本發(fā)明涉及自動化信息技術領域，具體是一種無人機無線充電自動控制平臺及控制方法。

背景技術：

目前無人機的應用中除了軍事攻擊、物流、農(nóng)藥噴灑之外，大部分例如航拍、電力巡線、配合科學考察、森林防火巡檢、軍事偵察、警用之類的應用實際都是為了“從天空獲得不一樣數(shù)據(jù)”，這些數(shù)據(jù)可以是圖像，也可以是所搭載儀器的檢測結果。但是，在人無法進入的區(qū)域，難以對無人機的電池進行或充電，在無人狀態(tài)下自動持續(xù)監(jiān)控獲取數(shù)據(jù)也是長期困擾無人機應用的一個問題。

目前無人機準確返回至無線充電模塊也存在降落不精準的技術問題。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術不足，本發(fā)明提供一種無人機無線充電自動控制平臺及控制方法，降低了無人機對備用電池或充電線纜的依賴，延長無人機續(xù)航時間和最大航程，為無人機在惡劣環(huán)境下順利完成任務提供保障。

本發(fā)明控制平臺通過以下技術方案來實現(xiàn)：無人機無線充電自動控制平臺，包括續(xù)航車、無人機盒子；所述續(xù)航車包括主控模塊，以及分別與主控模塊電連接的gps模塊、遙控模塊、氣壓計模塊、云臺、無線充電模塊、電機驅動模塊、數(shù)傳模塊及電源模塊；所述無人機盒子包括機載外置mcu、攝像頭模塊，以及分別與機載外置mcu連接的板載天線、第一數(shù)傳模塊、第二數(shù)傳模塊和openmv模塊，攝像頭模塊與openmv模塊連接，所述第一數(shù)傳模塊、第二數(shù)傳模塊分別與地面站、無線充電模塊連接，所述機載外置mcu與無人機身的接收機、飛控連接。

優(yōu)選地，所述云臺包括陀螺儀模塊以及舵機；所述主控模塊用于控制gps模塊、遙控模塊、氣壓計模塊、陀螺儀模塊、無線充電模塊、電機驅動模塊、云臺的協(xié)同工作；所述gps模塊用于記錄當前續(xù)航車的位置，為無人機降落提供位置參考；所述遙控模塊用于通過遙控控制續(xù)航車的運行；所述氣壓計模塊用于記錄當前續(xù)航車的高度信息，為無人機降落提供高度參考；所述云臺用于保持無人機降落平臺的水平；所述無線充電模塊利用電池實現(xiàn)對無人機的無線充電；所述數(shù)傳模塊用于與無人機通信。

優(yōu)選地，所述主控模塊通過遙控模塊接收遙控信號，并利用兩路pwm方波信號實現(xiàn)對電機的調速，通過從陀螺儀讀取到的數(shù)據(jù)，利用兩路pwm方波信號控制二度自由云臺保持水平狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述機載外置mcu收集飛控的數(shù)據(jù)，接收和轉發(fā)第一數(shù)傳模塊、第二數(shù)傳模塊或者遙控模塊的傳輸數(shù)據(jù)；所述gps模塊將續(xù)航車位置發(fā)送給機載外置mcu；在收到返回無線充電模塊的指令時，機載外置mcu先根據(jù)續(xù)航車位置飛至無線充電模塊所在位置上方，再啟動openmv模塊，通過openmv模塊傳來的相對位置數(shù)據(jù)、飛控傳來的經(jīng)緯度及高度的數(shù)據(jù)，機載外置mcu設計好返回動作，并發(fā)送控制指令給飛控，自動返回無線充電模塊。

本發(fā)明控制方法基于上述控制平臺，通過以下技術方案來實現(xiàn)：無人機無線充電自動控制方法，包括以下步驟：

所述機載外置mcu轉發(fā)來自地面站或遙控模塊的數(shù)據(jù)包至飛控；同時將飛控的數(shù)據(jù)包轉發(fā)至地面站或遙控模塊；所述機載外置mcu和所述攝像頭模塊對無線充電模塊進行識別、跟蹤及定位，并通過控制飛控，讓無人機準確降落至無線充電模塊上；所述機載外置mcu在接收到地面站返回無線充電模塊的指令或者電池電量低于指定電量時，控制飛控返回無線充電模塊。

優(yōu)選地，所述無人機準確降落至無線充電模塊的具體步驟如下：

s1、機載外置mcu讀取無線充電模塊的gps和高度信息，并保存；

s2、機載外置mcu讀取無人機航點信息，并保存；

s3、開始第一階段飛行任務，機載外置mcu向飛控寫入返回無線充電模塊的航點信息，并監(jiān)測是否到達目標上方指定高度處；

s4、無人機飛抵目標位置后，開始第二階段飛行任務，機載外置mcu開啟圖像識別，尋找并鎖定目標；

s5、機載外置mcu鎖定目標后，開始跟蹤目標，計算出與目標的相對位置，通過pwm信號控制飛控，使目標出現(xiàn)在鏡頭的某一固定位置；

s6、無人機降落至一米內時，機載外置mcu計算出無人機所需調整的方向參量，以確保無人機降落后與無線充電模塊標志物形成特定方向，便于無線充電模塊鎖定無人機；

s7、機載外置mcu將保存的原無人機航點信息重新寫入無人機飛控；

上述步驟s1-s7所述過程中，如有地面站或遙控模塊發(fā)送控制指令給無人機，機載外置mcu將暫停返回無線充電模塊的過程，將原無人機航點信息寫入飛控，將模式切換為定高模式；如降落過程遇到目標丟失，機載外置mcu將控制無人機提升高度，返回上一步操作。

優(yōu)選地，所述第一階段飛行任務中，地面站或遙控模塊向無人機發(fā)送返回無線充電模塊的指令，機載外置mcu在截取到這個信號后開始監(jiān)測無線充電模塊gps位置、無人機gps位置及飛控在飛抵目標gps位置的返回指令，無人機自行飛至目標無線充電模塊的gps位置；所述第二階段中，機載外置mcu調用圖像識別算法識別出目標，并根據(jù)相對位置輸出模擬遙控信號給飛控，使無人機準確降落至無線充電模塊。

優(yōu)選地，所述圖像識別算法用于識別無線充電模塊標志物的輪廓、顏色，包括圖像識別定位和圖像識別追蹤；所述圖像識別定位根據(jù)目標在圖像中的像素位置計算出無線充電模塊與無人機的相對位置；所述圖像識別追蹤根據(jù)目標像素位置的變動計算出無人機的相對偏移量。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明對無線充電技術的發(fā)展和推廣可降低無人機對備用電池或充電線纜的依賴，延長無人機續(xù)航時間和最大航程，為無人機順利完成任務提供保障。此外，由于不再需要經(jīng)常性更換電池，外部充電接口也不再是必要結構設計，本發(fā)明可推動未來的小型無人機設計為完全密封系統(tǒng)，有助于其在惡劣環(huán)境中作業(yè)。

2.為實現(xiàn)無人機真正的無人自動化，本發(fā)明設計的自主四旋翼無人機系統(tǒng)，無論在室內室外，都能夠自動檢測降落點，并降落到指定的uga無人地面載具自平衡降落臺上。

3.無線充電系統(tǒng)主要采用磁共振原理，通過線圈進行能量耦合實現(xiàn)能量的傳遞，線圈與電磁能發(fā)射線圈一體化，極大減少了傳感器在系統(tǒng)中的加入，降低成本和功耗，也實現(xiàn)節(jié)能減排。

4.本發(fā)明配備有帶云臺的無線充電降落平臺，當續(xù)航車停放在山坡或者不平整的路面上時，也可以保證無線充電降落平臺的水平，為無人機營造了良好的降落環(huán)境。

5.配備的無線充電模塊，具有防水防塵的特點，適合環(huán)境惡劣的條件下使用。

6.集成gps、氣壓計、數(shù)傳等模塊，能夠實現(xiàn)從引導無人機降落到無線充電完成的全自動過程，對于實現(xiàn)無人機自動化管理有重要意義。

7.集成無線充電、遙控、自動引導無人機降落等功能，極大的延長了無人機的續(xù)航時間，擴大了無人機的飛行范圍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明續(xù)航車的電路框圖；

圖2為本發(fā)明無人機盒子的電路框圖；

圖3是無人機mcu及其外圍和續(xù)航車mcu及其外圍電路框圖；

圖4是無人機mcu運行流程圖；

圖5是無人機返回至無線充電模塊的流程圖。

具體實施方式

下面將結合實施例和說明書附圖對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例

如圖1至圖3所示，本發(fā)明無人機無線充電自動控制平臺，包括續(xù)航車、無人機盒子。所述續(xù)航車包括主控模塊(也稱續(xù)航車mcu)，分別與主控模塊電連接的gps模塊、遙控模塊(也叫遙控器接收機)、氣壓計模塊、云臺、無線充電模塊、電機驅動模塊、數(shù)傳模塊、電源模塊以及指示燈電路。所述無人機盒子包括板載天線、機載外置mcu(也稱無人機mcu)、第一飛控接口引腳列、第二飛控接口引腳列、串口調試端口、usb調試端口、第一數(shù)傳模塊、第二數(shù)傳模塊、第一拓展接口引腳列、第二拓展接口引腳列、openmv模塊和攝像頭模塊，第一飛控接口引腳列、第二飛控接口引腳列可供飛控連接，所述第一數(shù)傳模塊、第二數(shù)傳模塊分別與地面站和無線充電模塊連接，串口調試端口、usb調試端口供專業(yè)人員調試，第一拓展接口引腳列、第二拓展接口引腳列外接其他設備，以拓展功能。其中，所述機載外置mcu及其外圍電路提供了數(shù)傳模塊、攝像頭模塊、接收機模塊和飛控模塊的接口，以便與無人機身的接收機、數(shù)傳模塊及飛控連接。

所述主控模塊，主要可初始化各硬件模塊參數(shù)，控制gps模塊、遙控模塊、氣壓計模塊、陀螺儀模塊、無線充電模塊、電機驅動模塊、云臺、電源模塊的協(xié)同工作。其中，gps模塊，主要功能為記錄當前續(xù)航車的位置，為無人機降落提供位置參考；遙控模塊，主要功能為通過遙控控制續(xù)航車的運行；氣壓計模塊，主要功能為記錄當前續(xù)航車的高度信息，為無人機降落提供高度參考；云臺，其中包括陀螺儀模塊以及舵機，主要功能為保持無人機降落平臺的水平；無線充電模塊，主要功能為利用電池實現(xiàn)對無人機的無線充電；電機驅動模塊，主要功能為實現(xiàn)電機啟停的控制；數(shù)傳模塊，主要功能為與無人機通信；電源模塊，包括電池以及穩(wěn)壓模塊，主要功能為續(xù)航車供電。

主控模塊為初始化各硬件模塊參數(shù)，控制gps模塊、遙控模塊、氣壓計模塊、陀螺儀模塊、無線充電模塊、電機驅動模塊、電源模塊以及指示燈電路的協(xié)同工作。主控模塊可采用stm32f103作為主控芯片，通過遙控模塊接收遙控信號，并利用兩路pwm方波信號實現(xiàn)對電機的調速；主控芯片通過從三軸陀螺儀讀取到的數(shù)據(jù)，利用兩路pwm方波信號控制二度自由云臺保持水平狀態(tài)。

移動無人載具頂部為直徑0.5m的無線充電降落平臺，具備無線充電功能，并通過其底部的云臺使其保持水平狀態(tài)，無人機降落于其上即可實現(xiàn)無線充電。

在無人機mcu(即機載外置mcu)及其外圍電路中，無人機mcu收集飛控(即圖3的無人機apm)的數(shù)據(jù)，接收和轉發(fā)數(shù)傳模塊或者遙控模塊(即圖3的遙控器接收機)的傳輸數(shù)據(jù)。在收到特殊指令，比如返回無線充電模塊的指令時，無人機mcu先根據(jù)續(xù)航車位置飛至無線充電模塊所在位置上方，再啟動與攝像頭模塊連接的openmv模塊。通過openmv模塊傳來的相對位置數(shù)據(jù)、飛控傳來的經(jīng)緯度及高度的數(shù)據(jù)，無人機mcu設計好返回動作，并通過接收機pwm波線路發(fā)送控制指令給飛控，實現(xiàn)自動返回無線充電模塊的功能。

在續(xù)航車mcu及其外圍電路中，通過遙控器接收機，續(xù)航車mcu控制續(xù)航車行駛至指定位置。車載gps可以將續(xù)航車位置經(jīng)數(shù)傳模塊實時發(fā)送給無人機mcu。為了適應復雜地形，續(xù)航車mcu根據(jù)氣壓計和陀螺儀的數(shù)據(jù)，快速調整車載充電平臺相對地面的角度，使其保持水平，保護車上的無人機。

如圖4、5所示，本發(fā)明無人機無線充電自動控制方法，主要包括以下步驟：機載外置mcu(也稱飛機mcu)轉發(fā)來自地面站或遙控模塊的數(shù)據(jù)包至飛控，同時將飛控的數(shù)據(jù)包轉發(fā)至地面站或遙控模塊；機載外置mcu和攝像頭模塊能對地面無線充電模塊進行識別、跟蹤及定位，并通過控制飛控，讓無人機準確降落至無線充電模塊上；機載外置mcu能在接收到地面站返回無線充電模塊的指令或者電池電量低于指定電量時，控制飛控返回無線充電模塊。機載外置mcu及其外圍電路、數(shù)傳模塊和攝像頭模塊都集成在同一電路板上。

無人機準確降落至無線充電模塊時，具體步驟如下：s1、機載外置mcu讀取無線充電模塊的gps和高度信息，并保存；s2、機載外置mcu讀取無人機航點信息，并保存；s3、開始第一階段飛行任務，機載外置mcu向飛控寫入返回無線充電模塊的航點信息，并監(jiān)測是否到達目標上方指定高度處；s4、無人機飛抵目標位置后，開始第二階段飛行任務，機載外置mcu開啟圖像識別，尋找并鎖定目標；s5、機載外置mcu鎖定目標后，開始跟蹤目標，計算出與目標的相對位置，通過pwm信號控制飛控，使目標出現(xiàn)在鏡頭的某一固定位置；s6、無人機降落至一米內時，機載外置mcu計算出無人機所需調整的方向參量，以確保無人機降落后與無線充電模塊標志物形成特定方向，便于無線充電模塊鎖定無人機；s7、機載外置mcu將保存的原無人機航點信息重新寫入無人機飛控。上述過程中，如有地面站或遙控模塊發(fā)送控制指令給無人機，機載外置mcu將暫停返回無線充電模塊的過程，將原無人機航點信息寫入飛控，將模式切換為定高模式；如降落過程遇到目標丟失，機載外置mcu將控制無人機提升高度，返回上一步操作。

所述第一階段飛行任務中，地面站或遙控模塊向無人機發(fā)送返回無線充電模塊的指令，機載外置mcu在截取到這個信號后開始監(jiān)測無線充電模塊的gps位置、無人機的gps位置及飛控在飛抵目標gps位置的返回指令，無人機自行飛至目標無線充電模塊的gps位置。所述第二階段中，機載外置mcu調用圖像識別算法識別出目標，并根據(jù)相對位置輸出模擬遙控信號給飛控，使無人機準確降落至目標平臺。

所述機載外置mcu能夠通過mavlink協(xié)議向飛控發(fā)送飛行模式切換、讀寫航點等的指令，以實現(xiàn)修改或讀取飛控參數(shù)。

所述圖像識別算法能夠識別出無線充電模塊標志物的輪廓、顏色信息，包括圖像識別定位和圖像識別追蹤；所述圖像識別定位是根據(jù)目標在圖像中的像素位置計算出無線充電模塊與無人機的相對位置；所述圖像識別追蹤是根據(jù)目標像素位置的變動計算出無人機的相對偏移量；所述圖像識別使用樣本的haar特征或lbp特征進行分類器訓練，得到cascadeclassification，并將haarcascade存儲待用，對每一幀圖像使用該分類器即可識別出目標。

無人機在收到命令后，將分兩個階段進行降落，包括第一階段的gps導航和第二階段的視覺導航。為實現(xiàn)無人機真正的無人自動化，本發(fā)明設計的自主四旋翼無人機系統(tǒng)，無論在室內室外，都能夠自動檢測降落點，并降落到指定的uga無人地面載具自平衡降落臺上。我們在ugv車頂放置了視覺標記。無人機的追蹤系統(tǒng)可以通過這些標記追蹤到汽車的位置并以相同的速度同步飛行。整個降落過程是由運行復雜算法的電腦控制。其著陸過程都是全自動的，無需人為干涉，由機載的微型嵌入式計算機控制。我們使用視覺傳感器來檢測起降臺，并通過算法，經(jīng)過傳感器數(shù)據(jù)融合的慣性導航系統(tǒng)，來實現(xiàn)對視覺測量數(shù)據(jù)的精度增強。

以上所述實施例僅表示本發(fā)明的實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能理解為對本發(fā)明范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明保護范圍。