CN109508037A - 一种无人机用辅助充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无人机用辅助充电系统，包括充电站管理模块、无人机信息库、警报模块、人机交互模块、控制器、信息传输模块、无人机控制器、运动控制模块、图像采集模块、图像处理模块、超声波高度计、个体信息库、GPS定位模块、电源与电量测量模块。本发明通过对无人机的飞行距离与电量的关系进行分析，并根据个体无人机的实际状况以及无人机与充电站之间的距离来分配无人机去往最合适的充电站进行充电工作，使无人机能够充分利用电池容量，提升无人机的单次飞行时间；本发明还通过通过在距离充电站一定距离处就开始进行下降过程，并通过加速下降与减速下降进行降落，节约了大量的降落时间，提高了无人机的工作效率。

Description

一种无人机用辅助充电系统

技术领域

本发明属于无人机应用技术领域，具体的，涉及一种无人机用辅助充电系统。

背景技术

随着无人机行业的快速发展，无论是商用无人机还是家用无人机都开始普及，目前市场上的无人机技术已经趋向成熟。

现有技术中，困扰无人机的主要技术难点是无人机的续航问题，当无人机在室外长时间进行工作时，就需要每隔一端时间对无人机进行充电，如果将无人机召回进行充电，就需要无人机保留足够的电量飞回，这一过程不仅耗时，还会浪费能源，直接导致无人机的有效飞行时间缩短，工作效率低下，为了保证无人机在商业领域的应用，就需要保证无人机的续航时间与有效飞行时间，提升无人机的工作效率，对于这一问题，现有技术中通过建立无人机充电站，无人机在飞行过程中选取最近的无人机充电站进行充电，而进入寻找充电站状态的依据是无人机的电量存量，当无人机电量达到预设阈值时，无人机开始匹配充电站，但是对于不同的无人机、不同电池种类以及不同的电池使用时长，相同的电量存量仍然会造成实际行驶距离有很大的差异，从而导致无法充分利用无人机电源电容量，进一步造成无人机的工作效率下降，或者设定的阈值电量无法支撑无人机达到充电站进行充电，导致无人机坠毁损失，为了解决这一问题，本发明提供了以下技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机用辅助充电系统。

本发明需要解决的技术问题为：

1、无人机的续航问题在现有技术中主要是依靠设置无人机充电站，无人机通过无人机充电站充电实现续航，但是现有技术中无人机在选择无人机充电站进行充电时，单纯以剩余电量作为阈值来判断无人机是否需要进行充电，无法根据无人机的种类与电池的实际续航状况的不同进行分析，导致无人机出现未到达充电站就出现电能耗尽以及电能足够无人机到达下一充电站却就近开始充电的状况，前者容易导致无人机坠毁造成损失，后者直接降低了无人机一次充电的有效飞行时间，从而降低了工作效率；

2、无人机在充电站进行充电时，需要经过降落、起飞的步骤，为了保证无人机能够平稳、安全、精准的降落，需要对无人机的降落速度进行控制，但是只通过降低降落速度来达到这一目的会导致充电时间变长，如何在保证无人机平稳降落的前提下缩短无人机的降落时间，提升充电效率，是目前需要解决的问题之一。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种无人机用辅助充电系统，包括充电站管理模块、无人机信息库、警报模块、人机交互模块、控制器、信息传输模块、无人机控制器、运动控制模块、图像采集模块、图像处理模块、超声波高度计、个体信息库、GPS定位模块、电源与电量测量模块；

所述电源用于为无人机供电，所述电量测量模块用于测量无人机的实时电量信息，并将测量的实时电量信息传输至无人机控制器；

所述GPS定位模块用于采集无人机的实时位置信息与实时垂直高度信息，并将所采集的实时位置信息与实时垂直高度信息通过无人机控制器与信息传输模块传输至控制器；

所述个体信息库用于录入与存储对应无人机信息，无人机信息包括无人机编号、无人机型号以及无人机服役时间；

所述超声波高度仪用于检测无人机与充电站之间的垂直距离，并将检测到的垂直距离传输至无人机控制器；

所述运动控制模块用于对无人机的运行速度、垂直高度与无人机姿态进行控制与修正；

所述图像采集模块用于采集无人机附近的实时图像信息，并将所采集的实时图像信息传输至图像处理模块，图像处理模块在对采集的图像进行分析处理后，通过无人机控制器控制运动控制模块对无人机的运行状态进行调整；

所述充电站管理模块用于记录充电站的位置信息、充电站的自身状态信息以及充电站的充电状态信息；

所述无人机信息库用于存储所有处于该系统中的无人机信息，无人机信息包括无人机编号、无人机型号、无人机服役时间以及无人机的飞行距离与电量的关系；

所述无人机信息库对无人机的飞行距离与电量的关系采集的方法为：

SS1、以每w％的电量作为一个检测单位，无人机的电量每下降w％，记录无人机在这一过程中的飞行距离L，从而得到L1、L2、...、Ln，飞行距离对应的电量范围为0-w％、w％-2w％、...、(100-w)％-100％；

SS2、在记录N组L1、L2、...、Ln数据后，计算多组数据的同一检测单位内飞行距离的平均值Ak，之后每新录入一组L1、L2、...、Ln数据，将其替换最先录入的一组数据；

SS3、在收集到飞行距离Ak与电量范围的对应关系后，以电量范围作为横坐标，以飞行距离作为纵坐标建立坐标系绘曲线图，根据每w％电量对应的飞行距离随电量范围的降低的下降趋势，从而预测得到电量较低的一个或多个电量范围内飞机的飞行距离，将预测得到的飞行距离减去一个预设值作为最终预测值；

所述警报模块用于发出报警信息；

所述人机交互模块用于建立人机交互界面；

所述控制器根据无人机状态与充电站状态来选择合适充电站对无人机进行充电的方法为：

步骤一、当无人机电量达到预设阈值θ％时，无人机控制器读取个体信息库中的无人机信息以及GPS定位模块传输的位置信息与垂直高度信息并将其传输至控制器，控制器将接收到的个体无人机信息与无人机信息库中的无人机信息进行匹配以获取该无人机的飞行距离与电量的关系，所有无人机的预设阈值相同；

步骤二、控制器根据GPS定位模块传输的无人机实时位置信息与充电站管理模块中存储的充电站信息得到无人机与三个可用充电站之间的距离，三个充电站包括处于无人机行进方向后方的一个可用充电站、行进方向上的两个可用充电站，无人机与行进方向后方的一个可用充电站的距离为Q1，无人机与行进方向上较近的一个充电站的距离为Q2，无人机与行进方向上较远的一个充电站的距离为Q3；

步骤三、当无人机的实时电量处于一电量范围时，计算时以该电量范围的下一电量范围为准，根据无人机电量所处的电量范围与无人机信息库中的飞行距离与电量的关系图得到无人机还能飞行的距离Q；

步骤四、比较Q与Q1、Q2、Q3之间的大小关系；

当Q小于Q1、Q2、Q3中任一时，无人机原地降落，GPS定位模块持续发出定位信息，控制器控制警报模块发出报警信息；

当Q＞Q1，且Q＜Q2时，无人机返回至行进方向后方的一个可用充电站进行充电；

当Q＞Q2，且Q＜Q3时，无人机行进至行进方向上较近的一个充电站进行充电，若此时该充电站处于满载状态，无人机返回至行进方向后方的一个可用充电站进行充电，若该充电站与返回至行进方向后方的一个可用充电站均处于满载状态，无人机降落在该充电站附近进行排队；

在这一过程中，设置一阈值α％，当电量降低至该阈值时，无人机原地降落，控制器控制警报模块发出警报；

步骤五、当Q＞Q3时，无人机在行驶Q2距离后进行步骤二到步骤四的操作。

作为本发明的进一步方案，所述电源、电量测量模块、GPS定位模块、个体信息库、超声波高度仪、图像采集模块、图像处理模块、运动控制模块与无人机控制器均安装在无人机上。

作为本发明的进一步方案，当无人机更换电源后，所述无人机信息库将原有的无人机的飞行距离与电量的对应关系删除并重新建立对应关系。

作为本发明的进一步方案，所述无人机控制器对无人机进行降落的方法为：

S1、当无人机与充电站之间的水平距离达到预设值Q4时，无人机开始进行降落，当GPS定位模块检测到无人机的垂直高度达到预设值Q5时，无人机控制器开启超声波高度计进行工作，并将检测的垂直高度值传输至无人机控制器，此时无人机垂直高度以超声波高度计的检测值为准；

S2、当无人机的垂直高度达到预设值Q6时，无人机停止降落，图像采集模块采集充电站的充电平台的图像信息并传输至图像处理模块，图像处理模块读取充电平台的角点建立封闭二维图形，无人机控制器根据无人机与二维图像之间的相对位置通过运动控制模块控制无人机停在二维图形内部；

S3、无人机在垂直方向的运动方法为，在无人机开始降落至垂直距离为Q5这一过程中，无人机由加速度a1下降至速度V1后匀速进行下落，当垂直距离变为Q5时，无人机开始以加速度a2进行减速，当垂直距离变为Q6时，无人机的竖直方向移动速度为0,在垂直距离由Q5变至Q6过程中，加速度a2的值根据Q5、Q6的差值进行调整。

作为本发明的进一步方案，所述充电平台的角点处安装红外二极管。

本发明的有益效果：

1、本发明通过对无人机的飞行距离与电量的关系进行分析，并根据个体无人机的实际状况以及无人机与充电站之间的距离来分配无人机去往最合适的充电站进行充电工作，使无人机能够充分利用电池容量，提升无人机的单次飞行时间；

2、本发明通过在距离充电站一定距离处就开始进行下降过程，并通过加速下降与减速下降进行降落，相较于传统的停留在充电站上方后开始匀速后减速下降的过程，节约了大量的降落时间，提高了无人机的工作效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

图1为本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种无人机用辅助充电系统，如图1所示，包括充电站管理模块、无人机信息库、警报模块、人机交互模块、控制器、信息传输模块、无人机控制器、运动控制模块、图像采集模块、图像处理模块、超声波高度计、个体信息库、GPS定位模块、电源与电量测量模块，其中电源、电量测量模块、GPS定位模块、个体信息库、超声波高度仪、图像采集模块、图像处理模块、运动控制模块与无人机控制器均安装在无人机上；

所述电源用于为无人机供电，所述电量测量模块用于测量无人机的实时电量信息，并将测量的实时电量信息传输至无人机控制器；

所述GPS定位模块用于采集无人机的实时位置信息与实时垂直高度信息，并将所采集的实时位置信息与实时垂直高度信息通过无人机控制器与信息传输模块传输至控制器；

所述个体信息库用于录入与存储对应无人机信息，无人机信息包括无人机编号、无人机型号以及无人机服役时间；

所述超声波高度仪用于检测无人机与充电站之间的垂直距离，并将检测到的垂直距离传输至无人机控制器；

所述运动控制模块用于对无人机的运行速度、垂直高度与无人机姿态进行控制与修正；

所述图像采集模块用于采集无人机附近的实时图像信息，并将所采集的实时图像信息传输至图像处理模块，图像处理模块在对采集的图像进行分析处理后，通过无人机控制器控制运动控制模块对无人机的运行状态进行调整；

所述充电站管理模块用于记录充电站的位置信息、充电站的自身状态信息以及充电站的充电状态信息，充电站的自身状态信息为充电站是否处于正常运行状态，充电站的充电状态信息为充电站中是否还有位置进行充电，所述充电站沿无人机飞行路径进行设置；

所述无人机信息库用于存储所有处于该系统中的无人机信息，无人机信息包括无人机编号、无人机型号、无人机服役时间以及无人机的飞行距离与电量的关系；

所述无人机信息库对无人机的飞行距离与电量的关系采集的方法为：

SS1、以每w％的电量作为一个检测单位，无人机的电量每下降w％，记录无人机在这一过程中的飞行距离L，从而得到L1、L2、...、Ln，飞行距离对应的电量范围为0-w％、w％-2w％、...、(100-w)％-100％，由于无人机只有在起飞与降落时才会涉及到垂直方向的移动，在大部分时间无人机在垂直方向的移动较小，起飞降落不频繁，因此不考虑起飞降落带来的功耗影响；

SS2、在记录N组L1、L2、...、Ln数据后，计算多组数据的同一检测单位内飞行距离的平均值Ak，之后每新录入一组L1、L2、...、Ln数据，将其替换最先录入的一组数据，从而保证数据的真实性，降低电池损耗对无人机运行距离的影响；

SS3、为了保证无人机不出现断电坠落状况，经常会设置一阈值来判断无人机是否继续飞行，因此在电量较低的一个或多个电量范围内，无人机会开始充电，从而无法得到充足的数据源，因此在收集到飞行距离Ak与电量范围的对应关系后，以电量范围作为横坐标，以飞行距离作为纵坐标建立坐标系绘曲线图，根据每w％电量对应的飞行距离随电量范围的降低的下降趋势，从而预测得到电量较低的一个或多个电量范围内飞机的飞行距离，为了保证无人机能够正常运行，将预测得到的飞行距离减去一个预设值作为最终预测值；

当无人机更换电源后，无人机信息库将原有的无人机的飞行距离与电量的对应关系删除并重新建立对应关系；

所述警报模块用于发出报警信息；

所述人机交互模块用于建立人机交互界面。

所述控制器根据无人机状态与充电站状态来选择合适充电站对无人机进行充电的方法为：

步骤一、当无人机电量达到预设阈值θ％时，无人机控制器读取个体信息库中的无人机信息以及GPS定位模块传输的位置信息与垂直高度信息并将其传输至控制器，控制器将接收到的个体无人机信息与无人机信息库中的无人机信息进行匹配以获取该无人机的飞行距离与电量的关系，为了方便管理，所有无人机的预设阈值相同；

步骤二、控制器根据GPS定位模块传输的无人机实时位置信息与充电站管理模块中存储的充电站信息得到无人机与三个可用充电站之间的距离，可用是指充电站处于正常运行状态，多个充电站包括处于无人机行进方向后方的一个可用充电站、行进方向上的两个可用充电站，一个充电站为一个充电平台或多个充电平台的集聚点，无人机与行进方向后方的一个可用充电站的距离为Q1，无人机与行进方向上较近的一个充电站的距离为Q2，无人机与行进方向上较远的一个充电站的距离为Q3；

步骤三、当无人机的实时电量处于一电量范围时，计算时以该电量范围的下一电量范围为准，即当实时电量处于2w％-3w％时，计算时以w％-2w％的电量范围进行计算，根据无人机电量所处的电量范围与无人机信息库中的飞行距离与电量的关系图得到无人机还能飞行的距离Q；

步骤四、比较Q与Q1、Q2、Q3之间的大小关系；

当Q小于Q1、Q2、Q3中任一时，无人机原地降落，GPS定位模块持续发出定位信息，控制器控制警报模块发出报警信息；

当Q＞Q1，且Q＜Q2时，无人机返回至行进方向后方的一个可用充电站进行充电，为了避免以上两种情况，可提高阈值θ％；

当Q＞Q2，且Q＜Q3时，无人机行进至行进方向上较近的一个充电站进行充电，若此时该充电站处于满载状态，无人机返回至行进方向后方的一个可用充电站进行充电，若该充电站与返回至行进方向后方的一个可用充电站均处于满载状态，无人机降落在该充电站附近进行排队；

在这一过程中，设置一阈值α％，当电量降低至该阈值时，无人机原地降落并等待工作人员进行回收；

步骤五、当Q＞Q3时，无人机在行驶Q2距离后进行步骤二到步骤四的操作。

所述无人机控制器对无人机进行精准快速降落的方法为：

S1、当无人机与充电站之间的水平距离达到预设值Q4时，无人机开始进行降落，即无人机在水平发现靠近充电站的同时进行降落工作，节约降落时间，当GPS定位模块检测到无人机的垂直高度达到预设值Q5时，无人机控制器开启超声波高度计进行工作，并将检测的垂直高度值传输至无人机控制器，此时无人机垂直高度以超声波高度计的检测值为准；

S2、当无人机的垂直高度达到预设值Q6时，无人机不再继续降落，同时无人机控制器控制图像采集模块采集充电站的充电平台的图像信息并传输至图像处理模块，图像处理模块读取充电平台的角点建立一个封闭的二维图形，无人机控制器通过无人机与二维图像之间的相对位置控制运动控制模块控制无人机停在二维图形内部，为了保证角点识别的精度，可以在充电平台的角点处安装红外二极管；

S3、无人机在垂直方向的运动方法为，在无人机开始降落至垂直距离为Q5这一过程中，无人机由加速度a1下降至速度V1后匀速进行下落，当垂直距离变为Q5时，无人机开始以加速度a2进行减速，当垂直距离变为Q6时，无人机的竖直方向移动速度为0,在垂直距离由Q5变至Q6过程中，由于测量垂直高度的模块由GPS定位模块变为超声波高度计，这一过程会出现较大的误差，因此加速度a2的值需要根据Q5、Q6的差值进行变化，通过加速与减速下降交替进行，相较于现有技术中的匀速下降能够减降低降落时间。

该方法通过在距离充电站Q4处就开始进行下降过程，并通过加速下降与减速下降进行降落，相较于传统的停留在充电站上方后开始匀速后减速下降的过程，节约了大量的降落时间，提高了无人机的工作效率。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无人机用辅助充电系统，其特征在于，包括充电站管理模块、无人机信息库、警报模块、人机交互模块、控制器、信息传输模块、无人机控制器、运动控制模块、图像采集模块、图像处理模块、超声波高度计、个体信息库、GPS定位模块、电源与电量测量模块；

所述电源用于为无人机供电，所述电量测量模块用于测量无人机的实时电量信息，并将测量的实时电量信息传输至无人机控制器；

所述GPS定位模块用于采集无人机的实时位置信息与实时垂直高度信息，并将所采集的实时位置信息与实时垂直高度信息通过无人机控制器与信息传输模块传输至控制器；

所述个体信息库用于录入与存储对应无人机信息，无人机信息包括无人机编号、无人机型号以及无人机服役时间；

所述超声波高度仪用于检测无人机与充电站之间的垂直距离，并将检测到的垂直距离传输至无人机控制器；

所述运动控制模块用于对无人机的运行速度、垂直高度与无人机姿态进行控制与修正；

所述图像采集模块用于采集无人机附近的实时图像信息，并将所采集的实时图像信息传输至图像处理模块，图像处理模块在对采集的图像进行分析处理后，通过无人机控制器控制运动控制模块对无人机的运行状态进行调整；

所述充电站管理模块用于记录充电站的位置信息、充电站的自身状态信息以及充电站的充电状态信息；

所述无人机信息库用于存储所有处于该系统中的无人机信息，无人机信息包括无人机编号、无人机型号、无人机服役时间以及无人机的飞行距离与电量的关系；

所述无人机信息库对无人机的飞行距离与电量的关系采集的方法为：

SS1、以每w％的电量作为一个检测单位，无人机的电量每下降w％，记录无人机在这一过程中的飞行距离L，从而得到L1、L2、...、Ln，飞行距离对应的电量范围为0-w％、w％-2w％、...、(100-w)％-100％；

SS2、在记录N组L1、L2、...、Ln数据后，计算多组数据的同一检测单位内飞行距离的平均值Ak，之后每新录入一组L1、L2、...、Ln数据，将其替换最先录入的一组数据；

SS3、在收集到飞行距离Ak与电量范围的对应关系后，以电量范围作为横坐标，以飞行距离作为纵坐标建立坐标系绘曲线图，根据每w％电量对应的飞行距离随电量范围的降低的下降趋势，从而得到电量较低的一个或多个电量范围内飞机的飞行距离，将得到的飞行距离减去一个预设值作为最终预测值；

所述警报模块用于发出报警信息；

所述人机交互模块用于建立人机交互界面；

所述控制器根据无人机状态与充电站状态来选择合适充电站对无人机进行充电的方法为：

步骤一、当无人机电量达到预设阈值θ％时，无人机控制器读取个体信息库中的无人机信息以及GPS定位模块传输的位置信息与垂直高度信息并将其传输至控制器，控制器将接收到的个体无人机信息与无人机信息库中的无人机信息进行匹配以获取该无人机的飞行距离与电量的关系，所有无人机的预设阈值相同；

步骤二、控制器根据GPS定位模块传输的无人机实时位置信息与充电站管理模块中存储的充电站信息得到无人机与三个可用充电站之间的距离，三个充电站包括处于无人机行进方向后方的一个可用充电站、行进方向上的两个可用充电站，无人机与行进方向后方的一个可用充电站的距离为Q1，无人机与行进方向上较近的一个充电站的距离为Q2，无人机与行进方向上较远的一个充电站的距离为Q3；

步骤三、当无人机的实时电量处于一电量范围时，计算时以该电量范围的下一电量范围为准，根据无人机电量所处的电量范围与无人机信息库中的飞行距离与电量的关系图得到无人机还能飞行的距离Q；

步骤四、比较Q与Q1、Q2、Q3之间的大小关系；

当Q小于Q1、Q2、Q3中任一时，无人机原地降落，GPS定位模块持续发出定位信息，控制器控制警报模块发出报警信息；

当Q＞Q1，且Q＜Q2时，无人机返回至行进方向后方的一个可用充电站进行充电；

当Q＞Q2，且Q＜Q3时，无人机行进至行进方向上较近的一个充电站进行充电，若此时该充电站处于满载状态，无人机返回至行进方向后方的一个可用充电站进行充电，若该充电站与返回至行进方向后方的一个可用充电站均处于满载状态，无人机降落在该充电站附近进行排队；

在这一过程中，设置一阈值α％，当电量降低至该阈值时，无人机原地降落，控制器控制警报模块发出警报；

步骤五、当Q＞Q3时，无人机在行驶Q2距离后进行步骤二到步骤四的操作。

2.根据权利要求1所述的一种无人机用辅助充电系统，其特征在于，所述电源、电量测量模块、GPS定位模块、个体信息库、超声波高度仪、图像采集模块、图像处理模块、运动控制模块与无人机控制器均安装在无人机上。

3.根据权利要求1所述的一种无人机用辅助充电系统，其特征在于，当无人机更换电源后，所述无人机信息库将原有的无人机的飞行距离与电量的对应关系删除并重新建立对应关系。

4.根据权利要求1所述的一种无人机用辅助充电系统，其特征在于，所述无人机控制器对无人机进行降落的方法为：

S1、当无人机与充电站之间的水平距离达到预设值Q4时，无人机开始进行降落，当GPS定位模块检测到无人机的垂直高度达到预设值Q5时，无人机控制器开启超声波高度计进行工作，并将检测的垂直高度值传输至无人机控制器，此时无人机垂直高度以超声波高度计的检测值为准；

S2、当无人机的垂直高度达到预设值Q6时，无人机停止降落，图像采集模块采集充电站的充电平台的图像信息并传输至图像处理模块，图像处理模块读取充电平台的角点建立封闭二维图形，无人机控制器根据无人机与二维图像之间的相对位置通过运动控制模块控制无人机停在二维图形内部；

S3、无人机在垂直方向的运动方法为，在无人机开始降落至垂直距离为Q5这一过程中，无人机由加速度a1下降至速度V1后匀速进行下落，当垂直距离变为Q5时，无人机开始以加速度a2进行减速，当垂直距离变为Q6时，无人机的竖直方向移动速度为0,在垂直距离由Q5变至Q6过程中，加速度a2的值根据Q5、Q6的差值进行调整。

5.根据权利要求4所述的一种无人机用辅助充电系统，其特征在于，所述充电平台的角点处安装红外二极管。