CN105836153A - 一种无人机系留系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机系留系统，包括无人机、地面电源和地面站，地面电源用于为无人机和地面站提供电力，还包括：电力子系统，用于在地面电源、无人机以及地面站之间通过电缆建立电力链路；通信子系统，用于在无人机与地面站之间通过光缆建立通信链路；收放线子系统，用于根据无人机飞行状态自动放长或收短连接无人机与地面电源之间的电缆以及连接无人机与地面站之间的光缆。本方案解决了现有技术中的无人机无线通信的方式不能建立稳定可靠的高速通信链路、无法满足市场对飞行器的载重和滞空时长需要以及无人机有线方式进行电力及数据的传输时线缆容易出现扭拽、转动或者拧死等问题。

Description

一种无人机系留系统

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机系留系统。

背景技术

无人飞行器通常用于挂载成像设备、通信基站及其它物品，在固定地点或高速移动过程中长时滞空以完成高空侦察巡视、通信链路建立、数据回传等工作。然而普通无人机仅采用电池组供电，载重小、航时短，无法满足市场对飞行器的载重和滞空时长需要。

此外，现有的无人机通过接收器和发送器以无线的形式进行数据的传输和通信链路的建立。但是无人机有时候需要传送无人机拍摄的视频、图片等信息数据，这些数据为大容量、高速的数据，若为无线发送或接收往往不能建立稳定、可靠的通信链路。但通过有线方式进行电力及数据的传输，容易导致线缆出现扭拽、转动或者拧死等现象。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种无人机系留系统，以解决现有技术中的无人机无线通信的方式不能建立稳定可靠的高速通信链路，以及无法满足市场对飞行器的载重和滞空时长需要的问题，并避免了有线连接时线缆容易出现扭拽、转动或者拧死等问题。

本发明实施例提供了一种无人机系留系统，包括无人机、地面电源和地面站，所述地面电源用于为所述无人机和所述地面站提供电力，还包括：

电力子系统，用于在所述地面电源、所述无人机以及所述地面站之间通过电缆建立电力链路；

通信子系统，用于在所述无人机与所述地面站之间通过光缆建立通信链路；

收放线子系统，用于根据所述无人机飞行状态自动放长或收短连接所述无人机与所述地面电源之间的所述电缆以及连接所述无人机与所述地面站之间的所述光缆。

本发明实施例提供的一种无人机系留系统，通过加入电力子系统，将地面电源通过电缆输送至无人机，保证了对无人机系留系统的持续供电，极大地提高了飞行器的滞空时长和载重能力；通过加入通信子系统，以光缆完成地面站和无人机之间的信息传输，在地面站和无人机之间建立可靠的通信链路，以便完成视频等大容量、高速数据的实时回传和接收；通过收放线子系统根据所述无人机飞行状态自动放长或收短连接所述无人机与所述地面电源之间的所述电缆以及连接所述无人机与所述地面站之间的所述光缆。本方案解决了现有技术中的无人机无线通信的方式不能建立稳定可靠的高速通信链路，以及机载电池组供电无法满足市场对飞行器的载重和滞空时长需要的问题，并且解决了有线连接时，电缆和光缆在放长或收短过程中容易出现扭拽、转动或者拧死的问题，为无人机完成高空侦察，基站通信，运送物品等任务提供了巨大的便利。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例一提供的一种无人机系留系统的结构框图；

图2为本发明实施例二提供的一种无人机系留系统的结构框图；

图3为本发明实施例三提供的一种无人机系留系统的结构框图；

图4为本发明实施例四提供的一种无人机系留系统的结构框图；

图5为本发明实施例五提供的一种无人机系留系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

本发明实施例一提供一种无人机系留系统。图1为本发明实施例一提供的一种无人机系留系统的结构框图。如图1所示，无人机系留系统包括无人机1、地面电源2和地面站3，地面电源2用于为无人机1和地面站3提供电力，还包括：

电力子系统4，用于在地面电源2、无人机1以及地面站3之间通过电缆7建立电力链路；

通信子系统5，用于在无人机1与地面站3之间通过光缆8建立通信链路；

收放线子系统6，用于根据无人机1飞行状态自动放长或收短连接无人机1与地面电源2之间的电缆7以及连接无人机1与地面站3之间的光缆8。

无人机1一般可在高空侦察巡视中，利用相机拍摄记录，并及时回传拍摄信息。在某些露天大型活动中可利用相机作为高空监视器，便于安保工作的进行；可以装载基站，为移动通信提供便利；可以装载植被农药机，进行大面积农药喷洒；可装载快递物件，进行物件的运输。基于无人机1的广泛用途，为其建立强大的通信系统和动力系统对用户来说具有至关重要的作用。

现有的无人机1一般是通过电池组供电，电池组所存储的电量十分有限，所以无人机1滞空时间很短。本实施例中，无人机系留系统加入了电力子系统4，通过电缆7将地面电源2(例如220V交流电)输送至无人机1，为无人机1提供持久的动力。同时，地面电源2为地面站3供电，为地面站3提供工作电力。

本实施例中地面站3可以是与无人机1进行信息交互的PC上位机，可实时地检测无人机1的运行和工作数据参数，并可以向无人机1发送控制指令以指示无人机1工作。现有的无人机系留系统的地面站3和无人机1之间通过接收器和发送器进行无线的通信信息，对于大容量的信息不能及时回传。例如，对于拍摄的视频等很难流畅的回传至地面站3。在本发明实施例中，加入通信子系统4，通过光缆8建立无人机1与地面站2之间的有线通信链路，使用户获得及时、高速的信息。光缆8输送的是由电信号转换为光信号的通信信息，光信号便于信息的传输，并且信号强度不易损失。

由于电缆7和光缆8均需铺设很长的链路，所以将其缠绕在收放线子系统6内，收放线子系统6根据无人机1飞行状态自动放长或收短连接无人机1与地面电源2之间的电缆7以及连接无人机1与地面站3之间的光缆8。

本实施例中，可选的，将电缆7和光缆8集成为一条线缆，由收放线子系统6同时收放，这样设置收放线子系统6只需收放一条线缆，结构简单，若两条线缆可能会在缠绕时相互影响。

本发明实施例一提供的一种无人机系留系统，通过加入电力子系统，将地面电源通过电缆输送至无人机，保证了对无人机系留系统的持续供电，极大地提高了飞行器的滞空时长、载重能力；通过加入通信子系统，以光缆完成地面站和无人机之间的信息传输，在地面站和无人机之间建立可靠的通信链路，以便完成视频等大容量、高速数据的实时回传和接收；通过收放线子系统根据无人机飞行状态自动放长或收短连接无人机与地面电源之间的电缆以及连接无人机与地面站之间的光缆。本方案解决了现有技术中的无人机无线通信的方式不能建立稳定可靠的高速通信链路，以及无法满足市场对飞行器的载重和滞空时长需要的问题，并且解决了有线连接时电缆和光缆在放长或收短过程中容易出现扭拽、转动或者拧死的问题。

实施例二

本发明实施例二在上述实施例的基础上，将无人机系留系统的结构进一步进行详细说明，尤其是收放线子系统6。参考图2，图2为本发明实施例二提供的一种无人机系留系统的结构框图。收放线子系统6包括：收放线卷筒61、光电滑环62、电机63以及电机控制器64。

其中，收放线卷筒61，用于缠绕电缆7和光缆8。

光电滑环62，设置于收放线卷筒61内，用于将在收放线卷筒61上缠绕的电缆7与从地面电源2接出的电缆7电连接，以及将在收放线卷筒61上缠绕的光缆8与从地面站3接出的光缆8电连接。

电机63，与收放线卷筒61相连，用于带动收放线卷筒61转动，以放长或收短电缆7和光缆8。参见图2，收放线卷筒61主要收放的线缆为连接光电滑环62与无人机1之间的电缆7和光缆8。电机控制器64，与电机63相连，用于控制电机63的转动。

滑环，是负责为旋转体连通、输送能源与信号的电气部件。根据传输介质来区分，滑环分为电滑环、流体滑环、光滑环，也可通俗的统称为“旋转连通”或“旋通”。滑环通常安装在设备的旋转中心，主要由旋转与静止两大部分组成。旋转部分连接设备的旋转结构并随之旋转运动，称为“转子”，静止部分连接设备的固定结构的能源，称为“定子”，“转子”在360度旋转下能保证与“定子”电连接。本实施例中所需要的滑环同时要输送电信号和光信号，所以为光电滑环62。

具体的，在收放线卷筒61的旋转轴内安装光电滑环62，电缆7和光缆8分别从电力子系统4和通信子系统5接出后接到光电滑环62的定子上，从转子伸出后缠绕在收放线卷筒61上。在收放线卷筒61转动状态即收放电缆7和光缆8过程中，光电滑环62可避免进入收放线卷筒61的电缆7和光缆8出现扭拽、转动或者拧死等现象。

在本实施例中，收放线子系统6通过电机63和电机控制器64的配合，可自动收放电缆7和光缆8，工作方便。

收放线子系统6根据无人机1飞行状态自动放长或收短连接无人机1与地面电源2之间的电缆7以及连接无人机1与地面站3之间的光缆8的具体过程，包括：电机63在收放线卷筒61上加载第一恒力矩；电缆7和光缆8在收放线卷筒61上加载第二力矩；当电缆7和光缆8上的第二力矩大于第一恒力矩时，收放线卷筒61放长电缆7和光缆8，否则收短电缆7和光缆8。

电机63的转子带动收放线卷筒61转动，第一恒力矩的方向为收放线卷筒61收线的方向，电缆7和光缆8在收放线卷筒61放线的方向加载第二力矩。当无人机1飞行时会带动电缆7和光缆8，则电缆7和光缆8为收放线卷筒61加载了第二力矩。

电机63可以为恒力矩电机或者为伺服电机。某些恒力矩电机出厂时即设定了恒力矩的参数，只需选取符合需要的力矩参数的恒力矩电机即可。对于伺服电机，第一恒力矩也可以通过地面站2对电机控制器64进行设定。地面站2分别与电机63和电机控制器64进行连接(图中未示出)，便于对力矩参数进行设置，并对电机63和电机控制器64运行参数进行检测和记录。当第一恒力矩和第二力矩平衡时，收放线卷筒61静止；当第一恒力矩大于第二力矩时，收放线卷筒61收线；当第一恒力矩小于第二力矩时，收放线卷筒61放线。

本发明实施例将收放线卷筒与电机和电机控制器相结合，通过电机控制器控制电机带动收放线卷筒转动，从而达到收放线子系统自动收放线的功能，更加节省人力成本，工作方便。

实施例三

本发明实施例三在上述实施例的基础上，对无人机系留系统，尤其是电力子系统4进行进一步详细说明。如图3所示，图3为本发明实施例三提供的一种无人机系留系统的结构框图。电力子系统包括：交直流转换模块41和系留电源模块42。

其中，从交直流转换模块41接出的电缆7通过收放线子系统6放长或收短后，与系留电源模块42连接。

交直流转换模块41，与地面电源2相连，用于将从地面电源2输出的交流电转换为直流电。

系留电源模块42，与无人机1连接，用于将直流电的电压转换为无人机1的工作电压。

交直流转换模块41将地面电源2的220V交流电转换成直流高压电。高压电能减轻电力远距传输的损耗和线缆发热损坏等问题。例如，可选取输出功率10KW的交直流转换模块41将地面电源2转换为400V直流电。但无人机1又工作于较小的电压下。所以在光缆7与无人机1连接处加入系留电源模块42将直流电转换为适用于无人机1的工作电压。例如，系留电源模块42将400V直流电转换为48V的直流电供无人机1使用，此后经过无人机1上的电调部件等将48V电压转换成各个模块需要的电压。

此时，收放线子系统6收放的为从收放线子系统6接出至系留电源模块42的一段电缆7。

参考图3，在上述实施例的基础上，无人机系留系统还包括：飞行控制器9，分别与无人机1和系留电源模块42相连，用于控制无人机1的飞行状态。

飞行控制器9可由软件和/或硬件的形式集成设置，用于控制飞机的滞空飞行、悬停和升降等飞行状态，并可以对系留电源模块42的工作参数进行检测。

优选的，无人机系留系统还包括：机载备用电池组10，分别与系留电源模块42以及飞行控制器9相连；系留电源模块42用于在检测到系留电源模块42的电压小于第一预设值或系留电源模块42处于中断状态时，启动机载备用电池组10与系留电源模块42连接。或者由飞行控制器9在检测到系留电源模块42的电压小于第一预设值或系留电源模块42处于中断状态时，启动机载备用电池组10与系留电源模块42进行连接。

电力子系统4供电时可能会出现电压偏低、偏高或中断等故障。无人机系留系统还设置有机载备用电池组10，在电力子系统4供电出现故障时切换机载备用电池组10供电，保证无人机1的正常工作。系留电源模块42可集成有检测和切换电源的功能，在供电故障发生的短时间内即可完成电源的切换工作，使备用电池组10为系留电源模块42供电，避免了无人机1因供电不足坠落的问题。也可以由飞行控制器9对系留电源模块42的电压、电流等电力参数进行检测并在电力子系统4供电故障时切换为机载备用电池组10为系留电源模块42供电。

可选的，飞行控制器9也具有迫降的功能。飞行控制器9与机载备用电池组10相连，飞行控制器9还用于：在检测到机载备用电池组10的电压值小于第二预设值时，控制所述无人机1降落。当机载备用电池组10的电压值小于第二预设值时，无法保持无人机1正常工作，此时，飞行控制器9控制无人机1的降落。

实施例四

本发明实施例四在上述实施例的基础上，对通信子系统5作进一步详细说明。图4为本发明实施例四提供的一种无人机系留系统的结构框图。参考图4，通信子系统5包括：

第一光端机51和第二光端机52，用于进行通信数据的调制和解调；

第一光端机51与地面站3相连，第二光端机52与无人机1相连，第一光端机51与第二光端机52之间通过光缆8连接。

收放线子系统6收放的为从收放线子系统6接出至第二光端机52的一段光缆8。

光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，利用光的全反射原理对信号进行传输。光纤传输具有频带宽、损耗低、重量轻和抗干扰能力强的特点。应用在通信中能实时地进行大容量通信数据的传输。光缆8是一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外包有护套，有的还包覆外护层，用以实现光信号传输的一种通信线路。

光端机是一个延长数据传输的光纤通信设备，它主要是通过信号调制、光电转化等技术，利用光传输特性来达到远程传输的目的。光端机一般成对使用，分为光发射机和光接收机，光发射机完成电信号到光信号的转换，并把光信号发射出去用于光纤传输；光接收机主要是把从光纤接收的光信号再还原为电信号。参考图4，第一光端机51和第二光端机52互为光发射机和光接收机，用于将无人机下行的飞行控制参数和上行控制指令在串口和光纤接口之间进行通信协议和方式的相互转换，以便于以光纤通信方式将高速、大容量通信数据安全可靠的远距离传输。

在上述实施例的基础上，无人机系留系统还包括：机载业务设备11，分别与飞行控制器9和第二光端机52相连，用于执行设定作业任务。

机载业务设备11是大载重、长航时系留无人机可以额外搭载的辅助设备，如相机、云台、大功率通信基站、植保农药机、要搬运的快递物品及其它需要机载的设备等。

机载业务设备11与飞行控制器9相连，用于按照飞行控制器9的操作指令执行设定作业任务。例如，摄像或喷洒农药等。

机载业务设备11在执行作业任务时，需要经过光缆链路和地面通讯，所以机载业务设备11直接与第二光端机52相连，便于实现快速的通讯。示例性的，相机在拍摄到视频时，将视频直接通过第二光端机52，再经过光缆8输送至地面站3。

本方案对无人机系留系统的通信子系统以及其工作过程进行描述，尤其是关于光缆以及两个光端机的配合输送通信数据的过程。并在无人机系留系统中加入机载业务设备，机载业务设备可直接通过通信子系统将采集的数据输送至地面站，实现了通信数据快速、高效的输送。

实施例五

图5为本发明实施例五提供的一种无人机系留系统的结构框图。本实施例中的无人机系留系统仅为一种工作情况，但本发明不限于此。参考图5，对整个无人机系留系统的通信数据传输过程和电力输送过程进行介绍。本实施例中无人机为多轴旋翼机501，可具有4轴、6轴、8轴等类型，均预留地面系留光缆和电缆接口，具有长航时、大载重等特点。

若无人机系留系统用于高空监控，图5中的机载业务设备511为带有云台的摄像机，对活动场景进行拍摄。由于电缆507和光缆508同时被收放线卷筒5062收放，则其分别从交流变直流10KW的电源模块5041和第一光端机5051接出，经过光电滑环5061后，可以集成为一条线缆缠绕在收放线卷筒5062上。系留电源模块5042和第二光端机5052分别设有与电缆507和光缆508连接的串口。所以线缆连接到多轴旋翼机501上时再次分开成电缆507和光缆508分别与系留电源模块5042和第二光端机5052连接。收放线卷筒5062收放的为从光电滑环5061接出至系留电源模块5042和第二光端机5052的线缆。收放线卷筒5062与伺服电机5063机械连接，伺服电机5063由伺服电机控制器5064控制带动收放线卷筒5062转动。

电力输送过程：220V地面电源502接出的电缆507一面连接到地面站503上为其供电，一面连接到交流变直流10KW的电源模块5041上，交流变直流10KW的电源模块5041将220V的交流电转换为400V的高压直流电，电缆507接出后通过光电滑环5061与连接多轴旋翼机501的电缆507进行电连接，电缆507绕经收放线卷筒5062后再与设于多轴旋翼机501上的系留电源模块5042相连。地面电源502依次经过上述器件对多轴旋翼机501上的各部件进行供电。在电力输送过程中出现电压不稳定或者电缆断掉的情况下，还可以由飞行控制器509或系留电源模块5042控制机载备用电池组510为多轴旋翼机501供电。

通信数据传输过程：当机载业务设备511拍摄到视频数据或图像数据时，数据经由第二光端机5052通过光缆508输送至地面站503，途中光缆508同电缆507一样经由收放线卷筒5062和光电滑环5061，之后还要接到第一光端机5051进行通信数据的解调。同样的，当地面站503发送命令给机载业务设备511时也会通过此路径。另外，第二光端机5052可接系留电源模块5042(图中未示出)和多轴旋翼机501，用于将系留电源模块5042的电压、电流等电力参数和多轴旋翼机501的飞行速度、飞行方向等飞行状态参数输送至地面站503。

在上述实施例的基础上，参考图5，可增设一对光端机：第三光端机512和第四光端机513，地面站503通过接有第三光端机512和第四光端机513的光缆508分别与伺服电机控制器5064、光电滑环5061和交流变直流10KW的电源模块5041相连，便于地面站503收集此三者的工作参数，并可对伺服电机控制器5064的工作参数进行设置。

本方案为无人机系留系统的工作过程，便于对无人机系留系统的应用的理解，也使本方案更具可行性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种无人机系留系统，包括无人机、地面电源和地面站，所述地面电源用于为所述无人机和所述地面站提供电力，其特征在于，还包括：

电力子系统，用于在所述地面电源、所述无人机以及所述地面站之间通过电缆建立电力链路；

通信子系统，用于在所述无人机与所述地面站之间通过光缆建立通信链路；

收放线子系统，用于根据所述无人机飞行状态自动放长或收短连接所述无人机与所述地面电源之间的所述电缆以及连接所述无人机与所述地面站之间的所述光缆。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述收放线子系统包括：

收放线卷筒，用于缠绕所述电缆和所述光缆；

光电滑环，设置于所述收放线卷筒内，用于将在所述收放线卷筒上缠绕的所述电缆与从所述地面电源接出的所述电缆电连接，以及将在所述收放线卷筒上缠绕的所述光缆与从所述地面站接出的所述光缆电连接；

电机，与所述收放线卷筒相连，用于带动所述收放线卷筒转动，以放长或收短所述电缆和所述光缆；

电机控制器，与所述电机相连，用于控制所述电机的转动。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电机为恒力矩电机或者伺服电机。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述收放线子系统根据所述无人机飞行状态自动放长或收短连接所述无人机与所述地面电源之间的所述电缆以及连接所述无人机与所述地面站之间的所述光缆，包括：

所述电机在所述收放线卷筒上加载第一恒力矩；

所述电缆和所述光缆在所述收放线卷筒上加载第二力矩；

当所述电缆和所述光缆上的所述第二力矩大于所述第一恒力矩时，所述收放线卷筒放长所述电缆和所述光缆，否则收短所述电缆和所述光缆。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电力子系统包括：

交直流转换模块和系留电源模块；

其中，从所述交直流转换模块接出的所述电缆通过所述收放线子系统放长或收短后，与所述系留电源模块连接；

交直流转换模块，与所述地面电源相连，用于将从所述地面电源输出的交流电转换为直流电；

系留电源模块，与所述无人机连接，用于将所述直流电的电压转换为所述无人机的工作电压。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述无人机系留系统还包括：

飞行控制器，分别与所述无人机和所述系留电源模块相连，用于控制所述无人机的飞行状态。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述无人机系留系统还包括：

机载备用电池组，分别与所述系留电源模块以及所述飞行控制器相连；

所述系留电源模块或所述飞行控制器在检测到所述系留电源模块的电压小于第一预设值或所述系留电源模块处于中断状态时，启动所述机载备用电池组与所述系留电源模块连接。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述飞行控制器与所述机载备用电池组相连，所述飞行控制器还用于：在检测到所述机载备用电池组的电压值小于第二预设值时，控制所述无人机降落。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述通信子系统包括：

第一光端机和第二光端机，用于进行通信数据的调制和解调；

所述第一光端机与所述地面站相连，所述第二光端机与所述无人机相连，所述第一光端机与所述第二光端机之间通过所述光缆连接。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述无人机系留系统还包括：

机载业务设备，分别与所述飞行控制器和所述第二光端机相连，用于执行设定作业任务。