CN105449876A - 一种电力巡线多旋翼飞行器的自主无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力巡线多旋翼飞行器的自主无线充电系统，包括地面监控站、巡线多旋翼飞行器和充电站网络；在巡线过程中，飞行器会实时监测电池组剩余电量，并经过计算分析当前电量是否需要充电。若需要，会利用主控导航模块自主飞往目标充电站，并结合视觉对接和蓝牙4.0辅助对接来完成飞行器与充电站高精度对接；充电站采用基于E类功率放大器逆变方式来传输电能，系统充电效率最高可达80％。待充电完成后，返回原地点继续执行巡线任务，从而确保飞行器长时间执行巡线任务。

Description

一种电力巡线多旋翼飞行器的自主无线充电系统

技术领域

本发明属于电力巡线领域，具体涉及一种电力巡线多旋翼飞行器的自主无线充电系统。

背景技术

随着社会经济的突飞猛进及城市规模的迅猛发展，生活与工业用电需求越来越大。在大用电需求的背后，以超/特高压输电线路(以下简称输电线路)为主骨架的全国互联大电网应运而生，电网规模也越来越大。对输电线路进行定期的检查是保证电网安全运行且最重要最有效的措施。近年来，以无人机为载体的输电线路检测是一种新的巡检方法，在无人机上安装稳定的可见光检测仪与成像仪等载荷，对输电线路进行检查和录像，通过悬停、定点拍照，将设备状况、线路通道等画面实时传送至地面控制台。采用无人飞行器航巡输电线路，可以对输电线路本体缺陷、通道隐患进行快速探测，在各种复杂地形、恶劣气候、灾害天气下，可做到及时、准确、高效地获取现场资料。

由于多旋翼飞行器对起飞场地要求低、机身轻盈、可以轻松实现悬停和快速改变航向，在电力巡线中得到广泛应用。一般说来，一套完整的多旋翼飞行器巡线系统包含几个子系统，分别是飞行器系统、地面站监控中心、通信链路、有效载荷系统。在整个系统中，地面站监控中心为多旋翼飞行器的神经中枢，协调着飞行器与地面工作人员之间的信息交互与控制指令的收发。

但是，多旋翼飞行器在巡线过程中，续航时间在30分钟左右，无法实现自主和长时间巡线任务。目前，有部分组织与人员对野外飞行器自动充电问题进行了设计，如公开号为CN104494833A的中国发明专利“一种能够野外自动充电的智能飞行器系统及其充电方法”。该专利提出当智能飞行器电池电量低时会自动飞往可用充电站进行电能补充。但是，此发明专利存在如下问题：

(1)电池需要充电时机不合适。该智能飞行器在当电池组低于预设值时，才去寻找可充电的充电仓。此时，若可用充电仓离飞行器较远，则飞行器很可能在没有飞行至目标充电仓前电池电量就已耗尽，从而造成炸机等严重问题。

(2)飞行器与目标充电仓对接精确度不够。该飞行器在以高于充电仓的高度利用GPS导航飞行至充电仓上空，之后直接垂直降落。而事实上，GPS导航的精度在2-3m。

(3)该充电仓的设计包含很多机械自动化结构，需要伺服电机，结构复杂，成本太高。且采用有线充电方式，触点的频繁对接，会影响其使用寿命，同时会带来安全隐患。

发明内容

为克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种电力巡线多旋翼飞行器的自主无线充电系统，以使飞行器在巡线过程中会实时计算剩余电量续航时间能否满足飞往最近可用充电站的时间，若检测到电池需要充电时，自主导航飞往最近可用充电站。待充电完成后，返回原地点继续执行巡线任务，从而确保飞行器长时间执行巡线任务。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种电力巡线多旋翼飞行器自主无线充电系统，主要由地面监控站、多旋翼飞行器、充电站网络组成。

地面监控站包含服务器(数据服务中心)和地面监控计算机，并且其内嵌了所有充电站的三维坐标信息。地面监控站通过GPRS网络可以获得飞行器当前位置信息以及所有充电站是否可用信息，并且经过计算分析后，实时将离飞行器最近的可用充电站坐标返回给飞行器。此外，在发生异常的情况下，向飞行器发送命令，远程控制飞行器，从而减少飞行器炸机或者失联等严重问题发生的概率。

多旋翼飞行器除了基本机架和基本设备载体外，还包含电池管理模块、主控导航模块、视觉对接模块、蓝牙4.0辅助对接模块、GPRS模块。

优选的，所述的飞行器电池管理模块主要包含能量接收线圈、充电管理模块。能量接收线圈主要用于高频无线电能的接收，充电管理模块给电池组进行充电，同时还用于实时监测电池电量情况。

优选的，所述的飞行器主控导航模块包含主控模块、捷联惯性和GPS组合导航模块。主控模块为飞行器的核心，用于控制整个飞行器的正常飞行，负责与其他模块的通信，控制各个模块的工作状态。捷联惯性GPS组合导航模块包含惯性测量单元(三轴加速度计、三轴陀螺仪)、三轴磁力计、GPS模块、气压计。

此飞行器导航模块主要用于在飞行器电池需要充电时，利用扩展卡尔曼滤波方法融合各个传感模块的数据，自主飞行至目标充电站。

进一步优选的，所述飞行器的主控导航模块还用于实时计算当前所剩电量的最大飞行距离，并计算飞行器的实时位置与最近的充电站之间的路程，当最大飞行距离减去所述路程的差值小于设定的阈值时，控制飞行器飞行至目标充电站。避免飞行器未到达充电站之前就电量耗尽。

进一步的优选的，所述的主控导航模块还用于控制充电完成后的飞行器飞行至返回充电之前的巡视位置。

优选的，所述的飞行器视觉对接模块包含摄像头模块、超声波测距模块和飞行器从处理器模块。摄像头模块用于飞行器与充电站精确对接过程中获取着陆信标图像，从处理器模块对获取的图像进行处理分析计算后，得出飞行器相对于着陆信标的相对位置和相对姿态，并将结果传输给主控模块。继而主控模块会控制飞行器各个电机转速，做出相应动作。超声波测距模块主要用于在对接过程中，实时获取飞行器与充电站的垂直距离。

优选的，所述的飞行器蓝牙4.0辅助对接模块主要用于当充电站着陆信标上存在遮挡物或者视觉对接模块发生故障时，即当视觉对接模块无法获取完整的着陆信标图像时，获取安装在充电站上的多个蓝牙4.0信号发射器发射的信号强度，并根据各个信号强度的不同，做出相应的飞行动作。同时，在对接完成后，此辅助模块还用于与充电站的通信，通知充电站其已经进入充电就绪状态，充电站开始充电。在充电完成后，通知充电站其已经进入充电完成状态，充电站停止充电，从而节约电能。因此，此辅助模块不但用于飞行器与充电站的通信，而且可以提高对接系统的抗干扰性。

优选的，所述飞行器GPRS模块主要用于与地面监控站的数据传输。飞行器会实时将当前姿态信息以及坐标信息发送给地面监控站，并得到离自身最近的可用充电站坐标信息以及在异常情况下的飞行控制命令。同时，在飞行器与目标充电站完成对接后，经过地面监控站，发送开始或停止充电命令给充电站。由于飞行器与地面监控站通信数据量并不大，且飞行器与地面监控站距离较远，并结合电力巡线的实际复杂地理状况，而目前GPRS网络几乎覆盖了祖国的各个角落，因此非常适合巡线飞行器与地面监控站通信。

因此，结合前文，飞行器与充电站的通信方式有两种，当一种方式发生故障时仍可正常工作，提高了系统的抗干扰性。

充电站网络由分布在电力线沿线附近的若干个充电站组成。每个充电站包含电源模块、主控模块、能量发射模块、GPRS模块、蓝牙4.0通信模块、多个蓝牙4.0信号发射器、着陆信标。且每个充电站有独一无二的网络编号。电源模块主要用于充电站各个模块的供电。主控模块主要用于负责与蓝牙4.0模块的通信、控制能量发射模块的工作状态。能量发射模块主要包含发射线圈和DC-AC逆变模块。GPRS模块主要用于与地面监控站无线通信，将充电站可用情况实时发送给地面监控站，同时当飞行器与充电完成后，还用于接收开始充电或停止充电命令。蓝牙4.0通信模块用于与飞行器与充电站的通信，接收充电指示命令。多个蓝牙4.0发射器主要用于发射无线电信号，为飞行器蓝牙4.0辅助对接系统的重要组成部分。着陆信标主要用于飞行器与充电站视觉对接，此信标设计应满足与周围环境相比特征明显，且飞行器易识别其特征和易计算飞行器与着陆信标相对姿态的条件。

作为优选，所述飞行器视觉对接摄像头模块安装在飞行器机架中心正下方，并且摄像头垂直向下，超声波测距模块安装在机架正下方即可，且探头垂直向下。两者与机架均为固连。飞行器还应包含起落架，所述电池管理能量接收线圈安装在飞行器中心正下方，且与起落架固连，水平放置，此外，不干扰视觉对接摄像头模块采集着陆信标。所述飞行器蓝牙4.0辅助对接模块安装在飞行器正中心。

作为优选，所述充电站多个蓝牙4.0信号发射器个数为3个，且三个发射器为等边三角形三个顶点，组成小型定位网络。所述充电站能量发射线圈中心与着陆信标中心、多个蓝牙信号发射器组成等边三角形的中心重合，且发射线圈安装在充电站底座上，着陆信标安装在充电站表面上。所述充电站DC-AC逆变模块采用基于E类功率放大器逆变方式。E类功率放大器具有电路结构简单、效率高等优点。充电站能量发射线圈与飞行器能量接收线圈采用近距离耦合方式。整个系统充电效率最高可达80％。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明所述的电力巡线多旋翼飞行器自主无线充电系统检测电池电量不足条件更为合理，在电量不足时，自主飞行至目标充电站充电，充电完成后，返回原地点继续执行巡线任务，从而实现了飞行器的自动化长时间巡线。

(2)本发明充电站结构简单，无需复杂的机械伺服结构，适合野外多点投放安装。并且本发明采用无线充电方式，没有充电触电，使用寿命长，避免安全隐患，同时兼顾美观性。

(3)本发明飞行器与充电站对接采用多种组合方式，在主要对接方式失效时，仍可以完成对接工作，提高了系统的抗干扰性，同时提高了对接精度，有利于后续高效无线充电。

(4)本发明地面监控站、巡线飞行器、充电站网络之间均可以通过GPRS网络通信，覆盖范围广，在复杂的地理条件下仍可以正常工作。

附图说明

图1为多旋翼飞行器结构示意图；

图2为充电站结构示意图；

图3为整个系统工作流程图；

图4为巡线多旋翼飞行器与充电站对接流程图；

图5为视觉导航图像处理与位姿解算流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

电力巡线多旋翼飞行器自主无线充电系统包含地面监控站、多旋翼飞行器、充电站网络。

如图1所示，本实施例中的多旋翼飞行器除了基本机架和基本设备载体外，还包含电池管理模块1、主控导航模块2、视觉对接模块3、蓝牙4.0辅助对接模块4、GPRS模块5。

电池管理模块1除了图中所示的能量接收线圈8，还包含充电管理模块。其主要用于给飞行器电池组充电，同时还用于实时监测电池电量情况。能量接收线圈8安装在飞行器中心正下方，且与起落架固连，水平放置。

主控导航模块2包含主控模块、捷联惯性和GPS组合导航模块。主控模块为飞行器的核心，用于控制整个飞行器的正常飞行，负责与其他模块的通信。捷联惯性GPS组合导航模块包含惯性测量单元(三轴加速度计、三轴陀螺仪)、三轴磁力计、GPS模块、气压计。此飞行器导航模块主要用于在飞行器电池需要充电时，利用扩展卡尔曼滤波方法融合各个传感模块的数据，自主飞行至目标充电站。

视觉对接模块3除了包括图1所示的摄像头模块6、超声波测距模块7，还包括飞行器从处理器模块。视觉对接模块3主要用于实现飞行器与充电站的精确对接。摄像头模块6安装在飞行器机架中心正下方，并且摄像头垂直向下，超声波测距模块7安装在机架正下方即可，且探头垂直向下。两者与机架均为固连。

蓝牙4.0辅助对接模块4主要用于当视觉对接模块工作失效时来完成飞行器与充电站的对接工作。同时，与充电站进行通信，从而来控制无线充电的开始与停止。因此，此辅助模块不但用于飞行器与充电站的通信，而且可以提高对接系统的抗干扰性。

GPRS模块5主要用于与地面监控站的数据传输。飞行器会实时将当前姿态信息以及坐标信息发送给地面监控站，并得到离自身最近的可用充电站坐标信息以及在异常情况下的飞行控制命令。同时，在飞行器与目标充电站完成对接后，经过地面监控站，发送开始或停止充电命令给充电站。

如图2所示，充电站包含电源模块11、主控模块12、GPRS模块13、能量发射模块14、蓝牙4.0通信模块15、3个蓝牙4.0信号发射器20、着陆信标16、充电站表面17、充电底座18。电源模块11主要用于充电站各个模块的供电。主控模块12主要用于负责与蓝牙4.0通信模块15的通信、控制能量发射模块14的工作状态。能量发射模块14主要包含能量发射线圈19和DC-AC逆变模块。GPRS模块13主要用于与地面监控站无线通信，将充电站可用情况实时发送给地面监控站，同时当飞行器与充电完成后，还用于接收开始充电或停止充电命令。蓝牙4.0通信模块15用于与飞行器与充电站的通信，接收充电指示命令。多个蓝牙4.0发射器20主要用于发射无线电信号。着陆信标16主要用于飞行器与充电站视觉对接。

充电站能量发射线圈19中心与着陆信标16中心、多个蓝牙4.0信号发射器20组成的等边三角形的中心重合，且发射线圈19安装在充电站底座18上，着陆信标16安装在充电站表面17上。充电站DC-AC逆变模块采用基于E类功率放大器逆变方式。E类功率放大器具有电路结构简单、效率高等优点。充电站能量发射线圈与飞行器能量接收线圈采用近距离耦合方式。整个系统充电效率最高可达80％。

如图3所示，电力巡线多旋翼飞行器自主无线充电系统工作流程，包括以下步骤：

(1)电力巡线过程实时监测飞行器电池组剩余电量；

(2)发送当前坐标至地面监控站并获取最近可用充电站；

(3)根据预设飞行速度和耗电速度，计算导航至目标充电站所需时间；

(4)判断剩余电量续航时间能否满足导航时间，即判断电池是否需要充电，若是，执行步骤(5)，否则，执行步骤(1)；

(5)将此时所在位置标定为中断位置，并进行捷联惯性和GPS组合导航；

(6)是否已导航至目标充电站，若是执行步骤(7)，否则，执行步骤(5)；

(7)进行视觉导航对接和蓝牙4.0辅助对接；

(8)判断对接是否完成，若是，执行步骤(9)，否则，执行步骤(7)；

(9)通过蓝牙4.0通信和GPRS网络，通知充电站其已经进入充电就绪状态，进行无线充电，充电过程实时监测电池组电量；

(10)判断充电是否已经完成，若是，执行步骤(11)，否则，重复步骤(10)；

(11)通知充电站停止充电，飞行器返回中断位置继续执行巡线任务。

如图4所示，巡线飞行器与充电站对接流程为：

(a)飞行器开始视觉对接过程，进入搜索模式，飞行器按照指定规划路线寻找着陆信标；

(b)检测视觉对接模块是否可以正常工作，若是，执行步骤(c)，否则执行步骤(g)；

(c)检测到着陆信标，进入跟踪模式；

(d)计算飞行器与充电站着陆信标相对位置与相对姿态；

(e)调整飞行器电机转速，使飞行器中心与着陆信标中心重合，判断相对偏差是否低于指定值，若是，进入步骤(f)，否则，重复步骤(e)；

(f)进入着陆模式，飞行器开始缓慢降低飞行高度，期间，保持飞行器中心与着陆信标中心(多个蓝牙4.0发射器中心)重合，若与充电站距离小于指定值，进入步骤(h)，否则，重复步骤(f)；

(g)开启蓝牙4.0辅助对接过程，获取充电站蓝牙4.0信号发射器发射的信号强度，并计算飞行器与各个发射节点之间的距离；执行步骤(e)

(h)飞行器电机停止转动，对接完成。

如图5所示，视觉导航图像处理与位姿解算流程为：

(a)摄像头采集图像，执行步骤(b)；

(b)图像预处理，包含图像灰度化、图像去噪、图像二值化，执行步骤(c)；

(c)进行图像特征检测，执行步骤(c)；

(d)进行相对位置和相对姿态解算，解算流程完成。

以上仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力巡线多旋翼飞行器的自主无线充电系统，包括飞行器、若干个充电站和地面监控站，其特征在于：

所述的充电站包括：

着陆信标，用于为飞行器的着陆充电提供视觉对接信息；

能量发射模块，用于通过能量发射线圈为飞行器提供无线充电；

所述的飞行器包括：

电池管理模块，用于实时监测电池电量并与所述能量发射模块连接充电；

主控导航模块，用于监测飞行器的实时位置并从所述的地面监控站获取距离飞行器最近的充电站坐标；

视觉对接模块，用于获取所述的视觉对接信息以确定飞行器的着陆位置。

2.如权利要求1所述的自主无线充电系统，其特征在于，所述的充电站还包括第一GPRS模块，用于接收所述地面监控站的充电操作指令以及向地面监控站发送对应充电站的可用情况。

3.如权利要求2所述的自主无线充电系统，其特征在于，所述的充电站还包括蓝牙4.0通信模块，用于与飞行器与充电站的通信，接收充电指示命令。

4.如权利要求3所述的自主无线充电系统，其特征在于，所述的充电站还包括多个蓝牙4.0发射器，用于向飞行器发送着陆辅助信号。

5.如权利要求1所述的自主无线充电系统，其特征在于，所述飞行器的主控导航模块还用于实时计算当前所剩电量的最大飞行距离，并计算飞行器的实时位置与最近的充电站之间的路程，当最大飞行距离减去所述路程的差值小于设定的阈值时，控制飞行器飞行至目标充电站。

6.如权利要求5所述的自主无线充电系统，其特征在于，所述的飞行器还包括蓝牙4.0辅助对接模块，用于获取安装在充电站上的多个蓝牙4.0信号发射器发射的信号强度，并根据各个信号强度的不同，做出相应的飞行动作。

7.如权利要求6所述的自主无线充电系统，其特征在于，所述的蓝牙4.0辅助对接模块还用于与所述充电站之间的通信。

8.如权利要求7所述的自主无线充电系统，其特征在于，所述的飞行器还包括第二GPRS模块，用于与地面监控站的数据传输，实时将当前姿态信息以及坐标信息发送给地面监控站，并得到离自身最近的可用充电站坐标信息以及在异常情况下的飞行控制命令。

9.如权利要求8所述的自主无线充电系统，其特征在于，所述的视觉对接模块包括：

摄像头模块，用于飞行器与充电站对接过程中获取着陆信标图像；

超声波测距模块，用于在对接过程中，实时获取飞行器与充电站的垂直距离。

10.如权利要求1所述的自主无线充电系统，其特征在于，所述的主控导航模块还用于控制充电完成后的飞行器飞行至返回充电之前的巡视位置。