CN104795861B - 一种基于无人飞行器的无线充电系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于无人飞行器的无线充电系统及方法，系统是在无人飞行器上设置有用于向处在被监测区域中的无线传感器网络进行充电的无线充电控制装置，无线传感器网络是由用于采集数据的多数个普通节点和在采集数据的同时还接收普通节点所采集的数据，并将自身采集的数据和普通节点采集的数据发送给远程控制中心的多数个核心节点构成，无线充电控制装置是用于向所述的核心节点进行充电。方法核心节点向远程监控中心发送充电请求；安装有无线充电控制装置的无人飞行器前往被充电的核心节点；在核心节点的上方悬停降落并无线充电；电量充足后核心节点发送充电结束请求；无线充电模块结束充电并离开。本发明能够有效解决无线传感器网络节点的能耗对节点寿命的严重影响。

Description

一种基于无人飞行器的无线充电系统及方法

技术领域

本发明涉及一种无线充电系统。特别是涉及一种通过无人飞行器向无线传感器网络节点进行充电的基于无人飞行器的无线充电系统及方法。

背景技术

无线传感器网络技术在国防、环境监测、医疗、工业、农林业等领域均有广泛的应用前景。该技术的发展及应用受到普遍关注，其中一个重要的研究热点就是传感器节点的能量管理问题。节点在进行数据传输时消耗较多能量，特别是负责路由功能的节点。由于无线传感器网络通常布置在无人维护的地区，当传感器节点的电能耗尽时，该节点就失去作用。传感器网络使用时间越长，因电能耗尽而失效的节点就越多，最终致使整个传感器网络完全失效。由此导致硬件资源的严重浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够有效解决无线传感器网络节点的能耗对节点寿命的严重影响的基于无人飞行器的无线充电系统及方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于无人飞行器的无线充电系统，包括无人飞行器，与无人飞行器无线通信连接的远程控制中心，所述的无人飞行器上设置有用于向处在被监测区域中的无线传感器网络进行充电的无线充电控制装置，所述的无线传感器网络是由用于采集数据的多数个普通节点和在采集数据的同时还接收普通节点所采集的数据，并将自身采集的数据和普通节点采集的数据发送给远程控制中心的多数个核心节点构成，所述的无线充电控制装置是用于向所述的核心节点进行充电。

所述的无线充电控制装置包括有：机载控制单元，所述的机载控制单元分别连接用于向机载控制单元提供无人飞行器的位置信息的机载定位模块、用于向核心节点提供无线充电的电能并向无人飞行器供电的高能电池、用于对电量不足的核心节点进行无线充电的无线充电模块以及用于分别与远程控制中心和被充电的核心节点进行通信的机载通信模块，所述的机载控制单元还连接无人飞行器中的能够根据接收到的机载控制单元所发出的飞行指令来控制无人飞行器飞行的飞行控制模块。

所述的被监测区域包括有若干个监测子区域，每一个核心节点是以抛撒的方式设置在被监测区域内的一个监测子区域的中心地带，每个子区域配置至少一个核心节点，所述的多个普通节点是以随机抛撒的方式抛撒在各监测子区域中，在一个监测子区域中所述的普通节点的数量大于所述核心节点的数量。

所述的核心节点包括有传感器，用于对传感器所采集的信号进行预处理和A/D转换的信号处理电路，用于分别与无线充电控制装置中的机载通信模块、子区域内的普通节点和其他子区域的核心节点进行通信，以及在核心节点和远程控制中心之间进行远程数据传输的传感器控制器，所述传感器控制器分别连接信号处理电路、用于给核心节点提供电源的可充电电池和无线充电接收装置。

所述的传感器控制器包括有与所述的信号处理电路相连用于接收信号处理电路的输出数据的控制单元，所述的控制单元分别连接用于接收无线充电接收装置的输出信号的位置检测模块，连接通过无线充电接收装置接收无线充电控制装置中的无线充电模块的电能给可充电电池充电的充电器主电路，连接用于检测可充电电池电压量的电压检测模块，以及连接用于接收来自普通节点的数据，采用与远程控制中心直接通信或通过其他核心节点间接与远程控制中心通信的方式来传输数据，并向远程监控中心发送充电请求信息和向无线充电控制装置中的机载通信模块发送充电结束请求信息的通信模块。

所述的无线充电接收装置包括有用于接收无线充电控制装置中的无线充电模块的电能并将所述的电能输出给充电器主电路的接收线圈，以及若干个围绕接收线圈均匀分布用于检查无线充电模块的发射线圈与所述的接收线圈是否对准的位置检测线圈，所述位置检测线圈的信号输出端连接传感器控制器中的位置检测模块。

一种基于无人飞行器的无线充电系统的控制方法，包括如下步骤：

1)当所述的无线传感器网络中任一子区域的核心节点电量不足时，所述核心节点通过自身的通信模块向远程监控中心发送充电请求信息；

2)远程监控中心派出安装有无线充电控制装置的无人飞行器前往所述的区域，无线充电控制装置中的机载控制单元根据被充电的核心节点的位置坐标以及机载定位模块提供的无人飞行器的位置信息，搜索并前往被充电的核心节点；

3)无人飞行器在需要充电的核心节点的上方悬停，通过自身位置的调整使无线充电控制装置中的无线充电模块与被充电的核心节点的无线充电接收装置中的接收线圈准确定位，然后降落并开始无线充电；

4)被充电的核心节点的控制单元通过电压检测模块实时测量可充电电池的电压，当电量充足后，所述控制单元通过通信模块向无人飞行器上的无线充电控制装置中的机载通信模块发送充电结束请求；

5)无人飞行器上的无线充电控制装置中的机载控制单元接收到充电结束请求后，控制无线充电模块结束充电并离开。

步骤1)还包括核心节点将自身的可充电电池的电量信息实时发送给远程监控中心，由远程监控中心决定是否派无人飞行器进行无线充电。

步骤3)所述的使无线充电控制装置中的无线充电模块与被充电的核心节点的无线充电接收装置中的接收线圈准确定位的过程，包括如下步骤：

(1)无人飞行器在被充电的核心节点上方悬停，无线充电控制装置中的机载控制单元控制无线充电模块发出充电信号；

(2)被充电的核心节点的控制单元通过位置检测模块接收来自无线充电接收装置中的位置检测线圈的输出信号，并通过通信模块将相对位置信息传输给无线充电控制装置中的通信模块；

(3)位于无人飞行器上的机载控制单元根据接收到被充电的核心节点中通信模块所发出的位置检测线圈所检测到接收线圈与无线充电模块23之间的相对位置信息，判断无线充电模块与所述接收线圈的定位情况，并通过无人飞行器本身的飞行控制模块实时调整无人飞行器的位置；

(4)当被充电的核心节点的无线充电接收装置中的几个位置检测线圈输出的电压信号相等，或几个位置检测线圈输出的电压信号之间的相对误差在预先设定的误差范围之内时，说明机载无线充电模块的充电线圈和被充电的核心节点的接收线圈已对准，无线充电接收装置中的机载控制单元通过无人飞行器的飞行控制模块控制无人飞行器降落并控制无线充电模块开始充电。

本发明的一种基于无人飞行器的无线充电系统及方法，通过定期给无线传感器节点充电，以实现传感器电池的循环利用，能够有效解决无线传感器网络节点的能耗对节点寿命的严重影响，节省传感器硬件资源的消耗，降低传感器节点在网络重组、路由计算等方面的软件开销。因此在国防、环境监测、医疗、工业、农林业等领域均有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的基于无人飞行器的无线充电系统的整体结构示意图；

图2是包含核心节点与普通节点的传感器抛撒方案图；

图3是本发明中无线充电控制装置的构成框图；

图4是核心节点的传感器控制器和无线充电接收装置的构成框图；

图5是无线充电控制装置与被充电核心节点的接收线圈进行定位的示意图。

图中

1：无人飞行器 11：飞行控制模块

2：无线充电控制装置 21：机载控制单元

22：高能电池 23：无线充电模块

24：机载通信模块 25：机载定位模块

3：远程控制中心 4：核心节点

41：信号处理电路 42：传感器控制器

421：控制单元 422：位置检测模块

423：充电器主电路 424：通信模块

425：电压检测模块 43：可充电电池

44：无线充电接收装置 441：接收线圈

442：位置检测线圈 5：普通节点

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于无人飞行器的无线充电系统及方法做出详细说明。

本发明的一种基于无人飞行器的无线充电系统及方法，其飞行器可以根据需要释放到传感器网络的工作区域，对无人维护的传感器网络节点(特别是承担主要通信任务的核心节点)进行定期的充电。通过定期给无线传感器节点充电，以实现传感器电池的循环利用，从而起到节省传感器节点硬件资源以及软件开销的作用，进而有效解决无线传感器网络节点的能耗对节点寿命的严重影响，节省传感器硬件资源的消耗，降低传感器节点在网络重组、路由计算等方面的软件开销。

如图1所示，本发明的一种基于无人飞行器的无线充电系统，包括无人飞行器1，与无人飞行器1无线通信连接的远程控制中心3，所述的无人飞行器1上设置有用于向处在被监测区域中的无线传感器网络进行充电的无线充电控制装置2。所述的无线传感器网络是由用于采集数据的多数个普通节点5和在采集数据的同时还接收普通节点5所采集的数据，并将自身采集的数据和普通节点5采集的数据发送给远程控制中心3，或通过其他核心节点4间接发送给远程数据中心3的多数个核心节点4构成，所述的无线充电控制装置2是用于向所述的核心节点4进行充电。

如图2所示，每一个核心节点4是以抛撒的方式设置在被监测区域内的一个监测子区域的中心地带，所述的多个普通节点5是以随机抛撒的方式抛撒在各监测子区域中，每个子区域配置至少一个核心节点4，在一个监测子区域中所述的普通节点5的数量大于所述核心节点4的数量。

首先将无线传感器网络的监测区域分为等面积的数块，将各监测子区域的传感器核心节点4抛撒在该子区域的中心地带，普通节点5采用随机抛撒；其中，作为普通节点5的传感器将就地采集的数据发送给核心节点4；核心节点4除就地采集数据外，还接收来自普通节点5的数据，并远程传输给远程监控中心3，或通过其他核心节点4间接发送给远程数据中心3；核心节点4的电池电量不足时，向远程监控中心3发送充电请求信号；当无人飞行器1到达后，被充电的核心节点4的传感器控制器42与无人飞行器1的无线充电控制装置2进行通信，并完成充电过程。

如图3所示，所述的无线充电控制装置2包括有：机载控制单元21，所述的机载控制单元21分别连接用于向机载控制单元21提供无人飞行器1的位置信息空间坐标的机载定位模块25、用于向核心节点4提供无线充电的电能并向无人飞行器1供电，以保证系统正常运行的高能电池22、用于对电量不足的核心节点4进行无线充电的无线充电模块23以及用于分别与远程控制中心3和被充电的核心节点4进行通信的机载通信模块24，所述的机载控制单元21还连接无人飞行器1中的能够根据接收到的机载控制单元21所发出的飞行指令来控制无人飞行器1飞行以实现悬停、平飞、升降等动作的飞行控制模块11。

机载控制单元21的功能是：1)通过机载通信模块24接收来自远程监控中心3的控制指令，并将无人飞行器1的飞行状况、无线充电系统的工作状况和核心节点4的用电情况发送给远程控制中心；2)通过机载定位模块25了解无人飞行器1所在的位置信息，并根据远程监控中心3提供的被充电核心节点4的位置信息，向无人飞行器1的飞行控制模块11提供飞行控制指令；3)在到达被充电的核心节点4位置后，通过飞行控制模块11对无人飞行器1的位置进行调整，使机载无线充电模块23的充电线圈与被充电核心节点4的接收线圈441准确定位；4)检测高能电池22的工作状况，控制无线充电模块23向核心节点4充电。

如图4所示，所述的核心节点4包括有传感器，用于对传感器所采集的信号进行预处理和A/D转换的信号处理电路41，用于分别与无线充电控制装置2中的机载通信模块24和子区域内的普通节点5和其他核心节点进行通信，以及在核心节点4和远程控制中心3之间进行远程数据传输的传感器控制器42，所述传感器控制器42分别连接用于对传感器所采集的信号进行预处理和A/D转换的信号处理电路41、用于给核心节点4提供电源的可充电电池43和无线充电接收装置44。由于无线传感器网络中的普通节点5只承担近距离的数据传输任务，不作为槽节点进行远程数据传输，因此通信耗能较少，核心节点4作为槽节点承担主要的远程通信任务，既直接向远程控制中心3传输数据或通过其他核心节点间接向远程控制中心传输数据，因此配备可充电电池43和无线充电接收装置44；当核心节点4的可充电电池43电量不足时，传感器控制器42通过通信模块424向远程监控中心3发送充电请求信息。

所述的传感器控制器42包括有与所述的信号处理电路41相连用于接收信号处理电路41的输出数据的控制单元421，所述的控制单元421分别连接用于接收无线充电接收装置44的输出信号的位置检测模块422，连接通过无线充电接收装置44接收无线充电控制装置2中的无线充电模块23的电能给可充电电池43充电的充电器主电路423，连接用于检测可充电电池43电压量的电压检测模块425，以及连接用于接收来自普通节点5的数据，采用与远程控制中心3直接通信或通过其他核心节点间接与远程控制中心3通信的方式来传输数据，并向远程监控中心3发送充电请求信息和向无线充电控制装置2中的机载通信模块24发送充电结束请求信息的通信模块424。

所述的无线充电接收装置44包括有用于接收无线充电控制装置2中的无线充电模块23发出的电能并将所述的电能输出给充电器主电路423的接收线圈441，以及若干个围绕接收线圈441均匀分布用于检查无线充电模块23的发射线圈与所述的接收线圈441是否对准的位置检测线圈442，所述位置检测线圈442的信号输出端连接传感器控制器42中的位置检测模块422。

无线充电接收装置44用于接收无线充电控制装置2中的充无线充电模块23传输的电能，并通过传感器控制器42中的充电器主电路423向可充电电池43充电。对于无线充电系统，无线充电线圈与无线接收线圈的相对位置对于充电效果具有很大影响。因此，在本发明的无线充电接收装置44中还包含一个定位传感器，用于实现无线充电模块23的充电线圈与被充电核心节点4的无线充电接收线圈441之间实现准确定位。该定位传感器就是由若干个围绕接收线圈441均匀分布的位置检测线圈442组成，本实施例中采用三个位置检测线圈442。在无线充电开始之前，先通过位置检测线圈442来检查无线充电模块23的发射线圈和接收线圈441是否对准。位置检测模块422用于接收来自三个位置检测线圈442的输出信号，并传输给控制单元421。电压检测模块425用于检测被充电核心节点4的可充电电池43的电量，并将检测结果传输给控制单元421。通信模块424用于与机载充电控制装置2的通信模块24和普通节点5进行通信，以及在核心节点4和远程控制中心3之间采用与远程控制中心3直接通信或通过其他核心节点间接与远程控制中心3通信的方式来承担远程数据传输任务。

本发明的一种基于无人飞行器的无线充电系统的控制方法，包括如下步骤：

1)当所述的无线传感器网络中任一子区域的核心节点4电量不足时，所述核心节点4通过自身的通信模块424向远程监控中心3发送充电请求信息，或者将自身的可充电电池43的电量信息实时发送给远程监控中心3，由远程监控中心3决定是否派无人飞行器1进行无线充电；

2)远程监控中心3收到充电请求后，派出安装有无线充电控制装置的无人飞行器前往所述的区域，无线充电控制装置中的机载控制单元21根据远程监控中心3提供的被充电的核心节点4的位置坐标以及机载定位模块25提供的无人飞行器自身位置信息，搜索并前往被充电的核心节点4；

3)无人飞行器1到达需要充电的核心节点4所在位置以后，在其上方悬停，通过自身位置的调整使无线充电控制装置2中的无线充电模块23与被充电的核心节点4的无线充电接收装置44中的接收线圈441准确定位，然后降落并开始无线充电；

4)被充电的核心节点4的控制单元421通过电压检测模块425实时测量可充电电池43的电压，当电量充足后，所述控制单元421通过通信模424块向无人飞行器1上的无线充电控制装置2中的机载通信模块24发送充电结束请求；

5)无人飞行器1上的无线充电控制装置2中的机载控制单元21接收到充电结束请求后，控制无线充电模23块结束充电并离开。

如图4、图5所示，上述步骤3)所述的使无线充电控制装置2中的无线充电模块23与被充电的核心节点4的无线充电接收装置44中的接收线圈441准确定位的过程，包括如下步骤：

(1)无线充电控制装置2中的机载控制单元21通过飞行控制模块11控制无人飞行器1在被充电的核心节点4上方悬停，机载控制单元21控制无线充电模块23发出充电信号；

(2)被充电的核心节点4的控制单元421通过位置检测模块422接收来自无线充电接收装置44中的三个位置检测线圈422的输出信号，并通过通信模块424将相对位置信息传输给无线充电控制装置2中的机载通信模块24；

(3)位于无人飞行器1上的机载控制单元21根据接收到被充电的核心节点4中通信模块424所发出的位置检测线圈442所检测到接收线圈441与无线充电模块23之间的相对位置信息，判断无线充电模块23与所述接收线圈441的定位情况，并通过无人飞行器1本身的飞行控制模块11实时调整无人飞行器1的位置；

(4)当被充电的核心节点4的无线充电接收装置44中的几个位置检测线圈442输出的电压信号相等，或几个位置检测线圈442输出的电压信号之间的相对误差在预先设定的误差范围之内时，说明机载无线充电模块23的充电线圈和被充电的核心节点4的接收线圈441已对准，无线充电接收装置2中的机载控制单元21通过无人飞行器1的飞行控制模块11控制无人飞行器1降落，并控制无线充电模块23开始充电。

Claims (6)

1.一种基于无人飞行器的无线充电系统，包括无人飞行器（1），与无人飞行器（1）无线通信连接的远程控制中心（3），其特征在于，所述的无人飞行器（1）上设置有用于向处在被监测区域中的无线传感器网络进行充电的无线充电控制装置（2），所述的无线传感器网络是由用于采集数据的多数个普通节点（5）和在采集数据的同时还接收普通节点（5）所采集的数据，并将自身采集的数据和普通节点（5）采集的数据发送给远程控制中心（3）的多数个核心节点（4）构成，所述的无线充电控制装置（2）是用于向所述的核心节点（4）进行充电；

所述的核心节点（4）包括有传感器，用于对传感器所采集的信号进行预处理和A/D转换的信号处理电路（41），用于分别与无线充电控制装置（2）中的机载通信模块（24）、监控子区域内的普通节点（5）和其他监控子区域的核心节点进行通信，以及在核心节点（4）和远程控制中心（3）之间进行远程数据传输的传感器控制器（42），所述传感器控制器（42）分别连接信号处理电路（41）、用于给核心节点（4）提供电源的可充电电池（43）和无线充电接收装置（44），所述的传感器控制器（42）包括有与所述的信号处理电路（41）相连用于接收信号处理电路（41）的输出数据的控制单元（421），所述的控制单元（421）分别连接用于接收无线充电接收装置（44）的输出信号的位置检测模块（422），连接通过无线充电接收装置（44）接收无线充电控制装置（2）中的无线充电模块（23）的电能给可充电电池（43）充电的充电器主电路（423），连接用于检测可充电电池（43）电压量的电压检测模块（425），以及连接用于接收来自普通节点（5）的数据，采用与远程控制中心（3）直接通信或通过其他核心节点间接与远程控制中心（3）通信的方式来传输数据，并向远程控制中心（3）发送充电请求信息和向无线充电控制装置（2）中的机载通信模块（24）发送充电结束请求信息的通信模块（424）。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人飞行器的无线充电系统，其特征在于，所述的无线充电控制装置（2）包括有：机载控制单元（21），所述的机载控制单元（21）分别连接用于向机载控制单元（21）提供无人飞行器（1）的位置信息的机载定位模块（25）、用于向核心节点（4）提供无线充电的电能并向无人飞行器（1）供电的高能电池（22）、用于对电量不足的核心节点（4）进行无线充电的无线充电模块（23）以及用于分别与远程控制中心（3）和被充电的核心节点（4）进行通信的机载通信模块（24），所述的机载控制单元（21）还连接无人飞行器（1）中的能够根据接收到的机载控制单元（21）所发出的飞行指令来控制无人飞行器（1）飞行的飞行控制模块（11）。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人飞行器的无线充电系统，其特征在于，所述的被监测区域包括有若干个监测子区域，每一个核心节点（4）是以抛撒的方式设置在被监测区域内的一个监测子区域的中心地带，每个监控子区域配置至少一个核心节点（4），所述的多数个普通节点（5）是以随机抛撒的方式抛撒在各监测子区域中，在一个监测子区域中所述的普通节点（5）的数量大于所述核心节点（4）的数量。

4.根据权利要求1所述的一种基于无人飞行器的无线充电系统，其特征在于，所述的无线充电接收装置（44）包括有用于接收无线充电控制装置（2）中的无线充电模块（23）的电能并将所述的电能输出给充电器主电路（423）的接收线圈（441），以及若干个围绕接收线圈（441）均匀分布用于检查无线充电模块（23）的发射线圈与所述的接收线圈（441）是否对准的位置检测线圈（442），所述位置检测线圈（442）的信号输出端连接传感器控制器（42）中的位置检测模块（422）。

5.一种权利要求1至4中任一项所述的基于无人飞行器的无线充电系统的控制方法，其特征要于，包括如下步骤：

1）当所述的无线传感器网络中任一监控子区域的核心节点电量不足时，所述核心节点通过自身的通信模块向远程控制中心发送充电请求信息；

2）远程控制中心派出安装有无线充电控制装置的无人飞行器前往所述的监控子区域，无线充电控制装置中的机载控制单元根据被充电的核心节点的位置坐标以及机载定位模块提供的无人飞行器的位置信息，搜索并前往被充电的核心节点；

3）无人飞行器在需要充电的核心节点的上方悬停，通过自身位置的调整使无线充电控制装置中的无线充电模块与被充电的核心节点的无线充电接收装置中的接收线圈准确定位，然后降落并开始无线充电；所述的使无线充电控制装置中的无线充电模块与被充电的核心节点的无线充电接收装置中的接收线圈准确定位的过程，包括如下步骤：

（1）无人飞行器在被充电的核心节点上方悬停，无线充电控制装置中的机载控制单元控制无线充电模块发出充电信号；

（2）被充电的核心节点的控制单元通过位置检测模块接收来自无线充电接收装置中的位置检测线圈的输出信号，并通过通信模块将相对位置信息传输给无线充电控制装置中的机载通信模块；

（3）位于无人飞行器上的机载控制单元根据接收到被充电的核心节点中通信模块所发出的位置检测线圈所检测到接收线圈与无线充电模块之间的相对位置信息，判断无线充电模块与所述接收线圈的定位情况，并通过无人飞行器本身的飞行控制模块实时调整无人飞行器的位置；

（4）当被充电的核心节点的无线充电接收装置中的几个位置检测线圈输出的电压信号相等，或几个位置检测线圈输出的电压信号之间的相对误差在预先设定的误差范围之内时，说明无线充电模块的充电线圈和被充电的核心节点的接收线圈已对准，无线充电控制装置中的机载控制单元通过无人飞行器的飞行控制模块控制无人飞行器降落并控制无线充电模块开始充电；

4）被充电的核心节点的控制单元通过电压检测模块实时测量可充电电池的电压，当电量充足后，所述核心节点的控制单元通过通信模块向无人飞行器上的无线充电控制装置中的机载通信模块发送充电结束请求；

5）无人飞行器上的无线充电控制装置中的机载控制单元接收到充电结束请求后，控制无线充电模块结束充电并离开。

6.根据权利要5所述的基于无人飞行器的无线充电系统的控制方法，其特征要于，步骤1）还包括核心节点将自身的可充电电池的电量信息实时发送给远程控制中心，由远程控制中心决定是否派无人飞行器进行无线充电。