CN106715265A - 无人飞行器起降平台 - Google Patents

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Abstract

一种用于无人飞行器的起降平台(20)，包括多个大致漏斗形的定心壳体(22)，它们被配置成与无人飞行器的相应多个伸出部配合，从而使无人飞行器到达预定降落位置。平台能够具有给无人飞行器的电池充电的装置和/或用于串行数据传输的装置。

Description

无人飞行器起降平台
本发明涉及VTOL(竖直起飞和降落)无人飞行器的降落(和起飞)平台。在一个有利实施例中，起降平台也适合于对驱动无人飞行器的电池充电。本发明还涉及包含无人飞行器和起降平台的组件。
背景技术
已知的是，通常被称为无人机的无人飞行器(简称UAV或RPA，遥控驾驶航空器)是一种以没有机载驾驶员为特征的航空器。它的飞行由飞行器机载计算机和/或地面计算机控制，通常是在地面驾驶员或者机载自动驾驶仪或地面自动驾驶仪的遥控下。在遥控驾驶无人飞行器中，竖直起降型无人飞行器拥有特殊的盘旋能力，因此能自动补偿风力和其他飞行扰动。
无人飞行器最初被广泛用于军事用途，逐渐用于民用，例如在火灾的预防和干预行动中、用于非军事安保、用于带有远程感测和监视目的的管道监测、用于研究和开发、以及更普遍地在系统可能允许以低于常规航空器的成本执行“枯燥、肮脏、危险”任务的所有场合。
在造成受灾地点无法从陆路和空中输入任何其他救援手段的灾害后，能够有利地利用无人飞行器快速地察看现场和策划正确的干预。
每一架无人飞行器都具备一种或多种任务定制附件，例如照相机、摄像机、传感器或类似物。
由智能手机或平板电脑Wi-Fi无线技术操控的小型无人飞行器是已知的，它们具有用于在控制装置上产生图像流的前置广角摄像头。
WO 2012/064 891 A2公开了一种无人飞行器(UAV)的入坞系统。该系统提供稳定的降落和起飞区，以及在部分实施例中还提供燃料补充和/或数据传输功能。该入坞系统可以包括降落表面，定向机构将该降落表面调节成水平降落区，与降落表面关联的对准机构将停泊在降落表面上的UAV移动到降落表面上的预定位置，从而为UVA自动补充燃料。当UAV被定位到预定位置后，闩锁机构可以将UAV固定到降落表面。
发明内容
申请人已经注意到，使用电驱无人飞行器的主要限制之一是电池使用时间，以及随之而来的在较短时间内对电池频繁且有效率充电的要求。
目前，在着陆后，已耗尽的电池被充满电的电池替代，或者被手动地连接到充电电源。这两种方案都是麻烦的且不实用。另外，无人飞行器被强制移动到远离工作区的特定援助可得区域。
申请人已经发现，WO 2012/064891中公开的入坞系统不利地需要一种联接到降落表面且将航空器移动到充电位置的电动对准机构。该机构是昂贵的，它必须被精确地制造，并且它会发生影响飞行器操作的故障。事实上，除非航空器被移动到精确的充电位置，否则充电将不会发生，航空器不能为新任务而起飞。
申请人的目标是提供一种无人飞行器的起降平台，它允许无人飞行器在不需要电动对准机构的情况下降落在中央位置。
根据本发明，通过一种起降平台实现所述目标，起降平台设计成包括多个被合适地布置和定形的定心壳体，从而将正在降落中的无人飞行器引导到预定停泊位置。
根据本发明，无人飞行器具有伸出部元件，每个伸出部元件被配置成接合定心壳体之一的表面。由于伸出部元件和壳体的相应定形表面之间的接合，无人飞行器被自动地定位到预定停泊位置，不需要被电动机构推动。在所述位置，无人飞行器的电池能被充电，和/或无人飞行器油箱能被充满，和/或飞行期间所获取的数据能被下载，和/或其他数据(例如，关于未来任务的)能被上传到无人飞行器的存储器中。
根据第一方面，本发明涉及一种用于无人飞行器(优选地电驱无人飞行器)的起降平台，它包括多个大致漏斗形的定心壳体，该壳体被配置成与无人飞行器的相应多个伸出部(例如，起落架)配合，从而到达预定的降落位置。
优选地，所述漏斗形壳体的轴线与所述伸出部的轴线共轴。
大致漏斗形的定心壳体可以包括大致截锥形嘴部和从该截锥形嘴部的底部向下延伸的管状部分。
优选地，大致漏斗形的定心壳体关于基本平坦的表面凹陷，且被布置以限制所述漏斗形壳体之间的所述基本平坦表面的面积。
在一个实施例中，至少两个所述基本漏斗形定心壳体在所述基本平坦表面的附近是基本相切的。
在一个实施例中，提供被配置成与无人飞行器的至少一个所述伸出部的相应正电触点和相应负电触点配合的正电触点和负电触点，从而给所述无人飞行器的电池充电。
平台的电触点可以包括被配置成抱合无人飞行器的伸出部的臂。
优选地，所述臂是交错的。
优选地，所述臂的闭合受到优选被设置在大致漏斗形定心壳体底部的压力传感器的控制。
在一个实施例中，起降平台还包括串行数据传输装置。有利地，所述壳体的表面至少部分地是一种提供与所述伸出部之间的小摩擦的材料。
在一个实施例中，所述大致漏斗形定心壳体的表面的至少一部分大致符合对数曲线。
根据第二方面，本发明涉及一种包含无人飞行器和根据之前所述的起降平台的组件。
无人飞行器是竖直降落和起飞的无人飞行器，它包括多个旋翼和从无人飞行器的固定结构向下延伸的多个伸出部，每个伸出部都是圆柱支撑脚或类似的形式。
附图说明
本发明的详细描述在本文中以非限制示例的方式被给出，其中：
图1示意性地画出了适合于接合根据本发明的起降平台的无人飞行器；
图2示意性地画出了根据本发明的起降平台；
图3a示意性地局部画出了具有功率臂的圆柱定心脚和下触点(定位触点和/或用于数据传输)；
图3b示意地画出了替代的电触点方案；
图3c示意地画出了与数据传输方案结合的替代电触点方案；
图4a.1和4a.2示意地分别画出了张开和闭合功率臂的形态；
图4b是图3b的支撑脚的平面图；
图4c是图3c的支撑脚的平面图；
图5画出了作用在支撑脚和定心壳体的表面之间的触点上的作用力；
图6画出了本发明的起降平台的壳体的轮廓曲线的实施例。
具体实施方式
图1示意性地画出了无人飞行器10。具体地，图1画出了竖直起降无人飞行器10，所述垂直起降无人飞行器具有通过四根梁13分别连接到中心本体12的四个旋翼11。这种四旋翼无人飞行器也被称为“四轴飞行器”。更普遍地，具有多个旋翼的无人飞行器被称为“多旋翼”。根据本发明，无人飞行器10能具有任何数量的旋翼，四个旋翼、少于四个旋翼(例如一个或三个旋翼)或多于四个旋翼(例如六个或八个旋翼)。
其次，根据本发明的无人飞行器包括固定的起落架，起落架具有包含水平臂(或星形单臂)和多个伸出部16的结构15，所述伸出部是面朝下的支撑脚16的形式。
在图1的实施例中，支撑脚16的数量是四个，每只支撑脚被分别连接到四角星形板的各端部。如下面所述，这种四脚起落架是特别有利的，但根据本发明能够提供更少的支撑脚或更多的支撑脚。
无人飞行器10包括用于旋转旋翼叶片的电机MOT。优选地，无人飞行器包括用于每个旋翼11的电机MOT。在无人飞行器10上，例如在中心本体12上，设有一个或多个电池BAT和至少一个无线信号接收器REC。还设有在飞行期间拍摄单张照片或视频的摄像头CAM和/或传感器SEN。通常，还设有存储器MEM，从而存储飞行期间所获得的数据和/或与后续任务相关的数据。将不进一步展示或描述所有的这些组件，因为它们都是已知的。
支撑脚16优选是彼此相同的。每个支撑脚16基本上具有带竖直轴线的圆柱形状，并且具有自由下端16’和上端，所述上端被连接到结构15(可呈星形板15的形式)。
至少一个支撑脚16(图3a)包括与无人飞行器10的机载电池BAT的对应正极和对应负极相连的正极电触点16+和负极电触点16-。在一个实施例中，每个支撑脚16具有被连接到电池BAT的电极的电触点16+和16-。
在其他实施例中，每个支撑脚16可以具有电触点16+和16-中的至少一个。例如，在四个支撑脚的情况下，有两个支撑脚分别具有正电触点和负电触点。替代地，两个支撑脚可以只具有正电触点，另外两个支撑脚可以只具有负电触点。
在其他实施例中，两个电触点16+和16-(或单个电触点)只被设置在支撑脚16的一部分上。
根据一个实施例(图3a，4a.1和4a.2)，正电触点16+和负电触点16-被设置在圆柱脚16的外表面的各部分上，且被绝缘体隔开。例如，它们能够以金属环或类似物的形式。
替代地(参见图3b和4b)，电触点被设置在其他位置，例如在至少一个支撑脚的自由端16’的下表面上(参见图3b和4b)。例如，如图4b所示，两个电触点中的一个(图4b中16+)能够被设置在中心圆位置，而另一个(图4b中16-)在外圆位置。
优选地，提供用于串行数据传输的装置。优选地，这种装置可从至少一个支撑脚16的下表面接入，从而在航空器降落时它能够与起降平台的相应装置(或者连得接到起降平台相应装置)配合。用于串行数据传输的触点优选地被连接到无人飞行器10机载的任何已知类型的数据存储器MEM。
图3c和4c画出了与串行数据传输装置组合的替代电触点装置。根据该实施例，每个支撑脚的下表面被大致地分成四个扇段：例如两个径向相对的扇段能够被用于电触点(16+和16-)，另外两个径向相对的扇段用于串行数据传输(一个扇段接收数据(Rx)，另一个发送数据(Tx))。
根据本发明，起降平台20可以包括基本平坦的表面21和多个相对平坦表面下凹的定心壳体22。壳体22被合适地布置与定形，从而使无人飞行器10在降落后滑动和移动到预定的停泊位置。在图2的实施例中，有四个壳体22，每个壳体基本上都是漏斗的形式。
壳体22的数量以及它们的布置优选地对应于无人飞行器10的支撑脚16的布置。因此，如果支撑脚16是四个，支撑脚的轴线X-X位于方形的四个顶点处，则同样地定心壳体的轴线Y-Y被相应地布置在边长等于支撑脚方形边长的方形的四个顶点处。
优选地，每个定心壳体22包括大致截锥形嘴部22A和从截锥形嘴部22A的底部向下延伸的管状部22B。总体上，定心壳体22的形状是漏斗形。优选地，壳体22基本上是两两相切的。这减少了定心壳体22之间的平坦表面21的面积，还降低了降落时支撑脚16之一停留在平台表面21上而没有被朝着定心壳体22的中心引导的风险。漏斗形壳体22的轴线Y-Y与伸出部16的轴线X-X是同轴的。
图3a示意性地画出了在漏斗形壳体22的底部的支撑脚16的一部分。支撑脚被画出与连接到电源31的端部的两个臂30+，30-接合。两个臂30+，30-被交错排列以避免两个极之间的接触。
图3a还示意性画出了在支撑脚16的下端16’处的在场触点26。该触点能报告支撑脚已经到达其底部位置。
图4a.1和4a.2分别示意性地画出了处于张开和闭合形态的臂。
在闭合形态下，臂30+，30-抱合并将支撑脚16和无人飞行器10固定到起降平台20。在臂张开后，无人飞行器10能为新任务自由起飞。
大致漏斗形壳体22保证无人飞行器10从不准确的降落位置滑动到完美居中的最佳降落和停泊位置。在该最佳位置，每个支撑脚16在壳体22的圆柱部分22B中是宽松的。至少一个支撑脚在电池充电期间可以被闭合的臂固持住，或者处于安全考虑被保持住。优选地，所有的支撑脚可以被保持住。
无人飞行器10通过被收紧的臂被保持到起降平台20；这是一种非常有利的特征，例如，当起降平台被刚性地连接到车辆车顶且无人飞行器随其被运输时：被牢牢固定的无人飞行器10不可能与平台20分离，且只要充电臂张开就能起飞。
根据一个实施例，无人飞行器10的质量保证支撑件的下端16’与合适的支撑表面27相接触。触点26可以设置在该支撑表面上，如图3a所示。
臂30+，30-的闭合能通过在场触点(比如图3a中的触点26)，或者通过任意其他探测支撑脚存在于合适位置的传感器被激活。当充电完成后(或者在中央控制系统的操作后)，臂30+，30-可以张开以允许无人飞行器基本无摩擦且无约束地起飞。
除了便于降落阶段，圆柱脚16和壳体22的形状的结合也有利于起飞，并且保证沿竖直方向(或接近竖直方向)起飞。事实上，在起飞的第一阶段，壳体22的管状部分22B引导支撑脚16。另外，在起飞的第二阶段，关于竖直起降方向的偏离受到壳体22的凹陷形状的限制。
有利地，根据本发明的起降平台20还包括接近和指向系统(例如，基于标记物的追踪)。该系统允许无人飞行器相对于平台被基本竖直地定位、甚至自动降落，从而保证无人飞行器的非常精确的降落，例如只有几厘米的误差。所述标记物追踪能够基于光学的和/或无线电的和/或红外线的系统。
参见图5，现在将考虑嘴部22A的最小斜率，从而使根据本发明降落在平台20上的无人飞行器10被确实地驱动到停泊位置。为了评价所述滑动以及必要的斜率，应当考虑关键的作用力。
如果G是单个支撑脚上的重量(对应于无人飞行器的总重量除以支撑脚的数量，在所示实施例中是除以4)，F是驱使无人机滑向入口的作用力(平行于滑动平面的重力分量)，N是压力(垂直于滑动平面的重力分量)，得到以下等式
F＝G*sinα>f*G*cosα [1]
则
sinα>f cosα [2]
f<tgα [3]
其中“α”是滑动平面关于水平位置的倾斜角，“f”是壳体表面的材料与支撑脚的端部表面之间的摩擦系数。
所以，在摩擦系数f已知的情况下，保证无人飞行器朝最佳停泊位置“滑动”的最小倾斜角是：
α>arctg f [4]
例如，在壳体表面和支撑脚端部的材料都是TeflonTM的情况下，则系数f＝0.04，最小角度等于α＝0.039＝2.3°。
在钢-铝的情况下，角度至少需要等于0.55，对应于大约31°。
一般地，壳体22关于平坦表面的斜率越大，无人飞行器10到达最佳停泊位置的速度和可靠性就越大。在任何情况下，必须保持低摩擦系数，从而防止无人飞行器停在半路上。
嘴部22A的倾斜根据材料和/或可用空间可以具有不同的形状。根据一个实施例，嘴部22A是具有之前所定义的最小斜率的大致截锥形式。根据另一个实施例，所述形状是图6中所展现的自然对数函数形状，它确保了一种比如允许由弧线自身所创造的支撑脚到入口的“伴随”滑动的斜率。
根据本发明，由此提供用于无人飞行器10的起降平台20，它允许无人飞行器降落在预备工作站上，这保证无人飞行器的机载充电系统与充电平台的电池充电器(或电源)之间的高效电连接。有利地，本发明保证了充电时间与目前电池组所使用的传统充电系统相当。
根据本发明，在无人飞行器的降落阶段要求精确度。但是，所需要的精确度不要求定位在平台上的连接器位于中心位置。事实上，壳体的形状在没有使无人飞行器朝最佳位置滑动的其他主动平移系统或者任何人为干预的情况下，确保了无人飞行器朝着停泊位置滑动和最佳的充电。
根据本发明，漏斗形壳体的数量(以及支撑脚的数量)大于一个。有利地，能够是三个或四个。除了说明书中所提到的优点之外，本发明允许空出无人飞行器的中央部分，例如用于摄像头和/或传感器。
根据本发明的实施例，一个或多个支撑脚(也)能够被用作联网部件，从而允许下载无人飞行器在任务中收集到的数据和/或在无人飞行器的机载存储器中存储所述数据。这避免了传输飞行期间所收集到的数据的复杂且沉重的机载设备。
本发明适用于任何VTOL无人飞行器。

Claims (15)

1.一种用于无人飞行器(10)的起降平台(20)，包括多个大致漏斗形定心壳体(22)，所述多个大致漏斗形定心壳体被配置成与无人飞行器(10)的相应的多个伸出部(16)配合，从而使无人飞行器到达预定降落位置。
2.根据权利要求1所述的起降平台(20)，其中所述多个大致漏斗形定心壳体(22)的轴线(Y-Y)与所述多个伸出部(16)的轴线(X-X)同轴。
3.根据权利要求1或2所述的起降平台(20)，其中所述多个大致漏斗形定心壳体(22)包括大致截锥形嘴部(22A)和从截锥形嘴部(22A)的底部向下延伸的管状部(22B)。
4.根据前述权利要求中任何一个所述的起降平台(20)，其中所述多个大致漏斗形定心壳体(22)关于大致平坦表面(21)凹陷。
5.根据权利要求4所述的起降平台(20)，其中所述多个大致漏斗形定心壳体中的至少两个在所述大致平坦表面(21)附近是基本相切的。
6.根据前述权利要求中任何一个所述的起降平台(20)，还包括被配置成与无人飞行器(10)的所述多个伸出部(16)中的至少一个上的相应正电触点(16+)和相应负电触点(16-)配合的正电触点(30+)和负电触点(30-)，从而为所述无人飞行器的电池(BAT)充电。
7.根据权利要求6所述的起降平台(20)，其中起降平台的所述电触点(30+，30-)包括被配置成抱合无人飞行器(10)的伸出部(16)的臂(30+，30-)。
8.根据权利要求7所述的起降平台(20)，其中所述臂(30+，30-)是交错的。
9.根据权利要求7或8所述的起降平台(20)，其中所述臂的闭合由压力传感器(26)控制。
10.根据前述权利要求中任何一个所述的起降平台(20)，还包括用于串行数据传输的装置。
11.根据前述权利要求中任何一个所述的起降平台(20)，其中所述多个大致漏斗形定心壳体(22)的表面至少部分是提供与所述多个伸出部(16)的降低摩擦的材料。
12.根据前述权利要求中任何一个所述的起降平台(20)，其中所述多个大致漏斗形定心壳体(22)的至少一部分表面基本上符合对数曲线。
13.一种组件，所述组件包括无人飞行器(10)和根据前述根据权利要求中任何一个所述的起降平台(20)。
14.根据权利要求13所述的组件，其中所述无人飞行器(10)是竖直起降无人飞行器，并包括多个旋翼和多个伸出部(16)，每个伸出部呈圆柱支撑脚的形式，所述多个伸出部从无人飞行器的固定结构向下延伸。
15.根据权利要求13或14所述的组件，其中所述无人飞行器(10)还包括插头/插槽设备，从而在无人飞行器(10)和起降平台(20)之间传输数据。
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