CN210954741U - 用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***，包括飞行器，地面监控站和充电站网络，该充电站网络由多个充电站组成，飞行器的无线充电电池管理模块实时监测其电池剩余电量，无线通信模块接收飞行控制模块传输过来的该飞行器的姿态、位置、状态信息，在监测到需要充电时，飞行控制模块根据该地面监控站提供的充电站坐标飞至目标充电站附近，该飞行导航对接模块确保该飞行器与目标充电站之间精确对接，以使该飞行器接近目标充电站的无线充电感应区进行充电操作。该用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***有效提高了无人机机动能力和续航能力，从根本上解决了航时、航程短这一技术难题，同时还具备安全、环保的特性。
Description
技术领域
本实用新型涉及无人机充电技术领域，特别是涉及到一种用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***。
背景技术
多旋翼无人机具有机动灵活、反应快速、操作要求较低、可以垂直起降无需跑道或其它辅助设备等优点。通过搭载多种传感器可以实现采集数据实时传输等功能。目前，无人机在原油长输管线巡检方面的应用正在不断摸索中。
因原油长输管线大多地处偏僻，地域跨度大，但是无人机续航能力受电池电量所限，无法满足大范围巡航任务要求，限制了无人机巡检原油长输管道的有效范围。通常来说，对于常见的多旋翼式飞行器，其在携带满载荷的情况下工作时间一般在30分钟左右。显然续航能力的不足对于执行各种任务而言是非常不方便的，尤其是在长距离管线巡检应用中。另一方面，当无人机处于低电量状态时还需要根据操控指令返回预定位置以更换电池，此过程增加了无人机的飞行风险。
日本名古屋工业大学提出了一种带轮子能够在地面移动的无人机(All-roundtwo-wheeled quadroter hel icopters with protect-frames for air-land-seavehicle.Advanced Robotics,2015,29(1):69-87.)通过这种方式实现和充电装置的对接，这样一来就降低了飞行器精确定点降落的需求，但是该方法用的是传统的有线充电技术，使用寿命会因频繁接触而降低。为此我们发明了一种新的用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***，解决了以上技术问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种使无人机在沿线的多个地面充电站通过多次充能，可以长时间滞空，不间断获取巡检信息的用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***。
本实用新型的目的可通过如下技术措施来实现：用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***，该用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***包括飞行器，地面监控站和充电站网络，该充电站网络由多个充电站组成，该飞行器包含飞行控制模块、无线充电电池管理模块、飞行导航对接模块和第一无线通信模块，该无线充电电池管理模块连接于该飞行控制模块，实时监测该分析器的电池剩余电量，该第一无线通信模块连接于该飞行控制模块，接收该飞行控制模块传输过来的该飞行器的姿态、位置、状态信息，并将该飞行器的信息传输该地面监控站，该飞行导航对接模块连接于该飞行控制模块，在该飞行控制模块的控制下，使该飞行器与该充电站网络中的目标充电站对接。
本实用新型的目的还可通过如下技术措施来实现：
该无线充电电池管理模块包括指示灯，在电量不足时，该无线充电电池管理模块通过该指示灯发出警告。
该飞行导航对接模块包含摄像头模块、超声波测距模块和飞行器从处理器模块，该摄像头模块连接于该飞行器从处理器模块，获取该飞行器与目标充电站精确对接过程中的着陆信标图像，并传输给该飞行器从处理器模块，该飞行器从处埋器模块对获取的着陆信标图像进行预处理和特征检测，再结合实际着陆信标，获取该飞行器相对于着陆信标的相对位置，并将结果传输给该飞行控制模块，继而该飞行控制模块调节该飞行器各个电机转速，使得无人机做出相应动作，该超声波测距模块连接于该飞行器从处理器模块，在对接过程中，实时获取该飞行器与目标充电站的垂直距离并传输给该飞行器从处理器模块。
该飞行控制模块包含第一主控模块、捷联惯性和GPS组合导航模块，该捷联惯性和GPS组合导航模块连接于该第一主控模块，在该飞行器电池需要充电时，该捷联惯性和GPS组合导航模块根据各个传感器的数据，自主导航至目标充电站，该第一主控模块控制该飞行器的正常飞行，控制该无线充电电池管理模块、该飞行导航对接模块和该第一无线通信模块的工作状态，处理该无线充电电池管理模块、该飞行导航对接模块和该第一无线通信模块所获得的信息。
该捷联惯性和GPS组合导航模块包含惯性测量单元、三轴磁力计、GPS模块和气压计，该惯性测量单元包括三轴加速度计、三轴陀螺仪，该三轴加速度计获取机体坐标系下三个轴向的加速度值，该三轴陀螺仪获取机体坐标系下三个轴向的角速度值，该惯性测量单元确定飞行器的姿态；该三轴磁力计获取机体坐标系下的三个轴向的磁场强度值，纠正姿态计算时的偏航角，该GPS模块获取该飞行器当前所在的经纬度，飞行速度；该气压计计算高度值。
该地面监控站包含第二无线通信模块和地面监控计算机，该第二数据传输模块和该飞行器进行通讯，通过无线链路获取该飞行器当前的信息；该地面监控计算机连接于该第二无线通信模块，对收到的信息进行处理显示该飞行器的飞行状态，并对其发送指令、规划航线，以及计算离该飞行器最近的充电站坐标信息并通过该第二数据传输模块返回给该飞行器。
该充电站包括第二主控模块、无线充电模块和第三数据传输模块，该第二主控模块连接于该无线充电模块和该第三数据传输模块，该第二主控模块控制该无线充电模块的工作状态，该无线充电模块为无人机提供停泊和充电操作；该第三数据传输模块接收和发送该无人机传过来的信息。
本实用新型中的用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***，通过在管线巡检路线上建立适当数量的自动充电站，在任务执行过程中无人机检测到电量不足时，在飞行控制***的引导下飞行至预定充电站附近，接着在机载视觉导航***的引导下完成精确对接。充电站上的无线充电模块通过功率放大器以无线电能传输方式对无人机锂电池组进行充电，电量充满后，无人机回到中断位置继续巡检工作。该用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***可以进行远程控制是无线充电最大的特点，无人机从降落到充电再到起飞的全过程可以全自主独立实现，无需现场人为进行干预或辅助。无线充电平台全封闭，内部的充电板具有防水能力，可以应对多种恶劣天气。无人机携带无线充电电池靠近时，发射端充电板检测到接收端无人机后即刻开始充电。无人机在沿线的多个地面充电站通过多次充能，可以长时间滞空，不间断获取巡检信息，有效提高了无人机机动能力和续航能力，从根本上解决了航时、航程短这一技术难题，同时还具备安全、环保的特性。
附图说明
图1为本实用新型的用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***的一具体实施例的结构图。
具体实施方式
为使本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。
如图1所示，图1为本实用新型的用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***的结构图。
该用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***由地面监控站20、飞行器10、充电站网络30组成。其中，飞行器10主要包含飞行控制模块11、无线充电电池管理模块12、飞行导航对接模块13、第一无线通信模块14。无线充电电池管理模块12连接于飞行控制模块11，实时监测电池电量使用情况并将电量信息传输给该飞行控制模块11，在电量不足时，无线充电电池管理模块12通过指示灯的形式发出警告。
无线通信模块14连接于飞行控制模块11，该无线通信模块14接收该飞行控制模块11传输过来的飞行器10的姿态、位置、状态信息等，并将飞行器10的信息传输该地面监控站，此外还用于接收来自地面监控站的控制指令。
飞行导航对接模块13连接于飞行控制模块11，确保无人机与地面充电站之间的精确对接。在一实施例中，飞行导航对接模块13包含摄像头模块、超声波测距模块和飞行器从处理器模块。摄像头模块用于飞行器与充电站精确对接过程中获取着陆信标图像。从处埋器模块对获取的图像进行预处理和特征检测，再结合实际着陆信标，计算得出飞行器相对于着陆信标的相对位置，并将结果传输给飞行控制模块11。继而飞行控制模块11会调节飞行器各个电机转速，做出相应动作。超声波测距模块主要用于在对接过程中，实时获取飞行器与充电站的垂直距离。超声波测距模块是无人机内部模块之一，垂直距离数据通过机内电路传输给该飞行器从处理器模块，作为该飞行器相对于着陆信标的相对位置数据之一。
飞行控制模块11为无人机的核心，用于提供无人机的全部飞行控制功能，同时协调其余各个组件的状态，处理来自外部的无人机控制信息。
飞行控制模块11包含主控模块、捷联惯性和GPS组合导航模块。此捷联惯性和GPS组合导航模块主要功能为在飞行器电池需要充电时，利用扩展卡尔曼算法融合各个传感模块的数据，自主导航至目标充电站。
主控模块为飞行器的核心，用于控制整个飞行器的正常飞行，控制各模块的工作状态，协调各部分软件硬件模块的工作，处理飞行器所获得的信息。
捷联惯性和GPS组合导航模块包含惯性测量单元(IMU，三轴加速度计、三轴陀螺仪)、三轴磁力计、GPS模块和气压计，采集飞行器的空间加速度、角速度、相对地磁场方向的数据。三轴加速度计用于获取机体坐标系下三个轴向的加速度值，三轴陀螺仪用于获取机体坐标系下三个轴向的角速度值，惯性测量单元用于确定飞行器的姿态。三轴磁力计用于获取机体坐标系下的三个轴向的磁场强度值，用于纠正姿态计算时的偏航角。GPS模块主要用于获取飞行器当前所在的经纬度，飞行速度等信息。由于GPS模块在获取高度信息时存在较大误差，因此用气压计来计算高度值。
三轴加速度计、三轴陀螺仪组成惯性测量单元；惯性测量单元、三轴磁力计、GPS模块和气压计组成捷联惯性和GPS组合导航模块
采集的数据传输至飞行控制模块进行处理，继而该飞行控制模块调节该飞行器各个电机转速，使得无人机做出相应动作。
地面监控站20包含第二无线通信模块21和地面监控计算机22。第二数据传输模块21用于和飞行器10进行通讯，通过无线链路获取飞行器10当前坐标信息。地面监控计算机22连接于第二无线通信模块21，用于对收到的信息进行处理显示飞行器10的飞行状态，并对其发送指令、规划航线等，以及计算离飞行器最近的充电站坐标信息并通过第二数据传输模块22返回给飞行器10。
充电站网络30由分布在管线沿线附近的若干个充电站1-N组成。
充电站包括主控模块、无线充电模块和数据传输模块。主控模块用于控制无线充电模块的工作状态。无线充电模块连接于该第三数据传输模块，为无人机提供停泊和充电操作。第三数据传输模块与无人机上的模块对应，用于接收和发送传过来的信息。
本实用新型的用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***在工作时，飞行器10在飞行过程中，无线充电电池管理模块12会实时监测电池剩余电量，同时地面监控站20不断更新飞行器10当前的坐标位置信息，地面监控站20计算离飞行器最近的充电站坐标并将该信息发回给飞行器10。
无线充电电池管理模块12检测到电量下降到一定程度，数据发送到飞行控制模块11，判断需要充电，飞行控制模块11计算导航至最近目标充电站所需的飞行时间，以及剩余电量提供的续航时间是否大于此飞行时间。
满足要求后，首先将当前位置标记为任务中断位置，并在飞行控制模块11的导航下飞至目标充电站附近，完成充电操作的是无线充电平台上的无线充电感应区，无人机采用无线充电电池，该电池只需要接近该无线充电感应区即可开始充电操作。实际应用中，飞行控制模块11不可避免地存在误差，无法满足精确对接的要求。因此，需要进一步利用飞行导航对接模块13完成与地面充电站的精确对接。
当无人机飞行至地面充电站上空一定范围内时，飞行器开始寻找无线充电感应区的具***置并调整飞行姿态角。调整电机转速使得偏航角至零，随后飞行器在设定好的方向上不断搜索，直至找到感应区上的着陆信标为止。
此时飞行器进入跟踪模式。在对接时飞行器的横滚角和俯仰角近似等于零以保持飞行器处于水平状态。
随后，根据采集到的画面，图像处理算法计算出飞行器相对于着陆信标中心点的位置。
之后进入着陆模式，开始逐渐慢慢降低飞行高度，与此同时通过超声波测距模块不断探测飞行器和地面充电站之间的剩余间距，检测到该间距小于某个指定阈值时，电机逐渐自动停止旋转。
对接完成后，飞行器会与充电站建立无线连接，并告知充电站其已经进入充电就绪状态，可以进行充电。
接着，充电站会以基于E类功率放大器无线电能传输方式给飞行器上的电池组充电，在充电的同时，飞行器会持续监测电池电量，当检测到电量充满后，充电站处理飞行器发送来的停止充电指令。
全部完成后，飞行器返回充电前位置继续执行未完成的巡线任务。
本实用新型中的用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***，采用室外的无人机无线充电平台，提升续航的同时免去有线充电方式带来的各种弊端。基于视觉导航的精确对接***，在实时拍摄画面引导下，通过图像处理识别无线充电平台。全自主就近选择地面充电站，无人机根据预先上传的充电站***坐标点自动规划路径，综合判断距离以及自身剩余电量做出最优选择。
Claims (7)
1.用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***，其特征在于，该用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***包括飞行器，地面监控站和充电站网络，该充电站网络由多个充电站组成，该飞行器包含飞行控制模块、无线充电电池管理模块、飞行导航对接模块和第一无线通信模块，该无线充电电池管理模块连接于该飞行控制模块，实时监测该分析器的电池剩余电量，该第一无线通信模块连接于该飞行控制模块，接收该飞行控制模块传输过来的该飞行器的姿态、位置、状态信息，并将该飞行器的信息传输该地面监控站，该飞行导航对接模块连接于该飞行控制模块，在该飞行控制模块的控制下，使该飞行器与该充电站网络中的目标充电站对接。
2.根据权利要求1所述的用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***，其特征在于，该无线充电电池管理模块包括指示灯，在电量不足时，该无线充电电池管理模块通过该指示灯发出警告。
3.根据权利要求1所述的用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***，其特征在于，该飞行导航对接模块包含摄像头模块、超声波测距模块和飞行器从处理器模块，该摄像头模块连接于该飞行器从处理器模块，获取该飞行器与目标充电站精确对接过程中的着陆信标图像，并传输给该飞行器从处理器模块，该飞行器从处埋器模块对获取的着陆信标图像进行预处理和特征检测，再结合实际着陆信标，获取该飞行器相对于着陆信标的相对位置，并将结果传输给该飞行控制模块，继而该飞行控制模块调节该飞行器各个电机转速，使得无人机做出相应动作，该超声波测距模块连接于该飞行器从处理器模块，在对接过程中，实时获取该飞行器与目标充电站的垂直距离并传输给该飞行器从处理器模块。
4.根据权利要求1所述的用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***，其特征在于，该飞行控制模块包含第一主控模块、捷联惯性和GPS组合导航模块，该捷联惯性和GPS组合导航模块连接于该第一主控模块，在该飞行器电池需要充电时，该捷联惯性和GPS组合导航模块根据各个传感器的数据，自主导航至目标充电站，该第一主控模块控制该飞行器的正常飞行，控制该无线充电电池管理模块、该飞行导航对接模块和该第一无线通信模块的工作状态，处理该无线充电电池管理模块、该飞行导航对接模块和该第一无线通信模块所获得的信息。
5.根据权利要求4所述的用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***，其特征在于，该捷联惯性和GPS组合导航模块包含惯性测量单元、三轴磁力计、GPS模块和气压计，该惯性测量单元包括三轴加速度计、三轴陀螺仪，该三轴加速度计获取机体坐标系下三个轴向的加速度值，该三轴陀螺仪获取机体坐标系下三个轴向的角速度值，该惯性测量单元确定飞行器的姿态；该三轴磁力计获取机体坐标系下的三个轴向的磁场强度值，纠正姿态计算时的偏航角，该GPS模块获取该飞行器当前所在的经纬度，飞行速度；该气压计计算高度值。
6.根据权利要求1所述的用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***，其特征在于，该地面监控站包含第二无线通信模块和地面监控计算机，该第二数据传输模块和该飞行器进行通讯，通过无线链路获取该飞行器当前的信息；该地面监控计算机连接于该第二无线通信模块，对收到的信息进行处理显示该飞行器的飞行状态，并对其发送指令、规划航线，以及计算离该飞行器最近的充电站坐标信息并通过该第二数据传输模块返回给该飞行器。
7.根据权利要求1所述的用于原油长输管线巡检领域的无人机自动充电***，其特征在于，该充电站包括第二主控模块、无线充电模块和第三数据传输模块，该第二主控模块连接于该无线充电模块和该第三数据传输模块，该第二主控模块控制该无线充电模块的工作状态，该无线充电模块为无人机提供停泊和充电操作；该第三数据传输模块接收和发送该无人机传过来的信息。
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