摘要：由于受四旋翼小型无人机续航能力差的特点，无法长时间的续航工作依然是制约无人机发展的重要因素。为解决以上问题，本文提出无人机充电系统，通过无人机自动连接与地面充电平台的电源接口，实现快速充电。通过GPS定位、红外线定位、红外条形码识别以及图像处理技术实现准确对接。通过组网的方式，将地面分散的充电平台组建为整体运作，实时操作每一台无人机，方便管理和收集数据。
关键词：无人机；红外定位；自动充电；条形码识别； GPS
中图分类号：TM910.6 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）06-0228-02
Implementation Scheme of a Fully Automatic Drone Charging System
YANG Wen-shen， ZHOU Hai-yan， GAO Xiang， YAN Deng-yi
（School of Information and Communication， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）
Abstract： Due to the poor endurance of the quadrotor small drone， the inability to maintain the long-term life is still an important factor restricting the development of the drone. In order to solve the above problems， this paper proposes a drone charging system， which automatically connects to the power interface of the ground charging platform through the drone to achieve fast charging. Accurate docking through GPS positioning， infrared positioning， infrared barcode recognition and image processing technology. By means of networking， the ground-distributed charging platform is built into an overall operation， and each drone is operated in real time， which facilitates management and data collection.
Key words： UAV； Infrared positioning； Automatic charging； Barcode recognition； GPS
1 引言
無人机的续航能力一直制约着无人机的快速发展，广阔的应用前景使它成为无人机领域的一个热点[1]，当前国外已有无人机全自动地面充电平台[2]，由于受环境气压变化和无人机旋翼产生的气流影响使无人机的精准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[3]，来降低对降落精准度的要求。当今无线充电技术主要分为电磁感应技术、电磁共振技术和电场耦合技术[4]，电磁感应技术能量利用率低且效率不高，并且还容易导致导体发热，而电磁共振和电场耦合技术受电磁影响较大容易受到干扰，并且还有可能会影响到无人机的正常通信。无线充电技术的发展带来的问题又制约了无人机的持续工作的能力。根据以上问题，本文提供了一种全新的无人机充电模式，既解决了无人机与充电平台的对接失败率高的问题，又能提高无人机的充电效率。
2 无人机充电系统方案的简述
2.1 总系统设计
充电系统由无人机、运载小车和充电平台构成，无人机配有灵活收缩的起降支架缩，机身上配有红外编码发射模块和GPS定位等其他传感器。运载小车前后两端配有充电接口、红外线定位模块和红外线条形码识别系统[5]，充电车利用图像处理系统和GPS定位系统辅助寻找无人机和对接充电接口。充电平台配有充电接口和红外线编码发射系统以及用于对接定位的条形码，此充电平台也可以灵活移动，内配有大容量电池也可以220V交流电源供电。为了方便管理所有的充电平台，统一数据管理，建立充电平台网络，组建一整套网络系统[6]。
2.2实现的基本流程
无人机在电量不足时，通过GPS寻找到一个充电平台后在其附近进行降落，降落之后向运载小车发出信号并等待运载小车托运至充电平台进行充电，之后运载小车从充电平台处出发，通过与无人机进行精准对接后再将其运回到充电平台前，之后再与充电平台上的接口进行精准对接。无人机的充电接口通过运载小车间接地与充电平台的接口进行连接进行快速充电，无人机与运载小车，运载小车与充电平台的连接均通过采用电磁铁的方式来实现灵活的对接与分离，整个过程中会采用红外线定位和条形码识别技术，并以图像识别技术和GPS或北斗定位为辅助。
3 全自动充电的实现过程
3.1 通过多边定位实现无人机返航
当无人机电量不足时内置的AD会采集到电源输出电压下降的信息会向充电平台发出信号，无人机接收信息后自动寻找距离无人机最近的充电平台进行返航充电。无人机返航充电时先通过无人机多变定位方法定位到充电桩附近，通过GPS或北斗定位实现无人机返航至充电平台附近，为了确保运载小车能快速准确地找到无人机的降落地点，利用图像处理技术，识别有特定标识区域的充电平台降落，使无人机每次降落的位置更加准确。无人机降落时会将充电接口的方向朝向无人机充电平台，方便运载小车寻找到无人机充电接口的位置，可以通过无人机上的六轴传感器以及GPS定位调整方向。无人机返航的过程中通过无人机上的超声波传感器或气压计获得距离地面的高度，再通过无线电或超声波反射计算出无人机距离两个充电桩的距离R1和R2，最后可以计算出在空间的位置坐标来定位无人机。
3.2 运载小车寻找无人机
无人机落地后，运载小车主要是通过红外定位、超声波检测以及图像处理技术等方式来寻找到的无人机的降落位置， 无人机上配有6个红外线全散射管和4个细红外光束发射管，通过红外编码[7]，运载小车可以采集到每一个红外线发射管发出的不同红外线信息[8]，采集运载小车四个红外线接受端对A、B、C、D、E、F共6个红外线全散射管接受情况，再结合超声波定位检测、图像处理技术就能获取运载小车相对于无人机的准确位置，慢慢驱动运载小车找到充电接口的位置开始进行精准对接。
红外光辅助GPS定位，采用接收不同带有不同位置编码的红外光，识别不同位置的红外信息，判断运载小车相对无人机的位置，通过不断地调整运载小车的位置，最后实现准确的与无人机进行连接。具体无人机红外位置分布和具体编码如图1所示。
3.3 精准对接的实现
为了实现充电桩与运载小车的充电口的精确定位，使用两个红外对管实现二维对准，判断两个接口是否平衡。同时利用红外条形码辅助确定接口的距离，不断调整运载小车和充电桩的接口距离，最后采用电磁接口[9]，进行精确连接，最后实现两个接口的精确连接。在精准对接时也同样会采用超声波测距以来检测运载小车与充电平台的间距，从而还能获取车头的大致朝向以及防止与充电平台发生相撞。
3.4 无人机运载返回充电的过程
在无人机的充电接口与运载小车建立连接后，就能够通过托盘将无人机托住，将无人机的起落架收起或将托盘抬升这样就能便于运载小车进行托运。运载小车离开充电平台的充电接口时会将行走过的路线完整地记录下来，然后再通过计算就可以知道运载小车离开充电平台接口的相对位置从而便于准确返航。而返航后的对接过程与运载小车与无人机对接过程相同。此运载小车前后两端都带有充电接口以及红外线超声波传感器，一端用于运载小车与无人机的对接，另一端用于运载小车与充电平台的对接，充电时也是通过运载小车建立供电电源与无人机的充电线路接通。
4 结论
通过采用运载小车使无人机与电源间接地建立连接，采用电磁铁对接的可以灵活的分离与连接，减少对接过中的容错率，更好地实現充电接口的精准对接，提高了电磁铁锁住无人机从而增加在运输过程中的稳定性。
无人机在低电量时能够时刻保证与运载小车的通信，在其着陆后由运载小车运送到充电平台接口前进行自动对接，整个过程减少了人的干预，使无人机的工作能够更加人工智能化，在长时间大范围的无人机监测任务中减少了人力。多种传感器以及各种定位共同实现精准对接。无人机降落时先采用GPS定位等多变定位技术，再通过红外定位以及超声波传感实现粗调对接，然后再通过条形码识别、红外细调和图像处理技术来实现细调精准对接。这些定位过程以及传感实现成本低，可操作性强并且还具有对接效率高的特点。随着社会现代化的不断发展，无人机的应用领域将会更加广泛，续航问题是制约无人机快速发展的一个重要短缺因素。本方案的设计主要是以可实施性与可操作性为主，在创新设计的过程中会考虑经济成本，偏向于实际商品化的生产。
参考文献：
[1]代君，管宇峰，任淑.多旋翼无人机研究现状与发展趋势探讨[J].赤峰学院报，2016，8.
[2]窦洋洋. 基于移动平台操作的小型充电桩设计与研究[D].西京学院，2017.
[3]赵昕.基于无线电能传输模式的无人机悬停无线充电技术研究[D].重庆大学，2015.
[4]张红生，田晓威，刘忠诚，邢艳丽，李彦，张 姮. 无人机无线传能技术[J].自动化与仪表，2018，2.
[5]牛建帅. 基于条形码射频识别和超声红外定位的智能仓储系统研究[J].河南大学硕士学位论文，2015，6.
[6]高峰.技术引领未来 无人机云系统全面解析[J].计算机与网络.2016，5.
[7]刘欣洁.通用型红外遥控器软件系统的设计的与实现[J].东南大学工程硕士学士论文，2017，9.
[8]李瑾瑞.学习型红外遥控器的设计与实现[J].电子科技大学专业学位硕士学位论文，2014，5.
[9]黎宇洲. 基于电磁感应技术的手机无线充电器设计与实现[D].成都理工大学，2016.
【通联编辑：梁书】
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