CN110774910A - 一种引导无人机降落充电的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种引导无人机降落充电的方法，所述方法包括以下步骤：实时计算无人机相对于停机平台预设降落点的偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)并发送至无人机，直至无人机降落至停机平台预设降落点上，且停机平台上的充电正极电极板和充电负极电极板分别与至少一个无人机上的充电支脚接触，偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)以使无人机基于偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)调节运动方向；发送供电启动信号至充电供电模块，供电启动信号以使充电供电模块分别对充电正极电极板和充电负极电极板进行放电。该引导无人机降落充电的方法可自动化实现无人机的降落、充电及充电保护功能，具有良好的实用性。另外，本发明还提供了一种引导无人机降落充电的系统。

Description

一种引导无人机降落充电的方法及系统
技术领域
本发明涉及无人机领域，具体涉及到一种引导无人机降落充电的方法及系统。
背景技术
目前市场上有一类无人机采用插电充电方式对电池进行充电，但采用插电充电方式对电池进行充电，需要用户额外执行充电线插入的操作，且在充电完成后用户需要将充电线拔出，过程较为繁琐。
发明内容
针对现有无人机有关充电便利性不足的问题，本发明提供了一种引导无人机降落充电的方法及系统，该引导无人机降落充电的方法可自动化实现无人机的降落、充电及充电保护功能，具有良好的实用性。
相应的，本发明提供了一种引导无人机降落充电的方法，所述引导无人机降落充电的方法包括以下步骤：
实时计算无人机相对于停机平台预设降落点的偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)并发送至所述无人机，直至无人机降落至所述停机平台预设降落点上，且所述停机平台上的充电正极电极板和充电负极电极板分别与至少一个所述无人机上的充电支脚接触，所述偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)以使所述无人机基于所述偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)调节运动方向；
发送供电启动信号至充电供电模块，所述供电启动信号以使所述充电供电模块分别对所述充电正极电极板和所述充电负极电极板进行放电。
可选的实施方式，所述实时计算无人机相对于停机平台预设降落点的偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)并发送至所述无人机包括以下步骤：
自T0时刻开始计时，并在接收到由第a超声波接收模块发送的第a停止信号时得到第a超声波传输时间Ta-T0；
所述第a停止信号由预设频率范围内的超声波信号触发所述第a超声波接收模块生成，所述第a超声波传输时间为超声波信号从所述无人机上发出至所述超声波信号被第a超声波接收模块接收所经历的时间，其中，a＝1,2,…,s-1,s；s≥3，s为整数；
计算超声波无人机距离所述第a个超声波接收模块的第a实时距离Da＝v(Ta-T0)，其中，v为所述超声波信号传播速度；
基于s个第a实时距离计算所述超声波无人机在T0时刻的空间位置Q0(x0,y0,z0)；
计算在T0时刻所述超声波无人机相对于预设降落坐标Q(x,y,z)的偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)。
可选的实施方式，所述预设频率范围内的超声波信号的预设频率范围为40kHz±2kHz。
可选的实施方式，所述基于s个第a实时距离计算所述超声波无人机在T0时刻的空间位置Q0(x0,y0,z0)包括以下步骤：
从总数量为s个的第a实时距离中遍历选取任意三个第a实时距离构建一次组合，所述一次组合的组合数量为
Figure BDA0002211706520000021
每一个所述一次组合中的三个第a实时距离分别为z1，z2，z3；
基于所述一次组合求出所述超声波无人机在T0时刻的一次空间位置坐标P(i,j,k)；
遍历求出所有一次组合的一次空间位置坐标，所有一次组合的一次空间位置坐标的均值为所述声波超声波无人机在T0时刻的空间位置Q0(x0,y0,z0)。
可选的实施方式，所述基于所述一次组合求出所述超声波无人机在T0时刻的一次空间位置坐标P(i,j,k)包括以下步骤：
构建有关所述一次空间位置坐标P(i,j,k)的空间坐标距离方程组：
Figure BDA0002211706520000031
其中，z1所对应的第a超声波接收模块的超声波接收头在空间坐标系的坐标为(i1,j1,k1)，z2所对应的第a超声波接收模块的超声波接收头在空间坐标系的坐标为(i2,j2,k2)，z3所对应的第a超声波接收模块的超声波接收头在空间坐标系的坐标为(i3,j3,k3)；
基于所述空间坐标距离方程组求出所述一次空间位置坐标P(i,j,k)。
可选的实施方式，所述计算在T0时刻所述超声波无人机相对于预设降落坐标Q(x,y,z)的偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)包括以下步骤：
Q△0(x△0,y△0,z△0)＝Q0(x0,y0,z0)-Q(x,y,z)。
可选的实施方式，所述引导无人机降落充电的方法还包括以下步骤：
所述偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)被超声波无人机的超声波无人机通信模块接收后传输至超声波无人机处理模块；
超声波无人机处理模块基于所述偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)生成控制信号并发送至超声波无人机的超声波无人机飞控；
所述超声波无人机飞控基于所述控制信号生成用于驱动超声波无人机驱动模块的驱动信号，所述驱动信号以使所述超声波无人机驱动模块带动所述超声波无人机根据预设加速度向预设方向运动。
可选的实施方式，所述引导无人机降落充电的方法还包括以下步骤：
发送盖板打开信号至所述盖板开合模块，所述盖板打开信号以使盖板开合驱动模块在所述无人机降落前通过驱动盖板运动打开停机坪箱体顶面；
发送平台升起信号至所述升降驱动模块，所述平台升起信号以使升降驱动模块驱动停机平台升起至所述停机坪箱体顶面。
可选的实施方式，所述引导无人机降落充电的方法还包括以下步骤：
发送平台降落信号至所述升降驱动模块，所述平台降落信号以使升降驱动模块在所述无人机降落至所述停机平台预设降落点后驱动停机平台下降至所述停机坪箱体内部。
发送盖板关闭信号至所述盖板开合模块，所述盖板关闭信号以使盖板开合驱动模块在所述无人机降落前通过驱动盖板运动打开停机坪箱体顶面。
相应的，本发明还提供了一种引导无人机降落充电的系统，所述引导无人机降落充电的系统用于实现以上任一项所述的引导无人机降落充电方法。
本发明所提供的引导无人机降落充电的方法及系统，在无人机需要降落时，首先第一盖板和第二盖板相背离运动，使停机坪箱体顶面敞开；然后停机平台上升运动至停机坪箱体顶面位置处；然后通过停机坪处理模块、超声波接收模块和停机坪通信模块的配合实现无人机的引导降落，直至无人机降落至中心点位置上，充电支脚与充电电极板接触；然后停机平台下降运动至停机坪箱体内部，充电供电模块开始对无人机进行充电；最后，第一开合盖板和第二开合盖板相对运动，封闭停机坪箱体顶面，对位于停机坪箱体顶面内部的无人机进行保护。该引导无人机降落充电的方法可自动化实现无人机的降落、充电及充电保护功能，具有良好的实用性，相应的，该引导无人机降落充电的系统具有自动化程度高、可靠性高等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1示出了本发明实施例的自动充电无人机三维结构示意图；
图2示出了本发明实施例的自动充电无人机充电结构示意图；
图3示出了本发明实施例的自动充电无人机电路结构示意图；
图4示出了本发明实施例的超声波发生模块电路结构示意图；
图5示出了本发明实施例的充电停机坪三维结构示意图；
图6示出了本发明实施例的充电停机坪充电电路结构示意图；
图7示出了本发明实施例的矩形充电电极板的结构示意图；
图8示出了本发明实施例的半圆环形充电电极板的结构示意图；
图9示出了本发明实施例的停机坪处理模块的结构示意图；
图10示出了本发明实施例的超声波接收模块电路结构示意图；
图11示出了本发明实施例的引导无人机降落充电的方法流程示意图；
图12示出了本发明实施例的通信周期流程示意图；
图13示出了本发明实施例的空间位置Q0(x0,y0,z0)计算方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
自动充电无人机：
图1示出了本发明实施例的自动充电无人机三维结构示意图，本发明实施例提供了一种自动充电无人机，所述自动充电无人机包括无人机本体1和充电支脚5；
所述充电支脚5数量为四个以上且所述充电支脚数量为偶数个，所有所述充电支脚沿一圆周均匀设置在所述无人机本体下方；
所述充电支脚5包括支脚本体502和充电端子501，所述支脚本体502上端设置在所述无人机本体1上，所述充电端子501设置在所述支脚本体502下端；
所述无人机本体具有充电电池，所述充电端子与所述充电电池电性连接。
在本发明实施例中，在支脚本体502下端设置充电端子501，在该自动充电无人机停泊时，只要充电端子501与充电电极板接触即可实现充电，具有良好的实用性。
可选的，所述充电端子501基于弹簧503设置在所述支脚本体502下端，一方面，弹簧503可对充电端子501提供一定的缓冲，避免充电端子501与支脚本体502刚性碰撞，另一方面，弹簧503可对该自动充电无人机在降落时提供一定的缓冲，提高自动充电无人机对停机位置的适应性。
图2示出了本发明实施例的自动充电无人机充电结构示意图。
所述充电电池具有充电正极和充电负极；
所述充电端子基于第一二极管与所述充电正极电性连接，所述第一二极管正极与所述充电端子电性连接，所述第一二极管负极与所述充电正极电性连接；
所述充电端子基于第二二极管与所述充电负极电性连接，所述第二二极管正极与所述充电负极电性连接，所述第二二极管负极与所述充电端子电性连接。
以充电端子A为例，充电端子A基于第一二极管D8与所述充电正极电性连接，所述第一二极管D8正极与所述充电端子A电性连接，所述第一二极管D8负极与所述充电正极电性连接；
所述充电端子A基于第二二极管D1与所述充电负极电性连接，所述第二二极管D1正极与所述充电负极电性连接，所述第二二极管D1负极与所述充电端子A电性连接。
通过该电路设计方式，当充电端子与外界充电电源的正极连接时，对应的第一二极管导通，充电端子与充电电池的充电正极电性连接；当充电端子与外界充电电源的负极连接时，对应的第二二极管导通，充电端子与充电电池的充电负极电性连接。由此可得，充电端子无论接入正极电源或负极电源均不会对充电电池造成破坏，同时，再通过四组以上且为偶数组的充电支脚的设置以及充电停机坪的配合设计，可实现无人机充电电池的配合充电。后续结合充电停机坪的结构再对其具体充电方式进行说明。
在现有技术中，一个完整的无人机本体至少应包括上述的充电电池、无人机飞控、遥控模块和无人机驱动模块，其中，充电电池用于为无人机本体上的其他模块进行供电，遥控模块用于接收用户的遥控信号，无人机飞控用于根据遥控信号驱动无人机驱动模块，使无人机本体能够按照用户的控制方向进行运动，以上有关无人机本体的相关内容可参照现有技术进行理解，本发明实施例不另行进行介绍。
可选的，为了实现该自动充电无人机的自动降落功能，使该自动充电无人机能够自动降落至充电充电停机坪的充电位置上，本发明实施例的自动充电无人机还包括无人机处理模块、超声波发生模块和无人机通信模块。
可选的，所述自动充电无人机还包括供电模块，所述供电模块可独立于所述充电电池设计或所述供电模块可与所述充电电池一体设计，即所述充电电池可负责所述供电模块的供电功能。
其中，所述供电模块、无人机处理模块、超声波发生模块和无人机通信模块分别设置在所述无人机本体上，由于供电模块、无人机处理模块、超声波发生模块和无人机通信模块设置形式不唯一，且设置位置不唯一，本发明实施例在附图图1中并未示意出这些模块的设置位置，具体实施中，供电模块、无人机处理模块、超声波发生模块和无人机通信模块可分别设置在无人机本体1上的任一位置上；一般的，供电模块、无人机处理模块、超声波发生模块和无人机通信模块与无人机飞控的设置位置相同。
所述供电模块用于为无人机处理模块、所述超声波发生模块和无人机通信模块进行直接供电或间接供电，其中，直接供电是指供电模块直接对无人机处理模块、和/或所述超声波发生模块、和/或无人机通信模块进行供电，间接供电是指供电模块对无人机处理模块、所述超声波发生模块和无人机通信模块中的其中一个或多个模块进行供电，再通过已供电的模块对未供电的模块进行供电。在本发明实施例中，本发明实施例的供电模块输出端为5V。
可选的，所述供电模块可与无人机本体的充电电池设置为一体，即由无人机本体的充电电池对无人机处理模块、所述超声波发生模块和无人机通信模块进行供电。
具体的，所述超声波发生模块包括超声波发射头201，所述超声波发生头201设置在所述所述无人机本体1底部；超声波发生头201设置在所述所述无人机本体1底部原因在于，无人机本体1在飞行时，停机平台是位于无人机本体1的下方，相应的，停机平台上设置的超声波接收头是朝向空中的；为了保证超声波接收头能够较好的接收到超声波信号，超声波发生头201设置在所述所述无人机本体1底部。可选的，超声波发生头201表面为半球面，以获得接近180°的超声波空间发射角度。
图3示出了本发明实施例的自动充电无人机电路结构示意图，需要说明的是，本发明实施例的自动充电无人机电路结构有较多实施方式，附图图3仅示出其中一种实施结构。
本发明实施例的供电模块与超声波发生模块电性连接，超声波发生模块用于通过超声波发生头201对外发出超声波信号；无人机通信模块用于接收来自充电停机坪通信模块发送的位置信号，并将相应的位置信号反馈至无人机处理模块中；本发明实施例的供电模块与无人机处理模块电性连接，无人机处理模块用于接收无线通信模块传输的有关于无人机的位置信息，无人机处理模块对无人机的位置信息处理后，计算出无人机与准确降落位置的偏移方向和偏移距离，并根据所述偏移方向和偏移距离发送相应的控制信号至无人机飞控，从而脱离人工控制的方式，使无人机飞控根据所述控制信号，控制无人机本体1向准确降落位置移动。该自动充电无人机在降落过程中脱离人工控制，可自动降落至充电停机坪的设定位置上，使该自动充电无人机在降落阶段中具有较高的安全性。
以下针对本发明实施例的自动充电无人机所涉及的模块逐一进行说明。
供电模块：所述供电模块一般为充电电池，具体的，供电模块可整合至无人机本体的充电电池中，一般的，蓄电池电压为5V或12V。具体实施中，供电模块也可以与无人机本体的充电电池为同一结构。
超声波发生模块：图4示出了本发明实施例的超声波发生模块电路结构示意图。本发明实施例的超声波发生模块还包括脉冲信号发生器、开关三极管Q1和中周变压器TS。
所述中周变压器TS的第一初级一端为低压输入端，所述低压输入端与所述供电模块(5V)电性连接，所述中周变压器的第一初级另一端与所述开关三极管Q1的集电极电性连接；
所述开关三极管Q1的基极与所述脉冲信号发生器的输出端连接，所述开关三极管Q1的发射极接地，为了调节开关三极管Q1的基极导通电压，在脉冲信号发生器与所述开关三极管Q1的基极接入第一保护电阻R1。
所述中周变压器TS的第二初级两端分别与所述超声波发射头201的两极电性连接。
可选的，由于中周变压器TS在开关三极管Q1导通时，中周变压器TS的第二初级会因第一初级上升沿相应的产生正向电压，且中周变压器TS在开关三极管Q1截止时，中周变压器TS的第二初级会因第一初级电压下降沿相应的产生负向电压，此时，通过该正向电压和负向电压驱动的超声波发射头201会产生正阶跃信号和负阶跃信号，而非产生理想的由单向阶跃信号组成的超声波信号，为了使超声波发射头201的能够发射出理想的超声波信号，可选的，所述超声波发生模块还包括接地电阻R3，所述超声波发生头201的其中一极经所述接地电阻R3后接地。通过该实施方式，中周变压器TS第二初级的其中一个方向的电压会因接地而无法对超声波发射头201进行驱动，可使超声波发射头201的能够发射出理想的超声波信号。
相似的，为了对超声波发射头201的两端电压进行调节以及对超声波发生头201进行保护，一第二保护电阻R2并联至所述超声波发射头201的两极上。
可选的，本发明实施例的脉冲信号发生器用于产生单向脉冲信号，通过脉冲信号控制开关三极管Q1的通断。可选的，脉冲信号发生器可采用传统的脉冲信号发生器，此外，可将脉冲信号发生器整合至无人机处理模块中。具体的，将开关三极管Q1的基极接入至无人机处理模块的其中一个通用输入输出接口当中，通过无人机处理模块的软件控制方式，控制该通用输入输出接口的高低电平；为了保证该通用输入输出接口的开关速度，无人机处理模块处理速度需要达到一定的水平，且总线速度需要也需要符合相应的条件。可选的，相应的，本发明实施例的超声波发射头201的超声波发射频率为40±2KHz，因此，脉冲信号的频率也应为40±2KHz。
无人机通信模块：本发明实施例的无人机通信模块用于接收充电停机坪通信模块发送的有关自动充电无人机的位置信息。具体的，无人机通信模块可以为近程通信模块，也可以为远程通信模块。常见的，近程通信模块有蓝牙通信模块、WIFI通信模块、LoRa无线通信模块等，远程通信模块有卫星通信模块、蜂窝通信模块等。无人机通信模块与无人机处理模块电性连接，将有关自动充电无人机位置的信息发送至无人机处理模块。
可选的，由于本发明实施例的无人机通信模块主要用于接收充电停机坪通信模块发送的有关自动充电无人机的位置信息，因此，所述无人机通信模块可以为无线接收模块，以节省制造成本。
无人机处理模块：无人机处理模块用于接收无人机通信模块所发送的有关自动充电无人机的位置信息，可通过所述位置信息发出控制信号至无人机飞控，替代人工遥控操作，使自动充电无人机能够降落在充电停机坪的预设位置上。可选的，无人机处理模块包括处理器，处理器可以为STM32、51单片机等具有足够通用输入输出接口的设备，具体的，所述处理器型号为型号为STM32F407VGT单片机芯片。
具体实施中，无人机处理模块还可整合至无人机飞控中，由于本发明实施例的无人机处理模块只需要与无人机通信模块电性连接，并在脉冲发生器整合至无人机处理模块时，无人机处理模块与超声波模块电性连接，因此，本发明实施例的无人机处理模块所需的接口数量较少，可较为容易的整合至无人机飞控中。
需要说明的是，有关自动充电无人机的位置信息，具体的，所述有关自动充电无人机的位置信息可以为当前自动充电无人机的绝对坐标，也可以为当前自动充电无人机的相对坐标。
本发明实施例所提供的自动充电无人机，在该自动充电无人机接近充电停机坪需要降落时，超声波发生模块对充电停机坪方向发射超声波信号，充电停机坪根据所述超声波信号判断该自动充电无人机所处位置，并根据预设的自动充电无人机降落位置计算自动充电无人机的相对坐标；然后自动充电无人机通过无人机通信模块接收来自充电停机坪的有关于自动充电无人机相对坐标的信息，并基于该相对坐标生成相应的控制信号，所述控制信号用于替代人工控制时所产生的遥控信号；所述无人机飞控在接收到所述控制信号后，控制自动充电无人机向相应方向运动。重复以上过程直至自动充电无人机降落在充电停机坪上预设的自动充电无人机降落位置；通过在充电停机坪的相应位置上设置充电电极板，可使自动充电无人机在降落后实现自动充电功能。
需要说明的是，充电停机坪在对自动充电无人机进行位置引导的同时，还会根据自动充电无人机的相应位置控制自动充电无人机的运动加速度，越接近于充电停机坪，自动充电无人机的运动加速度越低，以使自动充电无人机尽可能平稳的进行降落。
充电停机坪：
图5示出了本发明实施例的充电停机坪三维结构示意图，图6示出了本发明实施例的充电停机坪充电电路结构示意图。
所述充电停机坪包括停机平台2、充电供电模块和相互绝缘的充电正极电极板701、充电负极电极板702；
所述充电正极电极板701和充电负极电极板702对称设置在所述停机平台2顶面上，所述充电供电模块分别与所述充电供电模块、充电正极电极板电性连接。
可选的，本发明实施例的充电供电模块为太阳能供电模块，所述太阳能供电模块包括光伏板、光伏充电控制器和对外充电电池。光伏板对太阳能进行光电转换，光伏充电控制器对光伏板进行功率追踪并同时对所述对外充电电池进行充电；对外充电电池的两个电极分别与所述充电正极电极板701和所述充电负极电极板702连接，对充电正极电极板701和所述充电负极电极板702进行供电。
图7示出了本发明实施例的矩形充电电极板的结构示意图，图8示出了本发明实施例的半圆环形充电电极板的结构示意图。
在附图图7所示充电电极板结构中，充电正极电极板701和所述充电负极电极板702均为矩形结构，充电正极电极板701和所述充电负极电极板702对称设置在所述停机平台2上；假设无人机具有四个充电机脚5，无人机的充电机脚在无人机上沿一圆周(所述圆周具有一圆心)均匀分布；当无人机降落至停机平台上时，所述圆心位置与中心点重合，则充电机脚会相应的落在电极板上。通过上述对自动充电无人机的结构可知，由于充电机脚不需要区分充电电极，因此，无人机的降落姿态可以为多样，只需保证同时存在有充电机脚与充电正极电极板701和所述充电负极电极板702接触即可实现无人机的充电。
在在附图图8所示充电电极板结构中，所述充电正极电极板和所述充电负极电极板关于中心点对称，且均为半圆环形结构。相对于图7所示的充电电极板结构，由于充电电极板的结构与无人机的充电支脚的分布更加适配，无人机在降落至中心点上时，无人机的绝大部分姿态都能实现充电，在该实施方式下，无人机降落时即可实现充电，需要二次操作的可能性更低，具有更加良好的实用性。
进一步的，为了引导无人机进行降落，图9示出了本发明实施例的停机坪处理模块的结构示意图。
所述充电停机坪还停机坪处理模块、三个以上的超声波接收模块和停机坪通信模块；
所述三个以上的超声波接收模块分别与所述停机坪处理模块电性连接，所述停机坪通信模块与所述停机坪处理模块电性连接；
所述三个以上的超声波接收模块中的任一超声波接收模块包括超声波接收头301；
所述超声波接收头301设置在所述停机平台上，且所述三个以上的超声波接收模块的超声波接收头301不设置在同一直线上。
图10示出了本发明实施例的超声波接收模块电路结构示意图。本发明实施例的超声波接收模块基于CX20106A芯片进行建立。具体的，CX20106A的第5脚的电阻决定接收的中心频率，R5可选用200k的电阻，该超声波接收头301所接收的超声波信号中心频率为40KHz。当超声波接收头301接收到40KHz的信号时，会在CX20106A芯片第7脚产生一个低电平下降脉冲，由于CX20106A芯片的第7脚与停机坪处理模块电性连接，所述低电平下降脉冲可以供停机坪处理模块所获取，即当超声波接收头接收到40Khz信号时，停机坪处理模块在所对应的通用输入输出引脚上可获取一触发信号。
具体的，停机坪处理模块可基于stm32、arm等处理器芯片进行建立，可参照现有技术中的相关资料。
具体的，所述停机坪通信模块可以为近程通信模块，也可以为远程通信模块。常见的，近程通信模块有蓝牙通信模块、WIFI通信模块、LoRa无线通信模块等，远程通信模块有卫星通信模块、蜂窝通信模块等。
停机坪处理模块通过所述触发信号判断超声波无人机距离超声波接收头的距离，通过综合多个超声波接收头的反馈数据，可获取超声波无人机与停机平台之间的相对位置；然后将所述相对位置通过停机坪通信模块发送至超声波无人机。
可选的，由于充电停机坪所涉及的无线通讯动作均为发送指令，因此，所述停机坪通信模块为无线发送模块，以节省充电停机坪的制作成本。
通过以上设置方式，该充电停机坪可引导无人机自动降落至停机平台的中心点上，无人机的充电支脚相应的与充电电极板接触，从而实现自动化充电功能。
结合附图图5所示，可选的，为了对充电状态下的无人机进行保护，所述充电停机坪还包括顶面敞开的停机坪箱体700、升降驱动模块704、开合盖板和开合驱动模块；
所述停机平台301设置在所述停机坪箱体700内部，所述升降驱动模块驱动所述停机平台301在所述停机坪箱体700内升降；
所述开合盖板设置在所述停机坪箱体顶面上，所述开合驱动模块驱动所述开合盖板打开或关闭。
相对应的，所述充电供电模块包括光伏板，所述光伏板设置在所述开合盖板顶面上。
可选的，所述充电停机坪还包括若干根支撑滑轨703，所述若干根支撑滑轨703中的任一支撑滑轨703沿竖直方向设置在所述停机坪箱体700内；所述停机平台301配合在所述若干根支撑滑轨703上，所述升降驱动模块704驱动所述停机平台301沿所述若干根支撑滑轨703运动。具体的，所述升降驱动模块704可以为电机丝杆机构、直线电机机构、液压缸机构等输出端为直线运动的驱动模块。
可选的，所述开合盖板包括第一开合盖板706和第二开合盖板707，所述开合驱动模块包括第一开合驱动模块708和第二驱动模块709；
所述充电停机坪还包括若干根开合导轨705，所述若干根开合导轨705中的任一开合导轨沿水平方向设置在所述停机坪箱体700顶面上，所述第一开合盖板706和第二开合盖板707分别配合在所述若干根开合导轨705上；
所述第一开合驱动模块708驱动所述第一开合盖板706沿所述若干根开合导轨705运动；
所述第二开合驱动模块709驱动所述第二开合盖板707沿所述若干个开合导轨705运动。
需要说明的是，所述第一开合驱动模块708和所述第二开合驱动模块709可采用现有技术中输出端为直线运动的驱动模块，本发明实施例不对其做特殊限定。
具体实施中，光伏板可设置在所述第一开合盖板706和第二开合盖板707上。
引导无人机降落充电的方法：
图11示出了本发明实施例的引导无人机降落充电的方法流程示意图，所述引导无人机降落充电的方法包括以下步骤：
S101：发送盖板打开信号至所述盖板开合模块；
所述盖板打开信号以使盖板开合驱动模块在所述无人机降落前通过驱动盖板运动打开停机坪箱体顶面；一般的，在所述盖板运动终点位置上设置盖板终点传感器，在所述盖板打开到位后，触发所述盖板终点传感器生成反馈信号至所述盖板开合驱动模块，使所述盖板开合驱动模块停止驱动。
S102：发送平台升起信号至所述升降驱动模块；
在所述盖板打开完毕后，所述平台升起信号以使升降驱动模块驱动停机平台升起至所述停机坪箱体顶面，所述停机平台可供无人机降落。一般的，在所述停机平台运动终点位置上设置平台终点传感器，在所述停机平台上升到位后，触发所述平台终点传感器生成反馈信号至所述升降驱动模块，使所述升降驱动模块停止驱动。
S103：实时计算无人机相对于停机平台预设降落点的偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)并发送至所述无人机，直至无人机降落至所述停机平台预设降落点上，且所述停机平台上的充电正极电极板和充电负极电极板分别与至少一个所述无人机上的充电支脚接触；
所述偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)以使所述无人机基于所述偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)调节运动方向；
图12示出了本发明实施例的通信周期流程示意图。具体的，所述实时计算无人机相对于停机平台预设降落点的偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)并发送至所述无人机，直至无人机降落至所述停机平台预设降落点上，且所述停机平台上的充电正极电极板和充电负极电极板分别与至少一个所述无人机上的充电支脚接触包括多个通信周期，所述多个通信周期中的任一通信周期包括以下步骤：
S201：停机坪处理模块自T0时刻开始计时，并在接收到由第a超声波接收模块发送的第a停止信号时得到第a超声波传输时间Ta-T；
在停机平台升起至停机坪箱体顶面后，可以执行无人机降落引导作业。
在每个通信周期的起始阶段，停机坪处理模块自T0时刻开始计时，同步的，超声波无人机在T0时刻开始发送超声波信号。
为了保证停机坪处理模块与超声波无人机的时间同步性，可选的，所述停机坪处理器模块基于停机坪同步时钟校时在T0时刻开始计时；所述超声波信号基于所述超声波无人机上的超声波无人机同步时钟校时在T0时刻发出；所述停机坪同步时钟和所述超声波无人机同步时钟时间校准相同。通过停机坪同步时钟和所述超声波无人机同步时钟时间上的一致性，确保停机坪处理模块开始计时的T0时刻与超声波无人机开始发送超声波的T0时刻相同。通过该设置方式，可保证超声波无人机与停机坪处理器的时间同步，且时间同步非建立在相互通信的基础上，具体实施中可脱离通信进行时间同步，具有良好的实用性。
超声波无人机在T0时刻发送的超声波信号呈扇形扩散，通过在停机坪上的超声波接收模块接收，具体的，超声波模块接收包括超声波接收头，所述超声波接收头可用于获取所述超声波信号；超声波模块基于超声波接收头获取超声波信号，然后通过模数转换等方式，将所述超声波信号转换为停止信号并发送至停机坪处理模块，停机坪处理模块在接收到所述停止信号号得到超声波传输时间。
为了确认超声波无人机的位置，所述超声波接收模块的数量为三组以上，为了便于描述，在本发明实施例中，所述超声波接收模块的数量为s组，s≥3，s为整数。所述s组超声波模块包括第一超声波接收模块、第二超声波接收模块、……、第a超声波接收模块，其中，a＝1,2,…,s-1,s。需要说明的是，为了防止应用阿拉伯数字对命名造成歧义，本发明实施例中的第a超声波接收模块中的a由汉字小写数码替代。
具体的，停机坪处理模块自T0时刻开始计时，并在接收到由第a超声波接收模块发送的第a停止信号时得到第a超声波传输时间Ta-T；由于a的取值数量为s，因此，在该过程中会得到s个超声波传输时间，具体的，每一个超声波传输时间与所述s组超声波模块所对应的一组超声波模块相对应。
S202：停机坪处理模块计算超声波无人机距离所述第a个超声波接收模块的第a实时距离Da＝v(Ta-T0)，其中，v为所述超声波信号传播速度；
由声波的传输原理可知，声波的传输距离与传播时间和传播介质相关，在本发明实施例中，超声波信号在空气中传播，可设定声速v传播速度为340m/s；具体实施中，根据空气组成差异，实际传播速度可能略有偏差，具体实施中可根据实际条件进行调整。
对应于第a个超声波接收模块，超声波无人机超声波从发出到被所述第a个超声波接收模块的超声波接收头接收的传输距离(即第a实时距离)为Da＝v(Ta-T0)。
具体计算中，需要遍历计算所有超声波接收模块的第a实时距离，以获取超声波无人机距离每一个超声波接收模块的理论距离。
S203：停机坪处理模块基于总数量为s个的第a实时距离计算所述超声波无人机在T0时刻的空间位置Q0(x0,y0,z0)；
在步骤S202中，计算出超声波无人机距离每一个超声波接收模块的理论距离，即第a实时距离的数量为s个。
图13示出了本发明实施例的空间位置Q0(x0,y0,z0)计算方法流程示意图。可选的，所述停机坪处理模块基于总数量为s个的第a实时距离计算所述超声波无人机在T0时刻的空间位置Q0(x0,y0,z0)包括以下步骤：
S301：从总数量为s个的第a实时距离中遍历选取任意三个第a实时距离构建一次组合，所述一次组合的组合数量为
Figure BDA0002211706520000182
在三维空间中，已知一未知点至另外三个不共线已知点的距离，可求出该未知点在空间中的未知，因此，在本发明实施例中，从总数量为s个的第a实时距离中遍历选取任意三个第a实时距离构建一次组合，根据组合原理，一次组合的组合数量一共有
Figure BDA0002211706520000183
个；为了便于指代，将一次组合中的三个第a实时距离命名为z1，z2，z3。
S302：基于所述一次组合求出所述超声波无人机在T0时刻的一次空间位置坐标P(i,j,k)；
具体的，所述基于所述一次组合求出所述超声波无人机在T0时刻的一次空间位置坐标P(i,j,k)包括以下步骤：
构建有关所述一次空间位置坐标P(i,j,k)的空间坐标距离方程组：
Figure BDA0002211706520000181
其中，z1所对应的第a超声波接收模块的超声波接收头在空间坐标系的坐标为(i1,j1,k1)，z2所对应的第a超声波接收模块的超声波接收头在空间坐标系的坐标为(i2,j2,k2)，z3所对应的第a超声波接收模块的超声波接收头在空间坐标系的坐标为(i3,j3,k3)；
基于所述空间坐标距离方程组求出所述一次空间位置坐标P(i,j,k)。
需要说明的是，由于P(i,j,k)的运算数据来源为通过步骤S302所求出的第a实时距离，一方面，受同步时钟的时间精度影响，第a实时距离在绝大部分时候是存在数据误差的，另一方面，超声波信号以及相关的电信号在电路中的传输也是需要时间的，处理器模块所得到的第a超声波传输时间Ta-T也并非绝对精确的，由此可见，如果仅通过一个一次空间位置坐标所求出的超声波无人机位置，是不准确的，因此，可选的，超声波接收模块的数量应大于或等于4组，当超声波接收模块的数量为4组时，可提供4个一次空间位置坐标；当超声波接收模块的数量为5组时，可提供10个一次空间位置坐标。
S303：遍历求出所有一次组合的一次空间位置坐标，所有一次组合的一次空间位置坐标的均值为所述声波超声波无人机在T0时刻的空间位置Q0(x0,y0,z0)。
步骤S302中所求出的一次空间位置坐标都是存在误差的，为了减少误差，本发明实施例通过对所有一次空间位置坐标求均值的方式，得出所述声波超声波无人机在T0时刻的空间位置Q0(x0,y0,z0)。
S204：停机坪处理模块计算在T0时刻所述超声波无人机相对于预设降落坐标Q(x,y,z)的偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)；
具体的，通过预设定的方式，在空间中设定预设降落坐标Q(x,y,z)。一般的，可以将停机坪平面作为z向的0平面，由此可得，可选的，预设降落坐标为Q(x,y,0)。
由此可知，偏移坐标的计算公式为
Q△0(x△0,y△0,z△0)＝Q0(x0,y0,z0)-Q(x,y,z)
该偏移坐标表示在T0时刻超声波无人机相对于预设降落位置的相对位置。
S205：停机坪处理模块基于停机坪通信模块将所述偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)发送至所述超声波无人机。
需要说明的是，本发明实施例的停机坪处理模块仅将偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)发送至所述超声波无人机，后续执行的操作由超声波无人机进行处理。
针对于不同的超声波无人机可能会具有不同的处理方法。
可选的，在本发明实施例中，所述超声波无人机对偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)的处理方法包括以下步骤：
所述偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)被超声波无人机的超声波无人机通信模块接收后传输至超声波无人机处理模块；
超声波无人机处理模块基于所述偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)生成控制信号并发送至超声波无人机的超声波无人机飞控；需要说明的是，所述控制信号的生成逻辑有较多方式，可根据不同超声波无人机进行设定，可选的，本发明实施例的控制信号的生成逻辑为：
判断所述偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)的x△0和y△0是否为0？
在所述x△0和y△0不为0时，所述控制信号包括平移控制信号；在所述x△0和y△0为0时，所述控制信号包括降落控制信号。
具体的，所述平移控制信号可通过超声波无人机飞控对超声波无人机的超声波无人机驱动模块进行控制，使超声波无人机平移至设定位置上；所述降落控制信号可通过超声波无人机飞控对超声波无人机的超声波无人机驱动模块进行控制，使超声波无人机降落至设定位置上。
相应的，在相应的控制信号中，还包括基于预设逻辑生成的加速度逻辑，以保证超声波无人机在运动过程中的平稳性。
所述超声波无人机飞控基于所述控制信号生成用于驱动超声波无人机驱动模块的驱动信号，所述驱动信号以使所述超声波无人机驱动模块带动所述超声波无人机根据预设加速度向预设方向运动。
通过以上说明可知，在一个通信周期内，停机坪接收超声波无人机发送的超声波信号，并计算出超声波无人机相对于预设降落位置的偏移坐标，所述偏移坐标可供超声波无人机对超声波无人机降落时的运动提供参考，相应的，为了避免一个通信周期内的超声波信号在后续通信周期中被接收，相邻两个通信周期间要保持一个合适的时间间隔，具体的，所述多个通信周期中的相邻两个通信周期的间隔执行时间为t；所述超声波信号从超声波无人机上发出后的有效传播距离为r，所述间隔执行时间t满足条件
Figure BDA0002211706520000211
常见的，应用于民用级超声波无人机上的超声波发生头所发出的超声波信号的有效传播距离为10m左右，相应的，
Figure BDA0002211706520000212
由于后续还涉及到停机坪处理器模块的处理以及停机坪与超声波无人机之间的交互，可选的，t＝0.1s。
S104：发送平台降落信号至所述升降驱动模块；
所述平台降落信号以使升降驱动模块在所述无人机降落至所述停机平台预设降落点后驱动停机平台下降至所述停机坪箱体内部。一般的，在驱动停机平台下降终点位置上设置有平台终点传感器，所述平台终点传感器用于停机平台在下降至终点位置后生成反馈信号，控制升降驱动模块停止运动。
S105：发送盖板关闭信号至所述盖板开合模块；
所述盖板关闭信号以使盖板开合驱动模块在所述无人机降落前通过驱动盖板运动打开停机坪箱体顶面。一般的，在盖板运动至闭合终点位置上设置有盖板闭合传感器，所述盖板闭合传感器用于盖板在关闭后生成反馈信号，控制盖板开合模块停止运动。
S106：发送供电启动信号至充电供电模块。
所述供电启动信号以使所述充电供电模块分别对所述充电正极电极板和所述充电负极电极板进行放电
引导无人机降落充电的系统：
相应的，本发明实施例提供了一种引导无人机降落充电的系统，该引导无人机降落充电的系统用于实现上述的引导无人机降落充电的方法。
本发明实施例所提供的引导无人机降落充电的方法及系统，在无人机需要降落时，首先第一盖板和第二盖板相背离运动，使停机坪箱体顶面敞开；然后停机平台上升运动至停机坪箱体顶面位置处；然后通过停机坪处理模块、超声波接收模块和停机坪通信模块的配合实现无人机的引导降落，直至无人机降落至中心点位置上，充电支脚与充电电极板接触；然后停机平台下降运动至停机坪箱体内部，充电供电模块开始对无人机进行充电；最后，第一开合盖板和第二开合盖板相对运动，封闭停机坪箱体顶面，对位于停机坪箱体顶面内部的无人机进行保护。该引导无人机降落充电的方法可自动化实现无人机的降落、充电及充电保护功能，具有良好的实用性，相应的，该引导无人机降落充电的系统具有自动化程度高、可靠性高等特点。
以上对本发明实施例所提供的一种引导无人机降落充电的方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种引导无人机降落充电的方法，其特征在于，所述引导无人机降落充电的方法包括以下步骤：
实时计算无人机相对于停机平台预设降落点的偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)并发送至所述无人机，直至无人机降落至所述停机平台预设降落点上，且所述停机平台上的充电正极电极板和充电负极电极板分别与至少一个所述无人机上的充电支脚接触，所述偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)以使所述无人机基于所述偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)调节运动方向；
发送供电启动信号至充电供电模块，所述供电启动信号以使所述充电供电模块分别对所述充电正极电极板和所述充电负极电极板进行放电。
2.如权利要求1所述的引导无人机降落充电的方法，其特征在于，所述实时计算无人机相对于停机平台预设降落点的偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)并发送至所述无人机包括以下步骤：
自T0时刻开始计时，并在接收到由第a超声波接收模块发送的第a停止信号时得到第a超声波传输时间Ta-T0；
所述第a停止信号由预设频率范围内的超声波信号触发所述第a超声波接收模块生成，所述第a超声波传输时间为超声波信号从所述无人机上发出至所述超声波信号被第a超声波接收模块接收所经历的时间，其中，a＝1,2,…,s-1,s；s≥3，s为整数；
计算超声波无人机距离所述第a个超声波接收模块的第a实时距离Da＝v(Ta-T0)，其中，v为所述超声波信号传播速度；
基于s个第a实时距离计算所述超声波无人机在T0时刻的空间位置Q0(x0,y0,z0)；
计算在T0时刻所述超声波无人机相对于预设降落坐标Q(x,y,z)的偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)。
3.如权利要求2所述的引导无人机降落充电的方法，其特征在于，所述预设频率范围内的超声波信号的预设频率范围为40kHz±2kHz。
4.如权利要求2所述的引导无人机降落充电的方法，其特征在于，所述基于s个第a实时距离计算所述超声波无人机在T0时刻的空间位置Q0(x0,y0,z0)包括以下步骤：
从总数量为s个的第a实时距离中遍历选取任意三个第a实时距离构建一次组合，所述一次组合的组合数量为
Figure FDA0002211706510000022
每一个所述一次组合中的三个第a实时距离分别为z1，z2，z3；
基于所述一次组合求出所述超声波无人机在T0时刻的一次空间位置坐标P(i,j,k)；
遍历求出所有一次组合的一次空间位置坐标，所有一次组合的一次空间位置坐标的均值为所述声波超声波无人机在T0时刻的空间位置Q0(x0,y0,z0)。
5.如权利要求4所述的引导无人机降落充电的方法，其特征在于，所述基于所述一次组合求出所述超声波无人机在T0时刻的一次空间位置坐标P(i,j,k)包括以下步骤：
构建有关所述一次空间位置坐标P(i,j,k)的空间坐标距离方程组：
Figure FDA0002211706510000021
其中，z1所对应的第a超声波接收模块的超声波接收头在空间坐标系的坐标为(i1,j1,k1)，z2所对应的第a超声波接收模块的超声波接收头在空间坐标系的坐标为(i2,j2,k2)，z3所对应的第a超声波接收模块的超声波接收头在空间坐标系的坐标为(i3,j3,k3)；
基于所述空间坐标距离方程组求出所述一次空间位置坐标P(i,j,k)。
6.如权利要求4所述的引导无人机降落充电的方法，其特征在于，所述计算在T0时刻所述超声波无人机相对于预设降落坐标Q(x,y,z)的偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)包括以下步骤：
Q△0(x△0,y△0,z△0)＝Q0(x0,y0,z0)-Q(x,y,z)。
7.如权利要求1所述的引导无人机降落充电的方法，其特征在于，所述引导无人机降落充电的方法还包括以下步骤：
所述偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)被超声波无人机的超声波无人机通信模块接收后传输至超声波无人机处理模块；
超声波无人机处理模块基于所述偏移坐标Q△0(x△0,y△0,z△0)生成控制信号并发送至超声波无人机的超声波无人机飞控；
所述超声波无人机飞控基于所述控制信号生成用于驱动超声波无人机驱动模块的驱动信号，所述驱动信号以使所述超声波无人机驱动模块带动所述超声波无人机根据预设加速度向预设方向运动。
8.如权利要求1所述的引导无人机降落充电的方法，其特征在于，所述引导无人机降落充电的方法还包括以下步骤：
发送盖板打开信号至所述盖板开合模块，所述盖板打开信号以使盖板开合驱动模块在所述无人机降落前通过驱动盖板运动打开停机坪箱体顶面；
发送平台升起信号至所述升降驱动模块，所述平台升起信号以使升降驱动模块驱动停机平台升起至所述停机坪箱体顶面。
9.如权利要求8所述的引导无人机降落充电的方法，其特征在于，所述引导无人机降落充电的方法还包括以下步骤：
发送平台降落信号至所述升降驱动模块，所述平台降落信号以使升降驱动模块在所述无人机降落至所述停机平台预设降落点后驱动停机平台下降至所述停机坪箱体内部。
发送盖板关闭信号至所述盖板开合模块，所述盖板关闭信号以使盖板开合驱动模块在所述无人机降落前通过驱动盖板运动打开停机坪箱体顶面。
10.一种引导无人机降落充电的系统，其特征在于，所述引导无人机降落充电的系统用于实现权利要求1至9任一项所述的引导无人机降落充电的方法。
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