CN109502039A - 一种车载无人机停机箱设备、自动更换电池方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载无人机停机箱设备、自动更换电池方法和***，所述停机箱设备包括：顶端开口的壳体，所述壳体内包括控制器，以及与所述控制器连接的无人机停机坪、机械臂和一个或多个充电柜，每个所述充电柜均设有多个充电槽；所述控制器监测各充电槽中的电池信息，控制机械臂从无人机取出电池放入空充电槽，以及从电量充足电池所在充电槽取出电池装入无人机。本发明的停机箱能够辅助无人机精准降落到箱体内的停机坪上，然后实现电池的自动更换。

Description

一种车载无人机停机箱设备、自动更换电池方法和***

技术领域

本公开属于无人机控制技术领域，尤其涉及一种车载无人机停机箱设备、自动更换电池方法和***。

背景技术

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。无人机有许多得天独厚的优势：不受地面交通拥堵的影响，可以直接完成点对点的服务工作，能够应对复杂环境的工作，速度快，效率高。因此现如今无人机被广泛应用到测绘、巡航、环境监测、快递投放等多个领域。

无人机的精准降落和续航能力是影响现阶段无人机在各行业应用发展的重要因素。但受到无人机自身结构和重量以及电池技术的限制，无人机最多只能飞行半个小时，航程较短，这严重影响了无人机在各个行业执行任务的能力。此外，大部分无人机起飞与降落的地点选择比较随意，或者普通的停机坪只能起到大致降落点的参考作用，无法做到精准定位，而且在无人机降落后不能够及时自动的给无人机充电。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种车载无人机停机箱设备、自动更换电池方法和***。所述停机箱设备包括停机坪，停机坪上设置定位标记，辅助无人机根据所述定位标记降落到所述停机坪上，然后通过设置在停机坪周边的定位滑杆和滑杆上的启程开关，将无人机推动到指定位置并锁定，最后通过机械臂实现电池的自动更换。基于此，该停机箱能够实现无人机的精准降落和电池的自动更换。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种车载无人机停机箱设备，包括：

顶端开口的壳体，所述壳体内包括控制器，以及与所述控制器连接的无人机停机坪、机械臂和一个或多个充电柜，每个所述充电柜均设有多个充电槽；所述控制器监测各充电槽中的电池信息，控制机械臂从无人机取出电池放入空充电槽，以及从电量充足电池所在充电槽取出电池装入无人机。

进一步地，所述壳体顶端设有滑动盖，与所述控制器连接。

进一步地，所述停机坪上设有无人机定位标记，包括位置定位标记和方向定位标记；所述位置定位标记和方向定位标记分别在无人机降落过程中用作降落位置参考和无人机朝向参考。

进一步地，所述停机坪上围绕定位标记还设有定位滑杆，用于在无人机降落到停机坪后将无人机推动到指定位置。

进一步地，所述定位滑杆上与无人机支架腿相应的位置还设有启程开关，在无人机被推动到指定位置后关闭，将支架腿锁住。

一个或多个实施例提供了一种基于所述停机箱设备的电池自动更换方法，包括以下步骤：

无人机降落到停机坪上后，所述控制器控制定位滑杆推动无人机至指定位置，关闭启程开关；

控制机械臂根据预设的运动参数伸入无人机，通过前端夹持装置取出电池；

获取各个充电槽的电池信息，确定空充电槽和电量充足电池所在充电槽的位置；

计算机械臂以下运动过程中所需的运动参数：所述机械臂将电池放入到空充电槽，移动到电量充足电池所在充电槽的位置，从该充电槽取出电池放入到无人机；

根据所述运动参数完成电池更换。

一个或多个实施例提供了一种车载无人机控制***，包括：遥控终端、无人机和所述的停机箱设备；

遥控终端，接收用户输入的返航指令发送至无人机，同时发送车辆当前的位置信息；接收无人机发送的图像数据，识别所述图像上的定位标记，根据所述定位标记生成控制指令并发送至无人机；以及接收停机箱发送的无人机已降落、电池更换完成的反馈信息；

无人机，接收返航指令和车辆当前的位置信息，控制无人机飞行至所述位置一定范围以内，拍摄包含停机坪的图像数据发送至遥控终端；以及，接收遥控终端发送的控制指令，控制无人机移动或降落；

停机箱，通过停机坪上的感应装置确定无人机已降落，自动更换电池，并向遥控终端发送反馈信息。

进一步地，所述遥控终端向无人机发送返航指令的同时，还向所述停机箱发送打开指令。

进一步地，所述无人机进行每次移动后均拍摄新的图像数据发送至所述遥控终端。

进一步地，所述遥控终端根据位置定位标记判断所述无人机需水平移动的方位和距离，根据方向定位标记判断所述无人机水平旋转的角度，生成控制指令发送至无人机。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、本公开通过GPS定位信息结合机器学习目标检测从而实现无人机能够远距离作业并能够精准降落。相比单纯的图像识别能够扩大飞行任务执行的空间范围，相比单纯GPS定位技术自动降落的无人机能够更加精准降落，并且能够减少电磁信号干扰影响，避免炸机坠落；此外，停机坪上还设置定位滑杆，在精准降落到停机坪的基础上，辅助无人机更准确地达到预设位置，以便采用机械手自动更换电池。

2、本公开提供专用的停机箱，能够实现无人机自动降落后自动更换电池，提高了无人机执行任务的续航能力；整个过程，用户只需在遥控移动端发送命令，无人机更换电池和充电的自动化和智能化降低了人力成本；并且，停机箱内通过设置充电柜提供备用电池，充电柜既能提供电量充足的电池，也能为电量用尽的电池充电，相较于仅仅提供一个或多个电量充足的备用电池，续航能力大大提高。

3、停机箱可以在汽车、船舶或卡车上安装，协助无人机实现各种环境下的作业要求，而且能够在汽车或船舶行驶过程中精准降落以进行自动更换电池和充电，全程不需要花费人力资源。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本公开实施例一中停机箱设备整体外观图；

图2为本公开实施例一中停机箱内部结构图；

图3为本公开实施例一中停机箱机械手整体结构图；

图4为本公开实施例一中无人机摄像器件下降过程流程示意图；

图5为本公开实施例一中无人机摄像器件下降和电池更换过程控制整体示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例公开了一种车载无人机自动更换电池的停机箱设备，应用于无人机控制***，所述***包括无人机、遥控终端和停机箱设备。

无人机，包括电动旋翼、机身、摄像装置和飞行控制器。所述摄像装置位于机身底部，通过信号与飞行控制器连接，飞行控制器能够实时地向遥控终端传送照片和视频信息；

遥控终端，包括遥控手柄和无人机飞行状态控制APP，与无人机飞行控制器和停机箱控制器连接，控制无人机的飞行状态、摄像功能，以及停机箱顶部的滑动盖打开和关闭。

停机箱设备，位于车顶或车后，如图1所示，包括顶端开口的壳体，所述壳体顶端设有能够自动开关的滑动盖，所述壳体内包括停机坪1、机械臂2、充电装置3和控制器。

所述滑动盖底部和所述壳体开口的边沿相配合地设有滑动机构，通过滑动机构使滑动盖相对于壳体移动，实现停机箱的打开和关闭；如图1所示，所述滑动盖包括第一盖体和第二盖体，所述第一盖体和第二盖体底部均向中间滑动时实现停机箱的关闭，均向外部滑动时，实现停机箱的打开。可选地，所述滑动机构的一个示例为，在壳体开口的边沿设置滑道，在滑动盖底部相配合地设置凹槽。

如图2所示，所述停机坪1上设有无人机定位标记、定位滑杆4和启程开关5。

所述停机坪1通过升降机构与底座连接。

所述定位标记为“H”形，且“H”形开口一侧标有“△”符号。所述“H”形为位置定位标记，在无人机降落过程中作为位置参考，“△”为方向定位标记，在无人机降落过程中作为方向参考，以调整无人机的朝向。

所述定位滑杆4设有四个，布设在所述定位标记周边。所述定位滑杆通过支撑部与停机坪连接，所述支撑部和停机坪上相配合的设置有滑动机构，所述四个定位滑杆可通过滑动机构向中心聚拢/向四周分散，所述四个定位滑杆向中心聚拢的最终状态为首尾相接的矩形。所述四个定位滑杆用于无人机降落后将其推动到指定位置。

所述四个定位滑杆中，无人机支架腿相应的两个滑杆上设有启程开关5，在无人机被推动到指定位置后关闭，将支架腿锁住，从而将无人机固定在停机坪上。

所述停机箱停机坪上还设有感应装置，检测无人机是否降落到停机坪上。所述感应装置可以是光电开关、称重传感器等任意能够实现感应无人机已降落的装置。

所述机械臂设于停机坪一侧，如图3所示，所述机械臂2包括固定在所述壳体底部的支撑臂，所述支撑部上端连接升降臂，所述升降臂的上端通过旋转机构与活动臂连接，所述活动臂前端为夹持装置。所述升降杆能够根据充电槽充电信息自动调整高度，实现机械臂换取电池操作。所述夹持装置为用于夹取电池的夹子，该夹子能够卡到无人机后面的电池上将电池取出。

所述充电装置3包括三个充电柜，避开无人机所在方位围绕机械臂2布设，所述才三个充电柜朝向机械臂的一侧均设有四个充电槽。这些充电槽中的一部分空着，用于存放从无人机取下的电池并充电，一分部放置正在充电或电量充足的电池，以供无人机更换(为了展现出停机箱内部的结构，外侧的充电柜压缩了高度)。

所述控制器，与所述停机箱中的感应装置、充电柜、各个升降机构、滑动机构、旋转机构和开关连接。能够控制停机坪的升降、滑动盖的打开和关闭、定位滑杆的滑动、启程开关的打开和关闭、机械臂的伸缩、旋转和取/放电池，以及监测充电柜中充电槽的使用情况和充电槽中电池的充电状态。

进一步地，所述控制器将监测的各个充电槽的使用情况和电池信息，根据所述电池信息计算所述充电完成时间，并按照预置显示方式显示所述充电完成时间、所述电量信息和所述电压信息。

如图4所示，所述无人机的降落过程如下：

步骤1：遥控终端接收用户输入的返航指令发送至无人机飞行控制器，同时发送所述车辆当前的位置信息；

步骤2：遥控终端向停机箱装备发送打开指令；

步骤3：停机箱控制器接收遥控终端发送的打开指令，控制所述滑动盖打开，以及控制所述升降机构抬升停机坪至所述滑动盖高度一致，向所述遥控终端执行反馈；

步骤4：无人机移动和降落；

所述步骤4具体包括：

步骤4.1：所述飞行控制器接收所述位置信息，控制所述无人机飞行到所述位置一定范围以内(如图3所示)，并进行降落；

步骤4.2：当所述无人机降落至距离地面一定高度时，调整摄像头方位角，使之垂直向下，并控制摄像装置拍摄图像数据发送至遥控终端；

步骤4.3：所述遥控终端接收图像数据，对无人机定位标记进行识别；根据定位标记识别结果向无人机发送控制指令，控制无人机移动和降落；其中，所述无人机进行每次移动后均控制摄像装置拍摄图像数据，重复执行步骤4.3。

所述定位标记包括位置定位标记和方向定位标记。本实施例中，所述位置定位标记为“H”形，方向定位标记为“△”形，结合图像识别结果，控制无人机水平移动，直至“H”标志位于图像正中心，控制无人机水平旋转，直至无人机的前方与“△”所在方向一致。即“H”字的两条边对应无人机的降落腿两条边，通过不断调整从而使无人机能够精准下降至停机箱的停机坪中。为了增强无人机在空中通过摄像器件对停机箱定位槽的检测辨识度，停机坪的颜色尽量选择对比度较强的颜色，比如停机坪采用亮黄色，“H”字标识和标识前后的△符号采用黑色。

步骤5：停机箱控制器根据停机坪上的感应装置传输的数据判断无人机已降落后，向遥控终端发送反馈信息；遥控终端向停机箱装备发送关闭指令；

步骤6：停机箱控制器将停机坪下降至初始位置后，控制滑动盖关闭并向所述遥控终端执行反馈。

无人机回到停机箱后，停机箱控制器执行以下工作过程：

步骤7：当检测到无人机降落到停机坪上后，控制定位滑杆从四个方向向中间推动无人机至指定位置；

步骤8：当无人机到达指定位置后，控制无人机带有支架腿的方向上的定位滑杆上的启程开关会闭合，将无人机固定在停机坪上；

步骤9：当无人机被固定住后，控制机械臂根据预设运动参数伸入无人机，通过取电池的夹子取出电池；获取各个充电槽的电池信息，所述电池信息包括电量信息和电压信息，分别确定空充电槽和电量充足电池所在充电槽的位置；计算所述机械臂需升降和旋转的具体参数；根据所述参数控制机械臂调整高度和角度，控制机械臂将从无人机取出的电池***到空充电槽中进行充电，然后从电量充足电池所在的充电槽中取出满电的电池，***到无人机上；

步骤10：电池更换完成后，充电箱控制器将完成消息发送至遥控终端，由用户决定重新执行起飞或关闭停机箱。

关于无人机精准降落，无人机降落过程中不断获取新的包含停机坪的图像数据，进行停机坪识别，保证无人机的精准降落，所述步骤4.3进一步包括：

步骤4.3.1：所述遥控终端识别所述图像中的位置定位标记和方向定位标记；

步骤4.3.2：判断所述位置定位标记是否在图像正中心，若在，执行步骤4.3.4；若不在，根据所述位置定位标记判断无人机需移动的方位和距离，生成控制指令发送至无人机；具体地，根据检测到的停机坪得到目标框，根据所述目标框是否在画面正中间来判断无人机是否在目标位置正中间，并根据目标框距离画面上下(左右)的距离来确定移动的距离和方位。

步骤4.3.3：接收下一幅图像重复步骤4.3.1-步骤4.3.2，直至所述位置定位标记位于图像正中心；

步骤4.3.4：判断无人机一端方向与所述方向定位标记是否一致，若一致，向无人机发送降落的控制指令；若不一致，根据所述方向定位标记判断无人机水平旋转的角度，并生成控制指令发送至无人机；

步骤4.3.5：接收下一幅图像重复步骤4.3.4，直至所述无人机一端方向与所述方向定位标记一致。

关于对停机坪上的定位标记进行目标识别，所述步骤4中，对无人机定位标记进行识别采用基于深度学习的目标检测方法，具体原理如下：

步骤1：利用无人机采集带有停机坪的图像，并针对采集来的图像进行标记，框选出停机坪位置及其类别，作为深度学习的训练集与测试集；

步骤2：选择神经网络深度学习框架，采用所述训练图像集进行学习，得到所述神经网络对应的权重文件。比如使用Darknet框架下的Yolov2-tiny作为基础网络，考虑移动端的计算力，以及识别速度，需要对其层数及参数作出调整，不断优化训练过程，最终完成训练得到网络输出的若干权重，在测试集上对若干权重进行测试并选择表现最好的权重文件；

步骤3：将所述神经网络的配置文件及权重通过NCNN加速框架移植到遥控终端。具体地，将网络与权重移植到移动端，受移动端的计算力所限，选择NCNN作为移动端推理过程的加速框架，并将网络配置文件及权重转换为NCNN所需要的格式，将NCNN编译后形成动态链接库，并通过JNI将Android程序与NCNN API对接，从而实现在Android上控制识别过程，并通过训练得到的网络及权重完成对停机坪的目标检测任务。

当训练好的网络和权重移植到移动控制端后，由移动端来检测控制无人机下落过程中停机坪位置检测。

特别的，当车处于行驶状态：无人机拍摄照片传送到移动控制端，移动端通过植入的深度学习网络模型和权重来识别物体，并使用红色方框对目标物体进行框选；

根据方框来确定停机坪是否位于无人机正下方，若位于正下方则再判断方位是否正确，否则根据方框的四边距离画面的距离之差来确定无人机的移动方位和距离；

当车处于移动状态，不断检测方框中的内容是否为之前的目标物体，通过不断拍摄照片来实时确定目标位置，从而让无人机与行车保持相对静止。

以上一个或多个实施例具有以下技术效果：

1、本公开通过GPS定位信息结合机器学习目标检测从而实现无人机能够远距离作业并能够精准降落。相比单纯的图像识别能够扩大飞行任务执行的空间范围，相比单纯GPS定位技术自动降落的无人机能够更加精准降落，并且能够减少电磁信号干扰影响，避免炸机坠落；此外，停机坪上还设置定位滑杆，在精准降落到停机坪的基础上，辅助无人机更准确地达到预设阈值，以便采用机械手自动更换电池。

2、本公开提供专用的停机箱，能够实现无人机自动降落后自动更换电池，提高了无人机执行任务的续航能力；整个过程，用户只需在遥控移动端发送命令，无人机更换电池和充电的自动化和智能化降低了人力成本；并且，停机箱内通过设置充电柜提供备用电池，充电柜既能提供电量充足的电池，也能为电量用尽的电池充电，相较于仅仅提供一个或多个电量充足的备用电池，续航能力大大提高。

3、停机箱可以在汽车、船舶或卡车上安装，协助无人机实现各种环境下的作业要求，而且能够在汽车或船舶行驶过程中精准降落以进行自动更换电池和充电，全程不需要花费人力资源。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本申请的具体实施方式进行了描述，但并非对本申请保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本申请的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本申请的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种车载无人机停机箱设备，其特征在于，包括：

顶端开口的壳体，所述壳体内包括控制器，以及与所述控制器连接的无人机停机坪、机械臂和一个或多个充电柜，每个所述充电柜均设有多个充电槽；所述控制器监测各充电槽中的电池信息，控制机械臂从无人机取出电池放入空充电槽，以及从电量充足电池所在充电槽取出电池装入无人机。

2.如权利要求1所述的一种车载无人机自动更换电池的停机箱设备，其特征在于，所述壳体顶端设有滑动盖，与所述控制器连接。

3.如权利要求1所述的一种车载无人机自动更换电池的停机箱设备，其特征在于，所述停机坪上设有无人机定位标记，包括位置定位标记和方向定位标记；所述位置定位标记和方向定位标记分别在无人机降落过程中用作降落位置参考和无人机朝向参考。

4.如权利要求3所述的一种车载无人机自动更换电池的停机箱设备，其特征在于，所述停机坪上围绕定位标记还设有定位滑杆，用于在无人机降落到停机坪后将无人机推动到指定位置。

5.如权利要求4所述的一种车载无人机自动更换电池的停机箱设备，其特征在于，所述定位滑杆上与无人机支架腿相应的位置还设有启程开关，在无人机被推动到指定位置后关闭，将支架腿锁住。

6.一种基于如权利要求1-5所述停机箱设备的电池自动更换方法，其特征在于，包括以下步骤：

无人机降落到停机坪上后，所述控制器控制定位滑杆推动无人机至指定位置，关闭启程开关；

控制机械臂根据预设的运动参数伸入无人机，通过前端夹持装置取出电池；

获取各个充电槽的电池信息，确定空充电槽和电量充足电池所在充电槽的位置；

计算机械臂以下运动过程中所需的运动参数：所述机械臂将电池放入到空充电槽，移动到电量充足电池所在充电槽的位置，从该充电槽取出电池放入到无人机；

根据所述运动参数完成电池更换。

7.一种车载无人机控制***，其特征在于，包括：遥控终端、无人机和如权利要求1-5任一项所述的停机箱设备；

遥控终端，接收用户输入的返航指令发送至无人机，同时发送车辆当前的位置信息；接收无人机发送的图像数据，识别所述图像上的定位标记，根据所述定位标记生成控制指令并发送至无人机；以及接收停机箱发送的无人机已降落、电池更换完成的反馈信息；

无人机，接收返航指令和车辆当前的位置信息，控制无人机飞行至所述位置一定范围以内，拍摄包含停机坪的图像数据发送至遥控终端；以及，接收遥控终端发送的控制指令，控制无人机移动或降落；

停机箱，通过停机坪上的感应装置确定无人机已降落，自动更换电池，并向遥控终端发送反馈信息。

8.如权利要求7所述的一种车载无人机控制***，其特征在于，所述遥控终端向无人机发送返航指令的同时，还向所述停机箱发送打开指令。

9.如权利要求7所述的一种车载无人机控制***，其特征在于，所述无人机进行每次移动后均拍摄新的图像数据发送至所述遥控终端。

10.如权利要求9所述的一种车载无人机控制***，其特征在于，所述遥控终端根据位置定位标记判断所述无人机需水平移动的方位和距离，根据方向定位标记判断所述无人机水平旋转的角度，生成控制指令发送至无人机。