CN108298104A - 一种无人机智能续航自主更换电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无人机智能续航自主更换电池装置，包括无人机定位机构和电池更换机构，无人机定位机构包括两个平行设置的第一支架和设置在第一支架一侧的第二支架，第二支架与第一支架垂直设置，在第一支架上设有用于推动无人机的第一推动装置，在第二支架上设有用于推动无人机的第二推动装置，在与第二推杆相对处设有电池更换机构。在第一推杆的后侧设有第一红外传感器，在第二推杆的后侧设有第二红外传感器，在电池盒旁设有第三红外传感器。本装置采用红外传感器定位，确保无人机与平台无瑕对接，电池与无人机之间采用强磁吸附，既方便拆下也方便安装；通过编写好程序准确点定位，机械臂夹取、放置新旧电池准确高效。

Description

一种无人机智能续航自主更换电池装置
技术领域
本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种无人机智能续航自主更换电池装置。
背景技术
随着科技的发展，无人机得到越来越广泛的应用，但是在无人机自动飞行中电池电量有限，不能实现远距离飞行。目前，对无人机电池充电可以采用以下两种方式：1、将无线电能传输技术应用到无人机充电技术上，提出基于无线电能传输模式的无人机悬停无线充电技术。2、利用无人机激光充电技术对无人机电池进行充电。
目前无线电能传输技术还尚未成熟，而且想要无人机悬停无线充电还有不少问题等待解决。第一，要使无人机悬停在一小范围内对定点技术要求极高，如果在室外还会有不稳定气流所以几乎不可能实现；第二，无人机悬停期间也会消耗电能这样就使充电时间变长，效率不高。目前激光能量传输技术还尚未成熟，还有不少问题等待解决。第一，激光充电系统的能量转化效率还需要提高，目前整个过程的能量转化效率只有25％左右，具体来说，主要需要提高激光器将电能转化为光能的效率，激光在大气中传输的效率以及光伏阵列的光电转化效率；第二，激光是方向性很强的光束，在大气中的传输与控制会受到天气、环境等因素的影响，传播过程中极容易出现吸收、散射、扩散、热晕等现象，从而严重影响能量的传输效率；第三，在激光充电系统工作过程中，激光跟瞄系统必须实时跟踪无人机位置，保证激光能够准确地投射光伏阵列上，这对跟瞄系统的技术要求要求极高。此外，还需要采取一定安全防范措施，以保证激光不会导致其他飞行器损耗。并且上述技术单从充电装置来说的，并没有考虑飞行器控制系统。由此可知，无论是无线电能传输技术还是激光能量传输技术，这些技术都未成熟，整个过程的能量转化效率低。飞机悬停充电，悬停期间也要消耗电能。因此，研发一种安全、高效的无人机智能续航自主更换电池装置是个亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决以上技术问题，提供一种安全、高效的无人机智能续航自主更换电池装置，方便快速的解决续航问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种无人机智能续航自主更换电池装置，包括无人机定位机构和电池更换机构，所述无人机定位机构包括两个平行设置的第一支架和设置在第一支架一侧的第二支架，所述第二支架与第一支架垂直设置，在所述第一支架上设有用于推动无人机的第一推动装置，在所述第二支架上设有用于推动无人机的第二推动装置，所述第一推动装置包括第一推杆和设置在第一支架上的第一丝杠，所述第一丝杠与第一丝杠电机相连，所述第一推杆的两端设有与第一丝杠相配合的丝杠螺母，所述丝杠螺母套在第一丝杠上，通过丝杠螺母传动方式带动第一推杆往复运动；所述第二推动装置包括第二推杆和设置在第二支架上的第二丝杠，所述第二丝杠与第二丝杠电机相连，所述第二推杆的一端设有与第二丝杠相配合的丝杠螺母，所述丝杠螺母套在第二丝杠上，在所述第二推杆上设有两个用于推动无人机脚架的推块，通过丝杠螺母传动方式带动第二推杆往复运动，在与所述第二推杆相对处设有电池更换机构，所述电池更换机构包括第三支架和电池盒，在所述第三支架上设有第三丝杠，所述第三丝杠与第三丝杠电机相连，所述电池盒的一侧设有与第三丝杠相配合的丝杠螺母，所述丝杠螺母套在第三丝杠上，通过丝杠螺母传动方式带动电池盒往复运动。
进一步的，在所述第一推杆的后侧设有第一红外传感器，在所述第二推杆的后侧设有第二红外传感器，在所述电池盒旁设有第三红外传感器，所述第一红外传感器、第二红外传感器、第三红外传感器、第一丝杠电机、第二丝杠电机和第三丝杠电机均与控制器电连接，通过红外传感器感应距离的变化判断是否有无人机进入本装置，由红外传感器检测无人机位置继而触发丝杠电机转动。
进一步的，所述电池盒包括底座，在所述底座上设有两个电池凹槽，在所述两个电池凹槽之间设有两个凸块，在第二个电池凹槽内放置有用于更换的新电池，无人机停止后第三丝杠开始运动，两个凸块将无人机下面的电池顶下去，旧电池将落在前一个凹槽中，第三丝杠继续运动，后一个电池到达无人机正下方后电池上的磁铁与无人机上的磁铁相吸，完成更换电池。
进一步的，所述控制器为stm32单片机。
进一步的，本装置还包括用于取出旧电池并放置新电池的机械臂，所述机械臂与控制器电连接，机械臂将旧电池取出放入充电平台，然后将新电池放入后一电池凹槽等待下一架无人机飞来。
进一步的，所述第二推杆上两个推块之间的距离为无人机两个脚架之间的距离。
进一步的，所述第一推动装置还可以采用履带传送方式带动第一推杆往复运动，即所述第一推动装置包括第一推杆和设置在第一支架上的履带，所述履带与步进电机相连，所述第一推杆与履带固定。
进一步的，所述第二推动装置还可以采用履带传送方式带动第二推杆往复运动，即所述第二推动装置包括第二推杆和设置在第二支架上的履带，所述履带与步进电机相连，所述第二推杆与履带固定。
本发明具有的优点和积极效果是：本装置采用红外传感器定位，确保无人机与平台无瑕对接，电池与无人机之间采用强磁吸附，既方便拆下也方便安装；通过编写好程序准确点定位，机械臂夹取、放置新旧电池准确高效。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中电池盒的结构示意图；
图3是本发明工作流程图。
图中：
1、第一丝杠电机；2、第二丝杠电机；3、第三丝杠电机；4、第一推杆；5、第二推杆；6、电池盒；7-1、第一红外传感器；7-2、第二红外传感器；7-3、第三红外传感器；8、第一支架；9、第二支架；10、第一丝杠；11、第二丝杠；12、第三丝杠；13、推块；14、第三支架；
6-1、丝杠螺母；6-2、底座；6-3、电池凹槽；6-4、凸块；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
如图1所示，一种无人机智能续航自主更换电池装置，包括无人机定位机构和电池更换机构，所述无人机定位机构包括两个平行设置的第一支架8和设置在第一支架8一侧的第二支架9，所述第二支架9与第一支架8垂直设置，在所述第一支架8上设有用于推动无人机的第一推动装置，在所述第二支架9上设有用于推动无人机的第二推动装置，所述第一推动装置包括第一推杆4和设置在第一支架8上的第一丝杠10，所述第一丝杠10与第一丝杠电机1相连，所述第一推杆4的两端设有与第一丝杠10相配合的丝杠螺母，所述丝杠螺母套在第一丝杠10上，通过丝杠螺母传动方式带动第一推杆往复运动。所述第二推动装置包括第二推杆5和设置在第二支架9上的第二丝杠11，所述第二丝杠11与第二丝杠电机2相连，所述第二推杆5的一端设有与第二丝杠11相配合的丝杠螺母，所述丝杠螺母套在第二丝杠11上，在所述第二推杆5上设有两个用于推动无人机脚架的推块13，所述第二推杆5上两个推块13之间的距离为无人机两个脚架之间的距离，通过丝杠螺母传动方式带动第二推杆往复运动。在与所述第二推杆5相对处设有电池更换机构，所述电池更换机构包括第三支架14和电池盒6，在所述第三支架14上设有第三丝杠12，所述第三丝杠12与第三丝杠电机3相连，所述电池盒6的一侧设有与第三丝杠12相配合的丝杠螺母6-1，所述丝杠螺母6-1套在第三丝杠12上，通过丝杠螺母传动方式带动电池盒往复运动。本装置整体直接与地面固定。
所述第一推动装置还可以采用履带传送方式带动第一推杆往复运动，即所述第一推动装置包括第一推杆和设置在第一支架上的履带，所述履带与步进电机相连，所述第一推杆与履带固定。所述第二推动装置还可以采用履带传送方式带动第二推杆往复运动，即所述第二推动装置包括第二推杆和设置在第二支架上的履带，所述履带与步进电机相连，所述第二推杆与履带固定。
在所述第一推杆的后侧设有第一红外传感器7-1，在所述第二推杆的后侧设有第二红外传感器7-2，在所述电池盒旁设有第三红外传感器7-3，所述第一红外传感器7-1、第二红外传感器7-2、第三红外传感器7-3、第一丝杠电机1、第二丝杠电机2和第三丝杠电机3均与控制器电连接，所述控制器为stm32单片机。通过红外传感器感应距离的变化判断是否有无人机进入本装置，由红外传感器检测无人机位置继而触发丝杠电机转动。本装置还包括用于取出旧电池并放置新电池的机械臂，所述机械臂与控制器电连接，机械臂将旧电池取出放入充电平台，然后将新电池放入后一电池凹槽等待下一架无人机飞来。
如图2所示，所述电池盒6包括底座6-2，在所述底座6-2上设有两个电池凹槽6-3，在所述两个电池凹槽6-3之间设有两个凸块6-4，在第二个电池凹槽6-3内放置有用于更换的新电池，无人机停止后第三丝杠12开始运动，两个凸块6-4将无人机下面的电池顶下去，旧电池将落在前一个电池凹槽6-3中，第三丝12杠继续运动，后一个电池到达无人机正下方后电池上的磁铁与无人机上的磁铁相吸，完成更换电池。
本发明工作过程如下：
无人机降落后第一红外传感器7-1检测到，第一丝杠电机1启动，推动无人机运动。到达最边上第二红外传感器7-2检测到，第二丝杠电机2开始带动第二推杆5运动，将无人机向下推，推到终点(固定位置，第二推杆5移动到最边缘)后完成无人机定位。无人机停止后第三丝杠12开始运动，凸块6-4将飞机下面的电池顶下去，旧电池将落在前一个电池凹槽6-3中，第三丝杠12继续运动，后一个电池到达飞机正下方后电池上的磁铁与飞机上的磁铁相吸。完成更换电池。飞机上电起飞第三丝杠12后退到初始位置，机械臂将旧电池取出放入充电平台，然后将新电池放入后一电池凹槽6-3等待下一架飞机飞来。
无人机采用ov7725图像采集模块，硬件二值化，软件二值化相结合完成图像处理，视觉定点。本装置由stm32作为主控，执行部件有电机、丝杠和机械臂，由红外传感器检测飞机位置继而出发电机转动。采用红外传感器定位，确保无人机与平台无瑕对接。电池与无人机之间采用强磁吸附，既方便拆下也方便安装；通过编写好程序准确点定位，机械臂夹取、放置新旧电池准确高效。
本此设计与一般无人机不同的是，它更“智能”，操作更轻松，续航更长！硬件方面(更换电池平台)采用stm32单片机为核心，结合三个红外传感器设计出一套全自主机械结构，可轻松取下没电的电池，并为其换上新电池，不仅如此，更换出来的空电池，机坪内置的电源会为其继续充电从而达到循环数次使用的目的，总动作完成时间只需60s。软件方面(无人机飞控系统)无人机结合我们自主编写设计的视觉定位程序，轻松准确的完成定位并降落，待换上新电池后自主起飞。这样就解决无人机续航能力上的瓶颈问题。相比其他技术，更加方便省时，成本更低。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种无人机智能续航自主更换电池装置，其特征在于：包括无人机定位机构和电池更换机构，所述无人机定位机构包括两个平行设置的第一支架和设置在第一支架一侧的第二支架，所述第二支架与第一支架垂直设置，在所述第一支架上设有用于推动无人机的第一推动装置，在所述第二支架上设有用于推动无人机的第二推动装置，所述第一推动装置包括第一推杆和设置在第一支架上的第一丝杠，所述第一丝杠与第一丝杠电机相连，所述第一推杆的两端设有与第一丝杠相配合的丝杠螺母，所述丝杠螺母套在第一丝杠上；所述第二推动装置包括第二推杆和设置在第二支架上的第二丝杠，所述第二丝杠与第二丝杠电机相连，所述第二推杆的一端设有与第二丝杠相配合的丝杠螺母，所述丝杠螺母套在第二丝杠上，在所述第二推杆上设有两个用于推动无人机脚架的推块，在与所述第二推杆相对处设有电池更换机构，所述电池更换机构包括第三支架和电池盒，在所述第三支架上设有第三丝杠，所述第三丝杠与第三丝杠电机相连，所述电池盒的一侧设有与第三丝杠相配合的丝杠螺母，所述丝杠螺母套在第三丝杠上。
2.根据权利要求1所述的一种无人机智能续航自主更换电池装置，其特征在于：在所述第一推杆的后侧设有第一红外传感器，在所述第二推杆的后侧设有第二红外传感器，在所述电池盒旁设有第三红外传感器，所述第一红外传感器、第二红外传感器、第三红外传感器、第一丝杠电机、第二丝杠电机和第三丝杠电机均与控制器电连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种无人机智能续航自主更换电池装置，其特征在于：所述电池盒包括底座，在所述底座上设有两个电池凹槽，在所述两个电池凹槽之间设有两个凸块，在第二个电池凹槽内放置有用于更换的电池。
4.根据权利要求1所述的一种无人机智能续航自主更换电池装置，其特征在于：所述控制器为stm32单片机。
5.根据权利要求2所述的一种无人机智能续航自主更换电池装置，其特征在于：本装置还包括用于取出旧电池并放置新电池的机械臂，所述机械臂与控制器电连接。
6.根据权利要求1所述的一种无人机智能续航自主更换电池装置，其特征在于：所述第二推杆上两个推块之间的距离为无人机两个脚架之间的距离。
7.根据权利要求1所述的一种无人机智能续航自主更换电池装置，其特征在于：所述第一推动装置还可采用履带传送方式带动第一推杆往复运动。
8.根据权利要求1或7所述的一种无人机智能续航自主更换电池装置，其特征在于：所述第二推动装置还可采用履带传送方式带动第二推杆往复运动。
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