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基于视觉的多旋翼无人机移动供电装置

阅读：1006发布：2020-05-12

专利汇可以提供基于视觉的多旋翼无人机移动供电装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且基于视觉的多旋翼无人机移动供电装置，相机安装在无人机正下方；在无人机底部装有起落架，起落架的末端安装有引导块；无人车的车面上侧安装引导座；引导座的位置与起落架的位置对应，引导座具有顶部开口的内腔，引导座的内腔的底部安装有电磁铁；当无人机停放在无人车上时，的蓄电池为无人机上的电板充电；无人机上装有第一中央控制器和第一无线通信模块，无人机的驱动电机连接第一中央控制器；无人车上装有第二中央控制器和第二无线通信模块，无人车的驱动装置连接第二中央控制器。无人机通过识别无人车上的视觉信标，引导自身在无人车上降落。本发明可以很好的解决多旋翼无人机的移动充电问题。，下面是基于视觉的多旋翼无人机移动供电装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.基于视觉的多旋翼无人机移动供电装置，其特征在于：包括无人机(1)、无人车(2)；
所述无人机(1)上设置有相机(101)、起落架(102)，所述相机(101)安装无人机(1)正下方；在无人机(1)底部装有若干个起落架(102)，起落架(102)的末端安装有引导块(103)；所述引导块(103)采用导电的磁性材质；
所述无人车(2)包括车面(201)、引导座(202)、和驱动装置(21)，所述驱动装置(21)共两套分别安装在车面(201)的前后两端，构成四驱系统；所述车面(201)上侧安装引导座(202)；所述引导座(202)的位置与无人机(1)停放在无人车(2)上时起落架(102)的位置对应，引导座(202)具有顶部开口的内腔，引导座(202)的内腔的底部安装有电磁铁(203)，所述的内腔和引导块(103)呈上大下小的锥面体，当无人机(1)停放在无人车(2)上时引导块(103)纳入所述的内腔，电磁铁(203)与引导块(103)接触；
无人车(2)上装有蓄电池，蓄电池与电磁铁(203)电连接；无人机(1)上的电板与引导块(103)电连接；当无人机(1)停放在无人车(2)上时，所述的蓄电池为无人机(1)上的电板充电；
无人机(1)上装有第一中央控制器和第一无线通信模块，无人机(1)的螺旋桨的驱动电机的控制端连接第一中央控制器；无人车(2)上装有第二中央控制器和第二无线通信模块，无人车(2)的驱动装置(21)的控制端连接第二中央控制器；
无人机(1)和无人车(2)保持实时通信，通过机载的全球定位系统(GPS)获取各自的位置，无人机(1)在执行任务时时刻计算与无人车(2)的相对距离，并评估自身电量是否满足飞行并降落在无人车(2)上，当无人机(1)的电量正好满足或大于无人机(1)抵达并降落至无人车(2)上的所需电量时，无人车(2)将自身经纬度信息发送给无人机(1)，无人机(1)通过GPS导航飞抵无人车(2)；
车面(201)上设有用于无人车(2)降落时进行视觉引导的视觉信标(3)，视觉信标(3)呈每条边为曲线的“三角形”，内部为渐变色；
无人机(1)通过GPS导航飞行至无人车(2)附近后，在视觉引导时，相机(101)始终垂直朝下拍摄，以如下步骤获取无人机(1)的位置与朝向并引导无人机(1)降落：
步骤一：建立相机(101)的成像画面的XY平面坐标系，选取成像画面的形心位置为坐标原点，向左为X轴正方向，向上为Y轴正方向，其坐标值即对应点到X轴和Y轴间隔的像素值；
步骤二：正对着视觉信标(3)拍摄一副图片，然后截取包含信标图案的部分作为图案模板，将视觉信标(3)的图案模板输入到无人机(1)的中央控制器，通过Camshift跟踪算法检测视觉信标(3)中的形状特征和渐变色特征，进行特征匹配自动检测出相机(101)的成像画面中的视觉信标(3)的特征，并找到跟踪窗口；
步骤三：得到跟踪窗口后，只能获得视觉信标(3)在相机(101)的成像画面内的大致位置，不能获得准确位置和方向，需进行下一步检测，即在跟踪窗口运行“角点检测”算法，“角点检测”算法是一种成熟的图像处理算法，能快速准确的检测到成像画面内的存在的“角点”及其坐标，由于视觉信标(3)的特殊设计，在跟踪窗口内只能检测到三个“角点”，即角点(301)、角点(302)和角点(303)；
步骤四：在相机(101)的成像画面内获取到三个“角点”后，计算三个角点之间的两两距离，距离由两个“角点”之间相隔的像素数成正比，找出相隔最近的两个“角点”，即图二中的角点(301)和角点(302)，再取角点(301)和角点(302)的中点，连接该中点与剩下的角点(303)，得到一条直线，该直线的中点坐标即视觉信标(3)的相机(101)成像画面内的准确坐标，从角点(301)和角点(302)的中点向角点(303)的矢量即视觉信标(3)的相机(101)成像画面内的朝向；
步骤五：进行无人机(1)的飞行控制，跟踪过程中，如果视觉信标(3)在相机(101)成像画面内的坐标偏离坐标系原点了，计算出相应的X、Y坐标值，该值将作为无人机(1)的控制量，X对应无人机(1)左右平移，Y对应无人机(1)前后平移，X值为正时，无人机(1)向左调整，Y值为正时，无人机(1)向前调整，反之亦然，期望位置即X值和Y值都接近0的时候；视觉信标(3)的相机(101)成像画面内的朝向与X轴正方向存在夹角时，无人机(1)将进行自旋来调整该夹角，期望夹角也是近似为0的时候；
步骤六：当期望位置和期望夹角小到预设范围内时，则满足了降落条件，当有降落指令时，无人机(1)将降落在无人车(2)上；当然降落的过程无人机始终调整自身的位姿，保持期望位置和期望夹角在预设误差范围内。
2.如权利要求1所述的基于视觉的多旋翼无人机移动供电装置，其特征在于：所述引导座(202)有四个，沿车面(201)的纵轴线和横轴线对称分布。
3.如权利要求1所述的基于视觉的多旋翼无人机移动供电装置，其特征在于：所述驱动装置(21)分为左驱动单元(21a)和左驱动单元(21b),其中左驱动单元(21a)包括车轮(211)、驱动安装架(212)、悬挂上板(213)、减震压簧(214)、悬挂下板(215)、U型螺丝(216)、轴承箱(217)、驱动电机(218)、驱动皮带(219)、从动带轮(2110)、车轴(2111)、主动带轮(2112)、连接柱(2113)；所述车轮(211)固连于车轴(2111)的一端，所述车轴(2111)插合于轴承箱(217)内，车轴(2111)另一端伸出轴承箱并安装从动带轮(2110)，所述驱动电机(218)安装在轴承箱(217)后侧的支架上，所述主动带轮(2112)固连于驱动电机(218)轴端，所述驱动皮带(219)安装在主动带轮(2112)和从动带轮(2110)上，构成带传动系统；所述驱动安装架(212)安装在悬挂上板(213)上，所述悬挂上板(213)和悬挂下板(215)之间安装有两个减震压簧(214)，所述悬挂下板(215)通过两个U型螺丝(216)安装在轴承箱(217)的左侧；所述左驱动单元(21a)和左驱动单元(21b)的零部件形状和数目相同，呈左右镜像分布，两者的连接柱(2113)相互连接。

说明书全文

基于视觉的多旋翼无人机移动供电装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种多旋翼无人机移动供电装置。

背景技术

[0002] 随着多旋翼无人机技术的发展，多旋翼无人机已经应用到各个领域，比如救援、电力巡检、油气管道巡检、安防巡查等，由于油动无人机体积大、噪音大、控制难度大且排放污染气体，所以目前绝大数多旋翼无人机均为电动。但是由于电池容量有限，而电动无人机耗电量较大，电动无人机的续航能力普遍很差，很难实现执行长时间任务。

发明内容

[0003] 本发明要克服现有无人机续航能力差的问题，提供了一种基于视觉的多旋翼无人机移动供电装置。

[0004] 本发明通过在相关地域布置多辆装在有大容量蓄电池的无人车，无人车上设置有相应的充电接口为无人机进行充电，以此增加无人机的续航能力。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0006] 一种基于视觉的多旋翼无人机移动供电装置，其特征在于：包括无人机1、无人车2；

[0007] 所述无人机1上设置有相机101、起落架102、引导块103，所述相机101安装无人机正下方；无人机1底部设有若干个起落架102，起落架102的末端安装有引导块103；引导块103采用导电的磁性材质。

[0008] 所述无人车2上包括车面201、引导座202和驱动装置21，所述驱动装置21共两套分别安装在车面201的前后两端，构成四驱系统；所述车面201上侧安装引导座202；所述引导座202的位置与无人机1停放在无人车2上时起落架102的位置对应，引导座202具有顶部开口的内腔，引导座202的内腔的底部安装有电磁铁203，所述的内腔和引导块103呈上大下小的锥面体，当无人机1停放在无人车2上时引导块103纳入所述的内腔，电磁铁203与引导块103接触；

[0009] 无人车2上装有蓄电池，蓄电池与电磁铁203电连接；无人机1上的电板与引导块103电连接；当无人机1停放在无人车2上时，所述的蓄电池为无人机1上的电板充电；

[0010] 无人机1上装有第一中央控制器和第一无线通信模块，无人机1的螺旋桨的驱动电机的控制端连接第一中央控制器；无人车2上装有第二中央控制器和第二无线通信模块，无人车2的驱动装置21的控制端连接第二中央控制器；

[0011] 无人机1和无人车2保持实时通信，通过机载的全球定位系统(GPS)获取各自的位置，无人机1在执行任务时时刻计算与无人车2的相对距离，并评估自身电量是否满足飞行并降落在无人车2上，当无人机1的电量正好满足或大于无人机1抵达并降落至无人车2上的所需电量时，无人车2将自身经纬度信息发送给无人机1，无人机1通过GPS导航飞抵无人车2；

[0012] 车面201上设有用于无人机1降落时进行视觉引导的视觉信标3，视觉信标3呈每条边为曲线的“三角形”，内部为渐变色；

[0013] 无人机1通过GPS导航飞行至无人车2附近后，在视觉引导时，相机101始终垂直朝下拍摄，以如下步骤获取无人车2的位置与朝向并引导无人机1降落：

[0014] 步骤一：建立相机101的成像画面的XY平面坐标系，选取成像画面的形心位置为坐标原点，向左为X轴正方向，向上为Y轴正方向，其坐标值即对应点到X轴和Y轴间隔的像素值；

[0015] 步骤二：正对着视觉信标3拍摄一副图片，然后截取包含信标图案的部分作为图案模板，将视觉信标3的图案模板输入到无人机1的中央控制器，通过Camshift跟踪算法检测视觉信标3中的形状特征和渐变色特征，进行特征匹配自动检测出相机101的成像画面中的视觉信标3的特征，并找到跟踪窗口；

[0016] 步骤三：得到跟踪窗口后，只能获得视觉信标3在相机101的成像画面内的大致位置，不能获得准确位置和方向，需进行下一步检测，即在跟踪窗口运行“角点检测”算法，“角点检测”算法是一种成熟的图像处理算法，能快速准确的检测到成像画面内的存在的“角点”及其坐标，由于视觉信标3的特殊设计，在跟踪窗口内只能检测到三个“角点”，即角点301、角点302和角点303；

[0017] 步骤四：在相机101的成像画面内获取到三个“角点”后，计算三个角点之间的两两距离，距离由两个“角点”之间相隔的像素数成正比，找出相隔最近的两个“角点”，即图二中的角点301和角点302，再取角点301和角点302的中点，连接该中点与剩下的角点303，得到一条直线，该直线的中点坐标即视觉信标3的相机101成像画面内的准确坐标，从角点301和角点302的中点向角点303的矢量即视觉信标3的相机101成像画面内的朝向；

[0018] 步骤五：进行无人机1的飞行控制，跟踪过程中，如果视觉信标3在相机101成像画面内的坐标偏离坐标系原点了，计算出相应的X、Y坐标值，该值将作为无人机1的控制量，X对应无人机1左右平移，Y对应无人机1前后平移，X值为正时，无人机1向左调整，Y值为正时，无人机1向前调整，反之亦然，期望位置即X值和Y值都接近0的时候；视觉信标3的相机101成像画面内的朝向与X轴正方向存在夹角时，无人机1将进行自旋来调整该夹角，期望夹角也是近似为0的时候；

[0019] 步骤六：当期望位置和期望夹角小到预设范围内时，则满足了降落条件，当有降落指令时，无人机1将降落在无人车2上；当然降落的过程无人机始终调整自身的位姿，保持期望位置和期望夹角在预设误差范围内。

[0020] 优选地，所述引导座202有四个，沿车面201的纵轴线和横轴线对称分布。优选地，无人机1是四旋翼无人机。

[0021] 优选地，所述驱动装置21分为左驱动单元21a和左驱动单元21b,其中左驱动单元21a包括车轮211、驱动安装架212、悬挂上板213、减震压簧214、悬挂下板215、U型螺丝216、轴承箱217、驱动电机218、驱动皮带219、从动带轮2110、车轴2111、主动带轮2112、连接柱
2113；所述车轮211固连于车轴2111的一端，所述车轴2111插合于轴承箱217内，车轴2111另一端伸出轴承箱并安装从动带轮2110，所述驱动电机218安装在轴承箱217后侧的支架上，所述主动带轮2112固连于驱动电机218轴端，所述驱动皮带219安装在主动带轮2112和从动带轮2110上，构成带传动系统；所述驱动安装架212安装在悬挂上板213上，所述悬挂上板
213和悬挂下板215之间安装有两个减震压簧214，所述悬挂下板215通过两个U型螺丝216安装在轴承箱217的左侧；所述左驱动单元21a和左驱动单元21b的零部件形状和数目相同，呈左右镜像分布，两者的连接柱2113相互连接。

[0022] 本发明的有益效果是：

[0023] 通过合理分布的无人车，形成无人机的充电网络，无人机和充电桩之间连接可靠，且控制成本低，造价低廉，维护简单，能很好的完成无人机的自主充电工作，扩展了无人机的续航能力。附图说明

[0024] 图1为本发明的整体结构示意图；

[0025] 图2为本发明的视觉信标图案；

[0026] 图3为本发明的吸附充电装置结构示意图；

[0027] 图4是本发明的无人车的驱动装置的示意图。

[0028] 图中标号说明：1.无人机；101.相机；102.起落架；103.引导块；2.无人车；201.车面；202.引导座；203.电磁铁；21.驱动装置；21a.左驱动单元；21b.左驱动单元；211.车轮；212.驱动安装架；213.悬挂上板；214.减震压簧；215.悬挂下板；216.U型螺丝；217.轴承箱；
218.驱动电机；219.驱动皮带；2110.从动带轮；2111.车轴；2112.主动带轮；2113.连接柱；
3.视觉信标；

具体实施方式

[0029] 下面结合附图对本发明做进一步说明：

[0030] 一种基于视觉的多旋翼无人机移动供电装置，包括无人机1、无人车2；

[0031] 所述无人机1上设置有相机101、起落架102、引导块103，所述相机101安装无人机正下方；无人机1底部设有若干个起落架102，起落架102的末端安装有引导块103；引导块103采用导电的磁性材质。

[0032] 所述无人车2上包括车面201、引导座202和驱动装置21，所述驱动装置21共两套分别安装在车面201的前后两端，构成四驱系统；所述车面201上侧安装引导座202；所述引导座202的位置与无人机1停放在无人车2上时起落架102的位置对应，引导座202具有顶部开口的内腔，引导座202的内腔的底部安装有电磁铁203，所述的内腔和引导块103呈上大下小的锥面体，当无人机1停放在无人车2上时引导块103纳入所述的内腔，电磁铁203与引导块103接触；

[0033] 无人车2上装有蓄电池，蓄电池与电磁铁203电连接；无人机1上的电板与引导块103电连接；当无人机1停放在无人车2上时，所述的蓄电池为无人机1上的电板充电；

[0034] 无人机1上装有第一中央控制器和第一无线通信模块，无人机1的螺旋桨的驱动电机的控制端连接第一中央控制器；无人车2上装有第二中央控制器和第二无线通信模块，无人车2的驱动装置21的控制端连接第二中央控制器。

[0035] 无人机1和无人车2保持实时通信，通过机载的全球定位系统(GPS)获取各自的位置，无人机1在执行任务时时刻计算与无人车2的相对距离，并评估自身电量是否满足飞行并降落在无人车2上，当无人机1的电量正好满足或大于无人机1抵达并降落至无人车2上的所需电量时，无人车2将自身经纬度信息发送给无人机1，无人机1通过GPS导航飞抵无人车2。

[0036] 所述引导座202有四个，沿车面201的纵轴线和横轴线对称分布。无人机1采用市售的四旋翼无人机。

[0037] 所述驱动装置21分为左驱动单元21a和左驱动单元21b,其中左驱动单元21a包括车轮211、驱动安装架212、悬挂上板213、减震压簧214、悬挂下板215、U型螺丝216、轴承箱217、驱动电机218、驱动皮带219、从动带轮2110、车轴2111、主动带轮2112、连接柱2113；所述车轮211固连于车轴2111的一端，所述车轴2111插合于轴承箱217内，车轴2111另一端伸出轴承箱并安装从动带轮2110，所述驱动电机218安装在轴承箱217后侧的支架上，所述主动带轮2112固连于驱动电机218轴端，所述驱动皮带219安装在主动带轮2112和从动带轮
2110上，构成带传动系统；所述驱动安装架212安装在悬挂上板213上，所述悬挂上板213和悬挂下板215之间安装有两个减震压簧214，所述悬挂下板215通过两个U型螺丝216安装在轴承箱217的左侧；所述左驱动单元21a和左驱动单元21b的零部件形状和数目相同，呈左右镜像分布，两者的连接柱2113相互连接。

[0038] 通过在相关地域布置多辆装在有大容量蓄电池的无人车，无人车上设置有相应的充电接口为无人机进行充电，以此增加无人机的续航能力。

[0039] 所述视觉信标3为一图案，可以喷涂或粘贴于车面201上，视觉信标3呈每条边为曲线的“三角形”，内部为由蓝色到黄色的渐变色，该种渐变色是本发明的一种实施例，可以根据地面背景情况设置其他的渐变色，视觉信标3用于视觉引导。

[0040] 无人机1通过GPS导航飞行至无人车2附近，然后利用视觉引导技术使无人机1获取无人车2的精确位置。在视觉引导时，相机101始终垂直朝下拍摄，以如下步骤获取无人车2的位置与朝向并引导无人机1降落：

[0041] 步骤一：建立相机101的成像画面的XY平面坐标系，选取成像画面的形心位置为坐标原点，向左为X轴正方向，向上为Y轴正方向，其坐标值即对应点到X轴和Y轴间隔的像素值。

[0042] 步骤二：通过Camshift跟踪算法在相机的成像画面内进行搜索目标，Camshift是MeanShift算法的改进，称为连续自适应的算法，基本思想是视频图像的所有帧作运算，并将上一帧的结果作为下一帧算法的初始值，如此迭代下去，在算法开始执行前，需将视觉信标3的图案模板(正对着视觉信标3拍摄一副图片，然后截取包含信标图案的部分作为图案模板)输入到无人机1的中央控制器，然后运行Camshift算法，将会进行特征匹配自动检测出相机101的成像画面中的视觉信标3的特征，并找到跟踪窗口。Camshift算法能在被跟踪目标的形状大小发生明显变化时，依然能准确的检测到跟踪目标，但当外界颜色丰富且和被跟踪目标的颜色接近时，将会导致跟踪窗口扩大影响跟踪效果，为解决这一问题，本发明设计了合理的视觉信标3，通过Camshift跟踪算法检测视觉信标3中的形状特征和渐变色特征，获取到跟踪窗口，该跟踪窗口在相机101的成像区域内为一个矩形区域；

[0043] 步骤三：得到跟踪窗口后，只能获得视觉信标3在相机101的成像画面内的大致位置，不能获得准确位置和方向，需进行下一步检测，即在跟踪窗口运行“角点检测”算法，“角点检测”算法是一种成熟的图像处理算法，能快速准确的检测到成像画面内的存在的“角点”及其坐标，由于视觉信标3的特殊设计，在跟踪窗口内只能检测到三个“角点”，即角点301、角点302和角点303；

[0044] 步骤四：在相机101的成像画面内获取到三个“角点”后，计算三个角点之间的两两距离，距离由两个“角点”之间相隔的像素数成正比，找出相隔最近的两个“角点”，即图二中的角点301和角点302，再取角点301和角点302的中点，连接该中点与剩下的角点303，得到一条直线，该直线的中点坐标即视觉信标3的相机101成像画面内的准确坐标，从角点301和角点302的中点向角点303的矢量即视觉信标3的相机101成像画面内的朝向。

[0045] 步骤五：进行无人机1的飞行控制，跟踪过程中，如果视觉信标3在相机101成像画面内的坐标偏离坐标系原点了，计算出相应的X、Y坐标值，该值将作为无人机1的控制量，X对应无人机1左右平移，Y对应无人机1前后平移，X值为正时，无人机1向左调整，Y值为正时，无人机1向前调整，反之亦然，期望位置即X值和Y值都接近0的时候；视觉信标3的相机101成像画面内的朝向与X轴正方向存在夹角时，无人机1将进行自旋来调整该夹角，期望夹角也是近似为0的时候。

[0046] 步骤六：当期望位置和期望夹角小到预设范围内时，则满足了降落条件，当有降落指令时，无人机1将降落在无人车2上。当然降落的过程无人机始终调整自身的位姿，保持期望位置和期望夹角在预设误差范围内。

[0047] 完成上述6个步骤后，进行降落，在降落过程中，引导块103的外锥面和引导座202的内锥面相互配合，起引导作用，允许视觉引导过程存在一定的误差。当降落完成后，引导座202中电磁铁203通电将吸附住带有磁性的引导座202，保证无人车2在行进时不会因为颠簸导致无人机1倾覆掉落，另外引导座202和电磁铁203均为导电材质，当两者紧紧吸附后可以为无人机1充电，在四组引导座202和电磁铁203中任取两组作为充电电极即可。当充电完成后，电磁铁203断电，无人机1可以起飞继续执行任务。

[0048] 本实施例着陆精度高，充电过程稳定可靠，可以很好的解决多旋翼无人机的移动充电问题。

[0049] 本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

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