CN109703395B - 一种子母无人机运作方法及其体系 - Google Patents

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Abstract

一种子母无人机运作方法，母无人机与子无人机之间发射激光，母无人机和/或子无人机接收激光并将其转化成电能。一种子母无人机运作体系，包括一架母无人机和至少一架子无人机，母无人机与子无人机之间设有激光充电系统。本子母无人机运作方法及其体系具有续航作业长、适应性广、安全性高的特点。

Description

一种子母无人机运作方法及其体系
技术领域
本发明涉及无人机领域，具体地说是一种子母无人机运作方法及其体系。
背景技术
近年来，无人机应用领域不断扩大，在资源勘查、海洋监测、航空摄影测量、农林业监视、清障消防、搜救等领域显示出巨大潜力，无人机产业的迅猛发展，促使更多企业投入这一充满前景的领域当中。无人机消费市场的广阔前景，也推动了无人机技术的持续突破，但是无人机目前亟待解决的技术问题是：一方面由于小型无人机的续航能力不足，面对耗时长的任务需要定期返航降落进行电池充电或更换，频繁降落还会增加事故风险，也无法适用于远距离等对航时要求较高的场合，大型无人机在续航上虽有所改善，但无法深入偏僻复杂的环境中作业。另一方面，在出现信号障碍的环境中，无人机失控还会带来重大损失。所以，续航和信号是制约无人机发展的一大障碍。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本发明提供一种子母无人机运作方法及其体系。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种子母无人机运作方法，母无人机与子无人机之间发射激光，母无人机和/或子无人机接收激光并将其转化成电能。
进一步的，所述方法具体为以下a和/或b：
a)母无人机的母机激光发射器生成激光，照射在子无人机的子机光伏阵列上，子机光伏阵列利用激光充电技术将激光转化为电能；
b)子无人机的子机激光发射器生成激光，照射在母无人机的母机光伏阵列上，母机光伏阵列利用激光充电技术将激光转化为电能。
进一步的，所述母机激光发射器和子机激光发射器发射400nm至1800nm中至少一种波长的激光。
进一步的，所述母无人机在可容纳母无人机机体的宽阔空间中游弋，子无人机深入只可容纳子无人机机体的狭隘空间并在宽阔与狭隘空间来回穿梭。
进一步的，所述母无人机和子无人机可接收来自太阳和/或基站的能源供应。
一种子母无人机运作体系，包括一架母无人机和至少一架子无人机，母无人机与子无人机之间设有激光充电系统。
进一步的，所述激光充电系统包括以下c和/或d：
c)设于母无人机的母机激光发射器和设于子无人机的子机光伏阵列；
d)设于母无人机的母机光伏阵列和设于子无人机的子机激光发射器。
进一步的，所述子母无人机还设有控制系统和观瞄系统，控制系统与激光充电系统、观瞄系统相互连接。
进一步的，激光发射器的激光波长为400nm至1800nm中的至少一种波长，光伏阵列的材料为GaInP、GaAs、Ga0.85In0.15As、InGaAsP、In0.53Ga0.47As、AlGaAs、Si、CuInSe2、GaSb中的至少一种。
进一步的，所述激光充电系统还可包括激光通信装置。。
本发明的有益效果是：本子母无人机运作方法及其体系具有续航作业长、适应性广、安全性高的特点。
附图说明
图1为母无人机向子无人机空中激光充电示意图。
图2为子无人机向母无人机空中激光充电示意图。
图3为母无人机充电示意图。
图4为图1中A部分放大图。
图中：1-母无人机，2-子无人机，31-母机激光发射器，32-子机激光发射器，41-子机光伏阵列，42-母机光伏阵列，43-太阳能光伏阵列，5-对接基座，6-图传模块，7-机翼，81-太空基站，82-水体移动基站，83-太阳，84-陆地移动基站，85-陆地固定基站。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、图2和图4所示，一种子母无人机运作体系，包括母无人机和至少一架子无人机，母无人机为大飞机，子无人机为小飞机，子母无人机可以是太阳能充电式无人机，母无人机设有图传模块、与子无人机数量相应的对接基座和母机激光发射器，母机激光发射器设于对接基座中心，图传模块包括云台和无线图传，对接基座可以是电磁吸附模块，所述母无人机通过对接基座挂载子无人机，可对其进行电磁感应式无线充电。所述母无人机和子无人机设有激光充电系统和控制系统，所述激光充电系统包括设于母无人机的母机激光发射器和母机光伏阵列、设于子无人机的子机激光发射器和子机光伏阵列，子机激光发射器设于子机光伏阵列的中心。母机光伏阵列和子机光伏阵列均由多片光伏模组连接而成，其光伏阵列采用具有光伏效应且吸收激光效率高的材料研制，需根据光伏阵列的材料对应选择合适的激光发射波长，激光发射器的激光波长为400nm，光伏阵列的材料为AlGaAs，光电转化效率约为32％；激光波长为800nm，光伏阵列的材料为GaAs，光电转化效率约为60％；激光波长为1800nm，光伏阵列的材料为GaSb，光电转化效率约为6％；激光照射到光伏阵列上通过激光充电技术可将激光能量转化为电能，母机激光发射器和子机激光发射器可发射激光、调节光束形状、准直激光束、改变激光发射频率进行激光充电动作和/或激光切割动作，母机激光发射器还可直接聚焦太阳光线照射到子无人机的子机光伏阵列上为其充电。所述控制系统可采用3S技术(遥感技术、地理信息系统和全球定位系统的统称)，是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术、计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术，通过各种信息资源整合来控制无人机的各种动作，使子母无人机之间相互配合并联合运行。激光充电系统还可包括激光通信装置，在GPRS/CDMA、数传电台、扩频微波、无线网桥及卫星通信、短波通信技术等远距离无线传输技术无法满足需求时，所述激光通信装置用于子母无人机之间、无人机与基站之间的信号传输，防止通讯中断带来损失，提高了通讯的稳定性。
一种子母无人机运作方法，巡航时，子无人机可通过对接基座挂载于母无人机的机翼下方；作业时，离地飞行的母无人机释放子无人机，母无人机在可容纳母无人机机体的宽阔高空中游弋，子无人机深入只可容纳子无人机机体的狭隘空间并在宽阔与狭隘的低空来回穿梭，通过母无人机远程自动控制和/或人工遥控子无人机执行巡航、清障、搜救等各种作业任务，母无人机为子无人机作信号中继并可对作业中的子无人机进行激光充电。在激光充电之前，所述母无人机通过观瞄系统捕获并自动跟踪瞄准子无人机的子机光伏阵列，舵机不断调节母机激光发射器的发射方向，然后母机激光发射器生成环状激光束照射在所述子机光伏阵列上，由此建立起母机激光发射器(发射端)与子机光伏阵列(接收端)收发两端的激光链接，然后母机激光发射器开始增加激光功率为子无人机充电，发射端根据接收端的反馈信息不断调整姿态以完成子母无人机的跟踪充电，所述子机光伏阵列吸收环状激光束并利用激光充电技术将激光转化为电能，配合散热模块将电能存储于子无人机的蓄电池上；如图2所示，在耗电过大、夜间持续作业、基站也无法发射激光供能等各种充电不理想情况下，传感器检测到母无人机电量不足，由子无人机的子机激光发射器生成片状激光束，照射在母无人机机身下方的母机光伏阵列上，根据母无人机为子无人机激光充电的原理，所述母机光伏阵列吸收激光并利用激光充电技术将激光转化为电能，配合散热模块将电能存储于母无人机的蓄电池上，必要时还可通过耗尽子无人机能源来保全母无人机。
如图3所示，太阳光照射到太阳能光伏阵列上并转化为电能储存于母无人机电源，也可以是来自太空基站、水体移动基站、陆地移动基站、陆地固定基站的激光，通过母无人机的母机光伏阵列将激光转化为电能，从而为母无人机电源充电，同理，子无人机也可接收太阳和/或基站的能源供应；母无人机电源为母机激光发射器供电，将电能转化为激光能量，散热模块协同母机光伏阵列能够保证更高的能量转化效率，激光能量经过观瞄系统之后,准确传输到子无人机的子机光伏阵列上；子机光伏阵列将激光能量转化为电能为其电池充电，从而为子无人机的发动机提供能量或者完成其它任务，同理，子无人机也可为母无人机充电。母无人机可发射一个或多个激光束为一架或多架子无人机充电，也可以由一架或多架子无人机发射一个或多个激光束为母无人机充电。
在一实施例中，母无人机携带一架或多架子无人机执行搜救任务，子无人机设有电动云台、无线图传。母无人机观测到受困人员后，释放子无人机执行救援任务。在丛林中，可以携带多架子无人机进行巡航，树冠以上的宽阔空间由母无人机巡视，树冠以下的狭隘空间由一架或多架子无人机巡视；在峡谷中，在两山间的垂直方向排布一架或多架子无人机进行多层次监视，子无人机观测到受困人员后，上传求救信息和现场详细状况，母无人机在高空为子无人机进行激光充电并处理救援信息和指挥子无人机救援作业，还可作为信号中继连接各处控制中心。
在一实施例中，子无人机设有飞控模块，母无人机设有导引模块，所述母无人机在空中制导，指挥子无人机在目标处执行任务。母无人机携带两架子无人机执行清障任务，所述母无人机释放两架子无人机并控制其清除峡谷中电缆的缠绕物，一架子无人机飞抵目标处执行清障任务，由舵机控制激光的方向切割缠绕物，另一架子无人机飞至缠绕物落下的地表处待命，执行消防任务，处于高空的母无人机不仅保障能源供应还可利用热红外成像技术进行火险监控，其中一架子无人机被缠绕，其他子或母无人机发射激光将缠绕物切断，可进行相互解救。在复杂环境中清理缠绕物，能够从三个不同观测角度识别空间信息，避免失误切割电缆，同时防止失火、失联、失控的情况发生，提高了安全性能。
此外，所述母无人机还可对地面或空中其他装载激光充电系统的机器进行充电，激光充电也可延伸到电磁感应式无线充电、磁共振式无线充电、无线电波充电和电场耦合式充电中。所述母无人机对子无人机还可通过系留线缆进行控制和充电。在需要的情况下，母无人机可以有多架，子母无人机运作方法及其体系还可延伸到有人机领域及其应用。
子母无人机的相互激光充电设计，增加了子无人机的续航时间，也提高了母无人机的生存保障；子母无人机远距离操控与能源供应，既能在宽阔空间也适应于狭隘环境中作业，扩宽了作业环境，提高了适应性；母无人机作信号中继以及激光通讯，保证指挥中心能够收到相关数据和进行操控，防止子母无人机失控带来损失；无人机无需频繁着陆补充能源，减少了危险事故的发生，同时提高了工作效率；本子母无人机运作方法及其体系具有续航时间长、适应性广、安全性高的特点。
以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种子母无人机运作方法，其特征在于，母无人机与子无人机之间发射激光，母无人机和子无人机接收激光并将其转化成电能，包括：母无人机的母机激光发射器生成激光，照射在子无人机的子机光伏阵列上，子机光伏阵列利用激光充电技术将激光转化为电能；子无人机的子机激光发射器生成激光，照射在母无人机的母机光伏阵列上，母机光伏阵列利用激光充电技术将激光转化为电能；
子无人机设有飞控模块，母无人机设有导引模块，所述母无人机在空中制导，指挥子无人机在目标处执行任务：母无人机携带两架子无人机执行清障任务，所述母无人机释放两架子无人机并控制其清除峡谷中电缆的缠绕物，一架子无人机飞抵目标处执行清障任务，由舵机控制激光的方向切割缠绕物，另一架子无人机飞至缠绕物落下的地表处待命，执行消防任务，处于高空的母无人机不仅保障能源供应还可利用热红外成像技术进行火险监控，其中一架子无人机被缠绕，其他子或母无人机发射激光将缠绕物切断，可进行相互解救。
2.根据权利要求1所述的子母无人机运作方法，其特征在于：所述母机激光发射器和子机激光发射器发射400nm至1800nm中至少一种波长的激光。
3.根据权利要求1所述的子母无人机运作方法，其特征在于：所述母无人机在可容纳母无人机机体的宽阔空间中游弋，子无人机深入只可容纳子无人机机体的狭隘空间并在宽阔与狭隘空间来回穿梭。
4.根据权利要求1～3任一项所述的子母无人机运作方法，其特征在于：所述母无人机和子无人机可接收来自太阳和/或基站的能源供应。
5.一种子母无人机运作体系，其特征在于：包括一架母无人机和至少一架子无人机，母无人机与子无人机之间设有激光充电系统，包括：设于母无人机的母机激光发射器和设于子无人机的子机光伏阵列；设于母无人机的母机光伏阵列和设于子无人机的子机激光发射器；
子无人机设有飞控模块，母无人机设有导引模块，所述母无人机在空中制导，指挥子无人机在目标处执行任务：母无人机携带两架子无人机执行清障任务，所述母无人机释放两架子无人机并控制其清除峡谷中电缆的缠绕物，一架子无人机飞抵目标处执行清障任务，由舵机控制激光的方向切割缠绕物，另一架子无人机飞至缠绕物落下的地表处待命，执行消防任务，处于高空的母无人机不仅保障能源供应还可利用热红外成像技术进行火险监控，其中一架子无人机被缠绕，其他子或母无人机发射激光将缠绕物切断，可进行相互解救。
6.根据权利要求5所述的子母无人机运作体系，其特征在于：所述子母无人机还设有控制系统和观瞄系统，控制系统与激光充电系统、观瞄系统相互连接。
7.根据权利要求5所述的子母无人机运作体系，其特征在于：激光发射器的激光波长为400nm至1800nm中的至少一种波长，光伏阵列的材料为GaInP、GaAs、Ga0.85In0.15As、InGaAsP、In0.53Ga0.47As、AlGaAs、Si、CuInSe2、GaSb中的至少一种。
8.根据权利要求5所述的子母无人机运作体系，其特征在于：所述激光充电系统还可包括激光通信装置。
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