亞馬遜的Prime Air無人機(jī)引起轟動，甚至沒有服務(wù)。最近，該公司發(fā)布了一項在街道路燈柱上安裝擴(kuò)展塢的建議（圖1），讓他們深入了解其開發(fā)團(tuán)隊正在應(yīng)對的后勤挑戰(zhàn)。作為轉(zhuǎn)移負(fù)載的地方，這些站點(diǎn)可以為交付計劃提供靈活性，并且可能更重要的是，車輛在繼續(xù)到最終目的地之前重新激活，等待下一個任務(wù)或返回基地的充電點(diǎn)。燈柱也方便地連接到電源。

圖1：亞馬遜已經(jīng)確定高燈柱是Prime Air無人機(jī)的安全場所

自動駕駛汽車的精確對接

為了充電，自動駕駛汽車必須與對接站上提供的充電電極準(zhǔn)確連接。亞馬遜的專利申請暗示了它可能正在考慮的安排類型（圖2）。

圖2：專利申請中的草圖表明了無人機(jī)可以連接到充電點(diǎn)。

要在對接之前定位車輛，可以選擇多種方案。現(xiàn)有的機(jī)器人對接系統(tǒng)提供了一些需要考慮的例子。

機(jī)器人真空吸塵器，如Roomba，已經(jīng)上市一段時間了，并通過在清潔過程中監(jiān)控電池狀況自動處理電池充電確定何時返回基站進(jìn)行充電。基站發(fā)射紅外信標(biāo)，Roomba鎖定此信號，在信號返回時將信標(biāo)保持在其視野的中心。

開源ardumower機(jī)器人割草機(jī)項目采用略有不同的技術(shù)。當(dāng)電池電壓低于指示需要充電的水平時，車輛將跟隨嵌入地面的周邊線路返回其充電站。通過準(zhǔn)確地跟蹤導(dǎo)線，割草機(jī)到達(dá)對接站的入口處于合適的位置，以便被引導(dǎo)到碼頭內(nèi)部與車輛表面上的充電墊接觸的電極。

視覺對準(zhǔn)是另一個已在各種項目中展示的選項。制造商社區(qū)是一個機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的蜂巢，包括這個在線視頻，顯示如何使用前置攝像頭定位充電站并確保正確對齊。本演示中使用Raspberry Pi和Arduino計算機(jī)的機(jī)器人會多次停止調(diào)整對齊，并且每次都可以將其位置校正幾厘米。當(dāng)車輛是懸停在塢站上方的空中無人機(jī)時，微調(diào)車輛位置可能會帶來更復(fù)雜的挑戰(zhàn)。陣風(fēng)可能會增加進(jìn)一步的復(fù)雜性。

無線充電是一種替代方案，目前由Skysense銷售的無人機(jī)著陸墊。無線充電已經(jīng)可用于移動電話和電動車輛。如果發(fā)射器和接收器相隔最多幾厘米，則可以進(jìn)行充電。通過將接收裝置引導(dǎo)到最佳位置或使用允許電力接收器自由定位的若干方法之一，可以實(shí)現(xiàn)更快的能量傳遞的更緊密定位。這些包括在充電板中構(gòu)建多個線圈以僅在接收器附近產(chǎn)生磁場，或者將發(fā)射器線圈機(jī)械驅(qū)動到靠近接收器的位置。

中國黑龍江省哈爾濱工業(yè)大學(xué)的一個團(tuán)隊利用線性霍爾傳感器結(jié)合視覺預(yù)對準(zhǔn)和隨后的高精度對準(zhǔn)，解決了自動對準(zhǔn)可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)模塊的挑戰(zhàn)。這個名為UBot的機(jī)器人可以根據(jù)需要重新安排模塊來重新配置自己，以執(zhí)行各種任務(wù)，并且還可以在需要時通過更換有缺陷的模塊進(jìn)行自我修復(fù)。傳感器模塊包含CCD視覺傳感器和四個線性霍爾傳感器，其位置對應(yīng)于有源對接模塊中的磁體位置。模塊能夠向前和向側(cè)面移動，并且可以旋轉(zhuǎn)。 CCD傳感器用于目標(biāo)采集并指導(dǎo)預(yù)對準(zhǔn)階段。來自線性霍爾傳感器的信號然后用于控制精確定位，然后使用鉤機(jī)構(gòu)完成對接過程。

對哈爾濱團(tuán)隊的研究結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)檢查，可以深入了解視覺或磁性所面臨的挑戰(zhàn)對準(zhǔn)。通過從CCD圖像中提取識別的特征，計算角度和線性偏移，并進(jìn)行線性調(diào)整直到它們分別在3度和4毫米內(nèi)，實(shí)現(xiàn)視覺對準(zhǔn)。然后，活動模塊移近，直到捕獲的圖像占據(jù)視野的80％。然后視覺對準(zhǔn)終止，并開始使用線性霍爾傳感器進(jìn)行精確對準(zhǔn)。 X，Y和角度校正是根據(jù)四個霍爾傳感器的輸出電壓計算出來的，與模塊配合面上的坐標(biāo)有關(guān)，可以在兩個線性軸和2度角位移中精確定位模塊的精度大于1 mm。/p>

用于機(jī)器視覺應(yīng)用的各種圖像傳感器或相機(jī)模塊可能能夠支持機(jī)器人應(yīng)用中的視覺對準(zhǔn)。安森美半導(dǎo)體NOIV1SN1300A是一款單色CMOS傳感器，集成了可編程增益放大器和10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并提供4個LVDS串行輸出。還提供具有并行CMOS輸出的替代變體。像素陣列為1280 x 1024，最多可以編程8個特定感興趣區(qū)域，如果需要可以提供高幀率。

與數(shù)字霍爾傳感器不同，哈爾濱項目中使用的線性類型允許以高分辨率計算位移，從而允許重復(fù)的測量校正循環(huán)，最終導(dǎo)致精確對接。 Cherry LIN-11HAW等線性傳感器設(shè)計用于工業(yè)驅(qū)動和控制，以及汽車換檔位置檢測器，測量范圍高達(dá)45 mm，雙冗余輸出可提高可靠性。

設(shè)計出對準(zhǔn)確度的要求？

利用現(xiàn)有的自動駕駛車輛對接和充電知識，可以考慮采用多種技術(shù)使無人機(jī)相對于對接的充電點(diǎn)定位自己站。采用輪式車輛的典型方法是將感應(yīng)系統(tǒng)安裝在機(jī)器人上，利用機(jī)器人自身的智能和推進(jìn)力來調(diào)整相對于固定碼頭的位置。然而，定位系統(tǒng)會增加機(jī)器人的重量，這在無人機(jī)應(yīng)用中可能是不可接受的。對于亞馬遜來說，額外的重量可以轉(zhuǎn)化為減少承載能力和交付范圍。

無對準(zhǔn)無線充電可提供最小化無人機(jī)上額外電子設(shè)備需求的解決方案。如果歐姆充電觸點(diǎn)是優(yōu)選的，例如使用防水連接器，則具有內(nèi)置機(jī)構(gòu)以固定和重新定位無人機(jī)的更復(fù)雜的對接站可提供可行的替代方案。這可以像掛鉤和絞車一樣簡單，只需要無人機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)位置提供“把手”和充電連接器。這可能有助于降低每架無人機(jī)的物料清單成本，并在必要時自由改變無人機(jī)設(shè)計;權(quán)衡是一個更復(fù)雜的擴(kuò)展塢，可能需要定期維護(hù)。

結(jié)論

任何將自動駕駛汽車對接以進(jìn)行電池充電的方法都需要準(zhǔn)確定位。可以考慮許多光學(xué)和磁性位置檢測技術(shù)，盡管在懸停期間將無人機(jī)對準(zhǔn)在毫米精度內(nèi)可能證明是困難的并且可能由于諸如風(fēng)速快速變化的天氣條件而進(jìn)一步復(fù)雜化。無線充電或創(chuàng)造性機(jī)械工程可以提供一種設(shè)計無人機(jī)本身的主動定位需求的方法。