CN107672463A - 空中无人机充电站装置及其充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空中无人机充电站装置及其充电方法，包括第一控制器、设有电压互感器的电源箱、停靠基座、无线充电模块、第一信号收发器、位置模块、安全模块和设于停靠基座上的压力传感器，每个无人机均包括第二控制器、电量检测芯片、第二信号收发器、微处理器和位置模块。本发明利用无人机的微处理器寻找到能够最快进行充电的充电站，第一控制器控制无线充电模块对空中无人机进行及时的充电，保证了无人机的高效运行，提高工作效率；充电站装置外部设置半圆形安全罩，有效保护无人机及充电站装置不受自然环境的影响，延长无人机及充电站装置的使用寿命。

Description

空中无人机充电站装置及其充电方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其是涉及一种能够及时进行无人机无线智能充电，提高无人机工作效率，并且具备避风遮雨功能的空中无人机充电站装置及其充电方法。
背景技术
传统电力巡检依靠的是人工巡检，巡线工必须逐个基塔排查影响线路正常运行的隐患或故障，为电网供电安全提供保障。而我国地大物博，除了城市中的输电站，还有大部分的电线铺设在深山老林和崇山峻岭之间，人工巡检的难度显而易见。无人机的广泛应用给电力巡检带来了新的解决方案。现有技术中，巡线无人机需要人工遥控，其飞行距离和作业时间都受电量的限制，当电量低于一半时，就不得不中断作业，并返回室内进行有线充电，这样不仅使作业受到很大限制，且不利于作业的正常进行，如果低于一半的电量时，无人机继续工作，很容易导致在返回途中，无人机电量耗尽，将坠毁在返回途中，导致资源的浪费，给无人机的使用带来一定麻烦。
发明内容
本发明为了克服现有技术中无人机需要返回室内进行有线充电的不足，提供了一种能够及时进行无人机无线智能充电，提高无人机工作效率，并且具备避风遮雨功能的空中无人机充电站装置及其充电方法。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种空中无人机充电站装置，包括第一控制器、设有电压互感器的电源箱、停靠基座、无线充电模块、第一信号收发器、位置模块、安全模块和设于停靠基座上的压力传感器，无线充电模块包括供电电源电路、发射电路、接收转换电路和充电电路；供电电源电路和发射电路设于停靠基座内，接收转换电路和充电电路设于无人机内，供电电源电路和发射电路电连接，接收转换电路和充电电路电连接，所述第一控制器分别与电压互感器、压力传感器、供电电源电路、发射电路、位置模块、安全模块和第一信号收发器电连接，所述第一信号收发器与位置装置电连接，位置模块位于停靠基座的中部。
本发明利用微处理器寻找到能够最快进行充电的充电站，控制器控制无线充电模块对空中无人机进行及时的充电，保证了无人机的高效运行，提高工作效率，充电站装置外部设置安全罩，有效保护充电站不受自然环境的影响。
作为优选，无人机均包括第二控制器、电量检测芯片、第二信号收发器、微处理器和位置模块；第二控制器分别与电量检测芯片、第二信号收发器、微处理器、位置模块、接收转换电路和充电电路电连接。
作为优选，安全模块包括2条纵向轨道、第一横向轨道、第二横向轨道、分别设于第一横向轨道和第二横向轨道上的2个限位传感器、半圆形安全罩、设于安全罩下方的滑轮和电机；安全罩固定安装在第一横向轨道上，纵向轨道和横向轨道与停靠基座均通过条形连接件连接，第一控制器分别与电机和2个限位传感器电连接。
作为优选，位置模块为GPS定位仪。
作为优选，充电电路包括电阻R6、电阻R1、电阻R2、开关K、发光二极管D6和发光二极管D7；电阻R6的一端与发光二极管D6的正极电连接，发光二极管D6的负极分别与电阻R2的一端和开关K电连接，电阻R2的另一端分别与电阻R1的一端和开关K电连接，电阻R1的另一端与发光二极管D7的负极电连接，发光二极管D7的正极与电阻R6的另一端电连接。
作为优选，电阻R2的阻值大于电阻R1的阻值。
一种空中无人机充电站装置的充电方法，包括如下步骤：
(7-1)无人机在执行飞行任务的过程中，当电量检测芯片检测到电池电量不足时，无人机通过第二控制器、微处理器和GPS定位仪寻找并到达能够最快进行充电的充电站；
(7-2)无人机通过第一控制器不断的调整自身的飞行状态，安全平稳的降落在停靠基座上，设于停靠基座上的压力传感器检测到压力值，当检测到的压力值在设定的范围内时，第一控制器控制供电电源电路和发射电路工作，对无人机进行充电，微处理器计算充满电所需要的充电时间，第二控制器通过第二收发器将充满电所需要的充电时间发送给充电站，第一控制器通过第一收发器接收信号；
(7-3)第一控制器控制第一收发器向其他无人机发送正在充电的信号和剩余的充电时间，同时，第一控制器控制电机工作，电机带动滑轮滚动，半圆形安全罩沿着2条纵向轨道向第二横向轨道滑动，当第二横向轨道上的限位传感器检测到安全罩时，第一控制器控制电机停止工作，安全罩停止滑动，将无人机完全包裹在充电站中；
(7-4)当电量检测芯片检测到无人机充电完成时，第一控制器控制供电电源电路和发射电路停止工作，停止对无人机充电，同时，第一控制器控制电机工作，电机带动滑轮滚动，半圆形安全罩沿着2条纵向轨道向第一横向轨道滑动，当第一横向轨道上的限位传感器检测到安全罩时，第一控制器控制电机停止工作，安全罩停止滑动；
(7-5)充电完成后，无人机自动启动，从停靠基座上平稳起飞，继续按原定路线飞行完成剩余的任务，充电站等待下一次的充电任务。
作为优选，每个无人机均包括第二控制器、电量检测芯片、第二信号收发器、微处理器和位置模块，位置模块为GPS定位仪，所述无人机寻找并到达能够最快进行充电的充电站的方法包括如下步骤：
(8-1)当无人机中的电量检测芯片检测到自身电量不足后，开启寻找充电站模式，第二控制器通过第二收发器向当前位置范围内的所有充电站发送充电请求，各个充电站的第一控制器通过各自的第一收发器接收并反馈信号，第二控制器获得当前位置范围内的所有充电站的充电状态、剩余的充电时间和GPS坐标位置；
(8-2)微处理器联合GPS定位仪计算得到无人机与各个充电站的距离，根据无人机的平均飞行速度，计算到达各个充电站的飞行时间，如果充电站没有无人机在充电，无人机最快能够进行充电的时间等于无人机的飞行时间t1；
(8-3)如果充电站有无人机在充电，通过微处理器比较飞行时间和剩余的充电时间，如果飞行时间大于等于剩余的充电时间，无人机最快能够进行充电的时间等于无人机的飞行时间t2；如果飞行时间小于剩余的充电时间，无人机最快能够进行充电的时间等于剩余的充电时间t3；
(8-4)微处理器比较时间t1、t2和t3，选择时间最短相对应的充电站，第二控制器通过第二收发器向充电站发送充电请求，该充电站的第一控制器通过第一收发器接收请求，并发送允许充电信号；
(8-5)无人机通过第二控制器和GPS定位仪导航到达充电站，准备进行充电。
作为优选，充电电路包括电阻R6、电阻R1、电阻R2、开关K、发光二极管D6和发光二极管D7；包括如下步骤：
(9-1)第二控制器联合GPS定位仪测定无人机剩余的飞行路线，获得剩余的飞行距离；
(9-2)如果剩余的飞行距离大于设定的阈值，选择快速充电模式，第二控制器闭合开关K，对无人机进行快速充电；
(9-3)如果剩余的飞行距离小于设定的阈值，选择正常充电模式，第二控制器打开开关K，对无人机进行正常充电。
因此，本发明具有如下有益效果：(1)利用微处理器寻找到能够最快进行充电的充电站，控制器控制无线充电模块对空中无人机进行及时的充电，保证了无人机的高效运行，提高工作效率；(2)充电站装置外部设置半圆形安全罩，有效保护无人机及充电站装置不受自然环境的影响，延长无人机及充电站装置的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的一种正视图；
图2是本发明的一种俯视图；
图3是本发明的一种系统框图；
图4是本发明的充电电路的一种电路图；
图5是本发明的实施例1的一种流程图。
图中：无人机1、第一控制器2、电源箱3、停靠基座4、无线充电模块5、第一信号收发器6、位置模块7、安全模块8、第二控制器9、电量检测芯片10、第二信号收发器11、微处理器12、供电电源电路51、发射电路52、接收转换电路53、充电电路54、纵向轨道81、第一横向轨道82、第二横向轨道83、半圆形安全罩84、条形连接件85。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述：
如图1所示的实施例是一种空中无人机充电站装置，包括第一控制器2、设有电压互感器的电源箱3、停靠基座4、无线充电模块5、第一信号收发器6、位置模块7、安全模块8和设于停靠基座上的压力传感器，无线充电模块包括供电电源电路51、发射电路52、接收转换电路53和充电电路54；供电电源电路和发射电路设于停靠基座内，接收转换电路和充电电路设于无人机1内，供电电源电路和发射电路电连接，接收转换电路和充电电路电连接，所述第一控制器分别与电压互感器、压力传感器、供电电源电路、发射电路、位置模块、安全模块和第一信号收发器电连接，所述第一信号收发器与位置装置电连接，位置模块位于停靠基座的中部。
其中，位置模块为GPS定位仪。
如图2所示，安全模块包括2条纵向轨道81、第一横向轨道82、第二横向轨道83、分别设于第一横向轨道和第二横向轨道上的2个限位传感器、半圆形安全罩84、设于安全罩下方的滑轮和电机；安全罩固定安装在第一横向轨道上，纵向轨道和横向轨道与停靠基座均通过条形连接件85连接，第一控制器分别与电机和2个限位传感器电连接。
如图3所示，无人机均包括第二控制器9、电量检测芯片10、第二信号收发器11、微处理器12和位置模块；第二控制器分别与电量检测芯片、第二信号收发器、微处理器、位置模块、接收转换电路和充电电路电连接。
如图4所示，充电电路包括电阻R6、电阻R1、电阻R2、开关K、发光二极管D6和发光二极管D7；电阻R6的一端与发光二极管D6的正极电连接，发光二极管D6的负极分别与电阻R2的一端和开关K电连接，电阻R2的另一端分别与电阻R1的一端和开关K电连接，电阻R1的另一端与发光二极管D7的负极电连接，发光二极管D7的正极与电阻R6的另一端电连接。其中，电阻R2的阻值大于电阻R1的阻值。
如图5所示，一种空中无人机充电站装置的充电方法，包括如下步骤：
步骤100，无人机寻找并到达能够最快进行充电的充电站
当无人机中的电量检测芯片检测到自身电量不足后，开启寻找充电站模式，第二控制器通过第二收发器向当前位置范围内的所有充电站发送充电请求，各个充电站的第一控制器通过各自的第一收发器接收并反馈信号，第二控制器获得当前位置范围内的所有充电站的充电状态、剩余的充电时间和GPS坐标位置；
微处理器联合GPS定位仪计算得到无人机与各个充电站的距离，根据无人机的平均飞行速度，计算到达各个充电站的飞行时间，如果充电站没有无人机在充电，无人机最快能够进行充电的时间等于无人机的飞行时间t1，其中t1＝20分钟；
如果充电站有无人机在充电，通过微处理器比较飞行时间和剩余的充电时间，如果飞行时间大于等于剩余的充电时间，无人机最快能够进行充电的时间等于无人机的飞行时间t2，其中t2＝15分钟；如果飞行时间小于剩余的充电时间，无人机最快能够进行充电的时间等于剩余的充电时间t3，其中t3＝10分钟；
微处理器比较时间t1、t2和t3，选择时间t3所对应的充电站，第二控制器通过第二收发器向充电站发送充电请求，该充电站的第一控制器通过第一收发器接收请求，并发送允许充电信号；
无人机通过第二控制器和GPS定位仪导航到达充电站，准备进行充电。
步骤200，无人机降落在停靠基座上进行无线充电
无人机通过第一控制器不断的调整自身的飞行状态，安全平稳的降落在停靠基座上，设于停靠基座上的压力传感器检测到压力值，当检测到的压力值在设定的范围内时，第一控制器控制供电电源电路和发射电路工作，第二控制器联合GPS定位仪测定无人机剩余的飞行路线，获得剩余的飞行距离，剩余的飞行距离大于设定的阈值，选择快速充电模式，第二控制器闭合开关K，对无人机进行快速充电，微处理器计算充满电所需要的充电时间，第二控制器通过第二收发器将充满电所需要的充电时间发送给充电站，第一控制器通过第一收发器接收信号；
步骤300，充电站打开安全罩，将无人机完全包裹在充电站中
第一控制器控制第一收发器向其他无人机发送正在充电的信号和剩余的充电时间，同时，第一控制器控制电机工作，电机带动滑轮滚动，半圆形安全罩沿着2条纵向轨道向第二横向轨道滑动，当第二横向轨道上的限位传感器检测到安全罩时，第一控制器控制电机停止工作，安全罩停止滑动，将无人机完全包裹在充电站中；
步骤400，充电完成，充电站收回安全罩
当电量检测芯片检测到无人机充电完成时，第一控制器控制供电电源电路和发射电路停止工作，停止对无人机充电，同时，第一控制器控制电机工作，电机带动滑轮滚动，半圆形安全罩沿着2条纵向轨道向第一横向轨道滑动，当第一横向轨道上的限位传感器检测到安全罩时，第一控制器控制电机停止工作，安全罩停止滑动；
步骤500，无人机起飞，完成剩余的任务，充电站等待下一次的充电任务
充电完成后，无人机自动启动，从停靠基座上平稳起飞，继续按原定路线飞行完成剩余的任务，充电站等待下一次的充电任务。
实施例2包括实施例1的所有结构及步骤部分，实施例2中第二控制器联合GPS定位仪测定无人机剩余的飞行路线，获得剩余的飞行距离，剩余的飞行距离小于设定的阈值，选择正常充电模式，第二控制器打开开关K，对无人机进行正常充电。
实施例3包括实施例1的所有结构及步骤部分，实施例3还包括压力传感器的故障检测过程：
第一控制器中设有j的初始值为1，i的初始值为1，设有故障阈值E；
第一控制器计算压力传感器的电流信号u(t)的局部极大值并通过三次样条插值获得上包络线uup(t)；
计算信号u(t)的局部极小值并通过三次样条插值获得下包络线ulow(t)；
定义平均包络m1(t)＝[uup(t)+ulow(t)]/2；
利用公式hj(t)＝u(t)-mj(t)计算差值hj(t)；
若hj(t)不满足IMF筛分停止条件，使u(t)＝hj(t)，j值增加1，返回对hj(t)继续进行分解；当hj(t)满足IMF筛分停止条件，则得到u(t)信号的第1个IMF分量c1(t)＝hj(t)；
利用公式ri(t)＝u(t)-ci(t)计算剩余分量ri(t)；
当ri(t)不满足分解停止条件时，使u(t)＝ri(t)，使i值增加1，返回对ri(t)继续分解；当满足筛分停止条件时，设n1＝i，得到n1个IMF分量ci(t)和1个剩余分量rn(t)，u(t)则可以表示为抽取ci(t)的N个抽样值ci(k)，k＝1,2,...,N；
第一控制器利用公式计算u(t)的各个分量能量，比较u(t)的各分量能量Emax，选取E1,E2,...,En中最大值Emax，当Emax＞E时，第一控制器做出压力传感器故障的判断，显示器显示压力传感器故障的信息；第一控制器控制压力传感器停止工作；
当Emax≤E时，转入步骤100；
其中，筛分停止条件采用仿柯西收敛准则，当SD＜ε时筛分停止，ε通常介于0.2与0.3之间，T为设定的常数；分解停止条件为剩余信号ri(t)变为单调函数。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种空中无人机充电站装置，其特征是，包括第一控制器（2）、设有电压互感器的电源箱（3）、停靠基座（4）、无线充电模块（5）、第一信号收发器（6）、位置模块（7）、安全模块（8）和设于停靠基座上的压力传感器，无线充电模块包括供电电源电路（51）、发射电路（52）、接收转换电路（53）和充电电路（54）；供电电源电路和发射电路设于停靠基座内，接收转换电路和充电电路设于无人机（1）内，供电电源电路和发射电路电连接，接收转换电路和充电电路电连接，所述第一控制器分别与电压互感器、压力传感器、供电电源电路、发射电路、位置模块、安全模块和第一信号收发器电连接，所述第一信号收发器与位置装置电连接，位置模块位于停靠基座的中部。
2.根据权利要求1所述的空中无人机充电站装置，其特征是，所述无人机均包括第二控制器（9）、电量检测芯片（10）、第二信号收发器（11）、微处理器（12）和位置模块；第二控制器分别与电量检测芯片、第二信号收发器、微处理器、位置模块、接收转换电路和充电电路电连接。
3.根据权利要求1所述的空中无人机充电站装置，其特征是，所述安全模块包括2条纵向轨道（81）、第一横向轨道（82）、第二横向轨道（83）、分别设于第一横向轨道和第二横向轨道上的2个限位传感器、半圆形安全罩（84）、设于安全罩下方的滑轮和电机；安全罩固定安装在第一横向轨道上，纵向轨道和横向轨道与停靠基座均通过条形连接件（85）连接，第一控制器分别与电机和2个限位传感器电连接。
4.根据权利要求1或2所述的空中无人机充电站装置，其特征是，所述位置模块为GPS定位仪。
5.根据权利要求1所述的空中无人机充电站装置，其特征是，所述充电电路包括电阻R6、电阻R1、电阻R2、开关K、发光二极管D6和发光二极管D7；电阻R6的一端与发光二极管D6的正极电连接，发光二极管D6的负极分别与电阻R2的一端和开关K电连接，电阻R2的另一端分别与电阻R1的一端和开关K电连接，电阻R1的另一端与发光二极管D7的负极电连接，发光二极管D7的正极与电阻R6的另一端电连接。
6.根据权利要求5所述的空中无人机充电站装置，其特征是，电阻R2的阻值大于电阻R1的阻值。
7.一种基于权利要求2所述的空中无人机充电站装置的充电方法，其特征是，包括如下步骤：
（7-1）无人机在执行飞行任务的过程中，当电量检测芯片检测到电池电量不足时，无人机通过第二控制器、微处理器和GPS定位仪寻找并到达能够最快进行充电的充电站；
（7-2）无人机通过第一控制器不断的调整自身的飞行状态，安全平稳的降落在停靠基座上，设于停靠基座上的压力传感器检测到压力值，当检测到的压力值在设定的范围内时，第一控制器控制供电电源电路和发射电路工作，对无人机进行充电，微处理器计算充满电所需要的充电时间，第二控制器通过第二收发器将充满电所需要的充电时间发送给充电站，第一控制器通过第一收发器接收信号；
（7-3）第一控制器控制第一收发器向其他无人机发送正在充电的信号和剩余的充电时间，同时，第一控制器控制电机工作，电机带动滑轮滚动，半圆形安全罩沿着2条纵向轨道向第二横向轨道滑动，当第二横向轨道上的限位传感器检测到安全罩时，第一控制器控制电机停止工作，安全罩停止滑动，将无人机完全包裹在充电站中；
（7-4）当电量检测芯片检测到无人机充电完成时，第一控制器控制供电电源电路和发射电路停止工作，停止对无人机充电，同时，第一控制器控制电机工作，电机带动滑轮滚动，半圆形安全罩沿着2条纵向轨道向第一横向轨道滑动，当第一横向轨道上的限位传感器检测到安全罩时，第一控制器控制电机停止工作，安全罩停止滑动；
（7-5）充电完成后，无人机自动启动，从停靠基座上平稳起飞，继续按原定路线飞行完成剩余的任务，充电站等待下一次的充电任务。
8.根据权利要求7所述的空中无人机充电站装置的充电方法，每个无人机均包括第二控制器（9）、电量检测芯片（10）、第二信号收发器（11）、微处理器（12）和位置模块，位置模块为GPS定位仪，其特征是，所述无人机寻找并到达能够最快进行充电的充电站的方法包括如下步骤：
（8-1）当无人机中的电量检测芯片检测到自身电量不足后，开启寻找充电站模式，第二控制器通过第二收发器向当前位置范围内的所有充电站发送充电请求，各个充电站的第一控制器通过各自的第一收发器接收并反馈信号，第二控制器获得当前位置范围内的所有充电站的充电状态、剩余的充电时间和GPS坐标位置；
（8-2）微处理器联合GPS定位仪计算得到无人机与各个充电站的距离，根据无人机的平均飞行速度，计算到达各个充电站的飞行时间，如果充电站没有无人机在充电，无人机最快能够进行充电的时间等于无人机的飞行时间t1；
（8-3）如果充电站有无人机在充电，通过微处理器比较飞行时间和剩余的充电时间，如果飞行时间大于等于剩余的充电时间，无人机最快能够进行充电的时间等于无人机的飞行时间t2；如果飞行时间小于剩余的充电时间，无人机最快能够进行充电的时间等于剩余的充电时间t3；
（8-4）微处理器比较时间t1、t2和t3，选择时间最短相对应的充电站，第二控制器通过第二收发器向充电站发送充电请求，该充电站的第一控制器通过第一收发器接收请求，并发送允许充电信号；
（8-5）无人机通过第二控制器和GPS定位仪导航到达充电站，准备进行充电。
9.根据权利要求7所述的空中无人机充电站装置的充电方法，充电电路包括电阻R6、电阻R1、电阻R2、开关K、发光二极管D6和发光二极管D7；其特征是，包括如下步骤：
（9-1）第二控制器联合GPS定位仪测定无人机剩余的飞行路线，获得剩余的飞行距离；
（9-2）如果剩余的飞行距离大于设定的阈值，选择快速充电模式，第二控制器闭合开关K，对无人机进行快速充电；
（9-3）如果剩余的飞行距离小于设定的阈值，选择正常充电模式，第二控制器打开开关K，对无人机进行正常充电。
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