技术领域
[0001] 本
发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种智能型无人机自动充电系统。
背景技术
[0002] 随着边防、舰载、车载无人机的高速发展，无人机的超视距化、无人化、网络化趋势明显，在国防领域，电
力巡线方面，灾害监察等有着广泛的用途。目前的无人机普遍存在续航时间短的问题，即由于
电池技术上的限制，无人机的续航能力普遍较弱，一般只有30分钟以内。如需要无人机定时或连续工作，目前需要人为操作和监管保证其在工作过程中，返航降落充电或更换电池，人力需求大，成本高，并且严重影响工作效率。
[0003] 目前，生产生活中常用的无人机主要分为三种，固定
翼型飞行翼，
直升机型
飞行器和多旋翼飞行器，多旋翼飞行器以四旋翼飞行器为主。由于多旋翼飞行器对
起飞场地要求低，
机身轻盈，可轻松实现
悬停和快速改变航向，在生产生活中得到广泛应用。一般一套完整的四旋翼飞行器系统包含几个子系统，分别是飞行器系统，地面监控站，通信链路以及有效
载荷系统。
[0004] 但是，目前四旋翼飞行器在工作过程中，续航时间在20-30分钟左右，飞行器的续航时间严重受限于电池容量。常见的方法是增加电池容量，但电池容量的增加会造成飞行器负重增大，输出功率随之上升，续航时间随着所携带的电池容量增加而非线性增加，制作成本与电池技术限制着飞行器的续航时间，无法从根本上解决飞行器长时间续航的问题。
[0005] 当前国外已有无人机全自动地面充电平台，由于受环境气压
风向的变化和无人机产生的气流影响使无人机的精确定点降落变得十分困难，为解决以上问题，目前多采用无线充电技术，采用非
接触的方式实现
电能传输，来降低对降落精确度的要求。
[0006] 因此，本文提出了一种无人机自动无线充电系统。当飞行器需要充电时，只需降落到充电平台上，不需要精准降落，平台下方的伺服
电机系统会将无线充电器的发射段移动至无人机的下方，通过无线电能传输方式给飞行器
电池组充电，充电完成后，飞行器返回继续执行工作任务。
发明内容
[0007] 针对上述
现有技术中的不足之处，本发明提供了一种智能型无人机自动充电系统，以解决现有技术中通用性差效率低等问题。
[0008] 本发明提供了一种智能型无人机自动充电系统，包括无人机和充电桩，所述无人机包括：
[0009] 低电量报警模
块，用于实时监测电池电量并输出充电
请求的
信号；
[0010] 无人机通信模块，与所述低电量报警模块连接，用于向向总控制台通过无线电发送充电请求信号，当总控制台
许可充电请求并发送给无人机通讯模块
位置信息后，无人机通讯模块将位置信息发送给
定位模块；
[0011] 定位模块，与所述无人机通讯模块连接，用于无人机的导航定位；
[0012] 飞行控
制模块，与所述定位模块连接，用于控制无人机降落至总控制台安排能使用的充电桩位置；
[0013] 充电对接模块，包括无线线圈，放置于无人机下方，用于与充电桩无线充电板模块对接；
[0014] 所述充电桩包括：
[0015] 摄像头模块，用于飞行器与充电站对接过程中获取飞行器在平台上位置的图像。
[0016] FPGA开发板模块，用于摄像头模块获取无人机停靠在无人机充电桩的位置的图像，输入到FPGA开发板内部，利用相应
算法计算、识别到无人机下部的特征标志，计算出其坐标，控制XY轴
伺服电机将无线充电板移动到无人机下方，实现自动充电。
[0017] XY轴伺服电机模块，用于在收到FPGA开发板模块发出的
控制信号后控制无线充电模块移动，使该模块在充电平台下方自由活动，当飞行机降落至充电平台上时，将无线充电器移动至目标正下方，实现飞行器的自动充电器。
[0018] 无线充电模块，用于与无人机下方安置的充电对接模块进行对接充电。
[0019] 作为本发明的进一步改进，所述定位模块包括室内UWB精准定位单元与北斗定位单元。
[0020] 作为本发明的进一步改进，所述充电对接模块包括无线线圈，所述无线充电模块包括Baseus无线充电器，目的为提升无线线圈的接受面积来提高充电速度。
[0021] 作为本发明的进一步改进，所述XY轴伺服电机模块包括十字模组滑台(xy轴滑台)，提升十字模组滑台的驱
动能力提高移动速度。
[0022] 本发明提供了一种高效智能型无人机自动充电系统，实现了无人机降落到无人机充电桩后通过
图像采集系统采集平台下部的图像，输入到FPGA内部，利用相应算法计算、识别到无人机下部的特征标志，计算出其坐标，控制XY轴伺服电机将无线充电板移动到无人机下方，实现自动充电。适用于对多种机型的无人机进行自动充电，以实现无人机长时间续航。
附图说明
[0023] 图1是本发明提供的无人机自动充电桩系统的结构示意图。
[0024] 图2是本发明提供的无人机系统的模块结构示意图。
[0025] 图3是本发明提供的无人机自动充电桩的模块结构示意图。
[0026] 图4是本发明提供的无人机自动充电桩的摄像头模块与显示模块连接示意图。
[0027] 图5是本发明提供的无人机自动充电桩的技术实施示意图。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0029] 如图1、图2、图3所示，本发明公开了一种智能型无人机自动充电系统，包括无人机1和充电桩7，无人机1用于与充电桩7进行配合完成充电工作。无人机1下方放置有无线线圈；充电桩7上设有无线充电板，无线充电板与无线线圈相交互完成充电。充电桩7采用的无线充电平台为亚克力材质半透明平台，从底部向上有一图像采集装置，实时采集平台底部图像，并进行
图像识别。
无人飞行器下部有一无线充电线圈用于电量接收。当无人机1降落到充电桩平台上后，充电桩系统识别到目标，系统控制电机系统将无线充电底座移动至无线充电线圈的下方，进行无线充电。
[0030] 无人机1包括低电量报警模块2、通信模块3、定位模块4、飞行
控制模块5和充电对接模块6；
[0031] 低电量报警模块2用于检测电池电量并输出是否需要充电的信号，低电量报警模块2与通信模块3相连，无人机电池放置在无人机内部，与无线线圈相连，获取无线线圈充电得到的电量
[0032] 通信模块3，与所述低电量报警模块2连接，在收到低电量报警模块2发出的
电信号后，通信模块3向总控制台通过无线电发送充电请求信号，在总控制台许可后并发送充电桩位置信息给无人机通信模块3，通信模块3将充电桩7位置信息以电信号的方式传送给定位模块4，定位模块4向飞行控制模块5发送位置信息信号，飞行控制模块5控制无人机1降落目标位置；
[0033] 定位模块4与所述飞行控制模块5连接，通过定位模块4实现无人机1的导航定位，包括室内UWB精准定位单元与北斗定位单元，UWB精准定位单元实时位置定位，定位
精度可以做到亚米级，北斗定位单元可实现全球范围内定位功能；
[0034] 飞行控制模块5与所述定位模块4连接，飞行控制模块5用于控制无人机1降落至目标位置。
[0035] 充电对接模块6设置于无人机1的机底位置，包括无线线圈，充电对接模块6用于与充电桩无线充电模块11对接；
[0036] 所述充电桩7包括：摄像头模块8、FPGA开发板模块9、XY轴伺服电机模块10、显示模块11、无线充电模块12
[0037] 摄像头模块8，包含CMOS芯片图像
传感器OV5640摄像头，与FPGA开发板模块9连接实现图像传输，用于无人机1与充电桩7对接过程中获取无人机1在平台上位置的图像。当无人机1降落到充电桩7上时，摄像头模块需要在充电平台底部向上采集图像，进行图像识别，检测目标飞行器降落至充电平台上的位置信息。
[0038] FPGA开发板模块9，包含XILINX公司的SPARTAN6系列FPGA开发板，型号为XC6SLX9-2FTG256C，与摄像头模块8、XY轴伺服电机模块10、无线充电模块11连接，用于摄像头模块8通过DVP
接口与FPGA开发板模块9连接实现图像传输，输入到FPGA开发板内部，利用
图像处理部分结合自适应
阈值图像二值化和目标特征值二值化的特性，将两者得到的结果进行对比，消除绝大部分干扰噪点，得到最终的二值化图像。基于得到的理想的二值化图像进行图像识别，得到目标在平台去上的准确位置，并控制XY轴伺服电机模块10将无线充电板移动到无人机下方，实现自动充电。
[0039] 显示模块11，显示模块11连接FPGA开发板模块9，可以实现系统的
可视化功能。用于显示摄像头模块实时采集的图像，将目标进行二值化的过程也在上面显示出来。显示模块还可以对摄像头位置进行调整。
[0040] 根据摄像头模块的寄存器设置，由摄像头模块输入到FPGA开发板的图像为一个16位的串行信号，格式为RGB565，最后需要将其转成YUV888的格式。需要以下几步。
[0041] S1.将RGB565信号拆分成RED-5，GREEN-6，BLUE-5三部分；根据格式的名称就能得知，这个16位的图像信号，第0位至第4位为蓝色的信号，第5位至10位为绿色信号线，第11位至第15位为红色信号线。
[0042] S2.将拆分好的红绿蓝三个信号分别均拓展成8位；
[0043] 根据RGB565转RGB888的定义可知，只需要在红色5位信号后面加3位0即可，同理在绿色6位信号，蓝色5位信号后面分别加2个和3个0。8位的二进制信号为0-255，最后3位信号的取值范围为0-7，所以拓展成8位对图像
颜色影响不大。
[0044] S3.通过RGB转YUV的公式完成转换；
[0045] S4.最后将三个8位按照Y.U.V的顺序排列组合成一个24位的图像信号输出24位串行图像信号第0位至第7位为V浓度信号，第8位至第15位为U
色度信号，第16位至第23位为Y明
亮度信号。
[0046] 图像边缘是指在图像周围
像素灰度急剧变化的那些像素的集合，它是图像最基本的特征。Sobel算子是运用一阶微分算子检测图像边缘，一阶微分边缘算子(梯度边缘算子)是利用图像在边缘处阶跃性进行
边缘检测的。在实际算法实现过程中，通过3*3模板作为核与图像中被选中的相同大小区域的每个像素点做卷积计算，计算出选中图像在
水平方向和垂直方向上的梯度值，通过相应的公式将图像每个像素点的横向和纵向的灰度值结合得到该点的在一个方向上的梯度值。由于经典Sobel算法噪声比较敏感，切需要认为制定阈值，常常会造成边缘点的误判。为了解决这一问题，有很多自适应阈值选取方法，比如直方图法。不过直方图法需要图像经过Sobel算法边缘检测后的灰度直方图呈现明显的双峰值，通过选取两峰之间的谷底对应的灰度级作为阈值来实现二值化，因此极大限制了直方图法实现自适应阈值的选取。基于此，在图像经过卷积梯度值计算后，采用中值滤波和加权平均法实现自适应阈值的计算实现图像的二值化。
[0047] 由于经过Sobel算子梯度化后对应的是加权后的中心像元的灰度，边缘处的和非边缘处的像素点灰度值有着较大的差异，传统的办法是通过尝试设定一个固定阈值实现二值化，这样处理虽然简单却会严重受到外在因素影响，为了实现阈值额自适应调整，在经过卷积运算后的图像中选取5*5区域，运用中值滤波计算出区域中间值，次最小值，最小值，由于中值滤波的目的就是将区域中心像素点用算选取窗口像素点的中值代替，故对于二值化阈值的选取更关注的是区域中值，次最小值，最小值和最小值像素点。将这3个值进行加权平均，并将此结果作为阈值，权值的选择随着离中心像素点的距离的变大而减小。
[0048] 根据图像灰度以及边缘检测处理得到的数据，对图像进行二值化处理。
[0049] 首先，根据需要识别的红色LED小灯的特征，得到目标相比视场背景明亮很多，且颜色为红色，较为显著。所以，根据得到的图像YUV数据，分别对Y、U、V三个参量即明亮度、色度、浓度设定一定阈值。当一个像素块中三个参量的值大于设置的阈值时，认定为目标像素块，若其中有一项不满足要求，即认为该像素块不满足要求，不是目标像素块。根据实际图像以及matlab仿真结果可以得出，当明亮度大于250，浓度大于210，色度大于200时，能够在提取出目标图像的前提下，去除98％以上的干扰噪点。
[0050] 接着，再利用自适应阈值边缘检测得到的结果，对图像进行处理最后，[0051] 将两种图像处理的结果进行交叉比较，当两种图像处理的结果一致时，认定其是正确的判定，当两种图像处理的结果不一致时，默认图像灰度处理得到的结果为正确的判定。
[0052] 图像的存储利用FPGA编写FIFO程序进行存储。由于图像数据量较大，所以无法FPGA内部完成一
帧图像数据的存储，所以利用FPGA上固有的IP核生成双端口RAM来缓存。为解决图像拖影的问题，采用乒乓结构对图像数据进行读和写。开发板上的SDRAM分成两个区，分别为Bank0和Bank1，当摄像头采集的数据写入到SDRAM的Bank0时，图像处理模块从SDRAM的Bank1读取数据进行处理。当摄像头的一帧图像写入完成时，SDRAM读和写的Bank交换。
[0053] 为了提取出目标坐标，需要分析目标的特征。在已经完成二值化的画面中，大部分为背景，即为白色，目标为一黑色实心圆，意味着会有连续的行和列的像素块呈现黑色，于是设计出以下算法。
[0054] 以LCD显示屏左上
角为原点，建立直角
坐标系，一个像素点一个像素点遍历一帧图像。定义两个信号，分别为行连续信号和列连续信号，用于表示是否遍历到连续的黑色像素块。
[0055] XY轴伺服电机模块10，包含XY步进电机滑台组，用于在无人机1降落到无人机自动充电桩7后，通过图像识别模块8确定无人机1在充电桩7上的xy轴上的位置信息后通过电信号传送给FPGA开发板模块9FPGA开发板模块9发送电信号控制FPGA开发板模块9将无线充电模块12移动到无人机1下方；
[0056] 低电量报警模块2可以检测无人机1的电量使用情况，当电量过低时，输出需要充电的信号给通信模块3，通信模块3通过无线电发送信号给总控制台请求充电，总控制台许可充电请求后会发送给充电桩7位置信息给通信模块3，通信模块3将位置信息发送给定位模块4，定位模块4将位置进行定位发送信号给飞行控制模块5，飞行控制模块5控制无人机根据无人机定位模块4寻找充电桩位置并控制飞行到
指定地点；到达位置时，无人机1停靠在装载亚克力材质的半透明平台，无人机1与充电桩7对接过程中获取无人机1在平台上位置的图像。当无人机1降落到充电桩7上时，摄像头模块需要在充电平台底部向上采集图像，进行图像识别，检测目标飞行器降落至充电平台上的位置信，摄像头模块8通过DVP接口与FPGA开发板模块9连接实现图像传输，输入到FPGA开发板内部，利用图像处理部分结合自适应阈值图像二值化和目标特征值二值化的特性，将两者得到的结果进行对比，消除绝大部分干扰噪点，得到最终的二值化图像。基于得到的理想的二值化图像进行图像识别，得到目标在平台去上的准确位置，并控制XY轴伺服电机模块10将无线充电模块12移动到无人机下方，实现自动充电。
[0057] 优选的，所述定位模块4包括北斗定位单元和UWB定位单元。通过室内UWB精准定位单元与北斗定位单元相互之间配合，进行复合导航，实现精准定位，定位精度可以做到亚米级，确保无人机1停在合理的位置，降低误差。
[0058] 优选的，所述无线充电模块12，包括无线充电板，用于与无人机下方放置的无线线圈对接进行充电，其效率大于有线充电，而且便捷性高。
[0059] 优选的，XY轴伺服电机模块10用于在无人机1降落后通过图像识别确定无人机在充电桩上的xy轴上的位置信息后将无线充电板移动到无人机下方，此伺服电机系统由直流5V电源、直流24V电源、
控制器、驱动板，
驱动器、XY步进电机滑台组组成。控制器可以实现手动控制滑台四向移动以及手动复位等功能，其通过以8pin排线与驱动板连接；驱动板为一
升压电路，可将控制器输出的+5V或+3.3V
电压升压至24V，其通过
铜线连接至驱动器；驱动器为步进电机的驱动装置，可以通过改变驱动器8个拨动
开关的排列组合，改变步进电机的动态
电流状态、半流或全流状态以及转速等参数，其通过铜线与XY步进电机滑台组连接；XY步进电机滑台组为相互垂直且相同的滑台组组成，在Y轴滑台上，有一黑色平台，其可跟随XY步进电机滑台组的运动改变位置，平台的工作范围为一水平的50CM*50CM的正方形。XY轴伺服电机模块10具备响应速度快，移动速度快，误差小等特点，同时为保证系统的
稳定性，伺服电机模块的结构不能很复杂，且能够长时间工作。
[0060] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
