CN105836149B - 一种无人机自动充电更换电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机自动充电更换电池系统，所述系统包括：无人机和自动充更换电池平台，所述无人机上设有通信模块、图像采集模块、图像处理模块、缓冲模块；所述自动充更换电池平台上设有GPS定位模块、辅助降落模块、充电单元、电池更换单元；所述充电单元用于所述无人机在所述自动充更换电池平台上降落后自动进行充电处理；所述电池更换单元用于所述无人机在所述自动充更换电池平台上降落后自动进行电池更换处理，实现了自动对无人机的电池进行充电或更换电池，无人工人操作，使用方便，且效率较高的技术效果。

Description

一种无人机自动充电更换电池系统
技术领域
本发明涉及无人机研究领域，具体地，涉及一种无人机自动充电更换电池系统。
背景技术
随着无人机技术的普及，飞行器逐渐走进人们的生活，人们可以利用飞行器进行飞行操作，也可以进行航拍，也可以进行自动喷洒农药等，多旋翼无人机应用越来越广泛，但是多旋翼无人机电池和能源问题一直备受困扰，无法实现长时间循环任务，如物流、巡逻等等，因为一般电池只能飞行15-90分钟不等，飞行后就需要进行手动充电或者更换电池，采用人工手动使用麻烦，充电和电池更换效率较低。
综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
在现有技术中，现有的无人机或飞行器存在充电或更换电池不便，需要手动进行，效率较低的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种无人机自动充电更换电池系统，解决了现有的无人机或飞行器存在充电或更换电池不便，需要手动进行，效率较低的技术问题，实现了自动对无人机的电池进行充电或更换电池，无人工人操作，使用方便，且效率较高的技术效果。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种无人机自动充电更换电池系统，所述系统包括：无人机和自动充更换电池平台，所述无人机上设有通信模块、图像采集模块、图像处理模块、缓冲模块；所述自动充更换电池平台上设有GPS定位模块、辅助降落模块、充电单元、电池更换单元；其中，所述通信模块用于获得所述GPS定位模块的定位信息；所述图像采集模块用于采集无人机预设方向的图像信息；所述图像处理模块用于对所述图像采集模块采集的图像进行特征提取，获得特征信息，将获得的特征信息与预设信息进行匹配，获得匹配结果；所述辅助降落模块用于对所述无人机在所述自动充更换电池平台上的降落位置进行辅助定位；所述缓冲模块用于对所述无人机在所述自动充更换电池平台上降落时进行缓冲处理；所述充电单元用于所述无人机在所述自动充更换电池平台上降落后自动进行充电处理；所述电池更换单元用于所述无人机在所述自动充更换电池平台上降落后自动进行电池更换处理。
其中，即当无人机在飞行时，发现电量不足，则通过通信模块获得自动充更换电池平台的GPS定位信息，根据定位信息向自动充更换电池平台进行飞行，当飞到自动充更换电池平台的预设范围后，利用图像采集模块采集自动充更换电池平台的图像信息进行特征匹配，匹配成功则进行降落，在降落的过程中利用辅助降落模块进行精确降落位置辅助，利用缓冲模块进行缓冲平稳降落，降落后利用无人机的机架与充电单元的金属块进行接触进行自动充电，也可以利用电池更换单元将剩余电量不足的电池换下，更换新的电量充足的电池。
其中，所述缓冲模块具体为超声波模块，其中，所述超声波模块通过公式 v=p*S^0.5逐渐减速实现平缓降落，v为速度，p 为根据无人机类型进行预设的参数，S为距离。其中，*为乘号，a^b表示a的b次方，其中，超声波模块的工作原理为：该超声波模块通过发送超声波和接受超声波中间时间差，通过距离公式即可计算得出距离S=v(声音速度)*t(发送和接受时间差)。
其中，所述自动充更换电池平台上设有固定脚架，所述固定脚架用于对无人机进行固定，所述固定脚架上设有充电触点，所述充电单元利用充电触点与无人机金属脚架的触电接触进行充电。
其中，所述无人机上设有电池电量检测单元，所述电池电量检测单元用于检测无人机电池的剩余电量，当剩余电量小于阈值时，开启通信模块对自动充更换电池平台进行定位。利用电池电量检测单元用户可以自行设定一个阈值，如10%或者15%，当剩余电量小于阈值时，则无人机自动进行充电或更换电池。
其中，其中，所述图像采集模块具体为MT9V034摄像头并集成红外滤光片，所述图像处理模块通过FAST9图像处理算法，对图像进行特征提取，与自动充更换电池平台预设特征对比，确认自动充更换电池平台具体位置。具体为在平台上建立标志图案，预先采集平台图案特征存于模块内，当机载图像处理模块飞至充电台上空时，图像处理模块通过FAST9算法不断图采集的图像进行特征提取——角点，通过LK算法进行角点追踪，将飞机移动至平台上方，通过气压计进行缓慢降落，当距离平台5米内时自动切换至超声波模块进行距离测算。
其中，所述辅助降落模块具体为红外发射二极管，其中，所述辅助降落模块具体为红外直射发光二极管，飞机载有两个红外接收二极管，降落时通过图像模块不断进行微调，当机载红外接收二极管收到平台对应发光二极管时即可进行准确定位，定位成功后不断通过姿态传感器数据进行微调自我稳定。
其中，所述电池更换单元具体包括：电池存放箱、取下臂、推送臂、所述取下臂和所述推送臂分别位于所述电池存放箱的左右两侧，所述取下臂一端与电磁吸盘连接，所述取下臂和所述推送臂表面均为齿形，第一电机的旋转轴通过第一齿轮与所述取下臂连接，第二电机的旋转轴通过第二齿轮与所述推送臂连接，转动轴一端穿过所述电池存放箱中部后与第三电机的旋转轴连接。第三电机转动，带动转动轴转动，进而带动电池存放箱转动，实现电池的循环更换，将电池存放箱中的多个电池仓位置进行更换，便于更换电池。
其中，当无人机需要进行电池更换时，当无人机在自动充更换电池平台降落后，第一电机转动，带动第一齿轮转动，进而使得与第一齿轮连接的取下臂朝着无人机的电池移动，使得取下臂上的电磁吸盘与无人机的电池吸附，然后第一电机反转，将电池抽离，将电量不足的电池取下，然后第二电机转动，带动第二齿轮转动，进而使得与第二齿轮连接的推送臂朝着电池存放箱移动，将电池存放箱中的电池推出，新的电池被推朝着无人机的电池安装槽移动，嵌入无人机的电池安装槽中，完成电池的更换。自动完成电池的更换，无需人工操作，方便效率较高。
其中，所述电池存放箱内设有N个电池仓，所述电池仓内存放有电池，所述N为大于等于1的正整数，所述电池仓与所述充电单元连接，所述电池存放箱为圆筒状，所述电池存放箱两端均为开口状。第三电机转动，使得电池存放箱转动，将电池已经推送的电池仓超下移动，新的装有电池的电池仓移动到推送臂的侧面等待被推送。
其中，所述电池更换单元还包括传输带，所述传输带一端位于所述取下臂的下方，所述传输带另一端与所述电池存放箱内的电池仓接触。利用传输带将无人机取下的剩余电量不足的电池传输到电池存放箱处，并传输到电池被推送出即空的电池仓内进行充电，然后循环利用。
其中，所述电池更换单元还包括控制模块，所述控制模块与所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机均连接。利用控制模块如单片机发送相应的控制指令，控制第一电机、第二电机、第三电机的转动，满足转动的时间距离的控制。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于采用了在无人机电量不足时，利用通信和定位技术，使得无人机朝自动充更换电池平台飞行，然后利用图像采集模块采集自动充更换电池平台的图像信息进行特征匹配，匹配成功则进行降落，在降落的过程中利用辅助降落模块进行精确降落位置辅助，利用缓冲模块进行缓冲平稳降落，降落后利用无人机的机架与充电单元的金属块进行接触进行自动充电，也可以利用电池更换单元将剩余电量不足的电池换下，更换新的电量充足的电池，实现了自动对无人机的电池进行充电或更换电池，无人工人操作，使用方便，且效率较高的技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定，在附图中：
图1是本申请实施例一中无人机的组成示意图；
图2是本申请实施例一中无人机自动充电更换电池系统的组成示意图；
其中，1-无人机，2-通信模块，3-图像采集模块，4-图像处理模块，5-缓冲模块，6-无人机金属脚架，7-电池,8-GPS定位模块，9-辅助降落模块，10-充电单元，11-固定脚架，12-电池存放箱，13-取下臂，14-推送臂，15-电磁吸盘，16-第一电机，17-第一齿轮，18-第二电机，19-第二齿轮，20-第三电机。
具体实施方式
本发明提供了一种无人机自动充电更换电池系统，解决了现有的无人机或飞行器存在充电或更换电池不便，需要手动进行，效率较低的技术问题，实现了自动对无人机的电池进行充电或更换电池，无人工人操作，使用方便，且效率较高的技术效果。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例一：
在实施例一中，提供了一种无人机自动充电更换电池系统，请参考图1-图2，所述系统包括：无人机1和自动充更换电池平台21，所述无人机上设有通信模块2、图像采集模块3、图像处理模块4、缓冲模块5；所述无人机上上装有电池7，所述自动充更换电池平台上设有GPS定位模块8、辅助降落模块9、充电单元10、电池更换单元；其中，所述通信模块用于获得所述GPS定位模块的定位信息；所述图像采集模块用于采集无人机预设方向的图像信息；所述图像处理模块用于对所述图像采集模块采集的图像进行特征提取，获得特征信息，将获得的特征信息与预设信息进行匹配，获得匹配结果；所述辅助降落模块用于对所述无人机在所述自动充更换电池平台上的降落位置进行辅助定位；所述缓冲模块用于对所述无人机在所述自动充更换电池平台上降落时进行缓冲处理；所述充电单元用于所述无人机在所述自动充更换电池平台上降落后自动进行充电处理；所述电池更换单元用于所述无人机在所述自动充更换电池平台上降落后自动进行电池更换处理。其中，在实际应用中，缓冲模块具体包括气压计模块和飞行姿态模块，气压计模块用于测量气压，飞行姿态模块用于基于测量气压对无人机的飞行姿态进行调整。
其中，在本申请实施例中，所述缓冲模块具体为超声波模块，其中，所述超声波模块通过公式 v=p*S^0.5逐渐减速实现平缓降落，v为速度，p 为根据无人机类型进行预设的参数，S为距离。根据飞机体积和重量不同p值可能会不同，当在距离平台5m内高度时，通过超声波不断进行高度距离捕获，即为S。若高度为4米，p值为0.1，则下降速度为0.2米/秒，高度为1米时，速度为0.1米/秒，高度为0.4米时，速度为0.06米/秒。
其中，在本申请实施例中，所述自动充更换电池平台上设有固定脚架11，所述固定脚架用于对无人机进行固定，所述固定脚架上设有充电触点，所述充电单元利用充电触点与无人机金属脚架6的触电接触进行充电。
其中，在本申请实施例中，所述图像采集模块具体为MT9V034摄像头并集成红外滤光片，所述无人机上设有电池电量检测单元，所述电池电量检测单元用于检测无人机电池的剩余电量，当剩余电量小于阈值时，开启通信模块对自动充更换电池平台进行定位。
其中，在本申请实施例中，所述图像处理模块通过FAST9图像处理算法，对图像进行特征提取，与自动充更换电池平台预设特征对比，确认自动充更换电池平台具体位置。
其中，在本申请实施例中，所述辅助降落模块具体为红外发射二极管。
其中，在本申请实施例中，所述电池更换单元具体包括：电池存放箱12、取下臂13、推送臂14、所述取下臂和所述推送臂分别位于所述电池存放箱的左右两侧，所述取下臂一端与电磁吸盘15连接，所述取下臂和所述推送臂表面均为齿形，第一电机16的旋转轴通过第一齿轮17与所述取下臂连接，第二电机18的旋转轴通过第二齿轮19与所述推送臂连接，转动轴一端穿过所述电池存放箱中部后与第三电机20的旋转轴连接。
其中，在本申请实施例中，所述电池存放箱内设有N个电池仓，所述电池仓内存放有电池，所述N为大于等于1的正整数，所述电池仓与所述充电单元连接，所述电池存放箱为圆筒状，所述电池存放箱两端均为开口状。设计为有多个电池仓便于快速更换电池，设计为圆筒状便于旋转，N个电池仓均匀分布在圆筒内。
其中，在本申请实施例中，所述电池更换单元还包括传输带，所述传输带一端位于所述取下臂的下方，所述传输带另一端与所述电池存放箱内的电池仓接触。
其中，在本申请实施例中，所述电池更换单元还包括控制模块，所述控制模块与所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机均连接。
其中，自动充更换电池平台包含GPS定位模块，无人机可通过与地面站通信获取充电台具体GPS位置，飞行至该区域内，通过FAST9图像处理算法，对图像进行特征提取，与充电台预设特征对比，确认充电台具体位置，通过红外发射二极管进行辅助位置精确，通过超声波模块在降落时实现平缓落地，目前常见超声波模块可以处理5M以内距离数据，通过公式 v(速度)=p(参数)*S（距离）^0.5（开方） 逐渐减速实现平缓降落，参数根据不同机体需要进行手动设置和调试这里不在阐述。当飞机精确降落后，充电台通过固定脚架进行机体固定，并通过飞机脚架上端的金属触点进行充电，充电台中间为电池箱，与飞机电池舱对应，通过电动装置可将电池取出并进行更换，实现无人机快速更换电池继续进行任务，更换下来的电池放置充电仓进行充电，实现电池循环使用。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
由于采用了在无人机电量不足时，利用通信和定位技术，使得无人机朝自动充更换电池平台飞行，然后利用图像采集模块采集自动充更换电池平台的图像信息进行特征匹配，匹配成功则进行降落，在降落的过程中利用辅助降落模块进行精确降落位置辅助，利用缓冲模块进行缓冲平稳降落，降落后利用无人机的机架与充电单元的金属块进行接触进行自动充电，也可以利用电池更换单元将剩余电量不足的电池换下，更换新的电量充足的电池，实现了自动对无人机的电池进行充电或更换电池，无人工人操作，使用方便，且效率较高的技术效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种无人机自动充电更换电池系统，其特征在于，所述系统包括：无人机和自动充更换电池平台，所述无人机上设有通信模块、图像采集模块、图像处理模块、缓冲模块；所述自动充更换电池平台上设有GPS定位模块、辅助降落模块、充电单元、电池更换单元；其中，所述通信模块用于获得所述GPS定位模块的定位信息；所述图像采集模块用于采集无人机预设方向的图像信息；所述图像处理模块用于对所述图像采集模块采集的图像进行特征提取，获得特征信息，将获得的特征信息与预设信息进行匹配，获得匹配结果；所述辅助降落模块用于对所述无人机在所述自动充更换电池平台上的降落位置进行辅助定位；所述缓冲模块用于对所述无人机在所述自动充更换电池平台上降落时进行缓冲处理；所述充电单元用于所述无人机在所述自动充更换电池平台上降落后自动进行充电处理；所述电池更换单元用于所述无人机在所述自动充更换电池平台上降落后自动进行电池更换处理；所述自动充更换电池平台上设有固定脚架，所述固定脚架用于对无人机进行固定，所述固定脚架上设有充电触点，所述充电单元利用充电触点与无人机金属脚架的触电接触进行充电。
2.根据权利要求1所述的无人机自动充电更换电池系统，其特征在于，所述缓冲模块具体为超声波模块，其中，所述超声波模块通过公式 v=p*S^0.5逐渐减速实现平缓降落，v为速度，p 为根据无人机类型进行预设的参数，S为距离。
3.根据权利要求1所述的无人机自动充电更换电池系统，其特征在于，所述图像采集模块具体为MT9V034摄像头并集成红外滤光片，所述无人机上设有电池电量检测单元，所述电池电量检测单元用于检测无人机电池的剩余电量，当剩余电量小于阈值时，开启通信模块对自动充更换电池平台进行定位。
4.根据权利要求1所述的无人机自动充电更换电池系统，其特征在于，所述图像处理模块通过FAST9图像处理算法，对图像进行特征提取，与自动充更换电池平台预设特征对比，确认自动充更换电池平台具体位置。
5.根据权利要求1所述的无人机自动充电更换电池系统，其特征在于，所述辅助降落模块具体为红外发射二极管。
6.根据权利要求1所述的无人机自动充电更换电池系统，其特征在于，所述电池更换单元具体包括：电池存放箱、取下臂、推送臂、所述取下臂和所述推送臂分别位于所述电池存放箱的左右两侧，所述取下臂一端与电磁吸盘连接，所述取下臂和所述推送臂表面均为齿形，第一电机的旋转轴通过第一齿轮与所述取下臂连接，第二电机的旋转轴通过第二齿轮与所述推送臂连接，转动轴一端穿过所述电池存放箱中部后与第三电机的旋转轴连接。
7.根据权利要求6所述的无人机自动充电更换电池系统，其特征在于，所述电池存放箱内设有N个电池仓，所述电池仓内存放有电池，所述N为大于等于1的正整数，所述电池仓与所述充电单元连接，所述电池存放箱为圆筒状，所述电池存放箱两端均为开口状。
8.根据权利要求6所述的无人机自动充电更换电池系统，其特征在于，所述电池更换单元还包括传输带，所述传输带一端位于所述取下臂的下方，所述传输带另一端与所述电池存放箱内的电池仓接触。
9.根据权利要求6所述的无人机自动充电更换电池系统，其特征在于，所述电池更换单元还包括控制模块，所述控制模块与所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机均连接。
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