本发明涉及无人应用技术领域，具体公开了一种无人机协同无人艇充电的方法及系统。
背景技术：
无人机作为一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务并能重复使用的飞行器，可广泛应用于监测，侦查等领域，但受到电池技术和充电技术的限制，无人机持续工作时间极短，使得其在应用上受到了大大的制约。无人机飞行一段时间后就必须返回进行电能补充，而现有的无人机电能补充大多数都是采用换电池或插线充电来实现的，这样操作较为麻烦，且无法实现无人机全自主控制。
因此，需要一种能解决上述问题的方法及装置。
技术实现要素：
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种无人机协同无人艇充电的方法及系统。
为实现上述目的，本发明采用如下方案。
一种无人机协同无人艇充电的方法，包括：
无人机采集无人艇图像，解析无人艇的抓取装置的相对位置和无人艇运动速度；
控制无人机靠近抓取装置，并使无人机悬停在抓取范围内的一定高度；
检测无人机是否在抓取范围内，若在范围内则无人艇抓取无人机；否则无人机重新采集无人艇图像；
通过抓取装置调节无人机位置，并进行无线充电。
进一步地，所述无人机采集无人艇图像，解析无人艇的抓取装置的相对位置和无人艇运动速度，包括：
按一定时间间隔Δt采集无人艇在调试区域的图像；
识别图像中无人艇的位置和抓取装置的标记点位置，解析出标记点在无人艇上的相对位置；
根据采集图像中标记点的相对位置，差分计算出标记点的相对位移Δy＝yt+Δt-yt，其中yt表示t时标记点的相对位置，yt+Δt表示时间间隔Δt后标记点的相对位置；
根据相对位移解析出无人艇运动速度v＝Δy/Δt。
进一步地，，所述控制无人机靠近抓取装置，包括：
依据标记点的相对位置、无人艇运动速度以及无人机GPS位置信息，计算无人机与标记点相对位置的误差；
将误差进行求导并代入无人机运动学方程，建立位置误差跟踪模型；
设计无人机的控制算法，获得无人机到达期望轨迹的期望速度；
将期望速度和当前速度的差值代入无人机动力学模型，并利用反馈控制法获得无人机期望的横滚角R、俯仰角P、航偏角Y；
将横滚角R、俯仰角P、航偏角Y代入角度与无人机电机控制转化方程，解析出无人机电机的控制量；
调节无人机电机的控制量，使无人机以期望速度靠近抓取装置。
进一步地，，所述控制算法为双闭环PID控制算法、智能PID算法、LQR算法、非线性H无穷控制算法、鲁棒控制方法或滑模控制算法。
进一步地，，所述使无人机悬停在抓取范围内的一定高度，包括：
检测无人机的高度h，解析出与预设抓取高度hd的误差Δh；
根据Δh设计反馈控制算法，解析出无人机高度控制量的控制参数Kp，Ki，Kd；其中，Kp表示比例调节系数，用于调节响应速度；Ki表示积分调节系数，用于调节残差；Kd表示微积分调节系数，用于调节振荡情况；
不断调节控制量使无人机悬停于距无人艇一定高度的抓取范围内。
进一步地，所述识别无人机是否位于抓取范围内，若在范围内则抓取无人机；否则重新识别抓取装置的相对位置,包括：
通过抓取装置上的红外传感器或摄像头检测无人机是否在抓取范围内；
若在抓取范围内，则启动抓取装置的舵机，并通过控制曲柄滑块在直线导轨上移动，以使抓取装置抓取无人机；
若不在抓取范围内，则重新采集无人艇图像。
进一步地，所述通过抓取装置调节无人机位置，并进行无线充电，包括：
通过抓取装置将无人机移至无人艇充电线圈正上方，并使无人机线圈与充电线圈位置重合；
将电源接入无线充电装置发射端，通过无线充电板转换成交流电，并通过无人艇发射线圈进行发射；
无人机的接收线圈接收能量，并通过无线充电板对无人机电池进行先恒流再恒压充电。
一种无人机协同无人艇充电的系统，包括：
无人机，解析无人艇上抓取装置的相对位置和无人艇运动速度，并悬停于抓取范围内；
抓取装置，设置在无人艇上，用于抓取无人机并移至无人艇充电处；
无人艇，用于对无人机无线充电；
所述无人机设有充电接收线圈和无线充电板；所述抓取装置设有曲柄滑块，带连抽装置的倒钩，红外传感器，舵机和直线导轨；所述红外传感器检测无人机位置后，无人艇启动舵机使曲柄滑块沿直线导轨滑动，使带连抽装置的倒钩抓住无人机；所述无人艇设有充电装置，所述充电装置包括充电板和充电线圈。
进一步地，所述无人机为多旋翼无人机；所述无人艇为双螺旋桨无人艇或带尾舵的单螺旋浆无人艇或带侧推装置的全驱动无人艇。
本发明的有益效果：提供一种无人机协同无人艇充电的方法及系统，通过利用无人机和无人艇协同控制技术，将无人艇的大容量电池对无人机进行充电，能大幅度提高无人机持续作业能力和作用范围，同时解决了无人机充电需人工参与的问题，实现无人机全自主控制。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
一种无人机协同无人艇充电的方法，如图1所示，包括:
无人机001采集无人艇005在调试区域的图像，识别图像中无人艇005的位置和抓取装置004的标记点位置，解析出标记点在无人艇005上的相对位置；根据在时间间隔Δt内采集的图像中识别到标记点的相对位置，差分计算出标记点的相对位移Δy＝yt+Δt-yt，其中yt表示t时标记点的相对位置，yt+Δt表示时间间隔Δt后标记点的相对位置；根据相对位移解析出无人艇运动速度v＝Δy/Δt。
依据标记点的相对位置，无人艇005运动速度以及无人机001GPS位置信息，计算无人机001与标记点相对位置的误差；将误差进行求导并代入无人机001运动学方程，建立位置误差跟踪模型；通过对误差模型进行求导并分析，利用lyapunov原理、barbalet引理、拉萨尔不变集等理论，结合反馈和前馈控制设计方法进行稳定性分析，从而设计使无人机001稳定趋近于期望速度的控制率，从而获得无人机001到达期望轨迹的期望速度；将期望速度和当前速度的差值代入无人机001动力学模型，并利用反馈控制法获得无人机001期望的横滚角R、俯仰角P、航偏角Y；其中横滚角R用于控制无人机横向移动速度；俯仰角P用于控制无人机前向运动速度；偏航角Y用于控制无人机自旋。
将横滚角R、俯仰角P、航偏角Y代入角度与无人机001电机控制转化方程，解析出无人机001电机的控制量；调节无人机001电机的控制量，使无人机以期望速度靠近抓取装置004。
通过超声波传感器或气压计检测无人机001的高度h，解析出与预设抓取高度hd的误差Δh；根据Δh设计反馈控制算法(优选为PID控制算法)，从而解析出无人机001高度控制量的控制参数Kp，Ki，Kd；其中，Kp表示比例调节系数，用于调节响应速度；Ki表示积分调节系数，用于调节残差；Kd表示微积分调节系数，用于调节振荡情况；将控制量等量施加到无人机001的电机上，当无人机001高于指定高度时，减小控制量；当低于指定高度时则增加控制量，最终完成使无人机001悬停在一定高度范围内。
通过抓取装置004上的红外传感器或摄像头检测无人机是否在抓取范围内；若在抓取范围内，则启动抓取装置004的舵机，并通过控制曲柄滑块在直线导轨上移动，以使抓取装置004抓取无人机支架002；若不在抓取范围内，则重新采集无人艇005图像。
抓取装置004将无人机001移至无人艇005充电线圈正上方，并使无人机001线圈与充电线圈位置重合；将电源接入无线充电装置003发射端，无线充电板转换成交流电，并通过无人艇发射线圈进行发射；无人机的接收线圈接收能量，并通过无线充电板对无人机电池进行先恒流再恒压充电。
本实施例中，所述控制算法包括双闭环PID控制算法，智能PID算法，LQR算法，非线性H无穷控制算法，鲁棒控制方法，滑模控制算法等，可选择上述算法进行结合以建立无人机001跟踪运动学模型，算出无人机001的控制参数，并对参数作调整，实现悬停在抓取位置上方一定高度。
本实施例中，所有控制算法均由无人机001和无人艇005自主完成，通过摄像头定位识别抓取装置004并靠近，最终悬停在一定高度范围内；无人艇识别已位于抓取范围内的无人机001，并操作抓取装置004对无人机001进行抓取，再将其转移至充电线圈上方，相对常见的无人机001自主悬停在充电位置上方，可以保证无人机定位精度和充电位置的准确性，有效克服无人机漂移、定位精度不高、悬停高度存在波动等问题。由于无人艇005工作在水域环境以及配备大容量电池，可有效提高无人艇005和无人机001协同监测和巡逻的作业时间和作业范围，有效克服了无人机电池容量小，需要返航充电的问题。同时无人机协同无人艇无线充电的方式，不需要人工干预，可实现无人机001和无人艇005的全自主控制。
一种无人机协同无人艇充电的系统，如图1所示，包括：无人机001，解析无人艇005上抓取装置004的相对位置和无人艇005运动速度，并悬停于抓取范围内；抓取装置004，用于抓取无人机001并移至无人艇005充电处；无人艇005，用于对无人机001无线充电；所述无人机001设有充电接收线圈和无线充电板；所述抓取装置004设于无人机上，抓取装置设有曲柄滑块，带连抽装置的倒钩，红外传感器，舵机和直线导轨；所述无人艇设有充电装置003，所述充电装置003包括充电板和充电线圈。
本实施例中，所述无人机001为多旋翼无人机；所述无人艇005为双螺旋桨无人艇或带尾舵的单螺旋浆无人艇或带侧推装置的全驱动无人艇。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。