CN109018347B - 一种室内无人机起、降、充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种室内无人机起、降、充电系统，包括至少一台无人机、至少一台起降充电平台、充电装置以及系统控制中心；系统控制中心分别与无人机、起降充电平台无线通信连接；系统控制中心监控无人机于起飞位置脱离起降充电平台的起飞操作、无人机于降落位置悬停降至起降充电平台上并固定的降落操作、无人机通过起降充电平台连接充电装置的充电操作。本申请的系统控制中心可监控无人机和起降充电平台的信息，无人机可自主起飞、降落以及充电，实现了室内无人机飞行的全自动智能化管理。
Description
技术领域
本发明涉及无人机室内应用技术领域，特别涉及一种室内无人机起、降、充电系统。
背景技术
无人机为无人驾驶飞机(英文：Unmanned Aerial Vehicle，简称：UAV)的简称，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。从技术角度定义，无人机可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。
近些年，随着无人机技术的快速发展，无人机的应用领域也得到了极大的扩展，比如室内无人机领域。目前室内无人机发展还处于初级阶段,由于无人机外形与运动形式灵活多变，可代替人们操作无需复杂操作的业务流程，比如无人机可以在办公室递送咖啡或文件，帮助人们从仓库去放物品，家庭安保等等。无人机在室内的应用还有更大的发展空间，而这是亟待人们挖掘项目。
目前，局限于机体大小等因素，小型多旋翼无人机在空中飞行时间很短，续航能力差，需要经常进行充电，而现有技术中，在通过降落引导技术控制无人机降落在起降平台上后，无人机在起降平台上停靠位置可能会给工作人员为无人机充电带来不便，不适合大规模部署无人机进行室内作业。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的技术方案是：
一种室内无人机起、降、充电系统，包括至少一台无人机、至少一台起降充电平台、充电装置以及系统控制中心；
所述系统控制中心分别与所述无人机、所述起降充电平台无线通信连接；所述系统控制中心监控无人机于起飞位置脱离起降充电平台并飞起的起飞操作、无人机于降落位置悬停降至起降充电平台上并固定的降落操作、无人机通过起降充电平台连接充电装置的充电操作。
优选的，所述系统控制中心实时监控无人机和起降充电平台的运动轨迹；所述运动轨迹包括：
所述起飞操作之前，无人机和起降充电平台运动至所述起飞位置的轨迹；
所述降落操作之前，无人机或/和起降充电平台运动至所述降落位置的轨迹；以及，
所述充电操作过程中，飞行中的无人机降落并固定于起降充电平台上的轨迹、所述无人机随充电降落平台运动至充电装置的轨迹。
优选的，所述无人机包括无人机控制器、无人机通信模块、无人机检测模块以及无人机轨迹控制模块；
所述系统控制中心通过所述无人机通信模块与所述无人机控制器双向通信；所述无人机控制器通过所述无人机轨迹控制模块控制无人机的运动轨迹；所述系统控制中心通过无人机通信模块接收所述无人机检测模块的检测信息。
优选的，所述无人机检测模块包括分别与系统控制中心通信连接的无人机室内场景检测单元、无人机电量检测单元以及无人机位置检测单元；
所述无人机室内场景检测单元检测室内标识物，对室内布局进行视觉特征提取，并且实时检测室内物体的运动情况，实现对飞行场景的认知；所述无人机电量检测单元实时检测无人机的电量，所述无人机位置检测单元实时检测无人机的位置。
优选的，所述系统控制中心通过无人机位置检测单元检测设于室内的特定标识物或提取视觉特征计算无人机的位置。
优选的，所述起降充电平台包括起降充电平台控制器、起降充电平台通信模块、起降充电平台轨迹控制模块、起降充电平台检测模块以及降落标志；
所述系统控制中心通过所述起降充电平台通信模块与所述起降充电平台控制器双向通信；所述系统控制中心通过所述起降充电平台通信模块接收所述起降充电平台检测模块的检测信号；所述无人机通过检测所述降落标志识别起降充电平台；所述起降充电平台控制器通过所述起降充电平台轨迹控制模块控制所述起降充电模块的运动轨迹。
优选的，所述起降充电平台检测模块包括分别与系统控制中心通信连接的起降充电平台位置检测单元和起降充电平台室内场景检测模块；
所述起降充电平台位置检测模块实时检测起降充电平台的位置，所述室内场景检测模块实时检测室内环境。
优选的，所述系统控制中心通过所述起降平台位置检测单元检测设于室内的特定标识物或提取视觉特征计算无人机的位置。
优选的，所述起降充电平台还包括无人机对位模块、无人机充电对接模块以及无人机固定模块；
所述起降充电平台控制器通过所述无人机对位模块控制无人机和起降充电平台以降落姿态进行对位；
充电时，所述无人机通过所述无人机充电对接模块连接所述充电装置；
所述无人机落至起降充电平台后，系统控制中心通过所述无人机固定模块固定无人机。
优选的，所述无人机和起降充电平台通信连接，所述无人机和起降充电平台自行匹配，以进行所述充电操作、降落操作以及充电操作。
优选的，所述无线通信为以下通信方式的任一种：3GPP之全球行动通讯系统(GSM)、通用行动通讯系统(UMTS)、LTE及LTE-A标准或3GPP2之CDMA2000(1xRTT、2xEV-DO、HRPD、eHRPD标准)，无线局域网络链接协议、个人局域网络链接协议。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
1、本申请中，系统控制中心监控无人机和起降充电平台的信息，实现无人机的自动起飞、降落以及充电，统筹了室内无人机系统的智能管理，并多维度实现了无人机的自动化控制。
2、本申请根据无人机的运行情况合体调度起降充电平台，最大限度提高无人机作业实践，具有高灵活度。
附图说明
图1为本申请室内无人机起降、降、充电系统的结构示意图；
图2为本申请室内无人机起降、降、充电系统的框图；
图3为本申请的无人机的框图；
图4为本申请的起降充电平台的框图。
其中，101、无人机本体，101-1、起落架，102、起降台102，103、充电结构103，104、固定结构104，105、充电对接结构105。
具体实施方式
下面结合附图对发明的具体实施方式进行详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请提供一种室内无人机起、降、充电系统，请参阅图1，所述的无人机具有垂直起降和悬停功能，以四旋翼无人机为例，从物理结构角度，无人机包括无人机本体101和起落架101-1，起落架101-1对称设置在无人机本体101上，用于支撑机体，避免无人机下方的挂载设备触碰地面。当然，本申请的无人机并不限于四旋翼无人机。
请参阅图2，室内无人机起、降、充电系统包括至少一台无人机、至少一台起降充电平台、充电装置以及系统控制中心。系统控制中心分别与无人机、起降充电平台无线通信连接；系统控制中心监控无人机于起飞位置脱离起降充电平台并起飞的操作、无人机降至起降充电平台上并固定的降落操作以及无人机通过起降充电平台连接充电装置的充电操作。
上述的起飞操作、降落操作以及充电操作，均需要无人机和起降充电平台配合完成，当系统中具有多台无人机和起降充电平台时，无人机和起降充电平台可一一对应匹配，也可以在无人机需要进行操作时，系统控制中心为其匹配处于待机状态的起降充电平台。前一种匹配方式中，无人机和起降充电平台匹配的逻辑关系更简单，系统更容易控制，但劣势在于系统的灵活性不如后一种匹配方式，以下在后一种匹配方式基础上详述本申请。
系统控制中心与无人机、起降充电平台均为双向通信连接，以便于监控上述的起飞操作、降落操作以及充电操作。详细来说，起飞操作、降落操作以及充电操作过程中，一方面无人机和起降充电平台向系统控制中心实时发送相关的信息，另一方面，系统控制中心对接收的该信息进行处理，并参考处理结果控制无人机和起降充电平台。该处无人机和起降充电平台发送的“相关的信息”的类型视具体工况而定，例如可以为位置信息、姿态信息等。
上述的起飞操作至少包括无人机脱离起降充电平台的脱离动作、无人机飞起的动作。无人机的起飞对空间具有要求，因而上述的“起飞位置”需要满足无人机起飞的空间要求，当然，空间的具体大小视无人机的具体情况而定。
上述的降落操作至少包括无人机悬停于起降充电平台上方的悬停动作、无人机与起降充电平台进行对位操作(使两者的姿态相对应)、无人机降落并固定在起降充电平台上的固定动作。无人机在降落时同样对空间具有要求，因而上述的“降落位置”需要满足降落的空间要求。
上述的充电操作至少包括无人机以充电姿态与起降充电平台连接、起降充电平台与充电装置电连接。其中，起降充电平台与充电装置连接时，需要确定充电装置的位置信息，本申请中，充电装置的位置信息可预先存储在系统控制中心或/和起降充电平台中。上述的充电装置可采用充电桩、室内插座等。
本申请中，系统控制中心监控无人机和起降充电平台的信息，实现无人机的自动起飞、降落以及充电，统筹了室内无人机系统的智能管理，并实现了室内无人机飞行的全自动智能化管理。
具体的，系统控制中心实时监控无人机和起降充电平台的运动轨迹，该运动轨迹包括但不限于以下三个方面：
第一，起飞操作之前，无人机和起降充电平台运动至上述起飞位置的轨迹；考虑到，该起飞位置可能是无人机当下位置，或起降充电平台当下位置，或其它位置，故，该处的运动轨迹可能是起降充电平台的运动轨迹，或无人机的运动轨迹，或起降充电平台和无人机共同的运动轨迹。
第二，降落操作之前，无人机或/和起降充电平台运动至上述降落位置的轨迹；降落前，考虑到该降落位置可能是无人机当下位置，或起降充电平台当下位置，或其它位置，故，该处的运动轨迹可能是起降充电平台的运动轨迹，或无人机的运动轨迹，或起降充电平台和无人机共同的运动轨迹。
第三，充电操作过程中，飞行中的无人机降落并固定于起降充电平台上的轨迹、无人机随充电降落平台运动至充电装置的轨迹。无人机需要固定于起降充电平台上，通过起降充电平台进行充电，因此，需要充电时，如果无人机已经固定在起降充电平台上，则该处的运动轨迹是起降充电平台的运动轨迹；如果无人机于起降充电平台处于分离状态，则该处的运动轨迹是无人机与起降充电平台共同的运动轨迹。
具体的，请参阅图3，无人机包括无人机控制器、无人机通信模块、无人机检测模块以及无人机轨迹控制模块。
系统控制中心通过无人机通信模块与无人机控制器双向通信：系统控制中心向无人机控制器发送操作指令，以间接控制无人机的动作，该操作指令如起飞指令等，无人机控制器接收该操作指令，并直接控制无人机动作；无人机控制器向系统控制中心发送无人机电量及位置等信息。
无人机控制器通过无人机轨迹控制模块控制无人机运行轨迹。无人机轨迹控制模块由多种传感信息源进行融合实现。无人机轨迹控制模块向无人机控制器发送控制指令，无人机控制器通过这些指令结合无人机控制器预先装载的飞控算法，对无人机轨迹控制模块发送控制信息；无人机轨迹控制模块根据这些信息控制螺旋桨的运作从而实现无人机飞行轨迹控制。
系统控制中心通过无人机通信模块接收无人机检测模块的检测信号。无人机检测模块检测的参数如环境参数、电量信息等，系统控制中心存储接收检测信息，并结合无人机控制器的反馈等信息进行管理无人机。
进一步的，无人机检测模块包括分别与系统控制中心通信连接的无人机室内场景检测单元、无人机电量检测单元以及无人机位置检测单元。
无人机室内场景检测单元通过无人机通信模块向系统控制中心单向通信。无人机室内场景检测单元实时检测室内环境，具体如，在空中检测室内障碍物，以便于系统控制中心判断可飞行空间等；再如，检测室内标识物，对室内布局提取视觉特征，并且实时检测室内物体的运动情况，包括其他的无人机和起降充电平台，从而实现对飞行场景的认知。该处标识物如射频设备、标识图像等。
无人机电量检测单元实时检测无人机的电量，并通过无人机通信单元向系统控制中心实时发送检测信息，系统控制中心根据其检测结果判断无人机是否需要进行充电。
无人机位置检测单元实时检测无人机的位置，并通过无人机通信单元向系统控制中心实时发送检测信息，系统控制中心根据其检测结果确定无人机的飞行轨迹。
进一步的，无人机位置检测单元可通过设于室内的特定标识物或者通过视觉特征提取的方式进行检测，该特定标识物如射频设备、标识图像等，该视觉特征如光流等。
具体的，请参阅图4，起降充电平台包括起降充电平台控制器、起降充电平台通信模块、起降充电平台轨迹控制模块、起降充电平台检测模块以及降落标志。
起降充电平台控制器通过起降充电平台通信模块与系统控制中心双向通信。详细来说，一方面系统控制中心向起降充电平台控制器发送控制指令，如充电指令等，另一方面起降充电平台控制器向系统控制中心反馈运行状态。
起降充电平台检测模块检测室内环境等信息，并通过起降充电平台通信模块与系统控制中心单向通信，系统控制中心参考其检测信息规划起降充电平台的运动轨迹。
无人机通过降落标识识别起降充电平台，尤其用在无人机降落时。
进一步的，起降充电平台检测模块包括分别与系统控制中心单向通信的起降充电平台位置检测单元、起降充电平台室内场景检测单元。
起降充电平台位置检测单元通过室内特定标识物或通过视觉特征提取进行检测，并将检测结果通过起降充电平台通信模块传动给系统控制中心，系统控制中心根据该检测结果规划起降充电平台的运动轨迹。
起降充电平台室内场景检测单元检测从地面检测室内环境，如障碍物等，系统控制中心结合该检测结果规划起降充电平台的运动轨迹。
进一步的，请继续参阅图4，起降充电平台还包括无人机对位模块、无人机充电对接模块以及无人机固定模块。
无人机对位模块通过起降充电平台控制器直接控制，使无人机在降落时同起降充电平台以降落姿态进行对位。无人机和起降充电平台需要以一定姿态进行连接，即降落姿态。
充电时，无人机连接起降充电平台，并通过无人机对接模块连接充电装置进行充电。
无人机落至起降充电平台后，系统控制中心通过无人机固定模块固定无人机。
请参阅图1，从物理结构上，起降充电平台包括起降台102、固定结构104、充电结构103以及充电对接结构105。
固定结构104安装在起降台102上，对应上述的无人机固定模块。无人机在降落操作中和充电操作中均通过固定结构104固定在起降充电平台上。固定结构104通过起降充电平台控制器自动控制，固定结构104可采用锁紧卡扣、电磁铁、舵机、外力推杆中的任一种。
充电结构103设置在起降台102上，美观和安全起见，其部分结构容置于起降台102内部，而与充电装置连接的部分外置。
充电对接结构105设置在起降台102上，美观和安全起见，其部分结构容置于起降台102内部，与无人机连接的部分外置。无人机充电时，其与起降台102的连接姿态不同于通常的固定姿态，而需要保持降落姿态，该降落姿态即无人机通过充电结构103连接起降台102的姿态。
以下列举室内无人机起、降、充电系统的部分工况进一步阐述本申请。
无人机在室内飞行，执行相关任务时，无人机检测模块检测无人机的位置信息、电量信息以及室内环境信息等，并通过无人机通信模块将检测结果实时发送给系统控制中心，系统控制中心实时存储和处理该信息。同时，系统控制中心实时存储和处理起降充电平台检测模块的检测信息。
当遇到系统控制中心计算得无人机电量不足、任务执行完毕需要进行降落、无人机发送降落请求等任一情况时，系统控制中心通过无人机和各起降充电平台检测的信息为无人机分配合适的起降充电平台，并动态规划无人机和该起降充电平台的动作路径，规划动作路径时，系统控制中心综合考虑室内环境、操作可行性等因素合理规划。降落过程中，当无人机悬停于起降充电平台上后，系统控制中心控制无人机或/和起降充电平台协调角度至降落姿态，供无人机垂直降落。
上述从系统控制中心控制无人机和起降充电平台的角度对本申请进行了详述，考虑到备用方案，无人机与起降充电平台还可自行匹配，具体来说，无人机控制器和起降充电平台控制器通过无人机通信模块和起降充电平台模块进行通信连接，以进行充电操作、降落操作以及充电操作。
上述提到的通信，如系统控制中心与无人机控制器、起降充电平台控制器之间的通信，无人机控制器与起降成功点平台控制器之间的通信等，均可采用如下任一种通信方式：3GPP之全球行动通讯系统(GSM)、通用行动通讯系统(UMTS)、LTE及LTE-A标准或3GPP2之CDMA2000(1xRTT、2xEV-DO、HRPD、eHRPD标准)，无线局域网络链接协议、个人局域网络链接协议。其中，无线局域网络链接协议如IEEE 802.11(Wi-Fi)、IEEE 802.16(WiMAX)，个人局域网络链接协议如Bluetooth。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的一个应用，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种室内无人机起、降、充电系统，其特征在于，包括至少一台无人机、至少一台起降充电平台、充电装置以及系统控制中心；
所述系统控制中心分别与所述无人机、所述起降充电平台无线通信连接；所述系统控制中心监控无人机于起飞位置脱离起降充电平台并进行起飞操作、无人机于降落位置悬停降至起降充电平台上并固定的降落操作以及无人机通过起降充电平台连接充电装置的充电操作；
室内设有特定标识物，所述系统控制中心实时监控无人机和起降充电平台的运动轨迹，所述无人机包括：
无人机位置检测单元，用于检测所述特定标识物，以供所述系统控制中心根据检测结果确定所述无人机的运动轨迹；
所述起降充电平台包括：
起降充电平台位置检测单元，用于检测所述特定标识物，以供所述系统控制中心根据检测结果规划所述起降充电平台的运动轨迹；
其中，所述运动轨迹包括：
所述起飞操作之前，无人机和起降充电平台运动至所述起飞位置的轨迹；
所述降落操作之前，无人机或/和起降充电平台运动至所述降落位置的轨迹；以及，
所述充电操作过程中，飞行中的无人机降落并固定于起降充电平台上的轨迹、所述无人机随充电降落平台运动至充电装置的轨迹。
2.如权利要求1所述的室内无人机起、降、充电系统，其特征在于，所述无人机包括无人机控制器、无人机通信模块、无人机检测模块以及无人机轨迹控制模块；
所述系统控制中心通过所述无人机通信模块与所述无人机控制器双向通信；所述无人机控制器通过所述无人机轨迹控制模块控制无人机的运动轨迹；所述系统控制中心通过无人机通信模块接收所述无人机检测模块的检测信息。
3.如权利要求2所述的室内无人机起、降、充电系统，其特征在于，所述无人机检测模块包括分别与系统控制中心通信连接的无人机室内场景检测单元、无人机电量检测单元；
所述无人机室内场景检测单元检测室内标识物，对室内布局进行视觉特征提取，并且实时检测室内物体的运动情况，实现对飞行场景的认知；所述无人机电量检测单元实时检测无人机的电量。
4.如权利要求1所述的室内无人机起、降、充电系统，其特征在于，所述起降充电平台包括起降充电平台控制器、起降充电平台通信模块、起降充电平台轨迹控制模块、起降充电平台检测模块以及降落标志；
所述系统控制中心通过所述起降充电平台通信模块与所述起降充电平台控制器双向通信；所述系统控制中心通过所述起降充电平台通信模块接收所述起降充电平台检测模块的检测信号；所述无人机通过检测所述降落标志识别起降充电平台；所述起降充电平台控制器通过所述起降充电平台轨迹控制模块控制所述起降充电平台的运动轨迹。
5.如权利要求4所述的室内无人机起、降、充电系统，其特征在于，所述起降充电平台检测模块包括分别与系统控制中心通信连接的起降充电平台位置检测单元和起降充电平台室内场景检测模块；
所述起降充电平台位置检测单元实时检测所述起降充电平台的位置，所述室内场景检测模块实时检测室内环境。
6.如权利要求5所述的室内无人机起、降、充电系统，其特征在于，所述起降充电平台还包括无人机对位模块、无人机充电对接模块以及无人机固定模块；
所述起降充电平台控制器通过所述无人机对位模块控制无人机和起降充电平台以降落姿态进行对位；
充电时，所述无人机通过所述无人机充电对接模块连接所述充电装置；
所述无人机落至起降充电平台后，系统控制中心通过所述无人机固定模块固定无人机。
7.如权利要求1所述的室内无人机起、降、充电系统，其特征在于，所述无人机和起降充电平台通信连接，所述无人机和起降充电平台自行匹配，以进行所述充电操作、降落操作以及充电操作。
8.如权利要求1所述的室内无人机起、降、充电系统，其特征在于，所述无线通信为以下通信方式的任一种：3GPP之全球行动通讯系统(GSM)、通用行动通讯系统(UMTS)、LTE及LTE-A标准或3GPP2之CDMA2000(1xRTT、2xEV-DO、HRPD、eHRPD标准)，无线局域网络链接协议、个人局域网络链接协议。
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