CN105226836B - 一种能够自动充电的无人机、无人机充电系统和充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要提供一种能够自动充电的无人机，其包括数据收发模块、控制模块和电源；其中，所述控制模块在解析所接收的控制指令为待机指令后，控制所述无人机进入待机模式并自动选定合适的充电站点以进行降落和充电；且所述控制模块在解析所接收的控制指令为唤醒指令后，控制所述无人机从所述待机模式转换为任务执行模式。另外，本发明还提供一种包括上述无人机的自动充电系统和一种无人机自动充电方法。采用上述无人机、充电系统和充电方法可充分利用无人机的待机间歇进行充电以补充能量，并为无人机待机状态提供可供降落的场所，从而使得无人机的充电时间减少，并避免其进行无意义的飞行而造成能量的消耗。

Description

一种能够自动充电的无人机、无人机充电系统和充电方法

技术领域

本发明涉及无人机应用技术领域，更具体地说，本发明主要涉及无人机充电技术。

背景技术

无人驾驶飞机，简称无人机(UAV)，是一种处在迅速发展中的新概念飞行装备，其具有机动灵活、反应快速、无人飞行、操作要求低、起飞无需跑道或其它辅助设备等优点。无人机通过搭载多类传感器，可以实现影像实时传输、高危地区探测功能等，且目前，无人机的使用范围已扩宽至军事、科研、民用三大领域，并应用甚广。

然而，为了使无人机具有更多的功能，常常需要在无人机上搭载各种设备，随着设备的增多，无人机自身重量增加，需要消耗更大的功率来保证无人机的正常飞行，但是无人机所携带的电池电量有限，进而使得无人机续航能力存在不足，需要不断地更换电池来满足正常工作需求。例如，若无人机为常见的多旋翼式飞行器，其在满负荷工作的情况下续航时间一般不超过30分钟。显然，上述无人机续航能力的不足对于执行各种任务而言是非常不方便的，尤其是野外信息收集和侦测。而且，在无人机电量偏低时，无人机还需要根据操控指令而返回预定位置进行电池更换，如此无疑也会增加无人机的飞行风险。

为了解决上述无人机续航能力不足的问题，中国专利CN201510159932.5中提及以下技术方案：无人机检测到自身电量不足后，开启寻找充电桩的模式，在充电桩数据库中找到与当前位置距离最近的充电桩的GPS坐标位置；无人机到达GPS的误差范围内的位置后，先进行悬停并启动图像识别，通过PID控制调整无人机的飞行姿势，使得无人机处于充电平台的正上方并降落，降落后充电桩即对无人机进行充电；无人机在充电过程中检测电池电量，充满后向充电桩发送停止充电的信号，并启动自主起飞的模式。上述技术方案通过在巡逻航线上建立适当数量的光伏充电桩，可实现无人机电量不足时能够及时进行能量补充，从而使无人机的续航时间得以大大加长。然而，上述技术方案中还存在以下问题：无人机在飞往充电桩的航程中存在电量耗尽的风险。而且，由于上述技术方案中的充电桩都是固定设置在某个固定的区域，不能移动，不便于利用无人机随时进行侦测等各种任务。

另外，经过发明人观察，以航拍、计量等工作场合为例，无人机的应用也并非是连续的，例如，先工作10分钟，停止5分钟；再工作20分钟，停止15分钟等。而在无人机停止工作时，应该首选将其直接降落在与其当时位置垂直的地面上，但是，由于地面情况的不确定性，即操作者无法判断当时位置对应位置的地面是否是合适的无人机降落地点，故当无人机停止工作时，操作者往往操控无人机飞回操控点附近降落，等到工作任务继续开始时再操控无人机飞行至工作地点。显然，上述情况不仅额外增加了无人机往返飞行的能量消耗，对于原本续航能力不足的无人机而言更造成其无谓的能量消耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够自动充电的无人机使得无人机的续航能力得以增强，并避免其由于执行无意义的飞行而造成无谓的能量消耗。具体地，本发明主要提供以下技术方案：

一种能够自动充电的无人机，其包括用于接收控制指令和发送所收集数据的数据收发模块、用于解析所接收的控制指令并根据所述控制指令对所述无人机的操作进行控制的控制模块和用于为所述无人机提供飞行动力并可重复充电的电源；其中，所述控制模块在解析所接收的控制指令为待机指令后，控制所述无人机进入待机模式并自动选定合适的充电站点以进行降落和充电；且所述控制模块在解析所接收的控制指令为唤醒指令后，控制所述无人机从所述待机模式转换为任务执行模式。

进一步的，本发明还提供一种能够能够自动充电的无人机充电系统，其包括根据所述的无人机和至少一个为所述无人机提供停靠和充电操作的充电站点，其中，所述充电站点包括具有信息接收和传输功能的通信单元、构成所述无人机充电电源的供电单元和构成所述无人机充电和/或停靠的充电平台。

所述电源是无线充电电池，相应的，所述充电平台是与所述无线充电电池相对接的无线充电停靠平台。

所述充电站点设有识别信标，该识别信标可为物理信标或无线信标。

所述充电站点还包括GPS单元，其用于定位所述充电站点的位置。

所述无人机还包括存储认证代码的存储单元，所述充电站点还包括用于验证所述认证代码是否合法的验证单元。

所述充电站点还包括使所述充电站点便于移动的移动机构。

更进一步地，本发明还提供一种无人机自动充电方法，其中，所述充电方法包括以下步骤：

(1)无人机解析判断所接收的控制指令为待机指令时，启动待机模式并选定合适的充电站点；

(2)无人机降落在所述选定的充电站点上；

(3)无人机解析判断所接收的控制指令为唤醒指令时，结束所述待机模式并启动任务执行的模式。

其中，所述步骤(1)具体为：

A、判断所接收的控制指令为待机指令时，启动待机模式；

B、获取所述无人机的位置信息和所述充电站点的位置信息；

C、根据所述无人机的位置信息和所述充电站点的位置信息，以及所述充电站点的工作状态而选定合适的充电站点。

所述充电方法在执行步骤(2)之前还包括以下步骤：通过所述无人机与所述选定的充电站点之间的无线握手对接而判断所述无人机是否获得合法授权认证；若确定已获得合法授权认证，则所述选定的充电站点允许所述无人机降落；反之，则所述选定的充电站点拒绝所述无人机降落。

采用上述技术方案，可充分利用无人机的待机间歇进行充电以补充能量，并为无人机待机状态提供可供降落的场所，从而使得无人机的充电时间减少，并避免其进行无意义的飞行而造成能量的消耗。

附图说明

图1为本发明实施例一无人机基本结构框图；

图2为本发明实施例一充电站点基本结构框图；

图3为本发明实施例一充电方法的实施流程图；

图4为本发明实施例一选择合适的充电站点的其中一种具体操作流程图；

图5为本发明实施例三充电方法的实施流程图。

符号说明：10无人机，101控制模块，102数据收发模块，103电源，20充电站点，201通信单元，202充电平台，203供电单元，204识别信标。

具体实施方式

本发明的主要技术方案是：利用无人机的待机间歇进行充电，从而既可延长无人机的续航能力、减少无人机的充电时间，还可给无人机提供暂时停靠的平台，避免无人机执行无意义的飞行而造成无谓的能量损耗。

以下通过具体的实施例的描述对本发明的技术方案作出全面的、详细的描述。需要说明的是，这些具体的说明只是让本领域普通技术人员更加容易、清晰理解本发明，而非对本发明的限定性解释。

实施例一：

图1为本实施例公开的无人机的结构框图。如图1所示，本实施例中，无人机10主要包括：用于接收控制台(操作者)发送的控制指令和发送所收集的数据的数据收发模块102，具体地，在本实施例中，上述数据收发模块为无线信号收发装置；与上述数据收发模块102相连接、用于对上述数据收发模块102接收的数据进行解析并根据解析的结果而对无人机10的操作进行控制的控制模块101，具体的，本实施例中，上述控制模块为中央处理器；与上述控制模块101相连接以供给无人机10飞行动力的电源103，且该电源103可重复充电。

图2为本实施例公开的充电站点的结构框图。如图2所示，本实施例中，充电站点20主要包括：构成上述无人机10充电电源的供电单元203，其中，在本实施例中，上述供电单元为蓄电池；与上述供电单元203相连接，并构成上述无人机10待机停靠平台的充电平台202；以及具有信号接收和传输功能的通信单元201，在本实施例中，上述通信单元为信号收发器。其中，上述供电单元203除了可采用蓄电池组构成，也可采用与外部电源相连接的方式，具体方式可根据相应的场合而选用；上述充电平台202既可采用有线连接充电的方式对无人机10进行充电，也可采用无线充电的方式对无人机10进行充电，具体充电方式可根据具体需要而进行选择。

为了简化充电过程和降低无人机与充电平台对接的难度，优选地，在本实施例中，上述充电平台202采用无线充电的方式对无人机10进行充电，即上述无人机10的电源103为无线充电电池，上述充电平台202为与上述无线充电电池对接的无线充电停靠平台。具体地，上述充电平台202上设有一无线充电感应区，故只需要将无人机10的无线充电电池与上述无线充电感应区相对准即可实施充电操作。且优选地，上述无线充电感应区的尺寸可设置得比上述无线充电电池的尺寸稍大，如此，可充分提升充电对接操作的成功几率。而无线充电的具体结构方式可采用电磁感应或电磁共振耦合等方案，此为本领域的常见技术，在此不作赘述。

本实施例中，上述无人机10和至少一个上述充电站点20可构成一为无人机进行自动充电的充电系统。其中，该充电系统中可根据工作区域的大小而设置适当的充电站点的数量。本实施例中，优选地，上述充电系统包括分布在上述巡航路线不同区域的多个充电站点20。

此外，为了便于控制台(操作者)或无人机能够及时识别相应的充电站点，每个充电站点20上还设有识别信标204以便于自身定位。具体地，上述识别信标204可为物理信标，如图形标识，也可为使用无线信号进行定位的无线信标。其中，当上述识别信标204为一图形标识时，无人机10可通过其上的摄像头自动搜索该图形标识的位置，并根据拍摄得到的图形标识的位置进行分析，判断该充电站点20的具体位置，确认具体的飞行方向和飞行距离；并在飞行到该充电站点20的上方后，依据上述图形标识的指引，实施垂直降落以进行充电；而当上述识别信标204为一无线信标，上述充电站点20上需设置一无线信标发射器以发出合适的无线信号，则无人机10可根据发自上述选定的充电站点20发出的无线信号的指引而飞向上述选定的充电站点20，并实施降落。此外，当设有多个充电站点时，若采用图形标识等物理信标作为识别信标时，为了对各个充电站点进行区分，优选地，每个充电站点的图形标识等物理信标应当有所区别，从而避免无人机发生混淆。

如前所述，无人机在实际应用时并非是连续工作的，而是工作状态和待机状态交叉进行，即无人机的操作中包括两种模式：任务执行模式和待机模式，其中，上述任务执行模式是指无人机处于执行任务的工作状态，而上述待机模式则是指无人机处于暂时停止工作、等待新的控制指令的状态。如前所述，为了能够尽量延长无人机的续航时间并减少无人机的充电时间，优选地，本实施例中，上述控制模块101在解析判断经由上述数据收发模块102接收的控制指令为待机指令后，控制上述无人机10进入待机模式并选定合适的充电站点20以进行降落和充电；且上述控制模块101在解析判断经由上述数据接收单元102接收的控制指令为唤醒指令后，控制上述无人机10从上述待机模式转换为执行任务模式。如此，即可利用上述无人机10的待机间隙的时间对无人机10进行能量补充，可充分延长无人机的续航时间，确保其可以更好的执行任务。

图3为本实施例利用上述充电系统进行无人机自主充电的充电方法流程图，以下根据图3对上述充电系统实施充电方法的具体操作进行描述。

具体地，上述充电方法包括以下步骤：

步骤S1：无人机10判断所接收的控制指令为待机指令时，启动待机模式并选定合适的充电站点。

其中，上述步骤S1的具体操作为：

A、判断所接收的控制指令为待机指令时，启动待机模式；

B、获取上述无人机10的位置信息和上述至少一个充电站点20的位置信息；

C、根据上述无人机的位置信息和上述至少一个充电站点20的位置信息，以及上述至少一个充电站点20的工作状态而选定合适的充电站点。

图4为从多个充电站点中选择合适的充电站点的其中一种具体操作过程。如图4所示，子步骤C的具体操作可为：根据上述无人机10的位置信息和上述多个充电站点20的位置信息并以无人机与每个充电站点20之间的距离为基准对多个充电站点进行排序。例如，设有N个充电站点20(其中，N≥1)，则根据每个充电站点20与无人机10之间的距离可依次排列为第1个充电站点，.......第N个充电站点，其中，第1个充电站点与上述无人机10的距离最小，即与无人机10相距最近的是第1个充电站点。接着，获取第1个充电站点的工作状态信息，判断其是否处于闲置状态，若上述第1个充电站点处于闲置状态，则将上述第1个充电站点作为选定的充电站点，并将其相关信息发送至无人机10；反之，若上述第1个充电站点处于工作状态，即非闲置状态，则根据此前的多个充电站点20的排序，获取第2个充电站点的工作状态信息，并重复上述闲置状态的判断和相应操作。如此类推，直至选定合适的充电站点。其中，上述充电站点的相关信息是指便于上述无人机定位所选定的充电站点20的信息，如该选定充电站点20的识别信标、位置信息等。具体地，上述选择过程可利用设置在中央处理器(即控制模块)中的状态寄存器来实现。

在选定合适的充电站点后，则执行下述步骤S2。

步骤S2：上述无人机10降落在上述选定的充电站点20上。

其中，上述步骤S2的具体操作为：上述无人机10根据上述选定的充电站点20的相关信息而飞行至上述选定的充电站点20的上方，然后再实施降落操作。

具体地，当上述无人机10降落在上述选定的充电站点20时，即可实时进行充电，此时，上述充电站点20不仅可为上述无人机10提供充电操作，也可作为无人机10的待机停靠平台，从而避免无人机在地面情况不确定的时候进行降落而导致的损坏。

随后，在上述无人机10待机充电的过程中，若数据收发模块102再接收到控制指令，且控制模块103判断所接收的控制指令是唤醒指令时，则执行步骤S3。步骤S3：无人机10判断所接收的控制指令为唤醒指令时，结束上述待机模式，停止充电并启动任务执行模式以执行相关的任务。

而当上述无人机10再次接收到待机指令时，则重复上述步骤S1-S3。

本领域普通技术人员应理解，若上述充电系统中仅设有一个充电站点20，则该充电站点20即可视为选定的充电站点。同样地，本领域普通技术人员应理解，上述唤醒操作可采用设置在中央处理器(即控制模块)中的触发器或类似装置而实现。

另外，本领域普通技术人员应理解，本实施例中，上述无人机10还可设有一电量监控模块，其可对上述无人机10的电量使用情况进行实施监控，并在上述无人机10降落在上述选定的充电站点后根据上述无人机的现存电量而选择上述无人机处于停靠并充电的状态，或者处于仅停靠而不充电的状态。具体地，可预先在上述无人机10中存储有一电量阈值，如此，可通过上述电量监控模块比较上述无人机10的现存电量与上述电量阈值之间的比较结果而判断上述无人机在停靠在上述充电平台20后是否需要进行充电操作。

另外，本领域普通技术人员应理解，本实施例中，上述充电方法的步骤S3也可设置成：当控制模块101判断接收到的控制指令为唤醒指令时，其亦可根据上述无人机10的电量情况而判断是否需要结束无人机10的待机模式。例如，若无人机10的电量尚且较低，则控制模块101可控制上述无人机10继续处于待机充电模式，无需转换为任务执行模式；反之，若无人机10的电量较多，则控制模块101可控制上述无人机10结束上述待机充电模式，转为任务执行模式。

显然，采用上述技术方案，可使得无人机在待机间歇既可就近降落停靠，还可以进行充电操作以延长续航时间，充分减少无人机的充电时间，延长其任务执行时间，并避免无人机在飞行过程中出现电量耗尽而坠落的问题，并避免其由于进行无谓的飞行而造成能量消耗。

实施例二：

本实施例相对于实施例一的改进之处在于，本实施例中，为了更准确地对充电站点进行定位，优选地，每个充电站点20中均包括一GPS单元，且无人机10上还设有GPS导航模块，如此，当选定合适的充电站点20后，只需要将上述选定的充电站点20的GPS位置信息发送至无人机10，则无人机10则可在GPS导航模块的引导下飞向所选定的充电站点20。在这种情况下，上述充电站点20也可无需设置识别信标，或者说，此时该充电站点20的GPS信息即相当于其识别信标。

其它结构与实施例一相类似，在此不作赘述。

实施例三：

本实施例与实施例一或实施例二之间的区别在于，本实施例中，上述无人机10上设有一存储认证代码的存储单元，上述充电站点20上设有一可验证上述认证代码是否合法的验证单元。如此，可在无人机10与充电站点20之间建立一套授权认证机制，即无人机10与上述选定的充电站点20之间需要进行无线握手而判断上述无人机10是否获得上述充电站点20的合法授权认证，从而确保操作者认可的无人机能够获得该充电站点的停靠和充电服务，避免未经过认证许可的无人机占用操作者的充电站点的资源。相应地，充电方法中，在实施步骤S2之前，还包括以下操作：通过上述无人机10与上述选定的充电站点20之间的无线握手对接而判断上述无人机10是否获得合法授权认证；若确定已获得合法授权认证，则上述选定的充电站点20允许上述无人机10降落；反之，则上述选定的充电站点20拒绝上述无人机降落。

图5为本实施例利用上述充电系统进行充电的方法流程图。具体地，如图5所示，在无人机10启动待机模式，并选定合适的充电站点20后，其根据所获取的选定的充电站点的相关信息飞行到上述选定的充电站点20附近，然后，利用无人机预先存储的认证代码和充电站点的验证单元而在无人机10和上述充电站点20之间进行无线握手对接，并判断该无人机10是否已获得合法授权；若上述无人机10已获得合法授权，则上述无人机10实施降落操作而降落停靠在上述充电站点20的充电平台202中；反之，则上述无人机10重新选定合适的充电站点20。接着，当上述无人机10停靠在上述充电平台202后，可根据该无人机的电量情况而使其处于停靠并充电的状态或处于仅停靠的状态；然后，当控制单元101接收到唤醒指令时，则控制上述无人机10结束待机状态、启动任务执行状态。

上述充电流程仅为本实施例的一个示例，本领域普通技术人员应理解，上述无线握手认证的操作也可在“选定合适的充电站点”时进行，即无人机启动待机模式而开始选定合适的充电站点时，只有当无人机能够发出经由控制台或者所选定的充电站点验证合法的认证代码时，才能将所选定的充电站点的相关信息发送至上述无人机；反之，则不发送。

另外，本领域普通技术人员应理解，上述认证代码也可无需预先存储在无人机的控制单元中，而是在其选定充电站点后由控制台发送至其上；或者是在其与充电站点无线握手对接时，经由所选定的充电站点发送至其上并利用其预先存储的算法进行运算后得到的结果。

显然，通过增加上述授权认证机制，可有效地对充电站点的使用进行管理，使得仅有通过认证获得合法授权的无人机才能获得充电站点的电力补充服务，避免其它非法无人机盗用操作者的资源。

本实施例的其它内容与实施例一或二相类似，在此不作赘述。

实施例四：

本实施例主要在实施例一或实施例二的基础上，在每个充电站点20上设置可固定停靠在上述充电平台202的无人机的固定装置，避免上述无人机10在充电/停靠时，由于环境的影响，如风力，而发生脱离充电平台202、坠落损毁的问题。

优选的，本实施例中，上述固定装置为设置在上述充电平台202上、产生电磁吸附力的吸附装置，其可通过电磁吸附力而适当地吸附住无人机10。

此外，除上述固定装置外，本实施例相比实施例一和实施例二的另一改进是：在充电站点20上设置有防护机构，从而当上述充电站点20设置在野外时也可防止外物入侵或损坏充电平台202和位于其上的无人机10。具体地，上述防护机构可为防护网、防护罩、防护栏等。

同样地，本实施例的其它内容与实施例一或二或三相类似，在此不作赘述。实施例五：

本实施例主要在实施例一或实施例二或实施例三或实施例四的基础上，将上述多个充电站点中的至少一部分充电站点20设置成可移动的，或者说，将上述至少一个充电站点20设置成可移动的。如此，使得充电站点可移动到各种需要利用无人机执行任务的场合，使得无人机的充电无需受到限制。

具体地，为了使上述可移动的充电站点便于移动，优选的，上述充电站点20上可设有移动机构，例如，设置在上述充电站点下方的移动滚轮或使操作者握持以移动上述充电站点20的把持机构，如把手等。而且，为了使上述充电站点在适当的位置上能够固定，优选地，上述充电站点20还包括一锁定机构以使上述充电站点20能够固定在某个位置，避免意外移动。

此外，为了便于回收上述可移动的充电站点，可在上述可移动的充电站点20上设有GPS单元或声光报警单元或无线信号发生单元，从而可及时将自身位置提示至操作者，确保操作者能够及时找到该充电站点，避免该充电站点丢失。

同样地，本实施例的其它内容与实施例一或二或三或四相类似，在此不作赘述。

综上所述，本发明采用可利用无人机待机间歇进行充电的无人机、无人机充电系统和充电方法，可避免无人机待机时无意义的来回飞行，并有效地延长无人机的续航时间，节约其电源的同时减少充电时间；而且，通过对无人机充电系统的进一步改进，还使得充电站点具有便携式、便于定位等的优点，并使得充电站点的电力使用情况得到管理，可以有选择性地为合法授权的无人机提供停靠和/或充电服务。

最后需要说明的是，上述说明仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，都可利用上述揭示的做法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和简单的替换等，这些都属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (10)

1.一种能够自动充电的无人机，其包括：

用于接收控制指令和发送所收集数据的数据收发模块；

用于解析所接收的控制指令并根据所述控制指令对所述无人机的操作进行控制的控制模块；和

用于为所述无人机提供飞行动力并可重复充电的电源；

其特征在于，所述控制模块在解析所接收的控制指令为待机指令后，控制所述无人机进入待机模式并自动选定合适的充电站点以进行降落和充电；且所述控制模块在解析所接收的控制指令为唤醒指令后，控制所述无人机从所述待机模式转换为任务执行模式。

2.一种能够自动充电的无人机充电系统，包括根据权利要求1所述的无人机和至少一个为所述无人机提供停靠和充电操作的充电站点；

其中，所述充电站点包括具有信息接收和传输功能的通信单元、构成所述无人机充电电源的供电单元和构成所述无人机充电和/或停靠的充电平台。

3.根据权利要求2所述的无人机充电系统，其特征在于，所述电源为无线充电电池，相应的，所述充电平台是与所述无线充电电池相对接的无线充电停靠平台。

4.根据权利要求的2或3所述的无人机充电系统，其特征在于，所述充电站点设有识别信标，该识别信标可为物理信标或无线信标。

5.根据权利要求4所述的无人机充电系统，其特征在于，所述充电站点还包括GPS单元，其用于定位所述充电站点的位置。

6.根据权利要求2或3所述的无人机充电系统，其特征在于，所述无人机还包括存储认证代码的存储单元，所述充电站点还包括用于验证所述认证代码是否合法的验证单元。

7.根据权利要求2或3所述的无人机充电系统，其特征在于，所述充电站点还包括使所述充电站点便于移动的移动机构。

8.一种无人机自动充电方法，其特征在于，所述充电方法包括以下步骤：

(1)无人机解析判断所接收的控制指令为待机指令时，启动待机模式并选定合适的充电站点；

(2)无人机降落在所述选定的充电站点上；

(3)无人机解析判断所接收的控制指令为唤醒指令时，结束所述待机模式并启动任务执行的模式。

9.根据权利要求8所述的充电方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：

A.判断所接收的控制指令为待机指令时，启动待机模式；

B.获取所述无人机的位置信息和所述充电站点的位置信息；

C.根据所述无人机的位置信息和所述充电站点的位置信息，以及所述充电站点的工作状态而选定合适的充电站点。

10.根据权利要求8或9所述的充电方法，其特征在于，所述充电方法在执行步骤(2)之前还包括以下步骤：通过所述无人机与所述选定的充电站点之间的无线握手对接而判断所述无人机是否获得合法授权认证；若确定已获得合法授权认证，则所述选定的充电站点允许所述无人机降落；反之，则所述选定的充电站点拒绝所述无人机降落。