一种无人机电池管理的无线充电系统的制作方法

1.本发明涉及无人机无线充电技术领域，具体是一种无人机电池管理的无线充电系统。


背景技术：

[0002]“无人机”即“无人驾驶飞机”，广义上为不需要驾驶员登机驾驶的各式遥控飞行器。无人机因其飞行速度快、打击目标准等良好性能，最早被应用于军事。二十世纪九十年代后，随着微机电系统(mems)技术的迅速发展及单片机性能的不断提升，搭载了小型惯性导航系统的多旋翼无人机问世。由此掀开了无人机小型化、民用化的革命浪潮。近年来，无人机逐渐被应用于航拍摄影，快递物流，环境监控，设备巡检等方面。目前我国国内小型无人机的市场发展迅速，小型无人机的应用场景也在不断拓宽。然而，目前市面上的无人机大多采用人工有线充电的方式，当无人机在户外进行作业时充电极为不便，这在一定程度上限制了无人机的大规模使用。同时，近年来无线充电技术不断成熟，并在汽车、手机及小型家电设备上得到了一定范围内的成功应用。相比于有线能量传输方式，无线充电不受空间限制，且无接插环节、无裸漏导体，更加适合为小型无人机供能。
[0003]
经检索，中国专利“一种基于无线充电的无人机充电平台及充电方法”在线圈电磁优化等方面做出了创新；申请号为2018108887219的中国专利“一种电抗自适应无线能量发射系统”对无线充电发射系统在阻抗匹配等方面做出了一些的改进。
[0004]
但上述专利也存在一定的缺点：
[0005]
1.所采用的高频逆变电路为固定电压进行供电，而接收端反射到发射系统的等效阻抗则是千变万化的，当反射阻抗变小时，会导致逆变电流增大，从而对系统构成威胁甚至造成损坏，反之当反射阻抗变大时，则会导致逆变电流减小，造成充电功率过小，减慢充电速度。另一方面，当负载完全消失(如充满或将充电的设备移开)时系统不会自动停止发射能量，根据互感耦合理论，发射系统反而会最大功率发射能量，造成能量的损失和系统的损坏。
[0006]
2.上述无线充电器结构扩展性较差，一个充电器只能为单个待充电的无人机设备进行充能，不适用于小型无人机等需大规模充电的使用场景，不利于广泛的推广和普及。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的在于提供一种无人机电池管理的无线充电系统，以解决上述背景技术中提出根据互感耦合理论，发射系统反而会最大功率发射能量，造成能量的损失和系统的损坏，结构扩展性较差，一个充电器只能为单个待充电的无人机设备进行充能的问题。
[0008]
本发明的技术方案是：一种无人机电池管理的无线充电系统，无线充电系统包括无人机机载端和充电基站，所述无人机机载端包括无人机主控模块、充电管理模块、导航模块、视觉对接模块和蓝牙模块，所述充电管理模块、导航模块、视觉对接模块和蓝牙模块与无人机主控模块之间呈电性连接，所述充电基站包括基站主控模块、蓝牙模块和无线充电
电路，所述蓝牙模块和无线充电电路与基站主控模块之间呈电性连接。
[0009]
进一步地，所述导航模块包括惯性测量单元、三轴磁力计和gps模块，所述视觉对接模块包括摄像头模块、从处理器和超声波测距模块，且摄像头模块和超声波测距模块与从处理器之间呈电性连接。
[0010]
进一步地，所述无线充电电路包括整流滤波电路、dc-dc变换电路、逆变电路和驱动电路。
[0011]
进一步地，所述无人机包括以下无线充电步骤：
[0012]
①
.开始，系统初始化进行自检；
[0013]
②
.判断自检是否成功，是，执行巡检任务，否，进入报错状态；
[0014]
③
.随后测量剩余电量，判断电量是否≦20％，否，返回执行巡检任务，是，利用gps记录当前位置；
[0015]
④
.然后寻找最近的基站，判断是否成功，否，返回寻找最近的基站，是，调用视觉对接程序完成测距和信标检测；
[0016]
⑤
.无人机降落进行蓝牙配对，判断蓝牙配对是否成功，否，继续进行蓝牙配对，是，执行充电；
[0017]
⑥
.判断电量是否达到100％，否，继续执行充电，是，通知充电基站停止充电；
[0018]
⑦
.最后，调出充电之前的位置信息并飞向该处，执行巡检任务。
[0019]
进一步地，所述导航模块包括以下导航步骤
[0020]
a.无人机开始读取gps数据
[0021]
b.无人机读取三轴加速度计数据、读取三轴角速度计数据和读取三轴磁力计数据；
[0022]
c.对三轴加速度计数据、读取三轴角速度计数据和读取三轴磁力计数据进行九轴数据解算，获得无人机姿态角；
[0023]
d.gps数据存储，返回。
[0024]
进一步地，所述视觉对接模块包括以下执行流程：
[0025]
a.开始，调整无人机横滚角与俯仰角为零并测量当前高度；
[0026]
b.判断高度是否﹤3m，否，降低高度继续测量当前高度，是，调用信标检测程度调整无人机至充电基站正上方；
[0027]
c.无人机缓慢降落到充电基站，对接完成关闭电机，返回。
[0028]
进一步地，所述信标检测包括以下检测流程：
[0029]ⅰ.开始，无人机进行图像采集；
[0030]ⅱ.图像灰度化；
[0031]ⅲ.图像边缘检测；
[0032]ⅳ.着陆信标特征检测；
[0033]
ⅴ
.相对位置解算，返回。
[0034]
进一步地，所述充电基站包括以下执行流程：
[0035]
㈠.开始，充电基站系统初始化；
[0036]
㈡.系统定时自检，判断自检是否成功，否，报警进行维修，是，判断是否有蓝牙配对；
[0037]
㈢.判断是否有蓝牙配对，否，返回执行系统定位自检，是，判断是否收到充电通知，否，返回执行判断是否收到充电通知，是，进行充电；
[0038]
㈣.充电完成后，判断是否收到停止充电通知，否，返回执行进行充电，是，停止充电，返回系统定时自检。
[0039]
本发明通过改进在此提供一种无人机电池管理的无线充电系统，与现有技术相比，具有如下改进及优点：
[0040]
(1)本发明无人机机载端与充电基站无线充电和蓝牙信息交互，实现了无人机自主降落至充电基站上的功能，并且通过无线通讯实现了对充电基站无线充电开始和结束的控制，很好的实现了多个无人机自主无线充电功能。
附图说明
[0041]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释:
[0042]
图1是本发明的无线充电系统结构示意图；
[0043]
图2是本发明的无人机机载端结构示意图；
[0044]
图3是本发明的充电基站结构示意图；
[0045]
图4是本发明的无线充电流程结构示意图；
[0046]
图5是本发明的无线充电流程结构示意图；
[0047]
图6是本发明的导航模块导航流程结构示意图；
[0048]
图7是本发明的视觉对接模块流程结构示意图；
[0049]
图8是本发明的信标检测流程结构示意图；
[0050]
图9是本发明的充电基站充电流程结构示意图。
具体实施方式
[0051]
下面将结合附图1至图9对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
[0052]
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0053]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0054]
本发明通过改进在此提供一种无人机电池管理的无线充电系统，如图1-图9所示，无线充电系统包括无人机机载端和充电基站，无人机机载端包括无人机主控模块、充电管理模块、导航模块、视觉对接模块和蓝牙模块，充电管理模块、导航模块、视觉对接模块和蓝
牙模块与无人机主控模块之间呈电性连接，充电基站包括基站主控模块、蓝牙模块和无线充电电路，蓝牙模块和无线充电电路与基站主控模块之间呈电性连接。
[0055]
进一步地，导航模块包括惯性测量单元、三轴磁力计和gps模块，视觉对接模块包括摄像头模块、从处理器和超声波测距模块，且摄像头模块和超声波测距模块与从处理器之间呈电性连接。
[0056]
具体的，电力巡线无人机机载端的硬件设计主要包括充电管理模块、组合导航模块、视觉对接模块，主控模块为无人机的核心模块，用于控制无人机的正常飞行，给各个模块发送命令，控制各个模块的工作情况，调节各部分软硬件模块之间的工作，处理传感器所获得的信息。充电管理模块主要负责无人机锂电池的充电管理，包括充电电路和电池管理模块；组合导航模块主要负责无人机的导航和定位；视觉对接模块通过目标识别和高度测量实现精准降落；蓝牙模块主要用于无人机机载端与充电基站之间的无线通信。
[0057]
进一步地，无线充电电路包括整流滤波电路、dc-dc变换电路、逆变电路和驱动电路。
[0058]
具体的，充电基站中的蓝牙模块负责无人机和充电基站之间建立无线通信线路。充电基站主控模块负责接收蓝牙模块传输过来的无线信号，用以控制逆变电路中mos管的开通与关断。充电基站主控模块采用stm32f103芯片，采用3.3v电源供电，实现的功能比较简单，对此不再对充电基站主控模块、电源以及蓝牙模块的硬件设计进行描述。无线充电电路主要负责将电能进行转换再传输给无人机。
[0059]
进一步地，无人机包括以下无线充电步骤：
[0060]
①
.开始，系统初始化进行自检；
[0061]
②
.判断自检是否成功，是，执行巡检任务，否，进入报错状态；
[0062]
③
.随后测量剩余电量，判断电量是否≦20％，否，返回执行巡检任务，是，利用gps记录当前位置；
[0063]
④
.然后寻找最近的基站，判断是否成功，否，返回寻找最近的基站，是，调用视觉对接程序完成测距和信标检测；
[0064]
⑤
.无人机降落进行蓝牙配对，判断蓝牙配对是否成功，否，继续进行蓝牙配对，是，执行充电；
[0065]
⑥
.判断电量是否达到100％，否，继续执行充电，是，通知充电基站停止充电；
[0066]
⑦
.最后，调出充电之前的位置信息并飞向该处，执行巡检任务。
[0067]
具体的，无人机机载端主控模块采用st公司的生产的stm32f427vgt6芯片。当无人机机载端供电之后，主程序除了执行电力巡检任务，还要完成接收组合导航模块的位置信息，监测负载电池的电量信息，获取视觉对接模块的图像信息和高度信息，以及与充电基站控制模块无线通讯等任务，无人机在执行巡线任务前会对系统主程序进行初始化，并执行自检程序，判断各个模块的工作状态。若工作状态不正常，系统将进入报错状态并发出故障警告；若工作状态正常，则开始正常工作流程。无人机主控模块在执行巡检任务的同时会监测负载电池的电量信息，若电量低于20％，利用gps模块记录当前位置，寻找最近的充电基站。当无人机到达充电基站附近时，主控模块开始调用视觉对接模块来测量无人机与充电基站的高度，并完成对充电基站的信标识别，从而使无人机准确降落在充电基站平台。无人机降落至充电基站后，开始进行蓝牙配对，当蓝牙配对不成功时，将会一直匹配蓝牙信号；
当蓝牙模块配对成功时，无人机将会通知充电基站执行无线充电任务。当无人机电量充满至100％时，无人机主控模块将通过蓝牙告知充电基站停止充电，并调出无人机电量低于20％时的位置信息，飞向该处继续执行巡检任务。
[0068]
进一步地，导航模块包括以下导航步骤
[0069]
a.无人机开始读取gps数据
[0070]
b.无人机读取三轴加速度计数据、读取三轴角速度计数据和读取三轴磁力计数据；
[0071]
c.对三轴加速度计数据、读取三轴角速度计数据和读取三轴磁力计数据进行九轴数据解算，获得无人机姿态角；
[0072]
d.gps数据存储，返回。
[0073]
具体的，组合导航模块软件设计主要负责监测无人机当前所在位置gps数据、读取惯性传感器数据、读取三轴磁力计数据和九轴数据解算，主控模块首先通过串口读取gps模块采集的速度、经度以及纬度等数据，然后通过iic总线选择惯性导航模块为从机，读取采集的三轴加速度计和三轴角速度计数据，接着选择三轴磁力计作为从机，读取无人机的磁力方向，将读取的九轴数据进行解算，获得无人机的俯仰角、横滚角和航向角信息。最后将此处的gps位置信息进行储存，以便无人机在完成充电后能够返回此处继续执行巡线任务。
[0074]
进一步地，视觉对接模块包括以下执行流程：
[0075]
a.开始，调整无人机横滚角与俯仰角为零并测量当前高度；
[0076]
b.判断高度是否﹤3m，否，降低高度继续测量当前高度，是，调用信标检测程度调整无人机至充电基站正上方；
[0077]
c.无人机缓慢降落到充电基站，对接完成关闭电机，返回。
[0078]
具体的，无人机机载端的视觉对接模块由摄像头模块、视觉对接主控单元以及超声波测距模块组成。当无人机到达充电基站上方时，由于组合导航模块的误差在1.2米之间，无法满足无人机精准降落的要求，因此需要利用视觉对接模块来进行降落。主程序开始调整无人机的横滚角与俯仰角到零度，并且利用超声波测距模块测量无人机到充电基站的垂直高度。若高度大于3米，则继续降低无人机高度；若高度小于3米，调用信标检测程序，逐步调整无人机的位置至充电基站的正上方，接着缓慢降落到充电基站，完成对接并关闭电机。
[0079]
进一步地，所述信标检测包括以下检测流程：
[0080]ⅰ.开始，无人机进行图像采集；
[0081]ⅱ.图像灰度化；
[0082]ⅲ.图像边缘检测；
[0083]ⅳ.着陆信标特征检测；
[0084]
ⅴ
.相对位置解算，返回。
[0085]
具体的，当无人机高度处于3m以下时，开始监测充电基站的信标，对摄像头采集的图像进行灰度化处理和边缘检测，使用harris算法对摄像头采集的图像进行角点检测，检测到信标特征点信息符合设置的角点信息时，进行相对位置解算，逐步调整无人机的位置到达充电基站正上方。
[0086]
进一步地，充电基站包括以下执行流程：
[0087]
㈠.开始，充电基站系统初始化；
[0088]
㈡.系统定时自检，判断自检是否成功，否，报警进行维修，是，判断是否有蓝牙配对；
[0089]
㈢.判断是否有蓝牙配对，否，返回执行系统定位自检，是，判断是否收到充电通知，否，返回执行判断是否收到充电通知，是，进行充电；
[0090]
㈣.充电完成后，判断是否收到停止充电通知，否，返回执行进行充电，是，停止充电，返回系统定时自检。
[0091]
具体的，充电基站的控制模块采用的是st公司生产的stm32f103zet6芯片，所采用的软件开发平台与无人机机载端相同，充电基站内部包含整流电路、dc-dc变换电路、逆变电路以及驱动电路，每隔一段时间充电基站会对内部电路进行检测，从而保证基站能够稳定工作。；充电基站控制模块的主要任务是通过蓝牙模块与无人机机载端通讯，根据无人机机载端传输过来的蓝牙信号，可以产生pwm波控制逆变电路的开通与关断，充电基站程序的初始化和配置等相关设定与无人机机载端的主控模块相同，需要定时检查充电基站上的每个内部电路，在与无人机机载端进行通讯时，如果发生故障，基站将会报错并发出故障警告，通知工作人员进行维修。在没有出现上述情况时，接收到开始充电的信号后，充电基站将开始进行无线电能的传输。当锂电池电量充满时，充电基站会接收到无人机机载端传输过来的停止充电信号，使充电基站主控模块停止提供脉冲触发信号，结束电能传输任务。
[0092]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。