CN109808530A - 一种车载多旋翼无人机充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车载多旋翼无人机充电装置，包括无人机本体和充电平台，所述充电平台包括充电基座和设于充电基座上的充电台，所述充电台顶部设有充电槽，所述充电槽内设有充电接头A，所述无人机本体底部设有充电对接装置，所述充电对接装置包括可折叠的充电杆和起落架，所述充电杆下端设有与充电槽内充电接头A对应的充电接头B，所述无人机本体包括上壳体和下壳体，所述下壳体底部设有容纳槽，所述充电杆通过转轴安装在容纳槽内，下壳体内还设有驱动转轴转动从而收起充电杆的驱动电机。本发明适用于巡检线路的大中型多旋翼无人机，缩短了无人机充电时所需要移动的路程，加快了巡检速度。充电对接过程快速稳定，可操作性强，使用方便。

Description

一种车载多旋翼无人机充电装置
技术领域
本发明涉及的是一种车载多旋翼无人机充电装置，具体是一种基于“杆-锥”对接机构(probe-cone docking assembly)的车载多旋翼无人机充电装置。
背景技术
目前，我国输电线路分布范围广，所处环境较为恶劣，人工巡检线路这种巡线方式人员的工作强度大、工作条件差、工作效率低而且存在人身安全的风险。此外，近些年来小型飞行器技术的迅速发展，目前的多旋翼无人机已经机动灵活、悬停稳定性好而且便于操控，正在逐渐取代人工巡检的方式。但是，目前现阶段的多旋翼无人机由于受电池容量的限制，巡航时间一般在15-20分钟左右。尽管目前已经有很多对于巡航线路优化的研究，无人机的续航时间依旧不够理想。
目前，对于针对无人机充电装置的研究，国外起步较早，已有一些较好的成果。国内的一些高等院校也开始对此展开研究，取得了许多的进展。对比现有的国内外大多数研究，发现现有的无人机充电装置存在如下的问题：充电效率低，充电时间长；地点固定无法移动或移动性较差，无人机充电需较长距离移动；对定位精度要求高，一般需借助人工对接充电插口。
发明内容
本发明旨在针对上述现有技术的不足，开发一种车载直冲式多旋翼无人机充电装置。本发明基于“杆-锥”对接机构(probe-cone docking assembly)，开发一种安装于巡检车车顶的无人机充电平台。与现有的多旋翼无人机充电装置相比，本发明将充电地点移动化，可实现在前往下一巡检地点的过程中进行充电，充分利用了无人机的闲置时间，通过巡检车的跟随也可大大缩短无人机充电时所需要移动的距离，减少电能的消耗。
除此之外，通过对无人机充电系统的改造，应用“杆-锥”对接机构，可以实现无人机降落在充电平台上即可充电，降低了充电所需的对接精度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种车载多旋翼无人机充电装置，包括无人机本体和充电平台，其特征在于：所述充电平台包括充电基座和设于充电基座上的充电台，所述充电台顶部设有充电槽，所述充电槽内设有充电接头A，所述无人机本体底部设有充电对接装置，所述充电对接装置包括可折叠的充电杆和起落架，所述充电杆下端设有与充电槽内充电接头A对应的充电接头B。
作为改进，所述无人机本体包括上壳体和下壳体，所述下壳体底部设有容纳槽，所述充电杆通过转轴安装在容纳槽内，下壳体内还设有驱动转轴转动从而收起充电杆的驱动电机。
作为改进，所述起落架包括安装在下壳体底部两侧的大支架和小支架，所述大支架和小支架均为U型支架，大支架宽度大于小支架且两者高度相同。
作为改进，所述大支架和小支架顶部均通过支架轴安装在下壳体内，两个支架轴通过齿轮啮合相连保持同步异向转动，其中一个支架轴通过电机驱动旋转。
作为改进，所述充电台上的充电槽为锥形导向槽，所述充电接头A为分布于锥形导向槽底部侧壁一圈的导电片，对应的所述充电接头B为设于充电杆下端的外部一圈的导电触头。
作为改进，所述锥形导向槽内四周设有一圈用于增加与充电杆接触稳定性的阻尼块，所述阻尼块前端为圆弧形结构，对应的充电杆下端也为锥形导向头。
作为改进，所述充电台四周的充电基座内设有多个磁铁，下壳体内设有多个与之对应的软磁体。
作为改进，所述上壳体和下壳体采用塑料制成，两者之间过塑料材质的形变产生过盈配合进行连接。
作为改进，所述上壳体四周设有多个折叠臂，折叠臂外端设有旋翼电机，每个旋翼电机上设有一对用于飞行的旋翼。
作为改进，所述充电台的充电槽顶部设有能自动打开的保护罩，充电台上设有无线通讯模块和控制保护罩打开的控制器，所述无人机本体上设有与充电台对应的无线通讯模块。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本装置安装于巡检车车顶，适用于巡检线路的大中型多旋翼无人机充电，充电平台可随巡检车移动至巡检地点附近，大大缩短了无人机充电时所需要移动的路程，直插式充电提高了充电效率，加快了巡检速度。在车辆赶往下一巡检地点的过程中，无人机可在车顶进行充电，提高了对时间的利用率。充电对接采用“杆-锥”对接模式，加上内置磁铁对无人机的吸引作用，降低了对接所需要的精度，操作人员只需遥控无人机至充电台上方然后下降即可，简化了充电流程。
附图说明
图1为车载多旋翼无人机充电装置整体结构示意图。
图2为车载多旋翼无人机充电装置去掉底座上盖板后结构示意图。
图3为无人机的单个折叠臂和旋翼结构示意图。
图4为车载多旋翼无人机充电装置的俯视图。
图5为图4中A-A剖视图。
图6为图5中充电台部分局部放大示意图。
图7是充电台三维结构示意图。
图8是无人机本体仰视图。
图9是无人机本体打开上壳体俯视图。
图10是无人机本体打开上壳体仰视图。
图中，1-弹簧，2-折叠臂，3-灯罩，4-充电接头B，5-旋翼电机，6-上壳体，7-摄像头，8-旋翼盖，9-下壳体，10-小支架，11-旋翼，12-大支架，13-支架轴，14-充电杆，15-转轴，16-齿轮组，17-卡环，18-底盘，19-亚克力粘贴块，20-永磁铁，21-盖板，22-充电台，23-阻尼块，24-螺母，25-螺栓，26-垫片，27-驱动齿轮，28-输出轴，29-小齿轮，30-充电杆折叠电机，31-方槽，32-支架折叠电机，33-充电槽，34-充电接头A。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的工作原理、工作流程以及具体实施方式进行进一步的说明。
如图1至图1所示，本发明为一种车载多旋翼无人机充电装置，包括由底盘18、盖板21、充电台22以及永磁铁20等零件组成的充电平台以及由上壳体6、下壳体9、大支架12、旋翼电机5、旋翼11、充电杆14等零件组成的无人机。所述底盘18与盖板21之间由四个亚克力粘贴块19进行固定组成充电基座，充电台22与盖板21之间由一对螺栓25(规格M6*16)、垫片26(规格M6)和螺母24(规格M6)进行固连，底盘18的长和宽均为400mm，厚度为20mm，底盘18中间设有深度为10mm的方形凹槽，该方形凹槽中心均匀分布有六块永磁铁20。充电台22顶部设有充电槽33，充电槽33为上大下小形成具有导向定位功能的锥形口，所述充电槽33内设有充电接头A 34，本实施例中，充电接头A 34为分布在充电槽33下端四周侧壁上的多个铜片(本实施例中10个铜片)，充电杆14下端设有与充电槽33内充电接头A 34对应的充电接头B 4，本实施例中，充电接头B 4为位置和充电接头A 34对应的多个铜片触点，在充电台22的充电接头A 34上方的充电槽33侧壁上均匀分布有四块阻尼块23，阻尼块23通过被压缩的弹簧1安装在开设于充电槽33内壁四周的方槽31内(如图6和图7所示)，使得阻尼块23能从方槽31中伸出顶在充电杆14下端的充电头上。在底盘18的中心开有一直径为4mm的小孔，用以穿过导线。
如图1、图2和图3所示，所述上壳体6与下壳体9之间通过塑料材质的形变产生过盈配合进行连接，上壳体6的四个角分别与折叠臂2相连，折叠臂2的末端有圆柱形空间，内部固定有旋翼电机5，每一个旋翼电机5的输出轴上都固定有一对与之对应的旋翼11，圆柱形空间上方设有将旋翼电机5和两片旋翼11保护起来的旋翼盖8，对旋翼电机5进行密封、保护。如图8至图10所示，在下壳体9的底部开有方形凹槽(即容纳槽)，内部放有充电杆14、转轴15和两个卡环17，转轴15与充电杆14之间使用键连接形成丁字型结构，并在充电杆14两端的转轴15上用卡环17进行轴向固定，转轴15本身通过轴承安装在下壳体9上，如图9所示，下壳体9内还设有充电杆折叠电机30，充电杆折叠电机30通过一对齿轮组16(两个0.5模18齿齿轮)与转轴15转动动力传动相连，通过充电杆折叠电机30可以驱动转轴15旋转，从而驱动充电杆14旋转为水平的收纳状态和垂直向下的充电状态。下壳体9两侧分别安装有小支架10和大支架12，所述大支架12和小支架10均为U型支架，并通过支架轴13安装在下壳体9上，U型支架的两肢向内侧弯折，之后再跟支架轴13相连，这样可以便于U型支架的收叠；本实施例中，大支架12和小支架10宽度不同高度相同，可以保证折叠时小支架10位于大支架12内部，两者不相互干扰；安装大支架12和小支架10的支架轴13上均设有一个小齿轮29(0.5模20齿齿轮)，两个小齿轮29相互啮合，其中一个小齿轮29与驱动齿轮27(0.5模24齿齿轮)啮合相连，驱动齿轮27固定安装在支架折叠电机32的输出轴28上，支架折叠电机32固定安装在下壳体9内部，两个支架轴13通过两个小齿轮29啮合实现同步异向旋转，从而带动大支架12和小支架10向内折叠或者向外分开，当无人机不需要充电正常飞行时，充电杆折叠电机30驱动转轴15带动充电杆14旋转至水平位置，收纳在方形凹槽内，防止充电杆14遭到损坏，小支架10和大支架12在支架折叠电机32驱动下均处于竖直位置，方便无人机随时进行起落，对无人机进行支撑。当需要进行充电时，充电杆14通过充电杆折叠电机30驱动旋转至竖直位置，小支架10和大支架12均旋转至较高的位置，张角增大，准备插入下方的充电台22顶部的充电槽33中，通过控制无人机的飞行姿态控制充电杆14插入充电槽33中进行充电，由于充电槽33内设有阻尼块23，因此充电杆14可以稳定的保留在充电槽33内保持充电接头A 34和充电接头B 4良好的接触进行有效的充电，另外为了进一步提高该装置的稳定性，提高抗风抗震性能，可以在充电平台上设置永磁铁20，在下壳体9底部设置软磁体，这进一步增加无人机充电时的稳定性，另外为了便于无人机和充电平台的分离，可以永磁铁20改为电磁铁。
对于无人机本体部分，前述旋翼11共有四个，对称分布在机身主体四周，一个旋翼11共有两个叶片通过旋翼盖8与螺钉固定在可折叠的机臂上。机臂为中空结构以减轻整机的重量，机臂的两端为连接部分，其中尾端为圆柱形，内部装有旋翼电机5，驱动无人机飞行；机臂的首端与机身壳体的四个触角之间有轴向约束，整个机臂及旋翼11部分可以以机臂首端为中心进行旋转，可以减小无人机的体积，不用时便于收纳。
无人机低端有两个折叠式支撑架，即大支架12和小支架10，当无人机在一般位置降落时将其打开，对无人机进行支撑；当无人机需要停落在充电平台时，折叠式支撑架可自动收回，充电杆14伸出，进行下一步的对接。充电杆14不用时隐藏在机身底部的方形凹槽内，以保护其不受雨水或碰撞等因素的损伤。充电杆14与转轴15之间采用键连接，并两端用卡环17进行轴向定位，保证其稳定不会发生位移。充电杆14的头部整体为圆柱状，两端有较大的倒角以便于插入充电台22中，充电杆14头部的圆柱部分设有均匀分布的十片充电铜片。
充电平台整体安装于车顶，通过电源线与巡检车的电源相连。充电平台的底盘18打有螺纹孔，通过螺栓25与车体固定。底盘18的中央均匀分布有六块永磁铁20或者电磁铁，无人机靠近时可将其吸附并帮助对无人机进行固定，保证无人机在汽车行驶的过程中不会发生掉落的问题。底盘18上盖有亚克力板制成的盖板21，对底盘18及其内部的电路、零件进行保护，通过亚克力粘贴块19与底盘18固定。充电台22位于充电平台的正中央，充电台22两侧有凸台并打有螺钉孔，通过螺栓连接与盖板21固定。充电台22的上表面开有锥形凹槽，凹槽底部为圆柱状并贴有与充电杆14配对的十片充电铜片。铜片的上方对称分布有四个方槽31，方槽31内部装有弹簧1以及阻尼块23，弹簧1一端固定在方槽31内底部，另一端从方槽31伸出，可以顶在充电对接好的充电杆14上，防止充电杆松动脱落，在充电杆14下落完成后对无人机进行阻挡，防止其掉落。
作为一种更优实施例，所述充电台22的充电槽33顶部设有能自动打开的保护罩(图中未画出)，充电台22上设有蓝牙通讯模块和控制保护罩打开的控制器，所述无人机本体上设有与充电台22对应的蓝牙通讯模块，当无人机接近充电平台时，无人机中的蓝牙通讯模块向充电平台发出信号，充电平台接收到信号后自动打开其保护罩，保护罩的作用是防止雨水或其他杂物落入充电台22中，对充电装置造成损伤。
本实施例中所述折叠臂2为可以在水平面内折叠的无人机臂，由大臂和小臂以及将两者相连的旋转关节组成。
充电台22中心锥形的充电槽33与充电杆14的对接方式基于“杆-锥”对接原理，其锥形凹槽的锥形倾斜面可使无人机无论以何种角度接触到充电台22，只要充电杆14碰撞在锥形内壁，即可完成充电杆14的插入，完成充电过程。此种充电方式降低了充电对接所需要的位置精度，简化了充电过程。充电台22内部的阻尼块23以及压缩的弹簧1可以向充电杆14提供一定的阻力，保证其不会轻易松脱，阻尼块23前端的圆角设计又使无人机在插入以及拔出时不会遇到困难。
无人机仍采用锂电池供电，体积小电容量高。锂电池固定于下壳体9与上壳体6之间，有电池盖对其进行固定。

Claims (10)

1.一种车载多旋翼无人机充电装置，包括无人机本体和充电平台，其特征在于：所述充电平台包括充电基座和设于充电基座上的充电台，所述充电台顶部设有充电槽，所述充电槽内设有充电接头A，所述无人机本体底部设有充电对接装置，所述充电对接装置包括可折叠的充电杆和起落架，所述充电杆下端设有与充电槽内充电接头A对应的充电接头B。
2.如权利要求1所述的车载多旋翼无人机充电装置，其特征在于：所述无人机本体包括上壳体和下壳体，所述下壳体底部设有容纳槽，所述充电杆通过转轴安装在容纳槽内，下壳体内还设有驱动转轴转动从而收起充电杆的驱动电机。
3.如权利要求2所述的车载多旋翼无人机充电装置，其特征在于：所述起落架包括安装在下壳体底部两侧的大支架和小支架，所述大支架和小支架均为U型支架，大支架宽度大于小支架且两者高度相同。
4.如权利要求3所述的车载多旋翼无人机充电装置，其特征在于：所述大支架和小支架顶部均通过支架轴安装在下壳体内，两个支架轴通过齿轮啮合相连保持同步异向转动，其中一个支架轴通过电机驱动旋转。
5.如权利要求2所述的车载多旋翼无人机充电装置，其特征在于：所述充电台上的充电槽为锥形导向槽，所述充电接头A为分布于锥形导向槽底部侧壁一圈的导电片，对应的所述充电接头B为设于充电杆下端的外部一圈的导电触头。
6.如权利要求5所述的车载多旋翼无人机充电装置，其特征在于：所述锥形导向槽内四周设有一圈用于增加与充电杆接触稳定性的阻尼块，所述阻尼块前端为圆弧形结构，对应的充电杆下端也为锥形导向头。
7.如权利要求2至6任意一项所述的车载多旋翼无人机充电装置，其特征在于：所述充电台四周的充电基座内设有多个磁铁，下壳体内设有多个与之对应的软磁体。
8.如权利要求2所述的车载多旋翼无人机充电装置，其特征在于：所述上壳体和下壳体采用塑料制成，两者之间过塑料材质的形变产生过盈配合进行连接。
9.如权利要求2所述的车载多旋翼无人机充电装置，其特征在于：所述上壳体四周设有多个折叠臂，折叠臂外端设有旋翼电机，每个旋翼电机上设有一对用于飞行的旋翼。
10.如权利要求2至6任意一项所述的车载多旋翼无人机充电装置，其特征在于：所述充电台的充电槽顶部设有能自动打开的保护罩，充电台上设有无线通讯模块和控制保护罩打开的控制器，所述无人机本体上设有与充电台对应的无线通讯模块。
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