CN113602516A - 一种车载式无人机自主充电平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车载式无人机自主充电平台，属于无人机技术领域；包括车顶机库，在其内安装的起降凸台和四旋翼无人机，以及无人机和起降凸台配套的充电接口装置，且起降凸台底部设有电磁铁阵列，用于紧紧吸附无人机支腿；所述无人机包括控制器，控制器分为位置控制器和姿态控制器，通过计算无人机产生的合外力大小和合外力矩分别控制无人机的位置镇定和姿态稳定；在该自主充电平台还搭有电路系统，无人机充电时，控制器每隔0.1s测量电压，间接获得充电电路的通断信息，如果充电电路断开，控制器控制无人机重新调整位姿，直至充电线路重新闭合继续充电。本发明降低了对无人机位姿精准度的要求，提高了自主降落的鲁棒性和成功率。

Description

一种车载式无人机自主充电平台
技术领域
本发明属于无人机技术领域，特别涉及一种车载式无人机自主充电平台。
背景技术
近年来无人机在生产生活中的应用越来越广泛，例如农药喷洒，物流派件以及军事侦查等领域；但是无人机普遍存在着续航时间短的问题，因此发展无人机自主充电技术很具有必要性。
现有的自主充电装置可分为无线式和接触式；无线充电方式所需的机械结构简单，但充电效率较低；接触式充电方式效率高，但需要较为复杂的机械结构，且对定位精准性要求较高。
同时，现有的无人机充电装置大多为固定基站充电，这类基站往往体积较大，同时受制于基站的位置，无人机往返基站的过程中浪费大量电能，因此适应性和灵活性较差。而车载式充电装置可以弥补这些缺陷，该装置体积小可以放置于车顶，因此有很强的灵活性，对于野外工作的无人机提供移动的充电平台，减少不必要的电能浪费。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种车载式无人机自主充电平台，为无人机灵活充电，且效率高。
所述的车载式无人机自主充电平台，包括车顶机库、起降凸台、充电接口装置和四旋翼无人机；
车顶机库内部安装有起降凸台和蓄电池，蓄电池为起降凸台提供电源；起降凸台顶部和无人机底部分别布置充电接口装置的公头和母头，当四旋翼无人机停靠在起降凸台上进行自主充电；充电接口装置采取倒锥形，锥尖处安装有橡胶缓冲垫；
同时，充电接口还采取了分区导电设计；正极区和负极区对称分布，且各自有导电和绝缘区域；其中母头的正(负)极区有135°导电、45°绝缘，公头的导电(绝缘)区域与之互补。
起降凸台顶部具有图像识别的特征标志物，用于四旋翼无人机末端的视觉定位；
起降凸台的外形与四旋翼无人机支腿的内轮廓一致，没有缝隙，保证无人机能牢固停靠在凸台上。
起降凸台底部设有环形凹槽，用于固定四旋翼无人机支腿的位置；环形凹槽中布置有电磁铁阵列，用于吸附带有铁片的无人机支腿，使得充电装置的公母头充分接触，保证充电效率。
所述四旋翼无人机包括控制器，控制器分为位置控制器和姿态控制器；
位置控制器为：
Figure BDA0003204725010000021
f为四旋翼无人机产生的合外力大小，用于实现位置镇定；kx为位置跟踪误差的反馈系数；ex为位置跟踪误差；kv为速度跟踪误差的反馈系数；ev为速度跟踪误差；ki为跟踪误差的反馈系数；ei为跟踪误差的积分项；satσ为饱和函数；
Figure BDA0003204725010000022
为地面惯性坐标系
Figure BDA0003204725010000023
中的第三条轴；
Figure BDA0003204725010000024
为理想位置信号的二次导数；R为四旋翼无人机的旋转矩阵，是单位正交矩阵；
姿态控制器为：
Figure BDA0003204725010000025
M为四旋翼无人机产生的合外力矩；kR为姿态跟踪误差的反馈系数；eR为姿态跟踪误差；kΩ为角速度跟踪误差的反馈系数；eΩ为角速度跟踪误差；kI为姿态跟踪误差的反馈系数；eI为姿态跟踪误差的积分项；Rc为期望的姿态矩阵；Ωc为期望的角速度；J为四旋翼无人机的转动惯量矩阵。
所述的车载式无人机自主充电平台的电路系统包括电源模块、通信模块、电磁铁阵列模块、控制模块和无人机-锂电池负载；
通信模块是控制模块和四旋翼无人机的通信中介；控制模块根据四旋翼无人机的充电情况，控制电磁铁阵列模块的通断。
所述控制模块以Arduino UNO为主控板，UNO的引脚GND接电源模块5v直流电压的负极、引脚Vin接5v直流电压的正极；模拟引脚A0和A1分别接在小电阻R1的两端；数字引脚D0接电磁铁阵列模块的输入正极，引脚D1接通信模块的输入端口，引脚D2接通信模块的输出端口，且UNO与电磁铁阵列模块和通信模块共地。
四旋翼无人机充电时，控制器每隔0.1s测量电压，间接获得充电电路的通断信息，如果充电电路断开，控制器控制无人机重新调整位姿，直至充电线路重新闭合继续充电。
具体工作过程为：
首先，当四旋翼无人机停靠在起降凸台上进行自主充电时，通信模块输出“请求充电”的高电平信号，通过数字引脚D2传输到控制模块的主控板UNO；
然后，主控板UNO计算从引脚A0和A1读入的小电阻R1两端的电压差值，判断该值是否为0，如果是，说明母头和公头接触不良或是反接，则从数字引脚D1口向通信模块发送“无接触”的低电平信号，指示无人机重新调整位姿；否则，电压差值不为0，说明母头和公头接触良好且无反接，即无人机的锂电池已经接入充电电路中，则开始充电；同时，UNO通过引脚D0向电磁铁阵列模块发送“通电”信号，电磁铁阵列牢牢吸附无人机。
当无人机充电完成或是人为中断充电，通信模块发送“停止充电”低电平信号，通过数字引脚D2传输到主控板UNO；UNO通过引脚D0向电磁铁阵列模块发送“断电”信号，电磁铁阵列停止工作。等待电磁铁阵列模块去磁后，主控板UNO通过引脚D1向通信模块发送“可以起飞”信号，则无人机自由起降。
本发明具有以下优点：
1)、一种车载式无人机自主充电平台，车顶机库以车载行李箱为基础，具有模块化特点，可搭载于多种车型，通用性强，可实现快速机动部署。
2)、一种车载式无人机自主充电平台，充电接口装置具有特殊的外形和电极分区设计，降低了对无人机位姿精准度的要求，降低了充电装置对接条件的苛刻性，提高了自主降落的鲁棒性和成功率。
3)、一种车载式无人机自主充电平台，充电装置相比于无线式而言充电效率更高；相比于接触插拔式而言体积小，避免了复杂机构，对接动作简单，可靠性高，使用寿命长。
4)、一种车载式无人机自主充电平台，充电电路的设计可以防止正负极反接，提高了充电过程的安全性。
5)、一种车载式无人机自主充电平台，充电电路的设计可实现对充电状态的实时监测，可自主判断充电异常并使无人机重新调整位姿，直至充电线路重新闭合，提高了自主充电的成功率和智能化水平。
6)、一种车载式无人机自主充电平台，采用的无人机控制算法基于四旋翼系统的非线性模型，避免了常规方法局部线性近似化带来的误差，解决了大姿态角的控制问题。
7)、一种车载式无人机自主充电平台，无人机控制算法充分引入了外界的干扰外力和干扰外力矩，具有较强的抗干扰能力，使得无人机能适应降落时的复杂外界环境。
附图说明
图1为本发明一种车载式无人机自主充电平台的结构示意图；
图2为本发明车载式无人机自主充电平台采用的起降凸台示意图；
图3为本发明车载式无人机自主充电平台采用的起降凸台的俯视图；
图4为本发明车载式无人机自主充电平台采用的充电装置公头的示意图；
图5为本发明车载式无人机自主充电平台采用的充电装置母头的示意图；
图6为本发明车载式自主充电平台采用的电路系统原理图；
图7为本发明车载式自主充电平台的电路中控制模块的工作流程图；
图8为本发明搭建的四旋翼的动力学模型示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施示例对本发明作进一步的详细说明。
本发明为一种车载式无人机自主充电平台，如图1所示，包括车顶机库1、起降凸台4、充电接口装置5和四旋翼无人机3；
车顶机库1内部安装有起降凸台4和蓄电池2，蓄电池2为起降凸台4提供电源；起降凸台4顶部和无人机3底部分别布置充电接口装置的公头5-1和母头5-2，且公母头外形轮廓完全匹配，使得二者可以紧密接触，保证四旋翼无人机3停靠在起降凸台4上进行自主充电的可靠性。车顶机库底板1-3中布置有电气和数据线路，并配有相应接口与车内连接。
该车顶机库1以车顶行李箱为基础，其顶盖分为前1-2和后1-1两个部分，分别采用“旋转式”和“拉滑式”启闭，如图1所示。前顶盖1-2采用“旋转式”开启，直至与底板1-3垂直，为无人机阻挡车顶紊乱的气流，改善气动环境，减小风场对无人机的干扰。后顶盖1-1采用“拉滑式”开启，不遮挡无人机飞行空间和摄像头视线，有利于无人机的飞行和降落时的视觉识别。
该车顶机库1可安装在各种车辆顶部，在不使用时可拆卸，具有模块化的特点。车顶机库分为关闭和开启两种状态，当无人机在停放在其中充电时，机库关闭；当无人机起降时，机库开启。
当四旋翼无人机3停靠在起降凸台4上进行自主充电；充电接口装置5采取倒锥形，当无人机3自主降落时，若位置稍偏离起降凸台4正上方，无人机3上的公头5-1也能依靠重力沿着母头5-2的锥壁滑入正中心，降低了对位置精准度的要求，提高了容错性。充电接口装置5的锥尖处安装有橡胶缓冲垫，降低公母头对接时的冲撞力。
如图2所示，起降凸台4的外轮廓与无人机支腿3-1的内轮廓一致，没有缝隙，保证无人机3能牢固停靠在起降凸台4上。起降凸台4底部设有环形凹槽4-1，使得无人机支腿3-1能够在其中卡住，进一步固定无人机支腿的位置。
如图3所示，环形凹槽4-1下布置有电磁铁阵列4-2(图3中只标出了一个)，可以与无人机支腿3-1上的铁片牢靠贴合，保证了公母头5-1、5-2充分接触。防止由于车辆颠簸，无人机3脱离起降凸台4。电磁铁4-2采用断电有磁型，当无人机停靠时无需通电便有磁性，当无人机起飞时通电磁性消失，减少了功耗损失。
如图3所示，起降凸台4顶部布置有图像识别的特征标志物4-3，用于引导无人机末端视觉导航定位。无人机的机载摄像头拍摄到特征标志物后，经过机器视觉算法判断与起降凸台的相对位置和姿态，引导其对准正中心降落。
如图4和图5所示，充电接口采取了特殊的分区导电设计；正极区和负极区对称分布，且各自有导电和绝缘区域；其中公头的正(负)极区有45°导电，其余部分绝缘，母头的导电(绝缘)区域与之互补。母头的正(负)极区有135°导电、45°绝缘，公头的导电(绝缘)区域与之互补。公头的正(负)极和母头的正(负)极只要存在接触区域便可充电，这使得当无人机具有了顺逆90°的角度冗余，降低了对接条件的苛刻性，大大提高了容错性。
为提高自主充电过程的安全性和智能化水平，设计了电路系统，如图6所示，包括电源模块、通信模块、电磁铁阵列模块、控制模块和无人机-锂电池负载；
电源模块提供4.2v直流电压为无人机锂电池充电，同时提供5v直流电压为控制模块、通信模块和电磁阵列模块供电。电源模块输入端为12v蓄电池，首先经过LM2596 DC-DC变压模块，输出+5v直流电压；然后经过TP4560锂电池充电模块，输出4.2v直流电压、最大1A的充电电流。
通信模块是控制模块和四旋翼无人机的通信中介；
控制模块根据四旋翼无人机的充电情况，控制电磁阵列(电磁铁额定电压+5v)的通断。无人机在起降平台上充电时，电磁阵列模块通电；无人机从起降平台起飞时，电磁阵列模块断电。
为防止正负极反接，在锂电池的正极充电支路接入一个二极管。当锂电池与充电装置正确连接时，此时二极管正偏，锂电池正常充电；当锂电池与充电装置反接时，此时二极管反偏，充电电路断开，避免正负反接。
如图6所示，所述控制模块以Arduino UNO为主控板，UNO的引脚GND接电源模块5v直流电压的负极、引脚Vin接5v直流电压的正极；模拟引脚A0和A1分别接在小电阻R1(阻值0.1Ω)的两端；数字引脚D0接电磁铁阵列模块的输入正极，引脚D1接通信模块的输入端口，引脚D2接通信模块的输出端口，且UNO与电磁铁阵列模块和通信模块共地。
控制模块的工作流程如图7所示：首先，当四旋翼无人机停靠在起降凸台上进行自主充电时，通信模块输出“请求充电”的高电平信号，通过数字引脚D2传输到控制模块的主控板UNO；
然后，主控板UNO计算从引脚A0和A1读入的小电阻R1两端的电压差值，判断该值是否小于10mv，如果是，说明母头和公头接触不良或是反接，则从数字引脚D1口向通信模块发送“无接触”的低电平信号，指示无人机重新调整位姿；否则，说明母头和公头接触良好且无反接，即无人机的锂电池已经接入充电电路中，则开始充电；同时，UNO通过引脚D0向电磁铁阵列模块发送“通电”信号，电磁铁阵列开始工作，牢牢吸附无人机。
当无人机充电完成或是人为中断充电，通信模块发送“停止充电”低电平信号，通过数字引脚D2传输到主控板UNO；UNO通过引脚D0向电磁铁阵列模块发送“断电”信号，电磁铁阵列停止工作。延时5s，等待电磁铁阵列模块去磁后，主控板UNO通过引脚D1向通信模块发送“可以起飞”信号，则无人机自由起降。
该电路可实现对充电状态的实时监测：四旋翼无人机充电时，控制器每隔0.1s测量小电阻两端的电压，间接获得充电电路的通断信息，如果充电电路断开(比如充电装置接触不良、反接)，控制器控制通信模块指示无人机重新调整位姿，直至充电线路重新闭合，无人机继续充电。
对于四旋翼无人机而言，其控制器设计多基于动力学模型的局部线性近似化。而在四旋翼无人机追踪移动平台时，其姿态变化较大，不再满足线性化的条件，传统的控制器设计会带来很大误差。另外，无人机在户外飞行时会受到不规则风场的干扰，以及在降落充电的过程中可能会与充电装置产生碰撞，因此对控制器的鲁棒性和抗干扰能力提出了更高的要求。针对以上问题，本发明设计了相应的控制算法。
(1)四旋翼的动力学建模:
如图8所示，设定固定在地面上的惯性系为
Figure BDA0003204725010000061
同时以四旋翼质心为坐标原点构建机体系
Figure BDA0003204725010000062
第一条和第二条机体轴
Figure BDA0003204725010000063
位于四个旋翼所构成的平面内，而第三条机体轴
Figure BDA0003204725010000064
与该平面垂直，并指向下方。
定义四旋翼的单位正交矩阵R，实现向量坐标从机体系到惯性系的变换。记四旋翼的质量和转动惯量矩阵分别为m和J，四旋翼在惯性系中的位置和速度分别是x和v，在机体系中的角速度为Ω，四旋翼质心到电机的距离为d。第i个电机产生的升力大小为fi，产生的反作用扭矩为τi且τi沿着
Figure BDA0003204725010000065
的方向，电机转速为ωi。四旋翼产生的合外力大小为f，合外力矩为M，其中M＝[τx τy τz]T。四旋翼布局选取“X”型，根据四旋翼的控制分配矩阵可以得到如下关系：
Figure BDA0003204725010000066
其中cT和cM分别是四旋翼的升力系数和扭转系数。
为了后面设计控制器方便，定义叉乘矩阵符号^，对于两个向量x,y，叉乘矩阵符号满足：
Figure BDA0003204725010000071
其中若x＝[x1 x2 x3]T，则
Figure BDA0003204725010000072
下面给出四旋翼的动力学模型并且为了保证控制律的抗干扰性，引入外界的干扰力Δx和干扰力矩ΔR。
Figure BDA0003204725010000073
Figure BDA0003204725010000074
Figure BDA0003204725010000075
Figure BDA0003204725010000076
(2)控制器设计
根据四旋翼动力学模型设计控制器，被控量为合外力大小f和合外力矩M。为了避免在平衡点处近似线性化带来的误差，控制器直接处理含干扰信号的非线性模型。同时整个控制器设计均在惯性系完成且不涉及欧拉角表述，可以规避大机动性情况下欧拉角带来的奇异问题；综上控制器为非线性几何控制器。
控制器可以分为两部分，一是设计合外力矩M达到姿态镇定，二是设计合外力大小f实现位置镇定。具体如下：
①位置控制器设计
设给定的光滑的理想位置信号为xd(t)，定义位置和速度跟踪误差为：
ex＝x-xd，
Figure BDA0003204725010000077
同时定义跟踪误差的积分项
Figure BDA0003204725010000078
其中，c1为选取的正常数。
定义饱和函数satσ
Figure BDA0003204725010000081
定义期望姿态
Figure BDA0003204725010000082
以及期望角速度：
Figure BDA0003204725010000083
其中，
Figure BDA0003204725010000084
各项反馈系数均为正数；kx为位置跟踪误差的反馈系数；ex为位置跟踪误差；kv为速度跟踪误差的反馈系数；ev为速度跟踪误差；ki为跟踪误差的反馈系数；ei为跟踪误差的积分项；
Figure BDA0003204725010000085
为理想位置信号的二阶导数；
对于b1c，为了保证期望姿态的朝向和期望运动轨迹方向相同，取
Figure BDA0003204725010000086
设计位置控制器
Figure BDA0003204725010000087
下面为参数选取部分：
记Ψ(R(0),Rc(0))＜ψ1＜1,||ex(0)||＜emax，||Δx||≤δx。
参数选取满足以下条件即可：
(1)kiσ＞δx
记
Figure BDA0003204725010000088
Figure BDA0003204725010000089
参数需满足
Figure BDA00032047250100000810
其中λm表示矩阵特征值的最小值。
②姿态控制器
首先定义姿态跟踪误差如下：
Figure BDA0003204725010000091
Figure BDA0003204725010000092
其中，∨是叉乘矩阵符号∧的逆变换：
eΩ＝Ω-RTRdΩd
定义姿态跟踪误差的积分项：
Figure BDA0003204725010000093
设计姿态控制器：
Figure BDA0003204725010000094
其中各控制参数均为正数，且满足一下条件：
记||(2J-tr[J]I)||||Ωd||＜B2
则参数满足：
Figure BDA0003204725010000095
其中λm表示矩阵特征值的最小值,λM表示矩阵特征值的最大值。
该车载式无人机自主充电平台的具体工作流程如下：
(1)跟踪阶段
在跟踪阶段，无人机距离起降凸台较远，采用GPS导航。无人机与充电平台所在车辆建立通讯，告知驾驶员适当降低车速并保持匀速直线行驶；同时获取车辆的GPS信息，结合自身的GPS信息计算出相对速度和方位，并控制速度差，向充电平台靠近。
(2)视觉搜索阶段
当无人机抵达充电平台附近时，车顶机库打开，机载摄像头进入视觉搜索状态，搜索起降凸台上的特征图案。当无人机识别到特征图案后，通过机器视觉算法调整与起降凸台的相对位置和姿态，对准其正中央。
(3)降落阶段
最后，无人机开始缓慢下降，并不断根据机器视觉算法调节姿态，使得充电接口公母头的正负极对准。同时，环形凹槽中的电磁铁也进一步拖拽引导无人机支腿至正确位置。降落成功后，无人机开始充电，车顶机库顶盖关闭。

Claims (6)

1.一种车载式无人机自主充电平台，其特征在于，具体包括车顶机库及其内安装的起降凸台、四旋翼无人机以及充电接口装置；
起降凸台顶部和无人机底部分别布置充电接口装置的公头和母头，当四旋翼无人机停靠在起降凸台上进行自主充电；同时，充电接口还采取了分区导电设计；正极区和负极区对称分布，且各自有导电和绝缘区域；其中母头的正极区有135°导电、45°绝缘，公头的导电区域与之互补；反之亦然；
起降凸台顶部具有图像识别的特征标志物，用于四旋翼无人机末端的视觉定位；底部设有环形凹槽，用于固定四旋翼无人机支腿的位置；环形凹槽中布置有电磁铁阵列，用于吸附带有铁片的无人机支腿，使得充电装置的公母头充分接触，保证充电效率；
所述四旋翼无人机包括控制器，控制器分为位置控制器和姿态控制器；
位置控制器为：
Figure FDA0003204721000000011
f为四旋翼无人机产生的合外力大小；kx为位置跟踪误差的反馈系数；ex为位置跟踪误差；kv为速度跟踪误差的反馈系数；ev为速度跟踪误差；ki为跟踪误差的反馈系数；ei为跟踪误差的积分项；satσ为饱和函数；
Figure FDA0003204721000000012
为地面惯性坐标系
Figure FDA0003204721000000013
中的第三条轴；
Figure FDA0003204721000000014
为理想位置信号的二次导数；R为四旋翼无人机的旋转矩阵，是单位正交矩阵；
姿态控制器为：
Figure FDA0003204721000000015
M为四旋翼无人机产生的合外力矩；kR为姿态跟踪误差的反馈系数；eR为姿态跟踪误差；kΩ为角速度跟踪误差的反馈系数；eΩ为角速度跟踪误差；kI为姿态跟踪误差的反馈系数；eI为姿态跟踪误差的积分项；Rc为期望的姿态矩阵；Ωc为期望的角速度；J为四旋翼无人机的转动惯量矩阵；
四旋翼无人机充电时，控制器每隔0.1s测量电压，间接获得充电电路的通断信息，如果充电电路断开，控制器控制无人机重新调整位姿，直至充电线路重新闭合继续充电。
2.如权利要求1所述的一种车载式无人机自主充电平台，其特征在于，所述的车顶机库内部还安有蓄电池，为起降凸台提供电源。
3.如权利要求1所述的一种车载式无人机自主充电平台，其特征在于，所述的充电接口装置采取倒锥形，锥尖处安装有橡胶缓冲垫。
4.如权利要求1所述的一种车载式无人机自主充电平台，其特征在于，所述的起降凸台的外形与四旋翼无人机支腿的内轮廓一致，没有缝隙，保证无人机能牢固停靠在凸台上。
5.如权利要求1所述的一种车载式无人机自主充电平台，其特征在于，该自主充电平台的电路系统包括电源模块、通信模块、电磁铁阵列模块、控制模块和无人机-锂电池负载；
通信模块是控制模块和四旋翼无人机的通信中介；控制模块根据四旋翼无人机的充电情况，控制电磁铁阵列模块的通断；
所述控制模块以Arduino UNO为主控板，UNO的引脚GND接电源模块5v直流电压的负极、引脚Vin接5v直流电压的正极；模拟引脚A0和A1分别接在小电阻R1的两端；数字引脚D0接电磁铁阵列模块的输入正极，引脚D1接通信模块的输入端口，引脚D2接通信模块的输出端口，且UNO与电磁铁阵列模块和通信模块共地。
6.如权利要求5所述的一种车载式无人机自主充电平台，其特征在于，所述的电路系统为四旋翼无人机充电的具体过程为：
首先，当四旋翼无人机停靠在起降凸台上进行自主充电时，通信模块输出“请求充电”的高电平信号，通过数字引脚D2传输到控制模块的主控板UNO；
然后，主控板UNO计算从引脚A0和A1读入的小电阻R1两端的电压差值，判断该值是否为0，如果是，说明母头和公头接触不良或是反接，则从数字引脚D1口向通信模块发送“无接触”的低电平信号，指示无人机重新调整位姿；否则，电压差值不为0，说明母头和公头接触良好且无反接，即无人机的锂电池已经接入充电电路中，则开始充电；同时，UNO通过引脚D0向电磁铁阵列模块发送“通电”信号，电磁铁阵列牢牢吸附无人机；
当无人机充电完成或是人为中断充电，通信模块发送“停止充电”低电平信号，通过数字引脚D2传输到主控板UNO；UNO通过引脚D0向电磁铁阵列模块发送“断电”信号，电磁铁阵列停止工作；等待电磁铁阵列模块去磁后，主控板UNO通过引脚D1向通信模块发送“可以起飞”信号，则无人机自由起降。
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