一種電力巡線多旋翼飛行器的自主無線充電系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電力巡線領域，具體涉及一種電力巡線多旋翼飛行器的自主無線充電系統。
【背景技術】
[0002]隨著社會經濟的突飛猛進及城市規模的迅猛發展，生活與工業用電需求越來越大。在大用電需求的背后，以超/特高壓輸電線路(以下簡稱輸電線路)為主骨架的全國互聯大電網應運而生，電網規模也越來越大。對輸電線路進行定期的檢查是保證電網安全運行且最重要最有效的措施。近年來，以無人機為載體的輸電線路檢測是一種新的巡檢方法，在無人機上安裝穩定的可見光檢測儀與成像儀等載荷，對輸電線路進行檢查和錄像，通過懸停、定點拍照，將設備狀況、線路通道等畫面實時傳送至地面控制臺。采用無人飛行器航巡輸電線路，可以對輸電線路本體缺陷、通道隱患進行快速探測，在各種復雜地形、惡劣氣候、災害天氣下，可做到及時、準確、高效地獲取現場資料。
[0003]由于多旋翼飛行器對起飛場地要求低、機身輕盈、可以輕松實現懸停和快速改變航向，在電力巡線中得到廣泛應用。一般說來，一套完整的多旋翼飛行器巡線系統包含幾個子系統，分別是飛行器系統、地面站監控中心、通信鏈路、有效載荷系統。在整個系統中，地面站監控中心為多旋翼飛行器的神經中樞，協調著飛行器與地面工作人員之間的信息交互與控制指令的收發。
[0004]但是，多旋翼飛行器在巡線過程中，續航時間在30分鐘左右，無法實現自主和長時間巡線任務。目前，有部分組織與人員對野外飛行器自動充電問題進行了設計，如公開號為CN104494833A的中國發明專利“一種能夠野外自動充電的智能飛行器系統及其充電方法”。該專利提出當智能飛行器電池電量低時會自動飛往可用充電站進行電能補充。但是，此發明專利存在如下問題:
[0005](I)電池需要充電時機不合適。該智能飛行器在當電池組低于預設值時，才去尋找可充電的充電倉。此時，若可用充電倉離飛行器較遠，則飛行器很可能在沒有飛行至目標充電倉前電池電量就已耗盡，從而造成炸機等嚴重問題。
[0006](2)飛行器與目標充電倉對接精確度不夠。該飛行器在以高于充電倉的高度利用GPS導航飛行至充電倉上空，之后直接垂直降落。而事實上，GPS導航的精度在2-3m。
[0007](3)該充電倉的設計包含很多機械自動化結構，需要伺服電機，結構復雜，成本太高。且采用有線充電方式，觸點的頻繁對接，會影響其使用壽命，同時會帶來安全隱患。
【發明內容】
[0008]為克服現有技術存在的問題，本發明提供了一種電力巡線多旋翼飛行器的自主無線充電系統，以使飛行器在巡線過程中會實時計算剩余電量續航時間能否滿足飛往最近可用充電站的時間，若檢測到電池需要充電時，自主導航飛往最近可用充電站。待充電完成后，返回原地點繼續執行巡線任務，從而確保飛行器長時間執行巡線任務。
[0009]為實現上述目的，本發明的具體技術方案如下:
[0010]—種電力巡線多旋翼飛行器自主無線充電系統，主要由地面監控站、多旋翼飛行器、充電站網絡組成。
[0011]地面監控站包含服務器(數據服務中心)和地面監控計算機，并且其內嵌了所有充電站的三維坐標信息。地面監控站通過GPRS網絡可以獲得飛行器當前位置信息以及所有充電站是否可用信息，并且經過計算分析后，實時將離飛行器最近的可用充電站坐標返回給飛行器。此外，在發生異常的情況下，向飛行器發送命令，遠程控制飛行器，從而減少飛行器炸機或者失聯等嚴重問題發生的概率。
[0012]多旋翼飛行器除了基本機架和基本設備載體外，還包含電池管理模塊、主控導航模塊、視覺對接模塊、藍牙4.0輔助對接模塊、GPRS模塊。
[0013]優選的，所述的飛行器電池管理模塊主要包含能量接收線圈、充電管理模塊。能量接收線圈主要用于高頻無線電能的接收，充電管理模塊給電池組進行充電，同時還用于實時監測電池電量情況。
[0014]優選的，所述的飛行器主控導航模塊包含主控模塊、捷聯慣性和GPS組合導航模塊。主控模塊為飛行器的核心，用于控制整個飛行器的正常飛行，負責與其他模塊的通信，控制各個模塊的工作狀態。捷聯慣性GPS組合導航模塊包含慣性測量單元(三軸加速度計、三軸陀螺儀)、三軸磁力計、GPS模塊、氣壓計。
[0015]此飛行器導航模塊主要用于在飛行器電池需要充電時，利用擴展卡爾曼濾波方法融合各個傳感模塊的數據，自主飛行至目標充電站。
[0016]進一步優選的，所述飛行器的主控導航模塊還用于實時計算當前所剩電量的最大飛行距離，并計算飛行器的實時位置與最近的充電站之間的路程，當最大飛行距離減去所述路程的差值小于設定的閾值時，控制飛行器飛行至目標充電站。避免飛行器未到達充電站之前就電量耗盡。
[0017]進一步的優選的，所述的主控導航模塊還用于控制充電完成后的飛行器飛行至返回充電之前的巡視位置。
[0018]優選的，所述的飛行器視覺對接模塊包含攝像頭模塊、超聲波測距模塊和飛行器從處理器模塊。攝像頭模塊用于飛行器與充電站精確對接過程中獲取著陸信標圖像，從處理器模塊對獲取的圖像進行處理分析計算后，得出飛行器相對于著陸信標的相對位置和相對姿態，并將結果傳輸給主控模塊。繼而主控模塊會控制飛行器各個電機轉速，做出相應動作。超聲波測距模塊主要用于在對接過程中，實時獲取飛行器與充電站的垂直距離。
[0019]優選的，所述的飛行器藍牙4.0輔助對接模塊主要用于當充電站著陸信標上存在遮擋物或者視覺對接模塊發生故障時，即當視覺對接模塊無法獲取完整的著陸信標圖像時，獲取安裝在充電站上的多個藍牙4.0信號發射器發射的信號強度，并根據各個信號強度的不同，做出相應的飛行動作。同時，在對接完成后，此輔助模塊還用于與充電站的通信，通知充電站其已經進入充電就緒狀態，充電站開始充電。在充電完成后，通知充電站其已經進入充電完成狀態，充電站停止充電，從而節約電能。因此，此輔助模塊不但用于飛行器與充電站的通信，而且可以提高對接系統的抗干擾性。
[0020]優選的，所述飛行器GPRS模塊主要用于與地面監控站的數據傳輸。飛行器會實時將當前姿態信息以及坐標信息發送給地面監控站，并得到離自身最近的可用充電站坐標信息以及在異常情況下的飛行控制命令。同時，在飛行器與目標充電站完成對接后，經過地面監控站，發送開始或停止充電命令給充電站。由于飛行器與地面監控站通信數據量并不大，且飛行器與地面監控站距離較遠，并結合電力巡線的實際復雜地理狀況，而目前GPRS網絡幾乎覆蓋了祖國的各個角落，因此非常適合巡線飛行器與地面監控站通信。
[0021]因此，結合前文，飛行器與充電站的通信方式有兩種，當一種方式發生故障時仍可正常工作，提高了系統的抗干擾性。
[0022]充電站網絡由分布在電力線沿線附近的若干個充電站組成。每個充電站包含電源模塊、主控模塊、能量發射模塊、GPRS模塊、藍牙4.0通信模塊、多個藍牙4.0信號發射器、著陸信標。且每個充電站有獨一無二的網絡編號。電源模塊主要用于充電站各個模塊的供電。主控模塊主要用于負責與藍牙4.0模塊的通信、控制能量發射模塊的工作狀態。能量發射模塊主要包含發射線圈和DC-AC逆變模塊。GPRS模塊主要用于與地面監控站無線通信，將充電站可用情況實時發送給地面監控站，同時當飛行器與充電完成后，還用于接收開始充電或停止充電命令。藍牙4.0通信模塊用于與飛行器與充電站的通信，接收充電指示命令。多個藍牙4.0發射器主要用于發射無線電信號，為飛行器藍牙4.0輔助對接系統的重要組成部分。著陸信標主要用于飛行器與充電站視覺對接，此信標設計應滿足與周圍環境相比特征明顯，且飛行器易識別其特征和易計算飛行器與著陸信標相對姿態的條件。
[0023]作為優選，所述飛行器視覺對接攝像頭模塊安裝在飛行器機架中心正下方，并且攝像頭垂直向下，超聲波測距模塊安裝在機架正下方即可，且探頭垂直向下。兩者與機架均為固連。飛行器還應包含起落架，所述電池管理能量接收線圈安裝在飛行器中心正下方，且與起落架固連，水平放置，此外，不干擾視覺對接攝像頭模塊采集著陸信標。所述飛行器藍牙4.0輔助對接模塊安裝在飛行器正中心。
[0024]作為優選，所述充電站多個藍牙4.0信號發射器個數為3個，且三個發射器為等邊三角形三個頂點，組成小型定位網絡。所述充電站能量發射線圈中心與著陸信標中心、多個藍牙信號發射器組成等邊三角形的中心重合，且發射線圈安裝在充電站底座上，著陸信標安裝在充電站表面上。所述充電站DC-AC逆變模塊采用基于E類功率放大器逆變方式。E類功率放大器具有電路結構簡單、效率高等優點。充電站能量發射線圈與飛行器能量接收線圈采用近距離耦合方式。整個系統充電效率最高可達80%。
[0025]與現有技術相比，本發明的有益效果為:
[0026](I)本發明所述的電力巡線多旋翼飛行器自主無線充電系統檢測電池電量不足條件更為合理，在電量不足時，自主飛行至目標充電站充電，充電完成后，返回原地點繼續執行巡線任務，從而實現了飛行器的自動化長時間巡線。
[0027](2)本發明充電站結構簡單，無需復雜的機械伺服結構，適合野外多點投放安裝。并且本發明采用無線充電方式，沒有充電觸電，使用壽命長，避免安全隱患，同時兼顧美觀性。
[0028](3)本發明飛行器與充電站對接采用多種組合方式，在主要對接方式失效時，仍可以完成對接工作，提高了系統的抗干擾性，同時提高了對接精度，有利于后續高效無線充電。
[0029](4)本發明地面監控站、巡線飛行器、充電站網絡之間均可以通過GPRS網絡通信，覆蓋范圍廣，在復雜的地理條件下仍可以正常工作。
【附圖說明】
[0030]圖1為多旋翼飛行器結構示意圖；
[0031]圖2為充電站結構示意圖；
[0032]圖3為整個系統工作流程圖；
[0033]圖4為巡線多旋翼飛行器與充電站對接流程圖；
[0034]圖5為視覺