本發(fā)明屬于無人機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無人機(jī)全自主超遠(yuǎn)距離飛行系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

隨著科技的發(fā)展，無人機(jī)越來越得到大眾的青睞應(yīng)用在多個領(lǐng)域，越來越多的市場要求指向無人機(jī)，希望無人機(jī)能夠代替人去完成危險作業(yè)，節(jié)省人力成本，比如說電力巡線、快遞業(yè)務(wù)。但是現(xiàn)有的無人機(jī)續(xù)航能力只有30-40分鐘，滿足不了超遠(yuǎn)距離作業(yè)需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種無人機(jī)全自主超遠(yuǎn)距離飛行系統(tǒng)及控制方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中無人機(jī)不能實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離飛行作業(yè)的技術(shù)問題。

一種無人機(jī)全自主超遠(yuǎn)距離飛行系統(tǒng)，包括：

無人機(jī)，所述無人機(jī)包括電池、飛控系統(tǒng)、攝像機(jī)、電量檢測模塊、第一定位模塊和第一通信模塊，飛控系統(tǒng)與攝像機(jī)、第一定位模塊、電池電量檢測模塊、第一通信模塊之間電連接，電池為無人機(jī)供電；

多個充電基站，所述多個充電基站沿?zé)o人機(jī)設(shè)定飛行線路等間距設(shè)置，相鄰基站之間的距離為20-40km；每個充電基站包括支架和設(shè)置在支架上的無人機(jī)降落平臺、電池更換機(jī)構(gòu)、控制裝置、GPS定位模塊、第二通信模塊和太陽能充電模塊，降落平臺上設(shè)置有可識別圖案；所述電池更換機(jī)構(gòu)、GPS定位模塊、第二通信模塊和太陽能充電模塊均與控制裝置之間電連接；所述太陽能充電模塊包括太陽能電池板、太陽能充電器和充電盒，充電盒中設(shè)置有電池組，所述太陽能電池板的輸出端與太陽能充電器的輸入端相連接，太陽能充電器的輸出端連接充電電池組的輸入端；

所述各充電基站的GPS定位模塊獲得對應(yīng)該充電基站的位置坐標(biāo)，通過無線通通信將充電基站的位置坐標(biāo)傳送給無人機(jī)，并儲存于飛控系統(tǒng)中；降落平臺上的可識別圖案存儲預(yù)先存儲于飛控系統(tǒng)中。

無人機(jī)在執(zhí)行超遠(yuǎn)距離飛行任務(wù)，當(dāng)電量檢測模塊檢測電池電量低于10％時，飛控系統(tǒng)對當(dāng)前無人機(jī)位置坐標(biāo)與各充電基站的位置坐標(biāo)進(jìn)行比較，確定此時距離無人機(jī)最近的充電基站；然后飛控系統(tǒng)控制無人機(jī)降落到該充電基站上，控制裝置控制電池更換機(jī)構(gòu)將無人機(jī)上電量已耗盡的電池卸載下來，并放入太陽能充電模塊的充點(diǎn)盒中進(jìn)行充電，然后將已經(jīng)充滿電的備用電池安裝到無人機(jī)中，電池更換完畢后，飛控系統(tǒng)控制無人機(jī)起飛，繼續(xù)完成飛行任務(wù)。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述充電基站設(shè)置在路燈上，其中支架為燈桿。借助路燈，在燈桿的頂部設(shè)置充電基站，節(jié)省成本。

無人機(jī)全自主超遠(yuǎn)距離飛行的控制方法，包括如下步驟：

步驟一、無人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)中，第一定位模塊將無人機(jī)當(dāng)前位置坐標(biāo)信息實(shí)時傳送給飛控系統(tǒng)，電量檢測模塊實(shí)時檢測電池電量，當(dāng)電池電量低于10％時，飛控系統(tǒng)對當(dāng)前無人機(jī)位置坐標(biāo)與各充電基站的位置坐標(biāo)進(jìn)行比較，確定此時距離無人機(jī)最近的充電基站；

步驟二、飛控系統(tǒng)控制無人機(jī)向最近的充電基站飛行，并控制無人機(jī)與該充電基站的垂直高度在h～H米范圍內(nèi)，然后控制攝像機(jī)拍攝該充電基站，并將拍攝的圖像傳送給無人機(jī)控制系統(tǒng)；

其中，

上式中，B為攝像機(jī)的拍攝角度；b為攝像機(jī)能夠拍攝到的最小面積，即該充電基站的GPS區(qū)域誤差范圍；S為充電基站上可識別圖案的面積；f為攝像機(jī)的焦距；X為充電基站上可識別圖案在攝像機(jī)攝像圖像上能夠清楚識別的最小尺寸。因?yàn)椴捎肎PS定位模塊進(jìn)行定位時存在誤差，大概只能精確到100平方米的區(qū)域范圍，所以需要在GPS定位模塊的定位基礎(chǔ)上，進(jìn)一步精確定位，保證無人機(jī)能夠準(zhǔn)確、安全的降落在無人機(jī)降落平臺上。要確保無人機(jī)精確降落，首先需要拍攝充電基站，確保充電基站能夠被攝像機(jī)所完全拍攝到，則對應(yīng)一個最低高度h；當(dāng)無人機(jī)的高度太高時，攝像機(jī)拍攝的圖像比較模糊，不便于識別和精確定位，所以要想在圖像上能夠清楚看到可識別圖案，無則最大高度為H。

步驟三、飛控系統(tǒng)對拍攝的圖像進(jìn)行RGB識別，標(biāo)記出可疑特征點(diǎn)區(qū)域，然后對可疑特征點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行灰度處理、去噪處理、輪廓檢測和圖像識別，確定圖像中存在可識別圖案，即準(zhǔn)確定位無人機(jī)降落地點(diǎn)，標(biāo)記為目標(biāo)點(diǎn)。通過對所拍攝的圖像進(jìn)行處理，準(zhǔn)確識別到充電基站上可識別圖案，則成功找到目標(biāo)點(diǎn)，即進(jìn)一步精確定位，找到了無人機(jī)的降落點(diǎn)。

步驟四、飛控系統(tǒng)控制無人機(jī)將落，在降落過程中第一定位模塊實(shí)時將無人機(jī)的當(dāng)前位置信號傳送給飛控系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)計(jì)算無人機(jī)當(dāng)前位置點(diǎn)與待降落充電基站目標(biāo)點(diǎn)在同一平面上的偏移量，并根據(jù)偏移量控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)；

步驟五、重復(fù)步驟四，直至無人機(jī)精確降落到該充電基站的無人機(jī)降落平臺上，此時電池更換機(jī)構(gòu)將無人機(jī)上的電池卸載下開，并將其插入充電盒中，然后將充電盒中已經(jīng)充滿電的電池裝載到無人機(jī)上，完成點(diǎn)成更換，然后無人機(jī)飛控系統(tǒng)控制無人機(jī)起飛，并沿設(shè)定的航線飛行；

步驟六、無人機(jī)在飛行過程中，重復(fù)步驟一至五，直至完成超遠(yuǎn)距離飛行。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟三中，對可疑特征點(diǎn)區(qū)域采用高斯濾波去噪處理，將輸入的圖像的每一個像素點(diǎn)與高斯內(nèi)核卷積，將卷積和當(dāng)作輸出像素值。去噪處理能夠降低其他干擾因素對無人機(jī)飛控系統(tǒng)精確識別充電基站的影響。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟三中，采用對圖像先腐蝕再膨脹的方式對對可疑特征點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行去噪處理。去噪處理能夠降低其他干擾因素對無人機(jī)飛控系統(tǒng)精確識別充電基站的影響。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟三中，對可疑特征點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行圖像識別，采用霍夫算法識別矩形或圓形。通過霍夫算法準(zhǔn)確判斷，對所拍攝的圖像中的圖形與充電基站上的可識別圖案進(jìn)行匹配，確定目標(biāo)點(diǎn)，排出干擾因素。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟四中，無人機(jī)飛控系統(tǒng)根據(jù)偏移量控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)，其中無人機(jī)與目標(biāo)點(diǎn)在同一水平面的上偏差量L＝0.3Yn/f；

其中，L為降落過程中無人機(jī)與目標(biāo)點(diǎn)的在同一水平面上的偏差量；

Y為此時無人機(jī)攝像機(jī)鏡頭到基站目標(biāo)點(diǎn)的垂直高度；

f為攝像機(jī)的焦距；

n為圖像上目標(biāo)點(diǎn)與無人機(jī)之間的像素?cái)?shù)量；

根據(jù)L的大小實(shí)時調(diào)整無人機(jī)與目標(biāo)點(diǎn)之間的水平距離，盡可能的保證L為零，即無人機(jī)位于基站目標(biāo)點(diǎn)的正上方。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

1、無人機(jī)在飛行過程中，飛控系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測電池電量，當(dāng)電池電量小于10％時，無人機(jī)選擇最近的充電基站降落，更換電池，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)超遠(yuǎn)距離飛行。

2、采用太陽能電池板為電池充電，綠色能源，環(huán)保。

3、通過GPS定位模塊獲得對應(yīng)該充電基站的位置坐標(biāo)，并儲存于飛控系統(tǒng)中。無人機(jī)在執(zhí)行超遠(yuǎn)距離飛行任務(wù)，當(dāng)電量檢測模塊檢測電池電量低于10％時，飛控系統(tǒng)對當(dāng)前無人機(jī)位置坐標(biāo)與各充電基站的位置坐標(biāo)進(jìn)行比較，確定此時距離無人機(jī)最近的充電基站，然后飛控系統(tǒng)控制無人機(jī)降落到該充電基站上。然后控制裝置控制電池更換機(jī)構(gòu)將無人機(jī)上電量已耗盡的電池卸載下來，并放入太陽能充電模塊的充點(diǎn)盒中進(jìn)行充電，然后將已經(jīng)充滿電的備用電池安裝到無人機(jī)中，電池更換完畢后，飛控系統(tǒng)控制無人機(jī)起飛，繼續(xù)完成飛行任務(wù)?？刂凭雀?，保證無人機(jī)精準(zhǔn)降落，自動更換電池。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述無人機(jī)全自主超遠(yuǎn)距離飛行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述無人機(jī)全自主超遠(yuǎn)距離飛行的控制方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡釋本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。

實(shí)施例一：

如圖1所示，一種無人機(jī)全自主超遠(yuǎn)距離飛行系統(tǒng)，包括無人機(jī)1和四個充電基站2；所述無人機(jī)1包括電池、飛控系統(tǒng)、攝像機(jī)、電量檢測模塊、第一定位模塊和第一通信模塊，飛控系統(tǒng)與攝像機(jī)、第一定位模塊、電池電量檢測模塊、第一通信模塊之間電連接，電池為無人機(jī)供電；所述四個充電基站2沿?zé)o人機(jī)設(shè)定飛行線路等間距設(shè)置，相鄰基站之間的距離為30km；每個充電基站包括支架和設(shè)置在支架上的無人機(jī)降落平臺、電池更換機(jī)構(gòu)、控制裝置、GPS定位模塊、第二通信模塊和太陽能充電模塊，降落平臺上設(shè)置有可識別圖案；所述電池更換機(jī)構(gòu)、GPS定位模塊、第二通信模塊和太陽能充電模塊均與控制裝置之間電連接；所述太陽能充電模塊包括太陽能電池板、太陽能充電器和充電盒，充電盒中設(shè)置有電池組，所述太陽能電池板的輸出端與太陽能充電器的輸入端相連接，太陽能充電器的輸出端連接充電電池組的輸入端。

無人機(jī)要執(zhí)行100km的飛行任務(wù)，但是無人機(jī)中電池的電量只能滿足無人機(jī)正常飛行30km，因此需要在飛行線路上設(shè)置四個充電基站。預(yù)先通過GPS定位模塊獲得對應(yīng)該充電基站的位置坐標(biāo)，并儲存于飛控系統(tǒng)中。無人機(jī)在執(zhí)行超遠(yuǎn)距離飛行任務(wù)，當(dāng)電量檢測模塊檢測電池電量低于10％時，飛控系統(tǒng)對當(dāng)前無人機(jī)位置坐標(biāo)與各充電基站的位置坐標(biāo)進(jìn)行比較，確定此時距離無人機(jī)最近的充電基站，然后飛控系統(tǒng)控制無人機(jī)降落到該充電基站上。因?yàn)镚PS模塊的定位精度范圍在10m以內(nèi)，所以做不到精準(zhǔn)降落，而無人機(jī)需要在3m的誤差內(nèi)找到要降落的點(diǎn)，所以需要無人機(jī)先飛到指點(diǎn)的GPS區(qū)域，然后視覺引導(dǎo)識別該充電基站的特征點(diǎn)，完成降落；然后控制裝置控制電池更換機(jī)構(gòu)將無人機(jī)上電量已耗盡的電池卸載下來，并放入太陽能充電模塊的充點(diǎn)盒中進(jìn)行充電，然后將已經(jīng)充滿電的備用電池安裝到無人機(jī)中，電池更換完畢后，飛控系統(tǒng)控制無人機(jī)起飛，繼續(xù)完成飛行任務(wù)。

在本實(shí)施例中，所述充電基站設(shè)置在路燈上，其中支架為燈桿。借助路燈，在燈桿的頂部設(shè)置充電基站，節(jié)省成本。

實(shí)施例二：

無人機(jī)全自主超遠(yuǎn)距離飛行的控制方法，如圖2所示，包括如下步驟：

步驟一、無人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)中，第一定位模塊將無人機(jī)當(dāng)前位置坐標(biāo)信息實(shí)時傳送給飛控系統(tǒng)，電量檢測模塊實(shí)時檢測電池電量，當(dāng)電池電量低于10％時，飛控系統(tǒng)對當(dāng)前無人機(jī)位置坐標(biāo)與各充電基站的位置坐標(biāo)進(jìn)行比較，確定此時距離無人機(jī)最近的充電基站；

步驟二、飛控系統(tǒng)控制無人機(jī)向最近的充電基站飛行，并控制無人機(jī)與該充電基站的垂直高度在h～H米范圍內(nèi)，然后控制攝像機(jī)拍攝該充電基站，并將拍攝的圖像傳送給無人機(jī)控制系統(tǒng)；

其中，

上式中，B為攝像機(jī)的拍攝角度；b為攝像機(jī)能夠拍攝到的最小面積，即該充電基站的GPS區(qū)域誤差范圍；S為充電基站上可識別圖案的面積；f為攝像機(jī)的焦距；X為充電基站上可識別圖案在攝像機(jī)攝像圖像上能夠清楚識別的最小尺寸。因?yàn)椴捎肎PS定位模塊進(jìn)行定位時存在誤差，大概只能精確到100平方米的區(qū)域范圍，所以需要在GPS定位模塊的定位基礎(chǔ)上，進(jìn)一步精確定位，保證無人機(jī)能夠準(zhǔn)確、安全的降落在無人機(jī)降落平臺上。要確保無人機(jī)精確降落，首先需要拍攝充電基站，確保充電基站能夠被攝像機(jī)所完全拍攝到，則對應(yīng)一個最低高度h；當(dāng)無人機(jī)的高度太高時，攝像機(jī)拍攝的圖像比較模糊，不便于識別和精確定位，所以要想在圖像上能夠清楚看到可識別圖案，無則最大高度為H。

在本實(shí)施例中，拍攝最小范圍應(yīng)該大于GPS區(qū)域誤差范圍，即大于100平方米，攝像頭角度為78度，tan(78/2)約等于0.809，

則

所以無人機(jī)飛行高度應(yīng)在12.36米以上，此時充電基站上可識別圖案在攝像機(jī)的感光芯片上滿屏顯示；

在本實(shí)施例中，使用感光芯片靶面尺寸規(guī)格為1/3”的感光芯片，像素為：640*480，攝像機(jī)的焦距為6毫米，攝像機(jī)的拍攝角度為78度；充電基站上可識別圖案在攝像機(jī)攝像圖像上能夠清楚識別的最小尺寸為25個像素點(diǎn)對應(yīng)的長度，即X＝25/480*1/3*2.54＝0.00044米，其中480個像素點(diǎn)對應(yīng)的長度為1/3*2.54厘米；充電基站上可識別圖案的面積S為3.3平方米，即被識別物的實(shí)際長度為1.8米，

則

所以要清楚的識別攝像機(jī)拍攝的圖像，則無人機(jī)的飛行高度應(yīng)在24.5米以下。

步驟三、飛控系統(tǒng)對拍攝的圖像進(jìn)行RGB識別，標(biāo)記出可疑特征點(diǎn)區(qū)域，然后對可疑特征點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行灰度處理、去噪處理、輪廓檢測和圖像識別，確定圖像中存在可識別圖案，即準(zhǔn)確定位無人機(jī)降落地點(diǎn)，標(biāo)記為目標(biāo)點(diǎn)。通過對所拍攝的圖像進(jìn)行處理，準(zhǔn)確識別到充電基站上可識別圖案，則成功找到目標(biāo)點(diǎn)，即進(jìn)一步精確定位，找到了無人機(jī)的降落點(diǎn)。

步驟四、飛控系統(tǒng)控制無人機(jī)將落，在降落過程中第一定位模塊實(shí)時將無人機(jī)的當(dāng)前位置信號傳送給飛控系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)計(jì)算無人機(jī)當(dāng)前位置點(diǎn)與待降落充電基站目標(biāo)點(diǎn)在同一平面上的偏移量，并根據(jù)偏移量控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)；

步驟五、重復(fù)步驟四，直至無人機(jī)精確降落到該充電基站的無人機(jī)降落平臺上，此時電池更換機(jī)構(gòu)將無人機(jī)上的電池卸載下開，并將其插入充電盒中，然后將充電盒中已經(jīng)充滿電的電池裝載到無人機(jī)上，完成點(diǎn)成更換，然后無人機(jī)飛控系統(tǒng)控制無人機(jī)起飛，并沿設(shè)定的航線飛行；

步驟六、無人機(jī)在飛行過程中，重復(fù)步驟一至五，直至完成超遠(yuǎn)距離飛行。

在本實(shí)施例中，所述步驟三中，對可疑特征點(diǎn)區(qū)域采用高斯濾波去噪處理，將輸入的圖像的每一個像素點(diǎn)與高斯內(nèi)核卷積，將卷積和當(dāng)作輸出像素值。去噪處理能夠降低其他干擾因素對無人機(jī)飛控系統(tǒng)精確識別充電基站的影響。

在本實(shí)施例中，所述步驟三中，對可疑特征點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行圖像識別，采用霍夫算法識別圓形。通過霍夫算法準(zhǔn)確判斷，對所拍攝的圖像中的圖形與充電基站上的可識別圖案進(jìn)行匹配，確定目標(biāo)點(diǎn)，排出干擾因素。

在本實(shí)施例中，所述步驟四中，無人機(jī)飛控系統(tǒng)根據(jù)偏移量控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)，其中無人機(jī)與目標(biāo)點(diǎn)在同一水平面的上偏差量L＝0.3Yn/f；

其中，L為降落過程中無人機(jī)與目標(biāo)點(diǎn)的在同一水平面上的偏差量；

Y為此時無人機(jī)攝像機(jī)鏡頭到基站目標(biāo)點(diǎn)的垂直高度；

f為攝像機(jī)的焦距；

n為圖像上目標(biāo)點(diǎn)與無人機(jī)之間的像素?cái)?shù)量；

根據(jù)L的大小實(shí)時調(diào)整無人機(jī)與目標(biāo)點(diǎn)之間的水平距離，盡可能的保證L為零，即無人機(jī)位于基站目標(biāo)點(diǎn)的正上方。

本發(fā)明中未做特別說明的均為現(xiàn)有技術(shù)或者通過現(xiàn)有技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)，而且本發(fā)明中所述具體實(shí)施案例僅為本發(fā)明的典型實(shí)施案例而已，并非用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。即凡依本發(fā)明申請專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都應(yīng)作為本發(fā)明的技術(shù)范疇。