CN106184757A - 一种无人机货物自动装载与投放系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对使用无人机进行货物运输的自动装载与投放的系统。包括货物包装模块，地面辅助装载模块和机载货物吊装模块，其中货物包装模块包括包装袋、吊环和定位条，地面辅助装载模块包括至少一个电源、人机接口、通信模块、控制器、货物升降机及其驱动器、吊环定位夹具及其驱动器和整体框架，机载货物吊装模块包括至少一个通信模块、控制器、旋转舵机和机载吊架。将待运送包裹装入待装载位置，通过升降机自动将货物托举，无人机货物吊架插销自动锁止和脱开，实现货物的自动装载和投放，以较低的成本提高了无人机运输货物的工作效率、安全性和易用性。

Description

一种无人机货物自动装载与投放系统

技术领域

本发明涉及一种货物自动装载与投放系统，更特别地说，是指一种针对使用无人机进行货物运输的自动装载与投放的系统。

背景技术

传统物流行业在运输阶段，主要采用有人驾驶载具进行货物的运载与配送，这种形式在地形复杂、路面交通不便的地区受到限制，运输效率降低，人力成本升高。另外，传统的依赖于人力驾驶载具的运输方式，运送时间难以进一步缩短，要实现例如一小时内的同城配送，即便付出高昂的人力成本，受限于城市交通拥堵等原因，也无法保证能够完成。

随着无人机技术的不断发展，在一些场合为了满足特定的需求，使用无人机对货物进行运载或配送逐渐成为了应用研究的热点。采用无人机运货可在很大程度上摆脱地形限制，如山脉、河流和峡谷等，也不再依赖地面陆路或水路交通状况，使要运送的货物能够快速、直接、高效和安全地抵达目的地。在偏远地区、受灾地区、紧急救援现场和城市快速运输等应用场景中，无人机运输技术将产生极大的经济和社会效益。

目前国内外相关研究机构和公司进行了一系列无人机运输货物技术的研究与试验。较为常见的是采用多旋翼或其他形式的可垂直起降飞机，通过在机体底部安装吊装货舱的形式，完成运送货物的任务。这一类的系统目前具有以下问题：

(1)大多数无人机运载系统，货物装载和卸载阶段，仍然需要人工的参与。装载系统不具备自动化能力，需要人工手动将包裹或货物吊舱装到无人机机体上；无人机到达目的地后，也需要人工辅助，才能将货物从无人机上卸下。这样不但降低了整个运送流程的效率，也使得整个系统对环境依赖度大大增加。

(2)一部分具有自动装载和投放能力的无人机，对包裹适配性较差。受限于无人机有限的空间，载货机构对包裹的形状、大小都有严格限制，系统容错和适应能力也随之受限。

(3)一部分无人机采用与有人驾驶飞机类似的弹舱结构，系统复杂，重量大，占用资源多。虽然弹舱结构可实现货物自动装载与投放的功能，但对于无人机这种资源极其有限的飞行平台来说，实现弹舱结构需要付出高昂的成本。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种无人机货物自动装载与投放系统，本发明具有自动化程度高、结构简单、工作效率高和包裹适应性强的特点。

一种无人机货物自动装载与投放系统，包括货物包装模块，地面辅助装载模块和机载货物吊装模块；

所述货物包装模块包括包装袋、吊环和定位条，其中包装袋分为多种规格，可适应不同形状、不同大小的包裹，吊环是环形结构，与包装袋连接，定位条是条形结构，两端有定位孔，可对吊环位置进行中心定位；

所述地面辅助装载模块包括至少一个电源、人机接口、通信模块、控制器、货物升降机及其驱动器、吊环定位夹具及其驱动器和整体框架；

其中人机接口与控制器通过信号线连接，控制器通过信号线与货物升降机驱动器和吊装定位夹具驱动器连接；

其中整体框架是立方体结构，竖直方向至少分为两层，底板和顶层停机坪，底板和顶层停机坪之间通过多个支柱连接，顶层停机坪中心有窗口，窗口竖直投影面积至少要大过货物最大竖直投影面积；

其中货物升降机由底座、升降杆和上托盘组成，底座安装在整体框架底板的水平中心位置，底座上表面与升降杆底部连接，升降杆分为至少两个部分，两部分之间能够以同轴约束自由运动，使杆体整体上可以自由伸缩，升降杆上安装有位置检测装置，可以检测杆的伸缩长度，升降杆顶部与上托盘连接，在底座固定的条件下，可使上托盘在行程范围内自由升降，上托盘设置有可调货物定位槽，对托盘上的货物进行定位；

其中停机坪处于整体框架的最顶层，是环形结构，中心有窗口，停机坪环形形状和中心窗口形状可根据无人机型号、大小和货物的外形尺寸进行定制，例如可以是圆形或者方形；

所述机载货物吊装模块包括至少一个通信模块、控制器、旋转舵机和机载吊架；

其中通信模块通过信号线连接控制器，控制器通过信号线连接旋转舵机；

其中机载吊架分为动子和定子，动子与定子之前通过转动副连接，例如铰链，动子有摇臂和插销，摇臂一端连接舵机输出轴，一端连接插销，负责将舵机的转动传递给插销，动子受旋转舵机驱动，可通过旋转使插销插入或拔出定子上的销孔，定子有连杆、销孔和吊环导引槽，连杆一端固定在无人机底部，另外一端连接销孔和导引槽，导引槽入口竖直向下，出口平面与销孔端面垂直，导引槽从下至上内部的斜面为逐渐缩小的趋势，入口和出口的竖直投影为长方孔。

本发明的优点在于：

(1)只需要将待运送包裹装入待装载位置，后续过程全程自动化完成。包括将货物装载在无人机吊架上，到达目的地通过控制吊架动子运动，自动投放货物，均无需人工参与，大大提高了无人机运输货物的效率和易用性；

(2)货物包装袋有不同规格，可适应不同大小和形状的货物，只要货物不超过无人机装载质量和体积的上限，通过在货物包装袋上安装一定数量的吊环，均可以装在无人机吊架上，包装袋由满足强度要求的纸条编织或纸盒折叠而成，成本低廉，制作简单；

(3)系统结构简单可靠，实现成本低。机载货物吊架结构和驱动机构简单，以插销锁止的方式吊装货物，舵机只在装载和投放时作动，在运输全过程中只需保持锁止位置即可，不承担货物重力，对舵机输出力要求小，消耗系统能量低，在保证任务安全的前提下，以较低的成本实现了无人机货物的自动装载和投放功能。

附图说明

图1是一种无人机自动装载与投放系统示意图；

图2是货物包装袋示意图；

图3是无人机机载货物吊装模块示意图；

图4是地面辅助装载模块示意图；

图5是无人机运输货物自动装载和投放的流程示意图；

图6是将货物装载在无人机吊架上时的流程图；

图7是货物自动投放的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图详细描述根据本发明实施例的无人机货物自动装载与投放系统。

本发明提供一种无人机货物自动装载与投放系统，如图1所示，包括货物包装模块104，地面辅助装载模块103和机载货物吊装模块102，用于无人运输机进行货物的自动装载和投放。图1中，无人机101底部具有安装孔或其他可安装结构，机载吊装模块102的机载吊架定子308安装在无人机101底部，无人机101停放于地面辅助装载模块103的停机坪401上，经过货物包装模块104包装后的货物放在地面辅助装载模块103的货物升降机410的上托盘406上。

该系统所包含的货物包装模块，提供一种货物包裹的外包装方式，采用该方式包装后的待运包裹外层顶部具有一定数量的吊环202，供无人机运载时吊装。图2中，纸盒形包装201可由纸板203折叠粘制，纸板203上的吊环202在制作成纸盒后位于纸盒顶部，由定位条204固定，框架形包装206可由多条纸带207粘制，在纸带207端部的吊环205在制作成包装后位于顶部，由定位条204固定，定位条204两端有方孔208，使吊环202或吊环205穿过后固定。

在其中一些实施实例中，包装袋可以是硬纸盒201或者硬纸带207，纸盒或纸带上面连接有吊环202或吊环205，将包裹装入后，吊环202和吊环205在包装顶部。

在其中一些实施实例中，包裹可以是长方体，吊环的数量可以为4个。定位条204通过将对角线的吊环两两定位，使4个吊环分布尺寸符合预定要求。

在其中一些实施实例中，将包裹放入包装袋后，使吊环竖直站立，将固定尺寸的定位条204套在吊环上，使吊环穿过定位条两端长孔208，定位条204尺寸与机载吊装模块里机载吊架的销孔311分布尺寸对应相等，以使无论何种尺寸的包装袋的吊环分布均与机载吊架的销孔分布相对应，能够通过吊架将货物吊起。

该系统包含的机载吊装模块，提供一种无人机装载货物的装置和方法，包括至少一个通信模块302、控制器301、旋转舵机304和机载吊架303。图3中，控制器301通过通信模块302与地面辅助装载模块103的控制器415通信，控制器301控制旋转舵机304的运动，旋转舵机304定子外壳与机载吊架303的定子308连接，旋转舵机304动子与机载吊架303的动子306连接，机载吊架的动子306与定子308通过铰链305连接，机载吊架303的动子306的摇臂307末端有插销310，可通过旋转舵机304的驱动，插入或拔出吊架定子308的销孔311，吊架定子308连杆端部地面有导引槽309，斜面结构可使货物包装104上的吊环202或吊环205在一定范围内滑入定位。

该系统包含的地面辅助装载模块，提供一种配合无人机机载吊装模块，将如上所述包装后的货物自动装载到无人机上的装置和方法，包括至少一个电源407、人机接口412、通信模块416、控制器415、驱动器409、货物升降机410、驱动器411、吊环定位夹具404和整体框架403。图4中，控制器415通过通信模块416与机载货物吊装模块102的控制器301通信，人机接口412可接受人工指令，触发系统工作，人机接口412可通过信号线413与控制器415通信，电源407通过电力线408给驱动器409和驱动器411进行供电，驱动器409用于驱动货物升降机410的上升或下降，货物升降机410上托盘406上表面有货物定位槽405和吊环定位夹具404，货物升降机410底部安装在整体框架403的底部托盘414上，停机坪401安装在整体框架顶部，停机坪中心有窗口402，使货物能够穿过挂载在无人机机载吊架303上；

在其中一些实施实例中，电源407可以是市电插座、电池或发电机等。

在其中一些实施实例中，人机接口412可以是有线或无线的硬件触发装置，例如按键、旋钮或拨杆等，也可以是有线或无线的设备上的软件，例如手机或平板电脑的app、基于web的网页等。

在其中一些实施实例中，通信模块416可以是无线的通信设备，基于无线的通信协议，与通信模块302进行通信，使控制器415与控制器301能够进行信息交换。

在其中一些实施实例中，货物升降机410的作动形式可以是电动、液压或气动的，相应的，驱动器409可以是电机驱动器、液压驱动系统或气压驱动系统。货物升降机410上托盘的货物定位槽405可以通过机械加工作为托盘实体的一部分，也可以通过外加调节装置安装于托盘406上。

在其中一些实施实例中，吊环定位夹具404的作动形式以是电动、液压或气动的，相应的，驱动器411可以是电机驱动器、液压驱动系统或气压驱动系统。吊环定位夹具404安装在货物升降机的上托盘406上。

在其中一些实施实例中，整体框架403的形状可以是规则或不规则的长方体或圆柱体等，材质可以是金属或非金属。

在其中一些实施实例中，系统初始时，货物升降机410上托盘406处于较低的位置，即装货位，货物经过所述包装后，可放入货物升降机410上托盘406的定位槽405中，此时操作人员通过人机接口412向控制器416发送指令，在驱动器411的供能下，控制器416控制吊环定位夹具404，将货物包装袋上的所有吊环推送到指定位置。然后在驱动器409的供能下，控制器415控制货物升降机上托盘406升起，将货物托举到无人机机载吊架303下方，即吊载位，货物从停机坪401的中心窗口402穿过，机载吊架定子308下方导引槽309在货物向上托举过程中，将货物包装上的吊环202导入待装位置，此时吊环中心孔与机载吊架定子销孔311同心。此时控制器415通过通信模块416，向通信模块302发送指令，确认货物已经到位，可以对货物进行吊装。

在其中一些实施实例中，通信模块302可以是无线的通信设备，基于无线的通信协议，与通信模块416进行通信，使控制器301与控制器415能够进行信息交换。

在其中一些实施实例中，旋转舵机304的定子外壳可以安装在机载吊架的定子308上或无人机本体101的底部，旋转舵机的动子与机载吊架动子306连接，连接的方式可以是粘接、焊接或通过其他形式的联轴器连接。

在其中一些实施实例中，机载吊架的定子308安装在无人机本体底部，吊架定子可以是四边形的框架结构，吊架定子308与吊架动子306之间可以通过铰接305的方式连接，以使吊架动子306可以相对吊架定子308进行旋转运动，吊架定子308底部四角可以具有四个销孔311，吊架动子连接杆307端可以具有四个插销310。

在其中一些实施实例中，初始无人机101降落在停机坪上401时，吊架动子的插销310处于吊架定子的销孔311外的，即待装位，当通信模块302接收到通信模块416发出的信号时，控制器301获得控制器415发送的货物已经托举到装载位的信息，控制器301发送指令，控制舵机304旋转，使吊架动子的插销310通过货物包装上的吊环202中心，插入吊架定子的销孔311，即进入了吊装位，此时货物通过吊环已经吊装在无人机的吊架上。

在其中一些实施实例中，货物吊装在无人机吊架上以后，控制器301通过通信模块302向通信模块416发送货物已经完成吊装的信息，通信模块416将信息传入控制器415，在驱动器409的供能下，控制器415控制货物升降机下降到初始时的装货位，等待新的货物装入，在驱动器411的供能下，控制器415控制吊环定位夹具404回收到初始位置，等待下一次装货时对吊环进行定位。

在其中一些实施实例中，如果货物吊装不成功，判断标准为至少有一个吊环202未被插销310锁止，则操作人通过人机接口412发送指令，控制器415接收指令后通过通信模块416和通信模块302向控制器301发送指令，控制器301控制机载吊架动子旋转，使动子插销310从定子销孔311中拔出，货物从机载吊架脱开，操作人重新将货物在升降机上托盘406定位，开始货物装载流程。

在其中一些实施实例中，无人机从停机坪401起飞，飞到目的地和投放点后，控制器301发送指令，控制旋转舵机304运动，使吊架动子的插销310从货物包装吊环和吊架定子的销孔311中拔出，货物在重力作用下，落到投放平面上，完成货物的自动投放过程。

在其中一些实施实例中，无人机完成货物自动投放后，返回出发点，可以降落在停机坪401上，等待下一次装货并执行送货任务。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (13)

1.一种无人机货物自动装载与投放系统，包括无人机、货物包装装置、地面辅助装载装置、和机载货物吊装装置；其特征在于：无人机底部具有安装结构，机载货物吊装模块安装在无人机底部，货物吊装时无人机停放于地面辅助装载装置的停机坪上，经过货物包装装置包装后的货物通过地面辅助装载装置自动输送至与机载货物吊装装置连接，完成吊装。

2.根据权利要求1所述的无人机货物自动装载与投放系统，其特征在于，其中，所述货物包装模块包括包装袋、吊环和定位条，吊环是环形结构，与包装袋连接，定位条是条形结构，两端有定位孔，可对吊环位置进行中心定位。

3.根据权利要求2所述的无人机货物自动装载与投放系统，其特征在于，包装袋是硬纸盒或者硬纸带，纸盒或纸带上面连接有吊环，将包裹装入后，吊环在包装顶部。

4.根据权利要求3所述的无人机货物自动装载与投放系统，其特征在于，其中包装袋分为多种规格，可适应不同形状、不同大小的包裹。

5.根据权利要求4所述的无人机货物自动装载与投放系统，其特征在于，包裹是长方体，吊环的数量为4个，定位条通过将对角线的吊环两两定位，使4个吊环分布尺寸符合预定要求。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的无人机货物自动装载与投放系统，其特征在于，其中机载货物吊装装置包括至少一个吊架通信模块、吊架控制器、旋转舵机和机载吊架；其中吊架通信模块通过信号线连接吊架控制器，吊架控制器通过信号线连接旋转舵机分为动子和定子，动子与定子之间通过转动副连接，动子有摇臂和插销，摇臂一端连接舵机输出轴，另一端连接插销，动子受旋转舵机驱动，通过旋转使插销插入或拔出定子上的销孔，定子有连杆、销孔和吊环导引槽，连杆一端固定在无人机底部，另外一端连接销孔和导引槽，导引槽入口竖直向下，出口平面与销孔端面垂直，导引槽从下至上内部的斜面为逐渐缩小的趋势，入口和出口的竖直投影为长方孔。

7.根据权利要求6所述的无人机货物自动装载与投放系统，其特征在于，吊架定子为四边形的框架结构，吊架定子与吊架动子之间通过铰接的方式连接，吊架定子底部四角具有四个销孔，吊架动子连接杆的端部具有四个插销。

8.根据权利要求7所述的无人机货物自动装载与投放系统，其特征在于，所述地面辅助装载装置包括：至少一个电源、人机接口、装载通信模块、装载控制器、货物升降机及其驱动器、吊环定位夹具及其驱动器和整体框架；其中整体框架在竖直方向至少分为底板和顶层停机坪两层，底板和顶层停机坪之间通过多个支柱连接，顶层停机坪中心设有中心窗口，使货物能够穿过中心窗口并吊挂在无人机上。

9.一种根据权利要求8所述的无人机货物自动装载与投放系统的装载与投放方法，其特征在于，初始无人机降落在停机坪上时，吊架动子的插销处于吊架定子的销孔外，当吊架通信模块接收到装载通信模块发出的信号时，吊架控制器获得装载控制器发送的货物已经托举到装载位的信息，吊架控制器发送指令，控制舵机旋转，使吊架动子的插销通过货物包装上的吊环中心，插入吊架定子的销孔，即进入了吊装位，货物通过吊环吊装在无人机的吊架上。

10.一种根据权利要求9所述的无人机货物自动装载与投放系统的装载与投放方法，其特征在于，货物吊装在无人机吊架上以后，吊架控制器通过吊架通信模块向装载通信模块发送货物已经完成吊装的信息，装载通信模块将信息传入装载控制器，在货物升降机驱动器的供能下，装载控制器控制货物升降机下降到初始时的装货位，等待新的货物装入，在吊环定位夹具驱动器的供能下，装载控制器控制吊环定位夹具回收到初始位置，等待下一次装货时对吊环进行定位。

11.一种根据权利要求10所述的无人机货物自动装载与投放系统的装载与投放方法，其特征在于，当至少有一个吊环未被插销锁止，则判断为货物吊装不成功，操作人通过人机接口发送指令，装载控制器接收指令后通过装载通信模块和吊架通信模块向吊架控制器发送指令，吊架控制器控制机载吊架动子旋转，使动子插销从定子销孔中拔出，货物从机载吊架脱开，操作人重新将货物在升降机上托盘定位，开始货物装载流程。

12.一种根据权利要求10所述的无人机货物自动装载与投放系统的装载与投放方法，其特征在于，无人机从停机坪起飞，飞到目的地和投放点后，吊架控制器发送指令，控制旋转舵机运动，使吊架动子的插销从货物包装吊环和吊架定子的销孔中拔出，货物在重力作用下，落到投放平面上，完成货物的自动投放过程。

13.一种根据权利要求12所述的无人机货物自动装载与投放系统的装载与投放方法，其特征在于，无人机完成货物自动投放后，返回出发点，降落在停机坪上，等待下一次装货并执行送货任务。