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原文传递无人机自主起降5G基站充电坪系统及其充电方法

专利名称：	无人机自主起降5G基站充电坪系统及其充电方法
摘要：	无人机自主起降5G基站充电坪系统，包括与信息处理中心通信连接的5G蜂窝基站，5G蜂窝基站上设有充电坪；充电坪上设有充电位、半球形的紫外LED光源、环境传感器、信号发送机；充电位上设有保护罩；充电位上还设有充电平板，与信号发送机无线连接的信号接收机安装无人机的底部；利用无人机自主起降5G基站充电坪系统引导无人机充电的方法，包括以下步骤：步骤1，充电位预约；步骤2，引导无人机降落；步骤3，无人机充电；步骤4，无人机驶离充电坪；可以解决极端条件下通信质量差的问题，提升无线紫外光引导无人机的可靠性。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西安理工大学
发明人：	赵太飞;宫春杰;马倩文;李星善
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-17T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-06T00:00:00+0800
申请号：	CN201910414615.1
公开号：	CN110203087A
代理机构：	北京国昊天诚知识产权代理有限公司
代理人：	杨洲
分类号：	B60L53/14(2019.01);B;B60;B60L;B60L53
申请人地址：	710048 陕西省西安市金花南路5号
主权项：	1.无人机自主起降5G基站充电坪系统，其特征在于，包括与信息处理中心(4)通信连接的5G蜂窝基站(1)，5G蜂窝基站(1)上设有充电坪(2)；充电坪(2)上设有充电位(7)、半球形的紫外LED光源(5)、环境传感器(6)、信号发送机(10)；充电位(7)上设有保护罩(8)；充电位(7上)还设有充电平板(16)，与信号发送机(10)无线连接的信号接收机(11)安装无人机(3)的底部；所述的信息处理中心(4)分别与信号发送机(10)、环境传感器(6)、信号接收机(11)及微处理器模块(15)相连；信号发送机(10)与半球形的紫外LED光源(5)相连；信号接收机(11)分别与光电转换模块(12)、功率测量模块(13)、运算模块(14)相连。 2.根据权利要求1所述的无人机自主起降5G基站充电坪系统，其特征在于，所述的充电平板是镀金的底座，其表面被分成了有规则的若干份，是为提供不同电极(正负极)而采取的蜂巢结构。 3.根据权利要求1所述的无人机自主起降5G基站充电坪系统，其特征在于，所述的信号发送机(10)安装在5G蜂窝基站充电坪2的顶部。 4.根据权利要求1所述的无人机自主起降5G基站充电坪系统，其特征在于，所述的半球形的紫外LED光源5在5G蜂窝基站(1)的控制下发出无线紫外光(9)。 5.根据权利要求1所述的无人机自主起降5G基站充电坪系统，其特征在于，所述的信息处理中心包括微处理器模块。 6.根据权利要求1所述的无人机自主起降5G基站充电坪系统，其特征在于，所述的信号发送机内部主要包含半球形的紫外LED光源，半球形的紫外LED光源上每个位置的LED扫描形式依次发射紫外光到大气信道内，完成信号发送的任务。 7.根据权利要求1所述的无人机自主起降5G基站充电坪系统，其特征在于，所述的信号接收机(11)内部包含光电转换模块、功率测量模块以及运算模块，信号接收机内光电转换模块(12)的作用是将接收到的光信号转换成电信号，通过功率测量模块(13)测出接收信号的光功率，将光功率输入运算模块(14)内即可计算出该无人机(3)与蜂窝基站充电坪(2)上信号发送机(10)的距离；所述的无人机采用5G联网无人机。 8.利用无人机自主起降5G基站充电坪系统引导无人机充电的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，充电位预约无人机在执行任务时随时监控自身电量，将自身电量分为三个等级：高等级，电量>60％；中等级，30％<电量<60％；低等级，电量<30％；当自身电量处于中级时，通过无人机的初步位置信息、剩余电量信息、任务航线信息、充电坪是否空闲的状态的信息进行综合评估，并选取最优充电坪位置，通过5G通信接口联网向该5G蜂窝基站提出充电位预约申请；步骤2，引导无人机降落当无人机电量进入低级状态时，开始向预约好的5G蜂窝基站充电桩飞行，当与充电坪(2)的距离大于30m时仍由5G信号引导无人机向5G信号强的地方飞，当距离小于30m时，转由无线紫外光精确引导无人机降落；整个降落过程参考环境传感器的环境监测结果不断调整飞行状态；步骤3，无人机充电当距降落点5米时，充电位(7)上的防护罩受信息处理中心(4)控制打开，无人机由无线紫外光引导并安稳降落在镀金的充电平板上后，防护罩关闭，无人机开始充电；充电平板是镀金的底座，其表面被分成了有规则的若干份，是为提供不同电极而采取的蜂巢结构；外接电源由基站提供，无人机落脚架通过导线连接充电触点，无人机降落在充电平板上即可充电；步骤4，无人机驶离充电坪当无人机电量充满后，防护罩打开，无人机由无线紫外光引导飞离充电坪，防护罩关闭；该充电位可继续接受其他无人机的预约。 9.根据权利要求8所述的利用无人机自主起降5G基站充电坪系统引导无人机充电的方法，其特征在于，所述的无线紫外光精确引导无人机降落在充电位上，其特征在于，具体引导步骤如下：步骤A，紫外光信号发送；信号发送工作由5G蜂窝基站充电坪上的半球形无线紫外光LED光源完成，在半球型结构上将若干个紫外光LED光源按一定规则分布排列，每层每列均单独编号，每层为纬线，每列为经线，每条经线与其基准线有一个已知的固定夹角α，每条纬线与其基准线有一个夹角β，因此位于纬线和经线交点的每一个紫外光LED光源均有一个独立的ID编号，此ID编号的前一位代表其经线号，后一位代表其纬线号，在每颗紫外光LED光源被点亮时，该紫外光LED光源即通过编码方式发送包含有自身ID的信息；步骤B，信号接收；当无人机底部的信号接收机(11)接收到紫外LED光源(5)所发送的紫外光信号时，即可获得该紫外LED光源(5)的编号，也就得到了两个角度α与β，根据这两个角度可以定位无人机的坐标；步骤C，无人机定位；无人机的位置与发射端半球形的紫外LED光源(5)的距离为r，r在以半球形的紫外LED光源(5)为原点的直角坐标系中的xoy平面内的投影为r'＝rsinβ，因此在x轴的投影为x＝rsinβsinα，在y轴的投影为y＝rsinβcosα，在z轴的投影为z＝rcosβ，这样就可以得到无人机的坐标(x0,y0,z0)如式(1)所示：式中，r是无人机当前位置与半球形的紫外LED光源(5)之间的距离；α是接收紫外光信号中所含ID信息代表的紫外光LED所在经线与基准线的固定夹角；β是接收紫外光信号中所含ID信息代表的紫外光LED所在纬线与基准线的固定夹角；坐标实时更新，环境传感器也实时将检测到充电平板上的环境信息传给5G基站；步骤D，引导无人机降落；无人机在接收紫外光信号的同时也会收到信息中心的信号发送机通过5G信号传来的降落点坐标、降落点处风向、风速的信息，无人机内部的信号处理模块会根据接收到的信息向无人机发出最优的降落指令。 10.根据权利要求9所述的利用无人机自主起降5G基站充电坪系统引导无人机充电的方法，其特征在于，步骤C中无人机与发射端半球形的紫外LED光源(5)的距离r的计算如下： a、直视情况：无线紫外光直视链路在大气自由空间中的功率衰减呈指数衰减，自由空间路径损耗与r2成正比，通信距离r越大，路径损耗越大，接收到的能量与r2成反比即大气衰减可表示为信号接收机的接收增益为综合这些因素的影响，直视情况下无线紫外光通信链路的接收光功率的表达式如公式(2)所示：公式(2)可以简化为：式中,Pt是发射光功率；r是发射端与接收端之间的基线距离；λ是无线紫外光的波长,Ke是大气信道衰减系数；Ar为接收端孔径面积，由公式(3)可知，直视通信下接收光功率与r2成反比； b、非直视情况：在无线紫外光非直视通信中，V是发射仰角和接收仰角交叉部分的有效散射体体积，r1是发射机Tx到V的距离，假定信号发送机的发射功率为Pt，则单位立体角的能量为在无线紫外光NLOS单次散射通信链路中，考虑路径损耗和信号的衰减，发送功率Pt经r1传输后衰减为经过有效散射体的散射后变为散射后的光束到信号接收机之间的通信链路可看作LOS传输，其中的影响因素包括大气衰减和空间链路损耗，分别为和信号接收机接收增益为无线紫外光非直视通信的接收光功率表达式如公式(4)：式中，Ω1＝2π[1-cos(φ1/2)],θs＝θ1+θ2,r1＝rsinθ2/sinθs,r2＝rsinθ1/sinθs，公共散射体V≈r2·φ2·r2，代入式(4)化简可得到：式中，r是通信基线距离，λ是紫外光波长，Pt是发射功率，Ke是大气信道衰减系数且Ke＝Ka+Ks，其中Ka是大气吸收系数，Ks是大气散射系数，Ar是接收孔径面积，Ω1是发送立体角，V是有效散射体体积，r1是发射机Tx到V的距离，r2是探测接收机Rx到V的距离，Ps是散射角θs的相函数；由公式(3)和公式(5)可知，在直视情况和非直视情况中，在发射功率Pt、大气消光系数Ke、大气散射系数Ks和接收孔径面积Ar参数一定的情况下，接收光功率Pr是关于自变量为传输距离r的函数，此时求此函数的反函数即可得到传输距离r与接收光功率Pr的关系： r＝f-1(Pr) (6)。
所属类别：	发明专利