一种无人机快速充电系统及其充电方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无人机充电技术领域，更具体地说，涉及一种无人机快速充电系统及 其充电方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展，无人机，特别是四旋翼无人机技术现在越来越成熟，对无人 机的控制也越来越稳定，相关的在军事、救灾、民用上的应用都有很大发展。例如，亚马逊 和顺丰快递公司最近都在研发无人机送快递的技术。然而，这项技术的一个重大的瓶颈在 于无人机的续航能力低，无人机基本都是依靠电池供电，所能携带电量有限，难以长时间工 作。此外，在隐患高峰期或遇到突发事件时，需要无人机定时或连续工作，需要有人监管保 证其在工作过程中回收充电，这样不但影响工作效率，而且在外工作时充电也不方便，影响 任务的有效执行。
[0003] 目前大部分无人机多是采用更换电池的方法来增强续航能力，高频率的拆卸 容易损坏机架及其电子元件，而且更换电池对人的依赖性较大，无人机自动充电技术将 是新的发展趋势。经过检索，现有技术中存在相关的技术方案公开，如中国专利号：ZL 201220461117. 6,授权公告日：2013年5月8日，该申请案公开了一种无人机及其自动充电 系统，包括：供电模块，用于为所述无人机提供充电电源；无人机充电模块，用于安装在无 人机上接收所述供电模块提供的电能；时间控制模块，用于控制所述无人机定时起飞和定 时回航充电。该方案只是对充电系统的抽象描述，在具体实施过程中仍存在较多问题。
[0004] 又如中国专利【申请号】201510183600. 0,申请日：2015年4月19日，该申请案公开 了一种无人机充电粧及其充电方法，包括电动推杆，凸起和通信模块，旋翼无人机的充电板 上固定有凸起，四个凸起为一组，构成一个正方形，凸起布满充电板，构成多个正方形；可伸 缩的电动推杆安装在充电板的四周，缓冲架底部的锯齿形凸起嵌入充电板凸起形成的缝隙 中，旋翼无人机不能水平移动；在旋翼无人机平稳飞行降落在充电板上后，无旋翼机向通信 模块发送信号，充电模块接收到信号后，向电动推杆发送指令，电动推杆伸出，固定旋翼无 人机的缓冲架底部。本方案中的无人机在降落时难以准确定位，自主性差，而且充电效率 低，需要进一步改进。
【发明内容】
[0005] 1.发明要解决的技术问题
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术中无人机返航定位效率低、自主性差、充电慢的 不足，提供了一种无人机快速充电系统及其充电方法，本发明的无人机能够准确、快速地降 落到支撑模块，并将充电过程分为三个阶段，大大提高了充电效率，自主性高，便于使用。
[0007] 2?技术方案
[0008] 为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0009] 本发明的一种无人机快速充电系统，包括支撑模块、定位模块和充电模块，所述支 撑模块用于辅助无人机本体降落并支撑无人机本体；所述定位模块用于无人机本体的返航 定位，使无人机本体降落至支撑模块上；所述充电模块用于控制对无人机本体的充电过程。
[0010] 作为本发明更进一步的改进，还包括电量检测模块，所述电量检测模块设置在无 人机本体上，用于检测蓄电池的电量状况，充电模块根据电量状况、充电时的输入电压和蓄 电池的实时电压控制充电过程。
[0011] 作为本发明更进一步的改进，所述的支撑模块包括底座、无人机支座和接触电极 组，所述无人机支座垂直底座设置，且无人机支座的排列方式与无人机本体的旋翼支架的 设置方式相对应；所述接触电极组两两对称排布在底座上，充电时，接触电极组的电极接头 与无人机本体的蓄电池接口电连接。
[0012] 作为本发明更进一步的改进，所述无人机支座为圆柱形，在无人机支座上开设长 度方向的V形槽，该V形槽的开口朝向底座中心，且开口角度为80~150°，无人机支座的 中心开设有与V形槽连通的圆孔，无人机支座上端为顶部凸起，该顶部凸起的两侧面为倾 斜面，在无人机本体降落后，顶部凸起与旋翼支架呈线接触。
[0013] 作为本发明更进一步的改进，所述接触电极组包括推杆、支撑腿和步进电机，所述 步进电机通过电机支座固定在底座上；所述推杆一端与步进电机的驱动轴相连，推杆另一 端设置有电极接头，在蓄电池接口上设置有对应的弹簧电极片，并在弹簧电极片上连接有 压力传感器，充电时，电极接头与弹簧电极片接触。
[0014] 作为本发明更进一步的改进，所述推杆下侧设置有限位槽，在限位槽两端设置有 限位开关，该限位开关与步进电机电连接；所述支撑腿一端与底座固定连接，支撑腿另一端 伸入限位槽内，用于限制推杆伸退长度。
[0015] 作为本发明更进一步的改进，所述定位模块包括定位单元、摄像单元、测距单元和 控制单元，所述定位单元为超声波定位，在底座中心设置有超声波传感器，该定位单元根据 接收到的超声波信号获得无人机本体的位置及飞行姿态，以控制无人机本体的返航路线； 所述摄像单元用于采集底座上的图像信息；所述测距单元用于获得无人机本体的高度信 息；所述控制单元根据返航路线和飞行姿态控制无人机本体返航，根据图像信息和高度信 息发出指令控制无人机本体降落。
[0016] 作为本发明更进一步的改进，所述底座上的图像为回形图像。
[0017] 作为本发明更进一步的改进，所述测距单元为红外线测距，在无人机本体的旋翼 支架上设置有红外线发射器，无人机支座的中心孔中设有红外线感应器。
[0018] 本发明的一种无人机快速充电系统的充电方法，其充电过称为：
[0019] 步骤一、无人机快速充电系统中的定位单元发出超声波定位信号获得无人机本体 的位置信息和飞行姿态，经过控制单元的调整控制无人机本体返航至底座上方；
[0020] 步骤二、摄像单元采集回形图像信息，先对每个光斑像素求出其相对摄像机坐标 原点的面矩，将每个像素的面矩累加起来，再求出光斑所有像素灰度级的积分，按照灰度重 心法求重心位置，计算公式为：
[0021]
[0022] 其中，x为回形图像（101)中心位置的横向坐标；
[0023] y为回形图像（101)中心位置的纵向坐标；
[0024] f(i，j)为各个光斑像素相对摄像机坐标原点的面矩；
[0025] i为横向坐标上的光斑像素数，j为纵向方向上的光斑像素数；则求得回形图像相 对无人机本体的坐标位置，控制单元根据位置信息调整无人机本体的位置；
[0026] 步骤三、步骤二完成后，无人机本体位于底座正上方，此时红外线发射器启动，控 制单元根据图像信息和高度信息控制无人机本体降落至无人机支座上；
[0027] 步骤四、步骤三中无人机本体降落后触发步进电机启动，推杆伸出使电极接头与 弹簧电极片接触，并由压力传感器检测接触压力；
[0028] 步骤五、步骤四中接触压力达到预设值后充电模块开始为蓄电池充电，充电过程 分为预充电、分段恒流充电和脉冲充电三个阶段；
[0029] 步骤六、电量检测模块检测到电量充足时，充电模块触发步进电机反向启动，推杆 退回，支撑腿触碰到限位开关后步进电机停止，完成充电。
[0030] 3?有益效果
[0031] 采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0032] (1)本发明的一种无人机快速充电系统，其支撑模块为无人机本体提供了降落载 体，该支撑模块与定位模块相结合，实现了返航、定位、降落完全自动化操作，提高了定位降 落的准确度和效率；
[0033] (2)本发明的一种无人机快速充电系统，无人机支座为圆柱形，并开设有V形槽，V 形槽开口角度可根据旋翼支架的大小设定，防止降落时与旋翼支架发生干涉；无人机支座 的中心开设有圆孔，在圆孔中设有红外线感应器，便于准确接收红外信号；无人机支座上端 为顶部凸起，该顶部凸起的两侧面为倾斜面，顶部凸起与旋翼支架呈线接触，一方面有助于 无人机本体准确定心，另一方面可保证无人机本体的稳定性；
[0034] (3)本发明的一种无人机快速充电系统，在底座上安装有四个接触电极组，加快了 充电速度；在接触电极组的推杆下侧设有限位槽，限位槽内的限位开关与支撑腿相配合，既 能防止推杆过度伸出，又能在充电完成后自动停机，充分体现了该充电系统的自主性和安 全性能；
[0035] (4)本发明的一种无人机充电系统的充电方法，将超声波技术、图像定位技术和红 外线测距技术相结合，使无人机本体能够快速、准确的降落到支撑模块上，节省了无人机充 电的准备时间；其充电过程分为三个阶段：小电流预充电、分段恒流充电和大电流脉冲充 电，小电流预充电能够使蓄电池的化学性能逐渐恢复，延长电池使用寿命；分段恒流充电可 减小各阶段充电电流的下降