CN112265464B - 一种无人艇的自动充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无人艇的自动充电装置，涉及无人艇充电技术领域，导向机构包括两个导向组件，两个导向组件分别安装于支架的两侧，固定抬升机构的两端分别滑动安装于两个导向组件上，驱动机构用于驱动固定抬升机构相对于导向组件在竖直方向上运动，对接感应部件设置于固定抬升机构上；充电头设置于支架顶部的下表面，充电头用于与无人艇上的充电接口进行对接；充电装置通讯模块设置于支架上，充电装置通讯模块用于与无人艇上的通讯模块通信连接；驱动机构、对接感应部件、充电装置通讯模块、充电头和电源均与控制器连接。该装置能够实现无人艇的自动充电，提高了无人艇的续航能力，可以使无人艇面对更加复杂化、极端化的环境。

Description

一种无人艇的自动充电装置

技术领域

本发明涉及无人艇充电技术领域，特别是涉及一种无人艇的自动充电装置。

背景技术

近年来，无人艇技术发展迅速，其中，电力无人艇受限于电池，所以续航能力特别差，人工维护成本高。针对这一问题，通过设计制造无人艇自动充电桩来提高无人艇的续航能力非常必要。

根据目前查询了解到的相关专利，如今的市场上已经存在有专门服务于汽车的无人充电桩，采用的充电对接方式主要是两种，一是通过汽车自身的运动前进后退来实现对接，一是通过充电头下降，辅以定位结构。但是，由于水上充电的特殊性，无人艇的充电口在无人艇的顶部，依靠自身动力进行对接显然无法做到；而充电头下降面临的问题则是波浪的起伏导致直接对接无人艇充电口特别困难。所以，为了实现无人艇的自动充电，不能完全去参照汽车无人充电桩的结构。

关于充电桩在水中的应用，能查到的主要是面向水下无人设备的漂浮式水下自动充电桩，水下无人设备释放电缆自动与充电口对接。如果无人艇自动充电装置采取这样的方案会一定的问题。首先，要实现这种对接方式对技术的要求特别高，成本也急剧升高，但未必能达到想要的效果；另外，用于对接的电缆材质较软，水面的波浪较大，不易于对接和固定。

根据文献“刘博，杨雅薇.一种小型无人艇电力系统设计与分析[J].船电技术，2019，39(S1)：51-55+59”，目前国内外尚无法有效解决电控无人艇的续航问题，常见的增加无人艇续航能力的方法是辅助太阳能板供电或者提高蓄电池的能量密度。辅助太阳能板充电，成本过高且转换效率低下；而提高蓄电池的能量密度，如使用锂电池，容易产生安全隐患。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种无人艇的自动充电装置，能够实现无人艇的自动充电，提高了无人艇的续航能力，可以使无人艇面对更加复杂化、极端化的环境。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种无人艇的自动充电装置，包括支架、固定抬升机构、导向机构、驱动机构、对接感应部件、充电头、充电装置通讯模块、电源和控制器，所述导向机构包括两个导向组件，两个所述导向组件分别安装于所述支架的两侧，所述固定抬升机构的两端分别滑动安装于两个所述导向组件上，所述驱动机构用于驱动所述固定抬升机构相对于所述导向组件在竖直方向上运动，所述固定抬升机构用于装载无人艇，所述对接感应部件设置于所述固定抬升机构上，所述对接感应部件用于感应所述无人艇是否完成与所述固定抬升机构的对接；所述充电头设置于所述支架顶部的下表面，所述充电头用于与所述无人艇上的充电接口进行对接；所述充电装置通讯模块设置于所述支架上，所述充电装置通讯模块用于与所述无人艇上的通讯模块通信连接；所述驱动机构、所述对接感应部件、所述充电装置通讯模块、所述充电头和所述电源均与所述控制器连接。

优选地，所述固定抬升机构包括矩形框架、前端导轨、两个侧部导轨、两个第一支撑管和四个第二支撑管，所述矩形框架包括前杆、后杆和两个侧杆，各所述侧杆的前后两端分别与所述前杆和所述后杆连接，所述前端导轨固定于所述前杆的内部，所述对接感应部件设置于所述前端导轨中，两个所述侧部导轨分别固定于两个所述侧杆的内部，各所述第一支撑管的两端分别通过一个支撑管固定件固定于所述前杆和所述后杆上，两个所述第一支撑管均设置于两个所述侧部导轨之间，各所述第一支撑管靠近所述侧杆的一侧设置有两个所述第二支撑管。

优选地，所述导向组件包括两个光杆，各所述光杆的上下两端分别通过光杆固定件固定于所述支架上，各所述侧杆的外侧分别固定有两个导向滑套，一个所述导向滑套滑动套设于一个所述光杆上。

优选地，所述驱动机构包括两个驱动组件，所述驱动组件包括线性滑台模组和电机，两个所述线性滑台模组分别固定于所述支架的两侧，各所述线性滑台模组位于同一侧的两个所述光杆之间，各所述线性滑台模组分别与一个所述侧杆连接，各所述线性滑台模组的顶部连接有所述电机，所述电机与所述控制器连接。

优选地，所述充电头包括两个平行设置的充电组件，所述充电组件包括基座、弹簧和压力传感器，所述基座上端固定于所述支架顶部的下表面，所述基座下端连接有所述弹簧，所述弹簧根部设置有所述压力传感器，所述基座中设置有导线，所述导线与所述弹簧连接，所述导线和所述压力传感器均与所述控制器连接，两个所述导线分别用于通入正极电和负极电。

优选地，还包括接近开关，所述接近开关设置于所述支架上，所述接近开关位于所述充电头一侧，所述接近开关与所述控制器连接。

优选地，所述对接感应部件为磁场感应器，所述磁场感应器与所述控制器连接，所述磁场感应器用于感应识别所述无人艇中的磁铁。

优选地，所述电源为太阳能充电板，所述太阳能充电板与所述控制器连接。

优选地，所述前端导轨和所述侧部导轨均为橡胶导轨。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的无人艇的自动充电装置，包括支架、固定抬升机构、导向机构、驱动机构、对接感应部件、充电头、充电装置通讯模块、电源和控制器，通过充电装置通讯模块将该装置的基本信息反馈给无人艇，无人艇根据获得的信息制定并实施最佳航行路线。当无人艇靠近自动充电装置时，无人艇的摄像头通过视觉精准驶入固定抬升机构，通过对接感应部件感应无人艇是否完成与固定抬升机构的对接，确定对接好之后，控制器控制驱动机构工作，使得固定抬升机构相对于导向组件在竖直方向上抬升，到达预设的高度后，充电接口与充电头接触，驱动机构停止工作，开始充电。无人艇的动力电池充满电后，无人艇的通讯模块发送信号给充电装置通讯模块，之后控制器控制驱动机构带动固定抬升机构下降到原来的位置，无人艇自动驶出。本发明中的无人艇的自动充电装置能够实现无人艇的自动充电，充电过程当中不需要人为操作，自动化程度高，非常方便，提高了无人艇的续航能力，降低了无人艇的维护成本，可以使无人艇面对更加复杂化、极端化的环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的无人艇的自动充电装置处于未充电状态时的主视图；

图2为本发明提供的无人艇的自动充电装置处于充电状态时的主视图；

图3为本发明提供的无人艇的自动充电装置处于未充电状态时的俯视图；

图4为本发明提供的无人艇的自动充电装置处于未充电状态时的右视图；

图5为本发明提供的无人艇的自动充电装置中充电头的一个充电组件的结构示意图。

附图标记说明：1、支架；2、矩形框架；3、光杆；4、线性滑台模组；5、充电头；51、基座；52、弹簧；53、压力传感器；6、充电装置通讯模块；7、接近开关；8、角铁固定件；9、无人艇；10、充电接口；11、摄像头；12、导向滑套；13、电机；14、光杆固定件；15、前端导轨；16、侧部导轨；17、第一支撑管；18、第二支撑管；19、支撑管固定件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

本发明的目的是提供一种无人艇的自动充电装置，能够实现无人艇的自动充电，提高了无人艇的续航能力，可以使无人艇面对更加复杂化、极端化的环境。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图4所示，本实施例提供一种无人艇的自动充电装置，包括支架1、固定抬升机构、导向机构、驱动机构、对接感应部件、充电头5、充电装置通讯模块6、电源和控制器，导向机构包括两个导向组件，两个导向组件分别安装于支架1的两侧，固定抬升机构的两端分别滑动安装于两个导向组件上，驱动机构用于驱动固定抬升机构相对于导向组件在竖直方向上运动，固定抬升机构用于装载无人艇9，对接感应部件设置于固定抬升机构上，对接感应部件用于感应无人艇9是否完成与固定抬升机构的对接；充电头5设置于支架1顶部的下表面，充电头5用于与无人艇9上的充电接口10进行对接，当对接感应部件感应到无人艇9与固定抬升机构完成对接后，利用固定抬升机构的抬升和下降来使无人艇9的充电接口10与充电头5接触来实现上下对接。充电装置通讯模块6设置于支架1上，充电装置通讯模块6用于与无人艇9上的通讯模块通信连接，使得自动充电装置和无人艇9之间能够互相收发信息，具体地，充电装置通讯模块6和无人艇9的通讯模块均为4G模块。驱动机构、对接感应部件、充电装置通讯模块6、充电头5和电源均与控制器连接，电源通过与控制器连接实现向驱动机构、对接感应部件、充电装置通讯模块6、充电头5和控制器进行供电。

固定抬升机构包括矩形框架2、前端导轨15、两个侧部导轨16、两个第一支撑管17和四个第二支撑管18，矩形框架2包括前杆、后杆和两个侧杆，各侧杆的前后两端分别与前杆和后杆连接，前端导轨15固定于前杆的内部，对接感应部件设置于前端导轨15中，两个侧部导轨16分别固定于两个侧杆的内部，侧部导轨16内侧由上至下朝向第一支撑管17倾斜设置。各第一支撑管17的两端分别通过一个支撑管固定件19固定于前杆和后杆上，两个第一支撑管17均设置于两个侧部导轨16之间，各第一支撑管17靠近侧杆的一侧设置有两个第二支撑管18，矩形框架2、第一支撑管17与其一侧的两个第二支撑管18用于支撑一个无人艇9。一个侧部导轨16与一个第一支撑管17之间用于放置一个无人艇9，即本实施例中的固定抬升机构能够同时防止两个无人艇9，相对应地，支架1顶部的下表面设置有两个充电头5。

本实施例中的支架1为立方体支架，由12根长度不同的铝型材组成，用角铁固定件8进行固定连接。具体地，前杆、后杆和两个侧杆均采用铝型材，用角铁固定件8进行固定连接。第一支撑管17和第二支撑管18均为碳纤维管。

为了提高无人艇9的充电接口10与充电头5实现水平对齐精度，采用前端导轨15和侧部导轨16来引导无人艇9驶入固定位置。前端导轨15和侧部导轨16采用软材质，能有效削弱无人艇9在驶入抬升区域时碰撞伤害。具体地，前端导轨15和侧部导轨16均为橡胶导轨。

具体地，对接感应部件为磁场感应器，磁场感应器与控制器连接，磁场感应器用于感应识别无人艇9中的磁铁。当无人艇9驶入位置正确后，船体内固定位置的磁铁将被磁场感应器识别到，并将信息传回控制器，随后控制器即可控制驱动机构带动固定抬升机构上升。

具体地，导向组件包括两个光杆3，各光杆3的上下两端分别通过光杆固定件14固定于支架1上，各侧杆的外侧分别固定有两个导向滑套12，一个导向滑套12滑动套设于一个光杆3上。

驱动机构包括两个驱动组件，驱动组件包括线性滑台模组4和电机13，两个线性滑台模组4分别固定于支架1的两侧，各线性滑台模组4位于同一侧的两个光杆3之间，各线性滑台模组4分别与一个侧杆连接，各线性滑台模组4的顶部连接有电机13，电机13与控制器连接。

具体地，充电头5包括两个平行设置的充电组件，如图5所示，充电组件包括基座51、弹簧52和压力传感器53，基座51上端固定于支架1顶部的下表面，基座51下端连接有弹簧52，弹簧52根部设置有压力传感器53，基座51中设置有导线，导线与弹簧52连接，导线和压力传感器53均与控制器连接，两个导线分别用于通入正极电和负极电。通过设置弹簧52在无人艇9抬升与充电头5被动接触时，能减小冲击力，起到缓冲效果；在弹簧52根部加装压力传感器53，通过感受应力的变化来调节控制固定抬升机构的抬升和下降速率，也能有效提高本实施例中无人艇的自动充电装置的稳定性，减少碰撞和摩擦损失。

本实施例中还包括接近开关7，接近开关7设置于支架1上，接近开关7位于充电头5一侧，接近开关7与控制器连接。当无人艇9驶入固定抬升机构的指定区域后，线性滑台模组4带动固定抬升机构上升。在正常工作情况下，当固定抬升机构到达设定的位置后停止，无人艇9的充电接口10与充电头5被动式接触充电。为了防止出现失灵的情况导致固定抬升机构一直上升直至撞毁，在临界位置加装接近开关7，当固定抬升机构抬升至此高度，电机13立刻停止工作。具体地，设置接近开关7的临界位置是指充电接口10与充电头5接触之后固定抬升机构不断抬升而导致可能出现事故的临界位置。

具体地，电源为太阳能充电板，太阳能充电板与控制器连接，通过太阳能充电板转化电能使用，自给自足，实现无人化管理；若太阳能不足，也可使用常规的220V供电。

需要说明的是，针对不同高度的无人艇9，可通过改变弹簧52应力大小与固定抬升机构的抬升速度来调节无人艇9抬升的高度；针对不同宽度的无人艇9，可通过改变前端导轨15和侧部导轨16的形状来引导。

先用铝型材依靠角铁固定件8连接，搭建支架1，之后将电机13和线性滑台模组4组装在支架1上，通过光杆固定件14来安装光杆3。之后组装固定抬升机构，用铝型材和角铁固定件8搭出矩形框架2，将前端导轨15、侧部导轨16、第一支撑管17和第二支撑管18安装在矩形框架2上，固定抬升机构组装完成之后，矩形框架2通过导向滑套12与光杆3连接，矩形框架2通过连接件与线性滑台模组4连接，自动充电装置安装完成。将自动充电装置放置到预定位置，展开无人艇9充电测试，顺利完成测试后进入自动充电装置使用阶段，以后就可以利用无人艇9自动充电装置进行自动充电。自动充电装置的主要固定地点为垂直于水面的岸边，通过加长水面上到岸上的铝型材部分确保装置稳定固定。

具体工作过程为：通过充电装置通讯模块6将本实施例中自动充电装置的基本信息(含坐标、可供充电电压、剩余电量等)反馈给无人艇9，无人艇9计算本艇的剩余电量、到达自动充电装置需要航行的路程，然后评估前往哪一个自动充电装置方案更优，制定并实施最佳航行路线。

当无人艇9靠近自动充电装置时，无人艇9的摄像头11通过视觉精准驶入固定抬升机构，前端导轨15和侧部导轨16来引导无人艇9驶入固定位置，当无人艇9驶入位置正确后，船体内固定位置的磁铁将被磁场感应器识别到，并将信息传回控制器，控制器控制电机13工作，线性滑台模组4带动固定抬升机构相对于光杆3在竖直方向上抬升，到达预设的高度后，充电接口10与充电头5接触，电机13停止工作。自动充电装置的正负极连接，电流回路接通确认后，自动充电装置开始给无人艇9的动力电池供电。

无人艇9的动力电池充满电后，无人艇9的通讯模块发送信号给充电装置通讯模块6，充电装置通讯模块6将信息传至控制器，之后控制器控制电机13工作，线性滑台模组4带动固定抬升机构下降到原来的位置，无人艇9自动驶出。

可见，本实施例中的无人艇的自动充电装置能够实现无人艇9的自动充电，充电过程当中不需要人为操作，自动化程度高，非常方便，提高了无人艇9的续航能力，降低了无人艇9的维护成本，可以使无人艇9面对更加复杂化、极端化的环境，有助于无人艇9进行一些特定作业任务。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种无人艇的自动充电装置，其特征在于，包括支架、固定抬升机构、导向机构、驱动机构、对接感应部件、充电头、充电装置通讯模块、电源和控制器，所述导向机构包括两个导向组件，两个所述导向组件分别安装于所述支架的两侧，所述固定抬升机构的两端分别滑动安装于两个所述导向组件上，所述驱动机构用于驱动所述固定抬升机构相对于所述导向组件在竖直方向上运动，所述固定抬升机构用于装载无人艇，所述对接感应部件设置于所述固定抬升机构上，所述对接感应部件用于感应所述无人艇是否完成与所述固定抬升机构的对接；所述充电头设置于所述支架顶部的下表面，所述充电头用于与所述无人艇上的充电接口进行对接；所述充电装置通讯模块设置于所述支架上，所述充电装置通讯模块用于与所述无人艇上的通讯模块通信连接；所述驱动机构、所述对接感应部件、所述充电装置通讯模块、所述充电头和所述电源均与所述控制器连接；所述充电头包括两个平行设置的充电组件，所述充电组件包括基座、弹簧和压力传感器，所述基座上端固定于所述支架顶部的下表面，所述基座下端连接有所述弹簧，所述弹簧根部设置有所述压力传感器，所述基座中设置有导线，所述导线和所述压力传感器均与所述控制器连接，两个所述导线分别用于通入正极电和负极电；所述固定抬升机构包括矩形框架、前端导轨、两个侧部导轨、两个第一支撑管和四个第二支撑管，所述矩形框架包括前杆、后杆和两个侧杆，各所述侧杆的前后两端分别与所述前杆和所述后杆连接，所述前端导轨固定于所述前杆的内部，所述对接感应部件设置于所述前端导轨中，两个所述侧部导轨分别固定于两个所述侧杆的内部，各所述第一支撑管的两端分别通过一个支撑管固定件固定于所述前杆和所述后杆上，两个所述第一支撑管均设置于两个所述侧部导轨之间，各所述第一支撑管靠近所述侧杆的一侧设置有两个所述第二支撑管；所述导向组件包括两个光杆，各所述光杆的上下两端分别通过光杆固定件固定于所述支架上，各所述侧杆的外侧分别固定有两个导向滑套，一个所述导向滑套滑动套设于一个所述光杆上；所述驱动机构包括两个驱动组件，所述驱动组件包括线性滑台模组和电机，两个所述线性滑台模组分别固定于所述支架的两侧，各所述线性滑台模组位于同一侧的两个所述光杆之间，各所述线性滑台模组分别与一个所述侧杆连接，各所述线性滑台模组的顶部连接有所述电机，所述电机与所述控制器连接；所述对接感应部件为磁场感应器，所述磁场感应器与所述控制器连接，所述磁场感应器用于感应识别所述无人艇中的磁铁。

2.根据权利要求1所述的无人艇的自动充电装置，其特征在于，还包括接近开关，所述接近开关设置于所述支架上，所述接近开关位于所述充电头一侧，所述接近开关与所述控制器连接。

3.根据权利要求1所述的无人艇的自动充电装置，其特征在于，所述电源为太阳能充电板，所述太阳能充电板与所述控制器连接。

4.根据权利要求1所述的无人艇的自动充电装置，其特征在于，所述前端导轨和所述侧部导轨均为橡胶导轨。

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