CN112930279A - 用于无人机的充电网络 - Google Patents

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德蒙·韦特利
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Abstract

提供了一种网络，用于在扩展飞行操作期间为空中无人机充电，而无需返回到集中式充电站。此外，提供了自主充电站，其通过使用位于站上的可再生能源的电力实现自给自足。在操作上，将锥形插座安装在无人机上，并在充电站处设置锥形探针。探针与可再生能源连接。通过该连接，当通过插座的开放基座接纳探针的顶点以将探针上的电连接器放置成与无人机的电池接触时，实现用于对无人机的电池进行充电的接合。

Description

用于无人机的充电网络
技术领域
本发明总体上涉及用于为电池供电的空中无人机充电的系统和方法。更具体地，本发明涉及将空中无人机的操作任务能力扩展到其电池的飞行持久性能力之外的系统和方法。本发明特别但非排他地用作自主充电站的网络，各个自主充电站以其自身的可再生能源自给自足，并且被单独部署以允许在空中无人机的远距离和/或在扩展的操作区域内重复飞行操作期间为空中无人机的电池充电，而无需返回集中式充电站。
背景技术
电池供电的交通工具每天都在变得越来越普遍。尤其是，空中无人机对于许多不同的职业已成为关注的焦点。一种这样的用途涉及使用空中无人机来运输和运送货物。
除了使用电池供电的空中无人机作为货物运输交通工具的潜力之外，仍然需要解决使这种能力成为有效的商业可行性的问题。这些问题包括以下事实：用于空中无人机的电池需要尽可能轻便，并且需要最佳的远距离操作持久性。确实，电池持久性是确定空中无人机的举升和运输能力的关键考虑因素。
对于长途货物运输，为空中无人机充电所涉及的问题的解决方案与地面运输车辆所遇到的加油问题有些相似。也就是说，就像需要加油的卡车和火车一样，空中无人机也需要适当地接入充电站网络。然而，在不轻易或不容易获得电源的不便位置，有效的是可能需要在网络中部署为空中无人机充电的充电站。
鉴于以上所述，本发明的目的是提供一种独立地的自给自足的自主充电站的网络，其中每个充电站具有其自己的可再生能源。本发明的另一个目的是提供一种自主充电站的网络，其被独立地部署以允许在远距离和/或重复飞行操作期间为空中无人机的电池充电。本发明的又一个目的是提供一种用于操作电池供电的空中无人机以进行远距离和扩展的持久性操作任务的系统/方法，其易于安装，易于使用并且具有较高的成本效益。
发明内容
根据本发明的用于操作电池供电的空中无人机的网络包括多个自主充电站。对于本发明，充电站独立地位于预定站点处，该预定站点分散在操作区域中。重要的是，每个充电站与至少一个其他充电站的距离小于使用该网络的空中无人机的飞行范围。
如本发明所设想的，每个充电站将包括安装在其站点处的探针，连同电力供应源和发射器。在操作上，电力供应源与探针上的电连接器链接，当探针与无人机接合时，该电连接器将在电力供应源与空中无人机的电池之间建立电接触。无人机的电池被充电后，无人机将从探针脱离并继续使用完全充电的电池执行其任务。优选地，在充电站处的电力供应源将是包括多个光伏电池的太阳能面板。此外，如本发明所设想的，太阳能面板可以由风力涡轮机补充。在这种组合中，就像太阳能面板一样，风力涡轮机可以连接到探针的电连接器用于为无人机的电池充电。
对于本发明，用于在充电站使空中无人机与探针接合的机构包括安装在无人机上的锥形插座，以及位于充电站处的锥形探针。详细地，无人机上的插座被设想为具有基部和开放顶点的中空锥形结构。当安装在无人机上时，锥形插座的开放顶点被定位为建立通过锥形基部到达电池的接入通路。在结构上，锥形探针与无人机上的锥形插座互补。因此，当探针与无人机的插座接合(即被接纳到其中)时，可以在电力供应源和无人机的电池之间建立电接触。
网络系统的操作需要建立系统控制器可位于其中的基站。具体地，基站处的控制器将控制空中无人机的飞行操作，并且还将监视网络系统中各个充电站的单个电源的充电容量。为此，控制器使用基站处的收发器，该收发器与无人机上的收发器通信连接。该收发器还与分别位于网络中的充电站处的多个发射器通信连接。在此通信网络内，控制器可以从无人机接收飞行信息并从充电站接收操作信息。特别地，从空中无人机接收到的飞行信息数据被用于使无人机飞行，并且还向基站通知无人机的剩余电池电量。另一方面，来自充电站的操作数据将包括关于电力供应源的当前充电容量的信息以及关于是否当前正在为另一架空中无人机充电的信息。此外，操作信息将包括每个充电站的海拔和GPS位置。
同样，在网络系统的能力范围内，无人机可以始终直接与充电站进行通信。然后，充电站可以从无人机收集飞行信息以将该飞行信息重新发送到网络运营中心(NOC)。此外，无人机还可以直接与NOC或直接与基站进行通信。无论如何，网络系统都可以收集并适当使用来自无人机的信息。
对于本发明的扩展应用，可以设想的是充电站可以离岸地位于海上站点处以结合到网络系统中，特别是当在海上站点处使用时，充电站将需要以某种方式稳定以为充电站建立一个基本固定的位置的平台。例如，该平台可以通过相关领域中为此目的众所周知的任何方式来稳定，例如塔架，锚或GPS控制的多个微型推进器。在所有重要方面，海上站点处的充电站将与本文所公开的陆基充电站基本相似。
如本发明所设想的，可以在网络系统中同时操作多个空中无人机。因此，充电站可被构造为包括以阵列的形式安装的多个探针。因此，充电站能够同时容纳与在充电站处呈阵列的探针相同的多个空中无人机。
附图说明
通过结合附图并结合说明书将最好地理解本发明的新颖特征以及本发明本身的结构和操作，在附图中，相似的附图标记指代相似的部分，并且其中：
图1是根据本发明的用于为空中无人机充电的网络系统中的基本部件的功能示意图；
图2是具有针对空中无人机飞行操作部署的本发明的部件的扩展操作区域的代表性视图；以及
图3是操作区域的示意图，其示出了在网络运营中心(NOC)与该操作区域中的无人机、充电中心和基站之间建立的通信链路。
具体实施方式
首先参考图1，根据本发明的用于控制货物运输和运送系统的网络被示出，并且总体上以10表示。如图所示，网络10包括在相关领域公知类型的旋翼空中无人机12。还作为网络10的部件示出的是充电站14和基站16。如本发明所设想的，网络10可以容纳多个空中无人机12并且可以包括许多充电站14，诸如图2中所示的示例性充电站14a-d。此外，尽管未示出，网络10还可以容纳多个基站16，其中每个基站16将用于控制特定空中无人机12。
参考图1，将看到空中无人机12将包括电池18和收发器20。无人机12还将包括货物舱22，其中待由无人机12运输的物品可以在飞行操作期间固定。此外，取决于特定无人机12的设计，无人机12将具有至少一个旋翼24，但是很可能具有多个旋翼24。此外，尽管未示出，可以预见的是，代替货物舱22或除其之外，可以将结构与无人机12结合起来，其可以被结合到空中无人机12的设计中以增加载荷(例如吊索负载能力)。无论如何，出于本发明的目的，用于无人机12的重要结构是插座26。
如图1所示，插座26是限定了基部和顶点的锥形结构。重要的是，插座26是具有开放基部和开放顶点的中空锥体。为了本发明的目的，将插座26安装在无人机12上，其开放顶点被定位成建立通过锥形插座26到电池18的接入通路。如本领域技术人员将理解的，插座26可以在工厂安装或翻新。因此，插座26不需要专门用于特定类型的空中无人机12。
仍然参考图1，充电站14被示为包括锥形探针28。具体地，探针28被成形为与锥形插座26互补。利用这些类似的锥形结构，在充电站14处的探针28可以被接入到无人机12上的锥形插座26中以进行充电操作。如本发明所设想的，锥形探针28和锥形插座26之间的电连接可以是导电的或电感的。
在结构上，探针28包括被定位在探针28的顶点处的电连接器30。此外，充电站14包括与探针28的电连接器30链接的电力供应源34，用于当探针28被接入到无人机12上的插座26中时对无人机12的电池18充电。优选地，电力供应源34将是可再生能源，诸如太阳能电池组或风力涡轮机。在任何情况下，电力供应源34被设想为是自给自足的，因此充电站14将基本上是自主的。
在图1中还示出了设置有发射器32的充电站14。另外，充电站14通常将包括蓄电池35，该蓄电池35将根据需要储存来自可再生能源的过量能量。它还可以包括至少一个虚拟探针(未示出)，其是电惰性的并且用作等待位置，在该等待位置处，无人机12可以保持在最小功率要求下，直到有源探针28可用于充电操作为止。
如上所述，本发明的网络10包括至少一个基站16。对于本发明，基站16将包括控制器36和收发器38。特别地，对于网络10的操作，在基站16处的收发器38将与空中无人机12上的收发器20进行通信，并且与每个充电站14处的发射器32进行通信。更具体地，位于基站16处的收发器38将接收来自空中无人机12的飞行信息数据，其包括使无人机12飞行所需的信息和数据(例如，空气速度、高度、航向和剩余电池电量)。收发器38还将接收来自每个充电站14的操作信息。特别地，该操作信息将包括关于电力供应源34的当前充电容量的信息，以及关于在充电站14处是否当前正在对另一空中无人机14进行充电的信息。考虑到这一点，还应当理解，在执行操作任务之前，将向基站16提供关于无人机12的操作区域40内的每个自主充电站14的海拔和GPS位置的信息(见图2)。
除了上面公开的用于网络10的部件之外，本发明还设想了其他辅助考虑。其中之一，可能需要锚(未示出)以将探针28稳定在自主充电站14处。对于另一辅助考虑，还可以设想充电站14可以包括多个探针28，其将被以阵列安装以用于在充电操作期间同时容纳相同的多个空中无人机12。另外，充电站14将受到适当的安全措施的保护，当在充电站14处的设备受到破坏或篡改时，该安全措施将提供电子/音频警告。在网络10的操作中，基站16被建立在它将能够控制无人机12的飞行任务的任何方便的位置。如本发明所设想的，该任务将被预先计划并且将被限制在预定操作区域40内。具体地，操作区域40将由安排货物运送的各个投放点42a-c的位置确定。例如，图2示出了由无人机12将货物运送到投放点42a-c所需的计划的飞行路径44(虚线)。此外，出于公开目的，应考虑飞行路径44的计划路线超出了无人机12的操作范围。
对于上述示例性任务，空中无人机12装载有货物。优选地，这将在基站16处完成，但是装载可以在其他地方进行。在任何情况下，然后无人机12离开基站16并且飞到第一投放点42a，在该第一投放点42a可以从无人机12移出货物和/或可以向其装载先前批准的附加货物。然后，无人机12飞到第二投放点42b，在该第二投放点42b可以再次运送和/或承接货物。在该示例中，在离开投放点42b之后，基站16处的控制器36被通知无人机12的电池18上的电量低并且需要充电。因此，无人机12降落在充电站14c处。
在充电站14c处，使用在相关领域公知的引导和控制技术，将无人机12悬停在充电站14c处的探针28上方。然后，随着锥形探针28被接入到无人机12的锥形插座26中，将无人机12下降到探针28上。当无人机12已经沉降到探针28上时，探针28上的电连接器30与无人机12的电池18接触。一旦无人机18已经被充电，无人机12上升以悬停在探测器28上方，然后起飞以完成其沿着飞行路径44的任务。如示例性任务所示，无人机12在返回基站16之前在投放点42c进行了另一次停飞。然后，可以将无人机12重新装载并发送另一个任务。本发明的附加特征是结合网络运营中心(NOC)46。总的来说，结合NOC 46以建立与在操作区域40内的所有充电站14(a-d)，基站16和任何无人机12的通信。此外，NOC 46可以与来自操作区域40外部的无人机12'选择性地连接。NOC46还可以与其他操作区域(未示出)中的其他基站16'连接。
在其操作中，NOC 46维持关于操作区域40中的每个自主充电站14的状况和可用性的最新/实时信息。它还维持来自自主充电站14的关于其电力供应源34的当前充电容量的操作数据，以及关于在特定充电站14处是否当前正在为(一个或多个)空中无人机12充电的信息。此外，NOC 46维持操作区域40中的维持每个充电站14的进度表。具体地，进度表将包括在各个充电站14处的预先计划充电和充电时间，连同其可用的、过量的充电容量。
参照图2所示的预期环境，将最好地理解图3所示的用于本发明的网络10的操作中使用的通信连接的示意图。参照图2和图3两者，可以看到为了完成上述功能，NOC 46与操作区域40中的无人机12、充电站14(a-d)和基站16连接。此外，将看到无人机12可以直接与充电站14通信。还可以看到，NOC 46可以与进入操作区域40、但是在具有其自己操作区域40'(未标识)的单独基站16'操作控制下的无人机12'进行通信接触。这里意指操作区域40和40'可以彼此重叠。
仍然参考图3，应当理解对于网络10的典型操作，无人机12将与充电站14(例如，充电站14c)及其基站16两者通信。通过这些连接，无人机12可以获得使用充电站14c所需的所有信息。
另一方面，由单独基站16'操作但不与充电站14c直接通信的无人机12'也将能够获得该相同信息。特别地，如果基站16'与NOG 46接触，则无人机12'可以从其基站16'接收关于充电站14c的信息。否则，如果它不与其基站16'接触，则无人机12'可以直接从NOG 46接收信息。无论如何，NOG 46的目的是作为在一个或多个操作区域40内的充电站14的操作的信息点。为此，NOG 46维持关于每个充电站14的可用性和容量的信息。另一方面，NOG 46还在其行踪、健康操作状态、温度、重量、电池状况和飞行耐久性方面与每个无人机12或无人机12'保持接触。换句话说，提供NOG 46来整合该信息以便同时监视在一个或多个操作区域40中的无人机12和充电站14的整体操作。
如图2所示，设想了本发明的另一个实施例，其中，充电站14e可以位于离岸平台48上，该平台在诸如海50的水体表面上方的海上站点处。具体地说，充电站14e将以与上文针对充电站14a-d公开的相同的方式在操作和功能上结合到网络系统10中。然而，当在海上站点处使用时，充电站14e将必然需要稳定以为充电站建立基本静止的状态。这可以通过相关领域中众所周知的几种装置中的任何一种来实现。例如，平台48可以被稳定在塔架(未示出)上，它可以以某种方式锚固定位，或者充电站14e可以包括GPS控制的多个微型推进器。因此，从充电站14e操作的空中无人机12将能够扩展操作区域40，以在海50上的各个位置(即，船舶)上投放点42。
尽管如本文中详细示出和公开的特定的无人机充电网络完全能够获得本文所述的目的并提供本文所述的优点，但是应该理解，这仅仅是本发明的当前优选实施例的示例，并且除了所附权利要求书所述之外，没有意图限制本文所示的构造或设计的细节。。

Claims (20)

1.一种用于操作在操作区域中的电池供电的空中无人机的网络系统，包括：
空中无人机，所述空中无人机具有至少一个旋翼组件和用于驱动所述旋翼组件的电池；
具有基部和开放顶点的中空锥形插座，其中，所述插座安装在所述无人机上，所述插座的开放顶点被定位成建立通过锥形的基部到所述电池的接入通路；
具有顶点的锥形探针，其中，所述探针位于所述操作区域中的预定陆地站点处并且在所述站点处以所述探针的顶点在所述探针的所述基部上方而被垂直定向，并且其中，所述探针包括被定位在所述探针的所述顶点处的电连接器；以及
与所述探针的所述电连接器链接的电力供应源，当所述探针被接入到所述无人机的所述插座中以在所述供应源和所述无人机的所述电池之间建立电接触时，所述电力供应源为所述无人机的所述电池充电。
2.根据权利要求1所述的网络系统，进一步包括：基站，所述基站用于控制所述无人机的飞行操作，其中，所述探针和所述电力供应源一同位于所述预定陆地站点处以建立自主充电站，并且其中，所述自主充电站包括用于向所述基站发送操作数据的收发器。
3.根据权利要求2所述的网络系统，其中，所述电力供应源包括：
包括多个光伏电池的太阳能面板，以及
风力涡轮机。
4.根据权利要求2所述的网络系统，进一步包括：
安装在所述空中无人机上的收发器；
位于所述基站处、用于从所述空中无人机接收飞行信息数据的收发器；以及
位于所述基站处、用于使用所述飞行信息数据来使所述空中无人机进行飞行的控制器。
5.根据权利要求2所述的网络系统，进一步包括：网络运营中心(NOC)，其中，所述NOC与所述操作区域内的所有充电站进行通信，并且选择性地与所述操作区域内部/外部的任何无人机和任何基站进行连接。
6.根据权利要求5所述的网络系统，其中，所述NOC维持关于来自无人机的飞行信息、关于所述操作区域中的每个自主充电站的状况和可用性的的最新/实时信息，连同来自所述自主充电站的关于所述电力供应源的当前充电容量的操作数据和关于是否当前正在为空中无人机充电的信息。
7.根据权利要求6所述的网络系统，其中，所述NOC维持用于在所述操作区域中的充电站的进度表，其中，所述进度表包括预先计划的充电和充电时间连同每个充电站的可用的过量充电容量，其中，为每个自主充电站建立海拔和GPS位置，并且其中，所述充电站包括以阵列安装的多个探针以用于同时容纳相同的多个空中无人机。
8.根据权利要求2所述的网络系统，进一步包括：锚，所述锚用于在所述自主充电站处稳定所述探针。
9.根据权利要求2所述的网络系统，其中，所述操作区域包括水体，并且所述网络系统进一步包括位于所述水体的海上站点处的平台，其中，在所述平台上建立自主充电站，并且其中，所述平台上的所述自主充电站包括用于向所述基站发送操作数据的收发器。
10.根据权利要求9所述的网络系统，进一步包括：用于在所述海上站点处稳定所述平台的装置，其中，所述稳定装置选自由塔架、锚和GPS控制的多个微型推进器组成的组。
11.一种用于操作电池供电的空中无人机的网络系统，包括：
空中无人机，所述空中无人机具有电池和收发器；
多个自主充电站，其中，至少一个自主充电站单独地位于预定陆地站点处并且包括与电力供应源和发射器一同安装在所述站点处的探针，其中，当所述探针与所述无人机接合时，所述电力供应源与所述探针上的电连接器链接以在所述电力供应源和所述无人机的所述电池之间建立电接触，以为所述无人机的所述电池充电。
具有控制器的基站，所述控制器具有用于接收来自所述空中无人机的飞行信息和来自所述自主充电站的操作信息的收发器，其中，所述飞行信息数据用于使所述空中无人机飞行，并且所述操作数据包括关于所述电力供应源的当前充电容量的信息和关于是否当前正在为另一架空中无人机充电的信息，以及
与所述空中无人机通信连接的网络运营中心(NOC)，其中，所述NOC还与所述操作区域内的所有充电站进行通信，并且选择性地与所述操作区域内部/外部的任何无人机和任何基站进行连接以提供所述网络系统的整体控制。
12.根据权利要求11所述的网络系统，进一步包括：
具有基部和开放顶点的中空锥形插座，其中，所述插座安装在所述无人机上，所述插座的开放顶点被定位成建立通过所述锥形插座的基部到所述电池的接入通路；以及
锥形探针，其中，当所述探针在所述站点处垂直定向时，所述探针的所述顶点在所述探针的基部上方，并且此外其中，所述探针包括被定位在所述探针的所述顶点的电连接器，当所述探针与所述无人机的所述插座接合时，所述电连接器在所述电力供应源和所述无人机的所述电池之间建立电接触。
13.根据权利要求11所述的网络系统，其中，所述电力供应源选自由太阳能面板和风力涡轮机组成的组，并且其中，每个自主充电站由海拔和GPS位置进行识别。
14.根据权利要求11所述的网络系统，进一步包括：具有多个有源探针和至少一个虚拟探针的阵列，其中，所述有源探针被定位在所述阵列中以用于同时为相同的多个空中无人机充电，并且所述至少一个虚拟探针被定位成提供用于排队等候充电的无人机的等待点。
15.根据权利要求11所述的网络系统，进一步包括：
被定位在海上站点处的平台，以及
在所述平台上建立的自主充电站，其中，所述自主充电站包括用于向所述基站发送操作数据的收发器。
16.一种用于安装网络系统以操作电池供电的空中无人机的方法，所述方法包括以下步骤：
建立基站，所述基站包括：收发器，所述收发器用于从所述空中无人机接收飞行信息数据；以及控制器，所述控制器用于使用所述飞行信息数据以使所述空中无人机飞行；
在预选地面站点处定位至少一个自主充电站，其中，所述充电站包括探针、自给自足的电力供应源和发射器，其中，当所述无人机与所述探针接合时，所述探针与所述电力供应源链接以为所述无人机的所述电池充电，并且其中，所述发射器用于向所述基站发送操作数据，所述操作数据关于在所述充电站处的所述电力供应源的当前充电容量以及关于在所述充电站处是否当前正在为另一架无人机充电；以及
提供网络运营中心(NOC)，其中，所述NOC与所述操作区域内的所有充电站进行通信，并且选择性地经由充电站与所述操作区域内部/外部的任何无人机和任何基站进行连接，并且所述NOC维持关于在所述操作区域中的每个自主充电站的状况和可用性的最新/实时信息，以及来自所述自主充电站的关于所述电力供应源的所述当前充电容量的操作数据和关于是否当前正在为空中无人机充电的信息。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述无人机包括中空锥形插座以建立到所述电池的接入通路；并且其中，所述探针是锥形的以用于与所述插座接合，以在所述无人机上的所述锥形插座与所述锥形探针接合时为所述无人机的所述电池充电。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述电力供应源选自由太阳能面板和风力涡轮机组成的组。
19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括以下步骤：
使用海拔和GPS位置识别每个自主充电站；以及
提供具有多个探针的阵列，以阵列安装的所述多个探针用于同时容纳相同的多个空中无人机。
20.根据权利要求16所述的方法，进一步包括以下步骤：
将平台定位在水体上的海上站点处；以及
在所述平台上建立自主充电站，其中，所述自主充电站包括用于向所述基站发送操作数据的收发器。
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