CN108656977A - 一种无人机自动更换电池的基站及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机自动更换电池系统的基站，包括保护罩和位于保护罩底部与之连接的平台，平台包括调整姿态机构、拆装电池机构、充电模块以及预留接口。本发明为无人机驿站设计，其主要功能是为无人机快速提供能源，此外，本发明可为无人机提供起降、保护等功用，解决了现有产品无法满足无人机长时间长距离执行任务的庞大需求，满足无人机市场需求，具有现实意义。

Description

一种无人机自动更换电池的基站及系统

技术领域

本发明涉及无人机应用方面，具体涉及一款为无人机起降、快速补充能源、提供保护的平台。

背景技术

无人机凭借机动灵活，扩展性大，价格低廉，操作简单的特点，在各行各业中有广阔的应用前景。无人机具有极大的发展潜力，也逐渐成为各国竞争的热点。目前我国在无人机研发制造方面具有领先优势，但无人机平台这样的配套设施研究落后于国际，阻碍了无人机产业发展和无人机应用推广。

在执行任务上，传统无人机作业模式可分为两类：跟随式和返程式，跟随式即飞行器在空中执行任务过程中，操作者实时跟随并在其完成任务即时降落后进行人工回收，返程式即操作者不跟随，飞行器完成任务后需返回操作者所在区域完成降落回收。两种作业模式，前者限制了操作者的自由，后者牺牲了飞行器有效飞行距离，返回操作者位置完成回收造成了时间上和能源上的浪费。这两种模式均无法满足无人机长时间长距离飞行任务的要求。因此搭建无人机平台，促使无人机系统化必是未来无人机领域的一大发展方向。而本平台的设计，是实现无人机系统化的第一步，也是至关重要的一步。

当前无人机应用的一大需求是为在高速公路上巡逻、或到达指定事故地点、对第一现场现状进行保留，便于警方确定出警人数、是否需要救护车等信息，但是在其发展道路上却受到了较大的局限性。一方面，高速上发生意外时容易交通堵塞，执法救援车辆难以第一时间到达事发位置。急需无人机作业保护第一现场，了解受伤人员情况。然而无人机滞空时间有限，对较远位置发生的事故无能为力，亟需一个快速补充能源的中转站。另一方面，针对高速、铁道、河道等长程巡逻任务，采用人工方式工作量大而且难以连续巡逻，采用无人机巡逻又受续航能力、数量、价格方面限制。一个可以补充能源并提供保护的无人机平台能极大提升无人机作业能力，降低成本和人力消耗。由此可见，能够支持快速补充能源的无人机平台是迫切需要的。

国内目前没有成型的商业化产品，也少有此方面研究成果。宝鸡文理学院物理与光电技术学院三名学生曾制作一款无人机平台，该平台使用了无线充电技术，充电速度慢。平台裸露，无人机没有保护，无法满足实际生产生活中的需要。

国际上，无人机平台刚刚起步。

2015年12月，Asylone公司开发出一款无人机自动充电系统，使用自动换电池的构思，并设计了一款特制结构电池。该平台体积较大，需要专门进行施工建设，搭建难度大，环境适应力弱，仅适合作为无人机机库而非无人机驿站。

2016年2月，新加坡H3 Dynamics公司开发出Dronebox无人机自动充电站。该平台依旧采用无线充电模式，效率低下，无法即停即飞。

2016年4月，FLYBi公司发起一款无人机快速充能模块Helideck的众筹项目，该项目采用更换电池的构思，该模块能源由内置电池提供，无法适应长时间工作，并且该平台体积较小，要求无人机降落精度极其苛刻，无法满足现实要求。

发明内容

当前无人机技术发展迅猛，各类产品陆续被应用于各种行业，在生产、生活中发挥了极大的作用，展现了美好的应用前景。然而，在开展公路巡航、河道监测等长时间、长距离任务上，无人机无法发挥其应有的作用，主要原因如下：一、无人机电池容量不足，续航能力差，无法满足长时间、长距离任务的需求；二、无人机降落后的人工回收缩短了实际工作半径，增大了人工负担。

针对以上问题，本发明拟针对国际市场占有率最高的大疆品牌四旋翼无人机开发一款无人机起降、快速补充能源和停留保护的智能平台，目的在于提高无人机飞行能力，实现无人值守，真正扩大无人机应用空间。

本发明的技术方案：

一种无人机自动更换电池系统的基站，其特征在于：包括保护罩和位于保护罩底部与之连接的平台，所述平台包括调整姿态机构、拆装电池机构、充电模块以及预留接口。

所述保护罩可启闭设计，由两个1/4空心圆柱形的仓罩组成。

所述平台内置GPS，平台一侧装有的一个启闭电机，启闭电机通过销轴直接控制其中一个仓罩启闭，同时电机通过同步带与齿轮相连，通过齿轮传动控制另一个仓罩启闭，平台中心设置的信标，平台上还设有停机标准位置。

所述信标包括图案以及特定颜色、特定闪烁方式、特定排列的LED灯。

所述调整姿态机构包括固定在平台上的X方向拨杆、定位板、拨杆电机，所述X方向拨杆一端套接设于平台上的滑杆，可在滑杆上自由滑动，另一端固定设有拨杆电机，所述拨杆电机头部与齿轮相连接，并通过齿轮与齿杆啮合，拨杆电机带动X方向拨杆在无人机降落时的正方向与驿站正方向之间存在小于45°的夹角时推动无人机使其正方向与驿站正方向相同，直到无人机与定位板相接触，X方向拨杆继续推动无人机前进至停机标准位置停止。

所述拆装电池结构包括固定在平台上的机械手和电池仓，所述机械手安放在导轨上电性连接电机，电机通过同步带轮控制机械手运动，机械手端部设有机械夹，所述电池仓内部设有电量识别模块。

所述充电模块分为电池充电模块和无线充电模块，所述电池充电模块电性连接电池仓，所述无线充电模块控制无线信号发射器对驻停在驿站内的无人机进行无线充电。

所述预留接口便于未来平台系统化的开发和调试。

一种无人机自动更换电池系统的基站的工作方法，其特征在于：设立一种无人机自动更换电池系统的基站（以下简称“驿站”），所述驿站工作步骤包括：

第一步，驿站保护罩呈封闭状态并发射WiFi信号，当无人机接近时，无人机连入该WiFi发射请求降落信号，驿站收到信号回复允许降落,无人机停止发送请求降落信号，寻找信标进行降落；

第二步，驿站保护罩开启，无人机降落并在降落完成后发送降落完成信号，驿站确认回复信号并将保护罩封闭。此后，利用调整姿态机构对无人机进行姿态调整操作，使其摆正到停机标准位置。之后，根据无人机的发出的无线充电信号或者更换电池信号分别选择对无人机进行无线充电或者更换电池操作；

第三步，补充能源结束并在无人机发送请求起飞信号后，驿站调整姿态机构复位，保护罩开启，无人机在达到最低起飞高度时悬停并发送起飞正常信号，驿站保护罩关闭回复信号，无人机停止发送起飞正常信号并飞走，驿站失去与无人机WiFi连接，停止回复信号。

本发明的有益效果：本发明为无人机驿站设计，其主要功能是为无人机快速提供能源，此外，本发明可为无人机提供起降、保护等功用，解决了现有产品无法满足无人机长时间长距离执行任务的庞大需求，满足无人机市场需求，具有现实意义。

附图说明

图1为本发明系统结构框图。

图2为本发明保护罩封闭状态结构示意图。

图3为本发明保护罩展开状态结构示意图。

图4为本发明保护罩工作原理示意图。

图5为本发明自动起降原理示意图。

图6为本发明姿态调整示意图一。

图7为本发明姿态调整示意图二。

图8为本发明姿态调整示意图三。

图9为本发明姿态调整示意图四。

图10为本发明姿态调整示意图五。

图11为本发明更换电池原理图。

图12为本发明更换电池示意图一。

图13为本发明更换电池示意图二。

图14为本发明更换电池示意图三。

图15为本发明更换电池示意图四。

图16为电池仓结构示意图。

图17为调整姿态机构结构示意图。

其中：1 仓罩、2 平台、3 启闭电机、4 同步带、5 齿轮、6 X方向拨杆、7 定位板、8机械夹、9 导轨、10 电池仓、11 拨杆电机、12 滑杆、13 齿杆。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明。

如图1所示，本发明为无人机驿站设计，其主要功能是为无人机快速提供能源，此外，本发明可为无人机提供起降、保护等功用，驿站工作步骤如下：

第一步，驿站保护罩呈封闭状态并发射WiFi信号，当无人机接近时，无人机连入该WiFi发射请求降落信号，驿站收到信号回复允许降落,无人机停止发送请求降落信号，寻找信标进行降落；

第二步，驿站保护罩开启，无人机降落并在降落完成后发送降落完成信号，驿站确认回复信号并将保护罩封闭。此后，利用调整姿态机构对无人机进行姿态调整操作，使其摆正到停机标准位置。之后，根据无人机的发出的无线充电信号或者更换电池信号分别选择对无人机进行无线充电或者更换电池操作；

第三步，补充能源结束并在无人机发送请求起飞信号后，驿站调整姿态机构复位，保护罩开启，无人机在达到最低起飞高度时悬停并发送起飞正常信号，驿站保护罩关闭回复信号，无人机停止发送起飞正常信号并飞走，驿站失去与无人机WiFi连接，停止回复信号。

驿站设计功能如下：

1. 驿站结构设计：出于安全和防风防雨考虑，驿站设计为可封闭可展开造型，其封闭状态与展开状态示意图分别如图2和图3所示。顶部由两个1/4空心圆柱形组成，一个启闭电机3安装在平台2一侧，通过销轴直接控制其中一个1/4空心圆柱形仓罩1；同时启闭电机3通过同步带4与齿轮5相连，通过齿轮5传动控制另外一个1/4空心圆柱形仓罩1，如图4所示，即使用一个启闭电机3同时控制了两个1/4空心圆柱形仓罩1的开合。

2.无人机自动起降：如图5，无人机内装有一键起降功能，预先存储相应程序。无人机和驿站分别装有GPS，依照GPS无人机接近驿站。无人机接近驿站后按照特定轨迹飞行以搜索驿站。在平台无人机降落处设置信标（图案以及特定颜色、特定闪烁方式、特定排列的LED灯）；同时无人机上安装有摄像头，依照图像识别系统识别驿站并完成精准降落。

3.调整无人机姿态：如图6,当无人机降落至驿站之后，若无人机降落时的正方向与驿站正方向之间存在小于45°的夹角，利用X方向拨杆6推动无人机，借助摩擦力使无人机产生旋转，如图7进而使其正方向与驿站正方向相同。X方向拨杆6继续推动无人机，如图8所示，使之前进。至图9，无人机与固定在驿站上的定位板7相接触，此后无人机同时存在X方向和Y方向的运动，X方向拨杆6继续推动无人机前进，至驻停标准位置停止，如图10所示。此时无人机处于标准状态且在XY平面上无法发生运动。

4.拆装电池结构：以拆电池为例。主要结构是机械夹8、电机和固定用的平台组成的机械手，此机械手安放在导轨9上，并利用同步带轮控制运动。首先，如图12，在无人机姿态调整完成后，机械夹8夹住无人机电池，通过同步带轮控制沿着导轨向后移动，拔出无人机电池。其次，在电池离开无人机后，移动到机械夹连同取出的电池向后移动的同时在特定位置处，底部的齿轮与一段齿条啮合，在机械手沿导轨9移动的同时进行xy平面上的转动，如图13、图14。在机械夹8及电池水平旋转180度后与齿条脱离接触，停止转动，并保持继续沿导轨运动，将电池插入电池仓10进行充电，如图15。机械手结构相较多自由度机械臂取放电池的方式，结构简单稳定，成本较低，能源消耗小。最后，取出电池时，电池仓10通过电量识别模块选择电量最大的电池，绕电池仓轴旋转，将电量最大的电池选择到适合机械手夹持的位置，夹住该电池仍旧旋转180度将其插入无人机电池槽。电池仓10结构如图16。

5.充电模块：在驿站平台内，设有充电模块，分两种形式进行充电，一是有线充电模式，即电源通过电池充电模块电线连接电池仓，电池仓内部设有电量识别模块，能够提醒电池充电模块对电池仓内更换下来的电池进行充电；二是无线充电模式，通过平台内的无线充电模块控制无线信号发射装置对驻停在驿站内的无人机内的电池进行无线充电。

6.预留接口：在驿站控制系统中预留接口，便于未来平台系统化的开发和调试。

综上，本发明达到预期的目的。

Claims (9)

1.一种无人机自动更换电池系统的基站，其特征在于：包括保护罩和位于保护罩底部与之连接的平台，所述平台包括调整姿态机构、拆装电池机构、充电模块以及预留接口。

2.如权利要求1所述一种无人机自动更换电池系统的基站，其特征在于：所述保护罩可启闭设计，由两个1/4空心圆柱形的仓罩组成。

3.如权利要求1所述一种无人机自动更换电池系统的基站，其特征在于：所述平台内置GPS，平台一侧装有的一个启闭电机，启闭电机通过销轴直接控制其中一个仓罩启闭，同时电机通过同步带与齿轮相连，通过齿轮传动控制另一个仓罩启闭，平台中心设置的信标，平台上还设有停机标准位置。

4.如权利要求3所述一种无人机自动更换电池系统的基站，其特征在于：所述信标包括图案以及特定颜色、特定闪烁方式、特定排列的LED灯。

5.如权利要求1所述一种无人机自动更换电池系统的基站，其特征在于：所述调整姿态机构包括固定在平台上的X方向拨杆、定位板、拨杆电机，所述X方向拨杆一端套接设于平台上的滑杆，可在滑杆上自由滑动，另一端固定设有拨杆电机，所述拨杆电机头部与齿轮相连接，并通过齿轮与齿杆啮合，拨杆电机带动X方向拨杆在无人机降落时的正方向与驿站正方向之间存在小于45°的夹角时推动无人机使其正方向与驿站正方向相同，直到无人机与定位板相接触，X方向拨杆继续推动无人机前进至停机标准位置停止。

6.如权利要求1所述一种无人机自动更换电池系统的基站，其特征在于：所述拆装电池结构包括固定在平台上的机械手和电池仓，所述机械手安放在导轨上电性连接电机，电机通过同步带轮控制机械手运动，机械手端部设有机械夹，所述电池仓内部设有电量识别模块。

7.如权利要求1所述一种无人机自动更换电池系统的基站，其特征在于：所述充电模块分为电池充电模块和无线充电模块，所述电池充电模块电性连接电池仓，所述无线充电模块控制无线信号发射器对驻停在驿站内的无人机进行无线充电。

8.如权利要求1所述一种无人机自动更换电池系统的基站，其特征在于：所述预留接口便于未来平台系统化的开发和调试。

9.一种无人机自动更换电池系统的基站的工作方法，其特征在于：设立一种无人机自动更换电池系统的基站（以下简称“驿站”），所述驿站工作步骤包括：

第一步，驿站保护罩呈封闭状态并发射WiFi信号，当无人机接近时，无人机连入该WiFi发射请求降落信号，驿站收到信号回复允许降落,无人机停止发送请求降落信号，寻找信标进行降落；

第二步，驿站保护罩开启，无人机降落并在降落完成后发送降落完成信号，驿站确认回复信号并将保护罩封闭，此后，利用调整姿态机构对无人机进行姿态调整操作，使其摆正到停机标准位置，之后，根据无人机的发出的无线充电信号或者更换电池信号分别选择对无人机进行无线充电或者更换电池操作；

第三步，补充能源结束并在无人机发送请求起飞信号后，驿站调整姿态机构复位，保护罩开启，无人机在达到最低起飞高度时悬停并发送起飞正常信号，驿站保护罩关闭回复信号，无人机停止发送起飞正常信号并飞走，驿站失去与无人机WiFi连接，停止回复信号。