基于通信感知计算传能一体化的无人机充电方法和系统

1.本发明涉及通信感知技术领域和无线传能技术领域，具体涉及一种基于通信感知计算传能一体化的无人机充电方法和系统。


背景技术：

2.近年来，无人机的运用越来越广泛，在民用和军用上都展现出了它的优势。在空域巡检和对军事目标打击上都起到了不可或缺的作用。相对于人力来讲，无人机具有制造成本低、机动性强、控制简单等特点，且因为处于空域中，也能不受地形地貌、天气环境的限制。
3.但是无人机的续航能力较差，对于旋翼较多的无人机，电池在单次作业中只能维持30min左右，这大大限制了单个无人机能够工作的范围，致使其不能完成一些更加复杂的工作。在每次无人机电池用尽时，都需要降下来，人工进行电池的更换，或者是在无人机上搭载一个备用电池进行更换。这大大降低了无人机的工作效率，在民用环境下尚可，但在军用环境下这一问题可能就是致命的。
4.现有的无人机充电方案中，如专利“cn201910839143.4，一种智能型无人机自动充电系统”，采用的无人机与总控制台通信，由总控制台向其通信告知停机坪的位置，这种方式导致了整个充电流程效率较慢。充电方案大多数都为接触式充电方案，但是接触式的充电方案对无人机的落点位置精度要求较高。也有少数的非接触式的无线充电方案，其原理为电磁波传能，文献"space solar power programs and microwave wireless power transmission technology(ieee ,2002 ,3(4):46-57 .mcspadden j o and mankins j c)"表明当发射天线和接收天线的方向性较高时，电磁波能量从发射天线到接收天线的传输效率能达到80%以上，说明了电磁波传能实现无线充电的可行性。但是由于无线充电时，无人机受自身产生的气流以及周围环境气压风向的变化的影响，会使自身的空间位置不断变化，如果不能及时通过通信感知更新无人机的位置，会使无线充电的效率大大降低。同时，现有的方案中对停机坪的充电区域也并未进行合理的分配，对充电桩的利用率也大打折扣。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于通信感知计算传能一体化的无人机充电方法和装置。本发明通过实时感知计算欠电状态无人机的空间位置，基于感知和通信技术协作引导无人机悬停或降落到特定区域，并进行无线充电，能够提高充电效率。
6.本发明通过下述技术方案实现：一种基于通信感知计算传能一体化的无人机充电方法，该方法基于停机坪端实现，包括：按照预设信号形式向空域中发送加密通信广播和感知信号并接收无人机发出的充电请求信号；所述加密通信广播和感知信号包括停机坪的位置以及传能区域空闲状态，
该信号在空中传播，接触到无人机后返回停机坪天线。所述充电请求信号包括充电的请求、无人机的执行任务等级；根据该无人机发出的充电请求信号或加密通信广播和感知信号的返回信号，计算得到该无人机当前的空间位置。发射引导信号给该无人机以引导该无人机前往该停机坪，所述引导信号包括对充电请求的回复、无人机相对于停机坪当前的空间位置、以及无人机需要前往的位置；根据该无人机的执行任务等级和该停机坪传能区域的空闲状态确定该无人机应当前往的传能区域，并通过引导信号引导无人机至该传能区域进行充电；在充电过程中实时修正该无人机当前的空间位置，实现电磁能以点聚焦的无线传能形式送至无人机，完成充电。
7.作为优选实施方式，本发明的方法还包括：采用网格划分方法将停机坪划分为至少一个待命区域、多个传能区域和至少一个离开区域；所述传能区域四周布置有tr天线；多个传能区域划分为高等级空间传能区域和低等级空间传能区域；其中，所述高等级空间传能区域负责对执行任务等级高、且不需要完全充满电的无人机进行短时充电；所述低等级空间传能区域负责对执行任务等级低、且需要充满电的无人机进行长时充电。
8.作为优选实施方式，本发明的根据该无人机的任务等级和停机坪传能区域的空闲状态确定该无人机应当前往的传能区域，具体为：如果该停机坪存在空闲的传能区域，则将执行任务等级高的无人机安排在空闲的高等级空间传能区域，将任务等级低的安排在空闲的低等级空间传能区域；否则将无人机安排在待命区域进行等待。
9.作为优选实施方式，本发明的方法还包括：在该无人机前往停机坪途中，实时感知计算该无人机当前的空间位置，并将该空间位置和无人机需要前往位置发送给无人机；在该无人机到达停机坪后，根据无人机通信传回的执行任务等级及停机坪传能区域的状态按照预先设置的调度策略引导无人机悬停或降落在相应的传能区域。
10.作为优选实施方式，本发明的在充电过程中实时修正该无人机当前的空间位置，具体为：通过分布在传能区域四周的tr天线接收无人机发送的充电请求信号；在接收到充电请求信号后，根据tr时间反演，自适应对无人机定位，从而不断更新无人当前空间位置。
11.作为优选实施方式，本发明的方法还包括：在无人机完成充电后，引导无人机飞离停机坪，并断开引导信号。
12.作为优选实施方式，本发明的在无人机完成充电后，引导无人机飞离停机坪，并断开引导信号，具体为：接收无人机发出的断开充电请求，并根据该断开充电请求确定无人机的离开区域的坐标和路径；计算无人机当前的空间位置坐标，并向无人机发送无人机的离开区域的位置坐标、路径以及无人机当前的空间位置坐标，引导无人机飞往该离开区域；
当感知到无人机当前的空间位置坐标与离开区域的位置坐标一致时，则与无人机断开引导信号。
13.第二方面，本发明提出了基于通信感知计算传能一体化的无人机充电方法，该方法基于无人机端实现，包括：实时监测并更新无人机当前的电量状态，当电量低于当前任务所需电量的最低阈值时，根据加密通信广播和感知信号选择就近的停机坪，发送充电请求信号；充电请求信号包括充电请求以及执行任务等级；接收到停机坪发出的引导信号，并解调得到该无人机当前的空间位置以及传能区域的坐标信息；根据解调得到的信息，控制无人机飞往该传能区域进行充电；充电过程中，实时监测并更新无人机当前的电量状态，若在正常充电且未充满，则持续向停机坪发送充电请求信号请求充电，并接收停机坪发出的无人机当前的空间位置信息；根据停机坪发出的无人机当前的空间位置信息，不断更新当前空间中无人机悬停或降落位置，保证电磁波点聚焦传能，完成充电。
14.完成充电后，通过充电请求信号发送充电完成的状态，根据引导信号离开停机坪。
15.第三方面，本发明提出了一种基于通信感知计算传能一体化的无人机充电系统，包括：电池电量监测模块，用于实时监测无人机当前电量，如果低于当前任务所需电量的最低阈值时，则进行预警；无人机通信模块，用于接收空间中由停机坪发出的加密广播信号，并在所述电池电量监测模块发出预警时，向停机坪发送充电请求以及执行任务等级信息；无人机计算中心模块，与所述电池电量监测模块和无人机通信模块通信连接，用于存储所述无人机通信模块接收到的当前环境下停机坪的位置信息。
16.第四方面，本发明提出了一种基于通信感知计算传能一体化的无人机充电系统，包括：停机坪通信与感知模块，用于向空域中发送加密通信广播和感知信号、引导信号，同时接收所述无人机发出的充电请求；所述引导信号包括无人机当前的空间位置、对充电请求的回复以及停机坪当前空闲的传能区域的坐标信息；停机坪计算中心模块，与所述停机坪通信与感知模块连接，用于计算无人机当前的空间位置以及停机坪当前空闲的传能区域，并根据无人机当前的空间位置以及当前空闲的传能区域进行充电任务调度和导航；传能模块，实现电磁能以点聚焦的无线传能形式送至无人机，完成充电。
17.本发明具有如下的优点和有益效果：1、本发明提供的无人机充电技术，通过实时感知计算在欠电状态下无人机的空间位置，协作引导无人机快速悬停或降落在合适的充电区域，并进行无线充电，有效提升信息处理效率和传能效率，保证了在空间环境中，同时执行任务的无人机群组能够高效的完成充电，保证任务工作的持续性。
18.2、本发明提供的无人机充电技术，由停机坪端负责高精度的感知计算功能，从而
使得无人机无需搭载高精度的感知模块和有复杂计算功能的计算模块，显著降低了成本，同时降低了无人机的能耗。
19.3、本发明提供的无人机充电技术，将停机坪进行网格划分，从而能根据任务优先级调度无人机的充电，使充电过程更加快速合理，提高了停机坪的利用率，也提高了无人机的充电效率。
20.4、本发明提供的无人机充电技术，基于tdoa定位后，在定位范围内利用tr时间反演技术，进一步提高定位精度，达到厘米级，辅助更新无人机充电位置，有利于提高电磁波点聚焦传能效率。
附图说明
21.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：图1是本发明实施例的流程示意图。
22.图2是本发明实施例的停机坪天线分布与无人机的相对位置图。
23.图3是本发明实施例的通信信号帧结构示意图。
24.图4是本发明实施例的停机坪与无人机开始充电前的通信感知过程示意图。
25.图5是本发明实施例的单个传能区域天线排列示意图。
26.图6是本发明实施例的通信感知计算传能一体化示意图。
27.图7是本发明实施例的停机坪与无人机充电过程的通信感知计算传能一体化示意图。
28.图8是本发明实施例的无人机端的系统原理框图。
29.图9是本发明实施例的停机坪端的系统原理框图。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
31.实施例1现有无人机无线充电技术，由于无人机自身产生的气流以及周围环境气压风向的变化的影响，会使自身的空间位置不断变化，如果不能及时通过通信感知更新无人机的位置，会使无线充电的效率大大降低。因此，本实施例提出了一种基于通信感知计算传能一体化的无人机充电方法，本实施例提出的方法通过实时感知计算欠电状态无人机的空间位置，基于感知和通信技术协作引导无人机悬停或降落到特定区域，并进行无线充电，提高了充电效率。
32.具体如图1所示，本实施例提出的方法基于停机坪端实现，包括以下步骤：按照预设信号形式向空域中发送加密通信广播和感知信号（即进行加密广播），该加密通信广播和感知信号包括停机坪的位置以及传能区域空闲状态（即传能区域是否空闲），该信号在空中传播，接触到无人机后返回停机坪天线；接收无人机发出的充电请求信号，所述充电请求信号包括充电的请求、无人机的
执行任务等级；根据无人机发出的充电请求信号或加密通信广播和感知信号的返回信号计算得到该无人机当前的空间位置，发射引导信号给该无人机以引导该无人机飞往停机坪；该引导信号包括对充电请求的回复、无人机相对于停机坪当前的空间位置、以及无人机需要前往的位置；根据该无人机的执行任务等级和停机坪传能区域的空闲状态确定该无人机应当前往的传能区域，并通过引导信号引导无人机至该传能区域进行充电；在充电过程中，实时修正该无人机当前的空间位置，实现电磁能以点聚焦的无线传能形式送至该无人机，完成充电；在无人机充电完成后，引导无人机飞离停机坪，并断开引导信号。
33.本实施例提供的方法通过无人机发射的通信信号感知计算无人机的空间位置，并将停机坪位置信息和无人机位置信息发送给无人机，无人机在欠电时，在停机坪的调度引导下在合适的充电区域进行充电，在充电过程中，实时修正无人机当前的空间位置，保证电磁能以点聚焦到无人机的负载上，提升了无线传能的效率。
34.本实施例提供的方法在停机坪端实现高精度感知定位和无人机位置计算等复杂计算功能，从而使得无人机无需搭载高精度的感知模块和有复杂计算功能的计算模块，显著降低了成本，同时降低了能耗。
35.进一步的，本实施例采用网格划分方法将停机坪划分为至少一个待命区域、多个传能区域和至少一个离开区域。
36.其中，待命区域用于在无人机需要充电且无空闲传能区域时，无人机在待命区域进行等待；离开区域用于在无人机完成充电后，经待命区域飞离停机坪；多个传能区域被划分为高等级空间传能区域和低等级空间传能区域，其中高等级空间传能区域负责对执行任务等级高、且不需要完全充满电的无人机进行短时充电；低等级空间传能区域负责对执行任务等级低、且需要充满电的无人机进行长时充电。每个传能区域四周布置有tr天线阵列，用于感知无人机的信号。本实施例图2中以4个传能区域为例进行说明，但不对此进行限制。
37.本实施例基于上述网格划分，确定无人机的调度策略，即根据无人机的任务等级和停机坪传能区域的空闲状态确定该无人机应当前往的传能区域，具体为：如果该停机坪存在空闲的传能区域，则执行任务等级高的无人机安排在空闲的高等级空间传能区域，执行任务等级低的安排在空闲的低等级空间传能区域；否则将无人机安排在待命区域进行等待。
38.无人机执行任务分为军用和民用两方面，在军用环境下任务分为：侦查、监视、目标打击等，在民用环境下任务分为：收集现场数据、向区域内广播传递信息、隔空讲话、特殊物质的播种和喷洒等。无人机执行任务的等级在不同的环境下不同，在不同的环境下，根据需要执行的任务，人为的进行任务等级的排序设定，并在本次执行过程中按照该等级标准施行。
39.本实施例采用网格划分方法对停机坪网格划分，划分出低等级区域和高等级区域，能根据任务优先级调度无人机的充电，使充电过程更加合理，提高了停机坪的利用率，也提高了无人机的充电效率。
40.进一步的，如图4所示，本实施例的停机坪在与无人机建立通信后（即包括无人机
飞往停机坪途中，无人机达到停机坪中，以及充电过程全过程），实时感知无人机发出的信息并计算无人机的当前位置信息，再将无人机的当前位置信息反馈给无人机，具体为：采用基于tdoa的定位方法感知计算出无人机当前位置坐标，并将无人机当前位置坐标反馈给无人机。图3为通信信号帧结构，其中在通信部分内容子帧后预留了tdoa定位的子帧位置，进行无人机当前位置坐标的感知计算。本实施例的感知过程中空间位置计算部分，具体为：通过测量通信信号到达停机坪各天线单元的时间差，来对信号源即无人机进行定位。
41.时间差可以利用相关算法进行计算，在同一时刻，如图5所示，天线1和天线2接收到的信号分别为和，噪声为和；则，，其中为到达两个天线的时间差，为两个信号的幅度比，于是两个信号的相关函数为：；当信号与噪声不相关时，为0；即，当时，相关函数值最大，即通过求出相关函数的最大值从而求得时间差。再将时间差转换为距离差，得到一条双曲线，通过停机坪上布置的多个天线，可得多条双曲线相交，从而实现了对无人机的感知定位。
42.本实施例中，在无人机到达停机坪后，根据无人机通信传回的执行任务等级及停机坪传能区域的状态按照上述设置的调度策略引导无人机悬停或降落在相应的传能区域。
43.进一步的，本实施例在充电过程中实时修正该无人机当前的空间位置，以保证电磁能以点聚焦的无线传能形式送至无人机，具体为：通过分布在传能区域四周的tr天线阵列接收无人机发送的充电请求信号；在接收到无人机发送的充电请求信号后，根据tr时间反演，自适应对无人机定位，从而不断辅助更新无人机当前空间位置。图5为单个传能区域天线排列示意图，通过tr时间反演进行定位的步骤为：首先，单个传能区域的阵列天线对信号源即无人机进行探测并采集无人机主动源信号。然后，将采集到的信号进行tr 处理，即对所采集到的信号进行时间上的反转处理，其信号的频谱特点为信号经过信道输出的频谱取复共轭后，即得到时间反演信号频谱。将时间反演处理后的信号与阵列接收天线的位置进行匹配，重新发射时间反演信号。最后，将接收信号与信道估计的时间反演作卷积，使各多径信号相干叠加产生聚焦，进而确定无人机的具体位置。
44.本实施例采用tdoa定位技术结合tr时间反演定位技术，实现无人机的精准定位，保证点聚焦传能的效率。其中，tdoa定位用于无人机还未到达传能区域时以及到达传能区域但未开启充电时，利用分布在整个传能区域周围的阵列天线进行定位，实现的是粗定位。tr时间反演用于无人机充电时，利用的是对应的单个充电区域中的tr天线阵列，能在tdoa定位的基础上，将定位的精度进一步提升，从传能效率这一角度来看，能进一步的保证点聚焦传能的效率。
45.进一步的，本实施例在充电传能过程中，还包括：按照预设信号周期，向无人机发送允许继续充电的指令；
如果接收到无人机发射的请求继续充电的信号，则实时感知计算无人机当前的空间位置信息，并将无人机当前的空间位置和理想空间位置发送给无人机。
46.进一步的，本实施例中，在无人机完成充电后，引导无人机飞离停机坪，并断开引导信号，具体为：接收无人机发出的断开充电请求，并根据该断开充电请求确定无人机的离开区域的坐标和路径；计算无人机当前的空间位置坐标，并向无人机发送无人机的离开区域的位置坐标、路径以及无人机当前的空间位置坐标，引导无人机飞往该离开区域；当感知到无人机当前的空间位置坐标与离开区域的位置坐标一致时，则与无人机断开引导信号。
47.实施例2本实施例提出了一种基于通信感知计算传能一体化的无人机充电方法，该方法基于无人机端实现，如图6所示，具体包括以下步骤：实时监测并更新无人机当前的电量状态，当电量低于当前任务所需电量的最低阈值时，选择预先存储的就近的停机坪建立通信，发送充电请求信号，充电请求信号包括充电请求以及执行任务等级；接收到停机坪发出的引导信号，并解调得到该信号内容；反馈信号包括无人机当前的空间位置和对充电请求的回复；根据解调得到的信息，控制无人机飞往该停机坪的传能区域进行充电；充电过程中，实时监测并更新无人机当前的电量状态，若在正常充电且未充满，则持续向停机坪发送充电请求信号请求充电，并接收停机坪发出的无人机当前的空间位置信息；根据停机坪发出的无人机当前的空间位置信息，不断更新当前空间中无人机悬停或降落位置，保证电磁波点聚焦传能；完成充电后，通过充电请求信号发送充电完成的状态，根据引导信号离开停机坪。
48.实施例3本实施例提出了一种基于通信感知计算传能一体化的无人机充电方法，该方法基于由停机坪端和无人机端构成的系统实现，如图7所示，具体包括以下步骤：停机坪按照预设信号形式向空域中发射加密通信广播和感知信号（进行加密广播通信），加密通信广播和感知信号包括停机坪位置、传能区域状态（例如，是否空闲等）；空域中的无人机持有秘钥，通过自己的无人机通信模块接收加密广播信号，并解调信号，获取通信内容并进行存储；空域中的无人机通过监测并更新当前的电量状态，当电量低于当前任务所需电量的最低阈值时，按照存储的停机坪信息，选择就近的停机坪发送充电请求信号，通信内容包括充电请求以及自己执行的任务等级；停机坪根据无人机发出的充电请求信号感知计算无人机当前的空间位置，并根据该无人机发出的充电请求信号和停机坪传能区域的状态确定该无人机应当前往的传能区域，并发射引导信号给无人机；该引导信号包括无人机相对于停机坪的当前的空间位置、对充电请求的回复、以及无人机需要前往的位置；
无人机接收到引导信号，解调得到通信内容过后，前往传能区域充电；无人机前往停机坪的途中，停机坪实时感知计算该无人机当前的空间位置，并将其发送给无人机；无人机到达停机坪后，停机坪根据无人机通信传回的执行任务等级及停机坪传能区域的状态按照预先设置的调度策略通过引导信号引导无人机悬停或降落在相应的传能区域进行充电；在无人机充电过程中，停机坪与无人机保持通信，停机坪实时感知计算该无人机当前的空间位置，并将其发送给无人机；并利用传能区域四周设置的tr天线阵列，实时修正该无人机在空间中的位置，以保证电磁能以点聚焦的无线传输形式至无人机，提高传输效率；在无人机充电完成后，停机坪引导无人机飞离停机坪，并与无人机断开引导信号。
49.实施例4本实施例提出了一种基于通信感知计算传能一体化的无人机充电系统，该系统包括无人机端和/或停机坪端。
50.其中如图8所示，该无人机端包括：电池电量监测模块，用于实时监测无人机当前电量，如果低于当前任务所需电量的最低阈值时，则进行预警；无人机通信模块，用于接收空间中由停机坪发出的加密广播信号，并在所述电池电量监测模块发出预警时，向停机坪发送充电请求以及执行任务等级信息；无人机计算中心模块，与所述电池电量监测模块和无人机通信模块通信连接，用于存储所述无人机通信模块接收到的当前环境下停机坪的位置信息。
51.如图9所示，该停机坪端包括：停机坪通信与感知模块，用于向空域中发送加密通信广播和感知信号、引导信号，同时接收所述无人机发出的充电请求信号；所述引导信号包括无人机相对于停机坪的当前的空间位置、对充电请求的回复以及停机坪当前空闲的传能区域的坐标信息；停机坪计算中心模块，与所述停机坪通信与感知模块连接，用于计算的无人机当前的空间位置以及停机坪当前空闲的传能区域，并根据无人机当前的空间位置以及当前空闲的传能区域进行充电任务调度和导航；传能模块，实现电磁能以点聚焦的无线传能形式送至无人机，完成充电以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。