基于无线充电技术的物流无人机及充电桩设计方案

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所属分类:AGV设计资料
摘要

随着电商行业的迅速崛起,快递行业也紧着被产业链带动进入了空前的发展态势。而传统快递行业对物力人力资源的消耗很大,也因此衍生出了无人机送货这一新领域。但目前物流无人机的发展还不够成熟,还存在着诸多难以解决的问题,电池续航时间短便是物流无人机的一个较大缺陷。本文针对物流无人机的电池续航时间短这个问题,提出一种物流无人机在送货途中的无线充电方案,让物流无人机在送货途中如遇到电池电量过低时可以自主导航飞往后台定位出离该无人机最近的充电桩进行无线充电,充完电后继续送货,大大提高了物流无人机的配送距离。

0 引言

当今,无人机行业与快递行业发展迅猛,近几年更是流行利用物流无人机送快递",物流无人机的配送距离是决定物流无人机能否得到大范围应用的关键指标,如果物流无人机的配送距离不够长,则对距离配送中心较远的地区则难以送达。因此,如何让物流无人机具有更远的配送距离对于物流无人机的推广和应用有着重要的意义。

现今,大部分物流无人机为了减轻机身的起飞质量,无法搭载高蓄电量的大型电池,因此其续航能力和配送距离有限,一般运送一次就需要充一次电,而对于较远的地区,现今的物流无人机显然无法满足快递需求。同时,由于无线充电技术已经日趋成熟,在很多领域都得到了应用,具有安全、耐用、方便、传输效率高的优点2]。因此根据实际情况,为了让物流无人机的配送距离更远、更加智能的配送货物,从而让物流无人机得到进一步的推广,本文提出一种适用于物流无人机在送货过程中的无线充电方案,主要由物流无人机和充电桩两大部分组成,同时在无线充电技术的基础上,配合GPS导航、视觉导航[6]完成让物流无人机在送货途中实时判断自身电量,当电量过低时自主导航至距离最近的充电桩进行无线充电,完成充电后继续送货的方案设计。

1 系统总体方案

本课题致力于设计一种物流无人机自主充电系统的方案。结合实际物流无人机的实际状况,本方案拟定的系统整体架构如图1所示。整个系统由四旋翼飞行器、充电桩和地面站组成。其中四旋翼飞行器包含电池充放电模块、无人机主控模块、摄像头与超声波模块、蓝牙模块;充电桩包含无线充电模块、太阳能充电模块、MCU主控、储能电池;地面站主要是后台计算机进行与物流无人机的无线通信。

基于无线充电技术的物流无人机及充电桩设计方案

该物流无人机自主充电系统的工作流程图如图2所示。

基于无线充电技术的物流无人机及充电桩设计方案

本方案采用GPS系统为无人机进行导航,物流无人机在送货过程中会实时监测电池剩余电量,并将当前无人机自身的坐标发送给地面站后台,后台在计算后返回无人机距离它最近和第二近的充电桩的坐标信息。之后无人机根据自身剩余电量计算能否飞达距离自己最近的充充电桩,如果能飞往距离自己最近的充电桩但飞不到距离自己第二近的充电桩,则无人机利用GPS导航飞往距离自己最近的充电桩充电;如果无人机能飞达距离自己第二近的充电桩,则待无人机飞过距离自己最近的充电桩后再计算届时能否飞达第二近的充电桩,以此类推;如果当前无人机因意外无法飞达距离自己最近的充电桩,则无人机关闭自身除飞控、导航等其他必要设备之外的设备,节省电量飞往最近的充电桩,或就地降落并发给地面站后台定位信息。当无人机利用GPS系统导航飞往充电桩附近后,由于GPS导航存在1-2m的导航误差,因此需要再利用视觉导航完成与充电桩的对接。在无人机与充电桩对接完成后,无人机通过蓝牙模块与充电桩建立无线连接,连接完成后充电桩通过无线传能的方式给无人机充电。在充电过程中无人机实时监测自身电量,当充满电后,无人机发送停止充电命令给充电桩,然后起飞继续执行任务。

2 基于无线充电技术的物流无人机设计

在国内,顺丰、京东、邮政都已实现在部分地区运用无人机进行送快递,且所用物流无人机大部分如图3所示,多旋翼无人机,因其小巧、灵活、快捷等优点在未来的物流行业上也会得到广泛的应用。

本文在此多旋翼物流无人机的基础上对无人机的结构进行改装,设计出一款适用于无线充电的多旋翼物流无人机,该物流无人机模型图4所示。

本方案所设计的物流无人机由五个主要部分以及基本机架与储物柜组成,五个主要部分分别是无人机主控、无线通信模块、电池模块、无线充电模块、导航与对接模块,其硬件结构如图5所示。

■2.1无人机主控

无人机主控主要包括无人机飞控系统和MCU主控。飞控系统主要控制无人机的飞行与姿态,飞控系统不是本文的重点,因此不做详细介绍;MCU主控则通过其I/0接口收发信息与指令,以给飞控系统以及其他部件发送控制命令,控制各模块的工作状态,协调各部分硬件软件的工作,同时也处理无人机所获得的各种信息,是该物流无人机的控制中心。该MCU主控可以采用STM32系列单片机或者pcduino。

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