CN108622432B - 一种皮卡型车载无人机智能起降和自主续航系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种皮卡型车载无人机智能起降和自主续航系统，属于无人机设计技术领域。该系统包括升降平台装置、无人机自动充电装置、基于视觉和麦克纳姆轮的着陆算法与全向定位算法三个部分。在无人机的脚架底部安装了四个麦克纳姆轮，通过配合无人机的视觉摄像头，基于麦克纳姆轮全向移动算法，可以解决无人机在平台上全向移动的问题。通过机械传动原理，将升降平台设计为带滑轨的空间连杆升降结构，该结构可以实现平面的旋转运动和与该平面垂直的直线运动的相互转换。只需在减速电机的驱动下，下旋转面转过一定的角度，无人机降落平台即可相应抬高或降低，再由减速电机锁定旋转面的转动即可保证调节后的高度不变。

Description

一种皮卡型车载无人机智能起降和自主续航系统
技术领域
本发明涉及一种无人机智能起降和自主续航系统，尤其涉及一种皮卡型车载无人机智能起降和自主续航系统，属于无人机设计技术领域。
背景技术
近年来，无人机的使用日趋平民化，控制技术日趋成熟，在当今社会中发挥着越来越重要的作用。其搭载的光学吊舱任务系统(可见光、红外热成像设备)能够准确拍摄野外图像，并能实时回传给控制台，这一用途备受各大行业的青睐。目前，国内外逐渐兴起了用无人机代替人来执行一些勘探任务，如草原生态监测、超高压(特高压)的无人机自主巡检、自然灾害情况探明等。
但是要将无人机更广泛的应用到野外自主巡检领域，就需要有一种大型可移动的车载平台来更好的放飞和回收无人机，并能及时的补充无人机电池电量——即进行能量续航。无人机如何精确的降落在车载平台上，目前国内对应的相关技术还鲜有报道，这方面主要还是以人操作为主。另外，对于无人机来说，电池的续航时间和飞行途中的再次充电，一直是业界棘手的问题。市面上的无人机续航时间一般不会超过20分钟，电量不足时需要在地面人工更换电池/充电，这样效率低且非常不便，而且我国西北部地广人稀、环境复杂，无人机必须长时间的进行巡检工作，所以需要一种自动充电设备，当无人机返回平台后，能够自动进行充电，充满电后继续执行任务。
这其中，特别是采用无人机进行高压输电线路巡检，目前传统做法是由多人组成的巡检小组开车沿线路巡检，当发现有异常工况点时，停车由操作员操作放飞无人机进行拍照监测，之后再人工回收无人机，整个巡检中需要携带4～6块电池，以便为无人机能量续航，整个巡检过程需要投入大量人力、物力，并且对操作员的技术要求很高。因此，急需开发一种具有自主能力的无人机升降平台与自动能量续航系统。
无人驾驶飞机简称“无人机”(“UAV”)，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便等优点，在警用、城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等行业用途广泛。其中，巡线无人机主要用于野外的巡视检测，然后通过图传回来供专业人员查看，极大的省去了人力，而且安全性高。但是目前巡线无人机面临最大的问题就是如何在野外进行自主放飞和回收，如何完成电池的自主续航，这两个问题决定着巡线无人机飞行的时间和稳定性，间接决定着巡线无人机作业的效率和质量。鉴于此，本发明提供了一种基于皮卡型货车的无人机智能收放和自主续航系统，方便野外环境下无人机的放飞与回收，并能实现自主充电续航。
目前，国内无人机车载平台的主要问题是不能精确回收无人机、无法为无人机自主提供电源的续航。因此，如何让无人机自动精确的降落在车载平台上并自主充电是需要解决的首要问题。
针对无人机的停靠和续航问题，目前已经有一些应用于无人机回收和自动充电的技术。但是其主要是在固定平台上的回收，而不是在车载移动平台上的回收，不能解决无人机回收时难以精确定位和控制的问题，也不具备可以升降的功能。而且，如何解决野外巡线无人机的续航问题，当前国内的报道还非常少。经文献检索，专利公告号为CN104503459，专利号为2014106823229，名称为多旋翼无人机回收系统。该发明主动回收采用的是吸附装置和机载被动回收吸附装置，与我们的回收装置机理完全不同。由于控制的不确定性，该发明很难实现无人机的精确降落；该发明仅提及无人机的回收，但系统不包含自动升降功能，没有考虑到对无人机的保护；该发明虽然提及使用无线通信装置完成无人机的降落定位，但未提及任何控制算法(实现算法)，显然该发明只保护设计的机械结构。而本发明中，对传统的无人机进行了改造，在无人机的脚架底部安装了四个麦克纳姆轮，通过配合无人机的视觉摄像头，基于麦克纳姆轮全向定位算法，可以实现在平台上的全向移动；本发明采用无线充电方式，在无人机悬挂电池的下方加装无线充电接收模块，当无人机准确降落至预定位置时，升降平台上安装有红外传感器的无线充电发射模块开始抬高，当传感器检测到无线充电发射模块与接收模块发生有效接触时，系统开始自主充电；本发明还采用带滑轨的空间连杆升降机构，可以实现平面的旋转运动和与该平面垂直的直线运动的相互转换，只需在电机驱动下，通过控制下旋转面的转动，就可实现无人机降落平台的上升与下降。
综上，现有技术均未提及如何解决车载无人机升降平台及智能充电续航问题。综合现有的相关发明，根据无人机和运输汽车(皮卡型货车)的工作环境，本发明从机械设计到控制算法都采用新的设计思路，以达到合理控制无人机和运输汽车(皮卡型货车)的协调运动，实现对无人机的回收、放飞和自动充电的目的。
上述提到的现有发明，没有升降平台装置，在实际情况下，无人机落到车载平台上，占用空间较大，无法固定，且晃动幅度大，不能起到保护的作用。因此，本发明另辟蹊径：(1)采用了带滑轨的空间连杆升降结构，只需在减速电机的驱动下，下旋转面转过一定的角度，无人机降落平台即可相应抬高或降低，再由减速电机锁定旋转面的转动即可保证调节后的高度不变；(2)针对无人机如何精确降落在平台上的问题，本发明对传统的无人机进行了改造，在无人机的脚架底部安装了四个麦克纳姆轮，通过配合无人机的视觉摄像头，基于麦克纳姆轮全向定位算法，可以实现在平台上的全向移动，由此可解决无人机精确降落在升降平台和无法固定的问题；(3)针对无人机如何自主充电的问题，本智能升降平台将无人机的充电方式设计为无线充电，在无人机悬挂电池的下方加装无线充电接收模块，当无人机准确降落至预定位置时，升降平台上安装有红外传感器的无线充电发射模块开始抬高，当传感器检测到无线充电发射模块与接收模块发生有效接触时，系统开始自主充电；另外，本发明将皮卡型货车的车厢顶部设计为可开关的全景天窗式结构，其最大打开面积与无人机降落平台面积一致。当无人机准备降落到平台上时，打开天窗，平台上升至与天窗同一高度，充分利用皮卡型货车的空间和资源来解决无人机的回收技术问题。
虽然上述已有的无人机的放飞与回收技术在相应的应用领域得到一定的应用，取得了一定的效果，但是如果要应用于智能输电线路巡检车载系统上，实现自动升降和能量续航，还存在许多问题，无法应用。
1)无法解决无人机在升降平台上的全向移动
现有的无人机回收技术只适合在固定的平台上进行降落，未提及无人机的有效固定，由于野外巡检需要，当无人机想要精确降落在车载平台上时，现有的技术很难满足无人机的降落要求。因为传统的无人机一旦落在平台上，无论是否落到预定的位置，都很难再对其进行后续的调节，无人机的控制就会变得非常困难。
2)无法解决无人机在升降平台上的自主充电
由于无人机长时间的飞行工作，需要一种自动充电设备保证其电源的续航。然而，由于无人机自动搭载充电导轨问题难度很大，而且传统的有线充电方式具有充电接口寻找易出错、插拔充电器过程复杂、易于损坏的缺点，这也极大地制约了无人机在自主充电方面的发展。本发明的一个重要创新就是解决无人机自动充电问题，进而保证野外巡检汽车的协同配合。
3)如何解决无人机降落平台的升降
目前，现有的无人机的降落平台大都没有升降装置，考虑到降落时环境情况和野外运动情况的影响，平台不能很好地起到无人机保护作用，而且无人机长时间暴露在外面，在野外复杂的环境下也会对其本身造成伤害。如何设计合适的升降系统也是本发明需要解决的重要问题。
4)如何实现无人机精准降落至预定位置
目前，传统的无人机自主着陆大都主要是通过GPS导航实现的。然而，事实证明，单独的GPS导航并不能为无人机提供精准的位置信息，而且在野外复杂的环境下，很难实现精准着陆。为了使无人机比较准确的降落至预定位置上，就需要通过多传感器融合技术和算法来实现无人机在平台上的自主全向移动和精确定位。
针对上述存在的问题，本发明根据车载无人机智能升降平台的特殊性，通过机械设计和控制算法，从根本上完成起降平台对无人机自主放飞和回收，并能实现对无人机的自动充电。具体来说：
对于无法解决无人机在升降平台上全向移动的问题：由于无人机的升降平台是安装在运输汽车(皮卡型货车)上，降落平台有限，汽车的位置可能改变，要求无人机能自主寻找降落平台，无人机在平台上的降落就会受到诸多因素的影响。对于移动式车载升降平台，不仅降落地点的范围大大减小，降落过程中的平稳程度也会大大降低，这些都加大了车载无人机自动回收的难度。而且，无人机一旦落在平台上，无论是否落到预定的位置，都很难再对其进行后续的调节。
发明内容
针对上述问题，本发明以机械传动技术和先进控制技术为基础，提出了一种皮卡型车载式无人机智能收放和自主续航系统。主要解决如下问题：
1、由于无人机的升降平台是安装在运输汽车(皮卡型货车)上，降落平台有限，汽车的位置可能改变，要求无人机能自主寻找降落平台；此外，由于受到当前风力、旋翼的降落气流等的影响，无人机着陆精度不可能很精确(通常为1.5平米范围内位置)，因此无法降落到预定的位置，需要后续的精确调节。为此，本发明对传统的无人机进行了改造，在无人机的脚架底部安装了四个麦克纳姆轮，通过配合无人机的视觉摄像头，基于麦克纳姆轮全向定位算法，可以实现在平台上的全向移动，由此，解决了无人机精确降落在智能升降平台预定位置的问题。
2、由于无人机需要多次起降和反复飞行工作，需要一种自动充电设备保证其电源的续航，而且传统的有线充电方式具有充电接口寻找易出错、插拔充电器过程复杂、易于损坏的缺点。因此，本智能升降平台将无人机的充电方式设计为无线充电，在无人机悬挂电池的下方加装无线充电接收模块，当无人机准确降落至预定位置时，平台上安装有红外传感器的无线充电发射模块开始抬高，当传感器检测到无线充电发射模块与接收模块靠近到一定范围内时，系统开始自动充电。由于采用无线充电，对接触精度要求不高，甚至是未完全碰触情况都可以实现充电。事实上只要充电发射模块与接收模块在一定距离内就可以实现有效充电。
3、由于无人机长时间暴露在外面，在野外复杂的环境下或汽车运动过程中，都会对其本身造成伤害。为此，本发明将升降平台设计为带滑轨的空间连杆升降结构，该结构最大的特点在于可以实现平面的旋转运动和与该平面垂直的直线运动的相互转换。只需在减速电机的驱动下，下旋转面转过一定的角度，上面的无人机降落平台即可相应抬高或降低，再由减速电机锁定旋转面的转动即可保证调节后的高度不变。而且，本发明将皮卡型货车的车厢顶部设计为可开关的全景天窗式结构，最大打开面积与无人机降落平台面积一致。当无人机准备降落到平台上时，打开天窗，平台上升至与天窗同一高度，充分利用皮卡型货车的空间和资源来解决无人机的回收技术问题。
为解决这一问题，本发明对传统的无人机进行了改造，在无人机的脚架底部安装了四个麦克纳姆轮，通过配合无人机的视觉摄像头，基于麦克纳姆轮全向定位算法，可以解决无人机在平台上精确定位的问题。
对于无法解决无人机在升降平台上自主充电的问题：无人机的续航问题是无人机无法进行多次起降、长距离巡检的一大问题，由于无人机频繁起降的飞行工作，需要一种自动充电设备保证其电源的续航。但是现有的发明大都不具备自主充电的能力，而且传统的有线充电方式具有充电接口寻找易出错、插拔充电器过程复杂、易于损坏的缺点。因此，本智能升降平台将无人机的充电方式设计为无线充电，在无人机悬挂电池的下方加装无线充电接收模块，当无人机准确降落至预定位置时，升降平台上安装有红外传感器的无线充电发射模块开始抬高，当传感器检测到无线充电发射模块与接收模块进入有效接触范围时，系统开始自主充电。采用无线充电，对接触精度要求不高，甚至未完全碰触情况都可以实现充电。事实上，只要充电发射模块与接收模块在一定距离内就可以实现有效充电。
对于如何解决无人机平台升降的问题：现有的无人机回收平台，大都没有升降装置，无人机落到平台上会占用较大空间，且地面和升降台反冲气流使得无人机晃动幅度较大，不能起到保护的作用。因此，普通的无人机回收平台不能适用于野外巡检的任务。本发明通过机械传动原理，将升降平台设计为带滑轨的空间连杆升降结构，该结构最大的特点在于可以实现平面的旋转运动和与该平面垂直的直线运动的相互转换。只需在减速电机的驱动下，下旋转面转过一定的角度，上面的无人机降落平台即可相应抬高或降低，再由减速电机锁定旋转面的转动即可保证调节后的高度不变。
对于如何实现无人机精准降落至预定位置的控制算法问题：传统的无人机自主着陆大都是通过GPS导航实现的，但单独的GPS导航并不能为无人机提供精准的位置信息，而且在野外复杂的环境下，很难实现精准着陆。为解决这一问题，本发明为无人机配备了视觉摄像头，提出了“基于视觉和麦克纳姆轮的着陆算法与全向定位算法”，将无人机降落的整个过程分为两个步骤。步骤一：GPS+视觉着陆。通过GPS导航和视觉着陆算法，使无人机初步定位在1.5平米的降落平台上；步骤二：视觉摄像头+麦克纳姆轮全向定位。通过视觉摄像头采集平台上的视觉移动标识信息，根据麦克纳姆轮全向定位算法实现无人机在平台上的全向移动，从而准确停靠在到预定位置上并固定。
为了实现车载无人机智能升降平台对无人机放飞回收以及自动充电的要求，本发明采用的技术方案为一种皮卡型车载无人机智能起降和自主续航系统。
该系统包括升降平台装置、无人机自动充电装置、基于视觉和麦克纳姆轮的着陆算法与全向定位算法三个部分。
(1)升降平台装置；
升降平台装置由上到下分别由全景天窗(1)、降落平台(2)和空间连杆结构三部分组成。全景天窗(1)使整个升降平台装置完全封闭起来，而且全景天窗(1)由开关控制，全景天窗(1)的最大打开面积与降落平台(2)的面积相等。降落平台(2)为无人机的支撑结构，降落平台(2)的背面装有上固定座(3)，固定座(3)通过连接杆(4)与下旋转面(5)相连。空间连杆结构由连接杆(4)、下旋转面(5)、下固定座(6)和减速电机(7)组成。上固定座(3)和下固定座(6)都是通过球形铰链(8)与连接杆(4)连接在一起。
上固定座(3)与下固定座(6)之间设有四组连接杆(4)，减速电机(7)驱动下旋转面(5)转动，通过连接杆(4)的偏转使降落平台(2)升高或降低，再由减速电机(7)锁定下旋转面(5)的转动即可保证调节后的高度不变。
车载无人机智能升降平台是固定在运输汽车(皮卡型货车)的车厢中，顶部装有类似于全景式天窗，具有全封闭的结构。而且全景天窗能实现可开关的功能，全景天窗(1)由两块钢化玻璃组成，对无人机起到保护作用。当无人机准备起飞或降落到平台上时，全景天窗(1)从中心位置匀速朝两边打开，全景天窗(1)的最大打开面积与降落平台面积相等。
降落平台为(2)方形平台，用于无人机的停靠与自主充电。降落平台(2)的正面标有视觉着陆标识和视觉移动标识，分别用于视觉着陆算法和麦克纳姆轮全向定位算法的信息采集，并且无线充电发射模块嵌入到降落平台为(2)内。
下旋转面(5)为带齿轮的圆形平面，圆形平面正面装有四个下固定座(6)；下旋转面(5)由减速电机(7)驱动，只能横向转动，即通过减速电机(7)的驱动使降落平台(2)升高或降低，再由减速电机(7)锁定下旋转面(5)的转动即可保证降落平台(2)调节后的高度保持不变。在降落平台(2)与卡车接触的四个角上分别放置一条滑轨(9)，滑轨(9)的作用是用来限制整个结构的自由度，并起到减缓降落平台(2)晃动的作用。
(2)无人机自动充电装置；
无人机自动充电装置分别由视觉定位单元、自动充电单元两部分组成。视觉定位单元包括驱动模块(12)和视觉处理模块。
驱动模块(12)和视觉处理模块均配备带有嵌入式芯片。在无人机起落架底部加装四个驱动电机(10)和麦克纳姆轮(11)。
视觉处理模块由GPS模块(13)和视觉摄像头模块(14)组成。通过视觉处理模块和麦克纳姆轮(11)的配合，然后基于视觉和麦克纳姆轮的着陆算法与全向定位算法，最终实现无人机在预定位置的精确降落。自动充电单元由无线充电接收模块(15)、无线充电发射模块(16)、红外传感器(17)、舵机(18)、旗形合页(19)、弹簧合页(20)和支撑杆(21)组成。无线充电发射模块(16)、红外传感器(17)、舵机(18)、旗形合页(19)、弹簧合页(20)和支撑杆(21)均安装在降落平台(2)上，共同构成无线充电的发射结构；无线充电接收模块(15)加装在无人机锂电池(22)的下方。无人机锂电池(22)设置在降落平台(2)的一侧。旗形合页(19)的两端分别固定降落平台(2)和支撑杆(21)，通过舵机的驱动，实现支撑杆(21)的上升或下降。加装了红外传感器(17)的无线充电发射模块(16)固定在支撑杆(21)的另一头，在支撑杆(21)提前测量好的位置加装弹簧合页(20)；当支撑杆(21)带动无线充电发射模块(16)升起的过程中，弹簧合页(20)使无线充电发射模块(16)与无线充电接收模块(15)贴合在一起。当红外传感器(17)检测到无线充电发射模块(16)与无线充电接收模块(15)发生接触，开始进行无线充电。无人机在降落平台(2)上为全向移动，无线充电发射模块(16)内嵌在降落平台(2)中。
当无人机精确降落在预定位置后，升降平台上的无线充电发射模块与无人机上的无线充电接收模块发生有效接触，实现无线充电。
首先，通过GPS模块(13)的GPS导航和视觉着陆算法，无人机初步定位在降落平台(2)上；然后，加装四个麦克纳姆轮(11)和驱动电机的无人机，通过电机驱动麦克纳姆轮实现全向定位算法，到达预定位置并固定；当无人机精确停靠在平台的预定位置后，进行无人机无线充电。
本发明的无人机自动回收和放飞系统的整体示意图如图1所示。
(3)基于视觉和麦克纳姆轮的着陆算法与全向定位算法
在本发明中，由于涉及到无人机的降落控制，且控制精度有较高的要求，传统的无人机自主着陆大都是通过GPS导航实现的。但单独的GPS导航并不能为无人机提供精准的位置信息，且不能在室内和其他一些特定的场景进行定位，很难实现无人机在着陆平台上的精准着陆，无法达到预期的精度要求。为此，本发明采用了新的控制策略，通过算法使GPS导航和视觉摄像头配合工作，同时发挥了麦克纳姆轮移动控制的优越性，采用了基于视觉和麦克纳姆轮的着陆与全向定位算法实现无人机的精准降落。
1、GPS与视觉着陆的初步定位；
全球定位系统(GPS，Global Positioning System)是一种可以定时和测距的空间交会定点导航系统，具有全能性(陆地、海洋、空中和航天)、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时功能，可为各类用户提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息。GPS导航的基本原理是以高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交汇的方法，确定待测点的位置。
本设计在无人机单元添加了GPS模块和视觉摄像头模块。
当无人机距离车载升降平台较远时，利用GPS模块的GPS导航大致定位升降平台的位置。在这个过程中，视觉摄像头的方向垂直朝下，无人机的飞行高度逐渐降低。当无人机的视觉摄像头刚好处于能识别出平台两侧的天窗上的着陆标识信息时，开始运行视觉着陆算法，使无人机初步定位在降落平台上的任意位置，视觉着陆标识图如图2所示。当无人机降落在车载平台后，关闭GPS模块的GPS导航，开启麦克纳姆轮全向定位算法，通过摄像头寻找降落平台上的视觉移动标识，来实现无人机的在平台上的全向移动。
2、视觉摄像头与麦克纳姆轮的全向定位；
在无人机的脚架底部安装了四个麦克纳姆轮，四个轮子两两镜像，其布局方式为：左后轮和右前轮为左旋，右后轮和左前轮为右旋。
对无人机上的麦克纳姆轮全向定位的过程如下：假设R表示轮子轴心到轮外廓圆周面的距离即轮子的半径，Vxi表示第i轮沿X轴方向的分速度m/s，Vyi表示第i轮沿Y轴方向上的分速度m/s，Va表示辊子的速度m/s，θ表示辊子轴线与麦克纳姆轮轴线的夹角，Ωi表示麦克纳姆轮绕轮轴的转速rad/s。i＝1、2、3、4，分别表示无人机上的四个轮子。首先，对单个轮子做运动学分析，得到第i个轮子的速度方程如下：
Figure BDA0001643880260000091
式中，辊子轴线与麦克纳姆轮轴线的夹角θ取值为
Figure BDA0001643880260000101
我们定义，当i＝1、4时，θ取值为
Figure BDA0001643880260000102
当i＝2、3时，θ取值为
Figure BDA0001643880260000103
将i＝1、2、3、4方程组得如下方程式：
Figure BDA0001643880260000104
其中，h＝S+Dcosθ,S为无人机的宽度(单位m),D为无人机前后两个轮轴的间距(单位m)。此时，θ取值为
Figure BDA0001643880260000105
其正负号已经被提出，不再区分正负。其逆运动学方程为：
Figure BDA0001643880260000106
式中，
J为逆运动学的雅可比矩阵，由运动学可知，当雅可比矩阵为不满秩时，系统存在运动学奇异点，此时系统失去可控性。本发明中，θ的取值为
Figure BDA0001643880260000107
D≠S，此时雅可比矩阵的秩为rank(J)＝3，为满秩矩阵。要实现无人机的不同运动状态，使无人机实现基于视觉的全向移动算法，只需调节各轮子的转速。
一种视觉移动标识，通过算法中的边缘相关阈值法和移动标识识别方法能够快速实时的检测到视觉移动标识，并能够从着陆标识中解算出无人机需要的位置参数，再通过二值化处理把图像中位置信息转化为真实的位置信息传送给驱动控制器进行麦克纳姆轮的全向移动。首先在无人机智能升降平台上设计了视觉移动标识。外部大的方形框用来计算无人机相对于着陆目标的位置参数，中间的方形框用来指导麦克纳姆轮下一步移动的方向，内部小的圆形框用来估算无人机的停靠位置。这个视觉着陆标识设计的最大的特点是图形之间有强烈的对比度，方便无人机视觉摄像头识别。
采用的边缘相关阈值法，表达式为：
Figure BDA0001643880260000111
基本思想是：h(i,j)为平滑后点(i,j)的灰度值(i,j为当前点的坐标值)；ki(a,b)为领域内点(a,b)的灰度值(a,b为该点的坐标值)，k(i,j)为当前点(i,j)的灰度值，n为领域的大小，即像素数量；ε为阈值。考虑到系统的实时性，需要将数字图像中某点的灰度值由所取区域内各点灰度值的平均值来表示，这是图像平滑最简单、实用的方法，但它会使图像灰度值急剧变化的图像边缘(轮廓)部分模糊。采用边缘相关阈值法，阈值ε由试验确定。这样在像素的灰度值和相邻像素灰度值之差不超过规定的阈值时，就保留原值，避免了因完全平均化而使图像模糊的缺点。该方法对图像二值化判断做了更细化的处理，能够生成较高质量的二值图，为视觉移动标识的检测提供了更精确的算法。
天窗从中心位置匀速朝两边打开，当其打开到最大面积时停止，此时减速电机驱动下旋转面旋转，降落平台随之升高，通过滑轨限制平台升高的距离，当降落平台与天窗在同一平面时，减速电机锁定下旋转面的转动，降落平台稳定在当前位置。无人机首先通过GPS导航和视觉着陆算法，初步定位在1.5平米的降落平台上，然后通过视觉摄像头采集平台上的移动标识信息，根据麦克纳姆轮全向定位算法实现无人机在平台上的全向移动，从而准确停靠在预定位置上并固定。紧接着，无线充电发射模块在舵机的驱动下开始抬高，通过弹簧合页的配合，红外传感器可以检测到无线充电发射模块与接收模块的有效接触，开始无线充电的功能。减速电机驱动下旋转面反向旋转，降落平台随之降低，整个平台降落到车体内后，全景式天窗关闭，完成无人机的回收过程。当无人机准备离开平台时，全景式天窗再次打开，空间连杆结构带动降落平台上升，控制无线充电发射模块与接收模块分离，无人机得到指令从平台自动起飞。
附图说明
图1无人机自动回收和放飞系统的整体示意图，(a)改装后的无人机示意图，(b)降落平台及升降结构示意图，(c)移动式车载无人机智能起降系统主视图。
图2视觉着陆标识图。
图3视觉移动标识图。
图4本发明的系统整体结构图。
图5本发明控制过程流程图。
图6本发明全貌示意图。
图中：1、天窗2、降落平台3、上固定座4、连接杆5、下旋转面6、下固定座7、减速电机8、球形铰链9、滑轨10、驱动电机11、麦克纳姆轮12、驱动模块13、GPS模块14、视觉摄像头模块15、无线充电接收模块16、无线充电发射模块17、红外传感器18、舵机19、旗形合页20、弹簧合页21、支撑杆22、锂电池。
具体实施方式
下面以皮卡型货车为载体，介绍本发明的无人机放飞与回收系统的具体工作过程。在无人机的放飞与回收、自动充电、平台的上升和下降等过程中主要使用到减速电机、驱动电机、GPS模块、无线充电模块、红外传感器和锂电池等结构；在算法方面主要依靠基于视觉和麦克纳姆轮的着陆算法与全向定位算法实现无人机的精确定位。全貌示意图如图6所示。
结构的具体参数如下所示：
首先，本发明的无人机降落平台为1.5平米的平台，天窗的最大打开面积与降落平台大小一致。下旋转面选用1.2平米带齿轮的圆形平台，减速电机选用输出为40W的齿轴电机。降落平台与下旋转面通过四根连接杆相连，连接处选用球形铰链作为固定结构。当降落平台准备升起时，减速电机驱动下旋转面旋转，通过四根连接杆的作用，使降落平台慢慢升高。在这个过程中，滑轨主要起到限制整体结构的自由度并减缓平台晃动的作用。当降落平台与天窗处于同一平面时，减速电机锁定下旋转面的转动，此时，降落平台稳定在当前位置。
然后，本发明的无线充电部分主要包括无线充电接收模块、无线充电发射模块、红外传感器、舵机、两种合页(旗形合页、弹簧合页)和支撑杆。无线充电发射/接收模块参数如下：无线充电模组额定功率60W，恒流、恒压输出，系统峰值效率>88％，无线充电端效率>92％。采用2.4G通信，集成输出过流、短路、过压保护，异物、功率异常检测，发射输入电源：48V DC，接收输出电压/电流：6cells Li-ion/2.5A，发射模块尺寸：100*127mm，磁片+线圈：75*65mm，接收部分尺寸：70*60mm，磁片+线圈：50*50mm；最佳工作距离3mm～10mm，采用谐振式传输技术，充电功率最大可达到25W。传感器采用的是Honeywell红外传感器，可以检测到无线充电发射模块与无线充电接收模块的距离，并发出有效指令。当无人机精确降落在预定位置后，通过上述结构可实现无线充电的功能。
最后，无人机的改装主要包括在起落架底部加装四个GA12-N2012V微型直流低速减速驱动电机和3D打印44mm麦克纳姆轮，配备带有嵌入式芯片的视觉处理模块(GPS模块和视觉摄像头模块)。通过GPS导航和视觉着陆算法，无人机可以初步定位在1.5平米的降落平台上；然后，加装了四个麦克纳姆轮和驱动电机的无人机，可以通过电机驱动和麦克纳姆轮全向定位算法，实现在平台上的全向自主定位；当无人机精确停靠在平台的预定位置后，才可进行后续无人机无线充电的功能。本发明具体的实现步骤如下：
步骤1：升起平台。首先，天窗从中心位置匀速朝两边打开，当其打开到最大面积时停止。然后，空间连杆结构开始带动降落平台升起，减速电机驱动下旋转面旋转，降落平台随之升高，通过滑轨限制平台升高的距离，当降落平台与天窗在同一平面时，减速电机锁定下旋转面的转动，此时，降落平台稳定在当前位置。
步骤2：无人机降落及全向移动。无人机首先通过GPS导航和视觉着陆算法，使无人机初步定位在1.5平米的降落平台上；然后，安装了麦克纳姆轮的无人机开始利用基于视觉的麦克纳姆轮全向定位算法，根据平台上的视觉移动标识实现自主全向移动，最终，无人机准确停靠在预定位置。
步骤3：无人机自主充电。当无人机停靠在预定位置后，升降平台上安装有红外传感器的无线充电发射模块在舵机的驱动下开始抬高，通过弹簧合页的配合，当传感器检测到无线充电发射模块与接收模块发生有效接触时，系统开始自主充电。
步骤4：下降平台。为了保证无人机在系统上的稳定及安全性，必须将整个升降平台降落至车体内。空间连杆结构中的减速电机驱动下旋转面反向旋转，降落平台随之降低，整个平台降落到车体内后，全景天窗关闭，完成无人机的回收过程。
步骤5：无人机再次放飞。当无人机准备离开平台时，全景天窗再次打开，空间连杆结构带动降落平台上升，舵机带动无线充电发射模块与接收模块分离，无人机实现自主起飞。
1)加装麦克纳姆轮的无人机：本发明对传统的无人机进行了改造，在无人机的脚架底部安装了四个麦克纳姆轮，通过配合无人机的视觉摄像头，基于麦克纳姆轮全向移动算法，可以解决无人机在平台上全向移动的问题。
2)无人机的无线充电设计：本智能升降平台将无人机的充电方式设计为无线充电，在无人机悬挂电池的下方加装无线充电接收模块，当无人机准确降落至预定位置时，升降平台上安装有红外传感器的无线充电发射模块开始抬高，当传感器检测到无线充电发射模块与接收模块发生有效接触时，系统开始自主充电。
3)车载平台的升降结构：本发明通过机械传动原理，将升降平台设计为带滑轨的空间连杆升降结构，该结构最大的特点在于可以实现平面的旋转运动和与该平面垂直的直线运动的相互转换。只需在减速电机的驱动下，下旋转面转过一定的角度，上面的无人机降落平台即可相应抬高或降低，再由减速电机锁定旋转面的转动即可保证调节后的高度不变。
4)基于视觉的麦克纳姆轮全向移动算法：本发明将无人机降落的整个过程分为两个步骤。步骤一：GPS+视觉着陆。通过GPS导航和视觉着陆算法，使无人机初步定位在1.5平米的降落平台上；步骤二：视觉摄像头+麦克纳姆轮全向定位。通过视觉摄像头采集平台上的视觉移动标识信息，根据麦克纳姆轮全向定位算法实现无人机在平台上的全向移动，从而准确停靠在到预定位置上并固定。

Claims (3)

1.一种皮卡型车载无人机智能起降和自主续航系统，其特征在于：该系统包括升降平台装置、无人机自动充电装置、基于视觉和麦克纳姆轮的着陆算法与全向定位算法三个部分；
(1)升降平台装置；
升降平台装置由上到下分别由全景天窗(1)、降落平台(2)和空间连杆结构三部分组成；全景天窗(1)使整个升降平台装置完全封闭起来，而且全景天窗(1)由开关控制，全景天窗(1)的最大打开面积与降落平台(2)的面积相等；降落平台(2)为无人机的支撑结构，降落平台(2)的背面装有上固定座(3)，固定座(3)通过连接杆(4)与下旋转面(5)相连；空间连杆结构由连接杆(4)、下旋转面(5)、下固定座(6)和减速电机(7)组成；上固定座(3)和下固定座(6)都是通过球形铰链(8)与连接杆(4)连接在一起；
上固定座(3)与下固定座(6)之间设有四组连接杆(4)，减速电机(7)驱动下旋转面(5)转动，通过连接杆(4)的偏转使降落平台(2)升高或降低，再由减速电机(7)锁定下旋转面(5)的转动即可保证调节后的高度不变；
车载无人机智能升降平台是固定在运输汽车的车厢中，顶部装有类似于全景式天窗，具有全封闭的结构；而且全景天窗能实现可开关的功能，全景天窗(1)由两块钢化玻璃组成，对无人机起到保护作用；当无人机准备起飞或降落到平台上时，全景天窗(1)从中心位置匀速朝两边打开，全景天窗(1)的最大打开面积与降落平台面积相等；
降落平台为(2)方形平台，用于无人机的停靠与自主充电；降落平台(2)的正面标有视觉着陆标识和视觉移动标识，分别用于视觉着陆算法和麦克纳姆轮全向定位算法的信息采集，并且无线充电发射模块嵌入到降落平台为(2)内；
下旋转面(5)为带齿轮的圆形平面，圆形平面正面装有四个下固定座(6)；下旋转面(5)由减速电机(7)驱动，只能横向转动，即通过减速电机(7)的驱动使降落平台(2)升高或降低，再由减速电机(7)锁定下旋转面(5)的转动即可保证降落平台(2)调节后的高度保持不变；在降落平台(2)与卡车接触的四个角上分别放置一条滑轨(9)，滑轨(9)的作用是用来限制整个结构的自由度，并起到减缓降落平台(2)晃动的作用；
(2)无人机自动充电装置；
无人机自动充电装置分别由视觉定位单元、自动充电单元两部分组成；视觉定位单元包括驱动模块(12)和视觉处理模块；
驱动模块(12)和视觉处理模块均配备带有嵌入式芯片；在无人机起落架底部加装四个驱动电机(10)和麦克纳姆轮(11)；
视觉处理模块由GPS模块(13)和视觉摄像头模块(14)组成；通过视觉处理模块和麦克纳姆轮(11)的配合，然后基于视觉和麦克纳姆轮的着陆算法与全向定位算法，最终实现无人机在预定位置的精确降落；自动充电单元由无线充电接收模块(15)、无线充电发射模块(16)、红外传感器(17)、舵机(18)、旗形合页(19)、弹簧合页(20)和支撑杆(21)组成；无线充电发射模块(16)、红外传感器(17)、舵机(18)、旗形合页(19)、弹簧合页(20)和支撑杆(21)均安装在降落平台(2)上，共同构成无线充电的发射结构；无线充电接收模块(15)加装在无人机锂电池(22)的下方；无人机锂电池(22)设置在降落平台(2)的一侧；旗形合页(19)的两端分别固定降落平台(2)和支撑杆(21)，通过舵机的驱动，实现支撑杆(21)的上升或下降；加装了红外传感器(17)的无线充电发射模块(16)固定在支撑杆(21)的另一头，在支撑杆(21)提前测量好的位置加装弹簧合页(20)；当支撑杆(21)带动无线充电发射模块(16)升起的过程中，弹簧合页(20)使无线充电发射模块(16)与无线充电接收模块(15)贴合在一起；当红外传感器(17)检测到无线充电发射模块(16)与无线充电接收模块(15)发生接触，开始进行无线充电；无人机在降落平台(2)上为全向移动，无线充电发射模块(16)内嵌在降落平台(2)中；
当无人机精确降落在预定位置后，升降平台上的无线充电发射模块与无人机上的无线充电接收模块发生有效接触，实现无线充电；
首先，通过GPS模块(13)的GPS导航和视觉着陆算法，无人机初步定位在降落平台(2)上；然后，加装四个麦克纳姆轮(11)和驱动电机的无人机，通过电机驱动麦克纳姆轮实现全向定位算法，到达预定位置并固定；当无人机精确停靠在平台的预定位置后，进行无人机无线充电；
(3)基于视觉和麦克纳姆轮的着陆算法与全向定位算法
采用基于视觉和麦克纳姆轮的着陆与全向定位算法实现无人机的精准降落；
1、GPS与视觉着陆的初步定位；
在无人机单元添加GPS模块和视觉摄像头模块；
当无人机距离车载升降平台较远时，利用GPS模块的GPS导航大致定位升降平台的位置；在这个过程中，视觉摄像头的方向垂直朝下，无人机的飞行高度逐渐降低；当无人机的视觉摄像头刚好处于能识别出平台两侧的天窗上的着陆标识信息时，开始运行视觉着陆算法，使无人机初步定位在降落平台上的任意位置；当无人机降落在车载平台后，关闭GPS模块的GPS导航，开启麦克纳姆轮全向定位算法，通过摄像头寻找降落平台上的视觉移动标识，来实现无人机的在平台上的全向移动；
2、视觉摄像头与麦克纳姆轮的全向定位；
在无人机的脚架底部安装了四个麦克纳姆轮，四个轮子两两镜像，其布局方式为：左后轮和右前轮为左旋，右后轮和左前轮为右旋；
对无人机上的麦克纳姆轮全向定位的过程如下：假设R表示轮子轴心到轮外廓圆周面的距离即轮子的半径，Vxi表示第i轮沿X轴方向的分速度m/s，Vyi表示第i轮沿Y轴方向上的分速度m/s，Va表示辊子的速度m/s，θ表示辊子轴线与麦克纳姆轮轴线的夹角，Ωi表示麦克纳姆轮绕轮轴的转速rad/s；i＝1、2、3、4，分别表示无人机上的四个轮子；首先，对单个轮子做运动学分析，得到第i个轮子的速度方程如下：
Figure FDA0001643880250000031
式中，辊子轴线与麦克纳姆轮轴线的夹角θ取值为
Figure FDA0001643880250000032
我们定义，当i＝1、4时，θ取值为
Figure FDA0001643880250000033
当i＝2、3时，θ取值为
Figure FDA0001643880250000034
将i＝1、2、3、4方程组得如下方程式：
Figure FDA0001643880250000035
其中，h＝S+Dcosθ,S为无人机的宽度,D为无人机前后两个轮轴的间距；
此时，θ取值为
Figure FDA0001643880250000041
其正负号已经被提出，不再区分正负；
其逆运动学方程为：
Figure FDA0001643880250000042
式中，J为逆运动学的雅可比矩阵，由运动学可知，当雅可比矩阵为不满秩时，系统存在运动学奇异点，此时系统失去可控性；θ的取值为
Figure FDA0001643880250000043
D≠S，此时雅可比矩阵的秩为rank(J)＝3，为满秩矩阵；要实现无人机的不同运动状态，使无人机实现基于视觉的全向移动算法，只需调节各轮子的转速。
2.根据权利要求1所述的一种皮卡型车载无人机智能起降和自主续航系统，其特征在于：一种视觉移动标识，通过算法中的边缘相关阈值法和移动标识识别方法能够快速实时的检测到视觉移动标识，并能够从着陆标识中解算出无人机需要的位置参数，再通过二值化处理把图像中位置信息转化为真实的位置信息传送给驱动控制器进行麦克纳姆轮的全向移动；首先在无人机智能升降平台上设计了视觉移动标识；外部大的方形框用来计算无人机相对于着陆目标的位置参数，中间的方形框用来指导麦克纳姆轮下一步移动的方向，内部小的圆形框用来估算无人机的停靠位置；这个视觉着陆标识设计的最大的特点是图形之间有强烈的对比度，方便无人机视觉摄像头识别；
采用的边缘相关阈值法，表达式为：
Figure FDA0001643880250000044
基本思想是：h(i,j)为平滑后点(i,j)的灰度值(i,j为当前点的坐标值)；ki(a,b)为领域内点(a,b)的灰度值，a、b为该点的坐标值；k(i,j)为当前点(i,j)的灰度值，n为领域的大小，即像素数量；ε为阈值；采用边缘相关阈值法，阈值ε由试验确定；
天窗从中心位置匀速朝两边打开，当其打开到最大面积时停止，此时减速电机驱动下旋转面旋转，降落平台随之升高，通过滑轨限制平台升高的距离，当降落平台与天窗在同一平面时，减速电机锁定下旋转面的转动，降落平台稳定在当前位置；无人机首先通过GPS导航和视觉着陆算法，初步定位在1.5平米的降落平台上，然后通过视觉摄像头采集平台上的移动标识信息，根据麦克纳姆轮全向定位算法实现无人机在平台上的全向移动，从而准确停靠在预定位置上并固定；紧接着，无线充电发射模块在舵机的驱动下开始抬高，通过弹簧合页的配合，红外传感器检测到无线充电发射模块与接收模块的有效接触，开始无线充电的功能；减速电机驱动下旋转面反向旋转，降落平台随之降低，整个平台降落到车体内后，全景式天窗关闭，完成无人机的回收过程；当无人机准备离开平台时，全景式天窗再次打开，空间连杆结构带动降落平台上升，控制无线充电发射模块与接收模块分离，无人机得到指令从平台自动起飞。
3.根据权利要求1所述的一种皮卡型车载无人机智能起降和自主续航系统，其特征在于：步骤1：升起平台；首先，天窗从中心位置匀速朝两边打开，当其打开到最大面积时停止；然后，空间连杆结构开始带动降落平台升起，减速电机驱动下旋转面旋转，降落平台随之升高，通过滑轨限制平台升高的距离，当降落平台与天窗在同一平面时，减速电机锁定下旋转面的转动，此时，降落平台稳定在当前位置；
步骤2：无人机降落及全向移动；无人机首先通过GPS导航和视觉着陆算法，使无人机初步定位在1.5平米的降落平台上；然后，安装了麦克纳姆轮的无人机开始利用基于视觉的麦克纳姆轮全向定位算法，根据平台上的视觉移动标识实现自主全向移动，最终，无人机准确停靠在预定位置；
步骤3：无人机自主充电；当无人机停靠在预定位置后，升降平台上安装有红外传感器的无线充电发射模块在舵机的驱动下开始抬高，通过弹簧合页的配合，当传感器检测到无线充电发射模块与接收模块发生有效接触时，系统开始自主充电；
步骤4：下降平台；为了保证无人机在系统上的稳定及安全性，必须将整个升降平台降落至车体内；空间连杆结构中的减速电机驱动下旋转面反向旋转，降落平台随之降低，整个平台降落到车体内后，全景天窗关闭，完成无人机的回收过程；
步骤5：无人机再次放飞；当无人机准备离开平台时，全景天窗再次打开，空间连杆结构带动降落平台上升，舵机带动无线充电发射模块与接收模块分离，无人机实现自主起飞。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109533329B (zh) * 2018-10-16 2022-06-07 同济大学 用于无人机充电的磁悬浮定位装置及无人机和充电方法
CN109305089A (zh) * 2018-10-18 2019-02-05 中国兵器装备集团自动化研究所 一种基于皮卡车的系留无人机回收方舱平台
CN109866936B (zh) * 2019-03-14 2020-11-24 燕山大学 基于六自由度混联机构的无人机着陆回收一体化移动平台
CN111977008A (zh) * 2019-05-24 2020-11-24 中科灵动航空科技成都有限公司 旋翼无人机回收承载台、回收车及回收方法
CN110341506B (zh) * 2019-06-21 2024-04-09 扬州大学 一种无人机充电装置
CN110406672B (zh) * 2019-07-11 2021-05-04 杭州电子科技大学 多轴飞行器自动回坞充电系统和方法
CN112278307B (zh) * 2019-07-22 2022-11-11 上海复亚智能科技有限公司 一种无人机定位夹紧充电机构、控制方法及机库
CN110422103B (zh) * 2019-08-05 2021-07-27 许文彬 一种电视广播器材转运设备
CN110450971A (zh) * 2019-08-16 2019-11-15 深圳市飞盒科技有限公司 全天候全地形垂直起降无人直升机作业平台车
CN110435910A (zh) * 2019-09-09 2019-11-12 深圳市科卫泰实业发展有限公司 一种多旋翼无人机降落装置
CN110471453A (zh) * 2019-09-12 2019-11-19 中国北方车辆研究所 车载无人机自主起降平台系统
CN112666965A (zh) * 2019-10-15 2021-04-16 应急管理部上海消防研究所 一种用于无人机自动换电的定位装置
CN112659960A (zh) * 2019-10-15 2021-04-16 应急管理部上海消防研究所 一种无人机自动换电系统
CN111003192A (zh) * 2019-12-30 2020-04-14 南京信息工程大学 一种基于gps与视觉的无人机自主着陆系统和着陆方法
CN111114354A (zh) * 2020-01-22 2020-05-08 河南大学 一种用于无人机的智能充电桩
CN111552304B (zh) * 2020-06-03 2024-03-05 中国人民解放军96901部队25分队 一种无人机回收系统及回收方法
JP7174748B2 (ja) * 2020-12-18 2022-11-17 楽天グループ株式会社 走行制御システム、制御方法、及び制御装置
CN113085702B (zh) * 2021-03-26 2023-01-24 国家电网有限公司 电力巡检用垂直起降固定翼无人机的移动式智能起降平台
CN113401036B (zh) * 2021-07-22 2022-10-04 吉林大学 一种车载双无人机充电系统及任务交替执行的方法
CN113602516B (zh) * 2021-08-10 2023-04-18 北京航空航天大学 一种车载式无人机自主充电平台
CN113844668A (zh) * 2021-10-12 2021-12-28 上海新云彩航空科技有限责任公司 一种无人机自动充电平台
CN113928560B (zh) * 2021-10-21 2024-02-27 中煤航测遥感集团有限公司 一种航空摄影测量用无人机平台及摄影方法
CN114379411B (zh) * 2021-10-26 2024-01-05 浙江大学 一种无人机换电池基站
CN114253300B (zh) * 2021-12-03 2023-04-07 国网智能科技股份有限公司 一种网格化机巢的无人机巡检系统及方法
CN114162030B (zh) * 2021-12-03 2022-11-15 国网智能科技股份有限公司 一种移动无人机机巢、方法及系统
CN115139889A (zh) * 2022-08-05 2022-10-04 国网湖南省电力有限公司 一种车载无人机升降设备及其应用方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106494612A (zh) * 2017-01-10 2017-03-15 湖南工学院 提高旋翼飞行器自主飞行稳定性的方法及无人机巡逻系统
CN106542109A (zh) * 2016-11-04 2017-03-29 上海云犀智能系统有限公司 一种无人机自主充电平台
KR20170083856A (ko) * 2016-01-11 2017-07-19 드림스페이스월드주식회사 수직이착륙 드론 및 도킹 스테이션
CN206790194U (zh) * 2016-12-20 2017-12-22 北京小米移动软件有限公司 无人机车载充电装置及车辆
CN206914269U (zh) * 2017-06-12 2018-01-23 上汽通用汽车有限公司 载有无人机单元的汽车
CN107672817A (zh) * 2017-09-21 2018-02-09 内蒙古工业大学 一种移动式车载无人机的智能起降系统
CN107891821A (zh) * 2017-11-29 2018-04-10 上海量明科技发展有限公司 可搭载无人机的车辆及搭载结构、控制系统

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170083856A (ko) * 2016-01-11 2017-07-19 드림스페이스월드주식회사 수직이착륙 드론 및 도킹 스테이션
CN106542109A (zh) * 2016-11-04 2017-03-29 上海云犀智能系统有限公司 一种无人机自主充电平台
CN206790194U (zh) * 2016-12-20 2017-12-22 北京小米移动软件有限公司 无人机车载充电装置及车辆
CN106494612A (zh) * 2017-01-10 2017-03-15 湖南工学院 提高旋翼飞行器自主飞行稳定性的方法及无人机巡逻系统
CN206914269U (zh) * 2017-06-12 2018-01-23 上汽通用汽车有限公司 载有无人机单元的汽车
CN107672817A (zh) * 2017-09-21 2018-02-09 内蒙古工业大学 一种移动式车载无人机的智能起降系统
CN107891821A (zh) * 2017-11-29 2018-04-10 上海量明科技发展有限公司 可搭载无人机的车辆及搭载结构、控制系统

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