CN107406150A - 用于无人机的着陆和充电系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于对无人运载工具归航和再充电的系统，该系统包括多个归航层，多个归航层沿虚拟圆的半径进行操作，在虚拟圆的中心有归航目标，每个归航层由子系统组成，子系统设置有定位工具，该定位工具相对于沿着距所述圆的中心更远的所述半径进行操作的子系统的定位工具提高精度。

Description

用于无人机的着陆和充电系统
技术领域
本发明涉及这样一种系统，用于在没有必要的人为干预的情况下对诸如无人机的无人驾驶飞行器进行引导、着陆和充电。
背景技术
无人机(drone)用于许多目的，例如探测、摄影甚至小型军事攻击。无人机可以由操作员远程控制，但也可以编程使无人机以预定路线飞行。引导无人机的另一种常用方法是既使用预定路线的编程也使用操作员，在必要时，操作员能够干预并且对无人机进行掌控。在整个本说明书中，术语“无人驾驶飞行器(UAV)”和“无人机”可替换地使用。
为了确保无人机在特定位置的安全着陆，熟练的操作员需要在无人机接近其着陆位置时引导无人机。由于已知的自动系统通常缺乏在特定位置着陆无人机所需要的精度，所以当不是通过操作员执行着陆时，无人机经常被损坏。
还需要在每次飞行之前更换无人机的电池或对其进行再充电，这意味着无人机必须到达能够进行再充电的位置。再充电过程通常需要人员来更换电池或将无人机连接到电源，这样意味着高技能的操作员必须出现在充电位置，这显然增加了响应时间和成本，并且这种方式下该系统不能自主地进行操作。
因此，本发明的目的是提供一种适合于自主地对无人机进行引导、着陆和充电的系统。
本发明的另一个目的是提供一种这样的系统，其使得在没有必要的人为干预的情况下无人机的使用成为可能。
随着描述的进行，本发明的其它目的和优点将变得显而易见。
发明内容
本发明涉及一种用于对无人运载工具(vehicle)归航(homing)和再充电的系统，包括多个归航层(homing layers)，通常最多三层，多个归航层沿虚拟圆的半径进行操作，在虚拟圆的中心有归航目标，每个归航层由子系统组成，子系统设置有定位工具，该定位工具相对于沿着距所述圆的中心更远的所述半径进行操作的子系统的定位工具提高精度。
无人运载工具可以是飞行物体，例如无人机。定位工具选自于GPS、DGPS、计算机视觉分析系统、光学传感器、接近传感器，或者可以指示运载工具和/或充电板或对接站的位置的任何其它装置之中。对于技术人员来说显而易见的是，这种装置可以包括众所周知的位置确定方法，例如三角测量方法，以及诸如无线电通信芯片的先进解决方案。已知定位系统的说明性例子包括飞行时间系统，其通过测量发射器和接收器之间的脉冲信号的传播时间来确定距离；光学跟踪器，例如激光测距跟踪器；超声波跟踪器；使用(光学)信标和传感器的空间扫描系统；惯性传感器；相位差系统，与来自参照发射器的输入信号的相位相比较，其测量来自移动目标上的发射器的输入信号的相位偏移；使用已知场(known field)来导出方位或位置的直接场感测系统；以及混合定位系统。但是，本发明不限于任何特定的系统、子系统或方法的组合。可用于确定UAV位置的所有方法(现在的或将来的)，都意在被本发明所覆盖。
内部归航层包括物理定位装置，其中物理定位装置可分为定中装置(centralizing means)和抓取装置。物理定位装置可以包括夹持器，夹持器包括夹紧线和电磁组件。这些装置与位于无人机上的组件(例如锚固和机械降低装置)协同工作。如本文所使用的术语“夹紧线”旨在表明这样一种线，其在着陆阶段期间物理地连接在无人驾驶飞行器和着陆平台之间，并且可以在其上施加拉力以使无人驾驶飞行器被带向着陆平台。类似地，术语抓取也可以指设有锁定装置的系统，在夹紧线被抓住之后该锁定装置通常在夹紧线的松弛端(近端)处锁定夹紧线。例如，可以设置锁叉，从而在球体的位置被探测到位于期望的位置并且已被强电磁体抓住之后，锁定设置在夹紧线的松弛端的球体。在某些情况下，这样的锁定可以使无人驾驶飞行器更有力地束缚在着陆平面上。
该系统还可以包括电池充电装置和/或电池更换装置。
子系统可以远程控制，并且系统还可以包括至少一个数据管理部件，例如处理器和/或接收器。数据管理部件可以适合于从运载工具接收数据。
此外，该系统可以包括能够提供数据管理、数据分析和数据处理的其它部件。该系统还可以设有通信装置、计算机、不同的软件程序以及不同的机械装置，所有这些装置都适合于将运载工具导航到充电平台并提供运载工具在平台上的安全着陆，同时处理和分析数据，具有将数据发送到运载工具和/或控制中心和/或与系统通信的其它位置的能力。
附图说明
将参照附图进一步举例说明本发明，其中：
图1为根据本发明的一个实施方案的三个子系统的示意图，该三个子系统代表具有不同精度的三个归航圆(homing circle)；
图2为根据本发明的一个实施方案的封闭的充电平台的立体图；
图3为图2中的充电平台在盖子打开并且无人机定位于其内时的立体图；
图4为图2中的充电平台去除侧壁的侧视图；
图5为图4中充电平台的立体图，显示了在其最低位置的着陆表面；
图6为根据本发明的另一个实施方案的扁平线圈的俯视图；以及
图7进一步显示了作为示例的无人机着陆的初始阶段。
具体实施方式
本发明的系统(也称为“归航系统(homing system)”)包括着陆和充电平台，其包括多个子系统，其中每个子系统有助于充电平台上的无人机的引导和着陆。
以下描述涉及无人机的操作，但是本发明的系统可以用于需要被引导到特定位置的任何其它飞行器、运载工具(vehicles)或其它移动式物体。
一方面，本发明涉及一种用于对无人运载工具归航和再充电的系统，该系统包括多个归航层(homing layers)，通常但不限于最多三层，多个归航层沿虚拟圆的半径进行操作，在虚拟圆的中心有归航目标，每个归航层由子系统组成，子系统设置有定位工具，该定位工具相对于沿着距所述圆的中心更远的所述半径进行操作的子系统的定位工具提高精度。
根据本发明的一个实施方案，图1为涉及三个归航和着陆阶段的三个子系统的示意图，由三个圆圈标记，其中圆圈的中心象征无人机期望的着陆位置。第一子系统101涉及第一归航阶段，在该示例中，第一归航阶段通过基于全球定位系统(以下也称为“GPS或DGPS系统”)导航无人机来执行。当无人机从GPS系统接收到自己的位置时，由于充电平台的位置已知，因此能够朝着充电平台导航其路线。无人机也能够接收关于平台位置的细节，例如通过无线通信。
GPS系统适合于甚至在距离很远的地方引导物体，因此其适合作为第一子系统使用。商用GPS系统的精度能够达到3米左右，而军事系统的精度更高。
第二子系统102适合于当无人机更靠近平台并可以通过光学传感器、接近传感器或计算机视觉来探测时，并且可被称为“接近系统(proximity system)”。子系统102的替代形式可以包括例如RF系统以及任何其它合适的位置确定系统，例如上面提到的那些；RF系统能够用于执行适合于将无人机朝着着陆平台的中心引导的三角测量法(triangulationprocesses)。接近系统(光学的、声学的或电磁的)能够位于无人机和/或充电平台上。感测信号能够由处理器处理，以计算无人机相对于充电系统的相对位置。
接近系统能够具有比GPS系统更好的精度，因为它可以达到约30cm的精度，并且如果需要，可以通过所述系统将无人机向平台103引导。
GPS系统和接近系统都可以通过任何已知的有线或无线通信手段与无人机通信，例如无线电，包括例如Wi-Fi连接或卫星。无人机还能够与远程计算机进行通信，远程计算机能够在无人机所在的每个位置评估哪种系统更合适。如果需要，对所选系统的控制也能够通过操作员来执行，操作员能够对无人机和子系统进行掌控。
第三子系统103是提供无人机与充电平台之间的物理连接的系统。这样的子系统能够通过机械装置进行物理连接，例如通过从无人机向着陆平台释放夹紧线(gripingwire)，着陆平台可以设置有安装点，并且当在安装点和夹紧线之间形成连接时，无人机能够被拉向平台，直到其到达平台上的着陆位置。夹紧线可以在其端部或沿着其长度的另一点处设置锁定机构的重物或有形部件(shaped part)，锁定机构的重物或有形部件可以由铁磁材料制成并且例如机械地或磁性地锁定到着陆平台的中心部分。
着陆过程可能受到诸如风等天气条件的显着影响，难以预测随机气流现象。因此，通常很难将无人机以几厘米的偏差着陆到特定位置。第三子系统103通过提供物理连接来克服该问题，该物理连接迫使无人机达到一个非常具体的着陆点。
第三子系统103还可以包括电磁装置，其位于期望的着陆位置处，并且适于无人机仍然在空中时对无人机的夹紧线的松弛端施加磁性引力，当合适的力施加在夹紧线上时，该力将把无人机拉向着陆位置，例如通过位于无人机上的绞车(winch)的作用或通过位于着陆平台中的牵引机构的作用。根据本发明的另一个实施方案，第三子系统103可以包括定中和抓取机构，例如锥形部件，使得当无人机进入其内部空间时该机构被启动，从而机械地或单独通过重力将球拉下其斜坡。第三子系统的精度约为2cm。
电磁体结构的一个例子为图6的结构(示出了扁平线圈601)，电磁体结构适合于对无人机的夹紧线施加磁性牵引力，磁性牵引力将无人机朝向充电平台的中心拉动。电流可以穿过线圈601的边缘602以产生磁场，其在线圈601的中心方向产生对磁性材料(例如金属)的吸引力。如果线圈601与子系统101、102和103的虚拟圆同心，则被线圈601拉动的无人机的夹紧线将被拉向作为归航目标的所述假想圆的中心。
可以提供用于克服天气条件的附加装置，例如压力传感器和/或运动传感器以及控制单元，控制单元根据环境条件限制无人机的运动。如上所述，操作员可以在任何时候对无人机进行干预和掌控，并且可以远程着陆无人机，而不依靠自主着陆过程。
图2为根据本发明的一个实施方案的封闭的充电平台的立体图。充电平台201设置有盖子202以保护内部组件或可以保护容纳在其内的无人机(将在图3中示出)。当无人机接近充电平台201时，盖子202可以自动打开。
充电平台201设置有通信部件203，通信部件203适于传送和接收来自无人机和操作员所在的控制中心的数据。充电平台201还设置有电源插头204，电源插头204可以连接到向充电平台201的不同部件供电的外部电源。还可以设置屏幕205用于显示不同类型的数据，例如无人机的位置及其与充电平台201的距离以及无人机在需要重新充电之前可以继续运行的估计时间。当无人机位于充电平台201内(将在图3中示出)时，屏幕205还可以显示无人机的充电过程的进度。当然，任何数据也可以发送给控制中心的操作员。
电源插头204可以用任何其它电源部件(例如可更换和/或可再充电电池)或太阳能收集器代替。
图3为图2的充电平台201的立体图，盖子202(图中未示出)处于打开位置并且无人机301位于充电平台201内。着陆表面302可以设置有适于对无人机301充电的磁感应部件。着陆表面302通过电源插头204与电源的连接而被供电。除了对无人机301进行充电之外，当无人机301不使用时，充电平台201还可以容纳无人机301。
充电平台201也可以称为“停泊站(docking station)”，因为它不仅适用于给无人机充电，而且适用于不同运载工具的存储和保护。此外，充电平台201可以用作能够处理和提供数据的基站。
该说明书涉及作为着陆平台的充电平台，但是，本发明当然包括具有或不具有充电表面的任何类似的着陆平台。此外，充电过程可以是磁感应，但是在将无人机定位在充电平台上之后，可以通过任何其它已知的方式进行充电，例如，无人机可以进一步直接连接到电流供应器(electrical current supply)，或者可以通过将电池更换为已充电电池来进行重新装备。
图4为图2的充电平台201的侧视图，其中侧壁被去除，示出了图3的着陆表面302可以通过提升装置401升的更高。着陆表面302的提升可以有助于无人机在其上的定位，并且当希望关闭图2的盖子202时，无人机可以被降低，如图5所示，图5为图4的充电平台201的立体图，显示了在其最低位置的着陆表面302。图5中所示并且没有详细描述的元件是执行本文描述的操作所需的常规电气和机械部件，理解本发明不需要对其准确描述。因此，为了简洁起见，没有详细描述这些元件。
当无人机起飞时，第三子系统的机械部件可以自动地或远程地释放无人机。如果第三子系统基于电磁部件，则可以使电磁部件失效从而通过释放夹紧线来释放无人机。
现在看图7，图7中示出了通用无人机700，夹紧线701从通用无人机700中释放，在该特定实施方案中，通用无人机700在夹紧线701的尖端处设置有铁磁重物702。夹紧线可以通过任何合适的方式释放，例如通过绞盘，并且一旦夹紧线向下悬摆，重物702就会被着陆平台(例如图1的103)的电磁体捕获。一旦夹紧线已经凭借作用在重物702上的电磁力到达着陆平台的中心，如果需要，夹紧线可以通过任何合适的锁定组件牢固地锁定在着陆平台中。然后，在夹紧线701上施加拉力将会导致无人机居中并且基本上在着陆平台的中心处着陆，该拉力既可以通过将夹紧线701卷绕在位于无人机中的绞盘中，也可以通过使用位于着陆平台(未示出)中的牵引组件将夹紧线701拉下来施加拉力来施加。
提供以上所有描述是为了举例说明的目的而不是为了以任何方式限制本发明，除了在所附权利要求中提供的以外。

Claims (20)

1.一种用于对无人运载工具归航和再充电的系统，该系统包括多个归航层，多个归航层沿虚拟圆的半径进行操作，在虚拟圆的中心有归航目标，每个归航层由子系统组成，子系统设置有定位工具，该定位工具相对于沿着距所述圆的中心更远的所述半径进行操作的子系统的定位工具提高精度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述无人运载工具是飞行物体。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述飞行物体是无人驾驶飞行器(UAV)。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述定位工具选自于GPS、DGPS、计算机视觉分析系统、光学传感器、接近传感器、电磁传感器、RF系统。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，内部归航层包括物理定位装置。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述物理定位装置包括定中装置和抓取装置。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述定中装置和所述抓取装置，或者其一部分位于着陆平台。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述定中装置和所述抓取装置，或者其一部分位于无人驾驶飞行器。
9.根据权利要求5所述的系统，其中，所述物理定位装置选自夹持器，所述夹持器包括夹紧线和电磁组件。
10.根据权利要求1所述的系统，其还包括电池充电装置。
11.根据权利要求1所述的系统，其还包括电池更换装置。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述子系统能够被远程控制。
13.根据权利要求1所述的系统，其还包括至少一个数据管理和/或数据处理部件。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，数据管理部件为处理器。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，数据管理部件为接收器。
16.根据权利要求13所述的系统，其中，数据管理部件适合于从运载工具接收数据。
17.一种适合与权利要求1所述的系统一起使用的扁平线圈装置，其中，所述线圈适于电流从其流过，所述线圈产生磁场，所述磁场产生朝向所述线圈中心的不同材料的牵引力。
18.一种用于着陆UAV的方法，包括降低来自所述UAV的连接线，产生对连接所述UAV与着陆平台中心的所述连接线施加的拉力，然后减小在所述UAV和所述平台之间的所述线的长度，直到所述UAV接触所述着陆平台。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，通过绞盘将线卷绕到无人驾驶飞行器上来减小线的长度。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，通过位于着陆平台末端的装置来减小线的长度。
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