用于无人机无线充电的三段式精准降落导引方法及系统与流程

1.本发明属于无人机无线充电控制技术领域，具体涉及用于无人机无线充电的三段式精准降落导引方法及系统。


背景技术：

2.在我国的能源产业结构中，电网占据着非常重要的地位，近年来，各行业都对供电系统提出了更高的要求，如更高质量的电能、更加稳定的供电性能等，由此，诞生了智能电网这一概念。在坚强型智能电网的整体架构中，高压输配电线路扮演着极为关键的角色。当有故障发生时，会造成很大的损失，因此，为了降低高压输配电线路事故发生率，保证电力系统的安全运行，需要对线路状态进行实时、有效的监测巡检，这也是智能电网发展过程中非常重要的一个环节。
3.与传统的人工巡检相比，无人机巡检省去了人工攀爬等一系列的高位复杂动作，对高压塔和电力线上特殊现象的观测可以通过无人机上的云台照相机去完成，因此具备安全、高效、精准的优势；其次，无人机可以在高空沿电力线路飞行，复杂的地面环境对无人机的巡检过程完全没有任何影响，大大提高了工作效率。
4.在评估无人机性能好坏的诸项指标中，其中一项重要的指标是无人机的续航能力，因此要想完全发挥无人机在电力巡检方面的优势，首先就要解决无人机的续航问题。从能源角度出发，增加无人机续航里程的途径总结起来主要分为两种：携带更多的电能或者在任务中多次进行电能补给。对于前者，由于目前比较成熟的蓄电池技术的已经发展到了瓶颈期，更大的蓄电池容量就意味着更大的蓄电池体积和重量，因而增加蓄电池容量必将影响无人机的机动性能和轻量化；对于通过多次进行电能补给这种途径，如果是基于传统接触式电能传导方式的充电技术，那么意味着无人机在需要补充电能的时候都需要返回降落到基站或者母港中，并投入人力为其充电，显然这样的方式在可靠性、灵活性、便捷性等方面有所不足，而基于该方式的悬停充电形式安全性低，对无人机的各项技术性能都有很高的要求，实现难度大。因此，设计一种可以使无人机在任务中灵活、便捷地进行充电的方案并对实现该方案的技术进行研究是很有必要的。
5.相对于传统的接触式传导充电，无线电能传输技术(wireless power transfer,wpt)作为一种理想的电能传输方式，具有更高的安全性、便捷性，能为用电设备提供更加灵活的接入方式。把无线电能传输技术与无人机充电技术结合起来，可以发挥出无线电能传输技术巨大的优势。
6.尽管无人机无线充电技术有一定的发展，但是无人机降落到机库最优充电位置的精度仍然不高，目前无人机降落主要用到视觉定位、卫星定位等，但目前传感器采集的图像信息量巨大，占用空间容量，且目标识别要求视觉算法精度高，图像处理时间过长，使无人机在降落过程中对位姿估计有较高要求，卫星定位精度在厘米级，精度较低，所以有必要对现有的无人机降落导引技术做进一步优化。


技术实现要素：

7.为了解决上述问题，本发明提供了用于无人机无线充电的三段式精准降落导引方法及系统，具体技术方案如下：
8.用于无人机无线充电的三段式精准降落导引方法，包括以下步骤：
9.s1：启动降落进程，基于rtk定位引导无人机从初始飞行高度降落至第一预定高度范围；
10.s2：基于无人机视觉识别定位引导无人机从第一预定高度范围降低至第二预定高度范围；
11.s3：基于无人机无线充电系统互感检测定位引导无人机从第二预定高度范围到完全降落至目标降落点。
12.优选地，所述步骤s1中包括：无人机与定位基站实时通信，定位基站将gps观测数据和无线充电站坐标信息一起发送给无人机，无人机接收定位基站的gps观测数据和无线充电站坐标信息，同时实时采集自身当前gps观测数据，组成差分观测值进行实时处理，给出厘米级定位结果，并导引无人机飞行至无线充电站坐标位置上方第一预定高度范围。
13.优选地，所述步骤s2中包括：当无人机进入无线充电站坐标位置上方第一预定高度范围后，无人机启动摄像头搜寻目标点，并基于无人机视觉识别定位引导无人机从第一预定高度范围降低至第二预定高度范围，在无线充电站的充电平台上设置有用于表示目标点信息的标识图案。
14.优选地，所述标识图案为二维码标识、条形码标识、或其它能够表征目标点信息的特定文字或图案信息。
15.优选地，无人机通过分析摄像头获取的标识图案调整机身的水平位置，然后通过红外测距探测当前高度并调整无人机的高度直至进入第二预定高度范围。
16.优选地，所述步骤s3中包括：当无人机高度降低至第二预定高度范围内时，无人机充电站进入充电探测模式，无人机通过红外测距探测当前高度，并通过副边拾取电压确定发射线圈和接收线圈之间的互感值，通过调整机身的水平位置确定当前高度互感值最大时所处位置。
17.优选地，所述第一预定高度范围为5
±
0.5m，所述第二预定高度范围为5
±
0.5cm。
18.用于无人机无线充电的三段式精准降落导引系统，应用所述的方法实现无人机无线充电时的精准降落导引控制，包括无线充电站和无人机；
19.所述无线充电站中设置控制箱、无线充电发射台和带光伏面板的伸展盖板，所述伸展盖板覆盖在无线充电发射台上方，所述无线充电发射台上设置有用于表示目标点信息的标识图案；所述控制箱分别与无线充电发射台、伸展盖板连接；所述控制箱与无人机相互通信，所述无人机包括rtk定位模块和视觉识别定位模块、互感检测定位模块，在无人机通过rtk定位模块引导从初始飞行高度降落至第一预定高度范围后，无人机通过视觉识别定位模块引导从第一预定高度范围降低至第二预定高度范围，在下降至第二预定高度范围后，无人机与控制箱进行通信，控制箱控制伸展盖板向两侧伸展，无线充电发射台露出外面，控制箱控制无线充电发射台向无人机充电；无人机通过互感检测定位模块调整机身的水平位置确定当前高度互感值最大时所处位置，并降落在对应位置进行充电。
20.优选地，所述无线充电发射台中的发射线圈为平面环形线圈，且采用lcc补偿网络
进行谐振补偿，所述无人机上的接收线圈为平面环形线圈，且与副边电容构成串联谐振网络。
21.本发明的有益效果为：本发明采用三个不同阶段分别利用不同的定位方式对无人机进行高精度引导降落，最终降落精度可达到mm级，提升了降落精度，取代了传统平台机构在无人机降落不精确所需要额外的位置归中机构，轻量化了机库，大大节约了成本。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
23.图1为本发明的控制流程图；
24.图2为本发明具体实施例中互感检测定位导引的控制流程图；
25.图3为本发明具体实施例中耦合机构的结构示意图；
26.图4为本发明具体实施例中lcc-s型无线充电拓扑图；
27.图5为原副边相对位置移动互感变化曲线。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，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。
29.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
30.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
31.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
32.如图1所示，本发明的具体实施方式提供了用于无人机无线充电的三段式精准降落导引方法，包括以下步骤：
33.s1：启动降落进程，基于rtk定位引导无人机从初始飞行高度降落至第一预定高度范围；本实施例以电力巡检无人机为例，初始飞行高度为当前巡检高度，第一预定高度设为5m，结合精度要求，将第一预定高度范围定为5
±
0.5m；在这个过程中，无人机与定位基站实时通信，定位基站将gps观测数据和无线充电站坐标信息一起发送给无人机，无人机接收定位基站的gps观测数据和无线充电站坐标信息，同时实时采集自身当前gps观测数据，组成差分观测值进行实时处理，给出厘米级定位结果，并导引无人机飞行至无线充电站坐标位置上方第一预定高度范围。
34.s2：基于无人机视觉识别定位引导无人机从第一预定高度范围降低至第二预定高
度范围；当无人机进入无线充电站坐标位置上方第一预定高度范围后，无人机启动摄像头搜寻目标点，并基于无人机视觉识别定位引导无人机从第一预定高度范围降低至第二预定高度范围，在无线充电站的充电平台上设置有用于表示目标点信息的标识图案。所述标识图案为二维码标识、条形码标识、或其它能够表征目标点信息的特定文字或图案信息。
35.本实施例采用二维码标识作为表示目标点信息的标识图案，无人机通过分析摄像头获取的标识图案调整机身的水平位置，然后通过红外测距探测当前高度并调整无人机的高度直至进入第二预定高度范围，具体实施时，第二预定高度设为5cm，结合精度要求，第二预定高度范围设定为5
±
0.5cm。
36.s3：基于无人机无线充电系统互感检测定位引导无人机从第二预定高度范围到完全降落至目标降落点。当无人机高度降低至第二预定高度范围内时，无人机充电站进入充电探测模式，无人机通过红外测距探测当前高度，并通过副边拾取电压确定发射线圈和接收线圈之间的互感值，通过调整机身的水平位置确定当前高度互感值最大时所处位置。具体过程可以参考图2所示。
37.本发明的具体实施方式还提供了用于无人机无线充电的三段式精准降落导引系统，应用所述的方法实现无人机无线充电时的精准降落导引控制，包括无线充电站和无人机；
38.所述无线充电站中设置控制箱、无线充电发射台和带光伏面板的伸展盖板，所述伸展盖板覆盖在无线充电发射台上方，所述无线充电发射台上设置有用于表示目标点信息的标识图案；所述控制箱分别与无线充电发射台、伸展盖板连接；所述控制箱与无人机相互通信，所述无人机包括rtk定位模块和视觉识别定位模块、互感检测定位模块，在无人机通过rtk定位模块引导从初始飞行高度降落至第一预定高度范围后，无人机通过视觉识别定位模块引导从第一预定高度范围降低至第二预定高度范围，在下降至第二预定高度范围后，无人机与控制箱进行通信，控制箱控制伸展盖板向两侧伸展，无线充电发射台露出外面，控制箱控制无线充电发射台向无人机充电；无人机通过互感检测定位模块调整机身的水平位置确定当前高度互感值最大时所处位置，并降落在对应位置进行充电。
39.如图3和图4所示，无线充电发射台中的发射线圈为平面环形线圈，且采用lcc补偿网络进行谐振补偿，所述无人机上的接收线圈为平面环形线圈，且与副边电容构成串联谐振网络。
40.以图3所示lcc-s型拓扑结构为例，通过电路分析可得：
41.[0042][0043]
原副边完全谐振时满足:
[0044][0045][0046]
原副边谐振频率与电源频率相等，即ω0＝ω
p
＝ωs,原副边及补偿参数互感固定忽略不计，则:
[0047][0048][0049][0050]
由上述公式可知，该拓扑系统输出电压u
out
只与互感m、输入电压u
in
和补偿电感l
p1
有关，输入电压u
in
和补偿电感l
p1
固定不变，所以输出电压只与互感m有关，互感变化也反映在副边拾取电压变化上，图5所示为在comsol中对线圈偏移时互感变化的仿真，通过图5也可以看出，当副边线圈在原边线圈5cm距离上左右偏移时，互感变化有一个极值点，且互感变化的精度达到了mm级，无人机降落引导定位精度得到大大提升。
[0051]
由于系统具有原边恒流副边恒压的特性，即副边电压与负载无关只与互感及补偿电感输入电源有关，在补偿电感及输入电源不变的情况下，副边电压是对互感的反映，互感是对原副边相对位置的反映，通过conmsol仿真参数化扫描可知，此耦合机构归中位置对应的互感值唯一，所以可以用来检测目标降落点的位置。
[0052]
综上可以看出，本发明提出的一种用于无人机无线充电的三段式精准降落导引方法及系统，通过采用三段式导引方式对无人机进行高精度引导降落，使降落精度达到mm级，有效确保了无人机自动降落后无线充电时充电效率，减少了其它机械式对中机构的设计，轻量化了机库，节约系统成本。
[0053]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对
每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0054]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
[0055]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。