CN111698641A - 一种无线紫外光协助的5g联网无人机助降及电量补给方法 - Google Patents

一种无线紫外光协助的5g联网无人机助降及电量补给方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111698641A
CN111698641A CN202010459560.9A CN202010459560A CN111698641A CN 111698641 A CN111698641 A CN 111698641A CN 202010459560 A CN202010459560 A CN 202010459560A CN 111698641 A CN111698641 A CN 111698641A
Authority
CN
China
Prior art keywords
unmanned aerial
aerial vehicle
ultraviolet light
apron
wireless
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010459560.9A
Other languages
English (en)
Inventor
赵太飞
张健伟
薛蓉莉
王玮
李振宁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian University of Technology
Original Assignee
Xian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian University of Technology filed Critical Xian University of Technology
Priority to CN202010459560.9A priority Critical patent/CN111698641A/zh
Publication of CN111698641A publication Critical patent/CN111698641A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/02—Services making use of location information
    • H04W4/023—Services making use of location information using mutual or relative location information between multiple location based services [LBS] targets or of distance thresholds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/30—Constructional details of charging stations
    • B60L53/35—Means for automatic or assisted adjustment of the relative position of charging devices and vehicles
    • B60L53/38—Means for automatic or assisted adjustment of the relative position of charging devices and vehicles specially adapted for charging by inductive energy transfer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/60—Monitoring or controlling charging stations
    • B60L53/66—Data transfer between charging stations and vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/24—Aircraft characterised by the type or position of power plants using steam or spring force
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D47/00—Equipment not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64F—GROUND OR AIRCRAFT-CARRIER-DECK INSTALLATIONS SPECIALLY ADAPTED FOR USE IN CONNECTION WITH AIRCRAFT; DESIGNING, MANUFACTURING, ASSEMBLING, CLEANING, MAINTAINING OR REPAIRING AIRCRAFT, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; HANDLING, TRANSPORTING, TESTING OR INSPECTING AIRCRAFT COMPONENTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B64F1/00—Ground or aircraft-carrier-deck installations
    • B64F1/18—Visual or acoustic landing aids
    • B64F1/20—Arrangement of optical beacons
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S11/00—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/02—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves
    • G01S11/06—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves using intensity measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/14—Determining absolute distances from a plurality of spaced points of known location
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/114—Indoor or close-range type systems
    • H04B10/1143—Bidirectional transmission
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/02—Services making use of location information
    • H04W4/025—Services making use of location information using location based information parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/02—Services making use of location information
    • H04W4/029—Location-based management or tracking services
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/30—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes
    • H04W4/40—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes for vehicles, e.g. vehicle-to-pedestrians [V2P]
    • H04W4/44—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes for vehicles, e.g. vehicle-to-pedestrians [V2P] for communication between vehicles and infrastructures, e.g. vehicle-to-cloud [V2C] or vehicle-to-home [V2H]
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/80—Services using short range communication, e.g. near-field communication [NFC], radio-frequency identification [RFID] or low energy communication
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W64/00—Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/12—Electric charging stations
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/16—Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/16—Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles
    • Y02T90/167—Systems integrating technologies related to power network operation and communication or information technologies for supporting the interoperability of electric or hybrid vehicles, i.e. smartgrids as interface for battery charging of electric vehicles [EV] or hybrid vehicles [HEV]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y04—INFORMATION OR COMMUNICATION TECHNOLOGIES HAVING AN IMPACT ON OTHER TECHNOLOGY AREAS
    • Y04S—SYSTEMS INTEGRATING TECHNOLOGIES RELATED TO POWER NETWORK OPERATION, COMMUNICATION OR INFORMATION TECHNOLOGIES FOR IMPROVING THE ELECTRICAL POWER GENERATION, TRANSMISSION, DISTRIBUTION, MANAGEMENT OR USAGE, i.e. SMART GRIDS
    • Y04S30/00—Systems supporting specific end-user applications in the sector of transportation
    • Y04S30/10—Systems supporting the interoperability of electric or hybrid vehicles
    • Y04S30/12—Remote or cooperative charging

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

本发明公开了一种无线紫外光协助的5G联网无人机助降及电量补给方法，本方法将5G通信基站和无人机停机坪结合，通过5G通信技术、紫外光协助无人机助降技术和无线充电技术实现无人机全天候自动巡航作业，节约了人力资源，提升了无人机工作效率，同时可以减轻数据站工作人员的工作压力，将工作重心放在无人机采集到的具体数据分析上。

Description

一种无线紫外光协助的5G联网无人机助降及电量补给方法
技术领域
本发明属于无人机应用技术领域，具体涉及一种无线紫外光协助的5G联网无人机助降及电量补给方法。将无人机停机坪和5G通信基站结合，可以提供给5G联网无人机完成通信、休眠、充电功能，停机坪加入无线紫外光辅助无人机助降，提高助降成功率，充电功能引入无线充电技术加入停机坪设计中，可以完成无人机自主降落和电量补充。
背景技术
随着5G通信的快速发展，它以大容量、低时延、高可靠的数据传输效果，被广泛应用于各行各业的通信。同时，近年来无人机技术的发展也非常迅速，特别是民用无人机发展和普及，使得无人机被广泛应用于地质探测、测绘、灾害监控、巡航监测等多种领域。但是民用无人机由于体积小，携带电池容量无法满足全天候，耗时长，工作内容大的需求。
5G技术可以被应用于物联网解决方案中，通过5G技术可以使得在网络内，系统控制更多数量的无人机，降低数据传输耗费的电量和准确率，提升自主巡航系统的系统效率。未来，随着5G网络的普及，5G基站建设的越来越多，可以对5G基站进行少量的改造，加入一个无人机停机坪，使5G基站拥有更多的作用。
无线紫外光通信技术的原理是利用日盲区的光谱为载波，在信息的发射端对信息进行调制，紫外光信号可以利用大气散射作用进行传播，具有环境适应性强，全方位全天候，灵活机动，可靠性高的有点，相比传统的无人机视觉辅助定位助降方法，利用紫外光进行辅助定位助降，可以解决可见度低的天气情况下，无人机无法获取停机坪信息的缺点。
将无线紫外光技术应用于无人机巡航作业的助降系统中，具有可靠性高，操纵简单，可视角度高等优势，可以实现无人机交替轮岗，完成巡航作业需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紫外光助降5G基站无人机补给停机坪设计方法，通过5G基站的通信和电力资源，帮助无人机完成全天候任务。
本发明所采用的技术方案是，一种无线紫外光协助的5G联网无人机助降及电量补给方法，具体操作步骤如下：
步骤1、当无人机电量达到预警值时，通过机载5G通信模块向服务器发送需要电量补给的请求，同时将当前无人机电量，剩余飞行距离等信息发送给后台服务器；
步骤2、后台服务器接收到无人机的请求后，根据无人机发送的数据与服务器中未被预约的停机坪信息匹配，向无人机分配一个可以到达且未被使用的停机坪，分配完成后，向无人机发送所分配的停机坪位置信息；
步骤3、无人机接收到停机坪位置后，先通过GPS/北斗卫星导航系统，飞向预约停机坪；当飞到指定位置后，开启无线紫外光信号接收装置，开始不断接收并判断停机坪无线紫外光信号；
步骤4、无人机利用接收到的无线紫外光信标发出的信号强度，进行三点定位，通过调整无人机位置，使得无人机位置为停机坪正中央上方，之后再继续根据紫外光信号强度实时调整位置，使无人机降落在停机坪中央；
步骤5、无人机降落成功后，停机坪通过压力传感器判断无人机是否降落成功，降落成功，则通过压力传感器控制无线充电的开关，开启停机坪无线充电模块，给予无人机电量补充，充电结束后，无人机开始下一次飞行任务。若压力传感器接收到的数据反应飞机未重新降落，则通过5G网络向无人机发送重新降落的要求。
本发明的特点还在于，
紫外光信号接收装置均匀安置在圆形停机坪边缘信标上，保证每个信标可以独立发送相同信号强度的紫外光信号，同时无人机上携带相应的紫外光信号接收器，同时接收由停机坪发出的三个紫外光信号，通过这三个信号强度大小来进行停机坪中心点位置的判断，使得无人机能精准的降落在停机坪中央无线充电功率最高的位置。
无人机和停机坪加入5G网络中，通过5G通信使得后台服务器随时接受停机坪信息和无人机信息，如果无人机需要进行电量补给，则通过当前无人机位置、电量等信息与系统中可使用的停机坪信息进行匹配，在线预约停机坪，使无人机可以及时补充电量，实现全天候自主巡航作业。
紫外光信号接收装置选用波长为200nm～280nm，发光功率为0.3mW的紫外LED。
无人机飞到指定位置后，开始接收无线紫外光信号，通过接收到的无线紫外光信号进行距离计算，无线紫外光非直视通信下距离计算公式为：
Figure BDA0002510506470000041
其中，Pr,NLOS表示接收光功率，Pt代表发送光功率，Ar代表接收机孔径面积，Ke表示大气消光系数，PS表示散射相函数，Ф1表示光束发散角，Ф2表示接收视场角。
步骤4三点定位算法为：
Figure BDA0002510506470000042
其中，r1、r2、r3分别是无人机与三个紫外信标的各自距离，x1、x2、x3是三个信标的x轴坐标，y1、y2、y3是三个信标的y轴坐标，x、y是无人机当前的坐标。
无线充电模块由三部分组成，分别为电能转换装置，能量发射线圈和高压线缆组成；电能转换装置可以直接从高压线缆取电，通过整流器将高压线缆的交流电转换成直流电给电池充电，再使用逆变器将直流电转换成电压和频率稳定的交流电，通过能量发射线圈给无人机进行无线充电；无人机端需要搭载接收线圈，通过整流器和DC-DC转换器将电压转换成无人机电池的充电电压，给无人机进行充电。
本发明的有益效果是：
本发明将无人机与5G通信技术还有紫外光通信技术相结合，实现了无人机在线预约停机坪和自主降落无线充电，节约了人力资源和时间成本，提高无人机作业效率，满足无人机全天候作业需求，通过5G网络实时将数据上传至服务器，相关人员也可利用数据进行实时管理和数据分析。使用紫外光进行助降辅助，也解决了因为天气因素影响下，图像识别算法效率低下的问题，使得此套系统有更强的环境适应性。
附图说明
图1是5G联网无人机在线预约停机坪系统的信息交互示意图；
图2是5G联网无人机无线充电停机坪外观设计示意图；
图3是紫外光非直视通信示意图；
其中，r是通信半径θ1是信号发送仰角，θ2是信号接收仰角，φ1是发送光束孔径角，φ2是接收视场角；
图4是5G联网无人机无线充电停机坪硬件组成设计示意图；
图5是5G联网无人机无线充电停机坪的设计简图；
图6是紫外光协作5G联网无人机全天候巡航作业系统框图。
图7是电能处理框架图。
图8是互感模型示意图。
其中Lo是发射线圈，Li是接收线圈，Io和Ii分别为两个线圈中的电流，M是两个线圈的互感现象。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：
本发明一种无线紫外光协助的5G联网无人机助降及电量补给方法，具体方式按照如下步骤实施：
步骤1，根据无人机飞行系统的电池电量预估来确定工作安排：根据剩余电量所能执行的工作时间和确保能够飞到最近的充电补给坪进行电量补给；如图1所示，无人机电量预估系统实时进行电量分析，无人机通过5G网络与无人机数据服务器进行通信，同时停机坪数据服务器接收停机坪的状态信息，最后两个服务器数据共同发送到服务器端，由服务器进行无人机和停机坪的状态匹配，匹配成功后，服务器向无人机发送停机坪的位置。
步骤2无人机获取到停机坪信息后，飞向指定停机坪，此过程由GPS/北斗卫星定位系统引导位置，如图2，当无人机到达指定停机坪紫外光信号范围内，即无人机机载紫外光信号接收装置接收到停机坪紫外光信号后，开始调整为紫外光引导降落。
步骤3，如图3所示，由于紫外光具有非直视通信的特点，紫外光信号并不需要完全对准接收器，紫外光信号在大气传输中的散射特性，使得无人机可以绕过障碍物，在很远的距离内就接收到紫外光信号，同时紫外光在雾霾等可视度低的天气状况下，也可以完成远距离通信，所以本方法设计采用无线紫外光进行距离估算和定位辅助，实现各种环境下的无人机自主降落。
无人机飞到制定位置后，开始接收无线紫外光信号，通过接收到的无线紫外光信号进行距离计算，无线紫外光非直视通信下距离计算公式为：
Figure BDA0002510506470000061
其中，Pr,NLOS表示接收光功率，Pt代表发送光功率，Ar代表接收机孔径面积，Ke表示大气消光系数，PS表示散射相函数，Ф1表示光束发散角，Ф2表示接收视场角。
步骤4，自主降落：无人机接收紫外信标发送的信号，无人机便可以根据接收到三个紫外信标信号强度的大小先判断目前无人机与停机坪三个紫外光信标的距离，通过计算出来的距离完成实时三点定位，确保降落点位于停机坪中央，三点定位算法为：
Figure BDA0002510506470000071
其中r1、r2、r3分别是无人机与三个紫外信标的各自距离，x1、x2、x3是三个信标的x轴坐标，y1、y2、y3是三个信标的y轴坐标，x、y是无人机当前的坐标。通过上面的公式可以计算出无人机的空间坐标，得到无人机的位置，也可以通过机载的导航系统通过坐标反解无人机与三个信标之间的距离，双向匹配，提高无人机降落的准确性。
步骤5，如图3所示，停机坪A,B,C分别为三个紫外光信号发射器，平均分布在停机坪上，三个紫外光信号发射器型号相同，确保同一功率下，紫外光发射强度需相同。
如图4和图5所示为停机坪硬件设计的模块构成，停机坪设计在5G基站上，与基站公用一个电力系统，在硬件设计上，单片机作为MCU控制整个电路模块，图4左边显示的是电路的通信模块，GPS获取停机坪位置信息，需要通过服务器发送给预约成功的无人机，紫外信标用来完成助降定位和测距，5G通信模块负责整个停机坪与服务器之间的通信。右边显示的充电模块，压力感应器与无线充电模块开关串联，设置感应上下限，当感应到无人机降落后，打开无线充电模块开关，当无人机离开后，关闭无线充电模块开关。
步骤6，如图7所示为电能处理框架图，无线充电模块由三部分组成，分别为电能转换装置，能量发射线圈和高压线缆组成。电能转换装置可以直接从高压线缆取电，通过整流器将高压线缆的交流电转换成直流电给电池充电，再使用逆变器将直流电转换成电压和频率稳定的交流电，通过能量发射线圈给无人机进行无线充电。无人机端需要搭载接收线圈，通过整流器和DC-DC转换器将电压转换成无人机电池的充电电压，给无人机进行充电。
充电原理是使用互感现象：通过电流在线圈中的磁效应，当一个线圈中的电流发生改变时，线圈中的磁力线也发生相应改变，引起另一个线圈的磁力线改变，通过电磁感应产生感应电动势。如图8所示为互感模型示意图，发射线圈通入交流电时候，线圈周围产生高频电磁场。当接受线圈感应到发射线圈的电磁场后，产生高频感应电压，这个电压大小由Io决定，大小为jωMIo。而发射线圈的电压由Ii决定，大小为-jωMIo。其中ω为交流电频率。当接收线圈产生感应电压后便可通过DC-DC转换装置，将电压转换为合适无人机电池充电的电压，为无人机进行电量补给。
步骤7，如图1和图6所示，此系统由服务器端，无人机端，停机坪端构成，三端之间数据由5G通信网络负责传输，除了进行预约系统的工作，无人机所负责工作的数据采集和无人机自身数据也会实时上传至服务器，方便相关工作人员进行数据分析。
其中，无人机为多旋翼无人机。
无人机飞行高度在100米左右，充电停机坪设置在5G基站旁，共享电网，高度35-45米左右，满足无人机飞行安全要求。
本发明一种无线紫外光协助的5G联网无人机助降及电量补给方法，将无人机技术和5G通信技术以及无线紫外光通信技术相结合，实现无人机全天候巡航作业，节约了人力资源，提升了无人机工作效率，解决了当前无人机巡航作业的不足之处。通过5G网络进行停机坪预约和数据传输，也极大减轻数据站工作人员的工作压力，可以更加专注于巡航作业的具体数据分析。

Claims (7)

1.一种无线紫外光协助的5G联网无人机助降及电量补给方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
步骤1、当无人机电量达到预警值时，通过机载5G通信模块向服务器发送需要电量补给的请求，同时将当前无人机电量，剩余飞行距离等信息发送给后台服务器；
步骤2、后台服务器接收到无人机的请求后，根据无人机发送的数据与服务器中未被预约的停机坪信息匹配，向无人机分配一个可以到达且未被使用的停机坪，分配完成后，向无人机发送所分配的停机坪位置信息；
步骤3、无人机接收到停机坪位置后，先通过GPS/北斗卫星导航系统，飞向预约停机坪；当飞到指定位置后，开启无线紫外光信号接收装置，开始不断接收并判断停机坪无线紫外光信号；
步骤4、无人机利用接收到的无线紫外光信标发出的信号强度，进行三点定位，通过调整无人机位置，使得无人机位置为停机坪正中央上方，之后再继续根据紫外光信号强度实时调整位置，使无人机降落在停机坪中央；
步骤5、无人机降落成功后，停机坪通过压力传感器判断无人机是否降落成功，降落成功，则通过压力传感器控制无线充电的开关，开启停机坪无线充电模块，给予无人机电量补充，充电结束后，无人机开始下一次飞行任务；若压力传感器接收到的数据反应飞机未重新降落，则通过5G网络向无人机发送重新降落的要求。
2.根据权利要求1所述的一种无线紫外光协助的5G联网无人机助降及电量补给方法，其特征在于，所述紫外光信号接收装置均匀安置在圆形停机坪边缘信标上，保证每个信标可以独立发送相同信号强度的紫外光信号，同时无人机上携带相应的紫外光信号接收器，同时接收由停机坪发出的三个紫外光信号，通过这三个信号强度大小来进行停机坪中心店位置的判断，使得无人机能精准的降落在停机坪中央无线充电功率最高的位置。
3.根据权利要求1所述的一种无线紫外光协助的5G联网无人机助降及电量补给方法，其特征在于，所述无人机和停机坪加入5G网络中，通过5G通信使得后台服务器随时接受停机坪信息和无人机信息，如果无人机需要进行电量补给，则通过当前无人机位置、电量等信息与系统中可使用的停机坪信息进行匹配，在线预约停机坪，使无人机可以及时补充电量，实现全天候自主巡航作业。
4.根据权利要求1所述的一种无线紫外光协助的5G联网无人机助降及电量补给方法，其特征在于，所述紫外光信号接收装置选用波长为200nm～280nm，发光功率为0.3mW的紫外LED。
5.根据权利要求1所述的一种无线紫外光协助的5G联网无人机助降及电量补给方法，其特征在于，无人机飞到指定位置后，开始接收无线紫外光信号，通过接收到的无线紫外光信号进行距离计算，无线紫外光非直视通信下距离计算公式为：
Figure FDA0002510506460000021
其中，Pr,NLOS表示接收光功率，Pt代表发送光功率，Ar代表接收机孔径面积，Ke表示大气消光系数，PS表示散射相函数，Ф1表示光束发散角，Ф2表示接收视场角。
6.根据权利要求1所述的一种无线紫外光协助的5G联网无人机助降及电量补给方法，其特征在于，步骤4所述三点定位算法为：
Figure FDA0002510506460000031
其中，r1、r2、r3分别是无人机与三个紫外信标的各自距离，x1、x2、x3是三个信标的x轴坐标，y1、y2、y3是三个信标的y轴坐标，x、y是无人机当前的坐标。
7.根据权利要求1所述的一种无线紫外光协助的5G联网无人机助降及电量补给方法，其特征在于，无线充电模块由三部分组成，分别为电能转换装置，能量发射线圈和高压线缆组成；所述电能转换装置可以直接从高压线缆取电，通过整流器将高压线缆的交流电转换成直流电给电池充电，再使用逆变器将直流电转换成电压和频率稳定的交流电，通过能量发射线圈给无人机进行无线充电；无人机端需要搭载接收线圈，通过整流器和DC-DC转换器将电压转换成无人机电池的充电电压，给无人机进行充电。
CN202010459560.9A 2020-05-27 2020-05-27 一种无线紫外光协助的5g联网无人机助降及电量补给方法 Pending CN111698641A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010459560.9A CN111698641A (zh) 2020-05-27 2020-05-27 一种无线紫外光协助的5g联网无人机助降及电量补给方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010459560.9A CN111698641A (zh) 2020-05-27 2020-05-27 一种无线紫外光协助的5g联网无人机助降及电量补给方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111698641A true CN111698641A (zh) 2020-09-22

Family

ID=72478389

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010459560.9A Pending CN111698641A (zh) 2020-05-27 2020-05-27 一种无线紫外光协助的5g联网无人机助降及电量补给方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111698641A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112286226A (zh) * 2020-10-29 2021-01-29 西北工业大学 一种无人机管理系统
CN116844381A (zh) * 2023-06-06 2023-10-03 广州思谋信息科技有限公司 一种基于人工智能的无人机停机管理系统及方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105162219A (zh) * 2015-07-22 2015-12-16 刘芳 无人机的充电方法以及充电管理方法
CN106628219A (zh) * 2017-01-24 2017-05-10 中信戴卡股份有限公司 一种旋翼无人机停驻装置及其无人机充电套件
CN107402581A (zh) * 2017-07-27 2017-11-28 西安理工大学 基于无线紫外光的快递无人机降落引导系统及引导方法
CN109066930A (zh) * 2018-08-22 2018-12-21 西安电掣风云智能科技有限公司 多通道无人机非接触式无线宽频充电装置及其充电方法
CN109911237A (zh) * 2019-04-02 2019-06-21 赵嘉睿 基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统及应用
CN110203087A (zh) * 2019-05-17 2019-09-06 西安理工大学 无人机自主起降5g基站充电坪系统及其充电方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105162219A (zh) * 2015-07-22 2015-12-16 刘芳 无人机的充电方法以及充电管理方法
CN106628219A (zh) * 2017-01-24 2017-05-10 中信戴卡股份有限公司 一种旋翼无人机停驻装置及其无人机充电套件
CN107402581A (zh) * 2017-07-27 2017-11-28 西安理工大学 基于无线紫外光的快递无人机降落引导系统及引导方法
CN109066930A (zh) * 2018-08-22 2018-12-21 西安电掣风云智能科技有限公司 多通道无人机非接触式无线宽频充电装置及其充电方法
CN109911237A (zh) * 2019-04-02 2019-06-21 赵嘉睿 基于紫外光对空编码信标的无人机助降与引导系统及应用
CN110203087A (zh) * 2019-05-17 2019-09-06 西安理工大学 无人机自主起降5g基站充电坪系统及其充电方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112286226A (zh) * 2020-10-29 2021-01-29 西北工业大学 一种无人机管理系统
CN116844381A (zh) * 2023-06-06 2023-10-03 广州思谋信息科技有限公司 一种基于人工智能的无人机停机管理系统及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105763230B (zh) 可移动式多旋翼无人机自主基站系统
CN205750548U (zh) 一种基于无人机的巡查系统
CN108032742B (zh) 无人机高空非接触式能量补给系统和方法
CN111071090B (zh) 一种精准引导补能平台下的无人机充电引导方法及装置
CN107394873A (zh) 一种电力巡检无人机的全自动环保无线充电系统
CN105048533B (zh) 小型多旋翼无人机自动充电系统
KR20210135173A (ko) 무인항공기용 충전장치 및 제어방법
CN112109576B (zh) 一种无人机自主循迹充电方法及装置
CN205986259U (zh) 一种适用于电力线路巡航的无人机无线充电系统
CN111056032B (zh) 一种无人船载的无人机充电升降系统及实现方法
CN107069855A (zh) 一种基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置
CN111698641A (zh) 一种无线紫外光协助的5g联网无人机助降及电量补给方法
CN204809917U (zh) 小型多旋翼无人机自动充电系统
WO2022110116A1 (zh) 一种飞行充电方法及系统、充电无人机
CN109283930A (zh) 一种球状智能巡检机器人
CN110203087A (zh) 无人机自主起降5g基站充电坪系统及其充电方法
CN112109577A (zh) 一种无人机自主循迹无线充电系统
CN113568427B (zh) 无人机自主着陆移动平台的方法及系统
CN106741875A (zh) 一种飞行搜救系统及方法
CN113379941A (zh) 一种基于能源自治的无人巡检系统及其巡检方法
CN110182090B (zh) 无人机充电系统及无人机充电方法
CN104316901A (zh) 用于无线电监测的空中智能机器人
CN109103957A (zh) 一种无人飞机自主对接系统及充电方法
CN109709972A (zh) 一种基于无人机的物联网通信系统及方法
CN213109065U (zh) 一种风电场巡检无人机自充电装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200922

RJ01 Rejection of invention patent application after publication