一种用于电力巡线无人机的自动定点降落装置及方法与流程

本发明涉及无人机巡检技术领域，具体涉及一种用于电力巡线无人机的自动定点降落装置及方法。

背景技术：

电力输电线路部件的老化、自然环境灾害和外部人为损坏对电网输电线路的安全和稳定运行形成了严峻挑战，通过人力对输电线路进行检查不仅效率低下，特别是对于偏远地区的日常检查还可能威胁巡检人员的人身安全，随着微机、嵌入式、图传等技术的飞速进步，无人机逐渐应用于电力设备巡检。

多旋翼无人机具有灵活、可垂直起降、能在复杂环境中飞行的优点，可用于完成户外复杂环境下的飞行任务，同时无人机电池续航能力有限，无法完成远距离飞行，需要及时对无人机进行充电，在无线充电技术已经得到较大发展和应用的前提下，为了降低人力成本，考虑在不同地点放置无线充电装置，由于无线充电装置位置固定，多旋翼无人机需要精准定位并着陆在充电区域，即完成无人机的自主定点着陆。

无人机的计算机视觉系统比gps定位系统有更为强大的独立性和抗干扰的性能，但是在输电线路中给无人机提供的无线充电停机坪通常位于较高位置，且停机坪面积较小，为了防止无人机由于定位不准确降落至停机坪边缘导致掉落的情况发生，同时也为了使无人机接收线圈和停机坪发射线圈对准以达到最大的无线充电效率，需要保证无人机具有很高的定位精度；因此，提供一种定位精度高、自主精确降落的用于电力巡线无人机的自动定点降落装置及方法是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种定位精度高、自主精确降落的用于电力巡线无人机的自动定点降落装置及方法。

本发明的目的是这样实现的：一种用于电力巡线无人机的自动定点降落装置，包括无人机和停机坪，还包括gps定位系统、计算机视觉定位系统和激光定位系统，所述计算机视觉定位系统包括双目摄像头、停机标志、视觉定位算法，所述双目摄像头安装于无人机下部中心两侧，所述停机标志设置在停机坪上，所述视觉定位算法安装在无人机处理芯片中，所述视觉定位算法包括定位处理算法和旋转方向处理算法，所述激光定位系统包括激光发射装置、激光接收装置和激光定位算法，所述激光发射装置安装在停机坪停机位置中心，所述激光接收装置设置在无人机下部中心，激光定位算法安装在无人机处理芯片中。

定位处理算法能够根据存储在无人机处理芯片中的停机标志模板从双目摄像头采集到的实时图像中找到停机坪位置，计算无人机的平移飞行方向并提交无人机处理芯片处理，所述旋转方向处理算法能够根据存储在无人机处理芯片中的停机标志模板和双目摄像头采集实时图像中的停机标志计算无人机的偏转角度，并提交无人机处理芯片处理。

激光发射装置能向其上方发射激光束，激光束在水平面的投影形状包括但不限于具有圆心的多个同心圆。

激光接收装置由矩阵型排列的多个激光接收器组成，激光接收装置位于中心的激光接收器在无人机下方的中心位置，激光接收装置能够接收激光发射装置发射的激光，激光接收器在接收到激光信号时能向无人机处理芯片发送激活信号。

激光定位算法能够根据激光接收装置检测到的激光情况计算出圆心坐标和方向，并将圆心坐标和方向提交至无人机处理芯片处理。

用于电力巡线无人机的自动定点降落方法，包括以下步骤：

步骤1：无人机向服务器发送降落请求，并等待服务器分配停机坪；

步骤2：无人机根据接收到的目标停机坪信息，在gps系统的辅助下飞行至指定位置并保持指定飞行高度；

步骤3：开启计算机视觉定位系统，根据获取图像信息寻找停机坪，无人机飞行至停机坪上方，具体包括以下子步骤：

步骤3.1：无人机使用双目摄像头采集其下方实时图像；

步骤3.2：对图像进行预处理后，以标准停机坪标志为模板从图像中匹配寻找停机坪；

步骤3.3：检测停机坪中心是否位于图像中心，若是执行步骤3.4，否则根据停机坪中心在图像的位置控制无人机向停机坪中心飞行，重新执行步骤3.1；

步骤3.4：无人机根据标准停机坪标志模板和图像中的停机标志之间的旋转角度，旋转至指定方向，即使得图像中的停机标志方向和标准停机坪标志模板方向相同；

步骤4：开启激光定位系统，无人机移动至停机位置正上方，完成精准定位，具体包括以下子步骤：

步骤4.1：停机坪上的激光发射装置向其上方发射激光，使激光在水平面上的投影为若干个同心圆和圆心，且相邻同心圆的半径之差相同；

步骤4.2：以无人机激光接收装置中心的激光接收器为原点，建立二维直角坐标系；

步骤4.3：无人机的激光接收装置检测激光信号，并检查是否接收到单点信号，若接收到单点信号，判断单点信号是否位于坐标系原点，即无人机已位于停机位置正上方，若是，执行步骤5，否则无人机以原点到单点信号的向量方向移动，重新执行步骤4.3，若只接收到圆弧型信号，则根据圆弧确定圆心坐标后，无人机以原点到圆心坐标的向量方向移动，重新执行步骤4.3；

步骤5：开启无人机垂直降落系统，无人机降落至停机坪。

本发明的有益效果：本发明包括gps定位系统、计算机视觉系统和激光定位系统，无人机首先通过gps定位系统飞行至停机坪附近，通过计算机视觉技术根据标准停机坪标志模板匹配从采集图像中找到停机坪，无人机从而飞行至停机坪上方并旋转至指定方向，然后通过激光定位的方式到达停机位置的正上方，最后在超声传感器的辅助下垂直降落，完成自主精准降落；本发明具有一种定位精度高、自主精确降落的优点。

附图说明

图1是本发明无人机降落流程图。

图2是本发明无人机结构示意图。

图3是本发明停机坪结构示意图。

图4是本发明双目摄像头采集的实时图像示意图。

图5是本发明激光发射装置的激光信号水平投影示意图。

图6是本发明激光接收装置的接收信号示意图。

图中1、停机坪2、停机标志3、激光发射装置4、双目摄像头5、激光接收装置6、激光接收器7、圆弧激光信号a8、圆弧激光信号b9、圆弧激光信号c10、单点激光信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例1

一种用于电力巡线旋翼无人机的自主定点降落方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：无人机向服务器发送降落请求，并等待服务器分配停机坪1；

步骤2：无人机根据接收到的目标停机坪1信息，在gps定位系统的辅助下飞行至指定位置并保持指定飞行高度；

步骤3：开启视觉定位系统，根据获取图像信息寻找停机坪1，无人机飞行至停机坪1上方，无人机在不同位置采集的图像示意图如图4所示，(a)表示无人机和停机坪1还存在较大水平距离，(b)为图像中停机坪位1于图像中心，(c)为无人机已达到指定方向。

具体包括以下子步骤：

步骤3.1：无人机使用双目摄像头4，采集其下方实时图像；

步骤3.2：对图像进行预处理后，以标准停机坪1标志为模板从图像中匹配寻找停机坪1；

步骤3.3：检测停机坪1中心是否位于图像中心，即图像为图4(b)时执行步骤3.4，若图像为图4(a)时根据停机坪1中心在图像的位置控制无人机向停机坪1中心飞行，重新执行步骤3.1；

步骤3.4：无人机根据标准停机坪1标志模板和图像中的停机坪标志之间的旋转角度，旋转至指定方向，使图像中的停机标志2方向和标准停机坪标志模板方向相同，即采集图像和图4(c)相同；

步骤4：开启激光定位系统，无人机移动至停机位置正上方，完成精准定位，具体包括以下子步骤：

步骤4.1：停机坪1上的激光发射装置3向其上方发射激光，使激光在水平面上的投影为若干个同心圆和圆心，如图5所示，同心圆由内向外直径分别为2r、4r、6r、8r、10r，其中r为定值；

步骤4.2：以无人机激光接收装置5中心的激光接收器6为原点，建立二维直角坐标系；

步骤4.3：无人机的激光接收装置5检测激光信号，并检查是否接收到单点信号，若接收到单点信号，判断单点信号是否由中心的激光接收器6所接收，即单点信号是否位于坐标系原点，若是，执行步骤5，否则无人机以向量的方向移动，重新执行步骤4.3，若只接收到圆弧型信号，则任取圆弧上三点坐标，，，根据二维坐标系的圆公式解出圆心坐标，无人机以向量的方向移动，重新执行步骤4.3；

如图6所示，为激光接受装置接收的激光信号示意图，其中5为激光接收装置，7、8、9为圆弧激光信号，10为单点激光信号，(a)表示步骤4.3中没有检测到单点激光信号的示意图；(b)表示检测到单点激光信号且单点激光信号位于图像中心，即坐标系原点。

步骤5：开启垂直降落系统，无人机降落至停机坪1。

本发明提出的方法，具有如下优点：自主运行，无需人工参与，结合图像定位和激光定位方法，具有较高定位精度，抗干扰能力强。

实施例2

如图1-6所示，一种用于电力巡线无人机的自动定点降落装置，包括无人机和停机坪1，还包括gps定位系统、计算机视觉定位系统和激光定位系统，所述计算机视觉定位系统包括双目摄像头4、停机标志2、视觉定位算法，所述双目摄像头4安装于无人机下部中心两侧，所述停机标志2设置在停机坪1上，所述视觉定位算法安装在无人机处理芯片中，所述视觉定位算法包括定位处理算法和旋转方向处理算法，所述激光定位系统包括激光发射装置3、激光接收装置5和激光定位算法，所述激光发射装置3安装在停机坪1停机位置中心，所述激光接收装置5设置在无人机下部中心，激光定位算法安装在无人机处理芯片中。

定位处理算法能够根据存储在无人机处理芯片中的停机标志2模板从双目摄像头4采集到的实时图像中找到停机坪1位置，计算无人机的平移飞行方向并提交无人机处理芯片处理，所述旋转方向处理算法能够根据存储在无人机处理芯片中的停机标志2模板和双目摄像头4采集实时图像中的停机标志2计算无人机的偏转角度，并提交无人机处理芯片处理，激光发射装置3能向其上方发射激光束，激光束在水平面的投影形状包括但不限于具有圆心的多个同心圆，激光接收装置5由矩阵型排列的多个激光接收器6组成，激光接收装置5位于中心的激光接收器6在无人机下方的中心位置，激光接收装置5能够接收激光发射装置3发射的激光，激光接收器6在接收到激光信号时能向无人机处理芯片发送激活信号，激光定位算法能够根据激光接收装置5检测到的激光情况计算出圆心坐标和方向，并将圆心坐标和方向提交至无人机处理芯片处理。

本发明包括gps定位系统、计算机视觉系统和激光定位系统，无人机首先通过gps定位系统飞行至停机坪1附近，通过计算机视觉技术根据标准停机坪标志模板匹配从采集图像中找到停机坪1，无人机从而飞行至停机坪1上方并旋转至指定方向，然后通过激光定位的方式到达停机位置的正上方，最后在超声传感器的辅助下垂直降落，完成自主精准降落；本发明具有一种定位精度高、自主精确降落的优点。