一种无人机集群的无线充电方法与流程

本发明属于无人机充电领域，尤其是一种无人机集群的无线充电方法。

背景技术：

无人机作为一种自主飞行器，在现代应用中发挥着难以替代的作用。无人机组网也在现代应用中越来越普遍。然而无人机网络由于无人机架次多，执行任务时间长，经常会出现电池电量不足以支撑整个集群完成任务的情况。而传统的解决问题的方式大致有以下几种：第一种是增加电池容量，但是这种方案会导致无人机负重增加，降低其有效载荷。第二种是在任务执行过程中降落充电，这种方案费时费力，在实际应用中不现实。第三种是为无人机加装太阳能收集板，通过收集太阳辐射将其转化为无人机的电量，这种方法需要大面积的太阳能收集板，而且面临着因环境问题导致的太阳能不足的情况，因此该方法不适用于小机型，多架次，长航时的任务。第四种是在无人机执行任务的各地部署无人机无线充电站，这种方法对于单架次无人机充电有着良好的效用，但是当有多架次无人机同时需要充电时，这种方案难以选择具体为哪一架次充电，在面临无人机集群充电时不够智能化。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种无人机集群的无线充电方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种无人机集群的无线充电方法，包括以下步骤：

1)基于无人机集群，在地面建立无线充电站阵列和地面控制基站；

2)无人机集群中的无人机发送当前任务数据和能量信息给地面控制基站；

地面控制基站利用能量消耗模型计算能量消耗，并将结果回传给相应的无人机；

地面控制基站根据结果控制无线充电站阵列中相应的无线充电站启停，无人机的充电开关根据回传的结果决定启动与否；

任务信息包括航线完成度和位置信息。

进一步的，若步骤2)中回传结果为无人机的电量小于预设值，则地面控制基站控制无线充电站阵列中相应的充电站启动并发射电磁波，同时无人机打开充电开关进行充电，直至无人机电量达到预设值；

无线充电站发射的电磁波能够到达无人机所处位置。

进一步的，若无人机在预设时间内没有接收到步骤2)的回传结果，则无人机打开充电开关且在原位置进行盘旋，则地面控制基站控制无线充电站阵列中相应的充电站启动从而发射电磁波给无人机充电，直至无人机能够接收到回传结果；

无线充电站发射的电磁波能够到达无人机失联处。

进一步的，若无人机在预设时间内没有接收到步骤2)的回传结果，则地面控制基站在地面向无人机失联处对应的位置移动。

进一步的，当步骤1)中无人机集群在同一高度均布时，在均布的平面上划分正方形网格，无人机均处于正方形网格内，在正方形网格的顶点对应的地面上设置无线充电站；

正方形网络的边长为d，无线充电站的充电半径为cr，则

进一步的，无人机上加装有太阳能收集板。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的无人机集群的无线充电方法，包括在无人机执行任务地区部署无线充电站和地面控制基站，将由地面控制基站调度需要充电的无人机和部署在当地的无线充电站完成充电；本发明的无人机集群的充电方法，解决了无人机集群执行任务时续航不足的问题，极大拓宽了无人机的应用场景。

进一步的，本发明的能够保证无人机集群中的每架无人机的电量不低于预设值。

进一步，当无人机无法收到回传结果时，即判定该无人机与地面控制基站暂时性失联，此时无人机在失联地进行盘旋并打开充电开关，而地面控制基站也无法再接收到该失联无人机发送的信息，地面控制基站控制无线充电站向无人机失联位置发射电磁波，给失联无人机进行无线充电。

进一步的，地面控制基站将向失联无人机方向进行移动，通过改变位置使失联无人机重新连接。

进一步，本发明的无人机集群均布在同一高度，将无人机集群所在的平面划分成多个正方形网格，并每个正方形网格的顶点布置无线充电站，可以通过计算无线充电的范围来确定每个小网格的边长。当网格边长d小于时，能够确保所有无人机都能进行充电；而当网格边长d大于倍的无人机充电半径时，那么将有无人机不在充电范围内，无法在原地充电；当网格边长d远大于无人机充电半径cr时，绝大多数无人机将无法在原地充电。综上，既保证尽了可能多的无人机在原地进行无线充电，又避免了布置过多的无线充电站带来的经济损耗。

进一步，本发明无人机加装有太阳能收集板，当太阳能充足时无人机靠太阳能即可完成电量补足，节约了无线充电的成本，当太阳能不足以补充电量时，地面控制基站指挥无线充电站向需要充电的无人机定向发射电磁波，完成充电，保证了无人机电量始终充足。

附图说明

图1为本发明的无人机集群充电的网络构成图；

图2为无人机集群充电的流程图；

图3为失联无人机充电的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，图1为本发明的无人机集群充电的网络构成图，无人机集群近似均匀的分布在一个大型网络中，根据无线充电站的充电范围将这个大型网络分割成数个小型网格，每个小型网格的定点均为无线充电站，同时地面控制基站4可以根据实际情况进行移动；假定位置确定的无人机均匀分布在一个2a×2a的网络中，该网络中的无线充电站的充电半径为cr，无线充电站的充电范围则是一个以cr为半径、以无线充电站为圆心的圆。对于每一个通讯间隔，无人机将位置数据和能量信息传递给地面控制基站。地面控制基站利用能量模型来计算能量消耗若有无人机需要充电，为了方便和地面控制基站共享其能量水平和位置信息以及路径规划，将原网络划分为多个大小一致的网格。如图1中将网格的顶点作为无线充电站cp，cp代表网格顶点处的无人机充电站。

为了使计算更加方便，每个网格的边长d应该能够被2a整除。由此可以计算出d的计算值、所需无线充电站的个数以及充电的覆盖范围。为了确定充电网格的大小，根据边长d与充电直径2cr之间的关系，可以得到两种关系：

第一种关系：网格内所有的无人机都可以充电，其中，d的最大值为

第二种关系：当d大于时，位于网格中间某些的无人机将无法充电。

为了缩短充电路径长度，优化充电性能，d的值尽可能位于在该布局中，若位于左上角的四个无线充电站分别为e、f、g、h充电点，虚线表示充电范围。

在确定网格大小后，地面控制基站向无人机广播无线充电站的位置。每架无人机根据自身与无线充电站之间的距离计算接收到的功率。若图1中第i架无人机的坐标为(xi,yi)。

位于网格中的e、f、g、h充电点，坐标分别为

使用以下公式可计算第i架无人机与四个无线充电站之间的距离分别为：

现在，第i个无人机从四个无线充电站3接收到的总能量计算方式如下：

其中，γ是一个预定义的常数；β为用来调节弗里斯自由空间传播模型的短距离传输的常数；

电磁波在空间中传播的最简模型就是自由空间传播模型，这个模型假设无线电损耗只和传播距离和电波频率有关，当给定了频率就只和距离有关，自由空间传播的公式为：

其中，gt为发射天线的增益；gr为接收天线的增益；lp为与传播无关的系统损耗因子；λ为波长；d为发射源和接收器的距离，pr为发射源功率，pt为接收器收到的功率。地球上大气层中大多是各向均匀的同性介质，且由于是短距离传输，这个公式需要引入补偿，因此引入了β来进行补偿。根据推论，因为大气各项物质基本不变，且短距离传输在一定范围内也可视作是环境不改变的，只需要引入常数β。

参照图2，图2为无人机集群充电的流程图；无人机集群中每架无人机向地面控制基站发送自身的任务信息和电量信息，任务信息包括当前航线完成度和当前所在位置信息，地面控制基站接收到各个无人机发送的信息，利用能量消耗模型计算能量消耗，并将结果回传给相应的无人机和无线充电站。

对于无人机正常通讯的情况，若有k架无人机发送的信息，经地面控制基站计算后，判定为需要充电，这k架无人机自身的充电开关打开，地面控制基站控制距离这k架无人机较近的无线充电站开启从而向这k架无人机所在位置发射电磁波，此时这k架无人机开始充电，整个过程无人机继续执行任务；当无人机飞离当前区域，若还需充电，则地面控制基站控制下一个区域的对应的无线充电站向还未达到预设值的无人机所在位置发射电磁波，循环以上过程，直至待充电无人机的电量高于预设值，充电完成，无人机关闭无线充电开关，地面控制基站控制无线充电站停止发射电磁波。

参见图3，图3为失联无人机充电的流程图，对于有无人机失联的情况，若第i架无人机失联，此时地面控制基站接收不到第i架无人机发送的信息，地面控制基站控制距离第i架无人机最后一次发送位置信息的最近的无线充电站向第i架无人机最后一次发送位置信息所在的方向发射电磁波，同时第i架无人机不能接收到地面控制基站回传结果，此时，该无人机立即终止当前任务，切换为盘旋模式并打开无线充电开关，确保自身在重新获得连接之前有充足的电量。一旦重新获取连接，第i架无人机即可继续执行任务。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。