CN117246552B - 一种移动式空地协同无人机自主充电系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种移动式空地协同无人机自主充电系统，包括无人车平台、无人机平台、定位单元和充电单元；无人机平台包括多旋翼无人机，充电接口和超声波发射装置；无人车平台包括电源装置、超声波接收装置、机械臂和无人机降落平台，无人机平台和无人车平台均配置有SLAM系统；粗定位单元用于基于SLAM系统后端优化定位获得无人车和无人机的相对位置；精定位单元用于基于超声波测距和多普勒测速算法获得无人机和无人车的精准相对位置；引导单元将无人机引导至相应位置；充电单元用于控制电源装置对降落至无人车平台的无人机进行充电。充电过程实现全程自主充电，无需人为操控，并且定位过程无需依靠GNSS系统，可在地下复杂环境中工作。

Description

一种移动式空地协同无人机自主充电系统和方法

技术领域

本发明涉及无人机充电技术领域，具体涉及一种移动式空地协同无人机自主充电系统和方法。

背景技术

针对战时地下空间探测与建图的需求，急需开展一种子母多栖无人SLAM系统的转化应用研究，该系统包括无人车SLAM平台和多旋翼无人机SLAM平台，两个平台都可以进行探测与建图，互为补充。但是受限于电池的能量密度，多旋翼无人机续航时间普遍较短，需要人工频繁更换电池，而人工充电费时费力，影响飞行效率，极大地限制了无人机应用范围与工作模式，因此基于上述问题研发了无人机自主充电技术能够很大程度上解决上述问题。要想实现对无人机的充电功能，前提是准确地定位充电平台位置，并让无人机能飞达充电平台的正上方，现有的无人机定位导航功能需要依靠GNSS系统，但在地下空间这类无GNSS信号且光照微弱的区域无法使用RTK这种常规定位方法。除此之外，现有的无人机自主充电技术可以分为接触式充电和无线充电两类，接触式充电技术在无人机和充电平台上布置了裸露的金属电极，该方案具有效率高、成本低的优势，然而裸漏电极存在磨损老化、野外环境应用时易短路和断路的问题；无线充电具有安全、灵活等优势，但充电效率较低。

上述问题是目前亟待解决的。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述至少一个缺点，第一方面，提供了一种移动式空地协同无人机自主充电系统，所述系统包括无人车平台、无人机平台、定位单元和充电单元；所述无人机平台包括多旋翼无人机，所述多旋翼无人机上配置有SLAM系统，充电接口和超声波发射装置；所述无人车平台包括配置在无人车上的SLAM系统、电源装置、超声波接收装置、机械臂和无人机降落平台；所述定位单元包括粗定位单元、精定位单元和引导单元；其中所述粗定位单元用于基于分别配置在无人机和无人车上的SLAM系统后端优化定位获得所述无人车和所述无人机的相对位置；所述精定位单元用于基于超声波测距和多普勒测速算法获得所述无人机和无人车的精准相对位置；所述引导单元用于基于所述无人车和无人机的相对位置将所述无人机引导至无人车附近以及基于所述无人机和无人车的精准相对位置使所述无人机精准的降落至所述无人车平台；所述充电单元用于控制所述电源装置对降落至所述无人车平台的无人机进行充电。

进一步的，所述多旋翼无人机的支腿上分别配置有金属片，所述SLAM系统包括激光雷达、摄像头和惯性测量单元。

进一步的，所述电源装置包括储能电池、充电管理电路、放电管理电路，用于为所述无人车平台提供工作电源；所述机械臂包括智能视觉识别系统和照明系统，以及与所述电源装置连接的充电线路和锁定式充电插头，用于将所述充电插头与充电接口连接；所述无人机降落平台置于所述无人车平台的中央，底部配置有压力检测装置和电磁铁阵列。

进一步的，所述压力检测装置用于检测所述无人机是否降落至无人机降落平台；所述电磁铁阵列用于固定降落至无人机降落平台的多旋翼无人机。

进一步的，所述精定位单元还用于：对所述无人车平台上的超声波接收装置接收到的所述多旋翼无人机上的超声波发射装置周期传输的超声波信号执行定位算法获得所述无人机和无人车的精准相对位置。

进一步的，所述精准定位单元还用于：基于超声波测距，通过估算超声波信号到达接收端的时间差，得到声源离接收端的距离；利用多普勒效应获取所述多旋翼无人机移动的速度；利用卡尔曼滤波算法，并结合测得的距离和所述多旋翼无人机移动速度修正测距数据；利用泰勒级数展开的最小二乘法估计所述多旋翼无人机位置，获取所述多旋翼无人机和无人车的精准相对位置。

进一步的，所述系统还包括电量识别单元，用于识别所述多旋翼无人机的电量是否小于电量阈值，当所述电量小于电量阈值时对所述多旋翼无人机启动充电程序。

第二方面，本发明提供了一种移动式空地协同无人机自主充电方法，所述方法包括：获取多旋翼无人机电量信息；当所述多旋翼无人机的电量小于预设电量阈值时启动自主充电程序；通过配置在多旋翼无人机和无人车上的SLAM系统后端优化获取所述多旋翼无人机和无人车的相对位置；基于超声波测距和多普勒测速方法获得所述无人机和无人车的精准相对位置；基于精准相对位置将所述多旋翼无人机降落至无人车平台；当置于无人车平台的压力传感装置检测到所述多旋翼无人机已经降落至无人车平台上时启动位于无人车平台上的电磁铁阵列固定所述多旋翼无人机；通过机械臂使无人车平台上的插头与所述多旋翼无人机上的插口连接；对所述多旋翼无人机进行充电；当检测到多旋翼无人机充满电后，通过机械臂使无人车平台上的插头与所述多旋翼无人机上的插口分离。

第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有一个或一个以上的指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述的移动式空地协同无人机自主充电方法。

第四方面，本发明提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器；所述存储器中存储有至少一条程序指令；所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现上述的移动式空地协同无人机自主充电方法。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种移动式空地协同无人机自主充电系统，包括无人车平台、无人机平台、定位单元和充电单元；所述无人机平台包括多旋翼无人机，所述多旋翼无人机上配置有SLAM系统，充电接口和超声波发射装置；所述无人车平台包括配置在无人车上的SLAM系统、电源装置、超声波接收装置、机械臂和无人机降落平台；所述定位单元包括粗定位单元、精定位单元和引导单元；其中所述粗定位单元用于基于分别配置在无人机和无人车上的SLAM系统后端优化定位获得所述无人车和所述无人机的相对位置；所述精定位单元用于基于超声波测距和多普勒测速算法获得所述无人机和无人车的精准相对位置；所述引导单元用于基于所述无人车和无人机的相对位置将所述无人机引导至无人车附近以及基于所述无人机和无人车的精准相对位置使所述无人机精准的降落至所述无人车平台；所述充电单元用于控制所述电源装置对降落至所述无人车平台的无人机进行充电。充电过程实现全程自主充电，无需人为操控，并且定位过程无需依靠GNSS系统，可在地下复杂环境中工作。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例所提供的一种移动式空地协同无人机自主充电系统结构示意图。

图2是本发明实施例所提供的多旋翼无人机结构俯视图。

图3是本发明实施例所提供的无人车平台结构俯视图。

图4是本发明实施例所提供的一种移动式空地协同无人机自主充电方法流程图。

图5是本发明实施例所提供的电子设备的部分框图。

具体实施方式

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。

便于后续理解，对实施例中可能出现的专业术语进行解释：

SLAM系统：Simultaneous Localization and Mapping，同步定位与建图，机器人在未知环境中从一个未知位置开始移动,在移动过程中根据位置和地图进行自身定位，同时在自身定位的基础上建造增量式地图，实现机器人的自主定位和导航。

现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1

请参阅图1-3，本发明提出的一种移动式空地协同无人机自主充电系统结构示意图。

作为示例，所述系统包括无人车平台1、无人机平台2、定位单元3和充电单元4；所述无人机平台2包括多旋翼无人机，所述多旋翼无人机上配置有SLAM系统201，充电接口202和超声波发射装置203；所述无人车平台1包括配置在无人车上的SLAM系统101、电源装置102、超声波接收装置103、机械臂104和无人机降落平台105。

可选的，多旋翼无人机的支腿上分别配置有金属片204，在本示例中，多旋翼无人机包括四个支腿，则这四个支腿上分别配置有金属片204，该金属片204便于后续在多旋翼无人机降落至无人车平台时与电磁铁阵列共同作用使得对多旋翼无人机起到固定的作用。其中，SLAM系统包括激光雷达、摄像头和惯性测量单元。充电接口202的接口旁配置有视觉识别图标，便于后续机械臂对置于无人车平台的充电插头和置于多旋翼充电接口202的连接。

可选的，所述电源装置102包括储能电池、充电管理电路、放电管理电路，用于为所述无人车平台提供工作电源；所述机械臂104包括智能视觉识别系统和照明系统，以及与所述电源装置连接的充电线路和锁定式充电插头，用于将所述充电插头与充电接口连接；所述无人机降落平台105置于所述无人车平台1的中央，底部配置有压力检测装置106和电磁铁阵列107。所述压力检测装置106中配置有压力传感器，用于检测所述无人机是否降落至无人机降落平台105；所述电磁铁阵列107用于通过与固定在多旋翼无人机的支腿上的金属片204的磁吸附作用使得降落在无人机降落平台105的多旋翼无人机可以固定在无人机降落平台105上，避免无人车移动颠簸造成无人机位移或者滑落。其中，金属片204可以为铁片。当多旋翼无人机充满电后，控制电磁铁阵列107进行消磁，使得充满电后的多旋翼无人机可以成功脱离无人车平台。

可选的，当无人机被固定在降落平台上后，机械臂104通过视觉识别装置检测无人机充电接口位置，之后引导充电插头与接口连接。连接后充电插头上的锁定装置启动，保证充电过程中充电接口的稳定连接。

作为示例，所述定位单元3包括粗定位单元301、精定位单元302和引导单元303；其中所述粗定位单元301用于基于分别配置在无人机和无人车上的SLAM系统后端优化定位获得所述无人车和所述无人机的相对位置；所述精定位单元302用于基于超声波测距和多普勒测速算法获得所述无人机和无人车的精准相对位置；所述引导单元303用于基于所述无人车和无人机的相对位置将所述无人机引导至无人车附近以及基于所述无人机和无人车的精准相对位置使所述无人机精准的降落至所述无人车平台；所述充电单元用于控制所述电源装置对降落至所述无人车平台的无人机进行充电。

可选的，所述精定位单元302还用于对所述无人车平台上的超声波接收装置103接收到的所述多旋翼无人机上的超声波发射装置203周期传输的超声波信号执行定位算法获得所述无人机和无人车的精准相对位置。其中，超声波接收装置103可以配置四个，分别置于无人车平台1的四个顶角内侧。

可选的，所述精准定位单元302还用于基于超声波测距，通过估算超声波信号到达接收端的时间差，得到声源离接收端的距离；利用多普勒效应获取所述多旋翼无人机移动的速度；利用卡尔曼滤波算法，并结合测得的距离和所述多旋翼无人机移动速度修正测距数据；利用泰勒级数展开的最小二乘法估计所述多旋翼无人机位置，获取所述多旋翼无人机和无人车的精准相对位置。具体地，采用由粗到精的定位方式，其中粗定位由SLAM系统后端优化定位实现，通过粗定位获取无人机与无人车平台的大致的相对位置，然后引导无人机飞行至无人车平台附近。精定位基于超声波测距和多普勒测速实现，由无人机上的超声波发射器周期地传输超声波信号，无人车平台上的4个超声波接收终端收集数据，并执行定位算法，最终对无人机进行定位跟踪。其中，定位算法先利用超声波测距，并利用多普勒效应估计无人机的速度，再通过卡尔曼滤波算法融合测距和测速数据，最终利用最小二乘法跟踪无人机位置。通过精定位得到无人机与无人车平台的精准相对位置，使无人机精准地降落在无人机充电平台上。

作为示例，所述系统还包括电量识别单元5，用于识别所述多旋翼无人机的电量是否小于电量阈值，当所述电量小于电量阈值时对所述多旋翼无人机启动充电程序。所述电量识别单元5还用于检测所述多旋翼无人机的电量是否充满电，当所述多旋翼无人机充满电后，控制所述机械臂104打开锁定装置，实现充电器与充电接口的分离。其中，电量阈值可以设置为20％，具体地数值在此处不作限制，相关技术人员可以基于实际需求更改该电量阈值。

通过本申请上述公开的实施例，本发明公开的移动式空地协同无人机自主充电系统在充电过程实现全程自主充电，无需人为操控。在定位方式上，定位过程无需依靠GNSS系统，可在地下复杂环境中工作。在定位精度方面，定位精度达到厘米级，可保证无人机精准降落在无人车平台上。在充电效率方面，充电模式为有线充电，充电过程更加安全且充电效率更高。在稳定性方面，充电接插头装有锁定装置，保证了充电过程中，充电插头与接口之间的稳定连接。

实施例2

请参阅图4，本实施例提供了一种移动式空地协同无人机自主充电方法。

作为示例，所述方法包括：

S410：获取多旋翼无人机电量信息。

S420：当所述多旋翼无人机的电量小于预设电量阈值时启动自主充电程序。

S430：通过配置在多旋翼无人机和无人车上的SLAM系统后端优化获取所述多旋翼无人机和无人车的相对位置。

S440：基于超声波测距和多普勒测速算法获得所述无人机和无人车的精准相对位置。

S450：基于精准相对位置将所述多旋翼无人机降落至无人车平台。

S460：当置于无人车平台的压力传感装置检测到所述多旋翼无人机已经降落至无人车平台上时启动位于无人车平台上的电磁铁阵列固定所述多旋翼无人机。

S470：通过机械臂使无人车平台上的插头与所述多旋翼无人机上的插口连接。

S480：对所述多旋翼无人机进行充电。

S490：当检测到多旋翼无人机充满电后，通过机械臂使无人车平台上的插头与所述多旋翼无人机上的插口分离。

实施例3

本发明实施例还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有移动式空地协同无人机自主充电方法，所述移动式空地协同无人机自主充电程序被处理器执行时实现如上文所述的移动式空地协同无人机自主充电方法的步骤。由于本存储介质采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

实施例4

请参阅图5，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器；所述存储器中存储有至少一条程序指令；所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现实施例2所提供的移动式空地协同无人机自主充电方法。

存储器502和处理器501采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器501和存储器502的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器501处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器501。

处理器501负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器502可以被用于存储处理器501在执行操作时所使用的数据。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种移动式空地协同无人机自主充电系统，其特征在于，所述系统包括无人车平台、无人机平台、定位单元和充电单元；

所述无人机平台包括多旋翼无人机，所述多旋翼无人机上配置有SLAM系统，充电接口和超声波发射装置；

所述无人车平台包括配置在无人车上的SLAM系统、电源装置、超声波接收装置、机械臂和无人机降落平台；

所述定位单元包括粗定位单元、精定位单元和引导单元；其中所述粗定位单元用于基于分别配置在无人机和无人车上的SLAM系统后端优化定位获得所述无人车和所述无人机的相对位置；

所述精定位单元用于基于超声波测距和多普勒测速算法获得所述无人机和无人车的精准相对位置；

所述引导单元用于基于所述无人车和无人机的相对位置将所述无人机引导至无人车附近以及基于所述无人机和无人车的精准相对位置使所述无人机精准的降落至所述无人车平台；

所述充电单元用于控制所述电源装置对降落至所述无人车平台的无人机进行充电。

2.根据权利要求1所述的移动式空地协同无人机自主充电系统，其特征在于，所述多旋翼无人机的支腿上分别配置有金属片，所述SLAM系统包括激光雷达、摄像头和惯性测量单元。

3.根据权利要求1所述的移动式空地协同无人机自主充电系统，其特征在于，所述电源装置包括储能电池、充电管理电路、放电管理电路，用于为所述无人车平台提供工作电源；

所述机械臂包括智能视觉识别系统和照明系统，以及与所述电源装置连接的充电线路和锁定式充电插头，用于将所述充电插头与充电接口连接；

所述无人机降落平台置于所述无人车平台的中央，底部配置有压力检测装置和电磁铁阵列。

4.根据权利要求3所述的移动式空地协同无人机自主充电系统，其特征在于，所述压力检测装置用于检测所述无人机是否降落至无人机降落平台；

所述电磁铁阵列用于固定降落至无人机降落平台的多旋翼无人机。

5.根据权利要求1所述的移动式空地协同无人机自主充电系统，其特征在于，所述精定位单元还用于：

对所述无人车平台上的超声波接收装置接收到的所述多旋翼无人机上的超声波发射装置周期传输的超声波信号执行定位算法获得所述无人机和无人车的精准相对位置。

6.根据权利要求5所述的移动式空地协同无人机自主充电系统，其特征在于，所述精准定位单元还用于：

基于超声波测距，通过估算超声波信号到达接收端的时间差，得到声源离接收端的距离；

利用多普勒效应获取所述多旋翼无人机移动的速度；

利用卡尔曼滤波算法，并结合测得的距离和所述多旋翼无人机移动速度修正测距数据；

利用泰勒级数展开的最小二乘法估计所述多旋翼无人机位置，获取所述多旋翼无人机和无人车的精准相对位置。

7.根据权利要求1所述的移动式空地协同无人机自主充电系统，其特征在于，

所述系统还包括电量识别单元，用于识别所述多旋翼无人机的电量是否小于电量阈值，当所述电量小于电量阈值时对所述多旋翼无人机启动充电程序。

8.一种移动式空地协同无人机自主充电方法，其特征在于，所述方法包括：

获取多旋翼无人机电量信息；

当所述多旋翼无人机的电量小于预设电量阈值时启动自主充电程序；

通过配置在多旋翼无人机和无人车上的SLAM系统后端优化获取所述多旋翼无人机和无人车的相对位置；

基于超声波测距和多普勒测速方法获得所述无人机和无人车的精准相对位置；

基于精准相对位置将所述多旋翼无人机降落至无人车平台；

当置于无人车平台的压力传感装置检测到所述多旋翼无人机已经降落至无人车平台上时启动位于无人车平台上的电磁铁阵列固定所述多旋翼无人机；

通过机械臂使无人车平台上的插头与所述多旋翼无人机上的插口连接；

对所述多旋翼无人机进行充电；

当检测到多旋翼无人机充满电后，通过机械臂使无人车平台上的插头与所述多旋翼无人机上的插口分离。

9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有一个或一个以上的指令，其特征在于，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求8所述的移动式空地协同无人机自主充电方法。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器和处理器；所述存储器中存储有至少一条程序指令；所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现权利要求8所述的移动式空地协同无人机自主充电方法。