一种皮卡型车载无人机智能起降和自主续航系统技术方案

本发明专利技术公开了一种皮卡型车载无人机智能起降和自主续航系统，属于无人机设计技术领域。该系统包括升降平台装置、无人机自动充电装置、基于视觉和麦克纳姆轮的着陆算法与全向定位算法三个部分。在无人机的脚架底部安装了四个麦克纳姆轮，通过配合无人机的视觉摄像头，基于麦克纳姆轮全向移动算法，可以解决无人机在平台上全向移动的问题。通过机械传动原理，将升降平台设计为带滑轨的空间连杆升降结构，该结构可以实现平面的旋转运动和与该平面垂直的直线运动的相互转换。只需在减速电机的驱动下，下旋转面转过一定的角度，无人机降落平台即可相应抬高或降低，再由减速电机锁定旋转面的转动即可保证调节后的高度不变。

Pickup vehicle UAV intelligent take-off and landing and autonomous endurance system

The invention discloses a pickup truck-mounted UAV intelligent take-off and landing and autonomous navigation system, which belongs to the technical field of UAV design. The system consists of three parts: lifting platform device, UAV automatic charging device, landing algorithm based on vision and McNam wheel and omnidirectional positioning algorithm. Four McNam wheels are installed at the bottom of the unmanned aerial vehicle (UAV) scaffold. The problem of UAV omni-directional movement on the platform can be solved by the omni-directional movement algorithm based on McNam wheels with the visual camera of UAV. According to the principle of mechanical transmission, the lifting platform is designed as a space connecting rod lifting structure with sliding rails, which can realize the conversion between the plane rotation motion and the plane vertical linear motion. The UAV landing platform can be raised or lowered by turning the lower rotating surface at a certain angle under the drive of the deceleration motor, and then the height of the adjustable rotating surface can be ensured by locking the rotating surface by the deceleration motor.

【技术实现步骤摘要】
一种皮卡型车载无人机智能起降和自主续航系统
本专利技术涉及一种无人机智能起降和自主续航系统，尤其涉及一种皮卡型车载无人机智能起降和自主续航系统，属于无人机设计

技术介绍
近年来，无人机的使用日趋平民化，控制技术日趋成熟，在当今社会中发挥着越来越重要的作用。其搭载的光学吊舱任务系统(可见光、红外热成像设备)能够准确拍摄野外图像，并能实时回传给控制台，这一用途备受各大行业的青睐。目前，国内外逐渐兴起了用无人机代替人来执行一些勘探任务，如草原生态监测、超高压(特高压)的无人机自主巡检、自然灾害情况探明等。但是要将无人机更广泛的应用到野外自主巡检领域，就需要有一种大型可移动的车载平台来更好的放飞和回收无人机，并能及时的补充无人机电池电量——即进行能量续航。无人机如何精确的降落在车载平台上，目前国内对应的相关技术还鲜有报道，这方面主要还是以人操作为主。另外，对于无人机来说，电池的续航时间和飞行途中的再次充电，一直是业界棘手的问题。市面上的无人机续航时间一般不会超过20分钟，电量不足时需要在地面人工更换电池/充电，这样效率低且非常不便，而且我国西北部地广人稀、环境复杂，无人机必须长时间的进行巡检工作，所以需要一种自动充电设备，当无人机返回平台后，能够自动进行充电，充满电后继续执行任务。这其中，特别是采用无人机进行高压输电线路巡检，目前传统做法是由多人组成的巡检小组开车沿线路巡检，当发现有异常工况点时，停车由操作员操作放飞无人机进行拍照监测，之后再人工回收无人机，整个巡检中需要携带4～6块电池，以便为无人机能量续航，整个巡检过程需要投入大量人力、物力，并且对操作员的技术要求很高。因此，急需开发一种具有自主能力的无人机升降平台与自动能量续航系统。无人驾驶飞机简称“无人机”(“UAV”)，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便等优点，在警用、城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等行业用途广泛。其中，巡线无人机主要用于野外的巡视检测，然后通过图传回来供专业人员查看，极大的省去了人力，而且安全性高。但是目前巡线无人机面临最大的问题就是如何在野外进行自主放飞和回收，如何完成电池的自主续航，这两个问题决定着巡线无人机飞行的时间和稳定性，间接决定着巡线无人机作业的效率和质量。鉴于此，本专利技术提供了一种基于皮卡型货车的无人机智能收放和自主续航系统，方便野外环境下无人机的放飞与回收，并能实现自主充电续航。目前，国内无人机车载平台的主要问题是不能精确回收无人机、无法为无人机自主提供电源的续航。因此，如何让无人机自动精确的降落在车载平台上并自主充电是需要解决的首要问题。针对无人机的停靠和续航问题，目前已经有一些应用于无人机回收和自动充电的技术。但是其主要是在固定平台上的回收，而不是在车载移动平台上的回收，不能解决无人机回收时难以精确定位和控制的问题，也不具备可以升降的功能。而且，如何解决野外巡线无人机的续航问题，当前国内的报道还非常少。经文献检索，专利公告号为CN104503459，专利号为2014106823229，名称为多旋翼无人机回收系统。该专利技术主动回收采用的是吸附装置和机载被动回收吸附装置，与我们的回收装置机理完全不同。由于控制的不确定性，该专利技术很难实现无人机的精确降落；该专利技术仅提及无人机的回收，但系统不包含自动升降功能，没有考虑到对无人机的保护；该专利技术虽然提及使用无线通信装置完成无人机的降落定位，但未提及任何控制算法(实现算法)，显然该专利技术只保护设计的机械结构。而本专利技术中，对传统的无人机进行了改造，在无人机的脚架底部安装了四个麦克纳姆轮，通过配合无人机的视觉摄像头，基于麦克纳姆轮全向定位算法，可以实现在平台上的全向移动；本专利技术采用无线充电方式，在无人机悬挂电池的下方加装无线充电接收模块，当无人机准确降落至预定位置时，升降平台上安装有红外传感器的无线充电发射模块开始抬高，当传感器检测到无线充电发射模块与接收模块发生有效接触时，系统开始自主充电；本专利技术还采用带滑轨的空间连杆升降机构，可以实现平面的旋转运动和与该平面垂直的直线运动的相互转换，只需在电机驱动下，通过控制下旋转面的转动，就可实现无人机降落平台的上升与下降。综上，现有技术均未提及如何解决车载无人机升降平台及智能充电续航问题。综合现有的相关专利技术，根据无人机和运输汽车(皮卡型货车)的工作环境，本专利技术从机械设计到控制算法都采用新的设计思路，以达到合理控制无人机和运输汽车(皮卡型货车)的协调运动，实现对无人机的回收、放飞和自动充电的目的。上述提到的现有专利技术，没有升降平台装置，在实际情况下，无人机落到车载平台上，占用空间较大，无法固定，且晃动幅度大，不能起到保护的作用。因此，本专利技术另辟蹊径：(1)采用了带滑轨的空间连杆升降结构，只需在减速电机的驱动下，下旋转面转过一定的角度，无人机降落平台即可相应抬高或降低，再由减速电机锁定旋转面的转动即可保证调节后的高度不变；(2)针对无人机如何精确降落在平台上的问题，本专利技术对传统的无人机进行了改造，在无人机的脚架底部安装了四个麦克纳姆轮，通过配合无人机的视觉摄像头，基于麦克纳姆轮全向定位算法，可以实现在平台上的全向移动，由此可解决无人机精确降落在升降平台和无法固定的问题；(3)针对无人机如何自主充电的问题，本智能升降平台将无人机的充电方式设计为无线充电，在无人机悬挂电池的下方加装无线充电接收模块，当无人机准确降落至预定位置时，升降平台上安装有红外传感器的无线充电发射模块开始抬高，当传感器检测到无线充电发射模块与接收模块发生有效接触时，系统开始自主充电；另外，本专利技术将皮卡型货车的车厢顶部设计为可开关的全景天窗式结构，其最大打开面积与无人机降落平台面积一致。当无人机准备降落到平台上时，打开天窗，平台上升至与天窗同一高度，充分利用皮卡型货车的空间和资源来解决无人机的回收技术问题。虽然上述已有的无人机的放飞与回收技术在相应的应用领域得到一定的应用，取得了一定的效果，但是如果要应用于智能输电线路巡检车载系统上，实现自动升降和能量续航，还存在许多问题，无法应用。1)无法解决无人机在升降平台上的全向移动现有的无人机回收技术只适合在固定的平台上进行降落，未提及无人机的有效固定，由于野外巡检需要，当无人机想要精确降落在车载平台上时，现有的技术很难满足无人机的降落要求。因为传统的无人机一旦落在平台上，无论是否落到预定的位置，都很难再对其进行后续的调节，无人机的控制就会变得非常困难。2)无法解决无人机在升降平台上的自主充电由于无人机长时间的飞行工作，需要一种自动充电设备保证其电源的续航。然而，由于无人机自动搭载充电导轨问题难度很大，而且传统的有线充电方式具有充电接口寻找易出错、插拔充电器过程复杂、易于损坏的缺点，这也极大地制约了无人机在自主充电方面的发展。本专利技术的一个重要创新就是解决无人机自动充电问题，进而保证野外巡检汽车的协同配合。3)如何解决无人机降落平台的升降目前，现有的无人机的降落平台大都没有升降装置，考虑到降落时环境情况和野外运动情况的影响，平台不能很好地起到无人机保护作用，而且无人机长时间暴露在外面，在野外复杂的环境下也会对其本身造成伤害。如何设计合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种皮卡型车载无人机智能起降和自主续航系统，其特征在于：该系统包括升降平台装置、无人机自动充电装置、基于视觉和麦克纳姆轮的着陆算法与全向定位算法三个部分；(1)升降平台装置；升降平台装置由上到下分别由全景天窗(1)、降落平台(2)和空间连杆结构三部分组成；全景天窗(1)使整个升降平台装置完全封闭起来，而且全景天窗(1)由开关控制，全景天窗(1)的最大打开面积与降落平台(2)的面积相等；降落平台(2)为无人机的支撑结构，降落平台(2)的背面装有上固定座(3)，固定座(3)通过连接杆(4)与下旋转面(5)相连；空间连杆结构由连接杆(4)、下旋转面(5)、下固定座(6)和减速电机(7)组成；上固定座(3)和下固定座(6)都是通过球形铰链(8)与连接杆(4)连接在一起；上固定座(3)与下固定座(6)之间设有四组连接杆(4)，减速电机(7)驱动下旋转面(5)转动，通过连接杆(4)的偏转使降落平台(2)升高或降低，再由减速电机(7)锁定下旋转面(5)的转动即可保证调节后的高度不变；车载无人机智能升降平台是固定在运输汽车的车厢中，顶部装有类似于全景式天窗，具有全封闭的结构；而且全景天窗能实现可开关的功能，全景天窗(1)由两块钢化玻璃组成，对无人机起到保护作用；当无人机准备起飞或降落到平台上时，全景天窗(1)从中心位置匀速朝两边打开，全景天窗(1)的最大打开面积与降落平台面积相等；降落平台为(2)方形平台，用于无人机的停靠与自主充电；降落平台(2)的正面标有视觉着陆标识和视觉移动标识，分别用于视觉着陆算法和麦克纳姆轮全向定位算法的信息采集，并且无线充电发射模块嵌入到降落平台为(2)内；下旋转面(5)为带齿轮的圆形平面，圆形平面正面装有四个下固定座(6)；下旋转面(5)由减速电机(7)驱动，只能横向转动，即通过减速电机(7)的驱动使降落平台(2)升高或降低，再由减速电机(7)锁定下旋转面(5)的转动即可保证降落平台(2)调节后的高度保持不变；在降落平台(2)与卡车接触的四个角上分别放置一条滑轨(9)，滑轨(9)的作用是用来限制整个结构的自由度，并起到减缓降落平台(2)晃动的作用；(2)无人机自动充电装置；无人机自动充电装置分别由视觉定位单元、自动充电单元两部分组成；视觉定位单元包括驱动模块(12)和视觉处理模块；驱动模块(12)和视觉处理模块均配备带有嵌入式芯片；在无人机起落架底部加装四个驱动电机(10)和麦克纳姆轮(11)；视觉处理模块由GPS模块(13)和视觉摄像头模块(14)组成；通过视觉处理模块和麦克纳姆轮(11)的配合，然后基于视觉和麦克纳姆轮的着陆算法与全向定位算法，最终实现无人机在预定位置的精确降落；自动充电单元由无线充电接收模块(15)、无线充电发射模块(16)、红外传感器(17)、舵机(18)、旗形合页(19)、弹簧合页(20)和支撑杆(21)组成；无线充电发射模块(16)、红外传感器(17)、舵机(18)、旗形合页(19)、弹簧合页(20)和支撑杆(21)均安装在降落平台(2)上，共同构成无线充电的发射结构；无线充电接收模块(15)加装在无人机锂电池(22)的下方；无人机锂电池(22)设置在降落平台(2)的一侧；旗形合页(19)的两端分别固定降落平台(2)和支撑杆(21)，通过舵机的驱动，实现支撑杆(21)的上升或下降；加装了红外传感器(17)的无线充电发射模块(16)固定在支撑杆(21)的另一头，在支撑杆(21)提前测量好的位置加装弹簧合页(20)；当支撑杆(21)带动无线充电发射模块(16)升起的过程中，弹簧合页(20)使无线充电发射模块(16)与无线充电接收模块(15)贴合在一起；当红外传感器(17)检测到无线充电发射模块(16)与无线充电接收模块(15)发生接触，开始进行无线充电；无人机在降落平台(2)上为全向移动，无线充电发射模块(16)内嵌在降落平台(2)中；当无人机精确降落在预定位置后，升降平台上的无线充电发射模块与无人机上的无线充电接收模块发生有效接触，实现无线充电；首先，通过GPS模块(13)的GPS导航和视觉着陆算法，无人机初步定位在降落平台(2)上；然后，加装四个麦克纳姆轮(11)和驱动电机的无人机，通过电机驱动麦克纳姆轮实现全向定位算法，到达预定位置并固定；当无人机精确停靠在平台的预定位置后，进行无人机无线充电；(3)基于视觉和麦克纳姆轮的着陆算法与全向定位算法采用基于视觉和麦克纳姆轮的着陆与全向定位算法实现无人机的精准降落；1、GPS与视觉着陆的初步定位；在无人机单元添加GPS模块和视觉摄像头模块；当无人机距离车载升降平台较远时，利用GPS模块的GPS导航大致定位升降平台的位置；在这个过程中，视觉摄像头的方向垂直朝下，无人机的飞行高度逐渐降低；当无人机的视觉摄像头刚好处于能识别出平台两侧的天窗上...

【技术特征摘要】
1.一种皮卡型车载无人机智能起降和自主续航系统，其特征在于：该系统包括升降平台装置、无人机自动充电装置、基于视觉和麦克纳姆轮的着陆算法与全向定位算法三个部分；(1)升降平台装置；升降平台装置由上到下分别由全景天窗(1)、降落平台(2)和空间连杆结构三部分组成；全景天窗(1)使整个升降平台装置完全封闭起来，而且全景天窗(1)由开关控制，全景天窗(1)的最大打开面积与降落平台(2)的面积相等；降落平台(2)为无人机的支撑结构，降落平台(2)的背面装有上固定座(3)，固定座(3)通过连接杆(4)与下旋转面(5)相连；空间连杆结构由连接杆(4)、下旋转面(5)、下固定座(6)和减速电机(7)组成；上固定座(3)和下固定座(6)都是通过球形铰链(8)与连接杆(4)连接在一起；上固定座(3)与下固定座(6)之间设有四组连接杆(4)，减速电机(7)驱动下旋转面(5)转动，通过连接杆(4)的偏转使降落平台(2)升高或降低，再由减速电机(7)锁定下旋转面(5)的转动即可保证调节后的高度不变；车载无人机智能升降平台是固定在运输汽车的车厢中，顶部装有类似于全景式天窗，具有全封闭的结构；而且全景天窗能实现可开关的功能，全景天窗(1)由两块钢化玻璃组成，对无人机起到保护作用；当无人机准备起飞或降落到平台上时，全景天窗(1)从中心位置匀速朝两边打开，全景天窗(1)的最大打开面积与降落平台面积相等；降落平台为(2)方形平台，用于无人机的停靠与自主充电；降落平台(2)的正面标有视觉着陆标识和视觉移动标识，分别用于视觉着陆算法和麦克纳姆轮全向定位算法的信息采集，并且无线充电发射模块嵌入到降落平台为(2)内；下旋转面(5)为带齿轮的圆形平面，圆形平面正面装有四个下固定座(6)；下旋转面(5)由减速电机(7)驱动，只能横向转动，即通过减速电机(7)的驱动使降落平台(2)升高或降低，再由减速电机(7)锁定下旋转面(5)的转动即可保证降落平台(2)调节后的高度保持不变；在降落平台(2)与卡车接触的四个角上分别放置一条滑轨(9)，滑轨(9)的作用是用来限制整个结构的自由度，并起到减缓降落平台(2)晃动的作用；(2)无人机自动充电装置；无人机自动充电装置分别由视觉定位单元、自动充电单元两部分组成；视觉定位单元包括驱动模块(12)和视觉处理模块；驱动模块(12)和视觉处理模块均配备带有嵌入式芯片；在无人机起落架底部加装四个驱动电机(10)和麦克纳姆轮(11)；视觉处理模块由GPS模块(13)和视觉摄像头模块(14)组成；通过视觉处理模块和麦克纳姆轮(11)的配合，然后基于视觉和麦克纳姆轮的着陆算法与全向定位算法，最终实现无人机在预定位置的精确降落；自动充电单元由无线充电接收模块(15)、无线充电发射模块(16)、红外传感器(17)、舵机(18)、旗形合页(19)、弹簧合页(20)和支撑杆(21)组成；无线充电发射模块(16)、红外传感器(17)、舵机(18)、旗形合页(19)、弹簧合页(20)和支撑杆(21)均安装在降落平台(2)上，共同构成无线充电的发射结构；无线充电接收模块(15)加装在无人机锂电池(22)的下方；无人机锂电池(22)设置在降落平台(2)的一侧；旗形合页(19)的两端分别固定降落平台(2)和支撑杆(21)，通过舵机的驱动，实现支撑杆(21)的上升或下降；加装了红外传感器(17)的无线充电发射模块(16)固定在支撑杆(21)的另一头，在支撑杆(21)提前测量好的位置加装弹簧合页(20)；当支撑杆(21)带动无线充电发射模块(16)升起的过程中，弹簧合页(20)使无线充电发射模块(16)与无线充电接收模块(15)贴合在一起；当红外传感器(17)检测到无线充电发射模块(16)与无线充电接收模块(15)发生接触，开始进行无线充电；无人机在降落平台(2)上为全向移动，无线充电发射模块(16)内嵌在降落平台(2)中；当无人机精确降落在预定位置后，升降平台上的无线充电发射模块与无人机上的无线充电接收模块发生有效接触，实现无线充电；首先，通过GPS模块(13)的GPS导航和视觉着陆算法，无人机初步定位在降落平台(2)上；然后，加装四个麦克纳姆轮(11)和驱动电机的无人机，通过电机驱动麦克纳姆轮实现全向定位算法，到达预定位置并固定；当无人机精确停靠在平台的预定位置后，进行无人机无线充电；(3)基于视觉和麦克纳姆轮的着陆算法与全向定位算法采用基于视觉和麦克纳姆轮的着陆与全向定位算法实现无人机的精准降落；1、GPS与视觉着陆的初步定位；在无人机单元添加GPS模块和视觉摄像头模块；当无人机距离车载升降平台较远时，利用GPS模块的GPS导航大致定位升降平台的位置；在这个过程中，视觉摄像头的方向垂直朝下，无人机的飞行高度逐渐降低；当无人机的视觉摄像头刚好处于能识别出平台两侧的天窗上的着陆标识信息时，开始运行视觉着陆算法，使无人机初步定位在降落平台上的任意位置；当无人机降落在车载平台后，关闭G...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐咏生，孙作慧，孙广泽，刘洋，李永亭，刘利强，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15