CN109774959A - 带自动更换电池装置的无人机起降平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带自动更换电池装置的无人机起降平台，属于无人机续航技术领域。该平台包括底盘运动装置、电池更换装置、无人机起降装置3个子系统，平台可依靠双目视觉和底盘运动装置实现无人机的近程精准降落；通过电池更换装置和无人机起降装置的配合实现自动的无人机电池更换过程。本发明具有结构紧凑、造价低廉、运行能耗低等特点，在实现无人机自动续航的同时大量节省劳动力，提高工作效率，具有广阔的应用空间。

Description

带自动更换电池装置的无人机起降平台

技术领域

本发明属于无人机续航技术领域，特别涉及一种带自动更换电池装置的无人机起降平台。

背景技术

近年来，无人机进入大众视野，无人机续航时间问题也愈见突出。针对无人机续航时间短的问题，目前国内外提出很多解决方案，大部分方案主要从以下两个方面出发：（1）设计自主充电桩，无人机的充电时间根据电池容量不同一般在1至2小时，充电所消耗的时间大大降低了无人机的使用效率，同时无人机降落后均采用人工处理进行充电，增加了人工成本，降低了使用执行效率；（2）提高电池性能，燃料电池、太阳能电池、石墨烯电池等新型电池的研究和使用仍无法大幅度满足无人机续航时间的要求，因为在增加蓄电量的同时，无人机的负载也明显增加，航程提高并不明显。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提供一种带自动更换电池装置的无人机起降平台，该平台可在保证无人机精准降落的同时，对需要持续工作的无人机进行自动更换电池，实现无人机的续航，保证无人机工作效率的最大化。

本发明的技术方案如下：

一种带自动更换电池装置的无人机起降平台，包括无人机，其特征在于，它还包括底盘运动装置、电池更换装置、无人机起降装置。

所述电池更换装置与底盘运动装置机械连接；所述无人机起降装置与底盘运动装置机械连接；所述无人机通过机械抓手固定在无人机起降装置上，并随着无人机起降装置同步运动。

所述底盘运动装置用于整体装置的全向移动，辅助无人机的精准降落，同时将无任务的无人机载入储存室；所述电池更换装置用于更换无人机电池并将电池送入无人机起降装置的电池储存室中；所述无人机起降装置用于保证无人机的精准降落，保证无人机电池装卸口与电池更换装置的电池抓手对正，无人机起降装置的转盘上层隔板之间用于储存备用无人机电池。

所述底盘运动装置包括支撑架、电机、电机座、联轴器、轴承座、全向轮、转盘底盘；所述支撑架呈三角形；所述电机固定于电机座上；所述电机座固定在支撑架上；所述联轴器输入端与电机相连，输出端与全向轮相连，并由轴承座固定；所述轴承座固定于支撑架上；所述转盘底盘固定于支撑架上，用于支撑电池更换装置。

所述电机、电机座、联轴器、轴承座、全向轮均有3个，并分别成120度分布。

所述电池更换装置包括固定架、固定架底板、固定架顶板、卧式轴承座、丝杠、电池抓手、连接臂、抬升板、步进电机、同步带轮、同步带、同步带夹持装置、滑轨、滑轨固定块、滑轨连块、光轴、光轴滑块、同步带基座；所述固定架通过滑轨固定于固定架底板上，固定架可沿滑轨滑动；所述同步带固定于同步带轮上，通过同步带基座固定于固定架底板上，同步带由步进电机驱动，通过同步带夹持装置驱动固定架，使固定架沿滑轨滑动；所述滑轨通过滑轨固定块和滑轨连块固定于固定架底板上；所述抬升板四个角通过光轴滑块固定于光轴上，可沿光轴垂直滑动，抬升板中心与丝杠通过螺纹配合，可沿丝杠垂直移动；所述丝杠表面为螺纹，通过下方步进电机驱动转动，并带动抬升板的升降；所述电池抓手与连接臂相连；所述连接臂固定于抬升板上。

所述光轴滑块与抬升板固定连接，用于保持抬升板的稳定；所述光轴、卧式轴承座、光轴、光轴滑块均有4个；所述步进电机有两个，分别用于驱动固定架沿滑轨滑动和抬升板沿丝杠移动；所述抬升板为矩形。

所述无人机起降装置包括转盘基层、转盘中层、转盘上层、转盘上层隔板、转盘支撑架、转盘驱动装置、无人机抓手、摄像头；所述无人机起降装置在转盘驱动装置的作用下转动；所述转盘基层通过转盘支撑架与转盘中层固定；所述转盘中层通过转盘支撑架与转盘上层固定；所述转盘中层和转盘上层之间有3个转盘上层隔板，相隔120度；所述转盘驱动装置与转盘基层固定；所述转盘支撑架位于转盘上层隔板中间，相隔120度；所述无人机抓手在转盘上层上，用于固定降落的无人机；所述摄像头在转盘上层中心上，用于识别无人机，使其精准降落。

所述转盘驱动装置包括外齿轮、内齿轮、转盘轴承、步进电机、电机底座、齿轮固定法兰。

所述步进电机固定在电机底座上；所述内齿轮由步进电机驱动，并由齿轮固定法兰固定于转盘基层上；所述外齿轮由内齿轮驱动，从而带动无人机起降装置转动。

所述带自动更换电池装置的无人机起降平台，可支持无人机进行手动降落和自动降落两种模式。

所述自动降落模式包含以下步骤：步骤S1：当无人机距离平台位移大于阈值 时，无人机通过其搭载的GPS定位模块驶向平台；当无人机距离平台位移小于阈值时，无人机通过机载摄像头和平台摄像头的双目视觉识别进行精准降落，平台可根据无人机降落位置通过底盘运动装置实现微调；步骤S2：无人机降落后，无人机起降装置上的无人机抓手夹紧无人机的起落架，防止无人机坠毁；步骤S3：当无人机电量低于飞行需求电量时，无人机起降装置转动使无人机的电池口对齐电池更换装置的中心线，电池更换装置的电池抓手将电池取出放入无人机起降装置的转盘上层隔板中间，同时将新电池取出，装入无人机；步骤S4：当无人机需要起飞时，无人机飞手手动控制无人机起飞，无人机起降装置上的摄像头捕捉无人机的姿态，控制无人机起降装置上的无人机抓手松开起落架，实现无人机起飞。

所述无人机距离平台位移大于阈值根据环境不同取1~10m，m为长度单位；所述飞行需求电量为电池满电量的20%~80%。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、平台可自动对电量过低的无人机进行更换电池，减少了手工更换电池的繁琐过程，同时可以减少劳动人员，提高工作效率。

2、通过双目视觉实现无人机近程的精准降落，避免了因人工操作不当造成的炸机事故。

3、平台造价低廉，适合大范围安装应用，具有良好的经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例的带自动更换电池装置的无人机起降平台整体结构示意图。

图2为本发明实施例的带自动更换电池装置的无人机起降平台的底盘运动装置结构示意图。

图3为本发明实施例的带自动更换电池装置的无人机起降平台的电池更换装置结构示意图。

图4为本发明实施例的带自动更换电池装置的无人机起降平台的无人机起降装置结构示意图。

图5为本发明实施例的无人机起降装置的转盘驱动装置结构示意图。

图中：1.底盘运动装置 2.电池更换装置 3.无人机起降装置 4.无人机 1e.支撑架 1c.电机 1f.电机座 1b.联轴器1g.轴承座 1d.全向轮 1a.转盘底盘 2q.固定架 2m.固定架底板 2r.固定架顶板 2a.卧式轴承座 2b.丝杠 2c.电池抓手 2d.连接臂 2p.抬升板2e.步进电机 2f.同步带轮 2g.同步带2k.同步带夹持装置 2n.滑轨 2h.滑轨固定块 2i.滑轨连块 2o.光轴 2j.光轴滑块2l.同步带基座 3d.转盘基层3e.转盘中层 3g.转盘上层3f.转盘上层隔板 3b.转盘支撑架 3c.转盘驱动装置 3a.无人机抓手 3h.摄像头 3ca.外齿轮 3cf.内齿轮 3cb.转盘轴承 3cc.步进电机3cd.电机底座 3ce.齿轮固定法。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的带自动更换电池装置的无人机起降平台，包括底盘运动装置1、电池更换装置2、无人机起降装置3、无人机4。

电池更换装置2与底盘运动装置1机械连接；无人机起降装置3与底盘运动装置1机械连接；无人机4通过机械抓手固定在无人机起降装置3上，并随着无人机起降装置3同步运动。

底盘运动装置1用于整体装置的全向移动，辅助无人机的精准降落，同时将无任务的无人机载入储存室；电池更换装置2用于更换无人机电池并将电池送入无人机起降装置3的电池储存室中；无人机起降装置3用于保证无人机的精准降落，保证无人机电池装卸口与电池更换装置2的电池抓手2c对正，无人机起降装置3的转盘上层隔板3f之间用于储存备用无人机电池。

如图2所示，底盘运动装置1包括支撑架1e、电机1c、电机座1f、联轴器1b、轴承座1g、全向轮1d、转盘底盘1a；所述支撑架1e呈三角形；电机1c固定于电机座1f上；电机座1f固定在支撑架1e上；联轴器1b输入端与电机1c相连，输出端与全向轮1d相连，并由轴承座1g固定；轴承座1g固定于支撑架1e上；转盘底盘1a固定于支撑架1e上，用于支撑电池更换装置2。

电机1c、电机座1f、联轴器1b、轴承座1g、全向轮1d均有3个，并分别成120度分布。

当平台检测到无人机4距离无人机起降装置3的转盘上层3g的距离小于20厘米时，平台将控制底盘运动装置1靠近无人机4运动，在无人机4的降落过程中实现动态调节。

如图3所示，电池更换装置2包括固定架2q、固定架底板2m、固定架顶板2r、卧式轴承座2a、丝杠2b、电池抓手2c、连接臂2d、抬升板2p、步进电机2e、同步带轮2f、同步带2g、同步带夹持装置2k、滑轨2n、滑轨固定块2h、滑轨连块2i、光轴2o、光轴滑块2j、同步带基座2l；固定架2q通过滑轨2n固定于固定架底板2m上，固定架2q可沿滑轨2n滑动；同步带2g固定于同步带轮2f上，通过同步带基座2l固定于固定架底板2m上，同步带2g由步进电机2e驱动，通过同步带夹持装置2k驱动固定架2q，使固定架2q沿滑轨2n滑动；滑轨2n通过滑轨固定块2h和滑轨连块2i固定于固定架底板2m上；抬升板2p四个角通过光轴滑块2j固定于光轴2o上，可沿光轴2o垂直滑动，抬升板2p中心与丝杠2b通过螺纹配合，可沿丝杠2b垂直移动；丝杠2b表面为螺纹，通过下方步进电机驱动转动，并带动抬升板2p的升降；电池抓手2c与连接臂2d相连；所述连接臂2d固定于抬升板2p上。

光轴滑块2j与抬升板2p固定连接，用于保持抬升板2p的稳定；光轴2o、卧式轴承座2a、光轴2o、光轴滑块2j均有4个；步进电机2e有两个，分别用于驱动固定架2q沿滑轨2n滑动和抬升板2p沿丝杠2b移动；抬升板2p为矩形。

无人机4的电池口对齐电池抓手2c时，电池更换装置2整体沿滑轨2n向前移动，使电池抓手2c插入无人机电池槽中将电池取出；电池更换装置2整体沿滑轨2n向后移动，使电池抓手2c和无人机起降装置3互不干涉，抬升板2p下降至使电池抓手2c位于转盘中层3e和转盘上层3g中间，同时无人机起降装置3转动使电池抓手2c位于两转盘上层隔板3f中间；电池更换装置2整体沿滑轨2n向前移动，将电池放入盘上层隔板3f中间；电池更换装置2整体沿滑轨2n向后移动，无人机起降装置3转动，使电池抓手2c对准备用电池，取出备用电池；电池更换装置2后移，抬升板2p抬升至使电池抓手2c对准无人机电池口，电池更换装置2前移更换备用电池；电池更换装置2回位，完成电池更换操作。

如图4所示，无人机起降装置3包括转盘基层3d、转盘中层3e、转盘上层3g、转盘上层隔板3f、转盘支撑架3b、转盘驱动装置3c、无人机抓手3a、摄像头3h；无人机起降装置3在转盘驱动装置3c的作用下转动；转盘基层3d通过转盘支撑架3b与转盘中层3e固定；转盘中层3e通过转盘支撑架3b与转盘上层3e固定；转盘中层3e和转盘上层3g之间有3个转盘上层隔板3f，相隔120度；转盘驱动装置3c与转盘基层3d固定；转盘支撑架3b位于转盘上层隔板3f中间，相隔120度；无人机抓手3a在转盘上层3g上，用于固定降落的无人机4；摄像头3h在转盘上层3g中心上，用于识别无人机4，使其精准降落。

如图5所示，转盘驱动装置3c包括外齿轮3ca、内齿轮3cf、转盘轴承3cb、步进电机3cc、电机底座3cd、齿轮固定法兰3ce；步进电机3cc固定在电机底座3cd上；内齿轮3cf由步进电机3cc驱动，并由齿轮固定法兰3ce固定于转盘基层3d上；外齿轮3ca由内齿轮3cf驱动，从而带动无人机起降装置3转动。

带自动更换电池装置的无人机起降平台可支持无人机4进行手动降落和自动降落两种模式。

带自动更换电池装置的无人机起降平台的手动降落模式包含以下步骤：步骤S1：无人机飞手通过机载GPS及摄像头手动操控无人机4降落至平台；步骤S2：平台的无人机起降装置3上的摄像头3h捕捉无人机起落架姿态，控制无人机起降装置3上的无人机抓手3a对准无人机4的起落架，并在无人机降落后夹紧起落架；步骤S3：无人机4电量过低时进行人工更换电池；步骤S4：无人机飞手手动控制无人机4起飞，无人机起降装置3上的摄像头3h捕捉无人机4的姿态，控制无人机起降装置3上的无人机抓手3a松开起落架，实现无人机起飞。

带自动更换电池装置的无人机起降平台的自动降落模式包含以下步骤：步骤S1：当 无人机距离平台位移大于阈值θ＝5m时，无人机通过其搭载的GPS定位模块驶向平台；当无人机距离平台位移小于阈值θ＝5m时，无人机通过机载摄像头和平台摄像头3h的双目视觉识别进行精准降落，平台可根据无人机降落位置通过底盘运动装置1实现微调；步骤 S2：无人机4降落后，无人机起降装置3上的无人机抓手3a夹紧无人机4的起落架，防止 无人机4坠毁；步骤S3：当无人机电量低于飞行需求电量λ＝30％λ_需时，无人机起降装置3 转动使无人机4的电池口对齐电池更换装置2的中心线，电池更换装置2的电池抓手2c将 电池取出放入无人机起降装置3的转盘上层隔板3f中间，同时将新电池取出，装入无人 机；步骤S4：当无人机4需要起飞时，无人机飞手手动控制无人机4起飞，无人机起降装 置3上的摄像头3h捕捉无人机4的姿态，控制无人机起降装置3上的无人机抓手3a松开起 落架，实现无人机起飞。

上面结合附图对本发明的实施方式作出了详细说明，但是本发明并不上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种改变。

Claims (8)

1.一种带自动更换电池装置的无人机起降平台，包括无人机（4），其特征在于，它还包括底盘运动装置（1）、电池更换装置（2）、无人机起降装置（3）；

所述电池更换装置（2）与底盘运动装置（1）机械连接；所述无人机起降装置（3）与底盘运动装置（1）机械连接；所述无人机（4）通过机械抓手固定在无人机起降装置（3）上，并随着无人机起降装置（3）同步运动；

所述底盘运动装置（1）用于整体装置的全向移动，辅助无人机的精准降落；所述电池更换装置（2）用于更换无人机电池并将电池送入无人机起降装置（3）的电池储存室中；所述无人机起降装置（3）用于保证无人机的精准降落，保证无人机电池装卸口与电池更换装置（2）的电池抓手（2c）对正，无人机起降装置（3）的转盘上层隔板（3f）之间用于储存备用无人机电池。

2.根据权利要求1所述的带自动更换电池装置的无人机起降平台，其特征在于：

所述底盘运动装置（1）包括支撑架（1e）、电机（1c）、电机座（1f）、联轴器（1b）、轴承座（1g）、全向轮（1d）、转盘底盘（1a）；所述支撑架（1e）呈三角形；所述电机（1c）固定于电机座（1f）上；所述电机座（1f）固定在支撑架（1e）上；所述联轴器（1b）输入端与电机（1c）相连，输出端与全向轮（1d）相连，并由轴承座（1g）固定；所述轴承座（1g）固定于支撑架（1e）上；所述转盘底盘（1a）固定于支撑架（1e）上，用于支撑电池更换装置（2）；

所述电机（1c）、电机座（1f）、联轴器（1b）、轴承座（1g）、全向轮（1d）均有3个，并分别成120度分布。

3.根据权利要求1所述的带自动更换电池装置的无人机起降平台，其特征在于：

所述电池更换装置（2）包括固定架（2q）、固定架底板（2m）、固定架顶板（2r）、卧式轴承座（2a）、丝杠（2b）、电池抓手（2c）、连接臂（2d）、抬升板（2p）、步进电机（2e）、同步带轮（2f）、同步带（2g）、同步带夹持装置（2k）、滑轨（2n）、滑轨固定块（2h）、滑轨连块（2i）、光轴（2o）、光轴滑块（2j）、同步带基座（2l）；所述固定架（2q）通过滑轨（2n）固定于固定架底板（2m）上，固定架（2q）可沿滑轨（2n）滑动；所述同步带（2g）固定于同步带轮（2f）上，通过同步带基座（2l）固定于固定架底板（2m）上，同步带（2g）由步进电机（2e）驱动，通过同步带夹持装置（2k）驱动固定架（2q），使固定架（2q）沿滑轨（2n）滑动；所述滑轨（2n）通过滑轨固定块（2h）和滑轨连块（2i）固定于固定架底板（2m）上；所述抬升板（2p）四个角通过光轴滑块（2j）固定于光轴（2o）上，可沿光轴（2o）垂直滑动，抬升板（2p）中心与丝杠（2b）通过螺纹配合，可沿丝杠（2b）垂直移动；所述丝杠（2b）表面为螺纹，通过下方步进电机驱动转动，并带动抬升板（2p）的升降；所述电池抓手（2c）与连接臂（2d）相连；所述连接臂（2d）固定于抬升板（2p）上；

所述光轴滑块（2j）与抬升板（2p）固定连接，用于保持抬升板（2p）的稳定；所述光轴（2o）、卧式轴承座（2a）、光轴（2o）、光轴滑块（2j）均有4个；所述步进电机（2e）有两个，分别用于驱动固定架（2q）沿滑轨（2n）滑动和抬升板（2p）沿丝杠（2b）移动；所述抬升板（2p）为矩形。

4.根据权利要求1所述的带自动更换电池装置的无人机起降平台，其特征在于：

所述无人机起降装置（3）包括转盘基层（3d）、转盘中层（3e）、转盘上层（3g）、转盘上层隔板（3f）、转盘支撑架（3b）、转盘驱动装置（3c）、无人机抓手（3a）、摄像头（3h）；所述无人机起降装置（3）在转盘驱动装置（3c）的作用下转动；所述转盘基层（3d）通过转盘支撑架（3b）与转盘中层（3e）固定；所述转盘中层（3e）通过转盘支撑架（3b）与转盘上层（3e）固定；所述转盘中层（3e）和转盘上层（3g）之间有3个转盘上层隔板（3f），相隔120度；所述转盘驱动装置（3c）与转盘基层（3d）固定；所述转盘支撑架（3b）位于转盘上层隔板（3f）中间，相隔120度；所述无人机抓手（3a）在转盘上层（3g）上，用于固定降落的无人机（4）；所述摄像头（3h）在转盘上层（3g）中心上，用于识别无人机（4），使其精准降落。

5.根据权利要求4所述的无人机起降装置，其特征在于：

所述转盘驱动装置（3c）包括外齿轮（3ca）、内齿轮（3cf）、转盘轴承（3cb）、步进电机（3cc）、电机底座（3cd）、齿轮固定法兰（3ce）；

所述步进电机（3cc）固定在电机底座（3cd）上；所述内齿轮（3cf）由步进电机（3cc）驱动，并由齿轮固定法兰（3ce）固定于转盘基层（3d）上；所述外齿轮（3ca）由内齿轮（3cf）驱动，从而带动无人机起降装置（3）转动。

6.根据权利要求1所述的带自动更换电池装置的无人机起降平台，其特征在于，可支持无人机（4）进行手动降落和自动降落两种模式。

7.根据权利要求1所述的带自动更换电池装置的无人机起降平台，其特征在于，所述自动降落模式包含以下步骤：

步骤S1：当无人机距离平台位移大于阈值时，无人机通过其搭载的GPS定位模块驶向平台；当无人机距离平台位移小于阈值时，无人机通过机载摄像头和平台摄像头（3h）的双目视觉识别进行精准降落，平台可根据无人机降落位置通过底盘运动装置（1）实现微调；

步骤S2：无人机（4）降落后，无人机起降装置（3）上的无人机抓手（3a）夹紧无人机（4）的起落架，防止无人机（4）坠毁；

步骤S3：当无人机电量低于飞行需求电量时，无人机起降装置（3）转动使无人机（4）的电池口对齐电池更换装置（2）的中心线，电池更换装置（2）的电池抓手（2c）将电池取出放入无人机起降装置（3）的转盘上层隔板（3f）中间，同时将新电池取出，装入无人机；

步骤S4：当无人机（4）需要起飞时，无人机飞手手动控制无人机（4）起飞，无人机起降装置（3）上的摄像头（3h）捕捉无人机（4）的姿态，控制无人机起降装置（3）上的无人机抓手（3a）松开起落架，实现无人机起飞。

8.根据权利要求7所述的自动降落模式步骤，其特征在于，所述无人机距离平台位移大于阈值根据环境不同取1~10m，m为长度单位；所述飞行需求电量为电池满电量的20%~80%。