疫情環(huán)境下用于物資配送的送貨無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)
張一鳴
(江南大學(xué),江蘇 無(wú)錫? 214122)
摘? 要:2020年新冠疫情暴發(fā),對(duì)無(wú)接觸配送提出了更高的要求?;跓o(wú)人機(jī)小巧敏捷的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一款可以應(yīng)用在居民區(qū)的送貨無(wú)人機(jī),系統(tǒng)圍繞TM4C124GH6PM及其擴(kuò)展版展開(kāi),搭載了激光雷達(dá)、TOFSense激光測(cè)距傳感器、機(jī)載計(jì)算機(jī)樹(shù)莓派、OPENMV等模塊,采用PID調(diào)節(jié)和圖像處理等算法,解析無(wú)人機(jī)姿態(tài)和位置信息,自動(dòng)識(shí)別物資的樣本特征,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送貨投遞功能,減少疫情傳播風(fēng)險(xiǎn),通用性強(qiáng),擁有廣闊的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞:送貨無(wú)人機(jī);OpenMV;圖像識(shí)別
中圖分類(lèi)號(hào):TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2096-4706(2023)01-0142-03
Design of Delivery UAV for Material Distribution under the Environment of Epidemic Situation
ZHANG Yiming
(Jiangnan University, Wuxi? 214122, China)
Abstract: The outbreak of COVID-19 epidemic situation in 2020 puts forward higher requirements for contactless distribution. Based on the characteristics of small and agile of the UAV, this paper designs a type of delivery UAV can be applied in residential areas. The system extends around TM4C124GH6PM and its extension, carries the laser radar, TOFSense laser ranging sensor, airborne computer raspberry pie, OPENMV and other modules, and uses PID adjustment and image processing algorithm, analyzes the attitude and location information of UAV, automatically recognizes the material sample characteristics. It realizes automatic delivery function, reduces the risk of epidemic situation spread, and it has strong versatility and broad prospects for development.
Keywords: delivery UAV; OpenMV; image recognition
0? 引? 言
2020年新冠疫情爆發(fā),社區(qū)居民的物資配送問(wèn)題面臨巨大挑戰(zhàn)。居民下樓自取或相關(guān)工作人員上門(mén)配送等傳統(tǒng)配送方式,均會(huì)增加交叉感染的風(fēng)險(xiǎn),且將使社區(qū)工作人員的工作量劇增,降低配送效率,造成人員不足等問(wèn)題。送貨無(wú)人機(jī)可以解決這一問(wèn)題,首先,相較于智能小車(chē),無(wú)人機(jī)在“二維”基礎(chǔ)上提升到“三維”,可以直接將物資送至窗戶(hù)外,使居民足不出戶(hù)就可以取到物資,真正實(shí)現(xiàn)了“無(wú)接觸配送”,降低傳染風(fēng)險(xiǎn)。而且無(wú)人機(jī)可以提升工作效率,減少了一些重復(fù)且機(jī)械性的工作,如工作人員上下樓,降低勞動(dòng)成本。除此以外,當(dāng)不同種類(lèi)的物資需配送到不同指定居民時(shí),可以在送貨無(wú)人機(jī)上搭載視覺(jué)模塊,識(shí)別物資的特征信息,如二維碼、顏色和形狀,從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)自動(dòng)配送,減少了因人工疏忽而造成的重復(fù)勞動(dòng),進(jìn)一步提高工作效率。
1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)由信息采集系統(tǒng)、飛行姿態(tài)控制、飛行高度控制和視覺(jué)模塊組成。系統(tǒng)以TI LaunchPad核心板與擴(kuò)展板為核心,解析飛控?cái)?shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)自穩(wěn),同時(shí)主板上的按鍵可以作為外接輸入,輸入不同投放點(diǎn)的坐標(biāo)信息,使用TOFSense激光測(cè)距對(duì)地傳感器測(cè)量飛行高度,使用OPENMV視覺(jué)模塊識(shí)別物資特征,將數(shù)據(jù)發(fā)至飛控,從而實(shí)現(xiàn)不同物資的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配送,使用激光雷達(dá)進(jìn)行SLAM建圖,測(cè)量無(wú)人機(jī)與建筑物的水平距離,得到無(wú)人機(jī)位置信息,使用步進(jìn)電機(jī)控制吊艙上下移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)物資配送。整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)定高飛行和定點(diǎn)飛行,精準(zhǔn)投放物資,此外,可以使用按鍵輸入不同建筑物的位置信息,從而可直接適應(yīng)不同居民區(qū),靈活性好。
當(dāng)送貨無(wú)人機(jī)執(zhí)行送貨任務(wù)時(shí),需首先通過(guò)按鍵,輸入居民區(qū)每棟樓的位置坐標(biāo)信息,接著用安裝在底部的視覺(jué)模塊識(shí)別物資特征,起飛無(wú)人機(jī),無(wú)人機(jī)先飛至目標(biāo)高度,后飛至指定位置,當(dāng)無(wú)人機(jī)在指定點(diǎn)上方穩(wěn)定懸停,啟動(dòng)電機(jī)控制吊艙向下移動(dòng),將貨物放置在平臺(tái)上后,控制吊艙向上移動(dòng),收回吊艙,完成送貨任務(wù),再原路返回至起飛點(diǎn)并自動(dòng)降落。
2? 系統(tǒng)硬件組成
硬件系統(tǒng)組成如圖1所示。主要包括飛控系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)是送貨無(wú)人機(jī)的核心部分,圍繞TM4C124GH6PM及其擴(kuò)展版展開(kāi),搭載了TOFSense激光測(cè)距對(duì)地傳感器、激光雷達(dá)、OPENMV、機(jī)載計(jì)算機(jī)樹(shù)莓派和步進(jìn)電機(jī)。飛控采集傳感器模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù),處理并返回飛控的姿態(tài)和位置等信息,根據(jù)PID等控制算法計(jì)算出期望值傳給動(dòng)力系統(tǒng),從而控制定高飛行和定點(diǎn)飛行。注意到居民樓的二維平面通常是矩形或其他形狀,且在不同高度的環(huán)境差異不會(huì)太大,所以不會(huì)影響激光雷達(dá)SLAM建圖定位的精準(zhǔn)度。激光雷達(dá)建模數(shù)據(jù)由樹(shù)莓派處理后傳給飛控,從而獲得飛控位置信息。動(dòng)力系統(tǒng)由電機(jī)、電調(diào)、電池、旋翼和保護(hù)罩組成。主板上的PWM串口發(fā)送的信號(hào)通過(guò)電調(diào)提供三相交流電,從而驅(qū)動(dòng)交流電機(jī),以帶動(dòng)飛機(jī)旋翼的旋轉(zhuǎn)。視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)即OPENMV模塊,它以STM32F427CPU為核心,集成OV7725攝像頭芯片,可使用Python進(jìn)行編程。
3? 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1? 飛控部分
飛機(jī)的穩(wěn)態(tài)飛行包括姿態(tài)控制和高度控制。通過(guò)PID控制算法調(diào)整無(wú)人機(jī)的橫滾角和俯仰角,從而改變無(wú)人機(jī)水平方向加速度,通過(guò)調(diào)整偏航角來(lái)改變機(jī)頭方向,來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)位置和速度的改變,以保證飛機(jī)可以實(shí)現(xiàn)懸?;蚨c(diǎn)飛行等飛行動(dòng)作。高度控制利用無(wú)人機(jī)速度控制來(lái)控制無(wú)人機(jī)上下移動(dòng),改變無(wú)人機(jī)的飛行高度。編寫(xiě)程序時(shí),將整個(gè)送貨過(guò)程分為不同子任務(wù),當(dāng)上一個(gè)子任務(wù)完成后才進(jìn)入下一個(gè)子任務(wù),使用計(jì)數(shù)器自加來(lái)實(shí)現(xiàn)子任務(wù)的跳轉(zhuǎn)。
3.2? 視覺(jué)部分
視覺(jué)部分的代碼分為有無(wú)條形碼兩種情況。
當(dāng)物資上有條形碼時(shí),使用遙控器調(diào)整無(wú)人機(jī)SDK模式為條形碼模式,此時(shí)OPENMV運(yùn)行的程序?yàn)樽R(shí)別條形碼任務(wù)后,獲取條形碼上的數(shù)值信息,如坐標(biāo)位置或樓棟號(hào),將獲取數(shù)據(jù)打包給飛控,從而實(shí)現(xiàn)不同送貨點(diǎn)的投遞,此種方法的準(zhǔn)確性更高。
當(dāng)物資上沒(méi)有條形碼時(shí),使用遙控器調(diào)整無(wú)人機(jī)SDK模式為顏色形狀模式,此時(shí)OPENMV運(yùn)行的程序?yàn)樽R(shí)別顏色和形狀,在遍歷所有像素點(diǎn)后,根據(jù)閾值區(qū)分出不同的色塊,設(shè)定第一優(yōu)先級(jí)為色塊顏色識(shí)別,使用LAB顏色空間調(diào)節(jié)閾值,成功識(shí)別色塊顏色后,設(shè)定第二優(yōu)先級(jí)為色塊形狀識(shí)別,使用占空比來(lái)判斷形狀,最后將識(shí)別成功的顏色形狀數(shù)據(jù)打包傳給飛控,從而實(shí)現(xiàn)不同送貨點(diǎn)的投遞。
4? 系統(tǒng)調(diào)試
4.1? 場(chǎng)地設(shè)計(jì)
由于場(chǎng)地有限,將送貨場(chǎng)景調(diào)整在室內(nèi),在地面上設(shè)置十二個(gè)不同的投遞點(diǎn)位置,設(shè)計(jì)6種不同樣板來(lái)代表物資的特征,分別是紅色三角形、紅色矩形、紅色圓形、藍(lán)色三角形、藍(lán)色矩形和藍(lán)色圓形,用50克砝碼模擬物資,將其用細(xì)繩系在步進(jìn)電機(jī)上,砝碼的上下運(yùn)動(dòng)表示送貨過(guò)程。場(chǎng)地示意圖如圖2所示,無(wú)人機(jī)實(shí)物圖如圖3所示。
4.2? 無(wú)人機(jī)的調(diào)試
調(diào)試時(shí),為防止代碼邏輯錯(cuò)誤造成的炸機(jī)問(wèn)題,先不裝旋翼,手持無(wú)人機(jī)模擬無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程,在每一個(gè)子任務(wù)完成后添加激光打點(diǎn)的動(dòng)作,通過(guò)觀察是否有激光打點(diǎn)來(lái)判斷子任務(wù)是否完成。當(dāng)判斷邏輯無(wú)錯(cuò)誤后,再裝上旋翼進(jìn)行無(wú)人機(jī)的飛行測(cè)試。此種方法可以有效避免一些不必要的因代碼邏輯問(wèn)題而造成的炸機(jī)。
調(diào)試過(guò)程中主要發(fā)現(xiàn)了三個(gè)問(wèn)題。
首先是在投遞點(diǎn)懸停送貨時(shí),無(wú)人機(jī)會(huì)出現(xiàn)輕微不穩(wěn)搖晃,此種搖晃雖然不會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定飛行產(chǎn)生很大的影響,但因物資是由砝碼固定在無(wú)人機(jī)上,且細(xì)繩的長(zhǎng)度較長(zhǎng),當(dāng)細(xì)繩放下,進(jìn)行物資投遞時(shí),懸停無(wú)人機(jī)的輕微搖晃會(huì)使細(xì)繩的搖晃角度較大,導(dǎo)致物資放置位置與期望點(diǎn)的差大于15 cm,經(jīng)過(guò)多次測(cè)試,發(fā)現(xiàn)搖晃問(wèn)題與判斷閾值和懸停時(shí)間相關(guān)。判斷閾值是判斷無(wú)人機(jī)是否到達(dá)投遞點(diǎn)的條件,即當(dāng)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)位置與投遞點(diǎn)的距離小于閾值時(shí),認(rèn)為無(wú)人機(jī)已經(jīng)到達(dá)投遞點(diǎn)。測(cè)試初期我們?cè)O(shè)置此閾值為5 cm,發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)會(huì)懸停較長(zhǎng)時(shí)間,輕微搖晃調(diào)整來(lái)到達(dá)距投遞點(diǎn)5 cm范圍內(nèi)的位置,從而造成晃動(dòng),改變閾值并多次測(cè)試后,發(fā)現(xiàn)設(shè)置閾值為8 cm時(shí),無(wú)人機(jī)不會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng),且懸停時(shí)間短,所以最終采用8 cm為判斷閾值。同時(shí),懸停時(shí)間也會(huì)影響穩(wěn)定度,當(dāng)無(wú)人機(jī)首次到達(dá)指定位置時(shí),會(huì)出現(xiàn)輕微晃動(dòng),當(dāng)懸停時(shí)間過(guò)長(zhǎng),同樣也會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試,發(fā)現(xiàn)到達(dá)指定位置后懸停兩秒,此時(shí)無(wú)人機(jī)是最穩(wěn)定的,所以設(shè)置此時(shí)放下吊艙,從而完成送貨任務(wù)。
其次是在返回至原點(diǎn)后降落的過(guò)程會(huì)出現(xiàn)漂移,導(dǎo)致最終落地點(diǎn)與起飛點(diǎn)的距離相差較大。猜想造成此現(xiàn)象的原因可能為飛行高度平面的環(huán)境與地面環(huán)境相差過(guò)大,導(dǎo)致激光雷達(dá)定位不準(zhǔn),所以我們直接采用速度控制下降的方法,即在指定高度平面到達(dá)出發(fā)點(diǎn)上方后,就直接控制速度垂直降落,不使用激光雷達(dá),且下降速度設(shè)置為-35 cm/s。
無(wú)人機(jī)在降落后會(huì)出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象,考慮是否因降落速度過(guò)快而導(dǎo)致彈跳。在設(shè)置下降速度為-25 cm/s后,發(fā)現(xiàn)此下降速度會(huì)使飛機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重漂移。之后設(shè)置下降速度為-30 cm/s,發(fā)現(xiàn)不會(huì)出現(xiàn)漂移問(wèn)題,但偶爾會(huì)出現(xiàn)小幅度彈跳。接著嘗試設(shè)置將下降過(guò)程分為兩段,當(dāng)無(wú)人機(jī)高度大于20 cm時(shí),下降速度設(shè)為-30 cm/s,高度小于20 cm時(shí),下降速度設(shè)為-25 cm/s,發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)第一段下降穩(wěn)定,第二段下降還是會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重漂移。所以最后決定將下降速度設(shè)為-30 cm/s,此時(shí)偶爾出現(xiàn)的小幅度彈跳現(xiàn)象不會(huì)對(duì)送貨無(wú)人機(jī)的安全性和準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響,可忽略不計(jì)。
4.3? 視覺(jué)部分的調(diào)試
4.3.1? OPENCV
由于無(wú)人機(jī)上搭載了樹(shù)莓派,且OPENCV功能強(qiáng)大,故首先考慮使用樹(shù)莓派進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別。使用攝像頭拍攝視頻,處理其捕獲的幀,通過(guò)識(shí)別顏色閾值、過(guò)濾閾值外的部分、腐蝕圖像、膨脹處理、邊緣識(shí)別等步驟來(lái)識(shí)別色塊顏色,再通過(guò)灰度化圖片,進(jìn)行二值化來(lái)凸顯輪廓,計(jì)算輪廓角點(diǎn)來(lái)識(shí)別形狀,三個(gè)角點(diǎn)為三角形,四個(gè)角點(diǎn)為矩形,十個(gè)或十個(gè)以上角點(diǎn)為圓形。經(jīng)測(cè)試,此種方法精確度很高,但是刷新幀率極低,很難滿(mǎn)足實(shí)時(shí)識(shí)別的要求,如圖4所示,故不使用OPENCV。
4.3.2? OPENMV
利用OPENMV IDE進(jìn)行調(diào)試,顏色的識(shí)別較容易且準(zhǔn)確,但形狀的判斷由于現(xiàn)實(shí)中光線和背景環(huán)境的影響,占空比需調(diào)整。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試后,得出0.855,0.65,0.40這三個(gè)數(shù)值,當(dāng)占空比大于0.855時(shí)判斷為矩形,占空比小于0.855但大于0.65時(shí)判斷為三角形,占空比小于0.65但大于0.40時(shí)判斷為圓形,其中,由于圓形與矩形在判斷時(shí)容易混淆,故在占空比判斷圓形的基礎(chǔ)上,再次利用draw_circls()函數(shù)來(lái)識(shí)別圓形。為防止偶然的誤判結(jié)果傳給飛控導(dǎo)致整個(gè)飛行結(jié)果的錯(cuò)誤,分別給六個(gè)形狀設(shè)定計(jì)數(shù)器,每識(shí)別到相應(yīng)特征則計(jì)數(shù)器加一,讓六個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)競(jìng)爭(zhēng),當(dāng)計(jì)數(shù)器首先達(dá)到500時(shí),則認(rèn)為結(jié)果是此計(jì)數(shù)器代表的物資特征,并將此結(jié)果傳給飛控,經(jīng)過(guò)多次測(cè)試,發(fā)現(xiàn)圓形相較于其他形狀來(lái)更說(shuō)不易識(shí)別,且由于外界環(huán)境和光線的影響,紅色比藍(lán)色更不易識(shí)別,于是將紅色圓形的識(shí)別成功閾值從500改為100,將藍(lán)色圓形識(shí)別成功閾值從500改為200,可以在保證識(shí)別準(zhǔn)確度的情況下提高識(shí)別速度,如圖5所示。
5? 結(jié)? 論
本文設(shè)計(jì)了一款可以在居民區(qū)運(yùn)輸物資的送貨無(wú)人機(jī),適用于疫情的大背景下對(duì)于無(wú)接觸送貨的要求,降低了疫情傳播風(fēng)險(xiǎn),同時(shí),也可以應(yīng)用于日常生活中快遞外賣(mài)的運(yùn)輸,完成新零售背景下“最后一公里”的挑戰(zhàn),有著較好的發(fā)展前景,且在室內(nèi)模擬外部的環(huán)境下均可以實(shí)現(xiàn)設(shè)想內(nèi)容。
由于室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境有一定差別,故需做出一些改動(dòng)來(lái)適應(yīng)室外環(huán)境。如激光雷達(dá)測(cè)距的閾值有限,不能滿(mǎn)足室外對(duì)于整個(gè)居民區(qū)的SLAM建圖,所以可以考慮使用GPS和激光雷達(dá)相結(jié)合的方式,使用GPS進(jìn)行初步定位后,飛至投遞點(diǎn),后使用激光雷達(dá)測(cè)距,調(diào)整無(wú)人機(jī)與建筑物的距離,從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投放。為提高準(zhǔn)確性,還可以在使用底部OPENMV進(jìn)行色塊追蹤,進(jìn)一步調(diào)整無(wú)人機(jī)的位置,從而控制精度。同時(shí),TOFSense激光測(cè)距對(duì)地傳感器的閾值只有12 m,只滿(mǎn)足室內(nèi)測(cè)試的要求,在戶(hù)外測(cè)試的時(shí)候需要更改為其他閾值更大的測(cè)距傳感器。
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作者簡(jiǎn)介:張一鳴(2000.04—),女,漢族,河北唐山人,本科在讀,研究方向:無(wú)人機(jī)技術(shù)。
收稿日期:2022-09-19