CN111181640B - 一种无人机续航装置及续航方法 - Google Patents

一种无人机续航装置及续航方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人机续航装置，包括机载设备和基站激光发射设备，机载设备内部电路板上安装有信号处理单元，通过信号处理单元实现机载设备与基站激光发射设备无线激光通信，进而实现无人机续航功能。本发明还公开了该无人机续航方法，无人机激光通信与无线能量传输系统相结合，减少了无人机激光通信与无线能量传输系统单独结合在一起的载重，提高了无人机的续航时间，使无人机激光通信的有效通信时长增加。

Description

一种无人机续航装置及续航方法
技术领域
本发明属于无线激光通信技术领域，具体涉及一种无人机续航装置，本发明还涉及该无人机的续航方法。
背景技术
无线激光通信是一种利用激光传输信息的通信方式，激光是一种新型的光源，具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特征。这种通信方式有诸多优点，例如通信容量大、保密性强、抗干扰能力强等。激光通信是未来高速大容量信息传输的重要模式之一，已成为各国通信领域高度认可的通信解决方案之一，同时在各个领域也获得了较为广泛的应用。在拥有上述优点的同时，也有难以回避的缺点，激光通信的通信距离限于视距，易受气候的影响，在恶劣气候条件下甚至会造成通信中断；激光通信的激光束具有极高的方向性，这就给发射和接收之间的瞄准带来了不少困难。
为了在两个通信终端之间存在遮挡物的情况下，激光能够越过遮挡物通信的同时增加传输通信距离，一般选用无人机作为通信中继的平台，将捕获、对准和跟踪(Acquisition Pointing and Tracking,APT)系统搭载于无人机上完成发射端和接收端的光束对准，可以实现非视距的中继通信。无人机即无人驾驶的飞行器，是利用无线电测控设备和预设的程序控制装置操纵的不载人航天飞行器，同时可由计算机操作控制。无人机具有机体重量轻、体积小、灵活性高、载荷比高、隐蔽性好和成本低等特点，在军事和民用中已经扮演着重要的角色。无人机未来的重点发展方向是电动力无人机，其在实时飞行时，影响航程和续航时间的因素较多，如无人机几何形状、无人机自重、有效载荷、飞行速度、航区气象条件(气温、风速、风向、场压等)、无人机控制规律、无人机导航方式(自助导航、人工导航等)等，都对无人机的航程和续航时间由较大的影响，也就是说，无人机的航程和续航时间不是定量。因此，在无人机实际飞行时，在达到激光通信条件的同时延长无人机的续航时间是一个关键性问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种无人机续航装置，解决现有无人机续航时间短、无法长时间作为通信中继的问题。
本发明的另一目的是提供该无人机的续航方法。
本发明的技术方案是：一种无人机续航装置，包括机载设备和基站激光发射设备，机载设备内部电路板上安装有信号处理单元，通过信号处理单元实现机载设备与基站激光发射设备无线激光通信，进而实现无人机续航功能。
本发明的特点在于：
机载设备包括固接在无人机表面的太阳能电池板和光学接收装置，太阳能电池板中心处固接有单摆镜，光学接收装置带有光学透镜，光学透镜的焦点处固接有四象限探测器，基站激光发射设备通过信号处理单元发送激光信号给四象限探测器，使得单摆镜与光学透镜对准，为无人机续航。
太阳能电池板背面固接有电能管理系统和蓄电池，蓄电池为电能管理系统供电，电能管理系统为无人机续航。
基站激光发射设备包括二维旋转台，二维旋转台通过信号处理单元扫描无人机运行区域，使得单摆镜与光学透镜对准。
信号处理单元型号为STM32F103ZET6。
本发明的另一个技术方案是，一种无人机续航方法，采用上述续航装置，包括如下步骤：
步骤1：初始定位阶段
根据基站激光发射设备和无人机端激光接收端的GPS定位信息获得通信双端的位置信息，通过空间坐标变换与位置推算得到控制量，根据系统误差标定与视场范围调整，使得地面端的CCD相机视场捕获到无人机，当视场稳定后，打开发射激光器，切换到接收端捕获对准跟踪模式；
步骤2：二维转台初始位置确定
调整二维旋转台使二维旋转台的方位移动至设定的初始位置，俯仰运动的转动角度范围是360°；
步骤3：捕获阶段
信号处理单元驱动二维旋转台的方位和俯仰同时运动，开始扫描不确定区域，当四象限探测器某一象限上捕获到光斑时，停止扫描，捕获完成；
步骤4：激光通信的自动对准
在捕获完成后，通过信息处理单元读取连接在四象限探测器后的放大电路的输出信息判断光斑具体位于四象限探测的第几象限，然后驱动二维旋转台减小其运动速度并进行俯仰和方位运动，使得光斑先俯仰运动后方位运动或者先方位运动后俯仰运动，使光斑移动至四象限探测器的中心，当四象限探测器的四个象限的信号均小于设置的阈值信号，则认为实现激光通信的对准完成；
步骤5：激光通信的实时跟踪
激光通信对准完成后，信号处理单元的AD采集模块实时监测四象限探测器各个象限面上的电压值，激光在大气中传输时，无人机在空悬停会由于各种因素使通信平台震动，对准的光斑可能会偏离四象限探测器的中心，并重新出现在四象限探测器的某一象限上，此时信号处理单元控制二维旋转台重新执行激光对准的过程，直至光斑重新回到对准位置；
步骤6：无线能量传输开启
在激光通信对准完成之前，与信号处理单元相连接的电能管理电路处于关闭的状态，实现激光通信对准后，信号处理单元通过内部设定的程序自动触发信号，控制电能管理电路打开，此时激光可以通过太阳能电池板将光能转换为电能，然后通过电能管理电路为无人机蓄电池及其他设备提供电能。
本发明的有益效果是：
本发明采用的太阳能电池板，用来接收激光能量并可以反射激光发射端发射的激光光束。通过这种太阳能电池板，可以将无人机激光通信与无线能量传输系统相结合，减少了无人机激光通信与无线能量传输系统单独结合在一起的载重，提高了无人机的续航时间，使无人机激光通信的有效通信时长增加；同时，本发明使用了一种更加简单的新方法，来建立四象限探测器探测的光斑位置与二维旋转台之间的关系。通过四象限探测器探测到的电流信号值，经过两级前置放大电路放大并转换成电压信号，最终通过四路完全相同、两级放大的自增益控制电路输出。因此可以根据这四路的电压值实时的确定光斑在四象限探测器的准确位置，从而控制二维旋转台的运动方向和运动距离，减小了计算时间和延迟误差，提高了无人机激光通信的捕获对准跟踪效率。
附图说明
图1是一种无人机续航装置的结构示意图；
图2是图1中太阳能电池板的结构示意图；
图3是图1中二维旋转台的方位方向初始位置以及设定的方位旋转角度范围示意图；
图4是捕获过程中光斑的扫描方式示意图；
图5是本发明中四象限探测器以及每个象限所处位置的示意图。
图中，1.机载设备，1-1.太阳能电池板，1-2.光学接收装置，1-3.四象限探测器，2.基站激光发射设备。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
一种无人机续航装置，如图1所示，包括机载设备1和基站激光发射设备2，机载设备1内部电路板上安装有信号处理单元，通过信号处理单元实现机载设备1与基站激光发射设备2无线激光通信，进而实现无人机续航功能。
其中，机载设备1包括固接在无人机表面的太阳能电池板1-1和光学接收装置1-2，太阳能电池板1-1中心处固接有单摆镜，光学接收装置1-2带有光学透镜，光学透镜的焦点处固接有四象限探测器1-3，利用光学透镜汇聚由二维旋转台反射的光束，起到调节光斑半径大小的作用。四象限探测器固定放置在光学透镜的焦点位置，其中心与光学透镜的中心同轴，象限探测器的四个象限在完成光电转换后输出的电流信号比较微弱，因此经过两级前置放大电路放大并转换成电压信号，最终通过四路完全相同、两级放大的自增益控制电路输出。
基站激光发射设备2通过信号处理单元发送激光信号给四象限探测器1-3，使得单摆镜与光学透镜对准，为无人机续航；太阳能电池板1-1背面固接有电能管理系统和蓄电池，蓄电池为电能管理系统供电，电能管理系统为无人机续航；基站激光发射设备2包括二维旋转台，二维旋转台通过信号处理单元扫描无人机运行区域，使得单摆镜与光学透镜对准；本发明中的信号处理单元使用微控制器STM32F103ZET6的AD采集模块，来采集由四象限探测器输出的电压信号，并根据该电压信号判断光斑的位置，反馈控制二维旋转台的运动，从而改变光斑的位置，直至光斑达到四象限探测器的中心，完成无人机激光通信的对准。此时认为太阳能电池板的转换效率达到了最大，再次通过信号处理单元控制电能管理电路，开始将太阳能电池板上的光能转化为电能，为蓄电池和其他设备提供所需要的电能，延长无人机的续航时间和无线激光通信时间。最终实现无人机激光通信及无线能量传输两者的结合。
如图2所示，二维旋转台通过两个步进电机控制俯仰和方位的运动，可以实现360°的俯仰旋转以及90°(﹣45°～45°，以单摆镜垂直光学接收装置的方向为0°，逆时针为负，顺时针为正。)的方位运动。其中上方的步进电机控制俯仰运动，下方的步进电机控制方位运动，两个步进电机均连接有电机控制器，用以控制步进电机的运动状态(包括电机转向、电机转速、电机输入电流等)，电机控制器直连在信号处理单元上，通过信号处理单元给出的指令，控制二维旋转台的运动状态；本发明中太阳能电池板是由圆环形状的太阳能电池板内嵌一个圆形的单摆镜组成的，本发明采用的是InGaAs太阳能电池板，其在激光的照射下的最大输出功率是普通太阳能电池板最大输出功率的10倍，目的是将激光发射端发射的激光进行光—电转化，为蓄电池和设备提供所需要的电能。单摆镜的作用是将激光发射端发射的激光发射至光学接收装置中。
一种无人机续航方法，采用上述的续航装置，具体步骤如下：
步骤1：初始定位阶段
首先根据发射端和无人机接收端的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)获取通信双端的位置信息，根据空间坐标变换与位置推算得到控制量，通过控制处理单元进行系统误差标定与视场范围调整，使得无人机出现在发射端的CCD相机的视场范围内，当视场稳定后，开启发射激光器，切换到接收端捕获对准跟踪模式。
步骤2：二维转台初始位置的确定
为了提高扫描的高效性，对二维转台方位扫描的初始位置进行初始化设定：二维转台方位初始位置及转动的角度范围如图3所示，以单摆镜垂直光学接收装置的方向，即透镜中心线为0°，逆时针为负，顺时针为正，将﹣45°位置设定为方位初始位置，俯仰运动的转动角度范围是360°，因此无需对俯仰方向的初始位置有固定的要求。
步骤3：捕获阶段
信号处理单元驱动二维旋转台的方位和俯仰同时运动，开始扫描不确定区域。微控制器STM32F103ZET6的AD芯片的采集时间采集时间为μs量级，所以AD的采集处理速度远大于二维旋转台的运动速度，不会出现各种误差产生的延迟现象。为了确保不存在扫描空隙，根据实际情况设置俯仰速度与方位速度的比值，本实例中设置俯仰速度与方位速度的比值为20:1。本实例所采用的扫描模式如图4所示，由于实例中二维旋转台的俯仰和方位误差方差较大，故采用光栅扫描模式。微控制器一直采集四象限探测器四个象限所探测到的电压值，本实例中设定的捕获阈值电压为1.0V，即当微控制器采集到四象限探测器某一象限的电压值大于1.0V时，则认为四象限探测器的这一象限捕获到光斑，停止扫描，捕获完成。
步骤4：激光通信的自动对准
在捕获完成后，通过信息处理单元读取四象限探测器的四路输出电压值判断光斑具体位于四象限探测的第几象限。为了提高对准精度，减小二维旋转台俯仰和方位的运动速度，然后控制二维旋转台俯仰和方位运动，使光斑移动至四象限探测器的中心。当四象限探测器的四个象限的信号均小于设置的阈值电压信号，本实例中设置当四象限探测器的每个象限的探测电压值均小于0.25V时，则认为实现了激光通信的对准完成。四象限探测器分为四个象限，所以有四种情况，本实例中四象限探测器的各个象限位置如图5所示，下面对四种情况进行详细的说明：
(1)当光斑位于第一象限时，二维旋转台俯仰运动，使光斑垂直向上移动，当光斑移动至第一象限和第四象限的分界线时，即当第四象限的输出电压大于阈值时(本实例中设置阈值为0.5V)，二维旋转台俯仰方向停止运动，方位方向开始运动，使光斑水平向左移动。在向左移动的过程中，当四个象限的输出电压均小于特定值时(本实例中特定值设为0.25V)，认为光斑达到四象限探测器的中心通孔，此时二维旋转台停止运动，认为激光对准完成；
(2)当光斑位于第二象限时，二维旋转台俯仰运动，使光斑垂直向上移动，当光斑移动至第二象限和第三象限的分界线时，即当第三象限的输出电压大于阈值时(本实例中设置阈值为0.5V)，二维旋转台俯仰方向停止运动，方位方向开始运动，使光斑水平向右移动。在向右移动的过程中，当四个象限的输出电压均小于特定值时(本实例中特定值设为0.25V)，认为光斑达到四象限探测器的中心通孔，此时二维旋转台停止运动，认为激光对准完成；
(3)当光斑位于第三象限时，二维旋转台俯仰运动，使光斑垂直向下移动，当光斑移动至第三象限和第二象限的分界线时，即当第二象限的输出电压大于阈值时(本实例中设置阈值为0.5V)，二维旋转台俯仰方向停止运动，方位方向开始运动，使光斑水平向右移动。在向右移动的过程中，当四个象限的输出电压均小于特定值时(本实例中特定值设为0.25V)，认为光斑达到四象限探测器的中心通孔，此时二维旋转台停止运动，认为激光对准完成；
(4)当光斑位于第四象限时，二维旋转台俯仰运动，使光斑垂直向下移动，当光斑移动至第四象限和第一象限的分界线时，即当第一象限的输出电压大于阈值时(本实例中设置阈值为0.5V)，二维旋转台俯仰方向停止运动，方位方向开始运动，使光斑水平向左移动。在向左移动的过程中，当四个象限的输出电压均小于特定值时(本实例中特定值设为0.25V)，认为光斑达到四象限探测器的中心通孔，此时二维旋转台停止运动，认为激光对准完成。
步骤5：激光通信对准完成后，信号处理单元的AD采集模块实时监测四象限探测器各个象限面上的电压值，激光在大气中传输时，无人机在空悬停会由于各种因素使通信平台震动，对准的光斑可能会偏离四象限探测器的中心，并重新出现在四象限探测器的某一象限上，此时信号处理单元控制二维旋转台重新执行激光对准的过程，直至光斑重新回到对准位置。
步骤6：无线能量传输开启
在激光通信对准完成之前，与信号处理单元相连接的电能管理电路处于关闭的状态，实现激光通信对准后，信号处理单元通过内部设定的程序自动触发信号，控制电能管理电路打开，此时激光可以通过太阳能电池板将光能转换为电能，然后通过电能管理电路为无人机蓄电池及其他设备提供电能。
光电转换效率是衡量激光无线能量传输优劣的最红标准。影响能量转换效率η的因素由很多方向且相互制约，主要由激光器的电光能量转换效率ηE-L、激光天线的激光能量透过效率ηTrans、大气中激光能量传输效率ηAtmo、太阳能电池板的光电转换效率ηL-E、电能管理电路的能量效率ηE-E和跟踪瞄准精度的影响效率ηAPT。其关系可由(1)式表示：
η＝ηE-L×ηTrans×ηAtmo×ηL-E×ηE-E (1)
式中虽然没有出现跟踪瞄准的影响效率，但跟踪瞄准精度却是最重要的。若太阳能电池板上没有激光照射，即ηAPT＝0则η＝0；若光斑中心与太阳能电池板的中心出现偏移。太阳能电池板的转换效率ηL-E会急剧下降；若激光倾斜入射太阳能电池板也会降低ηL-E，也就是说最佳状态是激光光斑正入射且光斑中心与太阳能电池板中心重合。由于传输距离的原因，激光发射端发射的激光照射到太阳能电池板上的光斑直径会大于太阳能电池板的直径，即发射的激光可以完全照射在太阳能电池板上。在完成激光的自动对准后，此时可以认为激光光斑的中心与太阳能电池板的中心重合，此时太阳能电池板的转换效率可以达到需求，则可以为蓄电池和设备提供所需要的电能，延长无人机的续航时间和无线激光通信时间。

Claims (5)

1.一种无人机续航装置，其特征在于，包括机载设备(1)和基站激光发射设备(2)，所述机载设备(1)内部电路板上安装有信号处理单元，通过信号处理单元实现机载设备(1)与基站激光发射设备(2)无线激光通信，进而实现无人机续航功能；
所述机载设备(1)包括固接在无人机表面的太阳能电池板(1-1)和光学接收装置(1-2)，所述太阳能电池板(1-1)中心处固接有单摆镜，所述光学接收装置(1-2)带有光学透镜，光学透镜的焦点处固接有四象限探测器(1-3)，所述基站激光发射设备(2)通过信号处理单元发送激光信号给四象限探测器(1-3)，使得单摆镜与光学透镜对准，为无人机续航。
2.根据权利要求1所述的一种无人机续航装置，其特征在于，所述太阳能电池板(1-1)背面固接有电能管理系统和蓄电池，所述蓄电池为电能管理系统供电，所述电能管理系统为无人机续航。
3.根据权利要求1所述的一种无人机续航装置，其特征在于，所述机载设备(1)包括二维旋转台，所述二维旋转台通过信号处理单元扫描无人机运行区域，使得单摆镜与光学透镜对准。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种无人机续航装置，其特征在于，所述信号处理单元型号为STM32F103ZET6。
5.一种无人机续航方法，采用权利要求4所述的续航装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：初始定位阶段
根据基站激光发射设备和无人机端激光接收端的GPS定位信息获得通信双端的位置信息，通过空间坐标变换与位置推算得到控制量，根据系统误差标定与视场范围调整，使得地面端的CCD相机视场捕获到无人机，当视场稳定后，打开发射激光器，切换到接收端捕获对准跟踪模式；
步骤2：二维转台初始位置确定
调整二维旋转台使二维旋转台的方位移动至设定的初始位置，俯仰运动的转动角度范围是360°；
步骤3：捕获阶段
信号处理单元驱动二维旋转台的方位和俯仰同时运动，开始扫描不确定区域，当四象限探测器某一象限上捕获到光斑时，停止扫描，捕获完成；
步骤4：激光通信的自动对准
在捕获完成后，通过信息处理单元读取连接在四象限探测器后的放大电路的输出信息判断光斑具体位于四象限探测的第几象限，然后驱动二维旋转台减小其运动速度并进行俯仰和方位运动，使得光斑先俯仰运动后方位运动或者先方位运动后俯仰运动，使光斑移动至四象限探测器的中心，当四象限探测器的四个象限的信号均小于设置的阈值信号，则认为实现激光通信的对准完成；
步骤5：激光通信的实时跟踪
激光通信对准完成后，信号处理单元的AD采集模块实时监测四象限探测器各个象限面上的电压值，激光在大气中传输时，无人机在空悬停会由于各种因素使通信平台震动，对准的光斑可能会偏离四象限探测器的中心，并重新出现在四象限探测器的某一象限上，此时信号处理单元控制二维旋转台重新执行激光对准的过程，直至光斑重新回到对准位置；
步骤6：无线能量传输开启
在激光通信对准完成之前，与信号处理单元相连接的电能管理电路处于关闭的状态，实现激光通信对准后，信号处理单元通过内部设定的程序自动触发信号，控制电能管理电路打开，此时激光通过太阳能电池板将光能转换为电能，然后通过电能管理电路为无人机蓄电池及其他设备提供电能。
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