CN111301701B - 一种无人机充电系统、充电站及其充电定位方法 - Google Patents

一种无人机充电系统、充电站及其充电定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无人机充电系统和充电站，创造性地采用圆弧面落地的方式，相对于平面落地方式具有自动纠偏的功能，确保了落地充电的成功率；此外本发明该公开了一种无人机充电站的充电定位方法创造性地采用了三种互补的定位方式，有效解决了常规方式存在的定位精度问题，确保了无人机的定位精准率；具有结构简单、使用方便、定位精准、可靠性高、自动化程度高、灵活组合以及易于大规模布置使用等诸多优点。

Description

一种无人机充电系统、充电站及其充电定位方法
技术领域
本发明涉及一种无人机充电装置和方法，特别涉及一种无人机充电系统、充电站及其充电定位方法。
背景技术
近年来，无人机的应用无处不在，特别是旋翼无人机，已广泛应用在快递业、农业、消防、航拍、救援、电网、监控监测等诸多领域，极大的方便生产生活中许多事情，然后无人机电池续航能力一直是一个重要的制约因素，目前行业领先的大疆无人机最大续航时间也就是38分钟，其他大容量电池无人机一般也不会超过50分钟，严重影响到了无人机的使用效率。因此多数无人机在执行任务过程中需要返回充电，充满电后再次执行任务。
然而当前无人机充电方式要么是最简单人工插电要么是具有复杂机械结构的充电装置或平台，存在占有空间大、结构复杂度高、制造成本高、定位精度低、实用性低、可靠性低以及自动化程度低等诸多缺陷，从而造成。
因此当前急需一种结构简单、使用成本低、定位精度高且可靠性高的无人机充电技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人机充电系统，该无人机充电系统包括：充电装置和无人机。
所述充电装置包括凹形弧面体、位于所述凹形弧面体内侧且沿弧面平行方向上水平对称布置的两条凹槽以及位于所述凹形弧面体下方的支撑体。
还包括设置在所述凹形弧面体内侧中心处沿弧面平行的“H”形状的落地标识；所述凹槽的中心处还设置有充电座。
所述无人机包括支腿、与所述支腿连接的落地架、位于所述落地架两端的滚轮、机身、位于机身四周的飞行控制与动力单元、位于所述机身上部的GPS模块、位于所述机身正下方的红外相机以及电池单元。
还包括缠绕在所述落地架中部的接触线圈，所述接触线圈通过导线与所述电池单元相连接。
所述凹槽间的水平距离与所述落地架间的水平距离相等且所述凹槽的开口大于所述落地架的直径。
优选地，所述充电座包括壳体、穿过所述凹槽的充电接触体以及两端分别与所述壳体底部和所述充电接触体相连接的弹簧。
优选地，所述壳体底部与所述弹簧之间还设置有压力传感器。
优选地，所述落地标识由红外反光材料制成。
优选地，所述凹形弧面体和所述凹槽的表面为绝缘光滑的陶瓷材料制成。
优选地，所述充电接触体表面为圆弧形且与所述接触线圈紧密匹配结合。
优选地，所述凹形弧面体的坡度值范围在0.1至0.3之间。
本发明还公开了一种包含上述无人机充电系统的无人机充电站，其特征在于：多个所述充电装置沿弧面平行方向拼接组合成无人机充电装置排，多个所述无人机充电装置排并列组合成无人机充电站。
优选地，还包括位于所述无人机下方的UWB定位标签、位于所述无人机充电站上方均匀间隔布置的至少4个UWB定位基站以及位于远端的定位服务器。
另外本发明还公开了一种上述无人机充电站的充电定位方法，该方法包括以下步骤：
a)所述无人机电量不足时则会在所述GPS模块的导航下开始飞向最近的所述无人机充电站；
b)所述无人机快要接近所述无人机充电站时则开启所述UWB定位标签发送UWB脉冲，同时所述UWB定位基站开始捕获并接收到UWB脉冲；
c)当所述UWB定位基站接收到UWB脉冲时，则停止所述GPS模块的导航功能并改由UWB定位导航，同时再将多个所述UWB定位基站所捕获的数据实时发送至远端的定位服务器；
d)进一步定位服务器对获取的数据进行校准，确定所述UWB定位标签达到不同所述UWB定位基站之间的时间差，并利用TDOA算法计算出所述UWB定位标签或无人机的位置，并将位置数据实时回传至所述飞行控制与动力单元；
e)所述飞行控制与动力单元根据回传的位置数据将所述无人机导航至指定空闲的充电位置正上方附近，然后停止UWB定位导航并改由红外识别导航；
f)开启所述红外相机并向下拍摄位于所述无人机充电站上的所述落地标识，且始终保持落地标识位于拍摄图像的中心附近，从而确保所述无人机停止在所述落地标识附近；
g)最后所述无人机由于自身的重力并依托所述滚轮在所述凹形弧面体上滚动作用，进一步实现所述落地架落入所述凹槽中，从而触发所述压力传感器，然后所述充电座接通电源并通过所述接触线圈和所述导线向所述电池单元充电。
所以本发明具有结构简单、使用方便、定位精准、可靠性高、自动化程度高、灵活组合以及易于大规模布置使用等诸多优点。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出本发明无人机充电系统的整体结构示意图；
图2示意性示出本发明中充电装置的立体结构示意图；
图3示意性示出本发明中落地架、滚轮及充电座的结构示意图；
图4示意性示出本发明中支腿、落地架及滚轮的立体结构示意图；
图5示意性示出本发明无人机充电站的立体示意图；
图6示意性示出本发明无人机充电站的充电流程示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
图1示意性示出了本发明一种无人机充电系统，该无人机充电系统主要由两部分组成，即充电装置1和与充电装置1功能相匹配的无人机8，本发明的无人机充电系统具有设计巧妙、结构简单、充电定位精准、适用范围广等诸多优点。
无人机8，包括支腿81、与支腿81连接的落地架82、位于落地架82两端的滚轮83、机身84、位于机身84四周的飞行控制与动力单元85、位于机身84上部的GPS模块86、位于机身84正下方的红外相机87以及电池单元88。
如图4所示，落地架82一共两根且水平平行布置，其端部与滚轮83连接，从而实现无人机8的滚动功能；同时在落地架82的中部还缠绕有接触线圈891，接触线圈891通过导线892与电池单元88相连接，进一步通过接触线圈891与充电装置1接触连接来实现向电池单元88充电。
飞行控制与动力单元85用于无人机8根据传感器的数据来调整控制飞行姿态以及动力输出；GPS模块86则实现无人机8的GPS定位功能；红外相机87则起到红外识别导航的功能，使用时会向周围发射红外光线并捕获红外反射光，其摄像头对外界光线强度要求较低，且可应用于光线暗或者夜间导航，主要用于白天或黑夜拍摄图像并识别出特定符号标识或障碍物的功能。
充电装置1，包括凹形弧面体11、位于凹形弧面体11内侧且沿弧面平行方向上水平对称布置的两条凹槽12以及位于凹形弧面体11下方的支撑体13。如图1和图2所示，无人机8可依靠自身重力在凹形弧面体11上通过滚轮83自由滑动并最终停留在凹形弧面体11中心处，此外两根凹槽12间的水平距离与两根落地架82间的水平距离相等且凹槽12的开口要大于落地架82的直径，从而保证两根落地架82能够很容易地同时滑入凹槽12中。
上述凹形弧面体11的坡度值范围在0.1至0.3之间(对应坡角度θ约为5°至18°之间，如图1所示)。凹槽12位于凹形弧面体11的内表面下方且与凹形弧面体11之间平滑过渡，凹形弧面体11和凹槽12的表面均优选采用绝缘光滑的陶瓷材料制成。更加优选地，凹形弧面体11表面为光滑的柔性太阳能电池板，从而实现利用太阳能发电的目的。
在凹形弧面体11内侧中心处还设置有沿弧面平行的“H”形状的落地标识14，该落地标识14优选采用红外反光材料制成，该红外反光材料具有对红外光高反射的属性，例如含金属粉的热熔涂料，从而更容易被红外相机87拍摄到含有落地标识14的清晰图像。
如图3所示，在凹槽12的中心处还设置有充电座15，该充电座15包括壳体151、穿过凹槽12的充电接触体153以及两端分别与壳体151底部和充电接触体153相连接的弹簧152。充电接触体153表面为圆弧形且与接触线圈891相互紧密匹配结合，连通后即可实现充电功能。
在壳体151底部与弹簧152之间优选设置有压力传感器154，当压力传感器154捕获到落地架82滑入至凹槽12中产生的压力时(即落地架82滑入凹槽12时)，则自动接通外部电源(例如市政供电)并经充电接触体153、接触线圈891以及导线892向无人机8中的电池单元88进行充电；当压力传感器154没有捕获到压力(即无人机离开凹槽12时)或无人机8充电结束时，则自动断开外部电源停止充电。
如图5所示，充电装置1同时只能对一架无人机8进行充电，如需同时对多架无人机8进行充电可将充电装置1进行拼接组合操作。
此外本发明还公开一种含有上述无人机充电系统的无人机充电站3的技术方案，如图5所示，该无人机充电站3可实现同时对多架无人机8进行充电功能。具体地，多个上述充电装置1沿弧面平行方向拼接组合成无人机充电装置排2，再由多个无人机充电装置排2并列组合成了无人机充电站3；还包括位于上述无人机8下方的UWB定位标签31、位于无人机充电站3上方均匀间隔布置的至少4个UWB定位基站32以及位于远端的定位服务器33。
UWB定位标签31、UWB定位基站32以及定位服务器33共同构成了用于短距离定位的UWB定位系统，UWB(Ultra Wide band)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，同时具备高动态、高容量、低功耗的优点。
GPS定位、UWB定位和红外识别定位三者之间的定位功能互相弥补、定位精度依次加强。其中GPS民用定位可实现10m左右的大范围的定位，用于导航无人机8远距离飞行至无人机充电站3附近；UWB定位精度在10-30cm，进一步将无人机8导航至目标充电装置1(即系统自动分配的当前空闲的充电装置)的上方；红外相机87的红外识别定位则可实现10cm以内的近距离降落定位功能，最终将无人机8降落在目标充电装置1上落地标识14的附近。
同时本申请还公开了一种无人机充电站3的充电定位方法，如图6所示，该方法包括以下步骤：
a)无人机8电量不足时则会在GPS模块86的导航下开始飞向最近的无人机充电站3；
b)无人机8快要接近无人机充电站3时则开启UWB定位标签31发送UWB脉冲，同时UWB定位基站32开始捕获并接收到UWB脉冲；
c)当UWB定位基站32接收到UWB脉冲时，则停止GPS模块86的导航功能并改由UWB定位导航，同时再将多个UWB定位基站32所捕获的数据实时发送至远端的定位服务器33；
d)进一步定位服务器33对获取的数据进行校准，确定UWB定位标签31达到不同UWB定位基站32之间的时间差，并利用TDOA算法计算出UWB定位标签31或无人机8的位置，并将位置数据实时回传至飞行控制与动力单元85；
e)飞行控制与动力单元85根据回传的位置数据调整姿态和方向并将无人机8导航至指定空闲的充电位置正上方附近，然后停止UWB定位导航并改由红外识别导航；
f)开启红外相机87并向下拍摄位于无人机充电站3上的落地标识14，且始终保持落地标识14位于拍摄图像的中心附近，从而确保无人机8停止在落地标识14附近；
g)最后无人机8由于自身的重力并依托滚轮83在凹形弧面体11上滚动作用，进一步实现落地架82落入凹槽12之中，从而触发压力传感器154，然后充电座15接通外部电源并通过接触线圈891和导线892向电池单元88充电。
通过上述充电定位方法可实现无人机8精准降落在目标充电装置1上，且无需人员值守，可广泛应用于快递业、农业、航拍以及监控等行业领域，具备较强的实用性和大规模使用的优势。
综上所述，本发明一种无人机充电系统和充电站创造性地采用了圆弧面落地的方式，相对于平面落地方式具有自动纠偏的功能，所谓自动纠偏是指落地架82落地产生少许偏差时可利用滚轮在圆弧面上的滚动来自动纠正偏差，从而确保了落地充电万无一失。另外本发明一种无人机充电站3的充电定位方法创造性地采用了三种互补的定位方式，有效解决了常规方式存在的定位精度问题，确保了无人机8的定位精准率；所以本发明具有结构简单、使用方便、定位精准、可靠性高、自动化程度高、灵活组合以及易于大规模布置使用等诸多优点。
所述附图仅为示意性的并且未按比例画出。虽然已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解本发明的保护范围并不局限于这里所描述的实施例。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种无人机充电系统，该无人机充电系统包括：充电装置和无人机；其中，
所述充电装置包括凹形弧面体、位于所述凹形弧面体内侧且沿弧面平行方向上水平对称布置的两条凹槽以及位于所述凹形弧面体下方的支撑体；
还包括设置在所述凹形弧面体内侧中心处沿弧面平行的“H”形状的落地标识；所述凹槽的中心处还设置有充电座；
所述无人机包括支腿、与所述支腿连接的落地架、位于所述落地架两端的滚轮、机身、位于机身四周的飞行控制与动力单元、位于所述机身上部的GPS模块、位于所述机身正下方的红外相机以及电池单元；
所述无人机还包括缠绕在所述落地架中部的接触线圈，所述接触线圈通过导线与所述电池单元相连接；
所述凹槽间的水平距离与所述落地架间的水平距离相等且所述凹槽的开口大于所述落地架的直径；
所述充电座包括壳体、穿过所述凹槽的充电接触体以及两端分别与所述壳体底部和所述充电接触体相连接的弹簧；
所述壳体底部与所述弹簧之间还设置有压力传感器；
所述凹形弧面体和所述凹槽的表面为绝缘光滑的陶瓷材料制成；
所述充电接触体表面为圆弧形且与所述接触线圈紧密匹配结合。
2.根据权利要求1所述的无人机充电系统，其特征在于：所述落地标识由红外反光材料制成。
3.根据权利要求1所述的无人机充电系统，其特征在于：所述凹形弧面体的坡度值范围在0.1至0.3之间。
4.一种包含权利要求1至3中任一项所述无人机充电系统的无人机充电站，其特征在于：多个所述充电装置沿弧面平行方向拼接组合成无人机充电装置排，多个所述无人机充电装置排并列组合成无人机充电站。
5.根据权利要求4所述的无人机充电站，其特征在于：还包括位于所述无人机下方的UWB定位标签、位于所述无人机充电站上方均匀间隔布置的至少4个UWB定位基站以及位于远端的定位服务器。
6.一种基于权利要求5所述的无人机充电站的充电定位方法，该方法包括以下步骤：
a）所述无人机电量不足时则会在所述GPS模块的导航下开始飞向最近的所述无人机充电站；
b）所述无人机快要接近所述无人机充电站时则开启所述UWB定位标签发送UWB脉冲，同时所述UWB定位基站开始捕获并接收到UWB脉冲；
c）当所述UWB定位基站接收到UWB脉冲时，则停止所述GPS模块的导航功能并改由UWB定位导航，同时再将多个所述UWB定位基站所捕获的数据实时发送至远端的定位服务器；
d）进一步定位服务器对获取的数据进行校准，确定所述UWB定位标签达到不同所述UWB定位基站之间的时间差，并利用TDOA算法计算出所述UWB定位标签或无人机的位置，并将位置数据实时回传至所述飞行控制与动力单元；
e）所述飞行控制与动力单元根据回传的位置数据将所述无人机导航至指定空闲的充电位置正上方附近，然后停止UWB定位导航并改由红外识别导航；
f）开启所述红外相机并向下拍摄位于所述无人机充电站上的所述落地标识，且始终保持落地标识位于拍摄图像的中心附近，从而确保所述无人机停止在所述落地标识附近；
g）最后所述无人机由于自身的重力并依托所述滚轮在所述凹形弧面体上滚动作用，进一步实现所述落地架落入所述凹槽中，从而触发所述压力传感器，然后所述充电座接通电源并通过所述接触线圈和所述导线向所述电池单元充电。
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