多旋翼無人機充電系統及方法與流程
2023-05-16 06:52:51
本發明涉及自動化控制領域，尤其涉及一種多旋翼無人機充電系統及方法。
背景技術：
隨著電子技術和航天技術的發展，多旋翼無人機技術得到了快速發展，其應用領域已經從軍事領域拓展到民用領域，尤其是被廣泛應用於民用領域的農業、林業、電力、安防等方面。
在無人機應用範圍越來越廣的同時，市場上也出現繁多的無人機種類，按照其飛行原理主要可分為固定翼、直升機、多旋翼三種。但這些無人機都存在一個明顯的問題——續航能力有限，影響續航能力的主要因素是無人機電池。特別是多旋翼無人機，其電機多，耗電量大，續航時間相對最短；但是由於其機械結構比較簡單，沒有複雜的傳動機構，同時也能夠垂直起降，並且能夠輕鬆實現懸停、側飛和倒飛等運動，具有很強的機動性，因此得到人們的青睞。
目前多旋翼無人機主要採用鋰電池作為主要動力，還處於原始的人工接線充電方式，使用多旋翼無人機專用充電器連接電池進行充電，每次至少充電一小時以上，存在智能化低，必須人工看管的問題，直接影響了多旋翼無人機作業的效率。多旋翼無人機的相關技術特別是自主充電技術的發展，直接影響了多旋翼無人機智能應用的發展，然而，目前還沒有多旋翼無人機自主地進行自主充電的相關技術和產品。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的問題，本發明提供了一種多旋翼無人機充電系統及方法，實現多旋翼無人機的快速充電，提高其作業的效率，減輕人力資源的消耗，提高多旋翼無人機的智能化程度，加快了智能社會的建設步伐。
為達到上述目的，本發明實施例採用如下技術方案：
一方面，本發明是實施例提供一種多旋翼無人機充電系統，包括地面端和多旋翼無人機端，所述地面端包括控制子系統、充電板以及充電板上的多個按鍵；所述多旋翼無人機端包括起落架以及設置在所述起落架上的取電裝置；所述控制子系統通過繼電器與所述充電板電連接，當所述起落架上的取電裝置與所述多個按鍵中任意兩個按鍵接觸時，所述控制子系統控制所述繼電器接通電源模塊以使得所述任意兩個按鍵通電，當所述多旋翼無人機中的鋰電池充電完成時，所述控制子系統控制所述繼電器以使得所述充電板斷電。
可選的，所述控制子系統包括主控模塊、按鍵檢測模塊、鋰電池檢測模塊以及通信模塊；其中，所述主控模塊與所述按鍵檢測模塊電連接，所述按鍵檢測模塊用於判斷所述多旋翼無人機是否已經落到充電板上且按下兩個按鍵，所述主控模塊用於根據所述按鍵檢測模塊測得的數據進行所述繼電器的控制；所述主控模塊分別與所述鋰電池檢測模塊、通信模塊電連接，所述主控模塊根據所述鋰電池檢測模監測的電池狀態以及所述通信模塊與多旋翼無人機通信獲取的電池電量信息進行所述繼電器的控制。
可選的，所述多旋翼無人機端還包括平衡充電模塊，所述平衡充電模塊固定於所述多旋翼無人機上，當所述取電裝置與所述多個按鍵中任意兩個按鍵接觸時，所述平衡充電模塊通過所述取電裝置與所述充電板電連接，將從所述充電板上取來的電作為電源給與所述平衡充電模塊電連接的鋰電池。
可選的，所述電源模塊包括ac-dc電源適配器以及靜態電流降壓調節器，所述ac-dc電源適配器的輸入端與220v交流電連接，所述ac-dc電源適配器的輸出端通過輸入過壓過流保護電路與所述靜態電流降壓調節器的電壓輸入端連接，靜態電流降壓調節器的電壓輸出端設置有輸出過壓過流保護電路。
可選的，所述充電板包括多個小方格子，每個小方格子內設置有一個按鍵，所述按鍵頂部為導電介質，所述小方格子的相對的兩邊各自設置有一錐形體以確保每次只有一個按鍵被按下，所述錐形體為導電介質。
可選的，所述小方格子的壁設置有絕緣介質。
可選的，所述取電裝置上布置有兩個金屬觸點，所述金屬觸電會在壓力的作用下按下所述充電板上對應的兩個按鍵。
可選的，所述取電裝置為按鍵式x結構體。
可選的，所述充電板上設置有防接反裝置以使得所述取電裝置的電極正反接觸所述充電板上的按鍵都可以給所述鋰電池充電。
另一方面，本發明實施例還提供了一種多旋翼無人機充電方法，應用於上述的多旋翼無人機充電系統，所述方法，包括：當作業過程中檢測到電量低時，多旋翼無人機降落到最近的充電板上；當所述多旋翼無人機的取電裝置與所述充電板的按鍵接觸時，多旋翼無人機鎖定充電板進行充電；當檢測到多旋翼無人機中的鋰電池充電完成時，對所述充電板斷電且多旋翼無人機解鎖。
本發明實施例提供的多旋翼無人機充電系統及方法，通過：當所述起落架上的取電裝置與所述多個按鍵中任意兩個按鍵接觸時，所述控制子系統控制所述繼電器接通電源模塊以使得所述任意兩個按鍵通電，當所述多旋翼無人機中的鋰電池充電完成時，所述控制子系統控制所述繼電器以使得所述充電板斷電。實現了多旋翼無人機的快速充電，提高多旋翼無人機作業的效率，減輕人力資源的消耗，提高多旋翼無人機的智能化程度，加快了智能社會的建設步伐。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的多旋翼無人機充電系統整體框圖；
圖2為本發明實施例的充電系統主控模塊硬體框圖；
圖3為本發明實施例的充電系統電源模塊設計原理圖；
圖4為本發明實施例的充電系統按鍵式充電板示意圖；
圖5為本發明實施例的充電系統按鍵盒設計示意圖；
圖6為本發明實施例的充電系統充電板按鍵的電路連接示意圖；
圖7為本發明實施例的充電系統取電裝置示意圖；
圖8為本發明實施例的充電系統無人機上電源線路連接示意圖；
圖9為本發明實施例的充電系統軟體總體框圖；
圖10為本發明實施例的充電系統充電過程流程圖。
具體實施方式
針對現有技術中存在的問題，本發明提供了一種多旋翼無人機充電系統及方法，實現多旋翼無人機的快速充電，提高其作業的效率，減輕人力資源的消耗，提高多旋翼無人機的智能化程度，加快了智能社會的建設步伐。
為了使得本領域技術人員更好的理解本發明實施例提供的多旋翼無人機充電系統，現對無人機相關的內容進行詳細的說明。
無人機為無人駕駛飛機(unmannedaerialvehicles)，是指利用無線電程序控制裝置操縱的不載人飛機。與很多其他的飛行器一樣，無人用力來實現起降及各種姿態的飛行，並且可承受一定程度的載荷。無人機上設置有支撐無人機的腳架，該腳架被稱為起落架無人機內設置有無人機電池，用於給無人機操作供電，一般使用鋰離子聚合物電池(lithium-ionpolymerbattery,lipo,簡稱鋰電池)。一般的參數有電壓，放電倍率，充電倍率，容量。
在本申請實施例中，採用鋰電池給作為無人機電池，以常規3s/2200mah/25c放電/5c充電鋰電池為例，3s(s串聯)代表這個就是3個電芯串聯起來的電池，單個電芯正常起點電壓是3.7v，充滿截止電壓為4.2v，這個電池就是11.1v起電壓，充滿就是12.6v，容量就是2200mah，25c放電，表示這個航模電池可以以25*2200ma＝55a最大電流放電。5c充電就是52200ma＝11a最大電流充電。鋰電池一般屬於高倍率電池，可以給多旋翼提供動力。
如圖1所示，本發明實施例提供的多旋翼無人機充電系統，包括：地面端100和多旋翼無人機端200。其中，
所述地面端100包括控制子系統101、充電板102以及充電板102上的多個按鍵。
所述多旋翼無人機端200包括起落架201以及設置在所述起落架上的取電裝置202。
所述控制子系統101通過繼電器103與所述充電板102電連接，當所述起落架201上的取電裝置202與所述多個按鍵中任意兩個按鍵接觸時，所述控制子系統101控制所述繼電器103接通電源模塊104使得所述任意兩個按鍵通電，當所述多旋翼無人機中的鋰電池充電完成時，所述控制子系統控制所述繼電器103以使得所述充電板102斷電。
本發明實施例提供的多旋翼無人機充電系統通過：當所述起落架上的取電裝置與所述多個按鍵中任意兩個按鍵接觸時，所述控制子系統控制所述繼電器接通電源模塊以使得所述任意兩個按鍵通電，當所述多旋翼無人機中的鋰電池充電完成時，所述控制子系統控制所述繼電器以使得所述充電板斷電。實現了多旋翼無人機的快速充電，提高多旋翼無人機作業的效率，減輕人力資源的消耗，提高多旋翼無人機的智能化程度，加快了智能社會的建設步伐。
可選的，在一實施例中，如圖1所示，所述控制子系統101包括主控模塊301、按鍵檢測模塊302、鋰電池檢測模塊303以及通信模塊304；其中，所述主控模塊301與所述按鍵檢測模塊302電連接，所述按鍵檢測模塊302用於判斷所述多旋翼無人機是否已經落到充電板上且按下兩個按鍵，所述主控模塊301用於根據所述按鍵檢測模塊302測得的數據進行所述繼電器103的控制；所述主控模塊301分別與所述鋰電池檢測模塊303、通信模塊304電連接，所述主控模塊301根據所述鋰電池檢測模塊303監測的電池狀態以及所述通信模塊304與多旋翼無人機通信獲取的電池電量信息進行所述繼電器103的控制。可選的，在一實施例中，如圖1所示，所述多旋翼無人機端還包括平衡充電模塊203，所述平衡充電模塊203固定於所述多旋翼無人機上，當所述取電裝置202與所述多個按鍵中任意兩個按鍵接觸時，所述平衡充電模塊203通過所述取電裝置與所述充電板102電連接，將從所述充電板102上取來的電作為電源給與所述平衡充電模塊203電連接的鋰電池204。
本發明實施例提供的多旋翼無人機充電系統通過：當所述起落架上的取電裝置與所述多個按鍵中任意兩個按鍵接觸時，所述控制子系統控制所述繼電器接通電源模塊以使得所述任意兩個按鍵通電，當所述多旋翼無人機中的鋰電池充電完成時，所述控制子系統控制所述繼電器以使得所述充電板斷電。實現了多旋翼無人機的快速充電，提高多旋翼無人機作業的效率，減輕人力資源的消耗，提高多旋翼無人機的智能化程度，加快了智能社會的建設步伐。
如圖2-8所示，本發明實施例提供的多旋翼無人機充電系統，其中的地面端包括由主控模塊、鋰電池檢測模塊、按鍵檢測模塊構成的控制子系統、通信模塊、電池模塊，以及充電板。下面對上述的模塊進行詳細的說明。
如圖2所示，所述主控模塊，可以採用armcortex-m4為核心處理器的32位控制器，完成系統的控制與協調功能，將按鍵檢測模塊與鋰電池檢測模塊輸入的信號轉化為對繼電器的控制命令。所述按鍵檢測模塊，通過i/o接口與所述主控模塊連接，按鍵檢測模塊可以判斷無人機是否已經落到充電板上且按下了兩個按鍵，主控模塊對按鍵檢測模塊測得的數據進行分析，隨後當分析得到無人機已經落到充電板上且按下兩個按鍵的時候控制繼電器接通電源，按鍵通電。所述鋰電池檢測模塊，通過smbus接口與所述主控模塊連接，與無人機端的平衡充電模塊共同作用，實時監測電池的狀態，主控模塊對鋰電池檢測模塊測得的數據進行分析，隨後當分析得到電池充滿時，主控模塊再次向充電板發送信號，充電板斷電。所述通信模塊，包括無線通信模塊、伺服器通信模塊和人機互動模塊。無線通信模塊負責與無人機通信，監視無人機飛行狀態，伺服器模塊負責與伺服器通信，將無人機狀態信息、電池電量信息、充電狀態信息等傳輸給伺服器，人機互動模塊負責實時顯示系統運行狀態。
如圖3所示，所述電源模塊包括ac-dc電源適配器以及靜態電流降壓調節器，所述ac-dc電源適配器的輸入端與220v交流電連接，將220v交流轉換為18v直流電，所述ac-dc電源適配器的輸出端通過輸入過壓過流保護電路與所述靜態電流降壓調節器的電壓輸入端連接，靜態電流降壓調節器的電壓輸出端設置有輸出過壓過流保護電路。主要完成系統所需電源的分配工作，電源適配器輸入日常的220v交流電輸出18v直流電，然後通過轉換電路給控制電路以及充電板102供電。在本實施例中，所述輸入過壓過流保護電路由串聯的熔絲f1與二極體d1組成，所述輸出過壓過流保護電路由串聯的熔絲f2與二極體d2組成，用於保護檢測儀各個模塊不受電源故障的影響，提高系統的穩定性。在本實施例中，所述靜態電流降壓調節器可以採用以ltc1771為核心的控制器，該控制器的引腳stm32f1_en作為ltc1771f電源輸出的控制使能腳，該控制信號來源於一鍵開關機模塊，當該控制信號為高電平時，系統輸出3.3v電源(開機狀態)，當該控制信號為低電平時，系統無輸出(關機狀態)。
如圖4-6所示，所述充電板102包括多個小方格子1021，每個小方格子1021內設置有一個按鍵41，所述按鍵41頂部為導電介質411，按鍵41底部有導線與繼電器103連接，同時繼電器103引出兩條線，一條連接主控模塊301的io口作為信號線，一條接電源模塊中的18v的直流電(或接地)電源線，默認情況下繼電器103開關打到信號線端。所述小方格子1021的相對的兩邊各自設置有一錐形體1022以確保每次只有一個按鍵被按下，所述錐形體為導電介質。所述小方格子1021的壁設置有絕緣介質1023。
如圖7所示，所述取電裝置202上布置有兩個金屬觸點2021，所述金屬觸電2021會在壓力的作用下按下所述充電板上對應的兩個按鍵。進一步的，為了確保按鍵的性能，仿照x結構的鍵盤設計了按鍵式x結構體作為所述取電裝置，由於是x結構體，在按壓上按鍵時所受壓力比較平均不會發生卡鍵的情況。
具體的，當無人機降落到充電板上，起落架上固定的金屬觸點會在重力作用下按壓按鍵，由於按鍵所在的方格頂部設計為錐形，因此可以保證金屬觸點落到方格邊緣時能夠滑到按鍵上，方格頂部的錐形為導電介質，並始終接通3.3v電源，默認情況下按鍵鍵面的導電介質(優選銅片)會與頂部的錐形相接觸，因此與之相連的io口為高電平；當按鍵被按下後，由於方格四壁為絕緣材料，單片機(主控模塊)相應的io口會產生電平變化，單片機能夠判斷是哪一個按鍵被按下。按鍵被按下之後，繼電器開關打到電源端。於是取電裝置可以從取到電位差為18v的直流電到平衡充電模塊。
一實施例中，如圖8所示，所述充電模塊固定在無人機上，將從所述充電板上取來的電作為電源，所述平衡充電模塊、鋰電池以及無人機電源的連接示意圖如圖8所示。所述平衡充電模塊是一種能為串聯鋰電池充電的充電模塊，能使串聯的各節鋰電池達到彼此之間相對平衡。使用所述平衡充電模塊充電，能使所述鋰電池的壽命增長、並能在使用過程中加大電池的用電時間。所述平衡充電模塊在充電的同時能夠檢測所述鋰電池的電壓，並在電池充滿以後自動停止充電。
本發明一實施例還提供了一種多旋翼無人機充電方法，應用於上述實施例中所描述的多旋翼無人機充電系統，如圖9所示，所述方法，包括：
s1、當作業過程中檢測到電量低時，多旋翼無人機降落到最近的充電板上；
s2當所述多旋翼無人機的取電裝置與所述充電板的按鍵接觸時，多旋翼無人機鎖定充電板進行充電；
其中，鎖定指的是無人機上電後默認處於鎖定狀態，即鎖定電機輸出，禁止轉動。
s3當檢測到多旋翼無人機中的鋰電池充電完成時，對所述充電板斷電且多旋翼無人機解鎖。
其中，解鎖指的是解鎖電機，電機開始轉動。
值得說明的是，上述方法在系統軟體層面來說是由圖10所示的系統軟體所構成的。
所述系統軟體採用應用層、抽象層和底層驅動層3層的層次結構，以數據結構為核心的軟體設計思想。任務處理上採用有限狀態機模型，保證各任務的執行時間已知。編程方法上採用面向對象的結構化編程方法。
所述底層驅動軟體庫主要完成系統的硬體模塊的驅動功能，包括cpu的各個外設模塊和主控制器的外圍硬體晶片的驅動等。
所述抽象層主要是作業系統與所述底層驅動軟體庫之間的連接層，所述作業系統對硬體操作具有一定的格式要求，而所述底層驅動軟體庫針對不同的硬體平臺，具有不同的格式形式，因此，採用所述抽象層屏蔽所述作業系統與所述底層驅動軟體庫之間的差別，提高系統的可移植性和可擴展性。
所述系統初始化和自檢主要完成系統硬體平臺的初始化和檢驗工作，保證所述作業系統啟動前，硬體平臺的各個功能模塊的正常，防止硬體異常導致的作業系統任務異常，避免錯誤擴大化。
本發明實施例提供的多旋翼無人機充電系統及方法，通過：當所述起落架上的取電裝置與所述多個按鍵中任意兩個按鍵接觸時，所述控制子系統控制所述繼電器接通電源模塊以使得所述任意兩個按鍵通電，當所述多旋翼無人機中的鋰電池充電完成時，所述控制子系統控制所述繼電器以使得所述充電板斷電。實現了多旋翼無人機的快速充電，提高其作業的效率，減輕人力資源的消耗，提高多旋翼無人機的智能化程度，加快了智能社會的建設步伐。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。