摘要：隨著無人機技術(shù)的迅猛發(fā)展，其應(yīng)用范圍日益廣泛。為滿足無人機長時間、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。本文重點研究基于無人機庫的自動充電技術(shù)，提出了一套完整的自動充電系統(tǒng)設(shè)計方案，并探討了關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化與應(yīng)用。通過實驗驗證，本文設(shè)計的自動充電系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和工作效率，為無人機技術(shù)的進一步推廣和應(yīng)用提供了有力支持。
關(guān)鍵詞：無人機庫；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。無人機庫作為無人機的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其自動充電系統(tǒng)的研發(fā)對于提高無人機作業(yè)效率和安全性具有重要意義。本文重點對基于無人機庫的自動充電系統(tǒng)進行研究，以期更好地促進無人機技術(shù)的發(fā)展。
1" "無人機庫自動充
電系統(tǒng)設(shè)計
1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計
無人機庫自動充電系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)在于實現(xiàn)無人機充電的自動化和智能化。該系統(tǒng)主要由無人機檢測與定位模塊、充電樁模塊以及充電控制與管理模塊組成，每個模塊均有相應(yīng)的關(guān)鍵功能（如圖1所示）。
（1）無人機檢測與定位模塊。該模塊負責(zé)無人機的識別和定位。通過高精度的視覺識別、雷達探測等技術(shù)，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地檢測到無人機的位置、姿態(tài)等信息，并將其與預(yù)先設(shè)定的無人機庫地圖進行比對，以確定無人機的精確位置。
（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)的無人機充電需求。充電樁上還配備了多個充電接口，能夠同時給多臺無人機進行充電。此外，充電樁還具備安全防護功能，如過載保護、短路保護等，確保充電過程的安全性。
（3）充電控制與管理模塊。該模塊負責(zé)整個自動充電系統(tǒng)的控制和管理。通過與無人機檢測與定位模塊、充電樁模塊的通信，該模塊能夠?qū)崟r獲取無人機的位置、姿態(tài)、電量等信息，并根據(jù)這些信息制定充電計劃。同時，該模塊還負責(zé)監(jiān)控充電過程，確保充電的順利進行，并在充電完成后及時通知相關(guān)人員[1]。
1.2 無人機檢測與定位技術(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圖像，并通過圖像處理算法識別出無人機的形狀、大小等特征。該系統(tǒng)通過與預(yù)設(shè)的無人機模型進行比對，實現(xiàn)無人機的精確識別。
（2）雷達探測。雷達探測系統(tǒng)通過發(fā)射電磁波并接收反射回來的信號，來探測無人機的姿態(tài)和位置。雷達探測系統(tǒng)不受光線、天氣等外部條件的影響，能夠全天候工作。此外，雷達探測系統(tǒng)還能夠提供無人機的距離、速度等信息，為無人機的定位和控制提供重要參考。
1.3 充電樁設(shè)計與功能實現(xiàn)
（1）充電樁設(shè)計。充電樁采用模塊化設(shè)計，涉及自動升降裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、多個充電接口、視覺識別系統(tǒng)。同時充電接口模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，兼容多種型號的無人機，確保廣泛的適用性。自動升降模塊和自動旋轉(zhuǎn)模塊則通過電機驅(qū)動，實現(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[2]。
（2）功能實現(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型號和充電需求。一旦無人機進入充電區(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)無人機進入充電樁的識別范圍內(nèi)時，自動升降模塊和自動旋轉(zhuǎn)模塊會根據(jù)無人機的位置和姿態(tài)進行調(diào)整，確保充電接口與無人機上的充電接口精準(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)通過實時獲取無人機和充電樁的狀態(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)無人機的電量、任務(wù)緊急程度等因素，系統(tǒng)對無人機進行優(yōu)先級排序。電量低或任務(wù)緊急的無人機將優(yōu)先獲得充電機會。
（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)實時調(diào)度空閑的充電樁進行充電服務(wù)。如果多個無人機同時需要充電，系統(tǒng)將根據(jù)優(yōu)先級和充電樁的負載情況，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)實時監(jiān)控?zé)o人機的充電狀態(tài)和充電樁的運行情況。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 無人機狀態(tài)識別與定位算法優(yōu)化
2.1.1 無人機狀態(tài)識別算法優(yōu)化
在無人機狀態(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，收集大量無人機圖像數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)預(yù)處理和增強，以提高模型的泛化能力。其次，設(shè)計了一個深度CNN模型，該模型包括多個卷積層、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 機器視覺識別系統(tǒng)
機器視覺技術(shù)是一項綜合性的技術(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)此控制無人機的充電接口位置和姿態(tài)[5]。
2.2.2 機械臂系統(tǒng)
機械臂系統(tǒng)由電機、關(guān)節(jié)和夾爪等組成，通過電機驅(qū)動關(guān)節(jié)運動，夾爪用于抓取和放置無人機。
在機器視覺識別系統(tǒng)和機械臂系統(tǒng)支持下，充電接口自動化匹配流程如下：①圖像采集。當(dāng)無人機接近充電樁時，利用搭載的圖像攝取裝置捕捉無人機和充電樁的實時圖像。②圖像預(yù)處理。對采集到的圖像進行去噪、增強等預(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，進行無人機與充電樁的匹配判斷。如果匹配成功，則進入下一步，否則，調(diào)整無人機姿態(tài)，重新進行匹配。④機械臂動作。當(dāng)匹配成功后，控制系統(tǒng)根據(jù)匹配結(jié)果控制機械臂動作，將無人機準(zhǔn)確放置在充電樁上。⑤充電開始。將無人機成功放置在充電樁上后，開始充電過程。
3" "自動充電系統(tǒng)實驗驗證與性能分析
3.1 實驗平臺搭建
實驗平臺主要包括無人機、充電樁、機械臂、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）充電接口匹配實驗：在無人機接近充電樁時，利用視覺識別系統(tǒng)進行充電接口的自動匹配，記錄匹配成功率和匹配時間。
（3）充電效率測試：對成功匹配的無人機進行充電，記錄充電過程中的電流、電壓、功率等參數(shù)，并計算充電效率。
（4）安全性評估：在整個實驗過程中，對系統(tǒng)的安全性進行評估，如無人機與充電樁之間的碰撞情況、機械臂操作的穩(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
在驗證充電接口匹配率時，設(shè)定充電樁的對接區(qū)域為一個以充電樁中心為圓心、半徑為rc的圓。只要無人機的落點與充電樁中心的距離誤差小于rc，即視為對接成功。根據(jù)實驗平臺的尺寸和設(shè)定，頂部圓半徑rt=2 cm，底部半徑rb=12 cm，高度h=10 cm，可以計算出合適的rc值以確保足夠的容錯范圍。表1給出了30次實驗的結(jié)果，記錄了每次實驗的誤差距離以及是否成功對接。
在30次實驗中，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)計的自動充電系統(tǒng)具有較高的對接成功率，驗證了系統(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)進行對比，計算出充電效率。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)注無人機與充電樁之間的碰撞情況以及機械臂操作的穩(wěn)定性。整個實驗過程中未發(fā)生任何碰撞事故，機械臂操作穩(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庫的自動充電技術(shù)，設(shè)計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。通過實驗驗證，本文中所設(shè)計的自動充電系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和效率，為無人機技術(shù)的進一步推廣和應(yīng)用提供了有力支持。■
參考文獻
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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，研究方向為電力工程。
沈伶康（1985—），男，漢族，江蘇蘇州人，高級工程師，碩士研究生，研究方向為電力工程。
姚曉君（1989—），男，漢族，江蘇張家港人，高級工程師，碩士研究生，研究方向為電力工程。
陸楊文（1983—），男，漢族，江蘇蘇州人，高級工程師，碩士研究生，研究方向為電力工程。
