CN112272639B - 无人机的驻停与自动管理基座 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无人飞行器领域，尤其涉及悬挂的着陆和起飞以及管理基座。

Description

无人机的驻停与自动管理基座
技术领域
本发明涉及无人飞行器领域。
更具体地，本发明涉及用于无人飞行器的着陆和起飞以及自动管理的驻停基座。
背景技术
在参考技术领域中，通常被称为无人机(特别是提供螺旋桨驱动的那类无人机)的所谓的无人飞行器的着陆和起飞操控可以提供驻停基座的使用。
所述基座实现用于飞行器的专用着陆点的功能，并且由此能够例如重新获得手动访问以进行诸如维护、设置、部件更换活动和其他类似活动。
通过将由所述基座检测到的平面作为基准平面，众所周知，进行着陆的无人机轨迹(垂直起降中的VTOL)提供了以相对于所述基准平面从顶部到底部的运动到达并停留在基座上，反之亦然，起飞轨迹涉及从底部到顶部的运动，因此，由于螺旋结构的推进力，无人机确实从基座本身上升。
特别地，参考模型飞机的领域，上述基座通常具有小的尺寸和自动着陆操控，对于使基座对中所需的运动精度存在巨大困难，由于无人机或风引起的气流的存在(例如由于无人机的螺旋桨自身在基座上产生的涡流)而导致复杂，它们涉及的操控的失败比例相当大，即错过接近基座。
例如，通过考虑下降的操控(在着陆到基座上的阶段中)，升力减小，螺旋叶片的轮廓的迎角增大，反之亦然，以这种方式使无人机接近空气动力失速的状态，然后在着陆或上升阶段，飞行更加不稳定。这种现象，或者在有风的情况下，可能涉及到在着陆阶段的更大比例的错误，因为要成功地完成这一操控，除了考虑到有效载荷和电池的挂钩和改变/更换的程序，使无人机相对于基座居中的困难之外，还要施予非常大的基座尺寸。
EP 2974958公开了一种设置有球形壳体的设备，用于容纳和重新装载无人飞行器。
US2012/292430公开了一种系统，该系统包括无人飞行器和用于发射和回收该无人飞行器的基座，其中该基座包括对接站，并且设置有间隔开的可变形管作为用于引导无人飞行器通过该基座的引导手段。
WO 2015/195202公开了一种驻停基座，该驻停基座具有半球形体以及用于保持和发射无人飞行器的磁性保持手段。
发明内容
因此，本发明的目的是克服上述问题，并且这通过着陆和起飞基座来实现的。
特别地，本发明的目的是示出一种用于无人飞行器的着陆和起飞基座，该着陆和起飞基座有利地并且进一步构造成用于覆盖/保护无人飞行器，其结构简单，对于成功“着陆”和紧固是有效的，并且在起飞阶段以及最重要的是在着陆到静止/固定站上的阶段对于提高飞行器的操控性是有效的。
本发明涉及一种用于无人飞行器的悬挂式着陆和起飞基座。该基座包括主体，该主体设置有连续的内壁和开口，该开口在主体内部限定用于飞行器的驻停区域。基座还包括保持手段，该保持手段设置有成对的夹持臂，夹持臂构造成通过允许对飞行器的附接部分进行受控的钩挂和/或释放来接合飞行器的附接部分。更详细地，连续的内壁具有朝向保持手段会聚的截头圆锥形状，并且开口置于较大的基座表面上。基座的整体构造使得在组装状态下，保持手段可以采取：夹持状态，其中，飞行器被钩挂住并且至少部分地容纳在驻停区域内；以及释放状态，其中，飞行器被释放并且在起飞期间穿过主体的开口自由下落。
这种解决方案允许颠倒传统的着陆轨迹，其着陆轨迹是：在相对于基准平面的上升位置，飞行器朝着基座上升，并且借助保留机构接合在基座上。以此方式，因为飞行器(特别是其螺旋桨的螺旋叶片)在上升过程中的迎角逐渐减小，所以通过降低飞行器处于空气动力失速状态的风险并改善了其稳定性和控制，而在“着陆”的可靠性方面获得了相当大的优势。
仍然，基座的上述构造减小了由飞行器的螺旋叶片产生的气流对基座的负面影响，因为所述气流不干扰基座。以此方式，获得了更好的稳定性，然后获得了在移动飞行器以使基座对中方面的精确度。
根据另一个有利方面，本发明允许在基座形状和飞行器的附接部分之间机械地进行无人机在基座中的引导和对中。事实上，在所述附接部分和基座的内壁之间的接触期间产生的力通过特别是在上升期间的着陆阶段提供自稳定运动，来诱导飞行器朝向基座的优选的基本上圆锥形或截头圆锥形的中心区域运动。运动动态的稳定性特别是通过飞行器的附接部分(优选地实施成从其框架本体伸出的部分)与基座的内壁的接触来保证。以这种方式，通过获得诱导飞行器朝向基座外部运动的相反效果，防止飞行器的其他不同部件(例如螺旋结构或螺旋结构的可能的伸出部)与基座接触。
在这种解决方案提供的几个优点中，甚至有可能以比传统的基座更有限的尺寸来实施基座，并且同时保证了将其居中的更大有效性。
其他优点，以及本发明的特征和使用方式，将从以下优选实施方式的详细描述中显而易见，所述优选实施方式仅作为示例而不是出于限制的目的示出。
附图说明
将参考附图中所示的图示，在图示中：
图1示出了根据优选实施方式的用于无人飞行器的起飞和着陆基座的使用和组装状态的整体视图；
图2示出了图1的基座和处于接近或远离基座的阶段的飞行器的侧视截面图；
图3示出了在使飞行器的轨迹对中的操作阶段期间的图1的基座和图2的飞行器的侧视截面图；
图4示出了图1的基座和图2的飞行器在飞行器的夹持状态下的侧视截面图；
图5示出了图1的基座和图2的飞行器在飞行器的起飞状态下的侧视截面图。
具体实施方式
下文中将参考上述附图描述本发明。
首先参考图1，根据本发明的优选实施方式的用于无人飞行器2的着陆和起飞基座1被示出为处于组装和使用状态。所述基座进一步构造成类似于飞行器的对中基座，其能够允许在着陆和起飞阶段正确地接近和对中，这将在下文中更详细地说明。
术语“基座”是指一种装置，该装置易于与所述飞行器配合以允许飞行器的临时或永久性驻停和/或覆盖，即，支撑飞行器的元件。
基座1的构造使得驻停可能涉及在着陆和从基座1起飞的阶段的飞行器2的或飞行器2上的附加操作条件，例如电池的更换和/或充电、被定义为飞行器本身的“有效载荷”的传感器的变化，下面将对此进行讨论。
仍考虑本发明的上下文，“无人飞行器”的表述等同于术语“无人机”以及模型飞机中归属此类的所有类型的交通工具。即，本发明可以应用于多种领域，并且可以优选地用于诸如视频监视、植物和建筑物的自动检查、受关注的场所的安全性、娱乐或类似环境的场景中。
此外，尽管在所示的实施方式中，所示飞行器2的类型是螺旋型的，并且特别是具有四个旋翼，但是根据本发明的基座1适用于其推进不同于螺旋型飞行器的飞行器，但通常适用于具有单旋翼或多旋翼的飞行器。
如在图2中能看到的，基座包括主体10，主体10设置有连续的内壁10a以及开口11，开口11在主体内限定了用于飞行器2的驻停区域12。
在所示实施方式中，基座1优选包括支撑手段13，该支撑手段13构造成相对于基准平面将所述主体10固定到悬挂位置处的墙壁或固定结构，用于飞行器2的操控程序。
然后通过采用基准平面(例如图1中用附图标记P标示的地面)来说明基座1的操作动力学，术语“着陆”的特定操控是指，其中基座1的特定构造允许飞行器2按照轨迹T从底部到顶部(即，从基准平面P移开)接近并着陆在基座上。反之亦然，并且参考图5，术语“起飞”的特定操控是指允许飞行器2以从顶部到底部(即，接近基准平面，例如地面，但是在图5中未显示)的轨迹T与基座1分离并受控下降。
如所述，提供支撑手段13有利地允许基座1的悬挂，例如通过如图1所示的壁式托架。这意味着支撑手段可以是不同类型的(例如，静止和移动的，即，轮船或车辆)，并且基准平面P可以不是地面，而可以是踏板等，可以是水体表面或海面。此外，相同的主体10可以成形为形成用于相对于基准平面P悬挂基座1的支撑结构。在这最后未示出的情况下，这种支撑结构例如可以具有基架类型的构造，其中(甚至是伸缩式的)元件安置在基准平面P上，并且将基座1保持在悬挂位置。
参考图2，基座1还包括保持手段14，该保持手段14构造成接合飞行器2的附接部分21并允许受控的钩挂和/或释放附接部分21，该保持手段在示例中是机械手段，然而其可以是磁性的和/或气动的，但是系统允许无需借助电动或受控执行器即可进行紧固。
这种附接部分21通过由于其与主体10的连续的内部的并且优选光滑的壁10a接触而允许飞行器仍然朝向基座内的中央区域定向，从而有利地允许在上升(或着陆阶段)期间平稳引导飞行器2。在下文中将更详细地描述该方面。
于是，显然，基座1的构造使得在使用中，所述保持手段14可以呈现夹持状态和释放状态，在夹持状态下，飞行器2被钩挂住并且至少部分地容纳在驻停区域12内，并且在释放状态下，在起飞期间，飞行器2被释放并且自由地穿过所述开口11从基座1移开。
应当理解，根据本发明的基座1允许颠倒常规着陆轨迹T的方向，本发明的着陆轨迹是：飞行器2在相对于基准平面P的上升位置朝着基座1上升并通过保留机构接合在基座1上。以此方式，关于“着陆”的成功获得了显著的优势，因为无人机2(优选地参照其马达的以附图标记22标示的螺旋叶片)在上升阶段具有减小的迎角，因此降低无人机2处于空气动力学失速状态的风险，从而提高无人机2的稳定性和控制能力。
此外，螺旋结构22的叶片产生的空气流对基座1的负面影响被大大减少，这是因为所述气流指向基准平面P，并且不会干扰悬挂在上方的基座1。以这种方式，在移动飞行器2以使基座1对中时获得更好的精度，因此能够实施比传统基座具有更有限尺寸的基座。
优选地，主体10具有截头圆锥形或大致截头圆锥形的形状，并且供飞行器2穿过以容纳在或离开驻停区域12的开口11位于截头圆锥的较大的基座表面处。更笼统地说，可以说主体10的形状优选地至少包括在从开口11起的远端位置处具有最小直径的部分。
如能在图3中看到的，主体10的内壁10a以这种方式优选地朝向保持手段14会聚，并至少在着陆到基座1上的阶段中，通过接合部分21的顶端元件21a实现对飞行器2的引导和对中功能。
这种形状通过确保精确着陆而无需布置定位辅助系统，从而实现了使飞行器的位置自动对中的机制的功能。
基座的主体内部的飞行器的进入开口11充分延伸，从而即使在对中误差等于开口11的半径的情况下也允许启动着陆上升，并且其中内壁10a甚至表示飞行器的包含和覆盖表面。即，由于内壁是连续的并且优选是光滑的壁，因此内壁既实现了引导表面的功能又实现了包含和覆盖表面的功能。
特别地，将理解的是，根据本发明的基座1允许自对中的着陆轨迹T，该轨迹T是这样的轨迹，其中飞行器2即使在相对于紧固系统的分散位置处，也可以通过到达保持手段14而朝基座1上升，如果强迫需要的话，例如通过在内壁10a上掠过而与优选地放置在居中位置并位于主体10的最小直径部分的保持手段14接合。
在实施方式的变型例中，甚至倘若结合提供具有截头圆锥形的主体10的情况，基座1也可以包括定位手段15，该定位手段15与主体10的内壁10a之一一起使得能够进行飞行器2对中保持手段14的动作。
特别地，所述定位手段15构造成确定飞行器2相对于主体10的相对位置(例如，相对于竖直轴线的旋转)，并且在所示实施方式中，所述定位手段被容纳在腔室16中并面向驻停区域12。
有利地，定位手段15包括控制单元15a，该控制单元15a构造成根据预定的着陆和/或起飞轨迹与飞行器2的着陆和/或起飞轨迹T通信并对其进行修改。
所述定位手段15可以由操作员以自动方式或手动方式进行远程控制。参考图2的实施例，优选地，控制单元15a包括与飞行器的位置参数可关联的光和/或无线电信号的接收器和/或发射器15b。例如，控制单元15a包括腔室，该腔室检测在其作用领域(用草图线A标示)中的飞行器2，并且通过定位算法(例如图像处理算法或其他算法)，通过计算相对于预定位置的误差并且通过向飞行器2传达在朝向保持手段14上升过程中的轨迹T的纠正动作来确定飞行器2相对于该腔室的相对移位。
优选地，保持手段14至少部分地放置在所述腔室16中，在基座1的优选实施方式中，腔室16布置在与布置中央主体10的开口11的位置相对的位置处，在中央主体10具有截头圆锥形状的情况下，腔室16布置在较小的基部。
在实施方式中，所述腔室16具有可以以特定方式确定尺寸的形状，以精确地容纳所选类型的飞行器2的附接部分21。
所述保持手段14优选地包括钳子状的夹持系统，该夹持系统至少设置有臂(优选成对的臂)，每个臂都用附图标记14a表示。在这种情况下，根据优选实施方式，保持手段14与未示出的返回手段相关联，该保持手段14构造成至少保持臂14a的夹持状态，并允许在飞行器2在保持手段14上进行推力运动期间临时打开夹持系统。实际上，在优选的实施方式中，不需要借助电子或控制系统就能保证飞行器被夹持在基座中，即，飞行器在着陆阶段仅由于向上的推力运动就能够牢固地钩挂住。
返回手段可以是可逆的弹性元件，并且夹持系统的臂14a可以包括具有邀请(invitation)轮廓的端部140，以便只有当飞行器2根据与驻停区域12中的入口方向一致的推力方向推到所述端部140上时，才便于打开保持手段14。
替代地，或与刚刚所描述的相结合，保持手段14优选被致动手段(图中不可见)驱动而打开。
图4和图5分别示出了飞行器2上的保持手段14的夹持状态和释放状态，并且应当理解，根据本发明的基座1可以使飞行器能够稳定驻停并使飞行器的释放能够受控。
如前所述，保持手段14通过干涉而与无人机2的附接部分21配合，无人机2包括框架本体20，该框架本体20连接至优选设有至少一个螺旋结构22的旋翼手段23。有利地，附接部分21形成蘑菇状，并且并包括顶端接合元件21a，该顶端接合元件21a例如具有圆顶状轮廓(如实施例中所示)，并且成形为形成外围边缘21b。
优选地，附接部分21整体延伸，使得在将飞行器夹持在基座1上的情况下，旋翼手段23定位在驻停区域12的外部。
如将在下文中详细描述的，优选地，所述顶端接合元件21a在其内部容纳有光源(或者反之亦然，能够检测其的装置)，以通过与控制单元15a相关联的检测手段15b(分别是光源的发射器和/或接收器)更好地识别飞行器。
有利地，保持手段14构造成在所述夹持状态下至少允许飞行器2自身旋转。
优选地，夹持系统的臂的端部140实际上接合外围边缘21b，以便当飞行器2处于钩挂在基座1上的状态时允许飞行器2自身的所述旋转。在实施方式的变型例中，保持手段14可以包括与相应的磁性或可磁化元件(即，设置在飞行器2的附接部分21处的气动元件)配合的磁性或气动元件。
如上所述，基座1以这种方式保证了在飞行器2上的进一步的可操作性。
实际上，例如能够通过在主体上提供第二开口(未在图中示出，例如优选在主体10的侧壁上获得的门)，以便当飞行器2被保持手段14钩挂住时进入驻停区域12内部。由于飞行器2可以绕其自身旋转，特别是绕它的一个竖直对称轴线旋转，因此可以通过适当地暴露例如缺损部分或在所述第二开口处供应电池的区域来定位航空飞行器2，以允许修理和/或维护和/或更换程序。
优选地，电池借助例如磁性、电动和/或机械类型的自动挂钩系统而连接至飞行器2。电池的更换可以通过置于基座1的主体10外部的铰接臂进行，该铰接臂的一端带有用于钩挂住电池本身的系统。铰接臂经由所述第二开口进入飞行器2，它到达飞行器的电池并通过将电池带出基座1而将其取出。随后，铰接臂将通过按飞行顺序恢复飞行器2，以与取出的运动相仿的方式插入新的电池。
这样的程序可以由操作者手动或甚至自动地进行，并且基座1还可以提供甚至自动的连接手段，该连接手段将飞行器2的电池连接到充电集成系统，以使其在尽可能短的时间内为新的飞行做好准备。
优选地，该飞行器包括控制模块24，该控制模块24构造成发送和/或接收与该飞行器2的位置参数相关联的信号，并根据所述信号修改其轨迹T。在实施方式的变型例中，控制模块24包括至少一个光源(例如具有在红外光谱上操作的LED的类型的光源)，光源与基座1的控制单元15a配合并且优选地至少部分地布置在附接部分21处，或更优选地布置在顶端接合元件21a处。
已经参考本发明的优选实施方式描述了本发明。意图在优选实施方式中实施的每个技术方案(本文中以实施例的方式描述)可以在它们之间有利地不同地组合，以创建属于相同发明核心的其他实施方式，但是所有实施方式都在权利要求的保护范围内。

Claims (16)

1.一种用于无人飞行器(2)的着陆和起飞基座(1)，包括：
主体(10)，其设置有开口(11)，并且包括连续的内壁(10a)，所述连续的内壁(10a)限定所述主体内部的驻停区域(12)；
保持手段(14)，其设置有成对的夹持臂(14a)，所述夹持臂(14a)构造成与所述飞行器(2)的附接部分(21)接合并且允许所述飞行器(2)的受控的钩挂和/或释放，
其中，所述连续的内壁(10a)具有朝向所述保持手段(14)会聚的截头圆锥形状，并且其中所述开口(11)位于较大的基座表面处，所述基座(1)的整体构造使得在使用中，所述保持手段(14)能够采取：夹持状态，其中所述飞行器(2)被钩挂住并且至少部分地容纳在所述驻停区域(12)内；以及释放状态，其中所述飞行器(2)被释放并且在起飞期间穿过所述开口(11)自由下落。
2.根据权利要求1所述的着陆和起飞基座(1)，还包括支撑手段(13)，所述支撑手段构造成相对于基准平面(P)将所述主体(10)固定在悬挂位置，用于所述飞行器(2)的操控程序。
3.根据权利要求1所述的着陆和起飞基座(1)，还包括定位手段(15)，所述定位手段构造成确定所述飞行器(2)相对于所述主体(10)的相对位置。
4.根据权利要求3所述的着陆和起飞基座(1)，其中，所述定位手段(15)容纳在所述主体(10)的腔室(16)中并面向所述驻停区域(12)。
5.根据权利要求3或4所述的着陆和起飞基座(1)，其中，所述定位手段(15)包括控制单元(15a)，所述控制单元构造成根据预定的着陆和/或起飞轨迹与所述飞行器的着陆和/或起飞轨迹(T)通信并对其进行修改。
6.根据权利要求5所述的着陆和起飞基座(1)，其中，所述控制单元(15a)包括与所述飞行器(2)的位置参数可关联的光和/或无线电信号的接收器和/或发射器(15b)。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的着陆和起飞基座(1)，还包括返回手段，所述返回手段构造成将所述成对的夹持臂(14a)中的至少一个维持在所述夹持状态并且允许在所述飞行器(2)在所述成对的夹持臂(14a)中的至少一个上进行推力运动期间临时打开所述保持手段(14)。
8.根据权利要求1至4中的任一项所述的着陆和起飞基座(1)，其中，所述保持手段(14)由致动手段驱动以打开。
9.根据权利要求1至4中的任一项所述的着陆和起飞基座(1)，其中，所述保持手段(14)构造成允许所述飞行器(2)在所述夹持状态下至少绕自身旋转。
10.根据权利要求1至4中的任一项所述的着陆和起飞基座(1)，其中，所述主体(10)具有第二开口，所述第二开口成形为使得当所述飞行器(2)在所述驻停区域(12)内时能够进入所述驻停区域(12)。
11.一种适于与根据权利要求1至10中任一项所述的飞行器(2)的着陆和起飞基座(1)配合的无人飞行器(2)，所述无人飞行器(2)包括连接至旋翼手段(23)的框架本体(20)，所述旋翼手段(23)设置有至少一个螺旋结构(22)，其中，从所述框架本体(20)伸出附接部分(21)，所述附接部分包括顶端接合元件(21a)，所述顶端接合元件成形为通过在所述飞行器(2)向所述保持手段(14)的接近运动期间实施所述顶端接合元件(21a)相对于所述保持手段(14)的自动对中而干涉所述基座(1)的连续内壁(10a)，并且，其中所述附接部分(21)具有延伸部，使得在将所述飞行器夹持在所述基座(1)上的状态下，所述旋翼手段定位在所述驻停区域(12)的外部。
12.根据权利要求11所述的无人飞行器(2)，包括控制模块(24)，所述控制模块构造成发送和/或接收与所述飞行器(2)的位置参数相关联的信号并且根据所述信号修改所述飞行器的轨迹(T)。
13.根据权利要求11或12所述的无人飞行器(2)，其中，所述顶端接合元件(21a)成形为形成外围边缘(21b)，以允许所述飞行器(2)在处于钩挂在所述基座(1)上的状态时围绕其自身旋转。
14.根据权利要求12所述的无人飞行器(2)，其中，所述控制模块(24)至少部分地布置在所述顶端接合元件(21a)处。
15.根据权利要求11或12所述的无人飞行器(2)，包括从所述框架本体(20)的外部可更换的供应手段。
16.一种套件，包括根据权利要求1至10中任一项所述的着陆和起飞基座(1)以及根据权利要求11至15中任一项所述的无人飞行器(2)。
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