技术领域
[0001] 本
发明属于无人机控制技术领域，具体涉及一种无人机全自主超远距离飞行系统及控制方法。
背景技术
[0002] 随着科技的发展，无人机越来越得到大众的青睐应用在多个领域，越来越多的市场要求指向无人机，希望无人机能够代替人去完成危险作业，节省人
力成本，比如说电力巡线、快递业务。但是现有的无人机续航能力只有30-40分钟，满足不了超远距离作业需求。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种无人机全自主超远距离飞行系统及控制方法，解决
现有技术中无人机不能实现超远距离飞行作业的技术问题。
[0004] 一种无人机全自主超远距离飞行系统，包括：
[0005] 无人机，所述无人机包括
电池、飞控系统、摄像机、电量检测模
块、第一
定位模块和第一通信模块，飞控系统与摄像机、第一定位模块、电池电量检测模块、第一通信模块之间电连接，电池为无人机供电；
[0006] 多个充电基站，所述多个充电基站沿无人机设定飞行线路等间距设置，相邻基站之间的距离为20-40km；每个充电基站包括
支架和设置在支架上的无人机降落平台、电池更换机构、控制装置、GPS定位模块、第二通信模块和
太阳能充电模块，降落平台上设置有可识别图案；所述电池更换机构、GPS定位模块、第二通信模块和太阳能充电模块均与控制装置之间电连接；所述太阳能充电模块包括
太阳能电池板、太阳能充电器和充电盒，充电盒中设置有
电池组，所述
太阳能电池板的输出端与太阳能充电器的输入端相连接，太阳能充电器的输出端连接充电电池组的输入端；
[0007] 所述各充电基站的GPS定位模块获得对应该充电基站的
位置坐标，通过无线通通信将充电基站的位置坐标传送给无人机，并储存于飞控系统中；降落平台上的可识别图案存储预先存储于飞控系统中。
[0008] 无人机在执行超远距离飞行任务，当电量检测模块检测电池电量低于10％时，飞控系统对当前无人机位置坐标与各充电基站的位置坐标进行比较，确定此时距离无人机最近的充电基站；然后飞控系统控制无人机降落到该充电基站上，控制装置控制电池更换机构将无人机上电量已耗尽的电池卸载下来，并放入太阳能充电模块的充点盒中进行充电，然后将已经充满电的
备用电池安装到无人机中，电池更换完毕后，飞控系统控制无人机
起飞，继续完成飞行任务。
[0009] 进一步改进，所述充电基站设置在
路灯上，其中支架为灯杆。借助路灯，在灯杆的顶部设置充电基站，节省成本。
[0010] 无人机全自主超远距离飞行的控制方法，包括如下步骤：
[0011] 步骤一、无人机在执行飞行任务中，第一定位模块将无人机当前位置坐标信息实时传送给飞控系统，电量检测模块实时检测电池电量，当电池电量低于10％时，飞控系统对当前无人机位置坐标与各充电基站的位置坐标进行比较，确定此时距离无人机最近的充电基站；
[0012] 步骤二、飞控系统控制无人机向最近的充电基站飞行，并控制无人机与该充电基站的垂直高度在h～H米范围内，然后控制摄像机拍摄该充电基站，并将拍摄的图像传送给无人机控制系统；
[0013] 其中，
[0014]
[0015] 上式中，B为摄像机的拍摄
角度；b为摄像机能够拍摄到的最小面积，即该充电基站的GPS区域误差范围；S为充电基站上可识别图案的面积；f为摄像机的焦距；X为充电基站上可识别图案在摄像机摄像图像上能够清楚识别的最小尺寸。因为采用GPS定位模块进行定位时存在误差，大概只能精确到100平方米的区域范围，所以需要在GPS定位模块的定位
基础上，进一步精确定位，保证无人机能够准确、安全的降落在无人机降落平台上。要确保无人机精确降落，首先需要拍摄充电基站，确保充电基站能够被摄像机所完全拍摄到，则对应一个最低高度h；当无人机的高度太高时，摄像机拍摄的图像比较模糊，不便于识别和精确定位，所以要想在图像上能够清楚看到可识别图案，无则最大高度为H。
[0016] 步骤三、飞控系统对拍摄的图像进行RGB识别，标记出可疑特征点区域，然后对可疑特征点区域进行灰度处理、去噪处理、轮廓检测和
图像识别，确定图像中存在可识别图案，即准确定位无人机降落地点，标记为目标点。通过对所拍摄的图像进行处理，准确识别到充电基站上可识别图案，则成功找到目标点，即进一步精确定位，找到了无人机的降落点。
[0017] 步骤四、飞控系统控制无人机将落，在降落过程中第一定位模块实时将无人机的当前位置
信号传送给飞控系统，飞控系统计算无人机当前位置点与待降落充电基站目标点在同一平面上的偏移量，并根据偏移量控制无人机的飞行
姿态；
[0018] 步骤五、重复步骤四，直至无人机精确降落到该充电基站的无人机降落平台上，此时电池更换机构将无人机上的电池卸载下开，并将其插入充电盒中，然后将充电盒中已经充满电的电池装载到无人机上，完成点成更换，然后无人机飞控系统控制无人机起飞，并沿设定的航线飞行；
[0019] 步骤六、无人机在飞行过程中，重复步骤一至五，直至完成超远距离飞行。
[0020] 进一步改进，所述步骤三中，对可疑特征点区域采用高斯滤波去噪处理，将输入的图像的每一个
像素点与高斯
内核卷积，将卷积和当作输出像素值。去噪处理能够降低其他干扰因素对无人机飞控系统精确识别充电基站的影响。
[0021] 进一步改进，所述步骤三中，采用对图像先
腐蚀再膨胀的方式对对可疑特征点区域进行去噪处理。去噪处理能够降低其他干扰因素对无人机飞控系统精确识别充电基站的影响。
[0022] 进一步改进，所述步骤三中，对可疑特征点区域进行图像识别，采用霍夫
算法识别矩形或圆形。通过霍夫算法准确判断，对所拍摄的图像中的图形与充电基站上的可识别图案进行匹配，确定目标点，排出干扰因素。
[0023] 进一步改进，所述步骤四中，无人机飞控系统根据偏移量控制无人机的飞行姿态，其中无人机与目标点在同一
水平面的上偏差量L＝0.3Yn/f；
[0024] 其中，L为降落过程中无人机与目标点的在同一水平面上的偏差量；
[0025] Y为此时无人机摄像机镜头到基站目标点的垂直高度；
[0026] f为摄像机的焦距；
[0027] n为图像上目标点与无人机之间的像素数量；
[0028] 根据L的大小实时调整无人机与目标点之间的水平距离，尽可能的保证L为零，即无人机位于基站目标点的正上方。
[0029] 为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0030] 1、无人机在飞行过程中，飞控系统实时监测电池电量，当电池电量小于10％时，无人机选择最近的充电基站降落，更换电池，实现了无人机超远距离飞行。
[0031] 2、采用太阳能电池板为电池充电，绿色
能源，环保。
[0032] 3、通过GPS定位模块获得对应该充电基站的位置坐标，并储存于飞控系统中。无人机在执行超远距离飞行任务，当电量检测模块检测电池电量低于10％时，飞控系统对当前无人机位置坐标与各充电基站的位置坐标进行比较，确定此时距离无人机最近的充电基站，然后飞控系统控制无人机降落到该充电基站上。然后控制装置控制电池更换机构将无人机上电量已耗尽的电池卸载下来，并放入太阳能充电模块的充点盒中进行充电，然后将已经充满电的备用电池安装到无人机中，电池更换完毕后，飞控系统控制无人机起飞，继续完成飞行任务。控制
精度高，保证无人机精准降落，自动更换电池。
附图说明
[0033] 图1为本发明所述无人机全自主超远距离飞行系统的结构示意图。
[0034] 图2为本发明所述无人机全自主超远距离飞行的控制方法的
流程图。
具体实施方式
[0035] 为了更好地理解本发明，下面结合
实施例进一步阐释本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0036] 实施例一：
[0037] 如图1所示，一种无人机全自主超远距离飞行系统，包括无人机1和四个充电基站2；所述无人机1包括电池、飞控系统、摄像机、电量检测模块、第一定位模块和第一通信模块，飞控系统与摄像机、第一定位模块、电池电量检测模块、第一通信模块之间电连接，电池为无人机供电；所述四个充电基站2沿无人机设定飞行线路等间距设置，相邻基站之间的距离为30km；每个充电基站包括支架和设置在支架上的无人机降落平台、电池更换机构、控制装置、GPS定位模块、第二通信模块和太阳能充电模块，降落平台上设置有可识别图案；所述电池更换机构、GPS定位模块、第二通信模块和太阳能充电模块均与控制装置之间电连接；
所述太阳能充电模块包括太阳能电池板、太阳能充电器和充电盒，充电盒中设置有电池组，所述太阳能电池板的输出端与太阳能充电器的输入端相连接，太阳能充电器的输出端连接充电电池组的输入端。
[0038] 无人机要执行100km的飞行任务，但是无人机中电池的电量只能满足无人机正常飞行30km，因此需要在飞行线路上设置四个充电基站。预先通过GPS定位模块获得对应该充电基站的位置坐标，并储存于飞控系统中。无人机在执行超远距离飞行任务，当电量检测模块检测电池电量低于10％时，飞控系统对当前无人机位置坐标与各充电基站的位置坐标进行比较，确定此时距离无人机最近的充电基站，然后飞控系统控制无人机降落到该充电基站上。因为GPS模块的定位精度范围在10m以内，所以做不到精准降落，而无人机需要在3m的误差内找到要降落的点，所以需要无人机先飞到指点的GPS区域，然后视觉引导识别该充电基站的特征点，完成降落；然后控制装置控制电池更换机构将无人机上电量已耗尽的电池卸载下来，并放入太阳能充电模块的充点盒中进行充电，然后将已经充满电的备用电池安装到无人机中，电池更换完毕后，飞控系统控制无人机起飞，继续完成飞行任务。
[0039] 在本实施例中，所述充电基站设置在路灯上，其中支架为灯杆。借助路灯，在灯杆的顶部设置充电基站，节省成本。
[0040] 实施例二：
[0041] 无人机全自主超远距离飞行的控制方法，如图2所示，包括如下步骤：
[0042] 步骤一、无人机在执行飞行任务中，第一定位模块将无人机当前位置坐标信息实时传送给飞控系统，电量检测模块实时检测电池电量，当电池电量低于10％时，飞控系统对当前无人机位置坐标与各充电基站的位置坐标进行比较，确定此时距离无人机最近的充电基站；
[0043] 步骤二、飞控系统控制无人机向最近的充电基站飞行，并控制无人机与该充电基站的垂直高度在h～H米范围内，然后控制摄像机拍摄该充电基站，并将拍摄的图像传送给无人机控制系统；
[0044] 其中，
[0045]
[0046] 上式中，B为摄像机的拍摄角度；b为摄像机能够拍摄到的最小面积，即该充电基站的GPS区域误差范围；S为充电基站上可识别图案的面积；f为摄像机的焦距；X为充电基站上可识别图案在摄像机摄像图像上能够清楚识别的最小尺寸。因为采用GPS定位模块进行定位时存在误差，大概只能精确到100平方米的区域范围，所以需要在GPS定位模块的定位基础上，进一步精确定位，保证无人机能够准确、安全的降落在无人机降落平台上。要确保无人机精确降落，首先需要拍摄充电基站，确保充电基站能够被摄像机所完全拍摄到，则对应一个最低高度h；当无人机的高度太高时，摄像机拍摄的图像比较模糊，不便于识别和精确定位，所以要想在图像上能够清楚看到可识别图案，无则最大高度为H。
[0047] 在本实施例中，拍摄最小范围应该大于GPS区域误差范围，即大于100平方米，摄像头角度为78度，tan(78/2)约等于0.809，
[0048] 则
[0049] 所以无人机飞行高度应在12.36米以上，此时充电基站上可识别图案在摄像机的感光芯片上满屏显示；
[0050] 在本实施例中，使用感光芯片靶面尺寸规格为1/3”的感光芯片，像素为：640*480，摄像机的焦距为6毫米，摄像机的拍摄角度为78度；充电基站上可识别图案在摄像机摄像图像上能够清楚识别的最小尺寸为25个像素点对应的长度，即X＝25/480*1/3*2.54＝0.00044米，其中480个像素点对应的长度为1/3*2.54厘米；充电基站上可识别图案的面积S为3.3平方米，即被识别物的实际长度为1.8米，
[0051] 则
[0052] 所以要清楚的识别摄像机拍摄的图像，则无人机的飞行高度应在24.5米以下。
[0053] 步骤三、飞控系统对拍摄的图像进行RGB识别，标记出可疑特征点区域，然后对可疑特征点区域进行灰度处理、去噪处理、轮廓检测和图像识别，确定图像中存在可识别图案，即准确定位无人机降落地点，标记为目标点。通过对所拍摄的图像进行处理，准确识别到充电基站上可识别图案，则成功找到目标点，即进一步精确定位，找到了无人机的降落点。
[0054] 步骤四、飞控系统控制无人机将落，在降落过程中第一定位模块实时将无人机的当前位置信号传送给飞控系统，飞控系统计算无人机当前位置点与待降落充电基站目标点在同一平面上的偏移量，并根据偏移量控制无人机的飞行姿态；
[0055] 步骤五、重复步骤四，直至无人机精确降落到该充电基站的无人机降落平台上，此时电池更换机构将无人机上的电池卸载下开，并将其插入充电盒中，然后将充电盒中已经充满电的电池装载到无人机上，完成点成更换，然后无人机飞控系统控制无人机起飞，并沿设定的航线飞行；
[0056] 步骤六、无人机在飞行过程中，重复步骤一至五，直至完成超远距离飞行。
[0057] 在本实施例中，所述步骤三中，对可疑特征点区域采用高斯滤波去噪处理，将输入的图像的每一个像素点与高斯内核卷积，将卷积和当作输出像素值。去噪处理能够降低其他干扰因素对无人机飞控系统精确识别充电基站的影响。
[0058] 在本实施例中，所述步骤三中，对可疑特征点区域进行图像识别，采用霍夫算法识别圆形。通过霍夫算法准确判断，对所拍摄的图像中的图形与充电基站上的可识别图案进行匹配，确定目标点，排出干扰因素。
[0059] 在本实施例中，所述步骤四中，无人机飞控系统根据偏移量控制无人机的飞行姿态，其中无人机与目标点在同一水平面的上偏差量L＝0.3Yn/f；
[0060] 其中，L为降落过程中无人机与目标点的在同一水平面上的偏差量；
[0061] Y为此时无人机摄像机镜头到基站目标点的垂直高度；
[0062] f为摄像机的焦距；
[0063] n为图像上目标点与无人机之间的像素数量；
[0064] 根据L的大小实时调整无人机与目标点之间的水平距离，尽可能的保证L为零，即无人机位于基站目标点的正上方。
[0065] 本发明中未做特别说明的均为现有技术或者通过现有技术即可实现，而且本发明中所述具体实施案例仅为本发明的典型实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明
申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。
