CN108053635A - 一种无人机自动定位抄表系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机自动定位抄表系统，包括无人机机体以及设置于无人机机体上且与仪表信号连接的无线通信模块，还包括无人机自动定位系统，所述无人机自动定位系统包括设置于无人机机体上的GPS定位模块，还包括：远红外通信发射头，设置于停机坪处；远红外通信接收头，设置于无人机机体底部且用于接收远红外通信发射头发射的信号；点光源发生装置，设置于停机坪中心处且用于产生点光源；摄像头，设置于无人机机体底部且所述摄像头的镜头方向垂直向下。本发明可极大提高对周围干扰光线的抗干扰能力，而且本发明的精确定位成本较低。本发明在抄表点处还可以进行中途充电站，在抄表过程中对无人机进行充电，提高续航能力。

Description

一种无人机自动定位抄表系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种无人机自动定位抄表系统。
背景技术
水利行业对自动抄表的需求逐渐兴起，在偏远地区、人口密度低的地区，基站抄表投资成本过高，应用无人机进行自动抄表有明显的经济优势。低功耗水表、监控仪表的通信速度通常较低，固定翼无人机飞行速度过快，因此并不适合。旋翼机目前在自动抄表领域占据了绝对的市场。目前常见的无人机抄表系统有两种：遥控抄表与全自动抄表。
其中遥控抄表的方式为：控制员携带无人机到达现场，遥控无人机升空，由控制员直接目视观察，控制无人机飞行，接近目标设备完成通信，采集数据。此方案适合设备少、地形复杂、需精确控制飞行轨迹的场景。全自动抄表：无人机装备GPS模块、摄像头模块、图像识别处理模块、测距模块以及短距离无线通信模块。控制员把抄表指令输入无人机，抄表指令里包含了所有的目标坐标信息，抄表路径。随后启动抄表任务，无人机自主飞行，按照预定路径前进，沿途与表计通信采集数据，完成所有抄表任务后自主飞行返回基地。
现有上述两种无人机抄表系统存在以下缺点：
(1)定位方面，抗干扰能力差，或成本高
通常采用GPS粗略定位加上激光或红外精确定位，部分高端产品还配备了激光测距，雷达测距等。激光定位加上测距的方式，可实现较高的精确度，以及一定的抗干扰能力，但是成本很高，对于水务系统自动抄表方案，成本可能超出了人工抄表。
低成本的红外或可见光定位，对周围环境要求较为苛刻，抗干扰能力很低。实测发现在阳光直射时，或周围有类似LED光源时，精确定点降落成功率急剧降低。
(2)续航方面，距离过短
目前旋翼机都是以锂电池提供能量，由于抄表设备需要耗电，加上负载的重量，导致本来就续航能力不是很高的旋翼无人机可持续飞行时间大大缩短，因此无法适应大面积、长距离自动抄表的需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种无人机自动定位系统，不但可以使得无人机精准定位，而且降低无人机精准定位成本。
本发明的技术方案为：一种无人机自动定位系统，包括设置于无人机机体上的GPS定位模块，还包括：
远红外通信发射头，设置于停机坪处；
远红外通信接收头，设置于无人机机体底部且用于接收远红外通信发射头发射的信号；
点光源发生装置，设置于停机坪中心处且用于产生点光源；
摄像头，设置于无人机机体底部且所述摄像头的镜头方向垂直向下。
例如若需要对计量仪表的数据进行记录时，本发明中在远红外通信发射头内编码计量仪表定位信号信息，信号内容可以如下：1200bps，Even，8,1。
发射的数据内容为经过编码的抄表点编号。
编码格式为：0xFE[1字节抄表点编号]+[1字节抄表点编号反码]+0x55。
其中，远红外通信发射头可以以3秒一次的间隔发射信号。
当无人机到达抄表点附近，当GPS信号指示靠近抄表点小于10米时，即悬停，打开远红外通信接收头，对收到的远红外信号进行解析，得到其中的抄表点编号，验证该抄表点的有效性，验证抄表点编号为合法编号后，打开摄像头，检测图像里是否存在点光源，如果存在，控制程序只需简单地控制水平平移，使得光源位于画面中心，即可开始匀速下降。下降过程中可以以每隔0.5秒调节水平方向，确保红外光源始终位于画面中心。当无人机停至停机坪上之后，通过无线通信模块，开始采集本抄表点附近的所有表计数据。本抄表点抄收完毕后，无人机再次起飞，前往下一个抄表点。所有抄表点通信完毕后，无人机开始返航。
作为优选，所述点光源的色温大于6500K。
作为优选，所述点光源发生装置为蓝色LED发光管。
作为优选，所述蓝色LED发光管的直径小于2mm。蓝色LED发光管保持长亮。
作为优选，还包括设置于无人机机体底部的充电头以及设置于停机坪上且可与充电头相配合的充电装置。无人机降落到地面后，在采集仪表数据的过程中，还可以通过充电装置对无人机进行充电，以提高续航力。根据距离远近，抄表任务里可配置返航途中是否需要再次到抄表点暂停，进行充电。
作为优选，所述充电装置包括以停机坪中心处为圆心的充电线圈，所述充电线圈包括位于内环的电源线圈以及位于外环的地线线圈，所述充电头包括分别与电源线圈以及地线线圈对应设置的电源充电杆以及地线充电杆。电源充电杆以及地线充电杆分别接触地面停机坪上的电源线圈以及位于外环的地线线圈，即可开始充电。
为了提高充电时充电装置与充电头之间的接触性能，作为优选，所述电源线圈和地线线圈上分别设置有供电源充电杆以及地线充电杆插入的插槽。确保无人机任意角度方向降落都可以准确接通充电。
本发明也可以改为在停机坪上安装两根硬质的电源充电杆以及地线充电杆，在无人机底部安装两个同心的电源线圈以及地线线圈，同样可实现任意角度降落时，均能可靠对接充电。
作为优选，所述充电装置还包括用于为充电线圈提供电能的蓄电池。
作为优选，所述充电装置还包括用于为蓄电池提供电能的太阳能电池。在无市电接通地区，可用太阳能电池加上蓄电池的方案进行供电，有市电地区可直接用市电供电。
本发明还提供了一种无人机自动定位抄表系统，包括无人机机体以及设置于无人机机体上且与仪表信号连接的无线通信模块，还包括上述无人机自动定位系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明通过GPS进行粗略定位，通过远红外通信发射头、远红外通信接收头、点光源以摄像头的配合实现精确定位，使用远红外编码通信，可极大提高对周围干扰光线的抗干扰能力，而且本发明的精确定位成本较低。
(2)本发明在抄表点处还可以进行中途充电站，在抄表过程中对无人机进行充电，提高续航能力。并且本发明使用插槽与环形型金属充电线圈以及硬质充电杆的充电方式，可以确保无人机任意角度方向降落都可以准确接通充电。
附图说明
图1为本发明的无人机自动定位抄表系统的结构示意图。
图2为本发明中充电装置的结构示意图。
图3为本发明中充电线圈的结构示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明还提供了一种无人机自动定位抄表系统，包括无人机机体5以及设置于无人机机体5上且与仪表信号连接的无线通信模块(图中未画出)，还包括无人机自动定位系统。其中无人机自动定位系统包括设置于无人机机体5上的GPS定位模块，还包括：
远红外通信发射头1，设置于停机坪6处；
远红外通信接收头2，设置于无人机机体5底部且用于接收远红外通信发射头1发射的信号；
点光源发生装置3，设置于停机坪6中心处且用于产生点光源；
摄像头4，设置于无人机机体5底部且摄像头4的镜头方向垂直向下。
本发明中点光源的色温大于6500K。点光源发生装置3可以为蓝色LED发光管。蓝色LED发光管的直径小于2mm，蓝色LED发光管保持长亮。
例如若需要对计量仪表的数据进行记录时，本发明中在远红外通信发射头1内编码计量仪表定位信号信息，信号内容可以如下：1200bps，Even，8,1。
发射的数据内容为经过编码的抄表点编号。
编码格式为：0xFE[1字节抄表点编号]+[1字节抄表点编号反码]+0x55。
其中，远红外通信发射头1可以以3秒一次的间隔发射信号。
当无人机到达抄表点附近，当GPS信号指示靠近抄表点小于10米时，即悬停，打开远红外通信接收头2，对收到的远红外信号进行解析，得到其中的抄表点编号，验证该抄表点的有效性，验证抄表点编号为合法编号后，打开摄像头4，检测图像里是否存在点光源，如果存在，控制程序只需简单地控制水平平移，使得光源位于画面中心，即可开始匀速下降。下降过程中可以以每隔0.5秒调节水平方向，确保红外光源始终位于画面中心。当无人机停至停机坪6上之后，通过无线通信模块，开始采集本抄表点附近的所有表计数据。本抄表点抄收完毕后，无人机再次起飞，前往下一个抄表点。所有抄表点通信完毕后，无人机开始返航。
为节省高度仪或激光测距仪，本发明可以通过控制垂直升起时间，来控制无人机飞行高度。起飞时，使用最高功率，起飞时间保持5秒，经测试发现此上升时间可确保无人机悬垂高度保持在15～25之间；降落时，使用80％最高功率缓慢下降，以降低冲击。
如图1和图2所示，本发明还包括设置于无人机机体5底部的充电头以及设置于停机坪6上且可与充电头相配合的充电装置。无人机降落到地面后，在采集仪表数据的过程中，还可以通过充电装置对无人机进行充电，以提高续航力。根据距离远近，抄表任务里可配置返航途中是否需要再次到抄表点暂停，进行充电。
如图2和图3所示，本发明中充电装置包括以停机坪6中心处为圆心的充电线圈，充电线圈包括位于内环的电源线圈7以及位于外环的地线线圈8，如图1所示，本发明中充电头包括分别与电源线圈7以及地线线圈8对应设置的电源充电杆9以及地线充电杆10。电源充电杆9以及地线充电杆10分别接触地面停机坪6上的电源线圈7以及位于外环的地线线圈8，即可开始充电。本发明中充电装置还包括用于为充电线圈提供电能的蓄电池11。充电装置还包括用于为蓄电池11提供电能的太阳能电池12。在无市电接通地区，可用太阳能电池加上蓄电池的方案进行供电，有市电地区可直接用市电供电。
为了提高充电时充电装置与充电头之间的接触性能，如图3所示，电源线圈7和地线线圈8上分别设置有供电源充电杆9以及地线充电杆10插入的插槽13。确保无人机任意角度方向降落都可以准确接通充电。本发明也可以改为在停机坪6上安装两根硬质的电源充电杆9以及地线充电杆10，在无人机底部安装两个同心的电源线圈7以及地线线圈8，同样可实现任意角度降落时，均能可靠对接充电。
如图1所示，本发明中在无人机机体5上还可以设置可伸缩的支架14，采用现有多种可伸缩的支架结构均可，支架14的长度可略高于电源充电杆9以及地线充电杆10的长度。

Claims (10)

1.一种无人机自动定位系统，包括设置于无人机机体上的GPS定位模块，其特征在于，还包括：
远红外通信发射头，设置于停机坪处；
远红外通信接收头，设置于无人机机体底部且用于接收远红外通信发射头发射的信号；
点光源发生装置，设置于停机坪中心处且用于产生点光源；
摄像头，设置于无人机机体底部且所述摄像头的镜头方向垂直向下。
2.如权利要求1所述的无人机自动定位系统，其特征在于，所述点光源的色温大于6500K。
3.如权利要求1所述的无人机自动定位系统，其特征在于，所述点光源发生装置为蓝色LED发光管。
4.如权利要求3所述的无人机自动定位系统，其特征在于，所述蓝色LED发光管的直径小于2mm。
5.如权利要求1～4任一所述的无人机自动定位系统，其特征在于，还包括设置于无人机机体底部的充电头以及设置于停机坪上且可与充电头相配合的充电装置。
6.如权利要求5所述的无人机自动定位系统，其特征在于，所述充电装置包括以停机坪中心处为圆心的充电线圈，所述充电线圈包括位于内环的电源线圈以及位于外环的地线线圈，所述充电头包括分别与电源线圈以及地线线圈对应设置的电源充电杆以及地线充电杆。
7.如权利要求6所述的无人机自动定位系统，其特征在于，所述电源线圈和地线线圈上分别设置有供电源充电杆以及地线充电杆插入的插槽。
8.如权利要求7所述的无人机自动定位系统，其特征在于，所述充电装置还包括用于为充电线圈提供电能的蓄电池。
9.如权利要求8所述的无人机自动定位系统，其特征在于，所述充电装置还包括用于为蓄电池提供电能的太阳能电池。
10.一种无人机自动定位抄表系统，包括无人机机体以及设置于无人机机体上且与仪表信号连接的无线通信模块，其特征在于，还包括如权利要求1～9任一所述的无人机自动定位系统。
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