基于OPS平面定位系统的毫米级快速冲换电池无人机中转站通过以无人机降落误差微纠偏运动系统、视觉定位系统、电池更换系统和环控制系统为基础，应用全方位平面定位系统，全方位平面定位系统集成了陀螺仪、加速度计、编码器等多种传感器，通过滤波、融合等方法，解算出定位系统中心在其坐标系中的位姿信息，动态识别无人机和小区域全方位纠偏移动，实现与无人机的精准对接，并通过容差式机械夹持装置，对无人机更换电池，从而实现无人机的长时间续航。本项目将针对高速公路监护进行全自动式无人机电池充换仓应用设计，同时还可服务于农业无人机的无人作业，而且也能在其他领域需长距离工作的无人机提供中点站的服务，区域网式布局，实现对无人机无人化、智能化服务，不仅能节省人力物力资源，还可提高专业部门对无人机的利用率。本项目从无人机更换电池出发，设计了一种便捷、新型、实用、经济的全自动式无人机电池充换仓。平台可实现全自动更换电池功能，并能搭载电池直接充电，保证更换电池作业的持续工作。平台搭载系统易于第三端开发，可在Labview、微信小程序、Java等进行自定义开发。同时本产品成本低廉、单次流程时间相对市场已有产品缩短3倍，对接精度在10毫米。
(1)运动分析：对承接平台进行运动分析，通过闭环控制得到数据，进行数据处理，优化运动方案，保证承接平台运动的平稳性和可靠性，具体实施方案如下。
(2)平台为原点建立X-Y二维平面坐标系，当光敏电阻矩阵非正中心采集到最大光强，3508电机a与3508电机b将协同运动，直至光敏电阻矩阵正中心采集到最大光强。
图 3 承接平台驱动模块示意图
图 4 承接平台二维坐标建立
图 5 MTALAB仿真PID控制
图 6 步进电机闭环控制
(3)系统统一采用24V供电，经过DC-DC降压模块降至3.3V为单片机稳定供电。
目前，利用视觉进行位姿估计的方法主要分为以下几类：1、基于投影关系的方法：从图像中提取图标特征的像面参数，利用投影的几何关系，求解位姿参数。2、基于几何关系的方法：通过多种机载设备的信息，建立立体几何关系求解。3、基于模式识别的方法：预先定义好一些标准模式，从图像中提取特征量形成当前模式，与标准模式进行匹配，得出相应的位姿参数。本作品无人机自动降落采用第一种基于投影关系的方法。提前在平台上装置两个色灯，通过无人机及平台的计算机视觉双向识别两者的信号灯，针对运动目标追踪中由于观测量导致的结果非线性问题，可采用基于无迹卡尔曼滤波的运动目标跟踪算法对数据进行融合处理，再结合无人机其他传感器计算当前的位置和信号灯之间的偏移量，利用飞行控制系统引导自动降落。
人为操作无人机降落误差通常在100mm左右，通过该方案降落的无人机，与预期降落位置误差可以减小到10mm，设计的机械抓手间距为80mm，经调试，准确降落率可以达到97%，准确率可以通过简单的增加抓手间距得到有效提高。
图 7 T12528光敏电阻实物及其参数
图 8 光敏电阻传感器
图 9 光敏电阻矩阵测试实物
图 10 视觉处理实验
图11 激光、日光照射在同种介面上的光强对照分析实例
(1)总体流程
当承接平台位置归零过程结束时，电池更换系统在电机带动下经滑轨向无人机方向整体移动，容差式推送仓与无人机电池仓发生切合，推送杆在48式步进电机带动下前移，电池夹夹住无人机电池，48式步进电机反转相同相位，旧电池被牵引至旧电池存储仓，3维连体式电池仓凭借直流减速电机与连接结构左向移动，新电池仓取代旧电池仓，推送杆重复电池推送过程，新电池进入无人机仓，推送杆回到原位置，电池更换系统归位，无人机放飞。
图12 底部放飞示意图
(2)容差式推送仓
针对机械滑轨存在误差问题，团队改变现有对接仓结构设计，将直面式对接设计优化为曲面式对接仓。经初代产品的大量实验，发现电池在取送过程中仍存在对接误差（由于机械带动式移动），而实物要求上机械夹必须与无人机电池仓完美匹合，为解决以上问题，运用了一种新的连接方法。
推送仓与推送杆通过轴承连接并俩者下方装有弹簧，以达到推送仓具有灵活调节性。在无人机电池仓固定情况下，借助无人机电池仓的反向力带动弹簧的灵活摆动，实现推送仓与无人机电池仓完美匹合。
