CN106886225A - 一种多功能无人机智能起降站系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能无人机智能起降站系统，包括视觉粗定位模块，其包括站内控制器，其与图像采集装置相连，图像采集装置设置于起降站内且用于实时采集无人机图像，并传送至站内控制器，再经机载控制器来控制无人机的降落高度及无人机机头的方向；精定位模块，其包括用于承载无人机的支撑架；所述支撑架上安装有与无人机旋翼相匹配的凹槽，且每个凹槽的与无人机支架相接触的侧面上均开设有豁口，所述豁口用于支撑并固定无人机；自主续航模块，其用于接收机载控制器传来的无人机电池仓的电量信息及电池位置信息，对低于或等于预设电量信息的无人机电池仓进行自主充电，来实现无人机的自主续航。

Description

一种多功能无人机智能起降站系统

技术领域

本发明属于无人机领域，尤其涉及一种多功能无人机智能起降站系统。

背景技术

随着无人机不断发展推广，应用的领域也逐渐广泛化，比如农业喷洒、电力巡检、防灾应急、航拍测绘和中继通讯领域等。而且，地面设备已经成为整套无人机安全、稳定高效运行的关键。

目前无人机应用的主要形式是通过专业飞手在现场使用遥控器控制无人机，同时配备几名工作人员，观察无人机飞行状态、为无人机换电池、观察无人机采集数据质量等，保证无人机安全、高效完成任务。因此无人机作业一次，耗人耗时，尤其对于需要无人机高频率作业的场合，耗资尤为巨大，且恶劣地形难以到达。

电池发展制约无人机续航时间；无人机做不到一劳永逸，每次任务均需要校准；每次作业需多人配合才能顺利完成；无人机操作需要现场操作，开车至现场耗费时间，对于一些车辆难以到达的恶劣地形，需要人进行攀爬至采集地点才能取得最优的采集效果；对于需要高频率作业的场合，劣势尤为突出。同样，制约多旋翼无人机大规模应用的续航问题至今没有解决。因此研发突破无人机续航能力、有人值守等问题的地面设备，成为整套无人机系统安全、稳定高效运行的关键。

发明内容

为了解决现有技术中无人机作业一次资源耗费大而制约自主无人机续航的不足，本发明提供了一种多功能无人机智能起降站系统，其能够配合无人机精准降落、自主续航、信息中继功能，并配有各种多功能模块实现系统优化使用，从而增强无人机系统的广泛应用能力。

本发明的一种多功能无人机智能起降站系统，包括：

视觉粗定位模块，其包括站内控制器，所述站内控制器与图像采集装置相连，所述图像采集装置设置于起降站内且用于实时采集无人机图像，并传送至站内控制器进而得到无人机空中三维坐标点，再经机载控制器来控制无人机的降落高度以及无人机机头的方向；

精定位模块，其包括用于承载无人机的支撑架；所述支撑架上安装有与无人机旋翼相匹配的凹槽，且每个凹槽的与无人机支架相接触的侧面上均开设有豁口，所述豁口用于支撑并固定无人机；

自主续航模块，其用于接收机载控制器传送来的无人机电池仓的电量信息及电池位置信息，对低于或等于预设电量信息的无人机电池仓进行自主充电，来实现无人机的自主续航。

进一步的，所述凹槽的形状为U型，或V型，或漏斗型。

这些凹槽的形状设计有利于无人机快速且准确降落。

进一步的，所述支撑架与驱动机构相连，所述驱动机构与站内控制器相连。

本发明还通过站内控制器来控制驱动机构进行驱动支撑架运动来准确承接无人机降落。

进一步的，所述自主续航模块包括自动更换电池模块，所述自动更换电池模块包括三维直角坐标运动系统，所述三维直角坐标运动系统包括在第一轴方向运动的第一平移机构、在第二轴方向运动的第二平移机构以及在第三轴方向运动的第三平移机构，其中，第一轴方向、第二轴方向和第三轴方向构成三维直角坐标系；所述第一平移机构、第二平移机构和第三平移机构的一端分别与站内控制器相连，另一端分别与用于抓取电池的电池夹取装置相连。

本发明利用站内控制器驱动第一平移机构、第二平移机构和第三平移机构，进而带动电池夹取装置遍访立体空间内各点位，实现机械抓手抓取不同机型机位电池，提高了电池更换的效率和准确性。

进一步的，所述自主续航模块包括无线充电模块，其设置于智能起降站内；且当无人机保持稳定后，无线充电模块用于对无人机电池仓内电池进行自主无线充电。

进一步的，所述自主续航模块包括有线充电模块，其设置于智能起降站内；且当无人机保持稳定后，无人机电池仓内电池恰好固定于有线充电模块处，用于实现对无人机电池仓内电池进行自主有线充电。

进一步的，该智能起降站系统还包括外部环境监测模块，其包括气象传感器，用于实时测量外界环境信息并传送至站内控制器，所述站内控制器与预警装置相连。

气象传感器实时测量外界环境，包括风向、风速、降水量、温度和湿度，传送至站内控制器，通过与网络气象要素对照，实时分析环境影响，决定无人机作业与否以及作业时间、路径和方式进行实时报警。

进一步的，所述站内控制器通过云端服务器与监控中心服务器相互通信。

监控中心服务器还与显示模块相连，通过监控中心服务器来实时监控智能起降站系统的工作状态信息。

进一步的，该智能起降站系统还包括站内外视频监控模块，其用于实时采集智能站内的视频信息，并实时上传更新至云端服务器并存储，同时实现在无人值守作业过程中发生被破坏及被偷盗时保存相关证据信息。

进一步的，所述机载控制器通过无线通信方式与智能起降站的站内控制器相互通信，站内控制器接收到机载控制器发送的无人机机型信息及降落信号后，将智能起降站自身的地理位置信息反馈至机载控制器，机载控制器根据接收到的智能起降站地理位置信息，筛选出最近距离的智能起降站进行降落。

优选地，所述多功能无人机智能起降站系统还包括天窗系统，所述天窗设置在智能起降站的顶部；

优选地，所述站内控制器直接与监控中心服务器相互通信，所述监控中心服务器还用于将无人机航迹规划路径经站内控制器传送至机载控制器，来控制无人机的飞行路径。

本发明通过对智能起降站距离的远近来筛选出距离无人机最近的智能起降站，实现了无人机快速达到智能起降站，提高了无人机自主续航的效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的多功能智能起降站，与无人机协同工作构成任务系统，突破现有技术的缺点，不受地形地势的限制，做到一次安装，多次运行；自主续航与存储，远程实时监控，剔除飞手限制，真正无人值守化作业；无人机及载荷数据交互及信息中继，实时掌握无人机采集数据质量。

(2)本发明采用图像采集装置实时采集无人机图像信息并传送至站内控制器，在站内控制器对无人机图像信息进行处理后生成无人机降落控制指令，再传送至机载控制器，这样减少了机载控制器运算过程的消耗，从而提高了无人机续航的能力。

(3)本发明通过先利用图像采集装置实现无人机粗降，再利用精定位模块实现无人机精准降落且保持稳定，最终保证了无人机电池更换的准确性，实现了无人机快速自主续航；解决了限制无人机系统广泛应用的续航问题，通过稳定可靠的直角坐标运动系统完成整套更换电池并充电续航过程，破除了无人机“无人化”应用的一大壁垒，自主作业完成电池更换。

(4)而且还参数调用方式可使电池更换系统灵活应用于通用的各类无人机机型，以便于不同无人机机型在智能起降站上降落更换电池，提高智能起降站的通用能力。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的一种多功能无人机智能起降站系统结构示意图；

图2为本发明精定位模块的整体结构示意图；

图3为本发明限位槽的示意图；

图4为本发明精定位模块的整体结构示意图二；

图5为本发明电池夹取装置俯视图；

图6为本发明电池夹取装置主视图；

图7为本发明卡块示意图。

其中，1.固定台，2.第一限位槽，3.滑块，4.滑杆，5.固定桩，6.降落面，7.平撑，8.卡槽，9.竖直面，10.第二限位槽，11.支架；12.夹爪本体，13.第一夹爪部件，14.第二夹爪部件，15.第一抓手，16.第二抓手，17.锯齿状块体，18.卡块，19.紧固件，20.伺服电机，21.第一凹槽，22.按动块，23.卡槽，24丝杠滑块。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

图1是本发明的一种多功能无人机智能起降站系统结构示意图。

如图1所示，本发明的一种多功能无人机智能起降站系统，包括：

(1)视觉粗定位模块，其包括站内控制器，所述站内控制器与图像采集装置相连，所述图像采集装置设置于起降站内且用于实时采集无人机图像，并传送至站内控制器进而得到无人机空中三维坐标点，再经机载控制器来控制无人机的降落高度以及无人机机头的方向。

在具体实施例中，图像采集装置包括摄像头和照明设备，所述照明设备用于为摄像头提供光源，所述摄像头用于实时拍摄无人机图像信息。

站内控制器接收到无人机图像信息后，利用站内控制器视觉算法高速处理图像，重建无人机空中三维坐标点位。通过无线传输将三维坐标点位传输至机载控制器内，机载控制器内分析处理得到最优降落策略，最终降落精度可控制在预设高度范围(比如：5cm)内，同时无人机机头朝向可人为指定。

无人机粗降至距离智能起降站预设高度范围的过程包括：

a).无人机飞行至待降区，无人机根据事先存储的无人机地面站的GPS位置信号，飞行至引导降落系统相对高度h1半径为r1的待降区；

b).无人机在待降区内无人机地面站的摄像头视野范围外时，摄像头拍摄图片，获取背景图像；

c).无人机进入待降区内无人机地面站的摄像头视野范围内，摄像头按照固定的延时拍摄图片，获取前景图像；

d).无人机地面站的控制单元通过获取的前景与背景图像进行一定的图像处理，从而获取无人机的水平位置，水平速度及高度信息。

当无人机降落在预设高度范围(比如：5cm)内后，无人机下降，再通过精定位模块来引导无人机机体降落在指定点位。

(2)精定位模块，其包括用于承载无人机的支撑架；所述支撑架上安装有与无人机旋翼相匹配的凹槽，且每个凹槽的与无人机支架相接触的侧面上均开设有豁口，所述豁口用于支撑并固定无人机。

具体地，如图3所示的精定位模块包括用于对无人机机臂进行限位的第一限位槽，第一限位槽对立的两侧呈V型形状布置，第一限位槽另两侧各自竖直设置为竖直面，其中，第一限位槽竖直设置的一侧设有用于支撑无人机机臂的卡槽，卡槽为圆弧形形状，在卡槽内设置橡胶垫，以对机臂进行保护，同时，通过橡胶垫的设置，因橡胶垫的弹性作用，可进一步牢固固定无人机，卡槽的高度可以根据无人机的具体型号进行调节，一般情况下，卡槽的高度与大于等于无人机机臂的半径，因此卡槽的形状与无人机机臂的形状是相近的，为圆弧形状。

第一限位槽2包括平撑7，平撑呈长条矩形状，平撑7的两侧各设置一降落面6，另两侧各设置所述的竖直面9。

上述第一限位槽2构成一个顶部开口的容纳空间，当无人机降落时，第一限位槽中的降落面6内表面与无人机机臂支撑腿底部发生接触，支撑腿受力向下降落落入到平撑上进行支撑，而两边的降落面6也就是V型形状设置的原因，对支撑腿进行限位，有效保障无人机降落的位置。

此外，降落面相对于平撑的角度A在30度至80度，这样即使无人机机臂底部支撑腿偏离位置较远，也能保证有效落入到平撑上，保证了无人机的精确降落，限位槽高度H可变化，具体值取决于无人机支撑腿的高度。

限位槽底部平撑的宽度可变化，具体值取决于无人机支撑腿的宽度，优选方案是该宽度与无人机支撑腿的直径相同。

限位槽卡槽宽度可变化，具体值取决于无人机机臂的直径，优选方案是该宽度与无人机机臂的直径相同。

若降落面的水平投影距离为L，L＝H/TanA，限位槽高度H和角度A相互制约。

为了实现对机翼底部支撑腿的限制，所述限位槽为U型形状或者漏斗形状或者上部为方形，下部为漏斗形状。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种辅助无人机降落的精确定位槽，该定位槽通过限位槽的设置，对无人机机臂进行限位，以提高降落的精度，该定位槽结构简单，定位精度高。

本发明还体用了另一种精定位模块结构，其包括用于对无人机机臂进行限位的第二限位槽，第二限位槽包括平撑，平撑对立的两侧各设置一降落面，两降落面构成V型形状，在平撑的一侧竖直设置支架，支架为L型形状，底部便于固定，支架顶部开有用于支撑无人机机臂的卡槽，此外，为了避免降落面对更换电池产生干涉，降落面的一个面部分弯折朝向机臂设置，如图4所示。

上述第二限位槽构成一个顶部开口的容纳空间，当无人机降落时，第二限位槽中的降落面内表面与无人机机臂支撑腿底部发生接触，支撑腿受力向下降落落入到平撑上进行支撑，而两边的降落面也就是V型形状设置的原因，对支撑腿进行限位，支架顶部的卡槽在无人机位置降落后，对机臂进行有效支撑，有效保障无人机降落的位置，支架与所述的平撑相接设置。

此外，本申请另一种实施方式，还提供了一种精定位模块，该装置包括上述两个方案中的定位槽，通过多个限位槽的设置，对无人机的机翼位置进行准确定位。

如图2和图4所示的精定位模块，包括至少两个所述的一种辅助无人机降落的精确定位槽，所述限位槽的底部设于固定台上，平撑通过螺栓与固定台进行固定，固定台为凹槽结构设置，便于对后续固定桩、滑杆的容纳。

该定位装置中，无人机利用控制系统实现了粗定位，粗定位在距离降落平台垂直距离5--10cm的区间内自由下落。精确定位装置中的限位槽可引导无人机利用惯性降落达到精确定位并固定，这样在两个限位槽之间，可人工或者采用机械设备对无人机的电池进行更换，或者进行其他的后续工作。

作为最优实施例，所述限位槽的数量与无人机机臂的数量相同，通过对每一个机翼的限位，可保证无人机位置降落的精度，控制在亚毫米级别。

另一实施方式中，限位槽为两个时，相邻的两个限位槽间隔一无人机机臂设置，如四翼无人机，限位槽可对称设置两个，若为六翼无人机，限位槽可设置两个或者三个，间隔一个机翼或者两个机翼进行设置。

在所述固定台1的中部设置固定桩5，在所述固定台的中部设置固定桩，所述标识点设于固定桩的中部，通过一个标识点的设置，可实现无人机机芯的粗定位，在固定桩表面设置摄像设备，摄像设备与控制器连接，以对无人机进行粗定位，再配合限位槽的设置，实现对无人机机臂支撑腿位置的定位，并通过卡槽有效地对无人机机臂进行支撑，所述固定台的底部与旋转机构固定以通过固定台的旋转来调节限位槽的位置，旋转机构可以是旋转电机。

控制器设于壳体内，以进行防风防尘，控制器与气象传感器连接，气象传感器实时测量外界环境，包括风向、风速、降水量、温度和湿度，传送至站内控制器，通过与网络气象要素对照，实时分析环境影响，决定无人机降落控制与否。控制器通过云端服务器与监控中心服务器相互通信，监控中心服务器还与显示模块相连，通过监控中心服务器来实时监控智能起降站系统的工作状态信息。

此外，为了提高该定位装置的适应性，适应不同机臂长度的无人机，在所述固定桩的圆周固定有滑杆4，滑杆4与滑块3固定，滑块3相对于滑杆4可滑动，限位槽固定于滑块3上；所述滑块上设置紧固件，紧固件穿过滑块3将滑块3固定于滑杆4上，这样的结构设置，可根据机臂的长度，调整滑块3相对于滑杆4的位置，也就实现了限位槽相对于机芯位置的调整。

具体地，多功能无人机智能起降站系统还包括载物台，所述载物台安放在地面上，所述载物台上面安装云台，所述云台上安装摄像头，所述摄像头镜头朝上，所述摄像头的光轴竖直向上，所述摄像头与站内控制器连接；所述站内控制器控制摄像头进行拍照；所述站内控制器通过第一无线数据传输模块与无人机进行通信；所述站内控制器还与显示终端连接；

所述无人机包括机载数据处理模块，所述机载数据处理模块与飞行控制系统和第二无线数据传输模块连接，所述飞行控制系统与无人机上搭载的GPS接收模块连接，所述无人机机臂上全部覆盖荧光贴纸，在无人机垂直下降的过程中，无人机向站内控制器发出降落引导请求，站内控制器接收到降落引导请求后，站内控制器控制摄像头拍摄无人机的图像，然后站内控制器对图像进行处理，得到无人机当前位置，站内控制器根据无人机当前位置向无人机发出降落指令；所述无人机依据降落指令最后降落在承接机构上，所述机载数据处理模块还通过第二无线数据传输模块与无人机起落站的第一无线数据传输模块通信。

其中，云台为自稳定云台。所述摄像头拍摄照片的上方为实际方向南方。

所述摄像头的广角为90度或90度以上，所述摄像头的分辨率为800*600。

所述无人机为多旋翼无人机，无人机的轴距为L1。

所述无人机起落站设有雾灯光源，所述雾灯光源的照射方向是正上方在起落站检测到背景能见度差时打开。

所述荧光贴纸起到反光作用。

本发明的无人机飞行降落方法，包括如下步骤：

步骤(a1)：无人机进入无人机起落站摄像头拍摄范围内之前，无人机起落站的摄像头拍摄背景图像；

步骤(a2)：无人机完成工作任务后，无人机根据事先存储的无人机起落站的GPS位置信息，返航飞行至无人机起落站相对高度h1的摄像头拍摄范围内；

步骤(a3)：无人机向无人机起落站的站内控制器发出降落引导请求指令，站内控制器接收到降落引导请求指令后，站内控制器控制摄像头拍摄前景图像，然后站内控制器对背景图像与前景图像进行图像处理，获取无人机的水平位置、无人机速度信息和无人机相对于无人机起落站的高度信息；

步骤(a4)：站内控制器通过计算，运用PID控制方法计算出无人机下一步将要进行的飞行指令；

步骤(a5)：站内控制器与无人机进行通信，将下一步将要进行的飞行指令发送给无人机；

步骤(a6)：无人机根据飞行指令调整水平位置及姿态，同时，按照设定的速率下落，到达高度h2时，无人机向站内控制器发出无人机位置调整指令；

步骤(a7)：站内控制器计算出无人机的每个脚架相对于承接机构的相应的固定限位槽的位置关系，计算出无人机位置调整参数，将计算出的无人机飞行指令发送给无人机；

步骤(a8)：无人机调整角度后，继续下降，直到最终平稳降落在引导降落及固定装置中。

站内控制器对背景图像与前景图像进行图像处理之前的步骤为：

步骤1.1)：采用平面棋盘格标定对摄像机进行标定，从而获取相应摄像机的内参数：焦距f；

步骤1.2)：将无人机置于摄像头正上方1米处，摄像头拍摄图像，此时图像中无人机轴距为L2个像素点。

站内控制器对背景图像与前景图像进行图像处理的步骤为：

步骤2.1)：将前景图像与背景图像进行灰度化，并将灰度化的二图作差，得到无人机的灰度图；

步骤2.2)：将无人机的灰度图用最大类间方差法进行二值化，得到无人机二值图；

步骤2.3)：对无人机二值图进行开操作处理，去除噪声；

步骤2.4)：对无人机的二值图进行概率霍夫直线检测，由此可以获取图像中无人机的轴距为L3个像素点及机臂的交点为(x,y)；

步骤2.5)：根据实际无人机的轴距、摄像头焦距、图像中的无人机的轴距及机臂交点计算出无人机的水平位置，水平速度及高度信息。

步骤2.5)中计算水平位置，水平速度及高度信息的具体方法是：

以摄像机光轴与摄像头镜头表面的交点为坐标原点，实际方向正东方向为坐标轴x轴正方向，实际方向正北方向为y轴正方向。

无人机水平位置，水平速度及高度信息的计算公式为：

无人机高度为L3/L2，单位：米；

无人机水平位置为(-(x-400)*L3/(L2*f),-(y-300)*L3/(L2*f))；

设前次获取的无人机图像中机臂交点为(x',y'),轴距为L3'，那么，

无人机的x轴水平速度：

V_x＝[-(x-400)*L3/(L2*f)+(x'-400)*L3'/(L2*f)]/0.3；

无人机的y轴水平速度：

V_y＝[-(y-300)*L3/(L2*f)+(y'-300)*L3'/(L2*f)]/0.3。

其有益效果是：无人机通过图像处理获取无人机水平位置、速度信息和高度信息，一方面根据水平位置、速度信息通过PID控制的手段修正无人机中心点与摄像头光轴的距离差，另一方面根据高度信息控制无人机的下降速率，实现了在无人机整个降落过程中的闭环控制，从而达到使无人机精准降落的目的。

(3)自主续航模块，其用于接收机载控制器传送来的无人机电池仓的电量信息及电池位置信息，对低于或等于预设电量信息的无人机电池仓进行自主充电，来实现无人机的自主续航。

其中，自主续航模块包括自动更换电池模块，所述自动更换电池模块包括三维直角坐标运动系统，所述三维直角坐标运动系统包括在第一轴方向运动的第一平移机构、在第二轴方向运动的第二平移机构以及在第三轴方向运动的第三平移机构，其中，第一轴方向、第二轴方向和第三轴方向构成三维直角坐标系；所述第一平移机构、第二平移机构和第三平移机构的一端分别与站内控制器相连，另一端分别与用于抓取电池的电池夹取装置相连。

本发明利用站内控制器驱动第一平移机构、第二平移机构和第三平移机构，进而带动电池夹取装置遍访立体空间内各点位，实现机械抓手抓取不同机型机位电池，提高了电池更换的效率和准确性。

自动更换电池模块采用直角坐标机器人完成取下无人机低电量电池，并放入智能电池仓的空置充电位，同时选择满电电池进行更换；智能电池仓装有均衡充电模块及电量监测模块，采集站位的实时状态数据回传控制系统，设计逻辑判断程序实现一整套电池优化调度方案。

如图5-图7所示，电池夹取装置，包括夹爪机构，夹爪机构包括夹爪本体122，夹爪本体122连接有第一夹爪部件13和第二夹爪部件14，第一夹爪部件13与第一抓手15固定连接，第二夹爪部件14和第二抓手16固定连接；第一抓手15和第二抓手16的相对面均配合设置锯齿状块体17。通过夹爪机构带动抓手部件来夹持电池，夹爪与电池的夹持配合更可靠；通过在两抓手上设置锯齿状块体，在夹持电池时抓手和电池的接触摩擦力更大，夹持更加稳固，避免电池夹取发生偏斜的问题。

夹爪机构可以采用电动夹爪或气动夹爪等，可以有效带动抓手开闭，同时能通过控制模块对其进行控制，保证电池更换的精度，使用时可以根据夹取任务所需夹持力选择适合的电动夹爪或气动夹爪，节省成本。

夹爪本体122嵌合设置于卡块18内，卡块18带有与夹爪本体配合的卡槽23。在卡块上设置卡槽，实现卡槽和夹爪本体的嵌装组合，可以快速可靠连接。

为了能够更稳固的固定夹爪本体，夹爪本体12还通过紧固件19与卡块18固定连接，紧固件19可以采用螺钉等；在夹爪本体12和卡块18上都设置丝孔，将螺丝或螺钉等紧固件穿过二者的丝孔完成二者的紧固固定。在卡块通过卡槽卡紧夹爪本体前提下，使用紧固件可以牢固固定夹爪本体，有效保持移动更换电池过程中夹爪机构的稳定。

夹爪机构与动力装置连接，本实施例中动力装置采用伺服电机20。通过动力装置带动夹爪机构开合，进而实现两抓手的开合，实现夹取或放下电池。当需要夹取电池时，通过控制器发出信号给驱动器，伺服电机20运作驱动夹爪机构带动第一抓手和第二抓手夹取电池进行更换。

第一抓手15在与第一夹爪部件13配合处设置第一凹槽21，第一夹爪部件13嵌合在第一凹槽21内。在第一抓手上设置第一凹槽，实现第一抓手和第一夹爪部件的嵌装组合，可以快速可靠连接。

为了能够更稳固的固定第一夹爪部件，第一夹爪部件13还通过紧固件与第一抓手15紧固连接，在第一夹爪部件13和第一抓手15上都设置丝孔，将螺丝或螺钉等紧固件穿过二者的丝孔完成二者的紧固固定。在第一抓手通过第一凹槽卡紧第一夹爪部件前提下，使用紧固件可以牢固固定第一夹爪部件，有效保持移动更换电池过程中第一抓手的稳定。

第二抓手16在与第二夹爪部件14配合处设置第二凹槽，第二夹爪部件14嵌合在第二凹槽内。在第二抓手上设置第二凹槽，实现第二抓手和第二夹爪部件的嵌装组合，可以快速可靠连接。

为了能够更稳固的固定第二夹爪部件，第二夹爪部件14还通过紧固件与第二抓手16紧固连接，在第二夹爪部件14和第二抓手16上都设置丝孔，将螺丝或螺钉等紧固件穿过二者的丝孔完成二者的紧固固定。在第二抓手通过第二凹槽卡紧第二夹爪部件前提下，使用紧固件可以牢固固定第二夹爪部件，有效保持移动更换电池过程中第二抓手的稳定。

第一抓手15或第二抓手16设有与电池开关配合的按动块22，电池侧部设置与锯齿状块体17配合的锯齿片体。在第一抓手或第二抓手上设置按动块，可以在更换电池前先关闭电池开关，避免带电插拔对电池的损坏；在电池侧部设置与抓手上锯齿状块体配合的锯齿状片体，可以保证抓手和电池的配合稳固性，有效解决电池在移动中发生偏斜的问题，电池侧部的锯齿片体既可以是贴于电池上的，也可以是与电池一体成型的。在抓手内侧带有锯齿状块体，跟电池上的齿状片体相配合，有效的解决了实际运行中，夹取电池发生下滑，导致电池夹取偏斜的问题。

如图7所示，本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种应用于无人机自主续航的电池更换装置，包括如上的电池夹取装置，电池夹取装置配合设置于Y轴移动机构上，Y轴移动机构配合设置于Z轴移动机构上，Z轴移动机构配合设置于X轴移动机构上。卡块18可以为工字型，上侧带有卡槽23卡住固定夹爪本体12，卡块18下侧带有另一卡槽卡住固定丝杠滑块24，丝杠滑块24与Y轴移动机构连接。

本发明还将视觉粗定位模块和精定位模块均放置于升降平台上。在视觉粗定位过程中可调整站载摄像头的水平度以保证定位精度，当无人机降落时平台提升以避免智能起落站壳体与无人机旋翼的相互影响，降落完成后下降至指定位置，使无人机位于智能站内部并完成自主续航。

在另一实施例中，自主续航模块包括无线充电模块，其设置于智能起降站内；且当无人机保持稳定后，无线充电模块用于对无人机电池仓内电池进行自主无线充电。

无线充电模块基于电感、电容并联的谐振耦合电路设计，集成嵌入式处理器产生PWM波经功率芯片驱动CMOS全桥后推挽输出，通过谐振耦合电路传输至无线电能接收端，通过合理配置感抗谐振参数可实现无线传输高效率、低损耗，满足整体系统应用需求。

在另一实施例中，自主续航模块包括有线充电模块，其设置于智能起降站内；且当无人机保持稳定后，无人机电池仓内电池恰好固定于有线充电模块处，用于实现对无人机电池仓内电池进行自主有线充电。

有线充电模块可经过涓流充电、恒流充电、恒压充电以及充电终止四个过程完成无人机充电。无人机固定好后，有线充电模块可自动对准智能起落站的放电接口，智能站识别插口无误，则启动自动充电功能。智能起落站的有线充电模块，可以检测无人机电池电压，根据不同电压值输出特定的充电电流和充电电压，若电池电量过低则涓流充电，充电完成则自动关闭充电器。

进一步的，该智能起降站系统还包括外部环境监测模块，其包括气象传感器，用于实时测量外界环境信息并传送至站内控制器，所述站内控制器与预警装置相连。

气象传感器实时测量外界环境，包括风向、风速、降水量、温度和湿度，传送至站内控制器，通过与网络气象要素对照，实时分析环境影响，决定无人机作业与否以及作业时间、路径和方式进行实时报警。

进一步的，所述站内控制器通过云端服务器与监控中心服务器相互通信。

监控中心服务器还与显示模块相连，通过监控中心服务器来实时监控智能起降站系统的工作状态信息。

进一步的，该智能起降站系统还包括站内外视频监控模块，其用于实时采集智能站内的视频信息，并实时上传更新至云端服务器并存储，同时实现在无人值守作业过程中发生被破坏及被偷盗时保存相关证据信息。

进一步的，所述机载控制器通过无线通信方式与智能起降站的站内控制器相互通信，站内控制器接收到机载控制器发送的无人机机型信息及降落信号后，将智能起降站自身的地理位置信息反馈至机载控制器，机载控制器根据接收到的智能起降站地理位置信息，筛选出最近距离的智能起降站进行降落。

本发明通过对智能起降站距离的远近来筛选出距离无人机最近的智能起降站，实现了无人机快速达到智能起降站，提高了无人机自主续航的效率。

本发明的视觉粗定位模块和精定位模块保证了无人机被固定在最准确的位置，是后续操作稳定、高效运行的基础；自动更换电池模块、有线充电模块和无线充电模块是智能起落站的可选模块，视无人机作业任务的频率和要求选择最优方案执行，同时实时通过串口通讯与智能站上的站内控制器交互，相关历史信息可以存储到云平台。

本发明的多功能无人机智能起降站系统还包括智能起落站生存能力保障系统。

其中，智能起落站生存能力保障系统由智能壳体、站内部件自检模块、内部运行组态模块、站内外视频监控模块、外部环境监测模块、防水防尘模块构成，可最大程度保证智能起落站的使用便利性、安全性和无人机存储、运行的安全稳定性。

智能壳体具有移动式可调底座，对智能站进行转移工作提供便利，无需多个人员搬动，安装时底座四个可调支柱可保证智能站最大程度的水平型，保证智能起落站工作环境稳定性。四周采用高强度材料制成，集成灵敏度可调的震动感应装置，当智能起落站受到扰动时，报警回路通电，警报响起同时向云端发送警报信息，最大程度保证智能起落站在无人机值守条件下的完整性。天窗系统位于在智能起降站的顶部，采用双坡倾斜设计，并设计合理的排水通道，保证内部空间相对封闭，天窗开关通过步进电机和齿轮齿条实现，控制单元输出运动控制信号驱动步进电机，齿轮旋转，旋转运动转矩转变为齿条的直线运动。为保证两扇天窗运动实时同步，两扇天窗由四台步进电机驱动以满足动力要求，四台步进电机运动控制信号均为同一通道发出，对应调换电机相线实现四台电机不同方向运动；单侧天窗两边各安装一个电机，保证天窗平稳克服倾斜现象。

站内部件自检模块实时检测系统内各电机及电力电子模块的使用状态，反馈电机、智能充电模块实时电流、电压信息，传输至上位机界面，一方面实时预警部件状态保障系统实时安全可靠，另一方面可方便故障排查与实验数据记录。

内部运行组态模块对运行的各步进电机半闭环控制，通过光栅编码器配合行程开关反馈电机运动状态，并将转化为数字量信号传输至上位机界面，组态对应的天窗电机、升降平台电机、直角坐标机器人电机、电池站位数据，智能站内部的运动状态可反映在上位机界面，可远程监视系统实时运行状况。

站内外视频监控模块可采集智能站内的视频信息，通过以太网实时上传更新至云平台并存储，方便查看无人机及智能站内各部件实时运行逻辑，同时可以在无人值守作业过程中发生被破坏及被偷盗时保存相关证据信息。

外部环境监测模块通过在智能站外界安装专业气象传感器，可以实时测量外界环境，包括风向、风速、降水量、温度、湿度等，通过站内控制器信号处理模块和网络气象要素对照，实时分析环境影响，决定无人机作业与否以及作业时间、路径、方式等；同时云平台可实时查看智能站所在位置的气象状况，作为气象监测的数据来源之一；集成灵敏度可调的震动感应装置，当智能站受到扰动时，报警回路通电，警报响起同时向监控中心发送警报信息。

防水防尘模块在智能站边缘衔接及缝隙处粘贴防尘防水密封条，天窗采取双开坡状设计，便于排水去尘，天窗开口处设计排水沟槽，避免雨水进入站内；同时对电池管理仓进行特别隔热处理并配装加热片及通风扇，保证充电仓内冬夏都相对恒温，实现系统安全稳定运行。

本发明的智能起落站，一方面装载与无人机上的机载通信设备和设置在地面的智能起落站通信设备形成的下游链路，包括遥控链路、遥测链路、导航链路、任务信息链路和转发(分发)链路，完成智能起落站至无人机的遥控指令的传输以及无人机至地面智能起落站的遥测数据以及载荷数据的传输。另一方面：智能起落站与云端、遥控中心形成的上游数据链路，包括无人机载荷数据、起落站工作状态、无人机姿态信息、载荷数据分析处理数据等的上传以及控制指令、任务指令的下达。

智能起落站采用工业标准站内控制器，配备大容量存储设备实现无人机工作日志与智能起落站工作日志、任务载荷数据等的存储。

站内控制器可实现包括二维图像/视频、三维图像/视频、三维点云、气象数据、红外传感数据、空气质量数据等的处理与分析，得到决策所需关键数据。包括但不限于二维长度测量，目标物识别，变化分析，4D产品生成，风险监测，三维高度、体积、坡度的测量，点云关建物提取，气象数据校正等。

智能起落站通过以太网，将智能站存储的所有关建信息上传至云端，其主要包括管理中心、指挥调度中心等。

管理中心：包括权限分级、权限认证、报警管理、作业日志与报警日志的查询、远程文件检索等功能。

指挥调度中心：航迹规划、远程下载、远程维护、远程控制等功能。

显示终端实现数据可视化，一方面无人机参数信息，包括但不限于动力系统、控制信号、数据连接、传感器工作状态、当前地理位置信息、航行任务进度条、飞行速度、姿态信息、电量、高度、任务载荷数据等；另一方面智能起落站相关信息，包括但不限于站外实时图像、站内实时监控图像、环境监测数据、工作点位情况等。

数据终端：将智能起落站存储的所有信息存储至云端，有权限的用户随时随地可访问下载。

系统工作流程如下：

对待监管地区提前进行航迹规划，通过智能起落站载入到无人机的机载控制器；

无人机搭载任务载荷，按照预设的航线和作业方式进行作业；

无人机将存储得到的任务载荷数据传输至智能起落站中转，最终至操作中心并上传至云端服务器；

任务完成后无人机自动返回并充电或更换电池；

回传任务载荷数据处理后可得到决策所需信息；

智能起落站存储并保护无人机。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种多功能无人机智能起降站系统，其特征在于，包括：

视觉粗定位模块，其包括站内控制器，所述站内控制器与图像采集装置相连，所述图像采集装置设置于起降站内且用于实时采集无人机图像，并传送至站内控制器进而得到无人机空中三维坐标点，再经机载控制器来控制无人机的降落高度以及无人机机头的方向；

精定位模块，其包括用于承载无人机的支撑架；所述支撑架上安装有与无人机旋翼相匹配的凹槽，每个凹槽的与无人机支架相接触的侧面上均开设有豁口，所述豁口用于支撑并固定无人机；

自主续航模块，其用于接收机载控制器传送来的无人机电池仓的电量信息及电池位置信息，对低于或等于预设电量信息的无人机电池仓进行自主充电，来实现无人机的自主续航。

2.如权利要求1所述的一种多功能无人机智能起降站系统，其特征在于，所述凹槽的形状为U型，或V型，或漏斗型。

3.如权利要求1所述的一种多功能无人机智能起降站系统，其特征在于，所述支撑架与驱动机构相连，所述驱动机构与站内控制器相连。

4.如权利要求1所述的一种多功能无人机智能起降站系统，其特征在于，所述自主续航模块包括自动更换电池模块，所述自动更换电池模块包括三维直角坐标运动系统，所述三维直角坐标运动系统包括在第一轴方向运动的第一平移机构、在第二轴方向运动的第二平移机构以及在第三轴方向运动的第三平移机构，其中，第一轴方向、第二轴方向和第三轴方向构成三维直角坐标系；所述第一平移机构、第二平移机构和第三平移机构的一端分别与站内控制器相连，另一端分别与用于抓取电池的夹爪相连。

5.如权利要求1所述的一种多功能无人机智能起降站系统，其特征在于，所述自主续航模块包括无线充电模块，其设置于智能起降站内；且当无人机保持稳定后，无线充电模块用于对无人机电池仓内电池进行自主无线充电。

6.如权利要求1所述的一种多功能无人机智能起降站系统，其特征在于，所述自主续航模块包括有线充电模块，其设置于智能起降站内；且当无人机保持稳定后，无人机电池仓内电池恰好固定于有线充电模块处，用于实现对无人机电池仓内电池进行自主有线充电。

7.如权利要求1所述的一种多功能无人机智能起降站系统，其特征在于，该智能起降站系统还包括外部环境监测模块，其包括气象传感器，用于实时测量外界环境信息并传送至站内控制器，所述站内控制器与预警装置相连。

8.如权利要求1所述的一种多功能无人机智能起降站系统，其特征在于，所述站内控制器通过云端服务器与监控中心服务器相互通信。

9.如权利要求8所述的一种多功能无人机智能起降站系统，其特征在于，该智能起降站系统还包括站内外视频监控模块，其用于实时采集智能站内的视频信息，并实时上传更新至云端服务器并存储，同时实现在无人值守作业过程中发生被破坏及被偷盗时保存相关证据信息。

10.如权利要求1所述的一种多功能无人机智能起降站系统，其特征在于，所述机载控制器通过无线通信方式与智能起降站的站内控制器相互通信，站内控制器接收到机载控制器发送的无人机机型信息及降落信号后，将智能起降站自身的地理位置信息反馈至机载控制器，机载控制器根据接收到的智能起降站地理位置信息，筛选出最近距离的智能起降站进行降落；

优选地，所述多功能无人机智能起降站系统还包括天窗系统，所述天窗设置在智能起降站的顶部；

优选地，所述站内控制器直接与监控中心服务器相互通信，所述监控中心服务器还用于将无人机航迹规划路径经站内控制器传送至机载控制器，来控制无人机的飞行路径。