CN107394873A - 一种电力巡检无人机的全自动环保无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力巡检无人机的全自动环保无线充电系统，包括地面监控中心、若干充电平台及分别装于无人机上的电池管理模块、电能接收模块、视觉着陆模块、第一反馈控制模块。所述充电平台设置在杆塔上，由复合供电模块、电能发射模块、第二反馈控制模块、应变片压力传感器及圆环标识组成。所述地面监控中心，与无人机端、充电平台端的反馈控制环节联系，接收电池电量、充电开始及结束信息，同时负责处理视觉着陆模块提供的数据，发出控制指令。在巡线过程中，无人机发出电量不足警报时，可飞往最近的杆塔，自主与平台进行精准对接，启动充电平台，完成充电，充电结束后，智能关闭各端电路。本发明为无人机自动化巡检作业提供了可行性。
Description
技术领域
本发明涉及电力巡检与无人机充电、自控交叉领域，尤其是指一种电力巡检无人机的全自动环保无线充电系统。
背景技术
随着近几年国民经济的迅猛发展，我国配电线路公里数同比不断增加，过去依靠人工逐个杆塔巡视的作业方法，巡线工作量大、复杂的地理环境给巡视人员带来未知的安全风险，消耗了大量的人力和资源。无人机作为近年来新型技术之一，运用于输电线路巡检的设想已经得到了具体的实现，然而，无人机巡检在续航方面的问题依然存在较大的改善空间，是阻碍自动化巡检作业广泛推行的重要原因之一。
现有的多旋翼无人机，续航时间在30分钟左右，在电力巡线高度较高、室外温度较高的情况下，电能损耗速度更为加快，因此，无法实现长时间巡线任务。目前，已有部分组织人员对无人机充电平台进行设计研究，如公开号为CN105449876A的中国发明专利“一种电力巡线多旋翼飞行器自主无线充电系统”，提出飞行器电量不足时可以自行飞往平台进行充电，但是，此发明专利存在如下问题：
1、供电蓄电池需要随时更换。该发明设计的充电平台需要实时更换蓄电池，以供应电能传输，未考虑电力线所在地区城建障碍较少、自然资源丰富的地理优势；此外，无线传能本身存在效率偏低的缺点，蓄电池能量利用率低、更换频繁，不利于节能环保。
2、无人机电能接收线圈设置不当。该发明专利将副边的电能接收线圈设计在无人机最底部支脚处，线圈与无人机机身之间存在极大空档，整体结合性差，副边电路的引线大量暴露在外，影响产品的稳定性和寿命，无人机的飞行平衡性变差，线圈在频繁与平台的直接接触中也容易造成损坏。同时在巡线过程中，底部线圈会成为机载摄像头的视线障碍，使得巡线质量大大下降。
3、充电平台布局不合理。该发明设计的充电平台放置在离开电网杆塔处，需要考虑飞行器在飞往平台(或返回)过程中消耗的电能，降低了续航时间在巡线工作上的利用率；同时，平台放置在水平地面上，在电网设备存在一定高度的环境下，降落过程视线障碍较多；该发明为解决返回原巡检地点和有视线障碍的问题，在主控模块中加入了返航程序，各端也另加了多个信号发射器、辅助对接模块，结构复杂，可靠性不高，易产生电磁兼容问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种电力巡检无人机的全自动环保无线充电系统，在巡线过程中，无人机发出电量不足警报时，可飞往最近的杆塔，自主与本系统设计的充电平台进行精准对接，启动充电平台，以风光互补的清洁能源为主供电，通过磁耦合谐振式无线传能，完成充电，而充电结束后，智能关闭各端电路，这为无人机自动化巡检作业提供了可行性。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种电力巡检无人机的全自动环保无线充电系统，包括地面监控中心、设置在电力杆塔上的若干充电平台，以及分别装于无人机上的电池管理模块、电能接收模块、视觉着陆模块、第一反馈控制模块；其中：
所述电池管理模块，与无人机的电池连接，用于获取电池各电气参数，实时监测电池电量，同时与第一反馈控制模块连接，实时反应电池电量信息；
所述电能接收模块，用于与充电平台的电能发射模块建立电磁关系，实现无线传能；
所述视觉着陆模块，用于摄取地面信息，与地面监控中心进行数据交流，完成在充电平台上的精确着陆；
所述第一反馈控制模块，用于将电池管理模块反馈的信息，传递至地面监控中心，使其发出无人机飞行控制指令；同时该第一反馈控制模块能与充电平台进行通信，在对接完成后，通知充电平台其已进入充电就绪状态，充电平台准备充电，充电完成后，通知充电平台其已完成充电，充电平台停止供电；
所述充电平台包括：
复合供电模块，用于进行风光互补的分布式储能；
电能发射模块，用于与电能接收模块建立电磁关系，提供无线传能；
第二反馈控制模块，用于与地面监控中心进行通信，方便中心采集充电平台的可用情况，同时与无人机连接，能够根据具体电池电量水平，进行原边充电电路的开启或闭锁；
所述地面监控中心，主要应用于无人机精确着陆的配合，同时接收反馈的实时信息，掌握电池电量是否需要补充、充电开启或关闭。
所述电能接收模块包括相连接的电能接收电路和电能接收线圈，应用磁耦合谐振式无线电能传输原理，将电能导入电池管理模块进行转换。
所述视觉着陆模块包括：
GPRS模块，用于与地面监控中心的服务器进行数据交流，发出图像信息和超声波信息，并接收控制指令；
摄像头模块，用于扫描地面信息，以特定频率采集图像，搜索充电平台上的着陆信号；
超声波测距模块，用于实时获取无人机与充电平台之间的垂直距离；
飞行控制模块，含GPS导航系统，用于执行无人机飞行控制指令。
所述视觉着陆模块在工作模式下，与地面监控中心的服务器保持实时连接，全过程无人工干渉，完全实现自主控制，其控制无人机着陆包括以下步骤：
1)机载摄像头扫描地面图像；
2)从图像中搜索标志，并识别出标志中心；
3)找出标志中心与图像中心的相对位置，研究无人机所需要采取的动作；
4)发送控制指令，让无人机进行空间平移；
5)在标志中心与图像中心重合后，无人机下降，直到中心点的偏移量达到某个阈值，否则重复上述步骤1)至4)。
所述复合供电模块的主要供电方式为通过小型风力发电机和光伏太阳能板，持续将风能和太阳能转化为蓄电池储能；所述复合供电模块的后备供电方式为杆塔上电压互感器传能，以此最大程度保障供电可靠性。
所述电能发射模块包括相连接的电能发射电路和电能发射线圈，应用磁耦合谐振式无线电能传输原理，将电能隔空传送至无人机接收端。
所述充电平台印刷有方便无人机采集的着陆信号，为同心圆环标识，其中大圆半径是小圆半径的两倍，两圆之间使用黑色填充，使得小圆与大圆组成黑白相间的圆环图形，从而为无人机提供辨识度高的视觉对接信息。
所述充电平台的表面粘合有应变片压力传感器，用于确保无人机支脚与平台稳定接触后，与第二反馈控制模块双重控制，启动充电电路，以此提高系统的抗干扰性；待充电结束后，无人机飞离充电平台，应变片压力传感器作用能够快速关断充电电路，节约电能。
所述地面监控中心设置有与视觉着陆模块配合的服务器，针对传输回来的图像进行分析，找出特定的标志，确定中心，并实时发送指令对无人机进行控制；其中所述服务器的运行结果是找到每一帧图像的标志中心点，并根据距离传感数据与坐标队列数据，得出当前无人机应当进行的飞行动作，发送到机载系统。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、全时段环保储能充电。本发明以风光互补发电系统为主要供能，最大化自然清洁能源的利用率，蓄电池储能持续不间断。
2、节约土地资源。本发明设计的平台放置在电力杆塔上，节约了土地资源，同时免于无人机消耗电量往返充电平台，节能环保。
3、全自动运行，便于继续巡航。本系统的提出的充电模式无需人工干涉，并且杆塔上障碍少，无人机降落着陆精确度高，充电完成后，可在巡检地点继续作业。
4、实时监控，各端通信无碍。无人机、充电平台、地面监控中心三方之间实现无障碍通信，无人机充满电后自动关闭反馈灵敏，减小空载状态下的能量损耗。
附图说明
图1为本发明实例中无人机与充电平台的结构示意图。
图2为本发明实例中全自动环保无线充电系统各模块结构图。
图3为本发明实例中无人机视觉着陆逻辑流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1和图2所示，本实施例所提供的电力巡检无人机的全自动环保无线充电系统，包括地面监控中心13、设置在电力杆塔上的若干充电平台，以及分别装于无人机上的电池管理模块9、电能接收模块、视觉着陆模块11、第一反馈控制模块10。
所述的电池管理模块9与无人机的电池12直接连接，通过其内置的电流采样电路和电压采样电路实时获取电池电气参数，电池电气参数包括电池电压和充电电流。电压(电流)采样电路通过采样电阻及运放和差分等结构，将采样电阻上的电压(电流)放大至合适的倍数，使其与充电电压(电流)相等。此过程根据锂电池充电特性曲线，将电能接收模块接收的电能转换成合理充电电能对锂电池进行可靠的充电，并设置过充保护和防倒充装置。同时，该电池管理模块9与第一反馈控制模块10连接，实时反应电池电量信息。
所述的电能接收模块包括电能接收线圈7和电能接收电路8，电能接收线圈7通过无线传能后接收到高频交流电，通过整流电路转化为直流电，再由调压电路调整为适合电池供电的输出电压。
所述的第一反馈控制模块10，包括但不限于WIFI、蓝牙和Zigbee等常见无线连接方式，将电池管理模块9反馈的信息，传递至地面监控中心13，使其发出无人机飞行控制指令。此外，所述的第一反馈控制模块10还可用于与充电平台的通信，在对接完成后，通知平台其已进入充电就绪状态，平台准备充电；充电完成后，通知平台其已完成充电，平台停止供电，节约电能。
所述的视觉着陆模块11包括GPRS模块，用于与地面监控中心的服务器进行数据交流，发出图像信息和超声波信息，并接收控制指令；摄像头模块，用于扫描地面信息，以特定频率采集图像，搜索充电平台上的着陆信号；超声波测距模块，用于实时获取无人机与充电平台之间的垂直距离；飞行控制模块，用于执行无人机飞行控制指令。其中，所述的GPRS模块作为视觉着陆模块11与地面监控中心13主要的无线传输信道，负责传送摄像头采集的图像信息，超声波测距模块的竖直高度测量数据，并返回相应飞行控制指令，目前GPRS网络覆盖面广泛，非常适合复杂地理环境下电力巡线无人机与地面站的通信。所述的摄像头模块包括装在无人机底部中心位置、正向下方的单目摄像头，其结构简单，载重量小，易于标定和安装，满足巡线和着陆的需要，视觉着陆模块开始工作时，摄像头以特定频率采集视频数据。所述的超声波测距模块具体为装在无人机底部的竖直向下的超声波距离传感器。所述的飞行控制模块选用基于STM32的飞行控制模块，其具有较高的实时性与稳定性，并且十分省电，同时含GPS导航定位模块，可跟随指令控制无人机飞行至平台正上方，进入着陆准备。
所述的地面监控中心13主要应用于无人机精确着陆的配合，同时接收各端的实时信息，掌握电池电量是否需要补充、充电开启或关闭。其中，该地面监控中心13设置有与视觉着陆模块11相配合的服务器，针对传输回来的图像进行分析，找出特定的标志，确定中心，并实时发送指令对无人机进行控制。服务器主要模块有图像预处理模块、标志分析模块、中心坐标降噪与分析模块以及无人机控制模块。运行结果是找到每一帧图像的标志中心点，坐标分析模块根据距离传感数据与坐标队列数据，得出当前无人机应当进行的飞行动作，发送到机载系统。
由上述视觉着陆模块11及地面监控中心13的情况可得，无人机降落至充电平台的完整过程可分为以下阶段：
1)系统开启阶段：无人机利用GPS定位飞到定点标志的上空，开始启动机载摄像头进行图像采集；
2)数据采集阶段；把图像模拟信号转换成计算机可以处理的数字信号后，发送到远端服务器；
3)目标检测阶段：服务器对采集到的图像进行预处理，然后计算出目标的中心点。服务器根据输入的标志中心点与竖直距离数据计算出无人机与地面标志的相对坐标；
4)无人机平移控制阶段：服务器根据相对坐标的值，向无人机发出平移控制命令；
5)无人机下降阶段：服务器根据计算得出的坐标与竖直距离地面的距离，计算出无人机应该下降的高度，并向无人机发送飞行控制命令。
6)无人机着陆成功阶段：循环上述步骤2-5)阶段，直到中心点的偏移量达到某个阈值，无人机成功着陆。
在无人机结构上，上述的电能接收线圈7是缠绕在视觉着陆模块11周围，与无人机的四个支脚固连，防止巡线过程中干扰拍摄，线圈与机身之间包含有第一反馈控制模块10、电能接收电路8，而视觉着陆模块11是设在机身正下方，与线圈呈同一水平位置。
所述的充电平台设置在电力杆塔上，配置有小型风力发电机和光伏太阳能板，风力发电机在最外侧，视野空旷；太阳能板呈某一角度斜放，角度与当地太阳直射角有关。白天太阳光最强时，风较小，晚上太阳落山后，光照弱，由于地表温差骤变而风能加强。夏季太阳光强度大，风速小；冬季太阳光强度弱，风速高。特殊条件下，太阳能发电不理想的天气状况往往是风能最富足的时候，因而风光复合发电具有互补性，可以提供稳定持续的电能。
所述的充电平台包括复合供电模块1，用于进行风光互补的分布式储能；电能发射模块，用于与电能接收模块建立电磁关系，提供无线传能；第二反馈控制模块4，用于实时共享平台充电状态。其中，所述的复合供电模块1以风光互补发电系统为主要供能，电压互感器传能作为后备电源的模式，无论白昼还是黑夜，无论夏季还是冬季，最大化自然清洁能源的利用率，蓄电池储能持续不间断。所述的电能发射模块包括电能发射电路2和电能发射线圈3，应用磁耦合谐振式无线电能传输原理，将电能隔空传送至无人机接收端。逆变电路选用E类逆变电路，原边线圈采用平面螺旋型。所述的第二反馈控制模块4可与地面监控中心13进行通信，方便中心采集充电平台可用情况，同时与无人机连接，可以根据具体电池电量水平，进行原边充电电路的开启或闭锁。此外，所述的充电平台需要印制方便无人机采集的着陆信号，具体为同心圆环标识5，大圆半径是小圆半径的两倍，两圆之间使用黑色填充，使得小圆与大圆组成非常清晰的黑白相间圆环图形。此类图形辨识度高，又能快速找到标志中心点。在具体印制上，由于无线传能的原副边线圈都是圆形，因此可以把圆环信号的圆点与充电平台上的线圈圆点重合，这样精确着陆后，原副边线圈的耦合状态恰好理想，有利于电能传输。另外，所述的充电平台表面粘合有应变片压力传感器6，当无人机平稳降落在平台上，该应变片压力传感器6才会将应变引起的电阻变化变换成电压变化，与第二反馈控制模块4双重判断，启动充电电路，以此提高系统抗干扰能力，确保无线传能以最佳效率运行；充电结束后，无人机离开平台表面，应变片压力传感器6作用关断充电电路，节约电能。
参见图3所示，为无人机视觉着陆流程图，包括以下步骤：
1)无人机在定点着陆点上方，着陆系统开启；
2)无人机采集视频图像与竖直距离，把数据传输至服务器；
3)服务器从视频图像中识别标志的中心点A，计算A与图像中心点B的距离x；
4)判断x是否小于阈值，如果是，判断无人机离标志的竖直距离y是否小于阈值，如果否，无人机平移一段距离D’(x)，并重新进行信息采集；
5)如果无人机离标志的竖直距离y小于阈值，则着陆成功，关闭系统；如果否，则下降一段距离D”(y)，并重新进行信息采集。循环至流程结束，着陆完成。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种电力巡检无人机的全自动环保无线充电系统，包括地面监控中心、设置在电力杆塔上的若干充电平台，以及分别装于无人机上的电池管理模块、电能接收模块、视觉着陆模块、第一反馈控制模块；其中：
所述电池管理模块，与无人机的电池连接，用于获取电池各电气参数，实时监测电池电量，同时与第一反馈控制模块连接，实时反应电池电量信息；
所述电能接收模块，用于与充电平台的电能发射模块建立电磁关系，实现无线传能；
所述视觉着陆模块，用于摄取地面信息，与地面监控中心进行数据交流，完成在充电平台上的精确着陆；
所述第一反馈控制模块，用于将电池管理模块反馈的信息，传递至地面监控中心，使其发出无人机飞行控制指令；同时该第一反馈控制模块能与充电平台进行通信，在对接完成后，通知充电平台其已进入充电就绪状态，充电平台准备充电，充电完成后，通知充电平台其已完成充电，充电平台停止供电；
所述充电平台包括：
复合供电模块，用于进行风光互补的分布式储能；
电能发射模块，用于与电能接收模块建立电磁关系，提供无线传能；
第二反馈控制模块，用于与地面监控中心进行通信，方便中心采集充电平台的可用情况，同时与无人机连接，能够根据具体电池电量水平，进行原边充电电路的开启或闭锁；
所述地面监控中心，主要应用于无人机精确着陆的配合，同时接收反馈的实时信息，掌握电池电量是否需要补充、充电开启或关闭。
2.根据权利要求1所述的一种电力巡检无人机的全自动环保无线充电系统，其特征在于：所述电能接收模块包括相连接的电能接收电路和电能接收线圈，应用磁耦合谐振式无线电能传输原理，将电能导入电池管理模块进行转换。
3.根据权利要求1所述的一种电力巡检无人机的全自动环保无线充电系统，其特征在于，所述视觉着陆模块包括：
GPRS模块，用于与地面监控中心的服务器进行数据交流，发出图像信息和超声波信息，并接收控制指令；
摄像头模块，用于扫描地面信息，以特定频率采集图像，搜索充电平台上的着陆信号；
超声波测距模块，用于实时获取无人机与充电平台之间的垂直距离；
飞行控制模块，含GPS导航系统，用于执行无人机飞行控制指令。
4.根据权利要求3所述的一种电力巡检无人机的全自动环保无线充电系统，其特征在于，所述视觉着陆模块在工作模式下，与地面监控中心的服务器保持实时连接，全过程无人工干渉，完全实现自主控制，其控制无人机着陆包括以下步骤：
1)机载摄像头扫描地面图像；
2)从图像中搜索标志，并识别出标志中心；
3)找出标志中心与图像中心的相对位置，研究无人机所需要采取的动作；
4)发送控制指令，让无人机进行空间平移；
5)在标志中心与图像中心重合后，无人机下降，直到中心点的偏移量达到某个阈值，否则重复上述步骤1)至4)。
5.根据权利要求1所述的一种电力巡检无人机的全自动环保无线充电系统，其特征在于：所述复合供电模块的主要供电方式为通过小型风力发电机和光伏太阳能板，持续将风能和太阳能转化为蓄电池储能；所述复合供电模块的后备供电方式为杆塔上电压互感器传能，以此最大程度保障供电可靠性。
6.根据权利要求1所述的一种电力巡检无人机的全自动环保无线充电系统，其特征在于：所述电能发射模块包括相连接的电能发射电路和电能发射线圈，应用磁耦合谐振式无线电能传输原理，将电能隔空传送至无人机接收端。
7.根据权利要求1所述的一种电力巡检无人机的全自动环保无线充电系统，其特征在于：所述充电平台印刷有方便无人机采集的着陆信号，为同心圆环标识，其中大圆半径是小圆半径的两倍，两圆之间使用黑色填充，使得小圆与大圆组成黑白相间的圆环图形，从而为无人机提供辨识度高的视觉对接信息。
8.根据权利要求1所述的一种电力巡检无人机的全自动环保无线充电系统，其特征在于：所述充电平台的表面粘合有应变片压力传感器，用于确保无人机支脚与平台稳定接触后，与第二反馈控制模块双重控制，启动充电电路，以此提高系统的抗干扰性；待充电结束后，无人机飞离充电平台，应变片压力传感器作用能够快速关断充电电路，节约电能。
9.根据权利要求1所述的一种电力巡检无人机的全自动环保无线充电系统，其特征在于：所述地面监控中心设置有与视觉着陆模块配合的服务器，针对传输回来的图像进行分析，找出特定的标志，确定中心，并实时发送指令对无人机进行控制；其中所述服务器的运行结果是找到每一帧图像的标志中心点，并根据距离传感数据与坐标队列数据，得出当前无人机应当进行的飞行动作，发送到机载系统。
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