CN107069859A - 一种基于无人机基站的无线充电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无人机基站的无线充电系统。本发明还涉及一种无线充电的方法，包括以下步骤：当无人机电力将要耗尽，或者接收到充电续航型号时，通过GPS巡航到附近基站的大致位置；通过摄像头定位精确位置，方法是在装置上设置图像标记，在机载DSP上通过Sobel算子检测出图像的边缘信息实现精确定位并着陆；着陆成功后，四轴与基站通信开启无线充电。本发明能够通过地面基站，实现无人机的自动执行任务和自动充电，减少了运营成本，提升了四轴的飞行效率，解放了四轴的续航时间限制，实现了四轴的远程飞行。

Description

一种基于无人机基站的无线充电系统及方法

技术领域

本发明涉及一种可以自主充电的无人机基站及无线充电方法。

背景技术

一般小型无人机的电池续航能力有限。在很多典型应用环境中，无人机执行巡逻任务十分常见，比如深林大火、化学品泄漏、地震的灾害情况监测、边境巡逻、野生动植物保护、军事侦察等任务。受续航时间的限制，一台微小型无人机巡逻范围都在几十公里以内，并且需要专人值守，操作和维护无人机。无人机执行任务时，需要操纵手操纵，并且需要配备地面基站。

然而，为了无人机更适应全自动化的飞行作业，传统的无人机地面基站都采用有人基站，并手动充电，如果任务覆盖范围较广，就需要每几十公里内部署无人机基站其人力成本非常昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实现自动充电的无人机充电系统及采用该系统的无线充电方法。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种基于无人机基站的无线充电系统，其特征在于，包括无人机控制模块、机载组合定位模块、地面基站、PC端、数据采集处理服务器，其中：

地面基站，用于与机载组合定位模块建立无线数据通信，接收机载组合定位模块发送的无线信号和数据，利用其中的测距信息计算机载组合定位模块与地面基站之间的距离，并将距离信息送交数据采集处理服务器进行处理；

机载组合定位模块，用于与地面基站建立无线数据通信，并接收数据采集处理服务器发送的飞行动作调整指令，将飞行动作调整指令反馈至无人机控制模块，同时，用于对无人机进行定位使其着陆在地面基站上；

无人机控制模块，用于从机载组合定位模块接收飞行动作调整指令，根据飞行动作调整指令控制各个电机的转动速度，对航线进行实时校正；

数据采集处理服务器，用于采集地面基站上传的距离信息，根据采集到的无人机到各个地面基站间的距离计算出无人机具体的坐标信息，并与PC端绘制的航线信息进行对比，根据无人机位置与航线间的误差判断出无人机下一步需要做出的调整动作，生成飞行动作调整指令，将飞行动作调整指令通过无线方式发送给无人机的机载组合定位模块，同时，将计算得到的坐标上传至PC端用于在其上显示无人机现在的位置；

PC端，用于绘制无人机航线，并将航线信息送交数据采集处理服务器，并从数据采集处理服务器获取相应的坐标信息用于在其上显示。

优选地，所述无人机控制模块包括电源模块、微处理单元及电机控制模块，由电源模块为微处理单元及电机控制模块提供工作电压，微处理单元接收所述飞行动作调整指令，由微处理单元根据飞行动作调整指令驱动电机控制模块。

优选地，所述的机载组合定位模块包括INS/GPS组合导航定位模块、DSP图像定位模块、无线发射模块、供电单元、微处理单元，供电单元为INS/GPS组合导航定位模块、DSP图像定位模块、无线发射模块及微处理单元提供工作电压，微处理单元分别连接INS/GPS组合导航定位模块、DSP图像定位模块及无线发射模块，无线发射模块与所述地面基站及所述数据采集处理服务器建立数据通信。

优选地，所述DSP图像定位模块包括图像采集单元、DSP图像处理单元、结果输出单元、控制单元，其中：

图像采集单元由摄像头及视频图像采集芯片组成，图像采集单元通过摄像头采集到模拟图像信号，并由视频采集芯片对其进行A/D转换，输出数字图像信号，送至DSP图像处理单元，由DSP图像处理单元通过Sobel算子检测出图像的边缘信息，确定地面基站标记的当前坐标，再由结果输出单元对运算处理后的信号运算输出，并将该结果发射至所述无人机飞行控制模块。

优选地，所述地面基站设有特征图像标记，该特征图像标记外形为实心红等腰三角形，在其重心处有一较小黑色圆形，在无人机与地面基站距离较远时，先定位红三角形，当距离较近时，定位黑色圆形。

本发明的另一个技术方案是提供了一种无人机无线充电方法，采用上述的无线充电系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：机载组合定位模块中的INS/GPS组合导航定位模块向地面基站发送无线信号和数据，接收地面基站返回的无线信号和数据，对收发无线信号和数据进行处理，并接收数据采集处理服务器发送的飞行动作调整指令，并反馈至无人机控制模块进行处理；

步骤2：无人机控制模块根据机载组合定位模块采集到的飞行动作调整指令控制各个电机的转动速度，对航线进行实时校正，以保证无人机用指定的速度飞行在指定的航线上；

步骤3：地面基站接收机载组合定位模块发送的无线信号和数据，利用其中的测距信息计算机载组合定位模块与地面基站之间的距离，并将距离信息送交数据采集处理服务器进行处理；

步骤4：数据采集服务器将数据采集后发送至数据采集处理服务器，数据采集处理服务器根据采集到的无人机到各个地面基站间的距离计算出无人机具体的坐标信息，并与PC端绘制的航线信息进行对比，根据无人机位置与航线间的误差判断出无人机下一步需要做出的调整动作，生成飞行动作调整指令，将飞行动作调整指令通过无线方式发送给无人机的机载组合定位模块，同时将计算得到的坐标上传至PC端用于在其上显示无人机现在的位置；

步骤5：PC端用于绘制无人机航线，并将航线信息送交数据采集处理服务器，并从数据采集处理服务器获取相应的坐标信息用于在其上显示；

步骤6：机载组合定位模块中的DSP图像定位模块通过摄像头定位并着陆。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明实现无人机的自动执行任务和自动充电，减少了运营成本，提升了四轴的飞行效率，解除了四轴的续航时间限制，实现了四轴的远程飞行。

附图说明

图1是本发明的系统工作流程图；

图2是本发明的系统结构框架图；

图3是本发明的DSP图像定位模块框架结构图；

图4是本发明中的DSP图像定位模块工作原理图；

图5是本发明中的地面充电站特征图像标记示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例：如图1及图2所示，本发明定位系统包括无人机控制模块，机载组合定位模块，地面基站，PC端，数据采集处理服务器。

当无人机电力将要耗尽，或者接收到充电续航型号时，通过GPS巡航到附近基站的大致位置；通过摄像头定位精确位置，方法是在装置上设置图像标记，在机载DSP上通过Sobel算子检测出图像的边缘信息实现精确定位并着陆；着陆成功后，四轴与基站通信开启无线充电。

机载组合定位模块中的INS/GPS组合导航定位模块向地面基站发送无线信号和数据，接收地面基站返回的无线信号和数据，对收发无线信号和数据进行处理，并接收数据采集处理服务器发送的飞行动作调整指令，并反馈至电机控制单元进行处理电机控制单元根据机载组合定位模块采集到的指令控制各个电机的转动速度对航线进行实时校正，以保证无人机用指定的速度飞行在指定的航线上。地面基站接收机载组合定位模块发送的无线信号和数据，利用其中的测距信息计算机载组合定位模块与地面基站之间的距离，并将距离信息送交。数据采集处理服务器进行处理数据采集处理服务器根据采集到的无人机到各个基站间的距离计算出无人机具体的坐标信息，并与PC端绘制的航线信息进行对比，根据无人机位置与航线间的误差判断出无人机下一步需要做出的调整动作，将调整指令通过无线方式发送给无人机的定位采集模块，同时将计算得到的坐标上传至PC端用于在上显示无人机现在的位置。PC端用于绘制无人机航线，并将航线信息送交数据采集处理服务器，并从数据采集处理服务器获取相应的坐标信息用于在上显示。机载组合定位模块中的DSP图像定位模块通过摄像头定位并着陆。

机载组合定位模块由INS/GPS组合导航定位模块、DSP图像定位模块、无线发射模块、供电单元、微处理单元组成。无线发射模块在微处理器单元作用下通过天线向地面各个基站发射无线数据信号或是接收无线信号进行处理，并接收数据采集处理服务器发送的控制指令，将其交送飞行控制单元。

如图3所示，DSP图像定位模块由图像采集单元、DSP图像处理单元、结果输出单元、控制单元组成。所述的图像采集单元由摄像头、视频图像采集芯片组成。如图4所示，摄像头采集实时模拟图像信息，视频图像采集芯片进行A/D转换。所述的DSP图像处理单元选用TI(Texas Instruments)公司TMS320C6000系列的642芯片。该型号芯片时钟频率高，具有较高的运算速度和运算精度。其配有大容量的数据存储器，直接存储器访问控制器DMA以及丰富的内部外设。在该单元中，原始数字图像进行图像压缩，图像灰度转化，图像滤波，图像二值化等一系列基本图片处理，再进行边缘检测，识别地面站标记，确定其相对坐标。所述的结果输出单元根据地面站当前坐标，结合无人机预置的航线以及速度值，判断出无人机下一步的飞行方向，运算输出无人机的航线规划，并将其发送至无人机飞行控制模块。所述的控制单元与上述图像采集单元、DSP图像处理单元、结果输出单元相连，对各单元进行任务调度。

电机控制单元由传感器单元微处理器单元飞行动力系统和供电单元组成。传感器单元用于采集无人机的倾角方向与地磁偏角加速度等姿态信息。微控制器根据机载组合定位模块接收到的控制信息调整各个电机速度用于校准航线调整速度和姿态。

地面基站单元分布于地面各处，通过无线方式测量地面基站到无人机的距离，将得到的距离信息上报给数据采集服务器。

如图5所示，地面充电基站图像标记外形为实心红等腰三角形，在其重心处有一较小黑色圆形。在无人机与基站距离较远时，先定位红三角形；当距离较近时，定位黑色圆形。该图像标记具有较强的抗干扰性能，且有利于实现精确定位并着陆。

数据采集处理服务器将各个基站采集的信息进行汇总，并通过计算得到无人机在地图内的坐标信息。并与预置的航线以及速度值进行对比，根据情况判断出无人机下一步的飞行方向，并通过无线方式发送给无人机。同时将无人机的坐标信息上传给PC端。

PC端主要用于绘制地图预置航线，并接收数据采集处理服务器上传的坐标信息，然后在PC端显示无人机在地图内的实时位置。

综上所述，本发明实现了无人机的自动执行任务和自动充电。提出的自动充电方法，能够有效提升四轴的飞行效率，解除了四轴的续航时间限制实现了四轴的远程飞行。

Claims (6)

1.一种基于无人机基站的无线充电系统，其特征在于，包括无人机控制模块、机载组合定位模块、地面基站、PC端、数据采集处理服务器，其中：

地面基站，用于与机载组合定位模块建立无线数据通信，接收机载组合定位模块发送的无线信号和数据，利用其中的测距信息计算机载组合定位模块与地面基站之间的距离，并将距离信息送交数据采集处理服务器进行处理；

机载组合定位模块，用于与地面基站建立无线数据通信，并接收数据采集处理服务器发送的飞行动作调整指令，将飞行动作调整指令反馈至无人机控制模块，同时，用于对无人机进行定位使其着陆在地面基站上；

无人机控制模块，用于从机载组合定位模块接收飞行动作调整指令，根据飞行动作调整指令控制各个电机的转动速度，对航线进行实时校正；

数据采集处理服务器，用于采集地面基站上传的距离信息，根据采集到的无人机到各个地面基站间的距离计算出无人机具体的坐标信息，并与PC端绘制的航线信息进行对比，根据无人机位置与航线间的误差判断出无人机下一步需要做出的调整动作，生成飞行动作调整指令，将飞行动作调整指令通过无线方式发送给无人机的机载组合定位模块，同时，将计算得到的坐标上传至PC端用于在其上显示无人机现在的位置；

PC端，用于绘制无人机航线，并将航线信息送交数据采集处理服务器，并从数据采集处理服务器获取相应的坐标信息用于在其上显示。

2.如权利要求1所述的一种基于无人机基站的无线充电系统，其特征在于，所述无人机控制模块包括电源模块、微处理单元及电机控制模块，由电源模块为微处理单元及电机控制模块提供工作电压，微处理单元接收所述飞行动作调整指令，由微处理单元根据飞行动作调整指令驱动电机控制模块。

3.如权利要求1所述的一种基于无人机基站的无线充电系统，其特征在于，所述的机载组合定位模块包括INS/GPS组合导航定位模块、DSP图像定位模块、无线发射模块、供电单元、微处理单元，供电单元为INS/GPS组合导航定位模块、DSP图像定位模块、无线发射模块及微处理单元提供工作电压，微处理单元分别连接INS/GPS组合导航定位模块、DSP图像定位模块及无线发射模块，无线发射模块与所述地面基站及所述数据采集处理服务器建立数据通信。

4.如权利要求3所述的一种基于无人机基站的无线充电系统，其特征在于，所述DSP图像定位模块包括图像采集单元、DSP图像处理单元、结果输出单元、控制单元，其中：

图像采集单元由摄像头及视频图像采集芯片组成，图像采集单元通过摄像头采集到模拟图像信号，并由视频采集芯片对其进行A/D转换，输出数字图像信号，送至DSP图像处理单元，由DSP图像处理单元通过Sobel算子检测出图像的边缘信息，确定地面基站标记的当前坐标，再由结果输出单元对运算处理后的信号运算输出，并将该结果发射至所述无人机飞行控制模块。

5.如权利要求3所述的一种基于无人机基站的无线充电系统，其特征在于，所述地面基站设有特征图像标记，该特征图像标记外形为实心红等腰三角形，在其重心处有一较小黑色圆形，在无人机与地面基站距离较远时，先定位红三角形，当距离较近时，定位黑色圆形。

6.一种无人机无线充电方法，采用如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：机载组合定位模块中的INS/GPS组合导航定位模块向地面基站发送无线信号和数据，接收地面基站返回的无线信号和数据，对收发无线信号和数据进行处理，并接收数据采集处理服务器发送的飞行动作调整指令，并反馈至无人机控制模块进行处理；

步骤2：无人机控制模块根据机载组合定位模块采集到的飞行动作调整指令控制各个电机的转动速度，对航线进行实时校正，以保证无人机用指定的速度飞行在指定的航线上；

步骤3：地面基站接收机载组合定位模块发送的无线信号和数据，利用其中的测距信息计算机载组合定位模块与地面基站之间的距离，并将距离信息送交数据采集处理服务器进行处理；

步骤4：数据采集处理服务器将数据采集后，根据采集到的无人机到各个地面基站间的距离计算出无人机具体的坐标信息，并与PC端绘制的航线信息进行对比，根据无人机位置与航线间的误差判断出无人机下一步需要做出的调整动作，生成飞行动作调整指令，将飞行动作调整指令通过无线方式发送给无人机的机载组合定位模块，同时将计算得到的坐标上传至PC端用于在其上显示无人机现在的位置；

步骤5：PC端用于绘制无人机航线，并将航线信息送交数据采集处理服务器，并从数据采集处理服务器获取相应的坐标信息用于在其上显示；

步骤6：机载组合定位模块中的DSP图像定位模块通过摄像头定位并着陆。