CN110865649A - 一种无人机充电补给定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机充电补给定位方法，包括步骤：一、构建无人机的无线充电平台；二、设置供无人机识别的信标；三、获取信标中心的图像坐标并指导无人机自主降落；四、无人机在无线充电平台上的粗定位；五、无人机在无线充电平台上的精确定位；六、发射线圈定位；七、发射线圈位置自检。本发明采用图像导航和单光源辅助定位的自主降落方式引导无人机降落在无线充电平台顶板上，利用透视变换和激光扫描精确获取无人机和接收线圈的中心坐标，利用二轴滑台控制无线充电的发射线圈移动，实现线圈间的高精度对准，并采用充电效率最大化进行线圈位置自检，无人机充电补给定位速度快，效果好。

Description

一种无人机充电补给定位方法
技术领域
本发明属于无人机充电补给定位技术领域，具体涉及一种无人机充电补给定位方法。
背景技术
最近几年，随着人工智能技术的逐步完善，智能硬件已开始向小型化、低成本、低功耗的方向迈进，硬件成本的不断走低，为无人机制造业创造了良好的发展环境，无人机是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务并能重复使用的飞行器，其广泛用于防灾减灾、搜索营救、核辐射探测、交通监管、资源勘探、国土资源监测、边防巡逻、森林防火、气象探测、农作物估产、管道巡检等各个领域。
正是由于小型无人机的航空特性和大面积巡查的特点，对于无人机的续航提出了更高的要求。增强无人机续航能力的方式只有两种，一是增强蓄电池的储能，二是在飞行过程中进行多次补给。但是，由于蓄电池技术与传统供电技术的限制，使无人机续航能力、灵活性、便捷性等方面的发展受到了限制，如何灵活、便捷地为无人机补充电能成为了无人机发展过程中亟待解决的问题。由于电池的容量与电池的重量成正比，无人机的诸多任务要求无人机必须满足灵活性和轻量化的要求，而且无人机的重量势必也将影响续航。因此，通过在飞行过程中对无人机的电量进行多次补给，来保证无人机的续航能力是较佳方案，不同于其他无人机自主充电技术，通过人为放置充电桩的方式具有极高的可靠性。传统的直接接触式充电方法对于无人机的位置精度要求极高，充电插座很难自主对准，不适用于无人机的自主充电系统，而近些年来，无线充电技术得到了飞速发展。
在无人机无线充电过程中，要求无人机要精准定位降落到无线充电点，才能提高无线充电效果。而现有的全自主控制的无人机大多数都是采用GPS进行定位，但GPS的定位精度不够高，误差可以达到几米，现在有的采用红外进行辅助定位，也有的采用图标进行辅助定位，虽然在一定程度上提高了定位精度，但精度还是不够高，无法使无线充电发射模块与无线充电接收模块精确对位，从而降低无线充电效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种无人机充电补给定位方法，采用图像导航和单光源辅助定位的自主降落方式引导无人机降落在无线充电平台顶板上，利用透视变换和激光扫描精确获取无人机和接收线圈的中心坐标，利用二轴滑台控制无线充电的发射线圈移动，实现线圈间的高精度对准，并采用充电效率最大化进行线圈位置自检，无人机充电补给定位速度快，效果好，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种无人机充电补给定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、构建无人机的无线充电平台：构建多个用于为无人机充电补给的无线充电平台，所述无线充电平台包括无线充电平台底板和通过连接柱设置在无线充电平台底板上侧且供无人机降落的无线充电平台顶板，所述无人机为四旋翼无人机，所述无人机的机身中心位置处安装有接收线圈，所述接收线圈的中心与无人机的机身中心重合，所述无人机的机身底部安装有机载摄像头，所述无人机的机身顶部安装有红色无人机定位信标，无线充电平台顶板的边缘上安装有用于安装激光测距传感器和平台摄像头的立杆，无线充电平台底板上设置有无线充电平台控制盒和带动与所述接收线圈配合的发射线圈移动的二轴滑台，无线充电平台控制盒内集成有控制器和与无人机机载GPS模块通信的地面GPS模块；
步骤二、设置供无人机识别的信标：在无线充电平台顶板上设置多级嵌套二维码图像信标和红外闪烁灯信标，红外闪烁灯信标位于多级嵌套二维码图像信标的中心位置；
所述红外闪烁灯信标为圆形；
步骤三、获取信标中心的图像坐标并指导无人机自主降落：利用无人机的机载摄像头采集无线充电平台顶板上的信标信息，识别信标中心的图像坐标，将信标中心的图像坐标与图像中心坐标比对，利用信标中心的图像坐标与图像中心坐标的偏差指导无人机自主纠偏降落；
步骤四、无人机在无线充电平台上的粗定位：利用平台摄像头采集所述红外无人机定位信标落在无线充电平台顶板上的平面图像，无线充电平台顶板为矩形平板，所述平面图像中包含无线充电平台顶板的四个顶角的图像，根据透视变换公式
Figure BDA0002297473220000031
获取透视变换的参数a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8和a9，其中，(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)和(x4,y4)分别为无线充电平台顶板的四个顶角的实际坐标，(u1,v1)、(u2,v2)、(u3,v3)和(u4,v4)分别为无线充电平台顶板的四个顶角的图像坐标；
根据公式
Figure BDA0002297473220000032
获取无人机在无线充电平台上的粗定位坐标(X,Y)，其中，(u,v)为平面图像中所述红外无人机定位信标中心的图像坐标；
步骤五、无人机在无线充电平台上的精确定位：根据无人机在无线充电平台上的粗定位坐标调节激光测距传感器的扫描区域，激光测距传感器通过步进电机模块安装在立杆上，步进电机模块带动激光测距传感器扫描四旋翼无人机的支腿，激光测距传感器通过分步式扫描捕捉策略获取四旋翼无人机的各支腿位置，根据公式
Figure BDA0002297473220000041
计算四旋翼无人机第i个支腿相对于激光测距传感器的位置坐标(Xi,Yi)，其中，li为四旋翼无人机第i个支腿相对于激光测距传感器的距离，ωi为激光测距传感器扫描到四旋翼无人机第i个支腿时步进电机转动的角度且ωi＝niθb，ni为激光测距传感器扫描到四旋翼无人机第i个支腿时步进电机转动的步数，θb为步进电机的步进角，i为四旋翼无人机的支腿编号且i＝1,2,3,4；
根据公式
Figure BDA0002297473220000042
获取无人机在无线充电平台上的精确定位坐标(xcenter,ycenter)；
步骤六、发射线圈定位：根据无人机在无线充电平台上的精确定位坐标，微控制器控制二轴滑台工作，利用二轴滑台带动发射线圈在无线充电平台顶板底部移动，使发射线圈的中心坐标与无人机在无线充电平台上的精确定位坐标上下对齐，实现发射线圈的定位，进而实现发射线圈和所述接收线圈的同轴对准；
步骤七、发射线圈位置自检：获取所述接收线圈的充电功率，并将所述接收线圈的充电功率反馈至微控制器，微控制器对所述接收线圈的充电功率和所述发射线圈的充电功率进行比较，获取所述接收线圈的充电效率，同时将获取所述接收线圈的充电效率和预设的最大效率值进行比较，当获取的所述接收线圈的充电效率达到预设的最大效率值时，发射线圈定位确定；当获取的所述接收线圈的充电效率未达到预设的最大效率值时，微控制器控制二轴滑台，二轴滑台微调发射线圈的位置，直至所述接收线圈的充电效率达到预设的最大效率值，实现发射线圈位置自检，将此位置作为发射线圈定位最佳位置。
上述的一种无人机充电补给定位方法，其特征在于：步骤三中，当无人机在昼间进行充电补给时，利用无人机的机载摄像头采集无线充电平台顶板上的多级嵌套二维码图像信标信息，利用多级嵌套二维码图像信标中心的图像坐标与图像中心坐标的偏差指导无人机自主纠偏降落，过程如下：
步骤301、利用无人机的机载摄像头采集图像，并对图像依次进行灰度滤波、均值滤波和图像二值化处理；
步骤302、利用Canny算子提取图像中多个具有两层嵌套子轮廓的外轮廓，所述具有两层嵌套子轮廓的外轮廓的数量不少于三个，在多个具有两层嵌套子轮廓的外轮廓中任选三个具有两层嵌套子轮廓的外轮廓，获取包含所选三个外轮廓的最小矩形外框，若最小矩形外框的短边与长边之比大于0.85，则执行步骤303；否则，放弃该最小矩形外框；
步骤303、在原始图像上根据最小矩形外框旋转裁剪该最小矩形，并对裁剪后的最小矩形图像进行灰度二值化处理，
步骤304、利用机载摄像头扫描最小矩形图像二维码内容，当机载摄像头识别最小矩形图像二维码内容时，无人机所处的当前位置为降落点，通过最小矩形图像二维码定位二维码中心的图像坐标，根据二维码中心的图像坐标与图像中心坐标的偏差，利用PID算法进行对正控制，指导无人机自主纠偏降落，直至该最小矩形图像二维码不在机载摄像头视野范围内，完成多级嵌套二维码图像信标中的一级二维码图像信标识别及无人机自主降落；否则，放弃该最小矩形图像；
步骤305、多次循环步骤301至步骤304，完成多级嵌套二维码图像信标中的多级二维码图像信标识别及无人机自主降落。
上述的一种无人机充电补给定位方法，其特征在于：步骤三中，当无人机在夜晚进行充电补给时，在无人机的机载摄像头的镜头前加装滤光片，使无人机的机载摄像头仅识别红外光源，利用无人机的机载摄像头识别无线充电平台顶板上的红外闪烁灯信标闪烁频率并采集红外闪烁灯信标图像，利用红外闪烁灯信标中心的图像坐标与图像中心坐标的偏差指导无人机自主纠偏降落，过程如下：
步骤3001、利用无人机的机载摄像头采集红外闪烁灯信标图像，并对图像进行二值化处理；
步骤3002、根据公式
Figure BDA0002297473220000061
计算二值化后的红外闪烁灯信标图像的重心坐标(x,y)，其中，m00为二值化后的红外闪烁灯信标图像的0次力矩，m10为二值化后的红外闪烁灯信标图像区域横坐标的1次力矩，m01为二值化后的红外闪烁灯信标图像区域纵坐标的1次力矩；
步骤3003、根据二值化后的红外闪烁灯信标图像的重心坐标(x,y)与图像中心坐标的偏差，利用PID算法进行对正控制，指导无人机自主纠偏降落。
上述的一种无人机充电补给定位方法，其特征在于：步骤五中，当四旋翼无人机落至无线充电平台顶板上，其四个支腿中有两个支腿与激光测距传感器位于同一直线上时，将与激光测距传感器共线的两个支腿中远离激光测距传感器的一支腿视为四旋翼无人机第4个支腿，将激光测距传感器按照规定顺序依次先后扫描到的各支腿依次命名为四旋翼无人机第1个支腿、四旋翼无人机第2个支腿和四旋翼无人机第3个支腿，四旋翼无人机第4个支腿坐标需另外计算，计算过程如下：
当l1＝l3时，根据公式
Figure BDA0002297473220000062
计算四旋翼无人机第4个支腿相对于激光测距传感器的位置坐标(X4,Y4)；
当l1<l3<l2时，根据公式
Figure BDA0002297473220000063
计算四旋翼无人机第4个支腿相对于激光测距传感器的位置坐标(X4,Y4)；
当l3<l1<l2时，根据公式
Figure BDA0002297473220000064
计算四旋翼无人机第4个支腿相对于激光测距传感器的位置坐标(X4,Y4)。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过构建无人机的无线充电平台为无人机中途无线充电提供充电基础平台，利用无人机机载GPS模块通信匹配地面GPS模块，便于无人机快速搜索附近可用无线充电平台，并通过地面GPS模块与无人机机载GPS模块通信，指引无人机快速到达对应的无线充电平台上空，利用无人机机载摄像头与多级嵌套二维码图像信标或红外闪烁灯信标配合，实现图像导航或单光源辅助定位方式引导无人机自主降落在无线充电平台顶板上，实现无人机的降落，精度要求低，便于无人机降落，无需考虑接收线圈和发射线圈的匹配，快速便捷，便于推广使用。
2、本发明将无人机的机身顶部安装的红色无人机定位信标作为无人机中心所在，利用透视变换实现无人机在无线充电平台上的粗定位，再通过激光扫描精确获取无人机四个支腿的坐标，通过坐标计算获取无人机和接收线圈的中心坐标，实现无人机在无线充电平台上的精确定位，可靠稳定，通过利用二轴滑台控制无线充电的发射线圈移动，使发射线圈的中心坐标与无人机在无线充电平台上的精确定位坐标上下对齐，实现发射线圈的定位，进而实现发射线圈和所述接收线圈的同轴对准，实现线圈间的高精度对准，便于后期无人机充电以最大效率进行，实现充电快速补给，避免通过启动无人机实现位置对准，控制简单，使用效果好。
3、本发明方法步骤简单，利用平台上的发射线圈给无人机上的接收线圈无线补给电能，通过反馈无人机上的接收线圈的充电功率，并将所述接收线圈的充电功率反馈至微控制器，微控制器对所述接收线圈的充电功率和所述发射线圈的充电功率进行比较，获取所述接收线圈的充电效率，同时将获取所述接收线圈的充电效率和预设的最大效率值进行比较，通过调整二轴滑台控制无线充电的发射线圈移动，找到发射线圈定位最佳位置，实现发射线圈与接收线圈的最优配合，便于推广使用。
综上所述，本发明采用图像导航和单光源辅助定位的自主降落方式引导无人机降落在无线充电平台顶板上，利用透视变换和激光扫描精确获取无人机和接收线圈的中心坐标，利用二轴滑台控制无线充电的发射线圈移动，实现线圈间的高精度对准，并采用充电效率最大化进行线圈位置自检，无人机充电补给定位速度快，效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明采用的无人机的无线充电平台的结构示意图。
图2为本发明采用的无人机的无线充电平台去掉无线充电平台顶板的结构示意图。
图3为本发明多级嵌套二维码图像信标的灰度图。
图4为本发明四个支腿中未有两个支腿与激光测距传感器位于同一直线上时无人机降落位置与平台摄像头的位置关系示意图。
图5为本发明第2个支腿、第4个支腿与激光测距传感器位于同一直线上时无人机降落位置与平台摄像头的位置关系示意图。
图6为本发明第1个支腿、第4个支腿与激光测距传感器位于同一直线上时无人机降落位置与平台摄像头的位置关系示意图。
图7为本发明第3个支腿、第4个支腿与激光测距传感器位于同一直线上时无人机降落位置与平台摄像头的位置关系示意图。
图8为本发明的方法流程框图。
附图标记说明:
1—无线充电平台底板； 2—连接柱； 3—无线充电平台顶板；
4—二轴滑台； 5—无线充电平台控制盒；
6—多级嵌套二维码图像信标； 7—红外闪烁灯信标；
8—立杆； 9—激光测距传感器；
10—平台摄像头； 11—发射线圈；
12—支腿。
具体实施方式
如图1至图3、以及图8所示，本发明的一种无人机充电补给定位方法，包括以下步骤：
步骤一、构建无人机的无线充电平台：构建多个用于为无人机充电补给的无线充电平台，所述无线充电平台包括无线充电平台底板1和通过连接柱2设置在无线充电平台底板1上侧且供无人机降落的无线充电平台顶板3，所述无人机为四旋翼无人机，所述无人机的机身中心位置处安装有接收线圈，所述接收线圈的中心与无人机的机身中心重合，所述无人机的机身底部安装有机载摄像头，所述无人机的机身顶部安装有红色无人机定位信标，无线充电平台顶板3的边缘上安装有用于安装激光测距传感器9和平台摄像头10的立杆8，无线充电平台底板1上设置有无线充电平台控制盒5和带动与所述接收线圈配合的发射线圈11移动的二轴滑台4，无线充电平台控制盒5内集成有控制器和与无人机机载GPS模块通信的地面GPS模块；
需要说明的是，通过构建无人机的无线充电平台为无人机中途无线充电提供充电基础平台，利用无人机机载GPS模块通信匹配地面GPS模块，便于无人机快速搜索附近可用无线充电平台，并通过地面GPS模块与无人机机载GPS模块通信，指引无人机快速到达对应的无线充电平台上空，利用无人机机载摄像头与多级嵌套二维码图像信标或红外闪烁灯信标配合，实现图像导航或单光源辅助定位方式引导无人机自主降落在无线充电平台顶板上，实现无人机的降落，精度要求低，便于无人机降落，无需考虑接收线圈和发射线圈的匹配，快速便捷。
步骤二、设置供无人机识别的信标：在无线充电平台顶板3上设置多级嵌套二维码图像信标6和红外闪烁灯信标7，红外闪烁灯信标7位于多级嵌套二维码图像信标6的中心位置；
所述红外闪烁灯信标7为圆形；
步骤三、获取信标中心的图像坐标并指导无人机自主降落：利用无人机的机载摄像头采集无线充电平台顶板3上的信标信息，识别信标中心的图像坐标，将信标中心的图像坐标与图像中心坐标比对，利用信标中心的图像坐标与图像中心坐标的偏差指导无人机自主纠偏降落；
本实施例中，步骤三中，当无人机在昼间进行充电补给时，利用无人机的机载摄像头采集无线充电平台顶板3上的多级嵌套二维码图像信标6信息，利用多级嵌套二维码图像信标6中心的图像坐标与图像中心坐标的偏差指导无人机自主纠偏降落，过程如下：
步骤301、利用无人机的机载摄像头采集图像，并对图像依次进行灰度滤波、均值滤波和图像二值化处理；
步骤302、利用Canny算子提取图像中多个具有两层嵌套子轮廓的外轮廓，所述具有两层嵌套子轮廓的外轮廓的数量不少于三个，在多个具有两层嵌套子轮廓的外轮廓中任选三个具有两层嵌套子轮廓的外轮廓，获取包含所选三个外轮廓的最小矩形外框，若最小矩形外框的短边与长边之比大于0.85，则执行步骤303；否则，放弃该最小矩形外框；
步骤303、在原始图像上根据最小矩形外框旋转裁剪该最小矩形，并对裁剪后的最小矩形图像进行灰度二值化处理，
步骤304、利用机载摄像头扫描最小矩形图像二维码内容，当机载摄像头识别最小矩形图像二维码内容时，无人机所处的当前位置为降落点，通过最小矩形图像二维码定位二维码中心的图像坐标，根据二维码中心的图像坐标与图像中心坐标的偏差，利用PID算法进行对正控制，指导无人机自主纠偏降落，直至该最小矩形图像二维码不在机载摄像头视野范围内，完成多级嵌套二维码图像信标6中的一级二维码图像信标识别及无人机自主降落；否则，放弃该最小矩形图像；
步骤305、多次循环步骤301至步骤304，完成多级嵌套二维码图像信标6中的多级二维码图像信标识别及无人机自主降落。
需要说明的是，多级嵌套二维码图像信标6中二维码图标逐级嵌套，二维码的中心重合，使用多级嵌套二维码图像信标6的目的是通过二维码的信息的判断获取信标信息，嵌套的二维码能够使无人机在降落过程中不会因为接近地面不能识别不完整的二维码，而是通过切换识别较小的二维继续进行定位，得到信标位置，提高降落精度。
本实施例中，步骤三中，当无人机在夜晚进行充电补给时，在无人机的机载摄像头的镜头前加装滤光片，使无人机的机载摄像头仅识别红外光源，利用无人机的机载摄像头识别无线充电平台顶板3上的红外闪烁灯信标7闪烁频率并采集红外闪烁灯信标7图像，利用红外闪烁灯信标7中心的图像坐标与图像中心坐标的偏差指导无人机自主纠偏降落，过程如下：
步骤3001、利用无人机的机载摄像头采集红外闪烁灯信标7图像，并对图像进行二值化处理；
步骤3002、根据公式
Figure BDA0002297473220000111
计算二值化后的红外闪烁灯信标7图像的重心坐标(x,y)，其中，m00为二值化后的红外闪烁灯信标7图像的0次力矩，m10为二值化后的红外闪烁灯信标7图像区域横坐标的1次力矩，m01为二值化后的红外闪烁灯信标7图像区域纵坐标的1次力矩；
步骤3003、根据二值化后的红外闪烁灯信标7图像的重心坐标(x,y)与图像中心坐标的偏差，利用PID算法进行对正控制，指导无人机自主纠偏降落。
需要说明的是，将无人机的机身顶部安装的红色无人机定位信标作为无人机中心所在，利用透视变换实现无人机在无线充电平台上的粗定位，再通过激光扫描精确获取无人机四个支腿的坐标，通过坐标计算获取无人机和接收线圈的中心坐标，实现无人机在无线充电平台上的精确定位，可靠稳定，通过利用二轴滑台控制无线充电的发射线圈移动，使发射线圈的中心坐标与无人机在无线充电平台上的精确定位坐标上下对齐，实现发射线圈的定位，进而实现发射线圈和所述接收线圈的同轴对准，实现线圈间的高精度对准，便于后期无人机充电以最大效率进行，实现充电快速补给，避免通过启动无人机实现位置对准，控制简单，使用效果好。
步骤四、无人机在无线充电平台上的粗定位：利用平台摄像头10采集所述红外无人机定位信标落在无线充电平台顶板3上的平面图像，无线充电平台顶板3为矩形平板，所述平面图像中包含无线充电平台顶板3的四个顶角的图像，根据透视变换公式
Figure BDA0002297473220000121
获取透视变换的参数a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8和a9，其中，(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)和(x4,y4)分别为无线充电平台顶板3的四个顶角的实际坐标，(u1,v1)、(u2,v2)、(u3,v3)和(u4,v4)分别为无线充电平台顶板3的四个顶角的图像坐标；
根据公式
Figure BDA0002297473220000122
获取无人机在无线充电平台上的粗定位坐标(X,Y)，其中，(u,v)为平面图像中所述红外无人机定位信标中心的图像坐标；
步骤五、无人机在无线充电平台上的精确定位：根据无人机在无线充电平台上的粗定位坐标调节激光测距传感器9的扫描区域，激光测距传感器9通过步进电机模块安装在立杆8上，步进电机模块带动激光测距传感器9扫描四旋翼无人机的支腿12，激光测距传感器9通过分步式扫描捕捉策略获取四旋翼无人机的各支腿位置，根据公式
Figure BDA0002297473220000123
计算四旋翼无人机第i个支腿相对于激光测距传感器9的位置坐标(Xi,Yi)，其中，li为四旋翼无人机第i个支腿相对于激光测距传感器9的距离，ωi为激光测距传感器9扫描到四旋翼无人机第i个支腿时步进电机转动的角度且ωi＝niθb，ni为激光测距传感器9扫描到四旋翼无人机第i个支腿时步进电机转动的步数，θb为步进电机的步进角，i为四旋翼无人机的支腿编号且i＝1,2,3,4，如图4所示；
根据公式
Figure BDA0002297473220000131
获取无人机在无线充电平台上的精确定位坐标(xcenter,ycenter)；
本实施例中，步骤五中，当四旋翼无人机落至无线充电平台顶板3上，其四个支腿中有两个支腿与激光测距传感器9位于同一直线上时，将与激光测距传感器9共线的两个支腿中远离激光测距传感器9的一支腿视为四旋翼无人机第4个支腿，将激光测距传感器9按照规定顺序依次先后扫描到的各支腿依次命名为四旋翼无人机第1个支腿、四旋翼无人机第2个支腿和四旋翼无人机第3个支腿，四旋翼无人机第4个支腿坐标需另外计算，计算过程如下：
当l1＝l3时，根据公式
Figure BDA0002297473220000132
计算四旋翼无人机第4个支腿相对于激光测距传感器9的位置坐标(X4,Y4)，如图5所示；
当l1<l3<l2时，根据公式
Figure BDA0002297473220000133
计算四旋翼无人机第4个支腿相对于激光测距传感器9的位置坐标(X4,Y4)，如图6所示；
当l3<l1<l2时，根据公式
Figure BDA0002297473220000134
计算四旋翼无人机第4个支腿相对于激光测距传感器9的位置坐标(X4,Y4)，如图7所示。
步骤六、发射线圈定位：根据无人机在无线充电平台上的精确定位坐标，微控制器控制二轴滑台4工作，利用二轴滑台4带动发射线圈11在无线充电平台顶板3底部移动，使发射线圈11的中心坐标与无人机在无线充电平台上的精确定位坐标上下对齐，实现发射线圈11的定位，进而实现发射线圈11和所述接收线圈的同轴对准；
步骤七、发射线圈位置自检：获取所述接收线圈的充电功率，并将所述接收线圈的充电功率反馈至微控制器，微控制器对所述接收线圈的充电功率和所述发射线圈的充电功率进行比较，获取所述接收线圈的充电效率，同时将获取所述接收线圈的充电效率和预设的最大效率值进行比较，当获取的所述接收线圈的充电效率达到预设的最大效率值时，发射线圈11定位确定；当获取的所述接收线圈的充电效率未达到预设的最大效率值时，微控制器控制二轴滑台4，二轴滑台4微调发射线圈11的位置，直至所述接收线圈的充电效率达到预设的最大效率值，实现发射线圈11位置自检，将此位置作为发射线圈11定位最佳位置。
实际操作中，微控制器对所述接收线圈的充电功率和所述发射线圈的充电功率进行比较，是通过所述接收线圈的充电功率值除以所述发射线圈的充电功率值，获取所述接收线圈的充电效率，同时将获取所述接收线圈的充电效率和预设的最大效率值进行比较，是通过所述接收线圈的充电效率和预设的最大效率值之间的差值确定所述接收线圈的充电效率是否达到预设的最大效率值，当所述接收线圈的充电效率和预设的最大效率值之间的差值近似为零时，则认为所述接收线圈的充电效率达到预设的最大效率值。
本发明使用时，利用平台上的发射线圈给无人机上的接收线圈无线补给电能，通过反馈无人机上的接收线圈的充电功率，并将所述接收线圈的充电功率反馈至微控制器，微控制器对所述接收线圈的充电功率和所述发射线圈的充电功率进行比较，获取所述接收线圈的充电效率，同时将获取所述接收线圈的充电效率和预设的最大效率值进行比较，通过调整二轴滑台控制无线充电的发射线圈移动，找到发射线圈定位最佳位置，实现发射线圈与接收线圈的最优配合。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种无人机充电补给定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、构建无人机的无线充电平台：构建多个用于为无人机充电补给的无线充电平台，所述无线充电平台包括无线充电平台底板(1)和通过连接柱(2)设置在无线充电平台底板(1)上侧且供无人机降落的无线充电平台顶板(3)，所述无人机为四旋翼无人机，所述无人机的机身中心位置处安装有接收线圈，所述接收线圈的中心与无人机的机身中心重合，所述无人机的机身底部安装有机载摄像头，所述无人机的机身顶部安装有红色无人机定位信标，无线充电平台顶板(3)的边缘上安装有用于安装激光测距传感器(9)和平台摄像头(10)的立杆(8)，无线充电平台底板(1)上设置有无线充电平台控制盒(5)和带动与所述接收线圈配合的发射线圈(11)移动的二轴滑台(4)，无线充电平台控制盒(5)内集成有控制器和与无人机机载GPS模块通信的地面GPS模块；
步骤二、设置供无人机识别的信标：在无线充电平台顶板(3)上设置多级嵌套二维码图像信标(6)和红外闪烁灯信标(7)，红外闪烁灯信标(7)位于多级嵌套二维码图像信标(6)的中心位置；
所述红外闪烁灯信标(7)为圆形；
步骤三、获取信标中心的图像坐标并指导无人机自主降落：利用无人机的机载摄像头采集无线充电平台顶板(3)上的信标信息，识别信标中心的图像坐标，将信标中心的图像坐标与图像中心坐标比对，利用信标中心的图像坐标与图像中心坐标的偏差指导无人机自主纠偏降落；
步骤四、无人机在无线充电平台上的粗定位：利用平台摄像头(10)采集所述红外无人机定位信标落在无线充电平台顶板(3)上的平面图像，无线充电平台顶板(3)为矩形平板，所述平面图像中包含无线充电平台顶板(3)的四个顶角的图像，根据透视变换公式
Figure FDA0002297473210000021
获取透视变换的参数a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8和a9，其中，(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)和(x4,y4)分别为无线充电平台顶板(3)的四个顶角的实际坐标，(u1,v1)、(u2,v2)、(u3,v3)和(u4,v4)分别为无线充电平台顶板(3)的四个顶角的图像坐标；
根据公式
Figure FDA0002297473210000022
获取无人机在无线充电平台上的粗定位坐标(X,Y)，其中，(u,v)为平面图像中所述红外无人机定位信标中心的图像坐标；
步骤五、无人机在无线充电平台上的精确定位：根据无人机在无线充电平台上的粗定位坐标调节激光测距传感器(9)的扫描区域，激光测距传感器(9)通过步进电机模块安装在立杆(8)上，步进电机模块带动激光测距传感器(9)扫描四旋翼无人机的支腿(12)，激光测距传感器(9)通过分步式扫描捕捉策略获取四旋翼无人机的各支腿位置，根据公式
Figure FDA0002297473210000023
计算四旋翼无人机第i个支腿相对于激光测距传感器(9)的位置坐标(Xi,Yi)，其中，li为四旋翼无人机第i个支腿相对于激光测距传感器(9)的距离，ωi为激光测距传感器(9)扫描到四旋翼无人机第i个支腿时步进电机转动的角度且ωi＝niθb，ni为激光测距传感器(9)扫描到四旋翼无人机第i个支腿时步进电机转动的步数，θb为步进电机的步进角，i为四旋翼无人机的支腿编号且i＝1,2,3,4；
根据公式
Figure FDA0002297473210000031
获取无人机在无线充电平台上的精确定位坐标(xcenter,ycenter)；
步骤六、发射线圈定位：根据无人机在无线充电平台上的精确定位坐标，微控制器控制二轴滑台(4)工作，利用二轴滑台(4)带动发射线圈(11)在无线充电平台顶板(3)底部移动，使发射线圈(11)的中心坐标与无人机在无线充电平台上的精确定位坐标上下对齐，实现发射线圈(11)的定位，进而实现发射线圈(11)和所述接收线圈的同轴对准；
步骤七、发射线圈位置自检：获取所述接收线圈的充电功率，并将所述接收线圈的充电功率反馈至微控制器，微控制器对所述接收线圈的充电功率和所述发射线圈的充电功率进行比较，获取所述接收线圈的充电效率，同时将获取所述接收线圈的充电效率和预设的最大效率值进行比较，当获取的所述接收线圈的充电效率达到预设的最大效率值时，发射线圈(11)定位确定；当获取的所述接收线圈的充电效率未达到预设的最大效率值时，微控制器控制二轴滑台(4)，二轴滑台(4)微调发射线圈(11)的位置，直至所述接收线圈的充电效率达到预设的最大效率值，实现发射线圈(11)位置自检，将此位置作为发射线圈(11)定位最佳位置。
2.按照权利要求1所述的一种无人机充电补给定位方法，其特征在于：步骤三中，当无人机在昼间进行充电补给时，利用无人机的机载摄像头采集无线充电平台顶板(3)上的多级嵌套二维码图像信标(6)信息，利用多级嵌套二维码图像信标(6)中心的图像坐标与图像中心坐标的偏差指导无人机自主纠偏降落，过程如下：
步骤301、利用无人机的机载摄像头采集图像，并对图像依次进行灰度滤波、均值滤波和图像二值化处理；
步骤302、利用Canny算子提取图像中多个具有两层嵌套子轮廓的外轮廓，所述具有两层嵌套子轮廓的外轮廓的数量不少于三个，在多个具有两层嵌套子轮廓的外轮廓中任选三个具有两层嵌套子轮廓的外轮廓，获取包含所选三个外轮廓的最小矩形外框，若最小矩形外框的短边与长边之比大于0.85，则执行步骤303；否则，放弃该最小矩形外框；
步骤303、在原始图像上根据最小矩形外框旋转裁剪该最小矩形，并对裁剪后的最小矩形图像进行灰度二值化处理，
步骤304、利用机载摄像头扫描最小矩形图像二维码内容，当机载摄像头识别最小矩形图像二维码内容时，无人机所处的当前位置为降落点，通过最小矩形图像二维码定位二维码中心的图像坐标，根据二维码中心的图像坐标与图像中心坐标的偏差，利用PID算法进行对正控制，指导无人机自主纠偏降落，直至该最小矩形图像二维码不在机载摄像头视野范围内，完成多级嵌套二维码图像信标(6)中的一级二维码图像信标识别及无人机自主降落；否则，放弃该最小矩形图像；
步骤305、多次循环步骤301至步骤304，完成多级嵌套二维码图像信标(6)中的多级二维码图像信标识别及无人机自主降落。
3.按照权利要求1所述的一种无人机充电补给定位方法，其特征在于：步骤三中，当无人机在夜晚进行充电补给时，在无人机的机载摄像头的镜头前加装滤光片，使无人机的机载摄像头仅识别红外光源，利用无人机的机载摄像头识别无线充电平台顶板(3)上的红外闪烁灯信标(7)闪烁频率并采集红外闪烁灯信标(7)图像，利用红外闪烁灯信标(7)中心的图像坐标与图像中心坐标的偏差指导无人机自主纠偏降落，过程如下：
步骤3001、利用无人机的机载摄像头采集红外闪烁灯信标(7)图像，并对图像进行二值化处理；
步骤3002、根据公式
Figure FDA0002297473210000041
计算二值化后的红外闪烁灯信标(7)图像的重心坐标(x,y)，其中，m00为二值化后的红外闪烁灯信标(7)图像的0次力矩，m10为二值化后的红外闪烁灯信标(7)图像区域横坐标的1次力矩，m01为二值化后的红外闪烁灯信标(7)图像区域纵坐标的1次力矩；
步骤3003、根据二值化后的红外闪烁灯信标(7)图像的重心坐标(x,y)与图像中心坐标的偏差，利用PID算法进行对正控制，指导无人机自主纠偏降落。
4.按照权利要求1所述的一种无人机充电补给定位方法，其特征在于：步骤五中，当四旋翼无人机落至无线充电平台顶板(3)上，其四个支腿中有两个支腿与激光测距传感器(9)位于同一直线上时，将与激光测距传感器(9)共线的两个支腿中远离激光测距传感器(9)的一支腿视为四旋翼无人机第4个支腿，将激光测距传感器(9)按照规定顺序依次先后扫描到的各支腿依次命名为四旋翼无人机第1个支腿、四旋翼无人机第2个支腿和四旋翼无人机第3个支腿，四旋翼无人机第4个支腿坐标需另外计算，计算过程如下：
当l1＝l3时，根据公式
Figure FDA0002297473210000051
计算四旋翼无人机第4个支腿相对于激光测距传感器(9)的位置坐标(X4,Y4)；
当l1<l3<l2时，根据公式
Figure FDA0002297473210000052
计算四旋翼无人机第4个支腿相对于激光测距传感器(9)的位置坐标(X4,Y4)；
当l3<l1<l2时，根据公式
Figure FDA0002297473210000053
计算四旋翼无人机第4个支腿相对于激光测距传感器(9)的位置坐标(X4,Y4)。
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