一种无人机的机械手充电系统的制作方法

本实用新型涉及一种无人机充电系统，具体涉及一种无人机的机械手充电系统。

背景技术：

随着技术的进步，无人机技术已经越来越成熟，并且已经广泛应用到军事、农业、航拍等领域中。但由于目前技术的电池续航能力问题，无人机在飞行一段时间后需要降落到基站平台上进行充电，以确保无人机的正常飞行作业。

现有一般的无人机充电是通过在降落平台上设置充电装置，无人机返航后降落到一个指定的充电位置处，再通过人工连接或自动连接的方式，实现无人机的充电。但是，无人机一般是依靠gps或其他导航系统进行飞行和降落，由于受到气候环境或地理环境等影响，民用gps等导航系统存在3-5米的误差。更进一步的精确降落方法是，采用图像处理的方法，精准降落在便于充电的指定位置，但对于旋翼无人机来说，在降落过程中会产生一定的气流和周围环境的影响，都会导致无人机无法准确地降落在某个位置上，从而导致无法实现自动连接的充电，往往需要人工将无人机重新摆放到指定的位置上才能进行正常充电。

技术实现要素：

本实用新型目的在于克服现有技术的不足，提供一种无人机的机械手充电系统，该系统通过机械手主动接触无人机的充电位置的方式实现充电，从而能够降低无人机的降落精度要求，使得无人机可以快速地进行降落充电。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种无人机的机械手充电系统，其特征在于，包括机械手、充电执行件、充电接触件以及系统控制模块，所述充电执行件设置在机械手的末端，所述充电接触件设置在无人机上；其中，还包括图像识别定位模块，该图像识别定位模块包括设置在充电执行件对应处的摄像机以及图像处理模块，所述摄像机与图像处理模块连接，所述图像处理模块与系统控制模块连接，所述无人机上设有标识块；当图像识别定位模块识别到标识块所在位置时，所述系统控制模块控制机械手带动充电执行件与充电接触件对准并接触进行充电。

上述无人机的机械手充电系统的工作原理是：

当无人机需要充电时，无人机根据规划的航线降落到充电平台或基站或其它指定范围内，此时，系统控制模块控制机械手带动机械手末端的充电执行件以及图像识别定位模块在设定的范围内移动，所述图像识别定位模块开始寻找标识块，具体由摄像机拍摄到的图像传输到图像处理模块上进行图像识别，当图像处理模块识别到所拍摄的图像中标识块的位置时，记录标识块的位置信息，并传输到系统控制模块中，由系统控制模块通过标识块的位置以及标识块与充电接触件的位置关系，计算出充电接触件的位置，进而系统控制模块控制机械手向标识块的方向移动，同时摄像机和图像处理模块持续地对标识块进行拍摄识别，不断反馈充电接触件的位置，确保机械手末端的充电执行件与无人机上的充电接触件对准，最终充电执行件与充电接触件配合接触，实现无人机的充电。

本实用新型的一个优选方案，其中，所述图像识别定位模块还包括全局相机，该全局相机设置在机械手附近的连接杆上，且该全局相机与图像处理模块连接。当无人机降落到充电平台上后，全局相机先对整个充电平台进行拍摄，并通过图像处理模块迅速找出标识块，确认标识块的具体坐标，并控制机械手快速向该坐标移动；当机械手上的充电执行件接近标识块时，充电执行件对应处的摄像机持续地对标识块进行拍摄识别，确保充电执行件能够保持与无人机上的充电接触件对准，最终实现无人机的充电。通过全局相机的设置，使得在无人机降落之后能够快速寻找并确认标识块的所在位置，从而使得机械手末端的充电执行件能够先快速移动到标识块附近，同时通过与摄像机的配合，确保机械手上的充电执行件能够与充电接触件对准，保证无人机顺利充电，亦即利用全局相机进行快速的粗定位，再利用摄像机(相当于局部区域相机)对小区域内的标识块进行精准位置的识别，从而相互配合实现快速和精准的目标定位，设计巧妙，有利于提高无人机降落后进行充电的速度，并且提高了充电执行件和充电接触件的对准精度。

优选地，所述全局相机设置在无人机降落范围的中心处，且全局相机由三个120度广角摄像头组成，120度广角摄像头通过拍摄三个不同方向的视场组成全局视野，实现对充电平台的全局拍摄和定位。所述全局相机采用移动侦测，当周围区域出现物体时，120度广角摄像头拍摄下来的图像组成一个全局视野，然后传回所述图像处理模块中进行图像识别处理，确定是否出现带有标识块的无人机；当识别出带有标识块的无人机的具体位置后，通过系统控制模块控制机械手向待充电的无人机的方向移动，并进行充电。

优选地，所述机械手上设有用于驱动连接杆作竖向运动的竖向驱动机构。通过竖向驱动机构的设置，使得能够根据实际情况，通过全局相机的上下移动来改变其视场范围，从而能够更加快速寻找出标识块的所在位置。

本实用新型的一个优选方案，所述充电执行件包括夹紧组件以及驱动夹紧组件闭合或分离的夹紧驱动机构；所述夹紧组件由两个夹紧件构成，且两个夹紧件的内侧分别设有正极导电件和负极导电件；所述充电接触件包括正电极和负电极；充电时，所述夹紧驱动机构驱动夹紧组件闭合，且夹紧组件上的正极导电件与正电极接触，负极导电件与负电极接触，所述正极导电件和负极导电件与充电电源连接，所述正电极和负电极与无人机的蓄电池连接。

本实用新型的一个优选方案，所述充电接触件设置在无人机的起落架上，且所述充电接触件包括正电极、负电极以及接地电极，所述正电极、负电极以及接地电极沿竖向方向设置在起落架的其中一个支撑杆上；所述充电执行件由机械手爪构成，该机械手爪包括有三个机械手指，所述三个机械手指的内侧分别设有正极导电件、负极导电件以及接地导电件。将充电接触件设置在无人机的起落架上，能够与无人机的主体零部件分离一定的距离，让机械手能够有充足的空间接近无人机的充电接触件，同时也便于摄像机的寻找。

优选地，所述机械手爪上的正极导电件、负极导电件以及接地导电件的宽度均比无人机上的充电接触件的正电极、负电极以及接地电极之间的间距小，且机械手爪上的三个机械手指的间距与充电接触件上的三个电极相互对应。

本实用新型的一个优选方案，所述无人机机架上设有凹型的充电接头，该充电接头与无人机的蓄电池连接，所述充电接头构成充电接触件；所述充电执行件上设有两个分别向两外侧延伸的弹性充电块。充电时，机械手带动充电执行件伸进充电接头中，充电执行件的两个弹性充电块分别与充电接头内的电极接触，从而实现充电。设置凹型的充电接头，能够避免充电的电极裸露在外界，使得充电的电极得到保护；弹性充电块的设置，能够确保伸进充电接头内时通过弹性的作用与充电接头的对应接触位置接触，实现正常充电。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本实用新型通过机械手上的充电执行件主动接触无人机的充电接触件实现充电，使得无人机只需要降落在机械手的运动范围内即可，降低了无人机的降落精度要求；同时，也提高了无人机的降落速度。

2、无人机降落后，通过图像识别定位模块对标识块的寻找以及机械手的移动，能够快速地将充电执行件与无人机上的充电接触件连接，无需人工操作，有利于提高无人机的充电速度。

附图说明

图1为本实用新型的无人机的机械手充电系统的流程框图。

图2为本实用新型的无人机的机械手充电系统的系统控制框图。

图3-图5为本实用新型的无人机的机械手充电系统的第一个具体实施方式的结构简图，其中，图3为主视图，图4为俯视图，图5为无人机的俯视简图。

图6-图8为本实用新型的无人机的机械手充电系统的第二个具体实施方式的充电执行件和充电接触件的结构简图，其中，图6为当充电接触件设置在无人机的起落架上的结构简图，图7为当充电接触件设置在无人机的机臂上的结构简图，图8为机械手上的充电执行件的结构简图。

图9为本实用新型的无人机的机械手充电系统的第三个具体实施方式的充电接触件的结构简图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步描述，但本实用新型的实施方式不仅限于此。

实施例1

参见图1-图5，本实施例的无人机的机械手充电系统，包括机械手1、充电执行件4、充电接触件以及系统控制模块，所述充电执行件4设置在机械手1的末端，所述充电接触件设置在无人机上；其中，还包括图像识别定位模块，该图像识别定位模块包括设置在充电执行件4对应处的摄像机8以及图像处理模块，所述摄像机8与图像处理模块连接，所述图像处理模块与系统控制模块连接，所述无人机上设有标识块7，该标识块7设置在充电接触件的对应处；当图像识别定位模块识别到标识块7所在位置时，所述系统控制模块控制机械手1带动充电执行件4与充电接触件对准并接触并在系统控制模块的控制下进行充电，本实施例中的摄像头8设置在充电执行件4的后侧。

其中，可根据场地环境的需要，设置不同自由度的机械手1，以便提高机械手1上的充电执行件4的灵活度，更好地完成无人机的充电。所述图像处理模块可以是摄像机内部自带的图像处理模块，也可以是外部的图像处理模块，包括处理器、存储器等硬件以及图像识别软件，具体的图像处理过程包括图片输入、图片预处理、图像特征提取以及图像对比分类，最终判定是否包含目标图像，具体可参照现有技术来实施。所述图像处理模块也可为系统控制模块中的一个处理模块，所述系统控制模块作为整个机械手充电系统的中央器，可进行数据运算(包括目标位置的计算等)、图像处理识别以及机械手和充电执行件4的动作控制和协调；其中，所述系统控制模块可以由嵌入式系统、dsp系统、fpga系统或工业控制计算机等构成。所述机械手1是指机械机构中的“手臂”部分，可以采购现成的机械手，包含有机械手的运动控制程序；所述充电执行件4是指机械结构中的“手”部分。所述系统控制模块在计算充电接触件的目标位置时，先根据图像处理模块识别到的标识块7的位置，再根据标识块7与充电接触件之间的位置关系来计算，所述标识块7的位置识别可以通过几何关系来计算，例如根据图像的尺寸、摄像机8的视角参数、图像中目标元素的像素等参数，计算标识块7的位置，进而计算充电接触件的位置，进而获得控制机械手1运动的控制参数，最终控制充电执行件4向充电接触件移动。

还包括通信模块，该通信模块用于实现无人机与系统控制模块之间的通信，一般可采用蓝牙通信、wifi、2.4g等短距离通信方式。无人机的降落成功、起飞、充电执行件4和充电接触件的对接和分离等都可以通过该通信模块在无人机与系统控制模块之间建立联系。例如，当充电执行件与充电接触件准确接触并进行充电时，无人机通过通信模块与系统控制模块保持通信，将充电情况反馈到系统控制模块中，其中充电情况包括充电是否正常进行和无人机的电量是否充满等；这样，系统控制模块就能获得无人机充电的相关信息，以作下一步的运算和控制。

所述摄像机可以是具有录像功能的照相机、用于监控和聊天用的ccd相机或高性能工业摄像机等具有一定像素或帧率等相机性能指标的光学红外摄像机和相机。

参见图3和图4，所述图像识别定位模块还包括全局相机3，该全局相机3通过连接杆2设置在机械手1附近的连接杆2上，且该全局相机3与图像处理模块连接。当无人机降落到充电平台上后，在机械手1的转动机构的带动下，全局相机3先对整个充电平台进行拍摄，并通过图像处理模块迅速找出标识块7，确认标识块7的具体坐标，并控制机械手1快速向该坐标移动；当机械手1上的充电执行件4接近标识块7时，充电执行件4对应处的摄像机8持续地对标识块7进行拍摄识别，确保充电执行件4能够保持与无人机上的充电接触件对准，最终实现无人机的充电。通过全局相机3的设置，使得在无人机降落之后能够快速寻找并确认标识块7的所在位置，从而使得机械手1末端的充电执行件4能够先快速移动到标识块7附近，同时通过与摄像机8的配合，确保机械手1上的充电执行件4能够与充电接触件对准，保证无人机顺利充电，亦即利用全局相机3进行快速的粗定位，再利用摄像机8(相当于局部区域相机)对小区域内的标识块7进行精准位置的识别，从而相互配合实现快速和精准的目标定位，设计巧妙，有利于提高无人机降落后进行充电的速度，并且提高了充电执行件4和充电接触件的对准精度。所述全局相机3可以全时段监控无人机降落区域，并通过图像处理模块和系统控制模块的处理后确认空的降落场地，通过通信模块发送指示给待降落的无人机，以便无人机准确降落；当无人机完成降落后，全局相机3也可以同时提供信息，对无人机完成降落提供双通道确认。

参见图4，本实施例的全局相机3以及机械手1均设置在无人机降落范围的中心处，且全局相机3由三个120度广角摄像头组成，120度广角摄像头通过拍摄三个不同方向的视场组成全局视野，实现对充电平台的全局拍摄和定位。所述全局相机3采用移动侦测，当周围区域出现物体时，120度广角摄像头拍摄下来的图像组成一个全局视野，然后传回所述图像处理模块中进行图像识别处理，确定是否出现带有标识块7的无人机；当识别出带有标识块7的无人机的具体位置后，通过系统控制模块控制机械手1向待充电的无人机的方向移动，并进行充电。参见图3，无人机在降落时只要降落在虚线圆圈内，即在机械手1的活动范围内，就能够实现无人机的自动充电。所述全局相机3也可由一个或两个摄像头组成，当采用一个或两个摄像头时，可设置转动驱动机构驱动连接杆2转动，实现全局的景象拍摄。

本实施例的机械手1上设有用于驱动连接杆2作竖向运动的竖向驱动机构。通过竖向驱动机构的设置，使得能够根据实际情况，通过全局相机3的上下移动来改变其视场范围，从而能够更加快速寻找出标识块7的所在位置。具体地，所述竖向驱动机构可以由电机和齿轮齿条机构构成，齿条与连接杆2连接，齿轮与电机连接；也可以由电机和丝杆传动机构构成，丝杆螺母与连接杆2固定连接，丝杆与电机连接。也可以采用其他能够驱动连接杆2做竖向直线运动的机构构成。

参见图3-图5，所述充电执行件4包括夹紧组件以及驱动夹紧组件闭合或分离的夹紧驱动机构；所述夹紧组件由两个夹紧件构成，且两个夹紧件的内侧分别设有正极导电件11和负极导电件13；所述充电接触件包括正电极5和负电极9；充电时，所述夹紧驱动机构驱动夹紧组件闭合，且夹紧组件上的正极导电件11与正电极5接触，负极导电件13与负电极9接触。所述正极导电件11和负极导电件13与充电电源连接，所述正电极5和负电极9与无人机的蓄电池连接，本实施例中，所述充电接触件设置在无人机的机臂上。所述正极导电件11和负极导电件13由铜制金属片构成，所述标识块7设置在机臂上，且该标识块7由多个同心圆构成；其中，所述标识块还可以由具有明显特征并容易识别的图形、图像或物体和结构构成，例如带颜色的球状物体。

当无人机的机臂为圆柱形时，所述正电极5以及负电极9设置在机臂上的横跨幅度均小于180度，使得所述正电极5和负电极9能够分隔开，并且更加有利于充电执行件对正电极5和负电极9的夹紧接触。当无人机的机臂为矩形时，所述正电极5和负电极9设置在机臂的两侧，从而能够避免两个电极相离太近，有利于与充电执行件的接触。

参见图3，所述夹紧件与正极导电件11和负极导电件13之间均设有弹性元件。通过弹性元件的设置，使得在夹紧驱动机构的作用下，两个夹紧件能够稳固地夹紧在机架上与正电极5和负电极9接触，确保充电顺利进行。所述弹性元件由弹簧或橡胶构成，起到缓冲作用，避免发生硬碰撞。

参见图1-图5，本实施例的无人机的机械手1充电系统的工作原理是：

当无人机需要充电时，无人机根据规划的航线降落到充电平台或基站或其它指定范围内，此时，所述全局相机3对整个降落区域进行全局拍摄，寻找无人机的位置，或者通过系统控制模块控制机械手1带动设置在机械手1上的摄像机8移动到一定的高度上，并带动摄像机8旋转拍摄，获取全局情景，从而实现无人机的寻找。确定无人机的大概位置后，系统控制模块控制机械手1快速移动到无人机附近，接着机械手1上的摄像机8反复地对无人机上的标识块7进行拍摄，并传输到图像识别模块中进行计算处理，并由系统控制模块计算获取充电执行件4以及无人机上的充电接触件的当前实时位置，最终实现充电执行件4与充电接触件的接触，实现充电。

在充电开始前，先断开无人机上的电能使用通道，即断开无人机的蓄电池与电调、电机的电源连接，接着测试充电执行件与充电接触件两者间是否连接正确；具体为测量两电极通道是否短路，确认无人机的蓄电池与充电接触件的正负极是否相连通。随后将机械手1上的正负极导电件通电，与机械手1连通的充电电源开始对无人机上的电池充电，充电过程中，按照电池特性要求的充电工作电流或电压的大小对电池充电，并通过系统控制模块和无人机上的控制模块监控充电过程以及电池的充电状态。当充电完成后，先断开无人机上的充电接触件的正负电极的通道，再截断机械手1上的正负极导电件的通道，完成无人机的全部充电过程，无人机处于满电能待起飞状态。无人机上还搭载一个小型充电纽扣电池，可以维持无人机在断电状态下控制电路上的最低电能需求，而不需要在电池充电过程中使用电池，保护电池的正常充电，有利于延长电池寿命，保障充电安全。

参见图1-图5，本实施例的无人机的机械手充电方法，包括以下步骤：

(1)无人机降落在充电平台或基站后，全局相机3对整个充电平台或基站进行拍摄，并将拍摄的图像传输到图像处理模块进行识别；

(2)当图像处理模块确认标识块7的位置后，将标识块7的位置信息传输到系统控制模块中，系统控制模块控制机械手1快速向无人机上的位置附近移动；

(3)当机械手1上的充电执行件4靠近无人机的充电接触件时，摄像机8以及图像处理模块持续对标识块7进行拍摄和识别，确保机械手1上的充电执行件4与无人机上的充电接触件对准；

(4)系统控制模块继续控制机械手1上的充电执行件4逐渐靠近无人机上的充电接触件，所述摄像机8持续对无人机上的标识块7进行识别，所述图像处理模块将所拍摄的图像不断地与预设图像对比识别，当所拍摄的标识块7的形态与预设图像一致时，确认为充电执行件4与充电接触件对准；所述系统控制模块控制充电执行件4的夹紧组件闭合，夹住无人机的充电接触件并对应接触(正电极5与正极导电件接触，负电极9与负极导电件接触)，实现无人机的充电；

(5)当无人机充电完成后，系统控制模块控制充电执行件4的夹紧组件分离松开充电接触件，并促使机械手1返回移动，离开无人机，完成无人机的自动充电。

另外，当无人机降落在充电平台或基站上后，也可直接由机械手1上的摄像机8进行全局拍摄，寻找无人机的位置，从而无需另外设置全局相机3具体是：系统控制模块控制机械手1端部充电执行件4对应处的摄像机8移动到最高处，并控制机械手1旋转运动，使得摄像机1对整个充电平台或基站进行全局拍摄，寻找无人机的位置，当确定无人机的位置后，系统控制模块再控制机械手1下降到合适的高度，并移动到无人机附近，最后再通过摄像机8对无人机上的标识块进行识别和后续的充电。

系统控制模块控制机械手1移动时，建立数学模型，以确保机械手1末端的充电执行件4的移动准确性；例如，将机械手1的各个“臂”看作是一系列由关节连接起来的连杆构成的，为机械手1的每一个连杆建立一个坐标系，并用齐次变换来描述这些坐标系间的相对位置和姿态，具体建模过程可参见现有技术。在本实用新型中，当无人机的空间坐标以及充电执行件4的起始空间坐标已知后，采用最简单且路径最短的轨迹，即无人机与充电执行件4的直线连线作为充电执行件4的运动轨迹，系统控制模块通过对应的数学模型计算出机械手1各个“臂”的运动轨迹，从而完成对机械手1的控制。

实施例2

参见图6-图8，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述充电接触件设置在无人机的起落架上，且所述充电接触件包括正电极5、负电极9以及接地电极10，所述正电极5、负电极9以及接地电极10沿竖向方向设置在起落架的其中一个支撑杆上，且所述接地电极10设置在正电极5和负电极9之间。所述充电执行件4由机械手爪构成，该机械手爪包括有三个机械手指，所述三个机械手指的内侧分别设有正极导电件11、负极导电件13以及接地导电件12。所述机械手指与人类手指相似，具有三个可弯曲的关节。将充电接触件设置在无人机的起落架上，能够与无人机的主体零部件分离一定的距离，让机械手1能够有充足的空间接近无人机的充电接触件，同时也便于摄像机8的寻找；其中该实施例的标识块7设置在支撑杆上，与充电接触件对应，以便摄像机8的识别。另外，本实施例的所述充电接触件也可设置在无人机的机臂上，所述充电接触件的正电极5、负电极9以及接地电极10沿着机臂的延伸方向设置在机臂上，以便与充电执行件4更好的接触从而实现充电，此时所述标识块7对应设置在机臂上。其中，所述机械手爪上的正极导电件11、负极导电件13以及接地导电件12的宽度均比无人机上的充电接触件的正电极5、负电极9以及接地电极10之间的间距小，并且机械手爪上的三个机械手指的间距与充电接触件上的三个电极相互对应。这样能够提高充电接触件上的电极与充电执行件4上的导电件对应接触的精度，若充电执行件4与充电接触件没有完全对准接触时，由于导电件的宽度比电极间的间距小，因此如果两者没有对准的情况下机械手爪进行抓紧运动与充电接触件接触，不会导致导电件同时与两个电极接触；另外，由于接地电极10设置在正电极5和负电极9之间，因此即使充电执行件4和充电接触件没有对准，在合理的偏差范围内，所述正极导电件11和负极导电件13也只是与接地电极10接触，并不会与另一个电极(正电极5或负电极9)直接接触导致短路。

实施例3

参见图9，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述无人机机架上设有凹型的充电接头6，该充电接头6与无人机的蓄电池连接，所述充电接头6构成充电接触件；本实施例中，所述充电接头6有两个，分别与蓄电池的正负极连接；所述充电执行件4上设有两个分别向两外侧延伸的弹性充电块。充电时，机械手1带动充电执行件4伸进充电接头6中，充电执行件4的两个弹性充电块分别与充电接头6内的电极接触，从而实现充电。设置凹型的充电接头6，能够避免充电的电极裸露在外界，使得充电的电极得到保护；弹性充电块的设置，能够确保伸进充电接头6内时通过弹性的作用与充电接头6的对应接触位置接触，实现正常充电。本实施例的标识块7设置在无人机的机架顶部，且位于两个充电接头6之间，该标识块7由多个逐渐缩小的多边形图案构成。

上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。