无人机自动充电方法及系统与流程

1.本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及无人机自动充电方法及系统。


背景技术：

2.随着无人机应用的日益广泛，相对于单一的无人机，蜂群无人机可以弥补载荷配置方面的不足，并能够协作执行复杂任务。
3.目前，蜂群无人机受限于无人机载重能力和电池储能能力，单次充电无法胜任长周期任务。现有技术中无人机补充能量的方式多为更换电池或有线充电方式，需要人工介入，不适于复杂恶劣环境中的任务执行。
4.针对上述不足，需要提出针对无人机充电的新方法。


技术实现要素：

5.本发明提供无人机自动充电方法及系统，用以解决现有技术中无法满足蜂群无人机自动充电需求的缺陷。
6.第一方面，本发明提供一种无人机自动充电方法，包括：确定无人机预设电量告警阈值，基于所述无人机预设电量告警阈值触发返回充电指令；依次基于全球定位系统gps导航、超宽带uwb定位和视觉定位，搜寻定位充电平台；待无人机降落至所述充电平台，无人机接收所述充电平台发送的充电指令，完成自动充电。
7.在一个实施例中，确定无人机预设电量告警阈值，基于所述无人机预设电量告警阈值触发返回充电指令，包括：获取执行任务所需电量，若判断无人机剩余电量低于所述执行任务所需电量，则触发返回充电指令；或者，若判断所述无人机剩余电量低于电量阈值，则触发返回充电指令。
8.在一个实施例中，依次基于全球定位系统gps导航、超宽带uwb定位和视觉定位，搜寻定位充电平台，包括：待触发所述返回充电指令后，通过gps信号进行导航，飞行至所述充电平台的uwb覆盖范围边缘，切换至uwb定位系统；所述uwb系统根据所述充电平台是否被占用、无人机排队数量以及无人机坐标，控制无人机搜索定位所述充电平台；待无人机进入视觉定位搜索范围内，由机器视觉基于所述充电平台的预设标识，完成无人机的精准定位和着陆。
9.在一个实施例中，所述uwb系统根据所述充电平台是否被占用、无人机排队数量以及无人机坐标，控制无人机搜索定位所述充电平台，之前包括：给所有无人机配置uwb标签，由所述uwb系统基于所述uwb标签获取每个无人机的
坐标。
10.在一个实施例中，所述uwb系统根据所述充电平台是否被占用、无人机排队数量以及无人机坐标，控制无人机搜索定位所述充电平台，具体包括：若判断所述充电平台没有被占用，则执行uwb定位导航至所述充电平台上方；若判断所述充电平台已被占用，且在当前无人机之前没有其它无人机排队充电，则执行uwb定位导航至所述充电平台的预设临时停靠区域，待充电无人机完成充电；若判断所述充电平台已被占用，且在当前无人机之前存在其它无人机排队充电，则执行原位降落停靠，待前面的无人机停靠充电平台后，执行uwb定位导航至所述充电平台的预设临时停靠区域。
11.在一个实施例中，待无人机进入视觉定位搜索范围内，由机器视觉基于所述充电平台的预设标识，完成无人机的精准定位和着陆，包括：由无人机上配置的机载相机拍摄获取所述预设标识，基于所述预设标识进行无人机位置的居中对准；基于所述无人机位置的居中对准，无人机以预设下落速度进行降落，直至完全停靠在所述充电平台上。
12.在一个实施例中，待无人机降落至所述充电平台，无人机接收所述充电平台发送的充电指令，完成自动充电，包括：根据所述充电指令，无人机暂停旋翼工作，开启无线充电，由uwb系统共享位置信息；通过广播形式将所述位置信息发送至后续排队无人机，待充电完成后，无人机再次起飞，待离开所述充电平台达到预设距离后，所述充电平台转换为空闲状态。
13.第二方面，本发明还提供一种无人机自动充电系统，包括：触发模块，用于确定无人机预设电量告警阈值，基于所述无人机预设电量告警阈值触发返回充电指令；定位模块，用于依次基于全球定位系统gps导航、超宽带uwb定位和视觉定位，搜寻定位充电平台；充电模块，用于待无人机降落至所述充电平台，无人机接收所述充电平台发送的充电指令，完成自动充电。
14.第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述无人机自动充电方法的步骤。
15.第四方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述无人机自动充电方法的步骤。
16.第五方面，本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述无人机自动充电方法的步骤。
17.本发明提供的无人机自动充电方法及系统，通过组合定位技术实现无人机自动充电，通过提高定位精度，实现无人机悬浮充电，也可降落至平台后无线充电，无需人工干预，有效提高蜂群无人机充电效率和任务适应能力。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明提供的无人机自动充电方法的流程示意图；图2是本发明提供的基于gps、uwb和机器视觉相结合的充电平台定位范围示意图；图3是本发明提供的无人机充电命令触发流程示意图；图4是本发明提供的无人机搜寻定位充电流程示意图；图5是本发明提供的无人机平台充电流程示意图；图6是本发明提供的uwb定位通讯系统搭建示意图；图7是本发明提供的三台无人机位置及相应落点示例图；图8是本发明提供的无人机a充电流程示意图；图9是本发明提供的无人机b充电流程示意图；图10是本发明提供的无人机c充电流程示意图；图11是本发明提供的无人机自动充电系统的结构示意图；图12是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于组合定位技术的针对蜂群无人机自动充电方法，图1是本发明提供的无人机自动充电方法的流程示意图，如图1所示，包括：s1，确定无人机预设电量告警阈值，基于所述无人机预设电量告警阈值触发返回充电指令；s2，依次基于全球定位系统gps导航、超宽带uwb定位和视觉定位，搜寻定位充电平台；s3，待无人机降落至所述充电平台，无人机接收所述充电平台发送的充电指令，完成自动充电。
22.需要说明的是，本发明提出的无人机自动充电方法，综合gps（global positioning system，全球定位系统）导航、uwb（ultra wide band，超宽带）和视觉系统三种空间定位技术，覆盖的范围如图2所示。其中，gps起到远距离，大范围定位功能，安装gps可以保证系统具备现有系统的完整功能。uwb系统可以用于在小范围内的精确定位，其定位误差小于10cm，可以保证无人机精确悬浮在目标位置。视觉系统，用于识别充电平台上的logo，利用识别进行确认，可以防止uwb定位系统出现故障，导致无人机降落在不合理的位置，增强系统的可靠性。同时，无人机在降落平台后，会与平台进行通讯，将自身位置准确传递给无线充电平台。平台中的充电线圈进行运动，到匹配无人机位置的最佳位置，从而保证
最佳的感应效果，提升充电效率。利用无人机组合定位和充电线圈定位相结合的方式，实现无人机的全自动充电。
23.具体地，包括无人机充电命令触发、无人机搜索定位充电平台以及无人机平台充电三部分，分别如图3、图4和图5所示，蜂群无人机在执行任务期间，实施监测自身剩余电量，当电量小于设定阈值时，则触发充电指令。充电指令触发后，无人机首先依靠gps导航，在充电平台附近，设立uwb基站，当无人机进入uwb基站检测范围时，由uwb定位系统接管gps信号进行定位，判断充电平台是否被占用；无人机进入充电平台上空后，将通过视觉方式进行精确定位和位姿调整，并降落至充电平台；充电平台接收充电指令，完成充电，并发送无人机充电完成指令，完成无人机自动充电。
24.本发明通过组合定位技术实现无人机自动充电，通过提高定位精度，实现无人机悬浮充电，也可降落至平台后无线充电，无需人工干预，有效提高蜂群无人机充电效率和任务适应能力。
25.基于上述实施例，该方法中步骤s1包括：获取执行任务所需电量，若判断无人机剩余电量低于所述执行任务所需电量，则触发返回充电指令；或者，若判断所述无人机剩余电量低于电量阈值，则触发返回充电指令。
26.具体地，本发明在判断任一无人机是否需要充电时，采用一种无人机充电指令自动触发方法，包括两种情况：一种是剩余电量少于预设的阈值；另一种是无人机剩余电量达不到无人机任务完成所需电量。
27.每台无人机携带bms（battery management system，电池管理系统）模块，通过bms模块监测无人机剩余电量，并实时反馈剩余电量至地面控制系统，一旦剩余电量少于电量阈值，则触发无人机返回充电指令；地面控制系统根据无人机执行任务所需电量与无人机剩余电量，决定是否发送返回充电指令，若剩余电量不足以支持无人机任务完成，则触发返回充电指令。
28.本发明通过设置无人机返回充电触发条件，在无人机运行过程中实时采集到电量使用情况，一旦无人机出现电量过低的情况，则触发返回充电指令，确保无人机能长时间稳定运行。
29.基于上述任一实施例，该方法中步骤s2包括：待触发所述返回充电指令后，通过gps信号进行导航，飞行至所述充电平台的uwb覆盖范围边缘，切换至uwb定位系统；所述uwb系统根据所述充电平台是否被占用、无人机排队数量以及无人机坐标，控制无人机搜索定位所述充电平台；待无人机进入视觉定位搜索范围内，由机器视觉基于所述充电平台的预设标识，完成无人机的精准定位和着陆。
30.其中，所述uwb系统根据所述充电平台是否被占用、无人机排队数量以及无人机坐标，控制无人机搜索定位所述充电平台，之前包括：给所有无人机配置uwb标签，由所述uwb系统基于所述uwb标签获取每个无人机的坐标。
31.其中，所述uwb系统根据所述充电平台是否被占用、无人机排队数量以及无人机坐
标，控制无人机搜索定位所述充电平台，具体包括：若判断所述充电平台没有被占用，则执行uwb定位导航至所述充电平台上方；若判断所述充电平台已被占用，且在当前无人机之前没有其它无人机排队充电，则执行uwb定位导航至所述充电平台的预设临时停靠区域，待充电无人机完成充电；若判断所述充电平台已被占用，且在当前无人机之前存在其它无人机排队充电，则执行原位降落停靠，待前面的无人机停靠充电平台后，执行uwb定位导航至所述充电平台的预设临时停靠区域。
32.其中，待无人机进入视觉定位搜索范围内，由机器视觉基于所述充电平台的预设标识，完成无人机的精准定位和着陆，包括：待无人机进入视觉定位搜索范围内，由机器视觉基于所述充电平台的预设标识，完成无人机的精准定位和着陆，包括：由无人机上配置的机载相机拍摄获取所述预设标识，基于所述预设标识进行无人机位置的居中对准；基于所述无人机位置的居中对准，无人机以预设下落速度进行降落，直至完全停靠在所述充电平台上。
33.需要说明的是，由于gps的定位误差为5m左右，只通过传统gps信号进行定位，误差较大。而uwb的定位精度可达厘米级，故在充电平台附近采用uwb系统进行定位，提高无人机的导航精度和效率。蜂群无人机上配备uwb标签，当无人机通过gps信号飞行到充电平台附近空域后，其位置将被uwb基站探测，之后由uwb接管其导航定位功能，如图6所示。
34.无人机进入uwb检测区域后会与基站共享自己的实时位置，基站为每一台进入探测区域的无人机进行id分配并持续跟踪其位置，当新的无人机进入检测区域后，会进行碰撞预判，当二者的坐标距离达到报警阈值后立马进行悬停并后撤，直到达到安全距离，防止发生碰撞。
35.当无人机根据uwb信号飞行至充电平台正上空时，启动视觉伺服精对准模式，uwb信号和视觉信号分别进行粗调和精调，飞行器在下落过程中通过调整自身姿态，始终保持充电平台的logo在视野中央，以较为缓慢的下落速度进行降落，直到完全停靠在充电平台上。
36.具体地，本发明还提供一种无人机充电排队策略，需要充电的无人机由gps导航更换为uwb定位时，地面控制系统首先判断充电平台是否被占用以及排队充电的无人机数量：情况一：若平台没有被占用，则执行uwb定位导航至充电平台上方；情况二：若平台已被占用，但没有其他无人机排队充电，则执行uwb定位导航至充电平台附近临时停靠，等待前面无人机充电完成；情况三：若平台被占用，且有其他无人机排队充电，则执行原位降落停靠，等待没有其他无人机充电后，再执行情况二。
37.此处，充电过程中无人机始终共享自己的uwb坐标，当后续充电的飞行器进入uwb检测范围时，基站广播充电平台被占用的信息，后续飞行器降落等待，直到先达的飞行器充电完成。
38.本发明通过在uwb对无人机进行导航定位过程中，综合判断充电平台占用情况、无人机排队数量以及每个无人机的实时坐标，实现了多个无人机在充电平台上的充电统筹调
度，提高蜂群无人机的整体充电效率。
39.基于上述任一实施例，该方法步骤s3包括：根据所述充电指令，无人机暂停旋翼工作，开启无线充电，由uwb系统共享位置信息；通过广播形式将所述位置信息发送至后续排队无人机，待充电完成后，无人机再次起飞，待离开所述充电平台达到预设距离后，所述充电平台转换为空闲状态。
40.具体地，待无人机完全停靠在充电平台后，飞行器停靠后旋翼暂停工作，开始无线充电，uwb模块保持低功率工作状态，继续共享位置信息，基站通过广播的形式告知后续充电排队无人机，充电平台被占用。充电完成后无人机再次起飞，飞离充电平台一定距离后，充电平台转换为空闲状态，基站告知最先登台的无人机，无人机重复上述步骤进行自主停靠并充电。
41.此处，视觉识别可以采用开源微型机器视觉模块, 对其能够编程来实现一系列功能，具有开发方便、高效和工作稳定的特点。通过视觉基准系统，可以计算充电平台相对于相机的精确3d位置，方向和id。应用标识识别，可将id和位置信息传输给飞控，由此可得出飞行器位置信息，做出路径判断并进行误差校正。
42.本发明通过三种空间导航定位技术，实现无人机由远到近的定位，从粗定位到精定位，实现了全流程的自动引导和监测，无需人工接入，提高了蜂群无人机充电效率。
43.基于上述任一实施例，本发明以三台无人机为示例，来说明本发明所提出的无人机自动充电方法。
44.三台无人机分别定义为无人机a、无人机b、无人机c。三台无人机对应的起飞点分别定义为起飞点l、起飞点m、起飞点n。充电点定义为充电点i，离充电点较近处为停靠点j，离充电点较远处（刚进入uwb检测区域）为停靠点k，如图7所示。
45.充电整体流程包括：无人机a充电：无人机a首先从起飞点l起飞，飞行到充电点i进行充电；精准降落并开始充电后，无人机b从起飞点m起飞，飞行到停靠点j进行待机等待；降落之后，无人机c从起飞点n起飞，飞行到停靠点k进行待机等待。
46.无人机b充电：待无人机a电量充满后，无人机b准备充电。此时，无人机a从充电点i返航回其起飞点n；降落之后，充电点i空闲，无人机b从其停靠点j起飞，飞行到充电点i，精准降落后开始充电。
47.无人机c充电：待无人机b电量充满后，无人机c准备充电。此时，无人机b从充电点i返航回其起飞点l；降落之后，充电点i空闲，无人机c从其停靠点k起飞，飞行到充电点i，精准降落后开始充电。充完电之后，无人机c从充电点i起飞返航回其起飞点n。
48.其中，无人机a的充电流程具体包括：在软件端点击“一键起飞”之后，无人机a从其起飞点n起飞，前期无人机按照自身gps导航到充电点附近区域，此时无人机已进入uwb定位范围，飞行到充电点附近后，依靠uwb定位对自身位置进行微调，微调飞行到充电点i上空后，通过摄像头对充电点i的logo进行识别，最终精准降落到充电点i进行无线充电。
49.无人机a降落充电后，无人机b从其起飞点m起飞，前期无人机按照自身gps导航到充电点附近区域，进入uwb定位范围后，依靠uwb定位对自身位置进行微调，微调飞行到停靠
点j进行待机等待。
50.无人机b降落后，无人机c从其起飞点l起飞，前期无人机按照自身gps导航到充电点附近区域，进入uwb定位范围后，依靠uwb定位对自身位置进行微调，微调飞行到停靠点k进行待机等待。无人机a充电流程如图8所示。
51.无人机b的充电流程具体包括：待无人机a电量充满后，无人机b准备充电。此时，无人机a从充电点i起飞，依靠自身gps返航回其起飞点n；降落之后，充电点i空闲，无人机b从其停靠点j起飞。由于无人机b在uwb定位范围内，依靠uwb定位对自身位置进行微调，微调飞行到充电点i上空后，通过摄像头对充电点i的logo进行识别，最终精准降落到充电点i进行无线充电。无人机c继续在其停靠点k等待无人机b充电完成。无人机b充电流程如图9所示。
52.无人机c的充电流程具体包括：待无人机b电量充满后，无人机c准备充电。此时，无人机b从充电点i起飞，依靠自身gps返航回其起飞点m；降落之后，充电点i空闲，无人机c从其停靠点k起飞。由于无人机c在uwb定位范围内，依靠uwb定位对自身位置进行微调，微调飞行到充电点i上空后，通过摄像头对充电点i的logo进行识别，最终精准降落到充电点i进行无线充电。充电完成之后，无人机c从充电点i起飞，依靠自身gps返航回其起飞点l。无人机c充电流程如图10所示。
53.下面对本发明提供的无人机自动充电系统进行描述，下文描述的无人机自动充电系统与上文描述的无人机自动充电方法可相互对应参照。
54.图11是本发明提供的无人机自动充电系统的结构示意图，如图11所示，包括：触发模块1101、定位模块1102和充电模块1103，其中：触发模块1101用于确定无人机预设电量告警阈值，基于所述无人机预设电量告警阈值触发返回充电指令；定位模块1102用于依次基于全球定位系统gps导航、超宽带uwb定位和视觉定位，搜寻定位充电平台；充电模块1103用于待无人机降落至所述充电平台，无人机接收所述充电平台发送的充电指令，完成自动充电。
55.本发明通过组合定位技术实现无人机自动充电，通过提高定位精度，实现无人机悬浮充电，也可降落至平台后无线充电，无需人工干预，有效提高蜂群无人机充电效率和任务适应能力。
56.图12示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图12所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)1210、通信接口(communications interface)1220、存储器(memory)1230和通信总线1240，其中，处理器1210，通信接口1220，存储器1230通过通信总线1240完成相互间的通信。处理器1210可以调用存储器1230中的逻辑指令，以执行无人机自动充电方法，该方法包括：确定无人机预设电量告警阈值，基于所述无人机预设电量告警阈值触发返回充电指令；依次基于全球定位系统gps导航、超宽带uwb定位和视觉定位，搜寻定位充电平台；待无人机降落至所述充电平台，无人机接收所述充电平台发送的充电指令，完成自动充电。
57.此外，上述的存储器1230中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以
使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器（rom，read
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only memory）、随机存取存储器（ram，random access memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
58.另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的无人机自动充电方法，该方法包括：确定无人机预设电量告警阈值，基于所述无人机预设电量告警阈值触发返回充电指令；依次基于全球定位系统gps导航、超宽带uwb定位和视觉定位，搜寻定位充电平台；待无人机降落至所述充电平台，无人机接收所述充电平台发送的充电指令，完成自动充电。
59.又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的无人机自动充电方法，该方法包括：确定无人机预设电量告警阈值，基于所述无人机预设电量告警阈值触发返回充电指令；依次基于全球定位系统gps导航、超宽带uwb定位和视觉定位，搜寻定位充电平台；待无人机降落至所述充电平台，无人机接收所述充电平台发送的充电指令，完成自动充电。
60.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
61.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
62.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。