CN106992573B - 多旋翼无人机充电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多旋翼无人机充电系统及方法，包括地面端和多旋翼无人机端，所述地面端包括控制子系统、充电板以及充电板上的多个按键；所述多旋翼无人机端包括起落架以及设置在所述起落架上的取电装置；所述控制子系统通过继电器与所述充电板电连接，当所述起落架上的取电装置与所述多个按键中任意两个按键接触时，所述控制子系统控制所述继电器接通电源模块以使得所述任意两个按键通电，当所述多旋翼无人机中的锂电池充电完成时，所述控制子系统控制所述继电器以使得所述充电板断电。本发明可实现多旋翼无人机的快速充电，提高其作业的效率，减轻人力资源的消耗，提高多旋翼无人机的智能化程度，加快了智能社会的建设步伐。
Description
技术领域
本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种多旋翼无人机充电系统及方法。
背景技术
随着电子技术和航天技术的发展，多旋翼无人机技术得到了快速发展，其应用领域已经从军事领域拓展到民用领域，尤其是被广泛应用于民用领域的农业、林业、电力、安防等方面。
在无人机应用范围越来越广的同时，市场上也出现繁多的无人机种类，按照其飞行原理主要可分为固定翼、直升机、多旋翼三种。但这些无人机都存在一个明显的问题——续航能力有限，影响续航能力的主要因素是无人机电池。特别是多旋翼无人机，其电机多，耗电量大，续航时间相对最短；但是由于其机械结构比较简单，没有复杂的传动机构，同时也能够垂直起降，并且能够轻松实现悬停、侧飞和倒飞等运动，具有很强的机动性，因此得到人们的青睐。
目前多旋翼无人机主要采用锂电池作为主要动力，还处于原始的人工接线充电方式，使用多旋翼无人机专用充电器连接电池进行充电，每次至少充电一小时以上，存在智能化低，必须人工看管的问题，直接影响了多旋翼无人机作业的效率。多旋翼无人机的相关技术特别是自主充电技术的发展，直接影响了多旋翼无人机智能应用的发展，然而，目前还没有多旋翼无人机自主地进行自主充电的相关技术和产品。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种多旋翼无人机充电系统及方法，实现多旋翼无人机的快速充电，提高其作业的效率，减轻人力资源的消耗，提高多旋翼无人机的智能化程度，加快了智能社会的建设步伐。
为达到上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
一方面，本发明是实施例提供一种多旋翼无人机充电系统，包括地面端和多旋翼无人机端，所述地面端包括控制子系统、充电板以及充电板上的多个按键；所述多旋翼无人机端包括起落架以及设置在所述起落架上的取电装置；所述控制子系统通过继电器与所述充电板电连接，当所述起落架上的取电装置与所述多个按键中任意两个按键接触时，所述控制子系统控制所述继电器接通电源模块以使得所述任意两个按键通电，当所述多旋翼无人机中的锂电池充电完成时，所述控制子系统控制所述继电器以使得所述充电板断电。
可选的，所述控制子系统包括主控模块、按键检测模块、锂电池检测模块以及通信模块；其中，所述主控模块与所述按键检测模块电连接，所述按键检测模块用于判断所述多旋翼无人机是否已经落到充电板上且按下两个按键，所述主控模块用于根据所述按键检测模块测得的数据进行所述继电器的控制；所述主控模块分别与所述锂电池检测模块、通信模块电连接，所述主控模块根据所述锂电池检测模监测的电池状态以及所述通信模块与多旋翼无人机通信获取的电池电量信息进行所述继电器的控制。
可选的，所述多旋翼无人机端还包括平衡充电模块，所述平衡充电模块固定于所述多旋翼无人机上，当所述取电装置与所述多个按键中任意两个按键接触时，所述平衡充电模块通过所述取电装置与所述充电板电连接，将从所述充电板上取来的电作为电源给与所述平衡充电模块电连接的锂电池。
可选的，所述电源模块包括AC-DC电源适配器以及静态电流降压调节器，所述AC-DC电源适配器的输入端与220V交流电连接，所述AC-DC电源适配器的输出端通过输入过压过流保护电路与所述静态电流降压调节器的电压输入端连接，静态电流降压调节器的电压输出端设置有输出过压过流保护电路。
可选的，所述充电板包括多个小方格子，每个小方格子内设置有一个按键，所述按键顶部为导电介质，所述小方格子的相对的两边各自设置有一锥形体以确保每次只有一个按键被按下，所述锥形体为导电介质。
可选的，所述小方格子的壁设置有绝缘介质。
可选的，所述取电装置上布置有两个金属触点，所述金属触电会在压力的作用下按下所述充电板上对应的两个按键。
可选的，所述取电装置为按键式X结构体。
可选的，所述充电板上设置有防接反装置以使得所述取电装置的电极正反接触所述充电板上的按键都可以给所述锂电池充电。
另一方面，本发明实施例还提供了一种多旋翼无人机充电方法，应用于上述的多旋翼无人机充电系统，所述方法，包括：当作业过程中检测到电量低时，多旋翼无人机降落到最近的充电板上；当所述多旋翼无人机的取电装置与所述充电板的按键接触时，多旋翼无人机锁定充电板进行充电；当检测到多旋翼无人机中的锂电池充电完成时，对所述充电板断电且多旋翼无人机解锁。
本发明实施例提供的多旋翼无人机充电系统及方法，通过：当所述起落架上的取电装置与所述多个按键中任意两个按键接触时，所述控制子系统控制所述继电器接通电源模块以使得所述任意两个按键通电，当所述多旋翼无人机中的锂电池充电完成时，所述控制子系统控制所述继电器以使得所述充电板断电。实现了多旋翼无人机的快速充电，提高多旋翼无人机作业的效率，减轻人力资源的消耗，提高多旋翼无人机的智能化程度，加快了智能社会的建设步伐。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多旋翼无人机充电系统整体框图；
图2为本发明实施例的充电系统主控模块硬件框图；
图3为本发明实施例的充电系统电源模块设计原理图；
图4为本发明实施例的充电系统按键式充电板示意图；
图5为本发明实施例的充电系统按键盒设计示意图；
图6为本发明实施例的充电系统充电板按键的电路连接示意图；
图7为本发明实施例的充电系统取电装置示意图；
图8为本发明实施例的充电系统无人机上电源线路连接示意图；
图9为本发明实施例的充电系统软件总体框图；
图10为本发明实施例的充电系统充电过程流程图。
具体实施方式
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种多旋翼无人机充电系统及方法，实现多旋翼无人机的快速充电，提高其作业的效率，减轻人力资源的消耗，提高多旋翼无人机的智能化程度，加快了智能社会的建设步伐。
为了使得本领域技术人员更好的理解本发明实施例提供的多旋翼无人机充电系统，现对无人机相关的内容进行详细的说明。
无人机为无人驾驶飞机(Unmanned Aerial Vehicles)，是指利用无线电程序控制装置操纵的不载人飞机。与很多其他的飞行器一样，无人用力来实现起降及各种姿态的飞行，并且可承受一定程度的载荷。无人机上设置有支撑无人机的脚架，该脚架被称为起落架无人机内设置有无人机电池，用于给无人机操作供电，一般使用锂离子聚合物电池(Lithium-ion Polymer Battery,Lipo,简称锂电池)。一般的参数有电压，放电倍率，充电倍率，容量。
在本申请实施例中，采用锂电池给作为无人机电池，以常规3S/2200mAh/25C放电/5C充电锂电池为例，3S(S串联)代表这个就是3个电芯串联起来的电池，单个电芯正常起点电压是3.7V，充满截止电压为4.2V，这个电池就是11.1V起电压，充满就是12.6V，容量就是2200mAh，25C放电，表示这个航模电池可以以25*2200mA＝55A最大电流放电。5C充电就是52200mA＝11A最大电流充电。锂电池一般属于高倍率电池，可以给多旋翼提供动力。
如图1所示，本发明实施例提供的多旋翼无人机充电系统，包括：地面端100和多旋翼无人机端200。其中，
所述地面端100包括控制子系统101、充电板102以及充电板102上的多个按键。
所述多旋翼无人机端200包括起落架201以及设置在所述起落架上的取电装置202。
所述控制子系统101通过继电器103与所述充电板102电连接，当所述起落架201上的取电装置202与所述多个按键中任意两个按键接触时，所述控制子系统101控制所述继电器103接通电源模块104使得所述任意两个按键通电，当所述多旋翼无人机中的锂电池充电完成时，所述控制子系统控制所述继电器103以使得所述充电板102断电。
本发明实施例提供的多旋翼无人机充电系统通过：当所述起落架上的取电装置与所述多个按键中任意两个按键接触时，所述控制子系统控制所述继电器接通电源模块以使得所述任意两个按键通电，当所述多旋翼无人机中的锂电池充电完成时，所述控制子系统控制所述继电器以使得所述充电板断电。实现了多旋翼无人机的快速充电，提高多旋翼无人机作业的效率，减轻人力资源的消耗，提高多旋翼无人机的智能化程度，加快了智能社会的建设步伐。
可选的，在一实施例中，如图1所示，所述控制子系统101包括主控模块301、按键检测模块302、锂电池检测模块303以及通信模块304；其中，所述主控模块301与所述按键检测模块302电连接，所述按键检测模块302用于判断所述多旋翼无人机是否已经落到充电板上且按下两个按键，所述主控模块301用于根据所述按键检测模块302测得的数据进行所述继电器103的控制；所述主控模块301分别与所述锂电池检测模块303、通信模块304电连接，所述主控模块301根据所述锂电池检测模块303监测的电池状态以及所述通信模块304与多旋翼无人机通信获取的电池电量信息进行所述继电器103的控制。可选的，在一实施例中，如图1所示，所述多旋翼无人机端还包括平衡充电模块203，所述平衡充电模块203固定于所述多旋翼无人机上，当所述取电装置202与所述多个按键中任意两个按键接触时，所述平衡充电模块203通过所述取电装置与所述充电板102电连接，将从所述充电板102上取来的电作为电源给与所述平衡充电模块203电连接的锂电池204。
本发明实施例提供的多旋翼无人机充电系统通过：当所述起落架上的取电装置与所述多个按键中任意两个按键接触时，所述控制子系统控制所述继电器接通电源模块以使得所述任意两个按键通电，当所述多旋翼无人机中的锂电池充电完成时，所述控制子系统控制所述继电器以使得所述充电板断电。实现了多旋翼无人机的快速充电，提高多旋翼无人机作业的效率，减轻人力资源的消耗，提高多旋翼无人机的智能化程度，加快了智能社会的建设步伐。
如图2-8所示，本发明实施例提供的多旋翼无人机充电系统，其中的地面端包括由主控模块、锂电池检测模块、按键检测模块构成的控制子系统、通信模块、电池模块，以及充电板。下面对上述的模块进行详细的说明。
如图2所示，所述主控模块，可以采用ARM Cortex-M4为核心处理器的32位控制器，完成系统的控制与协调功能，将按键检测模块与锂电池检测模块输入的信号转化为对继电器的控制命令。所述按键检测模块，通过I/O接口与所述主控模块连接，按键检测模块可以判断无人机是否已经落到充电板上且按下了两个按键，主控模块对按键检测模块测得的数据进行分析，随后当分析得到无人机已经落到充电板上且按下两个按键的时候控制继电器接通电源，按键通电。所述锂电池检测模块，通过SMBUS接口与所述主控模块连接，与无人机端的平衡充电模块共同作用，实时监测电池的状态，主控模块对锂电池检测模块测得的数据进行分析，随后当分析得到电池充满时，主控模块再次向充电板发送信号，充电板断电。所述通信模块，包括无线通信模块、服务器通信模块和人机交互模块。无线通信模块负责与无人机通信，监视无人机飞行状态，服务器模块负责与服务器通信，将无人机状态信息、电池电量信息、充电状态信息等传输给服务器，人机交互模块负责实时显示系统运行状态。
如图3所示，所述电源模块包括AC-DC电源适配器以及静态电流降压调节器，所述AC-DC电源适配器的输入端与220V交流电连接，将220V交流转换为18V直流电，所述AC-DC电源适配器的输出端通过输入过压过流保护电路与所述静态电流降压调节器的电压输入端连接，静态电流降压调节器的电压输出端设置有输出过压过流保护电路。主要完成系统所需电源的分配工作，电源适配器输入日常的220V交流电输出18V直流电，然后通过转换电路给控制电路以及充电板102供电。在本实施例中，所述输入过压过流保护电路由串联的熔丝F1与二极管D1组成，所述输出过压过流保护电路由串联的熔丝F2与二极管D2组成，用于保护检测仪各个模块不受电源故障的影响，提高系统的稳定性。在本实施例中，所述静态电流降压调节器可以采用以LTC1771为核心的控制器，该控制器的引脚STM32F1_EN作为LTC1771F电源输出的控制使能脚，该控制信号来源于一键开关机模块，当该控制信号为高电平时，系统输出3.3V电源(开机状态)，当该控制信号为低电平时，系统无输出(关机状态)。
如图4-6所示，所述充电板102包括多个小方格子1021，每个小方格子1021内设置有一个按键41，所述按键41顶部为导电介质411，按键41底部有导线与继电器103连接，同时继电器103引出两条线，一条连接主控模块301的IO口作为信号线，一条接电源模块中的18V的直流电(或接地)电源线，默认情况下继电器103开关打到信号线端。所述小方格子1021的相对的两边各自设置有一锥形体1022以确保每次只有一个按键被按下，所述锥形体为导电介质。所述小方格子1021的壁设置有绝缘介质1023。
如图7所示，所述取电装置202上布置有两个金属触点2021，所述金属触电2021会在压力的作用下按下所述充电板上对应的两个按键。进一步的，为了确保按键的性能，仿照X结构的键盘设计了按键式X结构体作为所述取电装置，由于是X结构体，在按压上按键时所受压力比较平均不会发生卡键的情况。
具体的，当无人机降落到充电板上，起落架上固定的金属触点会在重力作用下按压按键，由于按键所在的方格顶部设计为锥形，因此可以保证金属触点落到方格边缘时能够滑到按键上，方格顶部的锥形为导电介质，并始终接通3.3V电源，默认情况下按键键面的导电介质(优选铜片)会与顶部的锥形相接触，因此与之相连的IO口为高电平；当按键被按下后，由于方格四壁为绝缘材料，单片机(主控模块)相应的IO口会产生电平变化，单片机能够判断是哪一个按键被按下。按键被按下之后，继电器开关打到电源端。于是取电装置可以从取到电位差为18V的直流电到平衡充电模块。
一实施例中，如图8所示，所述充电模块固定在无人机上，将从所述充电板上取来的电作为电源，所述平衡充电模块、锂电池以及无人机电源的连接示意图如图8所示。所述平衡充电模块是一种能为串联锂电池充电的充电模块，能使串联的各节锂电池达到彼此之间相对平衡。使用所述平衡充电模块充电，能使所述锂电池的寿命增长、并能在使用过程中加大电池的用电时间。所述平衡充电模块在充电的同时能够检测所述锂电池的电压，并在电池充满以后自动停止充电。
本发明一实施例还提供了一种多旋翼无人机充电方法，应用于上述实施例中所描述的多旋翼无人机充电系统，如图9所示，所述方法，包括：
S1、当作业过程中检测到电量低时，多旋翼无人机降落到最近的充电板上；
S2当所述多旋翼无人机的取电装置与所述充电板的按键接触时，多旋翼无人机锁定充电板进行充电；
其中，锁定指的是无人机上电后默认处于锁定状态，即锁定电机输出，禁止转动。
S3当检测到多旋翼无人机中的锂电池充电完成时，对所述充电板断电且多旋翼无人机解锁。
其中，解锁指的是解锁电机，电机开始转动。
值得说明的是，上述方法在系统软件层面来说是由图10所示的系统软件所构成的。
所述系统软件采用应用层、抽象层和底层驱动层3层的层次结构，以数据结构为核心的软件设计思想。任务处理上采用有限状态机模型，保证各任务的执行时间已知。编程方法上采用面向对象的结构化编程方法。
所述底层驱动软件库主要完成系统的硬件模块的驱动功能，包括CPU的各个外设模块和主控制器的外围硬件芯片的驱动等。
所述抽象层主要是操作系统与所述底层驱动软件库之间的连接层，所述操作系统对硬件操作具有一定的格式要求，而所述底层驱动软件库针对不同的硬件平台，具有不同的格式形式，因此，采用所述抽象层屏蔽所述操作系统与所述底层驱动软件库之间的差别，提高系统的可移植性和可扩展性。
所述系统初始化和自检主要完成系统硬件平台的初始化和检验工作，保证所述操作系统启动前，硬件平台的各个功能模块的正常，防止硬件异常导致的操作系统任务异常，避免错误扩大化。
本发明实施例提供的多旋翼无人机充电系统及方法，通过：当所述起落架上的取电装置与所述多个按键中任意两个按键接触时，所述控制子系统控制所述继电器接通电源模块以使得所述任意两个按键通电，当所述多旋翼无人机中的锂电池充电完成时，所述控制子系统控制所述继电器以使得所述充电板断电。实现了多旋翼无人机的快速充电，提高其作业的效率，减轻人力资源的消耗，提高多旋翼无人机的智能化程度，加快了智能社会的建设步伐。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种多旋翼无人机充电系统，其特征在于，包括地面端和多旋翼无人机端，所述地面端包括控制子系统、充电板以及充电板上的多个按键；所述多旋翼无人机端包括起落架以及设置在所述起落架上的取电装置；
所述控制子系统通过继电器与所述充电板电连接，当所述起落架上的取电装置与所述多个按键中任意两个按键接触时，所述控制子系统控制所述继电器接通电源模块以使得所述任意两个按键通电，当所述多旋翼无人机中的锂电池充电完成时，所述控制子系统控制所述继电器以使得所述充电板断电；
所述电源模块包括AC-DC电源适配器以及静态电流降压调节器，所述AC-DC电源适配器的输入端与220V交流电连接，将220V交流转换为18V直流电，所述AC-DC电源适配器的输出端通过输入过压过流保护电路与所述静态电流降压调节器的电压输入端连接，静态电流降压调节器的电压输出端设置有输出过压过流保护电路，电源适配器输入日常的220V交流电输出18V直流电，然后通过转换电路给控制电路以及充电板供电；
所述充电板包括多个小方格子，每个小方格子内设置有一个按键，所述按键顶部为导电介质，按键底部有导线与继电器连接，同时继电器引出两条线，一条连接主控模块的IO口作为信号线，一条接电源模块中的18V的直流电或接地电源线，默认情况下继电器开关打到信号线端，所述小方格子的相对的两边各自设置有一锥形体以确保每次只有一个按键被按下，所述锥形体为导电介质。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制子系统包括主控模块、按键检测模块、锂电池检测模块以及通信模块；其中，
所述主控模块与所述按键检测模块电连接，所述按键检测模块用于判断所述多旋翼无人机是否已经落到充电板上且按下两个按键，所述主控模块用于根据所述按键检测模块测得的数据进行所述继电器的控制；
所述主控模块分别与所述锂电池检测模块、通信模块电连接，所述主控模块根据所述锂电池检测模监测的电池状态以及所述通信模块与多旋翼无人机通信获取的电池电量信息进行所述继电器的控制。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多旋翼无人机端还包括平衡充电模块，所述平衡充电模块固定于所述多旋翼无人机上，当所述取电装置与所述多个按键中任意两个按键接触时，所述平衡充电模块通过所述取电装置与所述充电板电连接，将从所述充电板上取来的电作为电源给与所述平衡充电模块电连接的锂电池。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述小方格子的内壁设置有绝缘介质。
5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述取电装置上布置有两个金属触点，所述金属触点会在压力的作用下按下所述充电板上对应的两个按键。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述取电装置为按键式X结构体。
7.根据权利要求1的系统，其特征在于，所述充电板上设置有防接反装置以使得所述取电装置的电极正反接触所述充电板上的按键都可以给所述锂电池充电。
8.一种多旋翼无人机充电方法，其特征在于，应用于权利要求1-7任一项所述的多旋翼无人机充电系统，所述方法，包括：
当作业过程中检测到电量低时，多旋翼无人机降落到最近的充电板上；
当所述多旋翼无人机的取电装置与所述充电板的按键接触时，多旋翼无人机锁定充电板进行充电；
当检测到多旋翼无人机中的锂电池充电完成时，对所述充电板断电且多旋翼无人机解锁。
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