一種無人機快速充電系統的充電方法與流程

技術領域

本發明涉及無人機充電技術領域，更具體地說，涉及一種無人機快速充電系統的充電方法。

背景技術：

隨著科學技術的發展，無人機，特別是四旋翼無人機技術現在越來越成熟，對無人機的控制也越來越穩定，相關的在軍事、救災、民用上的應用都有很大發展。例如，亞馬遜和順豐快遞公司最近都在研發無人機送快遞的技術。然而，這項技術的一個重大的瓶頸在于無人機的續航能力低，無人機基本都是依靠電池供電，所能攜帶電量有限，難以長時間工作。此外，在隱患高峰期或遇到突發事件時，需要無人機定時或連續工作，需要有人監管保證其在工作過程中回收充電，這樣不但影響工作效率，而且在外工作時充電也不方便，影響任務的有效執行。

目前大部分無人機多是采用更換電池的方法來增強續航能力，高頻率的拆卸容易損壞機架及其電子元件，而且更換電池對人的依賴性較大，無人機自動充電技術將是新的發展趨勢。經過檢索，現有技術中存在相關的技術方案公開，如中國專利號：ZL 201220461117.6，授權公告日：2013年5月8日，該申請案公開了一種無人機及其自動充電系統，包括：供電模塊，用于為所述無人機提供充電電源；無人機充電模塊，用于安裝在無人機上接收所述供電模塊提供的電能；時間控制模塊，用于控制所述無人機定時起飛和定時回航充電。該方案只是對充電系統的抽象描述，在具體實施過程中仍存在較多問題。

又如中國專利申請號：201510183600.0，申請日：2015年4月19日，該申請案公開了一種無人機充電樁及其充電方法，包括電動推桿，凸起和通信模塊，旋翼無人機的充電板上固定有凸起，四個凸起為一組，構成一個正方形，凸起布滿充電板，構成多個正方形；可伸縮的電動推桿安裝在充電板的四周，緩沖架底部的鋸齒形凸起嵌入充電板凸起形成的縫隙中，旋翼無人機不能水平移動；在旋翼無人機平穩飛行降落在充電板上后，無旋翼機向通信模塊發送信號，充電模塊接收到信號后，向電動推桿發送指令，電動推桿伸出，固定旋翼無人機的緩沖架底部。本方案中的無人機在降落時難以準確定位，自主性差，而且充電效率低，需要進一步改進。

技術實現要素：

1.發明要解決的技術問題

本發明的目的在于克服現有技術中無人機返航定位效率低、自主性差、充電慢的不足，提供了一種無人機快速充電系統的充電方法，本發明的無人機能夠準確、快速地降落到支撐模塊，并將充電過程分為三個階段，大大提高了充電效率，自主性高，便于使用。

2.技術方案

為達到上述目的，本發明提供的技術方案為：

本發明的一種無人機快速充電系統，包括支撐模塊、定位模塊和充電模塊，所述支撐模塊用于輔助無人機本體降落并支撐無人機本體；所述定位模塊用于無人機本體的返航定位，使無人機本體降落至支撐模塊上；所述充電模塊用于控制對無人機本體的充電過程。

作為本發明更進一步的改進，還包括電量檢測模塊，所述電量檢測模塊設置在無人機本體上，用于檢測蓄電池的電量狀況，充電模塊根據電量狀況、充電時的輸入電壓和蓄電池的實時電壓控制充電過程。

作為本發明更進一步的改進，所述的支撐模塊包括底座、無人機支座和接觸電極組，所述無人機支座垂直底座設置，且無人機支座的排列方式與無人機本體的旋翼支架的設置方式相對應；所述接觸電極組兩兩對稱排布在底座上，充電時，接觸電極組的電極接頭與無人機本體的蓄電池接口電連接。

作為本發明更進一步的改進，所述無人機支座為圓柱形，在無人機支座上開設長度方向的V形槽，該V形槽的開口朝向底座中心，且開口角度為80～150°，無人機支座的中心開設有與V形槽連通的圓孔，無人機支座上端為頂部凸起，該頂部凸起的兩側面為傾斜面，在無人機本體降落后，頂部凸起與旋翼支架呈線接觸。

作為本發明更進一步的改進，所述接觸電極組包括推桿、支撐腿和步進電機，所述步進電機通過電機支座固定在底座上；所述推桿一端與步進電機的驅動軸相連，推桿另一端設置有電極接頭，在蓄電池接口上設置有對應的彈簧電極片，并在彈簧電極片上連接有壓力傳感器，充電時，電極接頭與彈簧電極片接觸。

作為本發明更進一步的改進，所述推桿下側設置有限位槽，在限位槽兩端設置有限位開關，該限位開關與步進電機電連接；所述支撐腿一端與底座固定連接，支撐腿另一端伸入限位槽內，用于限制推桿伸退長度。

作為本發明更進一步的改進，所述定位模塊包括定位單元、攝像單元、測距單元和控制單元，所述定位單元為超聲波定位，在底座中心設置有超聲波傳感器，該定位單元根據接收到的超聲波信號獲得無人機本體的位置及飛行姿態，以控制無人機本體的返航路線；所述攝像單元用于采集底座上的圖像信息；所述測距單元用于獲得無人機本體的高度信息；所述控制單元根據返航路線和飛行姿態控制無人機本體返航，根據圖像信息和高度信息發出指令控制無人機本體降落。

作為本發明更進一步的改進，所述底座上的圖像為回形圖像。

作為本發明更進一步的改進，所述測距單元為紅外線測距，在無人機本體的旋翼支架上設置有紅外線發射器，無人機支座的中心孔中設有紅外線感應器。

本發明的一種無人機快速充電系統的充電方法，其充電過稱為：

步驟一、無人機快速充電系統中的定位單元發出超聲波定位信號獲得無人機本體的位置信息和飛行姿態，經過控制單元的調整控制無人機本體返航至底座上方；

步驟二、攝像單元采集回形圖像信息，先對每個光斑像素求出其相對攝像機坐標原點的面矩，將每個像素的面矩累加起來，再求出光斑所有像素灰度級的積分，按照灰度重心法求重心位置，計算公式為：

其中，x為回形圖像(101)中心位置的橫向坐標；

y為回形圖像(101)中心位置的縱向坐標；

f(i，j)為各個光斑像素相對攝像機坐標原點的面矩；

i為橫向坐標上的光斑像素數，j為縱向方向上的光斑像素數；則求得回形圖像相對無人機本體的坐標位置，控制單元根據位置信息調整無人機本體的位置；

步驟三、步驟二完成后，無人機本體位于底座正上方，此時紅外線發射器啟動，控制單元根據圖像信息和高度信息控制無人機本體降落至無人機支座上；

步驟四、步驟三中無人機本體降落后觸發步進電機啟動，推桿伸出使電極接頭與彈簧電極片接觸，并由壓力傳感器檢測接觸壓力；

步驟五、步驟四中接觸壓力達到預設值后充電模塊開始為蓄電池充電，充電過程分為預充電、分段恒流充電和脈沖充電三個階段；

步驟六、電量檢測模塊檢測到電量充足時，充電模塊觸發步進電機反向啟動，推桿退回，支撐腿觸碰到限位開關后步進電機停止，完成充電。

3.有益效果

采用本發明提供的技術方案，與現有技術相比，具有如下有益效果：

(1)本發明的一種無人機快速充電系統，其支撐模塊為無人機本體提供了降落載體，該支撐模塊與定位模塊相結合，實現了返航、定位、降落完全自動化操作，提高了定位降落的準確度和效率；

(2)本發明的一種無人機快速充電系統，無人機支座為圓柱形，并開設有V形槽，V形槽開口角度可根據旋翼支架的大小設定，防止降落時與旋翼支架發生干涉；無人機支座的中心開設有圓孔，在圓孔中設有紅外線感應器，便于準確接收紅外信號；無人機支座上端為頂部凸起，該頂部凸起的兩側面為傾斜面，頂部凸起與旋翼支架呈線接觸，一方面有助于無人機本體準確定心，另一方面可保證無人機本體的穩定性；

(3)本發明的一種無人機快速充電系統，在底座上安裝有四個接觸電極組，加快了充電速度；在接觸電極組的推桿下側設有限位槽，限位槽內的限位開關與支撐腿相配合，既能防止推桿過度伸出，又能在充電完成后自動停機，充分體現了該充電系統的自主性和安全性能；

(4)本發明的一種無人機充電系統的充電方法，將超聲波技術、圖像定位技術和紅外線測距技術相結合，使無人機本體能夠快速、準確的降落到支撐模塊上，節省了無人機充電的準備時間；其充電過程分為三個階段：小電流預充電、分段恒流充電和大電流脈沖充電，小電流預充電能夠使蓄電池的化學性能逐漸恢復，延長電池使用壽命；分段恒流充電可減小各階段充電電流的下降幅度，提高充電效率；當蓄電池電壓接近最高值時，蓄電池極化現象逐漸加大，采用大電流脈沖間歇性地對蓄電池進行充電使得電壓迅速上升，從而消除極化現象，為下個電流脈沖充電順利進行創造條件，脈沖充電加大了充電電流，提高了充電效率，達到了快速充電的效果。

附圖說明

圖1為本發明的一種無人機快速充電系統的結構示意圖；

圖2為本發明中接觸電極組的結構示意圖；

圖3為本發明中無人機支座的結構示意圖；

圖4為圖3中無人機支座的俯視結構示意圖；

圖5為本發明中推桿的結構示意圖；

圖6為本發明中回形圖像的結構示意圖；

圖7為本發明定位單元中無人機本體飛行姿態的各角度示意圖；

圖8為本發明的充電方法的系統流程示意圖。

示意圖中的標號說明：1、底座；101、回形圖像；2、無人機本體；3、推桿；301、限位槽；4、聯軸器；5、步進電機；6、電機支座；7、支撐腿；8、無人機支座；801、頂部凸起。

具體實施方式

為進一步了解本發明的內容，結合附圖和實施例對本發明作詳細描述。

實施例1

結合圖1～圖6，本實施例的一種無人機快速充電系統，主要由支撐模塊、定位模塊、充電模塊和電量檢測模塊等組成，其中，支撐模塊用于輔助無人機本體2降落并支撐無人機本體2；定位模塊用于無人機本體2的返航定位，使無人機本體2降落至支撐模塊上；所述充電模塊用于控制對無人機本體2的充電過程。

本實施例中的支撐模塊包括底座1、無人機支座8和接觸電極組，底座1為矩形體結構，在底座1的四角設置有4個固定樁，即無人機支座8。該無人機支座8垂直底座1設置，且無人機支座8的排列方式與無人機本體2的旋翼支架的設置方式相對應，即無人機支座8的間隔距離及間隔角度與旋翼支架的長度及間隔角度相對應，本實施例中的無人機本體2為四旋翼飛行器，因此在底座1上設置有4個無人機支座8，使每個無人機支座8對應一個旋翼支架，起到支撐作用。

參看圖3、圖4，為了便于無人機本體2的降落，并使其能夠恰好降落在底座1的中心位置，采用的無人機支座8為圓柱形，在無人機支座8上開設長度方向的V形槽，該V形槽的開口角度的范圍可以為80～150°，且V形槽開口朝向底座1的中心。當無人機本體2降落時，該V形槽可避免旋翼支架與無人機支座8發生干涉而影響降落的平穩性，V形槽開口角度可根據所使用的旋翼支架的大小或者電機底部的大小進行設定，本實施例中選用120°。此外，在無人機支座8的中心開設有圓孔，該圓孔與V形槽連通，在圓孔中設置有紅外線感應器，該紅外線感應器用于在無人機本體2降落時進行距離測定，以輔助無人機本體2降落。無人機支座8上端為頂部凸起801，該頂部凸起801的兩側面為傾斜面，且內側傾斜面的傾斜角較大。頂部凸起801的內側斜面圍成倒錐形的腔體，以放置旋翼電機，使其恰好能夠位于無人機支座8的中心，故無人機本體2能夠準確降落在底座1的中心位置。如若旋翼電機較小，無法與內側斜面接觸支撐整個機體，則由頂部凸起801的頂部楞提供支撐力，在無人機本體2降落后，頂部凸起801與旋翼支架呈弧形線接觸，保證了無人機本體2的穩定性。

本實施例中的接觸電極組兩兩對稱排布在底座1上，由于采用四旋翼飛行器，在底座1上設置有4個接觸電極組，充電時，接觸電極組的電極接頭與無人機本體2的蓄電池接口電連接。該接觸電極組與無人機支座8間隔設置，以便能夠在無人機本體2的四面同時充電，提高充電效率。

參看圖2，上述的接觸電極組包括推桿3、支撐腿7和步進電機5，步進電機5通過電機支座6固定在底座1上；所述推桿3一端通過聯軸器4與步進電機5的驅動軸相連，推桿3另一端設置有電極接頭，則在步進電機5工作時，把旋轉運動轉化為直線運動，使推桿3伸出或退回。在無人機本體2的蓄電池接口上設置有對應的彈簧電極片，當推桿3伸出后，電極接頭與彈簧電極片接觸，使充電模塊與蓄電池電連接，可進行后續充電。此外，為了保證電極接頭與彈簧電極片接觸良好，在彈簧電極片上連接有壓力傳感器，當壓力傳感器所感應到的推桿3施加的壓力達到預設值時，觸發步進電機5停止，完成充電前的準備工作。因為接觸電極組兩兩對稱排布，因而推桿3施加到無人機本體2上的力相互抵消，不會使無人機本體2偏離中心位置，無需人工監控調整，設計合理。

參看圖5，在推桿3下側設置有限位槽301，在限位槽301兩端設置有限位開關，該限位開關與步進電機5電連接，觸碰到限位開關后，步進電機5停止工作。本實施例中選用支撐腿7與限位槽301配合使用，支撐腿7一端與底座1固定連接，支撐腿7另一端伸入限位槽301內，當推桿3運動時，支撐腿7相對地在限位槽301內滑動，用于限制推桿3伸退長度。即在充電時，推桿3伸出，主要由壓力傳感器控制步進電機5停止工作，一旦壓力傳感器失效，限位開關可形成二次保護，防止推桿3過度伸出；在充電完成后，步進電機5反轉，推桿3觸碰到限位槽301內靠近電極接頭一側的限位開關，步進電機5停止工作。故該結構設計既能防止推桿3過度伸出，又能在充電完成后自動停機，充分體現了該充電系統的自主性和安全性能。此外，支撐腿7還能提高推桿3的結構強度，防止推桿3因自身重力下垂，使其與彈簧電極片準確接觸。

本實施例中的電量檢測模塊設置在無人機本體2上，用于檢測蓄電池的電量狀況。與該電量檢測模塊相連有顯示屏，該顯示屏可實時輸出電量信息。充電模塊包括主控制器、反擊變換器和充電器，主控制器通過電量檢測模塊獲得電量狀況、充電器的實時輸入電壓和蓄電池的實時電壓，計算出控制反激變換器主開關導通時間的占空比，輸出相應占空比的PWM波，實現對充電過程的控制。

本實施例的定位模塊包括定位單元、攝像單元、測距單元和控制單元，所述定位單元為超聲波定位，在底座1中心設置有超聲波傳感器，該定位單元根據接收到的超聲波信號獲得無人機本體2的位置及飛行姿態，以控制無人機本體2的返航路線。

所述攝像單元用于采集底座1上的圖像信息，本實施例中底座1上的圖像為回形圖像101，如圖6所示，采用回形圖像101便于近距離識別定位及調整姿態，以便準確降落為充電做準備。另外，在降落過程中可保持無人機本體2垂直降落，以保證電極接頭與彈簧電極片能夠順利的對準連接。

本實施例中的測距單元用于獲得無人機本體2的高度信息，具體地，該測距單元為紅外線測距，在無人機本體2的旋翼支架上設置有紅外線發射器，無人機支座8的中心孔中設有紅外線感應器，當無人機本體2位于底座1正上方時，控制單元根據無人機本體2與底座1間的距離調整降落速度，降落過程中能夠保持穩定的飛行姿態，進一步提高了降落的準確度。

參看圖8，本實施例中的一種無人機快速充電系統的充電方法，其充電過程為：

步驟一、定位單元發出超聲波定位信號獲得無人機本體2的位置信息和飛行姿態，經過控制單元的調整控制使無人機本體2返航至底座1上方；

在底座1上建立有世界坐標系，定位單元以該世界坐標系獲得無人機本體2的位置信息和飛行姿態。首先選取Xc軸正向為理想航向，無人機本體2的偏航角為攝像機坐標系中的Xc軸在世界坐標系像平面S_w上的投影與其Xc軸之間的夾角，且規定順時針方向為正，同樣地，無人機本體2的俯仰角為φ，滾轉角為θ，如圖7所示。根據偏航角的定義，由兩點坐標可得：

(X_1/C,Y_1/C)為定位單元獲得的第一個選取點的坐標；

(X_3/C,Y_3/C)為定位單元獲得的第三個選取點的坐標；

在攝像機坐標系中，像平面S_w的法向量值為(cosα，cosβ，cosγ)，在世界坐標系下，其值為(0,0,1)，由旋轉變換可得：

(0 0 1)^T＝R_cw(cosα cosβ cosγ)^T

易知：

其中，

由于cosα，cosβ，cosγ和偏航角ψ已知，即可由上式求得俯仰角及翻滾角的解析式：

由此可獲得無人機本體2的飛行姿態，并通過控制單元不斷調整，使其返航至底座1上方。

步驟二、經過步驟一后，無人機本體2距離底座1位置較近，通過攝像單元采集回形圖像101信息；

先對回形圖像101光斑像素求出其相對攝像機坐標系原點的面矩，將每個像素的面矩累加起來，再求出光斑所有像素灰度級的積分，按照灰度重心法求重心位置，計算公式為：

其中：x為回形圖像(101)中心位置的橫向坐標；

y為回形圖像(101)中心位置的縱向坐標；

f(i，j)為各個光斑像素相對攝像機坐標原點的面矩；

i為橫向坐標上的光斑像素數，j為縱向方向上的光斑像素數；

所獲得的坐標(x，y)即為回形圖像101的中心在攝像機坐標系中的坐標位置，控制單元根據位置信息的反饋調整無人機本體2的位置，使其位于底座1的正上方。

步驟三、步驟二完成后，無人機本體2位于底座1正上方，旋翼支架與無人機支座8相對應，此時紅外線發射器啟動，無人機支座8中的紅外線感應器接收到紅外信號，并將距離信息傳遞到控制單元，控制單元根據高度信息控制無人機本體2降落至無人機支座8上。

步驟四、步驟三中無人機本體2降落后促發步進電機5啟動，推桿3伸出使電極接頭與彈簧電極片接觸，并由壓力傳感器檢測接觸壓力，當接觸壓力達到設定值，則步進電機5停止；

步驟五、步驟四中步進電機5停止后充電模塊開始為蓄電池充電，充電過程分為預充電、分段恒流充電和脈沖充電三個階段；

通過小電流預充電可使蓄電池的化學特性逐漸得到恢復，達到閥值后，進入分段恒流充電階段，即首先使用較大電流充電，當電壓迅速上升到一定值后，適當減小電流，一段時間后再次減小電流，經過多次反復充電，蓄電池電壓接近額定電壓，此時分段恒流充電結束，進入脈沖充電階段；在蓄電池電壓接近額定電壓時，極化現象逐漸加大，大電流脈沖充電使得電壓迅速上升，而停充時則會增加電池內部的化學反應緩沖時間，從而消除極化現象，為下個電流脈沖充電順利進行創造條件。

步驟六、電量檢測模塊檢測到電量充足時，在顯示屏上顯示“電量已滿”提示信息，充電模塊促發步進電機5反向啟動，推桿3退回，支撐腿7觸碰到限位開關后步進電機5停止，完成充電。

本發明的快速充電系統及其充電方法，提高了返航、定位效率，其支撐模塊的結構設計為自動化充電提供了基礎，4個接口能夠同時為蓄電池充電，大大提高了充電效率。

以上示意性的對本發明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發明的實施方式之一，實際的結構并不局限于此。所以，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發明創造宗旨的情況下，不經創造性的設計出與該技術方案相似的結構方式及實施例，均應屬于本發明的保護范圍。