CN111002846A - 一种无人机的控制方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种无人机的控制方法和系统，该控制系统包括无人机、控制站节点和控制中心以及远程数据库。无人机包括无人机锂电池、充放电模块、无线充电接收模块、处理器模块、飞行控制模块、GPS导航模块、传感器模块、通信模块，所述传感器模块中包括图像采集单元、超声测距单元；控制站节点包含无线充电模块、太阳能充电模块、主控模块、储能电池以及无线通信单元。本发明通过对无人机进行身份认证建立起安全通信。此外，通过无线充电技术避免了导线的直接接触，省去了人工插拔插头的步骤，为无人机充电过程实现全自动提供了可能。
Description
技术领域
本发明属于无人机控制技术领域，具体涉及一种无人机的控制方法和系统。
背景技术
近年来，无人机(unmanned aerial vehicle，UAV)技术飞速发展，被广泛应用于军事侦察、物流运输、抢险救灾等领域，为人们生产和生活带来了极大的便利。然而，无人机组网也面临着不可忽视的安全问题，与无人机通信对抗相关的研究已经成为无人机应用研究中的热点。为了保障无人机的安全通信，密钥管理作为密码体制的核心之一，是无人机网络安全目标实现的前提和关键。
无人机网络是一个典型的移动自组织网络，该网络中的密钥管理主要面临以下问题：首先，无人机使用无线通信，节点通信内容极易被攻击者窃取；其次，该网络缺乏基础设施，无法使用传统有线网络中的密钥管理手段；此外，由于无人机存储和计算能力有限，复杂的密码算法会因为资源消耗大、响应时间长而无法部署；最后，无人机相对移动速度快，导致网络的拓扑结构频繁变化，节点间的信任关系复杂。
除了上述无人机网络安全问题，受负重能力的限制，无人机搭载电池容量有限，续航能力不足、巡航范围受限成为限制无人机进一步发展的另一个瓶颈问题。目前，无人机充电主要依赖于人工手动插拔插头的方式，这种方式降低了无人机的作业范围，即使利用中继充电站对无人机进行电能补给也无法摆脱充电过程中人的作用。而且，传统接触式充电方式自动化程度低，降低了无人机的工作效率，也无法实现无人机无人值守的目标。
如何在扩大无人机巡航范围的同时增强网络安全性已经成为了目前无人机技术领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明所提出的一种无人机的控制方法和系统，本发明通过对无人机进行身份认证建立起安全通信。此外，通过无线充电技术避免了导线的直接接触，省去了人工插拔插头的步骤，为无人机充电过程实现全自动提供了可能。
本申请是通过如下技术方案实现的：
一种无人机的控制系统，该控制系统包括至少一个无人机、至少一个控制站节点、控制中心、远程数据库以及后台计算机；
所述控制站节点、所述控制中心以及所述远程数据库之间通过通信网络建立连接；所述无人机经过初始化配置后，与所述控制中心建立无线通信连接，并接收所述控制中心发送的飞行任务；无人机通过GPS导航模块，按照所述飞行任务所指定的飞行路线，进行导航飞行，所述后台计算机通过控制中心与无人机进行无线通信；
所述无人机包括无人机锂电池、充放电模块、无线充电接收模块、处理器模块、飞行控制模块、GPS导航模块、传感器模块以及通信模块，所述传感器模块中包括图像采集单元、超声测距单元；
所述无人机的控制通过处理器模块和飞行控制模块来实现，所述飞行控制模块用于控制无人机的飞行与姿态调整，处理器模块通过其I/O接口收发信息与指令，以给飞行控制模块以及其他部件发送控制命令；所述处理器模块采用低功耗的STM32系列单片机来实现；
无人机锂电池包括锂电池组和电能传输单元，锂电池用于储存电能同时也给无人机各个模块提供电能，还能接收所述电能传输单元中的充电电能，所述电能传输单元连接锂电池和充放电模块，用于在充电过程中产生的无线电能传输给锂电池；
无人机的无线充电接收模块装设在两个起落架底端之间，通过设置在空心连接管中的导线与所述充放电模块相连，所述无线充电接收模块采用了I型铁氧体磁芯，外侧横向绕制接收线圈；
控制站节点包含无线充电模块、太阳能充电模块、主控模块、储能电池以及无线通信单元；
所述太阳能充电模块包括太阳能电池板，所述太阳能电池板呈回字型设置在控制站节点的顶部，在所述太阳能电池板上表面的中间位置设置有对接标志；
所述双极性耦合装置中的发射模块由发射线圈以及放置在发射线圈下的铁氧体磁芯构成，铁氧体磁芯的横向切面呈凹字型，发射线圈分成2个平面螺旋线圈，并且2个线圈的电流走向相反，所述2个平面螺旋线圈分别以凹字型铁氧体磁芯的两个向上凸起的侧边为轴心进行纵向缠绕；
无人机的两个所述起落架的底端安装有铁氧体磁芯，当无人机根据所述对接标志，完成与所述控制站节点的对接并停在所述太阳能电池板上后，所述起落架底端的铁氧体磁芯与所述凹字型铁氧体磁芯的两个向上凸起的侧边相重合。
进一步的，控制站节点中的所述无线通信单元采用NB-IoT无线通信方式与控制中心建立连接，并进行数据传输，充电无人机的无人机标识ID、无人机设备信息、充电状态信息都采用基于NB-IoT的无线通信方式传输到所述控制中心，由控制中心进行关联存储以及大数据分析
进一步的，所述传感器模块中的图像采集单元用于采集图像，所述超声测距单元用于超声波测距，并发送给处理器模块进行数据处理。
进一步的，所述GPS导航模块，用于获取当前无人机的位置信息，当无人机需要充电时，利用所述GPS导航模块导航至目标控制站节点附近。
进一步的，所述无线充电模块中还包括电流检测电路、电压检测电路；
所述电流检测电路，采用检流芯片INA282进行电流检测；
所述电压检测电路为电阻分压，将输出电压按一定分压比转换为主控模块的ADC可读取的电平，通过检测锂电池的电压大小，主控模块是否对无人机锂电池进行涓流充电、恒流充电或脉冲充电，当锂电池电压达到4.2V时，开启充电平衡电路。
一种无人机的控制方法，该方法应用于如上述无人机的控制系统中，其特征在于，该方法包括：
步骤101、在飞行过程中无人机的充放电模块实时监测无人机锂电池的剩余电量，并将GPS导航模块获取的当前无人机的自身地理坐标位置发送给控制中心；
步骤102、所述控制中心通过计算后返回与无人机相邻的控制站节点列表，在所述控制站节点列表中包含了各所述控制站节点的地理位置坐标信息，各所述控制站节点按照与无人机之间的距离由近到远依次排序，无人机从所述控制站节点列表中选择一个控制站节点作为目的控制站节点，通过所述GPS导航模块飞往所述目的控制站节点；
所述无人机从所述控制站节点列表中选择一个控制站节点作为目的控制站节点，具体包括：
无人机根据自身剩余电量来判断能否到达距离自己最近的控制站节点；
如果能飞到距离自己最近的控制站节点但飞不到距离自己第二近的控制站节点，则无人机将距离自己最近的控制站节点作为目的控制站节点；
如果无人机能飞到距离自己第二近的控制站节点，则待无人机飞过距离自己最近的控制站节点后再计算能否飞到第二近的控制站节点，以此类推；
如果无人机无法飞到距离自己最近的控制站节点，则无人机关闭自身中除了飞行控制、导航这些必要功能之外的其他功能模块，节省电量飞往最近的控制站节点，或就地降落并发给控制中心后台定位信息；
步骤103、当无人机利用所述GPS导航模块飞到所述目的控制站节点附近后，利用所述传感器模块完成与所述控制站节点的对接；在无人机与控制站节点对接完成后，无人机通过通信模块与控制站节点的无线通信单元建立无线通信连接，连接完成后控制站节点对无人机进行身份认证，如果身份认证通过则通过无线充电模块给无人机锂电池进行充电；
步骤104、在充电过程中，无人机实时监测自身电量，当所述无人机锂电池充满后，无人机发送停止充电命令给所述控制站节点，然后起飞继续执行任务；
在步骤101之前，该方法还包括：
无人机经过初始化配置后，与控制中心建立无线通信连接，并接收控制中心发送的飞行任务；无人机通过GPS导航模块，按照所述飞行任务所指定的飞行路线，进行导航飞行，后台计算机通过控制中心与无人机进行无线通信；
利用所述传感器模块完成与所述控制站节点的对接，具体包括：
图像采集单元用于拍摄获取无人机下方的对接标志并传输至处理器模块，处理器模块对对接标志图像进行预处理和特征检测，从而根据坐标系计算出无人机与对接标志的相对位置信息，然后将所述相对位置信息传输给无人机的飞行控制模块，无人机的所述飞行控制模块再根据所述相对位置信息调整无人机的位置和姿态。
进一步的，利用所述传感器模块完成与所述控制站节点的对接，具体包括：
步骤201、对所述图像采集单元所拍摄的对接标志图像采用加权平均法进行灰度化处理，所述加权平均法采用如下公式对进行RGB三分量进行加权平均计算以得到灰度图像：
f(i,j)＝0.30R(i,j)+0.59G(i,j)+0.11B(i,j)；
步骤202、采用Canny算法对所述灰度图像进行边缘检测；
步骤204、对所述无人机的相对位置进行估计与调整；
步骤205、在所述无人机成功悬停在对接标志正上方后，无人机利用超声测距单元测量无人机与对接标志的相对距离，并发送指令给无人机主控，处理器模块控制无人机缓慢下降，当无人机与所述对接标志之间的距离小于设定的阈值时，所述处理器模块控制四个电机停止转动，完成对接。
进一步的，步骤202、采用Canny算法对所述灰度图像进行边缘检测，具体包括：
步骤2021、图像的平滑滤波，采用一维高斯函数对所述灰度图像按行和列进行平滑滤波去噪，其中一维高斯滤波函数采用如下公式计算：
其中一维高斯函数中σ为标准差，σ的大小影响定位精度和信噪比；σ的大小对边缘检测很重要，当σ较大时可以很好的平滑噪声，但边缘定位精度较低。
步骤2022、计算梯度幅值和方向，通过求偏导来获得梯度幅值和方向，利用2*2领域内一阶偏导的有限差分，平滑滤波后所述灰度图像(x,y)的一阶偏导采用如下公式计算：
其中，f(x，y)、f(x，y+1)、)f(x+1，y)、f(x+1，y+1)为图像各点像素的灰度值；
所述梯度幅值采用如下公式计算：
所述方向采用如下公式计算：
步骤2023、对梯度幅值进行非极大值抑制；
步骤2024、阈值化和边缘连接。经过非极大值抑制后的图像中仍存在许多噪声点，Canny算法使用双阈值对非极大值抑制过的图像进行分割；如果点(x,y)的梯度幅值小于阈值下界则该点不是边缘点；如果点(x,y)的梯度幅值大于阈值下界则该点是边缘点；如果该点的梯度幅值介于两者之间，则寻找该点附近是否存在另一点大于阈值上界，如果有，则该点是边缘点，否则不是边缘点。
进一步的，连接完成后控制站节点对无人机进行身份认证，具体包括：
步骤301，无人机向控制站节点发送身份认证请求，所述身份认证请求中包括无人机标识ID、加密后的无人机设备信息；
步骤302，所述控制站节点获取所述身份认证请求中的无人机标识ID，并向控制中心发送查询请求，所述查询请求中包括经过公钥加密的无人机标识ID；
步骤303，所述控制中心接收所述查询请求，使用公钥解密并获取其中携带的无人机标识ID，所述控制中心在远程数据库中查询所述无人机标识ID，获取与所述无人机标识ID关联存储的解密策略以及无人机设备信息，并使用公钥加密所获取的解密策略以及无人机设备信息，将加密后的解密策略以及无人机设备信息发送给所述控制站节点；
步骤304，所述控制站节点接收所述加密后的解密策略以及无人机设备信息，使用公钥进行解密以获取解密策略以及无人机设备信息，对该无人机设备信息进行暂存，所述控制站节点使用获取的所述解密策略对所述身份认证请求中的所述加密后的无人机设备信息进行解密，以获得解密后的无人机设备信息，将所述解密后的无人机设备信息与暂存的无人机设备信息进行比较，如果比较结果为一致，则身份认证成功；如果比较结果为不一致，则身份认证失败。
进一步的，所述无人机锂电池由多个单体锂电池组成的电池组构成，通过无线充电模块给无人机锂电池进行充电，具体包括：
步骤901、无人机锂电池接入充电系统时，先进行充电预处理，以10mA级的电流对电池进行温和的涓流充电；
步骤902、当所有单体电池电压都上升到2.5V时，进入恒流区，以最高5A的恒定电流对电池组快速充电，恒流充电阶段，任意单体电池电压达到4.2V，则此单体电池进入平衡充电状态，直到所有单体电池均达到4.2V，所有平衡电路断开，整个无人机锂电池进入脉冲充电阶段；
步骤903、在脉冲充电区，电源间歇性地对无人机锂电池以恒定电流充电，随着电量越来越满，充电时间逐渐缩短，停充时间逐渐增加，充电脉冲占空比越来越小，当占空比低于预设的阈值时，终止充电。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过无线充电技术避免了导线的直接接触，省去了人工插拔插头的步骤，为无人机充电过程实现全自动提供了可能。
附图说明
图1为本发明的无人机控制系统的组成结构示意图；
图2为本发明的无人机控制方法的流程示意图；
图3为本发明的控制站节点对无人机进行身份认证的流程示意图；
图4为本发明的无线充电的结构示意图；
图5为本发明的发射线圈的磁场分布示意图；
图6为本发明的耦合装置的电路模型示意图；
图7为本发明的电流检测电路原理示意图；
图8为本发明的电压检测电路原理示意图；
图9为本发明的无线充电策略流程示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明的无人机控制系统的组成结构示意图。该无人机控制系统由无人机、控制站节点和控制中心组成。其中无人机包含无人机锂电池、充放电模块、无线充电接收模块、处理器模块、飞行控制模块、GPS导航模块、传感器模块、通信模块，所述传感器模块中包括图像采集单元、超声测距单元；控制站节点包含无线充电模块、太阳能充电模块、主控模块、储能电池以及无线通信单元。
无人机的控制通过处理器模块和飞行控制模块来实现。所述飞行控制模块用于控制无人机的飞行与姿态调整，处理器模块通过其I/O接口收发信息与指令，以给飞行控制模块以及其他部件发送控制命令，控制各模块的工作状态，协调各部分硬件软件的工作，同时也处理无人机所获得的各种信息，是无人机的控制中枢。飞行控制模块不是本发明的重点，因此在本发明的技术方案中不做详细介绍。所述处理器模块采用低功耗的STM32系列单片机来实现。
无人机锂电池包括锂电池和电能传输单元。锂电池用于储存电能同时也给无人机各个模块提供电能，还能接收电能传输单元中的充电电能。本发明采用24V锂电池为无人机各个模块供电，飞行器的续航时间为20-25分钟；电能传输单元连接锂电池和充放电模块，用于在充电过程中产生的无线电能传输给锂电池。
无人机的无线充电接收模块装设在两个起落架底端之间，通过设置在空心连接管中的导线与所述充放电模块相连，所述无线充电接收模块采用了I型铁氧体磁芯，外侧横向绕制接收线圈。
传感器模块中包括图像采集单元、超声测距单元，用于采集图像以及超声波测距，并发送给处理器模块进行数据处理。
GPS导航模块，用于获取当前无人机的位置信息，当无人机需要充电时，利用所述GPS导航模块导航至目标控制站节点附近。
图2为本发明的无人机控制方法的流程示意图。无人机经过初始化配置后，与控制中心建立无线通信连接，并接收控制中心发送的飞行任务。无人机通过GPS导航模块，按照所述飞行任务所指定的飞行路线，进行导航飞行，后台计算机通过控制中心与无人机进行无线通信。
步骤101、在飞行过程中无人机的充放电模块实时监测无人机锂电池的剩余电量，并将GPS导航模块获取的当前无人机的自身地理坐标位置发送给控制中心；
步骤102、所述控制中心通过计算后返回与无人机相邻的控制站节点列表，在所述控制站节点列表中包含了各所述控制站节点的地理位置坐标信息，各所述控制站节点按照与无人机之间的距离由近到远依次排序，无人机从所述控制站节点列表中选择一个控制站节点作为目的控制站节点，通过所述GPS导航模块飞往所述目的控制站节点；
所述无人机从所述控制站节点列表中选择一个控制站节点作为目的控制站节点，具体包括：
无人机根据自身剩余电量来判断能否到达距离自己最近的控制站节点；
如果能飞到距离自己最近的控制站节点但飞不到距离自己第二近的控制站节点，则无人机将距离自己最近的控制站节点作为目的控制站节点；
如果无人机能飞到距离自己第二近的控制站节点，则待无人机飞过距离自己最近的控制站节点后再计算能否飞到第二近的控制站节点，以此类推；
如果无人机无法飞到距离自己最近的控制站节点，则无人机关闭自身中除了飞行控制、导航这些必要功能之外的其他功能模块，节省电量飞往最近的控制站节点，或就地降落并发给控制中心后台定位信息。
步骤103、当无人机利用所述GPS导航模块飞到所述目的控制站节点附近后，利用所述传感器模块完成与所述控制站节点的对接；在无人机与控制站节点对接完成后，无人机通过通信模块与控制站节点的无线通信单元建立无线通信连接，连接完成后控制站节点对无人机进行身份认证，如果身份认证通过则通过无线充电模块给无人机锂电池进行充电；
步骤104、在充电过程中，无人机实时监测自身电量，当所述无人机锂电池充满后，无人机发送停止充电命令给所述控制站节点，然后起飞继续执行任务。
由于GPS导航存在1-2m的导航误差，因此需要再利用传感器模块，通过多次图像采集判断、超声测距来完成与所述控制站节点的对接。
在进行与所述控制站节点的对接时，图像采集单元用于拍摄获取无人机下方的对接标志并传输至处理器模块，图像采集单元应采用体积小、低功耗的摄像头，如OV7670模块。处理器模块对对接标志图像进行预处理和特征检测，从而根据坐标系计算出无人机与对接标志的相对位置信息，然后将所述相对位置信息传输给无人机的飞行控制模块，无人机的所述飞行控制模块再根据所述相对位置信息调整无人机的位置和姿态。
超声测距单元测量距离为2cm-450cm，测距精度在3mm左右，用于在无人机降落至控制站节点过程中，实时测量无人机与控制站节点的相对高度信息并传输至处理器模块。
利用所述传感器模块完成与所述控制站节点的对接，具体包括：
步骤201、对所述图像采集单元所拍摄的对接标志图像采用加权平均法进行灰度化处理，所述加权平均法采用如下公式对进行RGB三分量进行加权平均计算以得到灰度图像：
f(i,j)＝0.30R(i,j)+0.59G(i,j)+0.11B(i,j)；
步骤202、采用Canny算法对所述灰度图像进行边缘检测；
对所述灰度图像进行边缘检测。具体包括：
步骤2021、图像的平滑滤波，采用一维高斯函数对所述灰度图像按行和列进行平滑滤波去噪，其中一维高斯滤波函数采用如下公式计算：
其中一维高斯函数中σ为标准差，σ的大小影响定位精度和信噪比；σ的大小对边缘检测很重要，当σ较大时可以很好的平滑噪声，但边缘定位精度较低。
步骤2022、计算梯度幅值和方向，通过求偏导来获得梯度幅值和方向，利用2*2领域内一阶偏导的有限差分，平滑滤波后所述灰度图像(x,y)的一阶偏导采用如下公式计算：
其中，f(x，y)、f(x，y+1)、)f(x+1，y)、f(x+1，y+1)为图像各点像素的灰度值；
所述梯度幅值采用如下公式计算：
所述方向采用如下公式计算：
步骤2023、对梯度幅值进行非极大值抑制；
为了更加精确地进行边缘定位，Canny算法还需要对梯度进行非极大值抑制。经过细化才能以单像素确定边缘的位置，即保留幅值局部变化最大的点，这就是非极大值抑制处理。在3*3邻域内，中心像素点和它周边相邻的两个像素进行幅值比较，如果中心像素点大于相邻像素点，则该点是边缘点，反之则不是边缘点。
步骤2024、阈值化和边缘连接。经过非极大值抑制后的图像中仍存在许多噪声点，Canny算法使用双阈值对非极大值抑制过的图像进行分割。如果点(x,y)的梯度幅值小于阈值下界则该点不是边缘点；如果点(x,y)的梯度幅值大于阈值下界则该点是边缘点；如果该点的梯度幅值介于两者之间，则寻找该点附近是否存在另一点大于阈值上界，如果有，则该点是边缘点，否则不是边缘点
步骤204、对所述无人机的相对位置进行估计与调整；
在对所述图像采集单元所拍摄的对接标志图像进行相应处理后，系统下一步便需要对图像信息进行解算，再利用相应的坐标系求出无人机相对于对接标志的位置以及自身姿态，并输出给处理器模块，随后处理器模块再根据这些信息向飞行控制模块发送指令以控制无人机的飞行方向与速度，同时根据所述图像采集单元光轴与对接标志中心的偏角对无人机进行姿态调整；
步骤205、在所述无人机成功悬停在对接标志正上方后，无人机利用超声测距单元测量无人机与对接标志的相对距离，并发送指令给无人机主控，处理器模块控制无人机缓慢下降，当无人机与所述对接标志之间的距离小于设定的阈值时，所述处理器模块控制四个电机停止转动，完成对接。
当无人机通过GPS导航模块以及传感器模块成功与控制站节点完成对接后，无人机通过通信模块与控制站节点的无线通信单元建立无线通信连接，在确认对方信息后便开始进行无线充电。所述确认对方信息具体为控制站节点对无人机进行身份认证，如果身份认证通过则通过无线充电模块给无人机锂电池进行充电。图3为本发明的控制站节点对无人机进行身份认证的流程示意图。
步骤301，无人机向控制站节点发送身份认证请求，所述身份认证请求中包括无人机标识ID、加密后的无人机设备信息；
步骤302，所述控制站节点获取所述身份认证请求中的无人机标识ID，并向控制中心发送查询请求，所述查询请求中包括经过公钥加密的无人机标识ID；
步骤303，所述控制中心接收所述查询请求，使用公钥解密并获取其中携带的无人机标识ID，所述控制中心在远程数据库中查询所述无人机标识ID，获取与所述无人机标识ID关联存储的解密策略以及无人机设备信息，并使用公钥加密所获取的解密策略以及无人机设备信息，将加密后的解密策略以及无人机设备信息发送给所述控制站节点；
步骤304，所述控制站节点接收所述加密后的解密策略以及无人机设备信息，使用公钥进行解密以获取解密策略以及无人机设备信息，对该无人机设备信息进行暂存，所述控制站节点使用获取的所述解密策略对所述身份认证请求中的所述加密后的无人机设备信息进行解密，以获得解密后的无人机设备信息，将所述解密后的无人机设备信息与暂存的无人机设备信息进行比较，如果比较结果为一致，则身份认证成功；如果比较结果为不一致，则身份认证失败。
在上述认证之前，会进行无人机信息的初始化，将无人机标识ID、解密策略以及无人机设备信息关联存储在远程数据库中，以及定期的更新所述控制中心和所述控制站节点使用的公钥。
本发明使用电磁感应方式为无人机锂电池充电，图4为本发明的无线充电的结构示意图。本发明的控制站节点包含无线充电模块、太阳能充电模块、主控模块、储能电池以及无线通信单元。
所述太阳能充电模块包括太阳能电池板，所述太阳能电池板呈回字型设置在控制站节点的顶部，在所述太阳能电池板上表面的中间位置设置有对接标志。
所述双极性耦合装置中的发射模块由发射线圈以及放置在发射线圈下的铁氧体磁芯构成，铁氧体磁芯的横向切面呈凹字型，发射线圈分成2个平面螺旋线圈，并且2个线圈的电流走向相反，所述2个平面螺旋线圈分别以凹字型铁氧体磁芯的两个向上凸起的侧边为轴心进行纵向缠绕。
无人机的两个所述起落架的底端安装有铁氧体磁芯，当无人机根据所述对接标志，完成与所述控制站节点的对接并停在所述太阳能电池板上后，所述起落架底端的铁氧体磁芯与所述凹字型铁氧体磁芯的两个向上凸起的侧边相重合。
所述无线充电模块中采用双极性耦合装置来为无人机进行无线充电。所述双极性耦合装置即使在无人机的无线充电接收模块与耦合装置之间存在小气隙时，也能保证耦合装置参数稳定，这样提高了耦合能力，降低了漏磁，确保了无线充电的质量和效率。
所述双极性耦合装置中的发射模块由发射线圈以及放置在发射线圈下的铁氧体磁芯构成，铁氧体磁芯的横向切面呈凹字型，发射线圈分成2个平面螺旋线圈，并且2个线圈的电流走向相反，所述2个平面螺旋线圈分别以凹字型铁氧体磁芯的两个向上凸起的侧边为轴心进行缠绕。图5为本发明的发射线圈的磁场分布示意图。发射线圈中的一个平面螺旋线圈电流方向为顺时针方向，另一个平面螺旋线圈的电流方向为逆时针方向。相反的电流走向使得发射线圈内部磁场有2个方向，即一个平面螺旋线圈内部磁场垂直线圈平面向上、另一个平面螺旋线圈内部磁场垂直线圈平面向下，发射装置磁场具有双极性特性。在发射线圈下放置铁氧体磁芯，可以减小磁路磁阻，提高耦合能力，同时降低系统漏磁。
无人机的无线充电接收模块装设在起落架底端，其采用了小的I型铁氧体磁芯，外侧绕制接收线圈。由于无人机的无线充电接收模块中放置了铁氧体，铁氧体磁阻比空气中小很多，所以发射线圈中的一个平面螺旋线圈发射出的磁通绝大多数会经由接收装置的铁氧体进入发射线圈的另一个平面螺旋线圈内部。发射线圈下方也放置了铁氧体，最终构成整个主磁路。由于无人机的无线充电接收模块中的接收线圈绕制在接收端的铁氧体上，当上述交变磁通穿过接收端的铁氧体时，也就穿过了接收线圈，从而实现电能的无线传输。
所述起落架底端的铁氧体磁芯与所述凹字型铁氧体磁芯的两个向上凸起的侧边相重合，借助铁氧体磁芯之间的相互吸引力，可以帮助无人机的无线充电接收模块找到最佳的感应位置，并且在充电过程中，通过磁吸力将无人机的起落架底端牢牢固定在充电位置。
发射装置的2个平面螺旋线圈通过串联连接最终构成一个发射装置，耦合装置双极性磁场的特性使得2个平面螺旋线圈的电路和磁路均串联连接。耦合装置的电路模型如图6所示，其中LP1和LP2分别是发射线圈的2个平面螺旋线圈自感，M1和M2分别是2个平面螺旋线圈与副边接收线圈的互感，M3是2个平面螺旋线圈之间的互感。对图6列写KVL方程并化简，可得到如下公式，耦合装置的等效原边自感和原副边等效互感可分别用LP和M表示：
所述无线充电模块中还包括电流检测电路、电压检测电路。
所述电流检测电路，采用高精度检流芯片INA282进行电流检测，INA282的增益为50倍，共模抑制比较高，只需外接10mΩ电阻便可完成测量且非常精确。此外，INA282共模范围为－14～80V。利用INA282实现检流功能，电路简单、能耗较小。主控模块可输入信号的最大电压为3.3V，且降压电路输出电流最大为3A，故采用0.01Ω电阻进行电流检测：
UR＝0.01×3＝0.03(V)
UAD＝50×UR＝1.5(V)
同时，由于INA282增益为50倍，故输入主控模块A/D采样电压为1.5V，刚好在主控模块输入信号电压范围内且大小适中，读取10mΩ电阻两端的电压并将此值送入主控模块的A/D。电流检测电路如图7所示。
所述电压检测电路，电压采样电路为电阻分压，将输出电压按一定分压比转换为主控模块的ADC可读取的电平。为减少纹波干扰，采样电阻采集到的电压经滤波后输入主控模块。电压检测电路如图8所示。通过检测锂电池的电压大小，主控模块是否对无人机锂电池进行涓流充电、恒流充电或脉冲充电，当锂电池电压达到4.2V时，开启充电平衡电路，防止过充损坏电池性能。
控制站节点中的所述无线通信单元采用NB-IoT无线通信方式与控制中心建立连接，并进行数据传输。进行充电无人机的无人机标识ID、无人机设备信息、充电状态信息，都采用基于NB-IoT的无线通信方式传输到所述控制中心，有控制中心进行关联存储以及大数据分析。
为缩短充电时间，本发明采用大电流对无人机锂电池充电，但在充电过程中必须采取一些措施防止电池老化，提高电池寿命。因此，在保证缩短充电时间的同时，将锂电池的充电过程分为4个阶段：涓流充电、恒流充电、脉冲充电和充电终止。不仅保护了锂电池，还能缩短充电时间，无人机锂电池是由多个单体锂电池组成的电池组组成，无线充电策略流程如图9所示。
步骤901、无人机锂电池接入充电系统时，先进行充电预处理，以10mA级的电流对电池进行温和的涓流充电；
步骤902、当所有单体电池电压都上升到2.5V时，进入恒流区，以最高5A的恒定电流对电池组快速充电，恒流充电阶段，任意单体电池电压达到4.2V，则此单体电池进入平衡充电状态；有效提高了电池寿命，且不影响其余单体电池继续快速充电。直到所有单体电池均达到4.2V，所有平衡电路断开，整个无人机锂电池进入脉冲充电阶段。
步骤903、在脉冲充电区，电源间歇性地对无人机锂电池以恒定电流充电，随着电量越来越满，充电时间逐渐缩短，停充时间逐渐增加，即充电脉冲占空比越来越小，当占空比低于预设的阈值时，发出停止充电指令，终止充电。
当停止充电后，所述起落架底端的铁氧体磁芯与所述凹字型铁氧体磁芯的两个向上凸起之间的磁吸力减弱，或者通过电流调整为相反的磁推力，方便无人机起飞。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
需要说明的是，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种无人机的控制系统，其特征在于，该控制系统包括至少一个无人机、至少一个控制站节点、控制中心、远程数据库以及后台计算机；
所述控制站节点、所述控制中心以及所述远程数据库之间通过通信网络建立连接；所述无人机经过初始化配置后，与所述控制中心建立无线通信连接，并接收所述控制中心发送的飞行任务；无人机通过GPS导航模块，按照所述飞行任务所指定的飞行路线，进行导航飞行，所述后台计算机通过控制中心与无人机进行无线通信；
所述无人机包括无人机锂电池、充放电模块、无线充电接收模块、处理器模块、飞行控制模块、GPS导航模块、传感器模块以及通信模块，所述传感器模块中包括图像采集单元、超声测距单元；
所述无人机的控制通过处理器模块和飞行控制模块来实现，所述飞行控制模块用于控制无人机的飞行与姿态调整，处理器模块通过其I/O接口收发信息与指令，以给飞行控制模块以及其他部件发送控制命令；所述处理器模块采用低功耗的STM32系列单片机来实现；
无人机锂电池包括锂电池组和电能传输单元，锂电池用于储存电能同时也给无人机各个模块提供电能，还能接收所述电能传输单元中的充电电能，所述电能传输单元连接锂电池和充放电模块，用于在充电过程中产生的无线电能传输给锂电池；
无人机的无线充电接收模块装设在两个起落架底端之间，通过设置在空心连接管中的导线与所述充放电模块相连，所述无线充电接收模块采用了I型铁氧体磁芯，外侧横向绕制接收线圈；
控制站节点包含无线充电模块、太阳能充电模块、主控模块、储能电池以及无线通信单元；
所述太阳能充电模块包括太阳能电池板，所述太阳能电池板呈回字型设置在控制站节点的顶部，在所述太阳能电池板上表面的中间位置设置有对接标志；
所述双极性耦合装置中的发射模块由发射线圈以及放置在发射线圈下的铁氧体磁芯构成，铁氧体磁芯的横向切面呈凹字型，发射线圈分成2个平面螺旋线圈，并且2个线圈的电流走向相反，所述2个平面螺旋线圈分别以凹字型铁氧体磁芯的两个向上凸起的侧边为轴心进行纵向缠绕；
无人机的两个所述起落架的底端安装有铁氧体磁芯，当无人机根据所述对接标志，完成与所述控制站节点的对接并停在所述太阳能电池板上后，所述起落架底端的铁氧体磁芯与所述凹字型铁氧体磁芯的两个向上凸起的侧边相重合。
2.根据权利要求1所述的无人机的控制系统，其特征在于：控制站节点中的所述无线通信单元采用NB-IoT无线通信方式与控制中心建立连接，并进行数据传输，充电无人机的无人机标识ID、无人机设备信息、充电状态信息都采用基于NB-IoT的无线通信方式传输到所述控制中心，由控制中心进行关联存储以及大数据分析。
3.根据权利要求2所述的无人机的控制系统，其特征在于：所述传感器模块中的图像采集单元用于采集图像，所述超声测距单元用于超声波测距，并发送给处理器模块进行数据处理。
4.根据权利要求1所述的无人机的控制系统，其特征在于：
所述GPS导航模块，用于获取当前无人机的位置信息，当无人机需要充电时，利用所述GPS导航模块导航至目标控制站节点附近。
5.根据权利要求1至4之一所述的无人机的控制系统，其特征在于：所述无线充电模块中还包括电流检测电路、电压检测电路；
所述电流检测电路，采用检流芯片INA282进行电流检测；
所述电压检测电路为电阻分压，将输出电压按一定分压比转换为主控模块的ADC可读取的电平，通过检测锂电池的电压大小，主控模块是否对无人机锂电池进行涓流充电、恒流充电或脉冲充电，当锂电池电压达到4.2V时，开启充电平衡电路。
6.一种无人机的控制方法，该方法应用于如权利要求1至5之一所述的无人机的控制系统中，其特征在于，该方法包括：
步骤101、在飞行过程中无人机的充放电模块实时监测无人机锂电池的剩余电量，并将GPS导航模块获取的当前无人机的自身地理坐标位置发送给控制中心；
步骤102、所述控制中心通过计算后返回与无人机相邻的控制站节点列表，在所述控制站节点列表中包含了各所述控制站节点的地理位置坐标信息，各所述控制站节点按照与无人机之间的距离由近到远依次排序，无人机从所述控制站节点列表中选择一个控制站节点作为目的控制站节点，通过所述GPS导航模块飞往所述目的控制站节点；
所述无人机从所述控制站节点列表中选择一个控制站节点作为目的控制站节点，具体包括：
无人机根据自身剩余电量来判断能否到达距离自己最近的控制站节点；
如果能飞到距离自己最近的控制站节点但飞不到距离自己第二近的控制站节点，则无人机将距离自己最近的控制站节点作为目的控制站节点；
如果无人机能飞到距离自己第二近的控制站节点，则待无人机飞过距离自己最近的控制站节点后再计算能否飞到第二近的控制站节点，以此类推；
如果无人机无法飞到距离自己最近的控制站节点，则无人机关闭自身中除了飞行控制、导航这些必要功能之外的其他功能模块，节省电量飞往最近的控制站节点，或就地降落并发给控制中心后台定位信息；
步骤103、当无人机利用所述GPS导航模块飞到所述目的控制站节点附近后，利用所述传感器模块完成与所述控制站节点的对接；在无人机与控制站节点对接完成后，无人机通过通信模块与控制站节点的无线通信单元建立无线通信连接，连接完成后控制站节点对无人机进行身份认证，如果身份认证通过则通过无线充电模块给无人机锂电池进行充电；
步骤104、在充电过程中，无人机实时监测自身电量，当所述无人机锂电池充满后，无人机发送停止充电命令给所述控制站节点，然后起飞继续执行任务；
在步骤101之前，该方法还包括：
无人机经过初始化配置后，与控制中心建立无线通信连接，并接收控制中心发送的飞行任务；无人机通过GPS导航模块，按照所述飞行任务所指定的飞行路线，进行导航飞行，后台计算机通过控制中心与无人机进行无线通信；
利用所述传感器模块完成与所述控制站节点的对接，具体包括：
图像采集单元用于拍摄获取无人机下方的对接标志并传输至处理器模块，处理器模块对对接标志图像进行预处理和特征检测，从而根据坐标系计算出无人机与对接标志的相对位置信息，然后将所述相对位置信息传输给无人机的飞行控制模块，无人机的所述飞行控制模块再根据所述相对位置信息调整无人机的位置和姿态。
7.根据权利要求6所述的无人机的控制方法，其特征在于，利用所述传感器模块完成与所述控制站节点的对接，具体包括：
步骤201、对所述图像采集单元所拍摄的对接标志图像采用加权平均法进行灰度化处理，所述加权平均法采用如下公式对进行RGB三分量进行加权平均计算以得到灰度图像：
f(i,j)＝0.30R(i,j)+0.59G(i,j)+0.11B(i,j)；
步骤202、采用Canny算法对所述灰度图像进行边缘检测；
步骤204、对所述无人机的相对位置进行估计与调整；
步骤205、在所述无人机成功悬停在对接标志正上方后，无人机利用超声测距单元测量无人机与对接标志的相对距离，并发送指令给无人机主控，处理器模块控制无人机缓慢下降，当无人机与所述对接标志之间的距离小于设定的阈值时，所述处理器模块控制四个电机停止转动，完成对接。
8.根据权利要求7所述的无人机的控制方法，其特征在于，步骤202、采用Canny算法对所述灰度图像进行边缘检测，具体包括：
步骤2021、图像的平滑滤波，采用一维高斯函数对所述灰度图像按行和列进行平滑滤波去噪，其中一维高斯滤波函数采用如下公式计算：
其中一维高斯函数中σ为标准差，σ的大小影响定位精度和信噪比；σ的大小对边缘检测很重要，当σ较大时可以很好的平滑噪声，但边缘定位精度较低。
步骤2022、计算梯度幅值和方向，通过求偏导来获得梯度幅值和方向，利用2*2领域内一阶偏导的有限差分，平滑滤波后所述灰度图像(x,y)的一阶偏导采用如下公式计算：
其中，f(x，y)、f(x，y+1)、)f(x+1，y)、f(x+1，y+1)为图像各点像素的灰度值；
所述梯度幅值采用如下公式计算：
所述方向采用如下公式计算：
步骤2023、对梯度幅值进行非极大值抑制；
步骤2024、阈值化和边缘连接。经过非极大值抑制后的图像中仍存在许多噪声点，Canny算法使用双阈值对非极大值抑制过的图像进行分割；如果点(x,y)的梯度幅值小于阈值下界则该点不是边缘点；如果点(x,y)的梯度幅值大于阈值下界则该点是边缘点；如果该点的梯度幅值介于两者之间，则寻找该点附近是否存在另一点大于阈值上界，如果有，则该点是边缘点，否则不是边缘点。
9.根据权利要求6所述的无人机的控制方法，其特征在于，连接完成后控制站节点对无人机进行身份认证，具体包括：
步骤301，无人机向控制站节点发送身份认证请求，所述身份认证请求中包括无人机标识ID、加密后的无人机设备信息；
步骤302，所述控制站节点获取所述身份认证请求中的无人机标识ID，并向控制中心发送查询请求，所述查询请求中包括经过公钥加密的无人机标识ID；
步骤303，所述控制中心接收所述查询请求，使用公钥解密并获取其中携带的无人机标识ID，所述控制中心在远程数据库中查询所述无人机标识ID，获取与所述无人机标识ID关联存储的解密策略以及无人机设备信息，并使用公钥加密所获取的解密策略以及无人机设备信息，将加密后的解密策略以及无人机设备信息发送给所述控制站节点；
步骤304，所述控制站节点接收所述加密后的解密策略以及无人机设备信息，使用公钥进行解密以获取解密策略以及无人机设备信息，对该无人机设备信息进行暂存，所述控制站节点使用获取的所述解密策略对所述身份认证请求中的所述加密后的无人机设备信息进行解密，以获得解密后的无人机设备信息，将所述解密后的无人机设备信息与暂存的无人机设备信息进行比较，如果比较结果为一致，则身份认证成功；如果比较结果为不一致，则身份认证失败。
10.根据权利要求6所述的无人机的控制方法，其特征在于，所述无人机锂电池由多个单体锂电池组成的电池组构成，通过无线充电模块给无人机锂电池进行充电，具体包括：
步骤901、无人机锂电池接入充电系统时，先进行充电预处理，以10mA级的电流对电池进行温和的涓流充电；
步骤902、当所有单体电池电压都上升到2.5V时，进入恒流区，以最高5A的恒定电流对电池组快速充电，恒流充电阶段，任意单体电池电压达到4.2V，则此单体电池进入平衡充电状态，直到所有单体电池均达到4.2V，所有平衡电路断开，整个无人机锂电池进入脉冲充电阶段；
步骤903、在脉冲充电区，电源间歇性地对无人机锂电池以恒定电流充电，随着电量越来越满，充电时间逐渐缩短，停充时间逐渐增加，充电脉冲占空比越来越小，当占空比低于预设的阈值时，终止充电。
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