CN109131921A - 一种无人机自动充电平台及自动充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机自动充电平台及自动充电方法，其对无人机降落精度要求低，结构相对简单，故障率低。该无人机自动充电平台包括停机平台、设置在停机平台上多个约束部件、用于驱动各约束部件的驱动单元以及设于至少一约束部件上充电单元，各约束部件围绕形成一降落区域，驱动单元通过驱动约束部件移动以缩放降落区域，当停在降落区域的无人机在各约束部件的约束下移动到降落区域的中部时，无人机上的充电口与约束部件上的充电单元电接触。

Description

一种无人机自动充电平台及自动充电方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机自动充电平台及自动充电方法。

背景技术

随着无人机行业的快速发展，无人机正日益广泛地应用于人们的生产生活中，目前旋翼无人机主要采用电力作为动力。目前无人机通常由人工操作进行充电，但是人工操作增加了人力成本，不利于实现自动化。现有技术中，有一些能够实现无人机自动充电的方案，无人机自动充电的方式一般有以下几种：

(1)通过机械手自动装卸电池，该方式由于机械结构多、设计机构复杂、成本相对高，而且需要较高的定位精度才能完成自动更换电池，由于机械结构以及电路结构较为复杂，使得该方式的故障率高，检修周期短；此外，该方式受限于机械手的安全行程，所需安装空间较大。

(2)充电接口自动直插进行直连充电，该方式通过将无人机电源线引出到一端，通过定位校准，将两端充电口进行直连充电，该种充电方式同样需要较高的定位精度，只有无人机正常降落在指定区域内才可以进行匹配充电，或者是通过地面充电端进行移动校准，但是这样也增加了结构的复杂性，相应地成本、故障率、安装空间等问题也出现；另外，直连式充电大多会将电源置于同一位置，由于定位精度的偏差，电源的错充，正负极接错等都会对整个充电系统造成较大的电流冲击，甚至导致整个充电系统的崩溃和损坏，不安全性较高。

在申请号为201610376486.8的中国专利中，公开了一种适用于无人机的充电起落架，其横杆上设置有多个充电接触件，内部还设有充电电路模块，可直接通过起落架完成无人机的充电接口的转接；同时，该专利还公开了一种与上述起落架相匹配的充电平台，包括定位标以及与起落架上充电接触件匹配的接触件，其定位标用于为无人机提供定位数据以停靠在台面上的指定位置。

在上述专利中，是通过识别充电平台上的定位标实现无人机的定位，其对无人机降落精度要求极高，当无人机降落的误差较大时，起落架上充电接触件与充电平台上的接触件错位，就无法实现充电功能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种无人机自动充电平台及自动充电方法，其对无人机降落精度要求低，结构相对简单，故障率低。

根据本发明的一个方面，提供一种无人机自动充电平台，适于对一无人机进行自动充电，该无人机包括起落架以及设置在起落架上的充电口，所述自动充电平台包括停机平台、设置在所述停机平台上多个约束部件、用于驱动各所述约束部件的驱动单元以及设于至少一所述约束部件上充电单元，各所述约束部件围绕形成一降落区域，所述驱动单元通过驱动所述约束部件移动以缩放所述降落区域，当停在所述降落区域的无人机在各所述约束部件的约束下移动到所述降落区域的中部时，无人机上的充电口与所述约束部件上的所述充电单元电接触。

在无人机未降落时，可以适当扩大所述降落区域的面积，使所述降落区域的面积大于无人机降落所占的面积，允许无人机的降落位置与预设的位置有一定的误差，从而降低了对无人机降落精度的要求；无人机最初降落在所述降落区域时，可能并不是处于所述降落区域的中部，然后通过向内移动所述约束部件，使所述降落区域收缩，所述约束部件内向移动的过程中与无人机的起落架接触，并将无人机约束到降落区域的中部；当各所述约束部件将无人机约束到降落区域的中部时，无人机充电口刚好与所述约束部件上的所述充电单元电接触，实现所述充电单元对无人机的充电。本发明的所述自动充电平台可以满足多种无人机的使用，而且由于其对定位精度的要求较低，可摆脱人为干预和定位辅助传感器的使用，其结构简单，故障率和成本相对较低，实用性强。

根据一些实施例，所述充电单元包括正极充电接触部件和负极充电接触部件，所述正极充电接触部件适于与无人机充电口的正极电接触，所述负极充电接触部件适于与无人机充电口的负极电接触，所述正极充电接触部件和所述负极充电接触部件分别设置在两所述约束部件上，或者所述正极充电接触部件和所述负极充电接触部件分别设置在一所述约束部件的两端。通过将所述充电单元的正、负极分开设置，避免了误接、误触的安全隐患，有利于提高充电的安全性。

根据另一些实施例，所述无人机自动充电平台包括一对相互平行的主约束部件和一对相互平行的副约束部件，两所述主约束部件与两所述副约束部件围绕形成矩形的所述降落区域，所述充电单元设置在至少一所述副约束部件上。

进一步地，所述充电单元包括分别设置在两所述副约束部件上的正极充电接触部件和负极充电接触部件，所述正极充电接触部件适于与无人机充电口的正极电接触，所述负极充电接触部件适于与无人机充电口的负极电接触。通过将所述充电单元的正、负极分开设置，避免了误接、误触的安全隐患，有利于提高充电的安全性。

进一步地，所述正极充电接触部件包括多个正极接触件，所述负极充电接触部件包括多个负极接触件，多个所述正极接触件以及所述负极接触件形成多个充电线路。通过设置多组充电线路，可以实现对无人机多组电池的同时充电，提高充电效率，此外，在电池充电过程中，还可以利用一路充电线路对无人机的用电设备进行直接供电，保证无人机的正常开机运行，无人机在充电过程中保持待机状态，可以缩短下次无人机起飞的准备时间，做到高效率充电。

进一步地，所述正极充电接触部件与所述负极充电接触部件分别为磁吸式充电接口。

进一步地，所述主约束部件包括主约束支架、转动设置在所述主约束支架上的多个带轮以及张紧在各所述带轮上的弹性带，当无人机降落在所述降落区域时，无人机起落架的端部与所述弹性带的带面相对。

进一步地，所述无人机自动充电平台还包括设置在每一所述副约束部件上的至少一辅助校准机构，所述辅助校准机构与所述副约束部件弹性连接，所述辅助校准机构适于与无人机起落架侧面的定位机构斜面配合，以在无人机起落架与所述副约束部件相互靠近时，引导无人机与所述副约束部件准确定位，所述辅助校准机构向前延伸超出设置在同一所述副约束部件上的所述充电单元。

根据本发明的另一个方面，提供一种无人机自动充电方法，包括以下步骤：

提供一对相对设置的主约束部件以及一对相对设置的副约束部件，各所述主约束部件与所述副约束部件围绕形成一降落区域；

提供充电单元于至少一副约束部件上；

驱动一对所述主约束部件相向运动，以将位于所述降落区域内的无人机约束在两所述主约束部件中部；

驱动一对所述副约束部件相向运动，以将位于所述降落区域内的无人机约束在两所述副约束部件中部，此时无人机上的充电口与所述充电单元电接触。

进一步地，所述提供充电单元于至少一副约束部件上，进一步地包括以下步骤：

提供所述充电单元的多个正极于一所述副约束部件上；

提供所述充电单元的多个负极于另一所述副约束部件上，所述充电单元的多个正极与多个负极形成多组充电线路。

附图说明

图1为一无人机的示意图；

图2A、2B、2C显示了本发明的自动充电平台的各约束部件的第一种实施方式，并显示了约束部件对无人机起落架的约束过程；

图3A、3B显示了本发明的自动充电平台的各约束部件的第一种实施方式，并显示了约束部件对无人机起落架的约束过程；

图4A、4B、4C显示了本发明的自动充电平台的各约束部件的第二种实施方式，并显示了约束部件对无人机起落架的约束过程；

图5是本发明的自动充电平台的一个优选实施例的示意图，显示了无人机进行充电的过程；

图6为图5的局部放大图；

图7是本发明的自动充电平台的一个优选实施例的局部示意图，显示了无人机进行充电的过程；

图中：1、无人机；11、机身；12、起落架；13、充电口；131、正极充电口；132、负极充电口；

2、停机平台；

3(3A、3B)、约束部件；30(30A、30B)、降落区域；

31A、第一约束部件；32A、第二约束部件；33A、第三约束部件；

31B、副约束部件；32B、副约束部件；33B、主约束部件；331、主约束支架；332、带轮；333、弹性带；34B、主约束部件；341、主约束支架；342、带轮；343、弹性带；

5、充电单元；51、正极充电接触部件；52、负极充电接触部件；

6、辅助校准机构；61、定位杆；

7、定位机构；71、定位口。

具体实施方式

下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

本发明提供一种无人机自动充电平台，适于对无人机进行自动充电，该无人机包括起落架以及设置在起落架上的充电口。图1显示了无人机1的一个优选实施例，其包括机身11、设置在机身11下方的起落架12以及设置在起落架12上的充电口13。当然，本发明提供的自动充电平台并非仅适用于图1所示的无人机，还适用于起落架11为其他形状或结构的无人机，图1的无人机1仅为示例性的举例。

本发明的自动充电平台包括停机平台2、设置在停机平台2上的多个约束部件3、用于驱动各约束部件3的驱动单元(图中未示出)以及设于至少一约束部件3上充电单元5。

多个约束部件3围绕形成一降落区域30，驱动单元通过驱动约束部件3移动以扩大或缩小降落区域30。无人机1降落在停机平台2上时，其预设位置为降落区域30的中部，但是由于降落误差的存在，无人机1的停机地点难免会偏离预定的降落位置，因此，在无人机1还未降落时，向外移动各约束部件3，使得降落区域30的面积大于无人机1降落所需要的面积，以允许无人机1以较大的误差降落在降落区域30内，无人机1降落后，通过向内定量移动各约束部件3，使各约束部件3均与无人机1接触，各约束部件3将无人机1约束到降落区域3的中部。当无人机1被各约束部件3约束至降落区域30的中部时，约束部件3上的充电单元5与起落架12上的充电口13相对并电接触，从而通过充电单元5实现了对无人机1的充电。

约束部件3呈长条形，从而多个约束部件3围绕形成多边形。优选地，驱动单元驱动约束部件3沿着与约束部件3垂直的方向移动，以保证各约束部件3移动时，互相之间的夹角不变。值得一提的是，各约束部件3可以设置在同一高度上，也可以设置在不同高度上。在一些实施例中，各约束部件3设置在同一高度，当各约束部件3向内移动到其端部互相抵触时，降落区域30的面积达到最小，值得一提的是，无人机1降落所需的面积大于该降落区域30的最小面积。在另一些实施例中，相邻的约束部件3设置在不同的高度，当各约束部件3向内移动时，相邻约束部件3之间不会产生干涉，以允许降落区域30缩小到更小。

驱动单元为现有技术，可以电机、丝杆、气缸、气动杆等设备，本发明对驱动单元的具体形式不做限定。

约束部件3的数量以及设置方式有多种选择，以下列举约束部件3的两种实施方式，以说明各约束部件3对无人机1的约束方式。可以理解的是，以下列举并非穷尽式列举，本领域的技术人员结合以下说明，可以容易想到约束部件3为更多数量时的实施方式。

在约束部件3的第一种实施方式中，本发明的自动充电平台包括三个约束部件3A，三个约束部件3A围绕形成三角形的降落区域30A，如图2A所示或图3A所示，在无人机1还未将降落时，降落区域30A的面积大于无人机1所需的降落面积。

无人机1按照图2A所示的方式降落到降落区域30A，图中虚线为无人机1的起落架12，降落后，起落架12与第一约束部件31A基本平行，但由于降落误差的存在，有一定偏移；通过向上移动第一约束部件31A，使第一约束部件31A与起落架12的一侧贴合，将起落架12约束到与第一约束部件31A平行的位置，如图2B所示；在起落架12随第一约束部件31A继续移动的过程中，第二约束部件32A或第三约束部件33A将起落架12约束到降落区域30A的中部，当起落架12的两端分别抵于第二约束部件32A和第三约束部件33A时，起落架12与第一约束部件31A的相对位置固定，如图2C所示。起落架12与第一约束部件31A相对的一侧设置充电口13，第一约束部件31A上设置充电单元5，当起落架12被约束至两端分别抵于第二约束部件32A和第三约束部件33A时，充电口13与充电单元5电接触。

无人机1还可以按照图3A所示的方式进行降落，降落后，起落架12与第一约束部件31A基本垂直，由于降落误差的存在，有一定的偏移。降落后通过移动约束部件3A，将无人机1约束到降落区域30A的中部，如图3B所示，充电单元5以及充电口13分别设置在约束部件3A与起落架12接触的位置。

在约束部件3的第二种实施方式中，本发明的自动充电平台包括四个约束部件3B，四个约束部件3B围绕形成矩形的降落区域30B，如图4A所示，在无人机1还未将降落时，降落区域30B的面积扩大到大于无人机1所需的降落面积。

无人机1按照图4A所示的方式降落到降落区域30B，降落后，起落架12与一对副约束部件31B、32B基本平行，与一对主约束部件33B、34B基本垂直，但由于降落误差的存在，有一定的偏移。可以先移动一对副约束部件31B、32B，将无人机1调整到与一对副约束部件31B、32B平行的位置，然后移动一对主约束部件33B、34B，将无人机1调整到降落区域30B的中部。也可以先移动一对主约束部件33B、34B，将无人机1调整到与一对主约束部件33B、34B垂直的位置，然后移动一对副约束部件31B、32B，将无人机1调整到降落区域30B的中部。

充电单元5设置在至少一副约束部件上，无人机1的充电口13设置在起落架12上与充电单元5相对的位置。为了避免无人机1移动时，充电口13或充电单元5与相应的约束部件3B或起落架12产生较大的摩擦，优选地，调节无人机1的方式为：先移动一对主约束部件33B、34B，将无人机1调整到与一对主约束部件33B、34B垂直的位置，此时充电口13与充电单元5对齐，如图4B所示；然后移动一对副约束部件31B、32B，将无人机1调整到降落区域30B的中部，同时充电口13与充电单元5电接触，如图4C所示。

充电单元5与电源或者蓄电池等外部电源电连接，当充电单元5与充电口13电接触时，即可向无人机1供电。

为了提高无人机1的充电安全性，避免电极误接、误触，优选地，充电单元5包括分别设置在两个约束部件3上的正极充电接触部件51和负极充电接触部件52，如图3A或4A所示。相应的，无人机1的充电口13包括分开设置的正极充电口131、负极充电口132，当正极充电口131与正极充电接触部件51接触，同时负极充电口132与负极充电接触部件52接触时，充电单元5向无人机进行供电。

在约束部件3的第二个实施例中，正极充电接触部件51和负极充电接触部件52分别设置在一对副约束部件31B、32B上，相应的，无人机1的正极充电口131、负极充电口132分别设置在两起落架12的侧面，当无人机1被约束至降落区域30B的中部时，刚好正极充电口131与正极充电接触部件51接触，同时负极充电口132与负极充电接触部件52接触。

进一步地，正极充电接触部件51包括多个正极接触件，负极充电接触部件52包括多个负极接触件，多个正极接触件以及负极接触件形成多组充电线路，通过设置多组充电线路，可以实现对无人机1的多组电池同时充电，提高充电效率，此外，在电池充电过程中，还可以利用一路充电线路对无人机1的用电设备进行直接供电，保证无人机1的正常开机运行，无人机1在充电过程中保持待机状态，可以缩短下次无人机1起飞的准备时间，做到高效率充电。

进一步地，为了提高正极充电口131与正极充电接触部件51、负极充电口132与负极充电接触部件52的定位准确性，采用磁吸式的充电接口结构，当正极充电口131与正极充电接触部件51(或负极充电口132与负极充电接触部件52)相互靠近时，通过磁性吸引力将二者定位到准确的位置。关于磁吸式充电接口的具体结构为现有技术，本发明不再详述。

图5、6、7为本发明的自动充电平台的一个优选实施例的示意图，显示了无人机1充电的状态，其中约束部件3采用图4A所示的实施方式。

其中，一对副约束部件31B、32B与一对主约束部件33B、34B围绕形成矩形的降落区域30B。

约束部件3B与无人机接触并作用于起落架时，可能会导致无人机起落架12发生形变，为了减少起落架12的变形，可以在约束部件3B上设置一定的缓冲结构，以使得起落架12与约束部件3B接触时为弹性接触。

优选地，主约束部件33B、34B包括主约束支架331、341，转动设置在主约束支架331、341上的多个带轮332、342，以及张紧在带轮332、342上的弹性带333、343。当无人机1降落在降落区域30B时，其起落架12的端部与弹性带333、343的带面相对。无人机1在惯性的作用下，停在降落区域30B后可能会发生一定的位移，当无人机与一弹性带333接触后，可通过弹性带333的运动或者弹性带333的弹性形变将该作用力抵消，以避免无人机1的起落架12发生损坏。

优选地，副约束部件31B、32B上还分别设有至少一辅助校准机构6，辅助校准机构6与无人机1上的定位机构7配合。

如图1所示，无人机1的起落架12的两侧分别设置有至少一定位机构7，定位机构7具有喇叭状的定位口71。

辅助校准机构6包括定位杆61，定位杆61与副约束部件31B、32B弹性连接，当无人机1被约束到与副约束部件31B、32B相互平行时，副约束部件31B、32B向靠近无人机1的方向移动，移动的过程中，定位杆61与无人机1的定位口71相对，定位杆61沿着喇叭状的定位口71移动到定位口71的中部。由于定位杆61与第一对约束部件31B、32B为弹性连接，因此也保证了起落架12与第一对约束部件31B、32B的接触为弹性接触。

定位杆61延伸到充电单元5的前方，因此起落架12与副约束部件31B、32B相互靠近时，定位杆61首先与定位口71对齐，然后正极充电口131与正极充电接触部件51、负极充电口132与负极充电接触部件52通过磁力吸引紧密接触，同时定位杆61被压缩。

基于以上自动充电平台，本发明还提供一种无人机自动充电方法，包括以下步骤：

提供一对相对设置的主约束部件33B、34B以及一对相对设置的副约束部件31B、32B，各主约束部件33B、34B与副约束部件31B、32B围绕形成一降落区域30B；

提供充电单元5于至少一副约束部件31B、32B上；

驱动一对主约束部件33B、34B相向运动，以将位于降落区域30B内的无人机1约束在两主约束部件33B、34B中部；

驱动一对副约束部件31B、32B相向运动，以将位于降落区域30B内的无人机1约束在两副约束部件30B中部，此时无人机1上的充电口13与充电单元5电接触。

进一步地，步骤提供充电单元于至少一副约束部件上，具体包括以下步骤：

提供充电单元5的多个正极于一副约束部件32B上；

提供充电单元5的多个负极于另一副约束部件31B上，充电单元5的多个正极与多个负极形成多组充电线路。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种无人机自动充电平台，适于对一无人机进行自动充电，该无人机包括起落架以及设置在起落架上的充电口，其特征在于，所述无人机自动充电平台包括停机平台、设置在所述停机平台上多个约束部件、用于驱动各所述约束部件的驱动单元以及设于至少一所述约束部件上充电单元，各所述约束部件围绕形成一降落区域，所述驱动单元通过驱动所述约束部件移动以缩放所述降落区域，当停在所述降落区域的无人机在各所述约束部件的约束下移动到所述降落区域的中部时，无人机上的充电口与所述约束部件上的所述充电单元电接触。

2.根据权利要求1所述的无人机自动充电平台，其特征在于，所述充电单元包括正极充电接触部件和负极充电接触部件，所述正极充电接触部件适于与无人机充电口的正极电接触，所述负极充电接触部件适于与无人机充电口的负极电接触，所述正极充电接触部件和所述负极充电接触部件分别设置在两所述约束部件上，或者所述正极充电接触部件和所述负极充电接触部件分别设置在一所述约束部件的两端。

3.根据权利要求1所述的无人机自动充电平台，其特征在于，包括一对相互平行的主约束部件和一对相互平行的副约束部件，两所述主约束部件与两所述副约束部件围绕形成矩形的所述降落区域，所述充电单元设置在至少一所述副约束部件上。

4.根据权利要求3所述的无人机自动充电平台，其特征在于，所述充电单元包括分别设置在两所述副约束部件上的正极充电接触部件和负极充电接触部件，所述正极充电接触部件适于与无人机充电口的正极电接触，所述负极充电接触部件适于与无人机充电口的负极电接触。

5.根据权利要求2或4所述的无人机自动充电平台，其特征在于，所述正极充电接触部件包括多个正极接触件，所述负极充电接触部件包括多个负极接触件，多个所述正极接触件以及所述负极接触件形成多个充电线路。

6.根据权利要求5所述的无人机自动充电平台，其特征在于，所述正极充电接触部件与所述负极充电接触部件分别为磁吸式充电接口。

7.根据权利要求3所述的无人机自动充电平台，其特征在于，所述主约束部件包括主约束支架、转动设置在所述主约束支架上的多个带轮以及张紧在各所述带轮上的弹性带，当无人机降落在所述降落区域时，无人机起落架的端部与所述弹性带的带面相对。

8.根据权利要求7所述的无人机自动充电平台，其特征在于，还包括设置在每一所述副约束部件上的至少一辅助校准机构，所述辅助校准机构与所述副约束部件弹性连接，所述辅助校准机构适于与无人机起落架侧面的定位机构斜面配合，以在无人机起落架与所述副约束部件相互靠近时，引导无人机与所述副约束部件准确定位，所述辅助校准机构向前延伸超出设置在同一所述副约束部件上的所述充电单元。

9.一种无人机自动充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一对相对设置的主约束部件以及一对相对设置的副约束部件，各所述主约束部件与所述副约束部件围绕形成一降落区域；

提供充电单元于至少一副约束部件上；

驱动一对所述主约束部件相向运动，以将位于所述降落区域内的无人机约束在两所述主约束部件中部；

驱动一对所述副约束部件相向运动，以将位于所述降落区域内的无人机约束在两所述副约束部件中部，此时无人机上的充电口与所述充电单元电接触。

10.根据权利要求9所述的无人机自动充电方法，其特征在于，所述提供充电单元于至少一副约束部件上，进一步地包括以下步骤：

提供所述充电单元的多个正极于一所述副约束部件上；

提供所述充电单元的多个负极于另一所述副约束部件上，所述充电单元的多个正极与多个负极形成多组充电线路。