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原文传递一种无人机无线充电系统及方法

专利名称：	一种无人机无线充电系统及方法
摘要：	本发明公开了一种无人机无线充电系统及方法，该系统包括：充电桩、无人机和地面着陆控制系统，充电桩上设有无线充电模块、储能电池、蓝牙模块和GPS模块，无人机上设有锂电池、蓝牙模块、无线充电模块、摄像头、GPS导航模块和超声波测距模块，地面着陆控制系统包括无人机地面站和视觉导航模块，视觉导航模块处理采集的图像，通过GPS定位信息计算无人机与充电桩的相对位置，无人机地面站向无人机发送位置调整与着陆控制信号，超声波测距模块检测无人机与充电桩的相对高度，降落后充电桩与无人机通过蓝牙通信进行无线充电，本发明使得巡检无人机在电量不足时自主导航至附近充电桩进行无线充电，提高了巡检无人机的巡检距离和巡检效率。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	广东;44
申请人：	暨南大学
发明人：	李伟华;佘佳俊;杨皓然;张敏;梁祖懿;雷英佳;张泽恒;谭铭濠
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-13T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-20T00:00:00+0800
申请号：	CN201910509278.4
公开号：	CN110254258A
代理机构：	广州市华学知识产权代理有限公司
代理人：	李斌
分类号：	B60L53/12(2019.01);B;B60;B60L;B60L53
申请人地址：	510632 广东省广州市天河区黄埔大道西601号
主权项：	1.一种无人机无线充电系统，其特征在于，包括：充电桩、无人机和地面着陆控制系统；所述充电桩包括：充电桩无线充电模块、MCU主控模块、储能电池、充电桩蓝牙模块和充电桩GPS模块；所述MCU主控模块与充电桩无线充电模块、充电桩蓝牙模块和充电桩GPS模块连接；所述充电桩无线充电模块用于给无人机进行无线充电，所述MCU主控模块用于控制充电桩无线充电模块和充电桩蓝牙模块，以及实时监测储能电池的电量，所述充电桩蓝牙模块用于与无人机进行蓝牙无线通信，所述充电桩GPS模块用于定位充电桩的位置；所述无人机包括：锂电池、无人机主控模块、无人机蓝牙模块、无人机无线充电模块、摄像头、无人机GPS导航模块和超声波测距模块；所述无人机主控模块用于接收和处理地面着陆控制系统的控制信号，控制无人机运行状态，所述无人机蓝牙模块用于与充电桩进行蓝牙无线通信，所述无人机无线充电模块用于接收充电桩的电能并给无人机的锂电池充电，所述摄像头用于采集图像数据，所述无人机GPS导航模块用于无人机定位导航到充电桩充电，所述超声波测距模块用于检测无人机与充电桩的相对高度；所述地面着陆控制系统包括：无人机地面站和视觉导航模块；所述无人机地面站用于处理无人机与充电桩的位置信息，向无人机发送控制信号；所述视觉导航模块用于无人机着陆时提供视觉导航，对采集的图像数据进行处理，计算出无人机与充电桩的相对位置。 2.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于，所述充电桩无线充电模块包括PWM波生成电路、E类功放型逆变电路和发射电路，所述E类功放型逆变电路设有MOS管，PWM波生成电路产生PWM波驱动MOS管，将充电桩储能直流电流变成高频交流电，所述发射电路设有原边线圈，用于产生高频交流电的感应电流；所述无人机无线充电模块包括接收电路、整流电路和BUCK降压电路，所述接收电路设有副边线圈，与原边线圈通过电磁感应产生高频交流电，BUCK降压电路用于调整电压，匹配无人机锂电池充电电压范围。 3.根据权利要求2所述的无人机无线充电系统，其特征在于，所述原边线圈和副边线圈均采用线径为0.8-1.0mm的漆包线绕制线圈，匝数15-18匝，线圈外径为12-13cm。 4.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于，所述充电桩还设有太阳能充电模块和着陆信标，所述太阳能充电模块用于给储能电池进行充电，所述着陆信标正对着充电桩无线充电模块；所述无人机还设有无人机5G网络通信模块，所述无人机5G网络通信模块用于提供5G通信网络；所述无人机地面站设有PC端和地面端5G网络通信模块，PC端通过地面端5G网络通信模块连接无线网络。 5.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于，所述视觉导航模块包括图像灰度化处理单元、图像边缘检测单元、相对位置计算单元，分别用于对高清摄像头采集到的图像进行图像灰度化处理、图像边缘检测，以及对无人机与充电桩上的着陆信标相对位置的计算。 6.一种无人机无线充电方法，其特征在于，包括下述步骤： S1：无人机实时监测电池剩余电量，无人机GPS导航模块将无人机位置坐标发送到地面着陆控制系统，充电桩GPS模块将充电桩位置信息发送到地面着陆控制系统，地面着陆控制系统将两者坐标的经度和纬度分别求差后，应用两点间距离公式计算无人机与充电桩之间的距离，返回距离无人机最近和第二近的充电桩的坐标信息； S2：无人机根据自身剩余电量计算能否飞达距离自己最近的充电桩，如果能飞往距离最近的充电桩但飞不到距离第二近的充电桩，则无人机导航飞往距离最近的充电桩上空；如果无人机能飞达距离第二近的充电桩，则待无人机飞过距离最近的充电桩后再计算能否飞达第二近的充电桩； S3：无人机飞达充电桩上空后通过视觉导航模块与充电桩对接，无人机降落到充电桩上； S4：无人机与充电桩进行蓝牙无线通讯，启动充电桩无线充电模块进行无线充电； S5：无人机充满电后，通知充电桩停止充电，与充电桩断开连接，继续进行巡检工作。 7.根据权利要求6所述的无人机无线充电方法，其特征在于，步骤S3中所述图像灰度化处理采用加权平均法对图像进行灰度化处理，将图像RGB三个分量采用不同的权值进行加权平均，生成灰度图像；所述图像边缘检测采用Canny算法对灰度化处理后的图像进行边缘检测，包括对图像进行平滑滤波、计算图像梯度幅值、图像梯度方向、对梯度幅值进行非极大值抑制、阈值化和边缘连接，设定高低阈值去除假的边缘和连接真的边缘，得到图像中的着陆信标。 8.根据权利要求6所述的无人机无线充电方法，其特征在于，步骤S4中所述无线充电的具体步骤为：充电桩接收到无人机的充电控制信号后，产生PWM波驱动MOS管，充电桩的储能电池经过E类功放型逆变电路后，直流电流变成高频交流电，经过原边线圈发射电路输出；无人机无线充电模块的副边线圈经过电磁感应产生高频交流电，经过整流电路变成直流电，最后经过BUCK降压电路，调整电压匹配无人机锂电池充电电压范围。 9.根据权利要求6所述的无人机无线充电方法，其特征在于，步骤S3中所述无人机飞达充电桩上空后通过视觉导航模块与充电桩对接，具体的步骤为：视觉导航模块进行图像识别，对无人机采集的图像进行图像灰度化处理和图像边缘检测，检测图像中的着陆信标；检测到着陆信标时，视觉导航模块计算无人机与着陆信标相对位置；无人机主控模块调整无人机位置，直到高清摄像头光心与着陆信标中心重合；无人机着陆过程中采用超声波测距模块测量与着陆信标的垂直距离，下降至无人机与着陆信标距离小于设定值时，无人机停止运转，完成着陆。 10.根据权利要求9所述的无人机无线充电方法，其特征在于，所述视觉导航模块计算无人机与着陆信标相对位置，具体步骤为：设定着陆信标坐标系、摄像头坐标系OcXcYcZc、载体坐标系、图像平面坐标系OfXfYf和图像像素坐标系Ocuv，所述着陆信标坐标系的原点为着陆信标的中心，所述摄像头坐标系OcXcYcZc的原点为高清摄像头的光心，所述载体坐标系的原点为无人机的质心，将摄像头坐标系与载体坐标系设置为相等的坐标系；每个像素坐标(u，v)为以像素为单位的图像像素坐标系坐标，图像像素坐标系与图像平面坐标系的数学对应公式如下：其中，(x，y)为像素点在图像平面坐标系的坐标值，u0、v0为图像平面坐标系原点在图像像素坐标系中的坐标，dx、dy为单位像素在x轴与y轴的物理长度；设定摄像头标定矩阵K：空间点P(XcYcZc)被映射到图像平面上的点p(Xf,Xf)，根据相似三角形定理，采用矩阵表达式表示为：其中，f为摄像头焦距，结合图像平面坐标系与图像像素坐标系的转换关系，可得：得到摄像头标定矩阵K为：其中，ax、ay表示摄像头焦距在x,y轴方向上的单位长度；计算无人机与着陆信标相对位置：设定摄像头坐标系与载体坐标系重合，摄像头坐标系与着陆信标坐标系的平移关系为无人机与着陆信标的相对位置信息，通过旋转矩阵S和平移矩阵T进行坐标变换，如下式：其中，T＝[Tx Ty h]，为图像的像素点在摄像头坐标系的坐标，为图像的像素点在着陆信标坐标系的坐标，λ＝Zc为图像的像素点在摄像头坐标系上的Z轴坐标；旋转矩阵S由四元数求得，q＝(θ x y z)T为单位向量(x y z)旋转θ角度后得到的四元数，四元数求解旋转矩阵S的公式如下：平移矩阵T的求解步骤为：取着陆信标中心坐标为(0，0，0)，旋转矩阵S和平移矩阵T坐标变换的公式变换为：求解后得其中，f/d表示摄像头焦距长度，Q1、Q2表示着陆信标上的两个特征点，q1、q2表示两个特征点在图像坐标系下的映射点；求解平移矩阵T得到无人机降落的着陆信标位置，然后对检测到着陆信标特征圆的图像进行Harris角点检测，通过Harris角点检测获取图像平面的像素坐标，着陆信标坐标系的原点位于摄像头坐标系的三维坐标着陆信标在载体坐标系中的坐标
所属类别：	发明专利