Through experimental verification， the automatic charging system designed in this article has high stability and work efficiency， providing strong support for the further promotion and application of drone technology.
Keywords： unmanned aerial vehicle hangar; automatic charging system; charging management; charging optimization
近年來，無人機(jī)技術(shù)在物流、農(nóng)業(yè)、航拍等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。無人機(jī)庫作為無人機(jī)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其自動充電系統(tǒng)的研發(fā)對于提高無人機(jī)作業(yè)效率和安全性具有重要意義。本文重點(diǎn)對基于無人機(jī)庫的自動充電系統(tǒng)進(jìn)行研究，以期更好地促進(jìn)無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展。
1" "無人機(jī)庫自動充
電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)
無人機(jī)庫自動充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)無人機(jī)充電的自動化和智能化。該系統(tǒng)主要由無人機(jī)檢測與定位模塊、充電樁模塊以及充電控制與管理模塊組成，每個(gè)模塊均有相應(yīng)的關(guān)鍵功能（如圖1所示）。
（1）無人機(jī)檢測與定位模塊。該模塊負(fù)責(zé)無人機(jī)的識別和定位。通過高精度的視覺識別、雷達(dá)探測等技術(shù)，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地檢測到無人機(jī)的位置、姿態(tài)等信息，并將其與預(yù)先設(shè)定的無人機(jī)庫地圖進(jìn)行比對，以確定無人機(jī)的精確位置。
（2）充電樁模塊。該模塊是自動充電系統(tǒng)的核心。充電樁具有自動升降、旋轉(zhuǎn)等功能，以適應(yīng)不同位置、不同姿態(tài)的無人機(jī)充電需求。充電樁上還配備了多個(gè)充電接口，能夠同時(shí)給多臺無人機(jī)進(jìn)行充電。此外，充電樁還具備安全防護(hù)功能，如過載保護(hù)、短路保護(hù)等，確保充電過程的安全性。
（3）充電控制與管理模塊。該模塊負(fù)責(zé)整個(gè)自動充電系統(tǒng)的控制和管理。通過與無人機(jī)檢測與定位模塊、充電樁模塊的通信，該模塊能夠?qū)崟r(shí)獲取無人機(jī)的位置、姿態(tài)、電量等信息，并根據(jù)這些信息制定充電計(jì)劃。同時(shí)，該模塊還負(fù)責(zé)監(jiān)控充電過程，確保充電的順利進(jìn)行，并在充電完成后及時(shí)通知相關(guān)人員[1]。
1.2 無人機(jī)檢測與定位技術(shù)
（1）視覺識別。視覺識別系統(tǒng)利用高清攝像頭捕捉無人機(jī)圖像，并通過圖像處理算法識別出無人機(jī)的形狀、大小等特征。該系統(tǒng)通過與預(yù)設(shè)的無人機(jī)模型進(jìn)行比對，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的精確識別。
（2）雷達(dá)探測。雷達(dá)探測系統(tǒng)通過發(fā)射電磁波并接收反射回來的信號，來探測無人機(jī)的姿態(tài)和位置。雷達(dá)探測系統(tǒng)不受光線、天氣等外部條件的影響，能夠全天候工作。此外，雷達(dá)探測系統(tǒng)還能夠提供無人機(jī)的距離、速度等信息，為無人機(jī)的定位和控制提供重要參考。
1.3 充電樁設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)
（1）充電樁設(shè)計(jì)。充電樁采用模塊化設(shè)計(jì)，涉及自動升降裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、多個(gè)充電接口、視覺識別系統(tǒng)。同時(shí)充電接口模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，兼容多種型號的無人機(jī)，確保廣泛的適用性。自動升降模塊和自動旋轉(zhuǎn)模塊則通過電機(jī)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)充電樁的靈活調(diào)整，以適應(yīng)不同高度和方向的無人機(jī)[2]。
（2）功能實(shí)現(xiàn)。①自動識別：充電樁通過內(nèi)置的傳感器和識別系統(tǒng)，能夠自動識別靠近的無人機(jī)型號和充電需求。一旦無人機(jī)進(jìn)入充電區(qū)域，充電樁即可通過信號傳輸獲取其信息，為后續(xù)的自動對接和充電做準(zhǔn)備。②自動對接：當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入充電樁的識別范圍內(nèi)時(shí)，自動升降模塊和自動旋轉(zhuǎn)模塊會根據(jù)無人機(jī)的位置和姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，確保充電接口與無人機(jī)上的充電接口精準(zhǔn)對接。對接過程由控制系統(tǒng)自動完成，無須人工干預(yù)，提高了充電的便捷性和效率。③自動充電：對接成功后，充電樁會啟動充電程序，通過充電接口向無人機(jī)提供穩(wěn)定的電流和電壓。
1.4 充電控制與管理策略
（1）狀態(tài)檢測與識別。系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)獲取無人機(jī)和充電樁的狀態(tài)信息，如電量、位置、故障狀態(tài)等，根據(jù)這些信息準(zhǔn)確判斷無人機(jī)的充電需求和充電樁的可用性[3]。
（2）優(yōu)先級排序。根據(jù)無人機(jī)的電量、任務(wù)緊急程度等因素，系統(tǒng)對無人機(jī)進(jìn)行優(yōu)先級排序。電量低或任務(wù)緊急的無人機(jī)將優(yōu)先獲得充電機(jī)會。
（3）充電樁調(diào)度。根據(jù)充電樁的狀態(tài)和位置信息，系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)度空閑的充電樁進(jìn)行充電服務(wù)。如果多個(gè)無人機(jī)同時(shí)需要充電，系統(tǒng)將根據(jù)優(yōu)先級和充電樁的負(fù)載情況，合理分配充電資源。
（4）充電過程監(jiān)控。在充電過程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的充電狀態(tài)和充電樁的運(yùn)行情況。一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，如過充、過熱等，系統(tǒng)將立即停止充電，并采取相應(yīng)的安全措施。
2" "自動充電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究
2.1 無人機(jī)狀態(tài)識別與定位算法優(yōu)化
2.1.1 無人機(jī)狀態(tài)識別算法優(yōu)化
在無人機(jī)狀態(tài)識別方面，采用深度學(xué)習(xí)中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）模型。首先，收集大量無人機(jī)圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和增強(qiáng)，以提高模型的泛化能力。其次，設(shè)計(jì)了一個(gè)深度CNN模型，該模型包括多個(gè)卷積層、池化層和全連接層，用于提取圖像中的特征并識別無人機(jī)的狀態(tài)[4]。
2.1.2 多傳感器融合定位算法優(yōu)化
在定位算法方面，采用多傳感器融合的定位算法。該算法集成了GPS、IMU（慣性測量單元）和視覺傳感器等多種傳感器數(shù)據(jù)。對每種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和校準(zhǔn)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。然后，采用卡爾曼濾波算法對多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。此外，還引入了加權(quán)因子來調(diào)整不同傳感器數(shù)據(jù)的權(quán)重，以適應(yīng)不同環(huán)境下的定位需求。
2.2 充電接口自動化匹配技術(shù)研究
2.2.1 機(jī)器視覺識別系統(tǒng)
機(jī)器視覺技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)，涉及圖像處理、電光源照明、光學(xué)成像、智能判斷與決策、傳感器技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域（如圖2所示）。通過圖像攝取裝置（如攝像頭）捕捉目標(biāo)圖像，利用光學(xué)鏡頭和感光器件（如CMOS或CCD）將圖像轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過圖像處理芯片的處理，形成數(shù)字化圖像信息。這些信息隨后被數(shù)字圖像處理系統(tǒng)分析，提取目標(biāo)特征，并據(jù)此控制無人機(jī)的充電接口位置和姿態(tài)[5]。
2.2.2 機(jī)械臂系統(tǒng)
機(jī)械臂系統(tǒng)由電機(jī)、關(guān)節(jié)和夾爪等組成，通過電機(jī)驅(qū)動關(guān)節(jié)運(yùn)動，夾爪用于抓取和放置無人機(jī)。
在機(jī)器視覺識別系統(tǒng)和機(jī)械臂系統(tǒng)支持下，充電接口自動化匹配流程如下：①圖像采集。當(dāng)無人機(jī)接近充電樁時(shí)，利用搭載的圖像攝取裝置捕捉無人機(jī)和充電樁的實(shí)時(shí)圖像。②圖像預(yù)處理。對采集到的圖像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)等預(yù)處理操作，以提高后續(xù)處理的準(zhǔn)確性。③匹配判斷。根據(jù)提取的特征信息，進(jìn)行無人機(jī)與充電樁的匹配判斷。如果匹配成功，則進(jìn)入下一步，否則，調(diào)整無人機(jī)姿態(tài)，重新進(jìn)行匹配。④機(jī)械臂動作。當(dāng)匹配成功后，控制系統(tǒng)根據(jù)匹配結(jié)果控制機(jī)械臂動作，將無人機(jī)準(zhǔn)確放置在充電樁上。⑤充電開始。將無人機(jī)成功放置在充電樁上后，開始充電過程。
3" "自動充電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能分析
3.1 實(shí)驗(yàn)平臺搭建
實(shí)驗(yàn)平臺主要包括無人機(jī)、充電樁、機(jī)械臂、視覺識別系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件。
（1）模擬作業(yè)場景：通過模擬不同的無人機(jī)作業(yè)場景，如飛行高度、速度、姿態(tài)等，測試自動充電系統(tǒng)在不同環(huán)境下的性能表現(xiàn)。
（2）充電接口匹配實(shí)驗(yàn)：在無人機(jī)接近充電樁時(shí)，利用視覺識別系統(tǒng)進(jìn)行充電接口的自動匹配，記錄匹配成功率和匹配時(shí)間。
（3）充電效率測試：對成功匹配的無人機(jī)進(jìn)行充電，記錄充電過程中的電流、電壓、功率等參數(shù)，并計(jì)算充電效率。
（4）安全性評估：在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，對系統(tǒng)的安全性進(jìn)行評估，如無人機(jī)與充電樁之間的碰撞情況、機(jī)械臂操作的穩(wěn)定性等。
3.2 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果解讀
3.2.1 充電接口匹配率
在驗(yàn)證充電接口匹配率時(shí)，設(shè)定充電樁的對接區(qū)域?yàn)橐粋�(gè)以充電樁中心為圓心、半徑為rc的圓。只要無人機(jī)的落點(diǎn)與充電樁中心的距離誤差小于rc，即視為對接成功。根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺的尺寸和設(shè)定，頂部圓半徑rt=2 cm，底部半徑rb=12 cm，高度h=10 cm，可以計(jì)算出合適的rc值以確保足夠的容錯(cuò)范圍。表1給出了30次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，記錄了每次實(shí)驗(yàn)的誤差距離以及是否成功對接。
在30次實(shí)驗(yàn)中，有27次成功對接，對接成功率為90%。這一結(jié)果表明，本此研究設(shè)計(jì)的自動充電系統(tǒng)具有較高的對接成功率，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和可靠性。
3.2.2 充電效率與安全性
在充電效率方面，通過記錄無人機(jī)在充電過程中的電流、電壓、功率等參數(shù)，并與標(biāo)準(zhǔn)充電參數(shù)進(jìn)行對比，計(jì)算出充電效率。結(jié)果顯示，自動充電系統(tǒng)的充電效率與傳統(tǒng)手動充電方式相當(dāng)，甚至在某些情況下還比后者略高，這主要得益于自動充電系統(tǒng)能夠更精確地控制充電過程。
在安全性方面，密切關(guān)注無人機(jī)與充電樁之間的碰撞情況以及機(jī)械臂操作的穩(wěn)定性。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中未發(fā)生任何碰撞事故，機(jī)械臂操作穩(wěn)定可靠，確保了充電過程的安全性。
4" 結(jié)束語
本文中研究了基于無人機(jī)庫的自動充電技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套完整的自動充電系統(tǒng)，并探討了關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化與應(yīng)用。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文中所設(shè)計(jì)的自動充電系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和效率，為無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供了有力支持�！�
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作者簡介：熊" "斌（1979—），男，漢族，江蘇南通人，高級工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏こ獭?/P>
沈伶康（1985—），男，漢族，江蘇蘇州人，高級工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏こ獭?/P>
姚曉君（1989—），男，漢族，江蘇張家港人，高級工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏こ獭?/P>
陸楊文（1983—），男，漢族，江蘇蘇州人，高級工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏こ獭?/P>
