CN114801839A - 一种基于无人机uav充电柜的充电方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于UAV充电柜的充电方法及系统，其中所述方法包括：所述UAV进行自检，获取所述UAV第一状态信息；设置任务计划，将所述任务计划和所述第一状态信息发送至无人机系统业务管理网元UTM；基于所述任务计划和所述第一状态信息，所述UTM设置第一监控策略；当所述UAV的状态满足第一触发条件时，采用第一充电策略；基于所述第一充电策略，选取相应的充电柜为所述UAV进行充电。本发明可以及时为无人机进行充电，并且能够有效控制无人机的能耗，增加了无人机的续航能力，同时采用充电柜在后期的针对性导航也可以降低无人机的自身功耗，极大地便利了无人机充电的方式。

Description

一种基于无人机UAV充电柜的充电方法及系统
技术领域
本发明属于计算机系统工程领域，尤其涉及一种基于无人机UAV充电柜的充电方法及系统。
背景技术
无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。随着无人机行业的迅速发展，越来越多的无人机被应用到农业、林业、电力、测绘、遥测等行业。
在各行业应用中，无人机通常需要搭载各种设备以实现各种功能，随着设备的增加，无人机的自身重量增加，需要消耗更大的功率来保证无人机的正常飞行，电量损耗较大。但是，无人机基本都是依靠电池供电，电池一次可以提供的电量有限，续航能力低，需要同时准备多块电池且每隔一段时间控制无人机降落以更换电池，增强其续航能力，操作过程繁琐，无人机执行任务过程中需要多次拆装电池，不仅影响工作效率，而且高频率的拆装电池容易损坏无人机电子元件以及机架，增加了成本。也有制造商研制了更大容量的电池，但是，增加电池容量也只是让无人机能够多飞行一会儿，无人机续航问题本质上还是没有得到解决，而且，大容量电池意味着体积增加，重量增加，对于微型无人机又会造成额外的负担。由于电池技术水平限制，续航时间是当前小型电动无人机面临的最大技术挑战。如何有效地控制UAV及时充电，是目前各方都在研究的重点。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种基于无人机UAV充电柜的充电方法，包括以下步骤：
步骤S101、所述UAV进行自检，获取所述UAV第一状态信息；
步骤S103、设置任务计划，将所述任务计划和所述第一状态信息发送至无人机系统业务管理网元UTM；
步骤S105、基于所述任务计划和所述第一状态信息，所述UTM设置第一监控策略；
步骤S107、当所述UAV的状态满足第一触发条件时，采用第一充电策略；
步骤S109、基于所述第一充电策略，选取相应的充电柜为所述UAV进行充电。
在某一实施例中，所述第一状态信息包括所述UAV的电池电量信息、可持续工作时长信息以及所述UAV中各部件的耗电信息。
在某一实施例中，所述任务计划至少包括用户预期的UAV工作时长。
在某一实施例中，所述步骤S105包括：
步骤S1051、基于所述任务计划和所述第一状态信息，所述UTM设置第一时长阈值和第二时长阈值，其中所述第一时长阈值小于第二时长阈值；
步骤S1053、将所述第一时长阈值和第二时长阈值发送至所述UAV；
步骤S1055、基于所述第一时长阈值和所述第二时长阈值对所述UAV的剩余电量可用时长进行监控；
步骤S1057、基于监控数据，对所述UAV进行控制。
在某一实施例中，所述步骤S1057包括：
当所述UAV当前剩余电量可用时长小于或等于所述第一时长阈值时，所述UAV向所述UTM发送第二状态信息；
基于所述第二状态信息，所述UTM为所述UAV匹配相应的状态信息采集周期以及对应的状态报告周期；
所述UTM将状态信息采集周期以及对应的状态报告周期传送给所述UAV；
所述UAV以所述UTM当前传送的状态信息采集周期进行数据采集，并以及对应的状态报告周期将采集的状态信息传送至所述UTM。
在某一实施例中，所述步骤S107包括：
当所述UAV当前剩余电量可用时长小于或等于所述第二时长阈值时，采用第一充电策略。
在某一实施例中，所述基于所述第二状态信息，所述UTM为所述UAV匹配相应的状态信息采集周期以及对应的状态报告周期，包括：
基于所述UAV的当前剩余电量和能耗参数，匹配相应的状态信息采集周期以及对应的状态报告周期。
在某一实施例中，所述步骤S109包括：
所述UTM根据获取的当前所述UAV所在区域的风向信息、风速信息、电量状况信息以及所述UAV与各充电柜之间的距离信息判断所述UAV当前所能抵达的所有充电柜的数量；
当所述UAV所能抵达的充电柜的数量小于第三阈值时，选取距离最近的第一充电柜作为充电目的地。
在某一实施例中，所述步骤S109还包括：
将所述UAV控制权转交给所述第一充电柜；
所述第一充电柜控制所述UAV靠近并充电。
本发明还提出了一种基于UAV充电柜的充电系统，其包括控制器、UAV、UTM和多个充电柜：
控制器包括第一通信模块和任务设置模块；
通信模块被配置为与UAV和UTM信号连接；
任务设置模块被配置为设置任务计划；
UAV包括第二通信模块、状态获取模块和信息发送模块；
第二通信模块被配置为与控制器、UTM和多个充电柜信号连接；
状态获取模块被配置为进行自检，获取UAV第一状态信息；
信息发送模块被配置为发送任务计划和第一状态信息至UTM；
UTM包括第三通信模块、信息接收模块、策略设置模块、状态触发模块和充电柜选取模块；
第三通信模块被配置为与控制器、UAV和多个充电柜信号连接；
策略设置模块被配置为基于任务计划和第一状态信息设置第一监控策略；
状态触发模块被配置为当UAV的状态满足第一触发条件时，采用第一充电策略；
充电柜选取模块被配置为基于第一充电策略，选取相应的充电柜为UAV进行充电；
充电柜包括第四通信模块、导航模块和电量输出模块；
第四通信模块被配置为与UAV和UTM信号连接；
导航模块被配置为对UAV进行导航；
电量输出模块被配置为对UAV进行充电。
与现有技术相比，采用本发明的方法能够及时为无人机进行充电，并且能够有效控制无人机的能耗，增加了无人机的续航能力，同时采用充电柜在后期的针对性导航也可以降低无人机的自身功耗，极大地便利了无人机充电的方式。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
图1是示出根据本发明实施例的一种UAV充电柜的方法及系统方法流程图；
图2是示出根据某一实施例的设置第一监控策略的流程图；
图3是示出根据某一实施例的步骤UAV控制的流程图；
图4是示出根据本发明实施例的一种基于UAV充电柜的充电系统的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例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，“多种”一般包含至少两种。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。
实施例一、
如图1所示，本发明公开了一种基于无人机UAV充电柜的充电方法，包括以下步骤：
步骤S101、UAV（Unmanned Aerial Vehicle，无人机）进行自检，获取UAV第一状态信息；
步骤S103、设置任务计划，将任务计划和第一状态信息发送至无人机系统业务管理网元UTM（Unmanned Aerial System Traffic Management）；
步骤S105、基于任务计划和第一状态信息，UTM设置第一监控策略；
步骤S107、当UAV的状态满足第一触发条件时，采用第一充电策略；
步骤S109、基于第一充电策略，选取相应的充电柜为UAV进行充电。
本实施例能够对无人机的状态进行监控，并根据监控结果进行相应控制，可以及时为无人机进行充电，并且能够有效控制无人机的能耗，增加了无人机的续航能力。同时，根据状态指定对应的充电策略，并选取相应的充电柜，可以对其进行针对性导航，从而降低无人机的自身功耗，极大地便利了无人机充电的方式。
实施例二、
本发明提出的一种基于无人机UAV充电柜的充电方法，包括以下步骤：
步骤S101、UAV进行自检，获取UAV第一状态信息，优选地，第一状态信息包括UAV的电池电量信息、可持续工作时长信息以及UAV中各部件的耗电信息；
步骤S103、设置任务计划，将任务计划和第一状态信息发送至无人机系统业务管理网元UTM；
步骤S105、基于任务计划和第一状态信息，UTM设置第一监控策略；
步骤S107、当UAV的状态满足第一触发条件时，采用第一充电策略；
步骤S109、基于第一充电策略，选取相应的充电柜为UAV进行充电。
本实施例包括监控策略集合、充电策略集合和与充电策略集合对应的触发条件集合。其中，监控策略集合包括多个监控策略，每个监控策略监控的数据可以不同，即第一监控策略为其中的一个，可以在实际应用场景中进行选择；另外，第一触发条件为触发条件集合中的一个，第一充电策略为充电策略集合中的一个，与第一触发条件对应，在满足第一触发条件时进行选择第一充电策略。
在实际应用场景中，本实施例在获取UAV的第一状态信息后，其设置的任务计划至少包括用户预期的UAV工作时长。
如图2所示，本实施例的UTM在获取任务计划和第一状态信息后，可以对其进行设置相应的监控和策略控制，该步骤S105可以包括：
步骤S1051、基于任务计划和第一状态信息，UTM设置第一时长阈值和第二时长阈值，其中第一时长阈值小于第二时长阈值；
步骤S1053、将第一时长阈值和第二时长阈值发送至UAV；
步骤S1055、基于第一时长阈值和第二时长阈值对UAV的剩余电量可用时长进行监控；
步骤S1057、基于监控数据，对UAV进行控制。
本实施例基于第一时长阈值和第二时长阈值对UAV的剩余电量可用时长进行监控时，该UAV的剩余电量可用时长通过以下步骤得到：
获取UAV降落时的速度，以及UAV降落时的高度，得到UAV降落的时间；
获取UAV降落时的阻力、电机电压和电机转化效率，并基于电量C=It，得到UAV降落时所需的电量；
获取UAV飞行时的阻力、电极电压、飞行速度和UAV的剩余电量，得到UAV飞行所需的时间；
根据UAV降落的时间和UAV飞行所需的时间得到UAV的剩余电量可用时长；UAV的剩余电量可用时长采用以下公式得到：
Figure 145376DEST_PATH_IMAGE001
式中，C为UAV的剩余电量，U1为UAV降落时的电机电压，U2为UAV飞行时的电机电压，δ为UAV的电机的转化率，可以通过UAV模拟飞行得到，F1为UAV降落时的阻力，F2为UAV飞行时的阻力，阻力包括风力等相关阻力，可以通过在UAV上设置相应传感器得到，h为UAV降落时的高度，V1为UAV降落时的降落速度，V2为UAV飞行时的飞行速度。
本实施通过上述公式得到UAV的剩余电量可用时长，并基于第一时长阈值和第二时长阈值对UAV剩余电量可用时长进行监控，最终通过监控的UAV剩余电量可用时长完成UAV的飞行或充电等控制。具体的，如图3所示，本实施例的步骤S1057可以包括：
当UAV当前剩余电量可用时长小于或等于第一时长阈值时，UAV向UTM发送第二状态信息；
基于第二状态信息，UTM为UAV匹配相应的状态信息采集周期以及对应的状态报告周期；
UTM将状态信息采集周期以及对应的状态报告周期传送给UAV；
UAV以UTM当前传送的状态信息采集周期进行数据采集，并以及对应的状态报告周期将采集的状态信息传送至UTM。
另外，在步骤S105中，如果根据第一状态信息判断当前无人机的电量不足以完成上述任务计划，则UTM向无人机控制器发送控制请求信息，强制获取无人机控制权，禁止无人机启动，并提醒用户重新设置。
在某一实施例中，步骤S107可以包括：
当UAV当前剩余电量可用时长小于或等于第二时长阈值时，采用第一充电策略。
在实际应用场景中，基于第二状态信息，UTM为UAV匹配相应的状态信息采集周期以及对应的状态报告周期，可以包括：
基于UAV的当前剩余电量和能耗参数，匹配相应的状态信息采集周期以及对应的状态报告周期。
通常情况下，剩余电量越少，单位时间能耗越高，则状态信息采集周期以及对应的状态报告周期越短。在某些实施例中，可以采用列表的方式，基于单位时间能耗进行匹配。
在某一实施例中，当UAV的状态满足第一触发条件并采用第一充电策略后，根据第一充电策略选取充电柜进行充电，即该步骤S109可以包括：
UTM根据获取的当前UAV所在区域的风向信息、风速信息、电量状况信息以及UAV与各充电柜之间的距离信息判断UAV当前所能抵达的所有充电柜的数量；
当UAV所能抵达的充电柜的数量小于第三阈值时，选取距离最近的第一充电柜作为充电目的地。
本实施例在判断UAV当前所能抵达的所有充电柜的数量时，可以通过当前UAV所在区域的风向信息、风速信息、电量状况信息得到UAV的剩余电量可用时长，并根据UAV与各充电柜之间的距离信息得到UAV飞行至各充电柜的抵达时间，当剩余电量可用时长大于等于抵达时间时，则判定为UAV当前所能抵达的充电柜。其中，风向信息和风速信息主要体现在UAV飞行时受到的阻力。
在某一实施例中，步骤S109还可以包括：
将UAV控制权转交给第一充电柜；
第一充电柜控制UAV靠近并充电。
实施例三
如图4所示，本发明还提出了一种UAV充电柜的充电系统，其可以包括控制器、UAV、UTM和多个充电柜：
控制器包括第一通信模块和任务设置模块；
通信模块被配置为与UAV和UTM信号连接；
任务设置模块被配置为设置任务计划并发送给UAV；
UAV包括第二通信模块、状态获取模块和信息发送模块；
第二通信模块被配置为与控制器、UTM和多个充电柜信号连接；
状态获取模块被配置为进行自检，获取UAV第一状态信息；
信息发送模块被配置为发送任务计划和第一状态信息至UTM；
UTM包括第三通信模块、信息接收模块、策略设置模块、状态触发模块和充电柜选取模块；
第三通信模块被配置为与控制器、UAV和多个充电柜信号连接；
策略设置模块被配置为基于任务计划和第一状态信息设置第一监控策略；
状态触发模块被配置为当UAV的状态满足第一触发条件时，采用第一充电策略；
充电柜选取模块被配置为基于第一充电策略，选取相应的充电柜为UAV进行充电；
充电柜包括第四通信模块、导航模块和电量输出模块；
第四通信模块被配置为与UAV和UTM信号连接；
导航模块被配置为对UAV进行导航；
电量输出模块被配置为对UAV进行充电。
本实施例中的控制器对UAV进行的控制和设置的任务计划可以切换至UTM中。实际切换中，UTM将切换请求直接发送给控制器，也可以通过UAV将切换请求转发给控制器。
实施例四、
本公开实施例提供了一种非易失性计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行如上实施例所述的方法步骤。
需要说明的是，本公开上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器（CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF（射频）等等，或者上述的任意合适的组合。
上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(AN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本公开实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。其中，单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。
以上介绍了本发明的较佳实施方式，旨在使得本发明的精神更加清楚和便于理解，并不是为了限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的修改、替换、改进，均应包含在本发明所附的权利要求概括的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无人机UAV充电柜的充电方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤S101、所述UAV进行自检，获取所述UAV第一状态信息；
步骤S103、设置任务计划，将所述任务计划和所述第一状态信息发送至无人机系统业务管理网元UTM；
步骤S105、基于所述任务计划和所述第一状态信息，所述UTM设置第一监控策略；
步骤S107、当所述UAV的状态满足第一触发条件时，采用第一充电策略；
步骤S109、基于所述第一充电策略，选取相应的充电柜为所述UAV进行充电。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述第一状态信息包括所述UAV的电池电量信息、可持续工作时长信息以及所述UAV中各部件的耗电信息。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述任务计划至少包括用户预期的UAV工作时长。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S105包括：
步骤S1051、基于所述任务计划和所述第一状态信息，所述UTM设置第一时长阈值和第二时长阈值，其中所述第一时长阈值小于第二时长阈值；
步骤S1053、将所述第一时长阈值和第二时长阈值发送至所述UAV；
步骤S1055、基于所述第一时长阈值和所述第二时长阈值对所述UAV的剩余电量可用时长进行监控；
步骤S1057、基于监控数据，对所述UAV进行控制。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，所述步骤S1057包括：
当所述UAV当前剩余电量可用时长小于或等于所述第一时长阈值时，所述UAV向所述UTM发送第二状态信息；
基于所述第二状态信息，所述UTM为所述UAV匹配相应的状态信息采集周期以及对应的状态报告周期；
所述UTM将状态信息采集周期以及对应的状态报告周期传送给所述UAV；
所述UAV以所述UTM当前传送的状态信息采集周期进行数据采集，并以及对应的状态报告周期将采集的状态信息传送至所述UTM。
6.如权利要求5所述方法，其特征在于，所述步骤S107包括：
当所述UAV当前剩余电量可用时长小于或等于所述第二时长阈值时，采用第一充电策略。
7.如权利要求5所述方法，其特征在于，基于所述第二状态信息，所述UTM为所述UAV匹配相应的状态信息采集周期以及对应的状态报告周期，包括：
基于所述UAV的当前剩余电量和能耗参数，匹配相应的状态信息采集周期以及对应的状态报告周期。
8.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤S109包括：
所述UTM根据获取的当前所述UAV所在区域的风向信息、风速信息、电量状况信息以及所述UAV与各充电柜之间的距离信息判断所述UAV当前所能抵达的所有充电柜的数量；
当所述UAV所能抵达的充电柜的数量小于第三阈值时，选取距离最近的第一充电柜作为充电目的地。
9.如权利要求8所述方法，其特征在于，所述步骤S109还包括：
将所述UAV控制权转交给所述第一充电柜；
所述第一充电柜控制所述UAV靠近并充电。
10.一种实现如权利要求1-9任意一项所述充电方法的充电系统，其特征在于，所述系统包括控制器、UAV、UTM和多个充电柜：
控制器包括第一通信模块和任务设置模块；
通信模块被配置为与UAV和UTM信号连接；
任务设置模块被配置为设置任务计划；
UAV包括第二通信模块、状态获取模块和信息发送模块；
第二通信模块被配置为与控制器、UTM和多个充电柜信号连接；
状态获取模块被配置为进行自检，获取UAV第一状态信息；
信息发送模块被配置为发送任务计划和第一状态信息至UTM；
UTM包括第三通信模块、信息接收模块、策略设置模块、状态触发模块和充电柜选取模块；
第三通信模块被配置为与控制器、UAV和多个充电柜信号连接；
策略设置模块被配置为基于任务计划和第一状态信息设置第一监控策略；
状态触发模块被配置为当UAV的状态满足第一触发条件时，采用第一充电策略；
充电柜选取模块被配置为基于第一充电策略，选取相应的充电柜为UAV进行充电；
充电柜包括第四通信模块、导航模块和电量输出模块；
第四通信模块被配置为与UAV和UTM信号连接；
导航模块被配置为对UAV进行导航；
电量输出模块被配置为对UAV进行充电。
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