CN113277080B - 一种用于无人机充电的扑翼平台及其充电方法 - Google Patents

一种用于无人机充电的扑翼平台及其充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于无人机充电的扑翼平台及其充电方法，包括机身、动力机构、蓄电池、第一柔性翼、第二柔性翼、尾翼面、锁定机构和后台计算机；通过第一柔性翼和第二柔性翼上的太阳能电池对蓄电池进行充电，无人机电量不足时，向后台计算机发出充电请求，若无人机的剩余续航里程小于无人机与扑翼平台的距离，则后台计算机迅速规划出一中间位置，无人机和扑翼平台均将所述中间位置作为目的地，并朝着所述中间位置飞行，扑翼平台先于无人机到达所述中间位置，并降落在该中间位置，扑翼平台降落后，无人机降落在扑翼平台的充电区域，对无人机进行充电；若无人机的剩余续航里程大于或等于无人机与扑翼平台的距离，则扑翼平台原地等待无人机进行充电。

Description

一种用于无人机充电的扑翼平台及其充电方法
技术领域
本发明属于无人机充电技术领域，具体涉及一种用于无人机充电的扑翼平台。
背景技术
无人机广泛随着无人机技术的不断发展成熟，无人机越来越多地应用于航拍、监测、消防、农业、救援、测绘和公共安全等领域，然而续航时间是现阶段电动无人机在广泛应用时遇到的技术瓶颈，制约了无人机的进一步发展。
除不断改善电池的性能外，还通过设置无人机充电平台的方式为无人机提供续航可能性。但充电平台分布并不广泛，在无人机电池电量低时可能会出现剩余电量不足以支撑无人机飞行至充电平台的情况，因此需要一种可移动的充电平台。现有技术中，可移动的充电平台通常是轮式移动平台，不便于在野外快速移动。因此，有必要提供一种移动更加快速，且不受场地限制的充电平台。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可快速移动，并且场地限制小的用于无人机充电的扑翼平台。
扑翼可垂直起降、机械效率高、成本低，且结构简单，可在复杂地形条件下执行任务。且新兴的薄膜太阳能电池可以很好地贴合扑翼的翼面形状，可以利用自然界中普遍存在的能源，并对其进行能量转化。
本发明是通过以下技术方案实现：
一种用于无人机充电的扑翼平台，包括机身、动力机构、蓄电池、第一柔性翼、第二柔性翼、尾翼面和后台计算机；其中，机身包括顶板、第一侧框架、第二侧框架和底板，顶板上设置有充电区域；第一柔性翼与第二柔性翼设置在机身的两侧，第一柔性翼设置在第一侧框架上，第一柔性翼包括骨架和薄膜，薄膜上表面铺覆有太阳能电池，第二柔性翼设置在第二侧框架上，第二柔性翼包括骨架和薄膜，薄膜上表面铺覆有太阳能电池；
所述底板上设置有动力机构，所述动力机构包括第一电机、第一带轮、同步带、第二带轮、第一齿轮、第二齿轮、第一曲柄连杆和第二曲柄连杆，第一电机的输出轴连接第一带轮，第一带轮通过同步带与第二带轮连接，第二带轮的转动轴上设置有第一齿轮，第一齿轮和第二齿轮啮合，在所述第一齿轮和第二齿轮的偏心处对称设置有第一曲柄连杆和第二曲柄连杆；其中第一曲柄连杆和第二曲柄连杆分别与第一柔性翼和第二柔性翼的骨架相连；
扑翼平台可通过铺覆在第一柔性翼和第二柔性翼上的太阳能电池对蓄电池进行充电，在无人机电量不足时，无人机向后台计算机发出充电请求，若无人机的剩余续航里程小于无人机与扑翼平台的距离，则后台计算机迅速规划出一中间位置，无人机和扑翼平台均将所述中间位置作为目的地，并朝着所述中间位置飞行，扑翼平台先于无人机到达所述中间位置，并降落在该中间位置，扑翼平台降落后，无人机降落在扑翼平台的充电区域，对无人机进行充电；若无人机的剩余续航里程大于或等于无人机与扑翼平台的距离，则扑翼平台原地等待无人机飞行至扑翼平台所处位置进行充电。
进一步地，所述的无人机起落架包括两个杆式起落架，所述杆式起落架包括两根竖杆和一根横杆，两根竖杆的一端固定到无人机机体，另一端连接横杆，所述的无人机起落架一体成型。
进一步地，所述顶板的充电区域开设有滑槽。
进一步地，所述锁定机构包括四个锁紧装置。
进一步地，所述锁紧装置包括运动卡块、固定卡块、滚珠丝杠、减速器、第二电机和螺母；所述第二电机通过减速器驱动滚珠丝杠转动，运动卡块固定在滚珠丝杠的螺母上；固定卡块安装在扑翼平台机身的顶板的充电区域内。
进一步地，所述固定卡块的顶端设置有降落标识，无人机降落在四个固定卡块的外侧，运动卡块朝着固定卡块直线运动，实现对无人机起落架的锁紧。
进一步地，所述尾翼面包括垂直尾翼和水平尾翼，垂直尾翼和水平尾翼与机身铰接，通过舵机驱动垂直尾翼和水平尾翼转动，实现扑翼平台的姿态调节。
一种利用上述无人机充电的扑翼平台对无人机进行充电的方法，包括如下步骤：
1）无人机电量不足时，向后台计算机发出充电请求；并向后台计算机发送无人机的剩余电量和所在位置；
2）后台计算机通过无人机的电池剩余电量计算除无人机的剩余续航里程A，计算出扑翼平台与无人机的距离B；
3）若A<B，则后台计算机迅速规划出一中间位置无人机和扑翼平台均将所述中间位置作为目的地，并朝着所述中间位置飞行，扑翼平台先于无人机到达所述中间位置，并降落在该中间位置；后台计算机根据如下算法规划所述中间位置：
Figure 59922DEST_PATH_IMAGE001
Figure 660668DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 389590DEST_PATH_IMAGE003
为扑翼平台的飞行速度，/>
Figure 671666DEST_PATH_IMAGE004
为无人机的飞行速度，t为无人机的飞行时间，
Figure 435223DEST_PATH_IMAGE005
为扑翼平台降落所需时间，S为扑翼平台需要飞行的距离，从而确定中间位置；此后进入步骤5）
4）若A≥B，则扑翼平台原地等待；无人机飞向扑翼平台；此后进入步骤5）；
5）无人机根据锁紧装置的固定卡块顶端的降落标识降落在扑翼平台的充电区域，第二电机驱动减速器，进而带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠带动螺母运动，螺母带动运动卡块朝向固定卡块运动，实现无人机起落架的锁紧；
6）对无人机进行充电。
本发明所达到的有益效果为：
采用扑翼平台可以快速为无人机剩余续航里程范围内没有充电平台的无人机提供可供使用的充电平台，充分利用了扑翼平台机动性好、飞行效率高的优点，且采用太阳能电池铺覆在扑翼平台的柔性翼上，节省能源，更好地保证无人机的续航。
考虑到野外存在横风等不确定因素，通过锁定机构对降落在扑翼平台上的无人机的起落架进行固定，确保其稳定充电，锁定机构的锁紧装置包括固定卡块和运动卡块，固定卡块的顶端设置有降落标识，可帮助无人机精准降落在扑翼平台上。
后台计算机可根据无人机的剩余续航里程快速规划出便于无人机和扑翼平台到达的中间位置，提高了无人机的充电效率和充电安全性。
附图说明
图1为扑翼平台的结构示意图；
图2为扑翼平台的侧视图；
图3为扑翼平台的俯视图；
图4为锁定机构的结构示意图；
图5为无人机结构示意图；
图6为整体结构示意图；
图7为动力机构的结构示意图；
图8为充电方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
参见附图1-3、6-7，一种用于无人机充电的扑翼平台，包括机身1、动力机构2、蓄电池、第一柔性翼3、第二柔性翼4、锁定机构5、尾翼面和后台计算机；其中，机身包括顶板11、第一侧框架12、第二侧框架13和底板14，顶板11上设置有充电区域；第一柔性翼3与第二柔性翼4设置在机身2的两侧，第一柔性翼3设置在第一侧框架12上，第一柔性翼3包括骨架和薄膜，薄膜上表面铺覆有太阳能电池，第二柔性翼4设置在第二侧框架13上，第二柔性翼4包括骨架和薄膜，薄膜上表面铺覆有太阳能电池；
参见附图7，所述底板14上设置有动力机构，所述动力机构2包括第一电机21、第一带轮22、同步带23、第二带轮24、第一齿轮25、第二齿轮26、第一曲柄连杆27和第二曲柄连杆28，第一电机的21输出轴连接第一带轮22，第一带轮22通过同步带23与第二带轮24连接，第二带轮24的转动轴上设置有第一齿轮25，第一齿轮25和第二齿轮26啮合，在所述第一齿轮25和第二齿轮26的偏心处对称设置有第一曲柄连杆27和第二曲柄连杆28；其中第一曲柄连杆27和第二曲柄连杆28分别与第一柔性翼3和第二柔性翼4的骨架相连；
扑翼平台可通过铺覆在第一柔性翼和第二柔性翼上的太阳能电池对蓄电池进行充电，在无人机电量不足时，无人机向后台计算机发出充电请求，若无人机的剩余续航里程小于无人机与扑翼平台的距离，则后台计算机迅速规划出一中间位置，无人机和扑翼平台均将所述中间位置作为目的地，并朝着所述中间位置飞行，扑翼平台先于无人机到达所述中间位置，并降落在该中间位置，扑翼平台降落后，无人机降落在扑翼平台的充电区域，对无人机进行充电；若无人机的剩余续航里程大于或等于无人机与扑翼平台的距离，则扑翼平台原地等待无人机飞行至扑翼平台所处位置进行充电。
参见附图5，所述的无人机起落架包括两个杆式起落架，所述杆式起落架包括两根竖杆和一根横杆，两根竖杆的一端固定到无人机机体，另一端连接横杆，所述的无人机起落架一体成型。
参见图4，所述顶板11的充电区域开设有滑槽，所述锁定机构5包括四个锁紧装置。所述锁紧装置包括运动卡块51、固定卡块52、滚珠丝杠53、减速器54、第二电机55和螺母56；所述第二电机55通过减速器54驱动滚珠丝杠53转动，运动卡块51固定在滚珠丝杠53的螺母56上；固定卡块52安装在扑翼平台机身的顶板11的充电区域内。
所述固定卡块52的顶端设置有降落标识，无人机降落在四个固定卡块52的外侧，运动卡块51朝着固定卡块52直线运动，实现对无人机起落架的锁紧。
所述尾翼面包括垂直尾翼和水平尾翼，垂直尾翼和水平尾翼与机身铰接，通过舵机驱动垂直尾翼和水平尾翼转动，实现扑翼平台的姿态调节。
参见附图8，一种利用上述的无人机充电的扑翼平台对无人机进行充电的方法，包括如下步骤：
1）无人机电量不足时，向后台计算机发出充电请求；并向后台计算机发送无人机的剩余电量和所在位置；
2）后台计算机通过无人机的电池剩余电量计算除无人机的剩余续航里程A，计算出扑翼平台与无人机的距离B；
3）若A<B，则后台计算机迅速规划出一中间位置无人机和扑翼平台均将所述中间位置作为目的地，并朝着所述中间位置飞行，扑翼平台先于无人机到达所述中间位置，并降落在该中间位置；后台计算机根据如下算法规划所述中间位置：
Figure 206870DEST_PATH_IMAGE001
Figure 485405DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 367910DEST_PATH_IMAGE003
为扑翼平台的飞行速度，/>
Figure 985973DEST_PATH_IMAGE004
为无人机的飞行速度，t为无人机的飞行时间，
Figure 928521DEST_PATH_IMAGE005
为扑翼平台降落所需时间，S为扑翼平台需要飞行的距离，从而确定中间位置；此后进入步骤5）；
4）若A≥B，则扑翼平台原地等待；无人机飞向扑翼平台；此后进入步骤5）；
5）无人机根据锁紧装置的固定卡块顶端的降落标识降落在扑翼平台的充电区域，第二电机驱动减速器，进而带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠带动螺母运动，螺母带动运动卡块朝向固定卡块运动，实现无人机起落架的锁紧；
6）对无人机进行充电。
最后应理解，本发明公开的申请的优选实施例是对本发明的实施方案的原理的说明，并不用于限制本发明。凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于无人机充电的扑翼平台，包括机身、动力机构、蓄电池、第一柔性翼、第二柔性翼、尾翼面、锁定机构和后台计算机；其中，机身包括顶板、第一侧框架、第二侧框架和底板，顶板上设置有充电区域；第一柔性翼与第二柔性翼设置在机身的两侧，第一柔性翼设置在第一侧框架上，第一柔性翼包括骨架和薄膜，薄膜上表面铺覆有太阳能电池，第二柔性翼设置在第二侧框架上，第二柔性翼包括骨架和薄膜，薄膜上表面铺覆有太阳能电池；
所述底板上设置有动力机构，所述动力机构包括第一电机、第一带轮、同步带、第二带轮、第一齿轮、第二齿轮、第一曲柄连杆和第二曲柄连杆，第一电机的输出轴连接第一带轮，第一带轮通过同步带与第二带轮连接，第二带轮的转动轴上设置有第一齿轮，第一齿轮和第二齿轮啮合，在所述第一齿轮和第二齿轮的偏心处对称设置有第一曲柄连杆和第二曲柄连杆；其中第一曲柄连杆和第二曲柄连杆分别与第一柔性一面和第二柔性翼的骨架相连；
其特征在于：扑翼平台可通过铺覆在第一柔性翼和第二柔性翼上的太阳能电池对蓄电池进行充电，在无人机电量不足时，无人机向后台计算机发出充电请求，若无人机的剩余续航里程小于无人机与扑翼平台的距离，则后台计算机迅速规划出一中间位置，无人机和扑翼平台均将所述中间位置作为目的地，并朝着所述中间位置飞行，扑翼平台先于无人机到达所述中间位置，并降落在该中间位置，扑翼平台降落后，无人机降落在扑翼平台的充电区域，对无人机进行充电；若无人机的剩余续航里程大于或等于无人机与扑翼平台的距离，则扑翼平台原地等待无人机飞行至扑翼平台所处位置进行充电。
2.根据权利要求1所述的用于无人机充电的扑翼平台，其特征在于：所述的无人机起落架包括两个杆式起落架，所述杆式起落架包括两根竖杆和一根横杆，两根竖杆的一端固定到无人机机体，另一端连接横杆，所述的无人机起落架一体成型。
3.根据权利要求2所述的用于无人机充电的扑翼平台，其特征在于：所述顶板的充电区域开设有滑槽。
4.根据权利要求3所述的用于无人机充电的扑翼平台，其特征在于：所述锁定机构包括四个锁紧装置。
5.根据权利要求4所述的用于无人机充电的扑翼平台，其特征在于：所述锁紧装置包括运动卡块、固定卡块、滚珠丝杠、减速器、第二电机和螺母；所述第二电机通过减速器驱动滚珠丝杠转动，运动卡块固定在滚珠丝杠的螺母上；固定卡块安装在扑翼平台机身的顶板的充电区域内。
6.根据权利要求5所述的用于无人机充电的扑翼平台，其特征在于：所述固定卡块的顶端设置有降落标识，无人机降落在四个固定卡块的外侧，运动卡块朝着固定卡块直线运动，实现对无人机起落架的锁紧。
7.根据权利要求1所述的用于无人机充电的扑翼平台，其特征在于：所述尾翼面包括垂直尾翼和水平尾翼，垂直尾翼和水平尾翼与机身铰接，通过舵机驱动垂直尾翼和水平尾翼转动，实现扑翼平台的姿态调节。
8.一种利用如权利要求6所述的无人机充电的扑翼平台对无人机进行充电的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）无人机电量不足时，向后台计算机发出充电请求；并向后台计算机发送无人机的剩余电量和所在位置；
2）后台计算机通过无人机的电池剩余电量计算除无人机的剩余续航里程A，计算出扑翼平台与无人机的距离B；
3）若A<B，则后台计算机迅速规划出一中间位置无人机和扑翼平台均将所述中间位置作为目的地，并朝着所述中间位置飞行，扑翼平台先于无人机到达所述中间位置，并降落在该中间位置；后台计算机根据如下算法规划所述中间位置：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为扑翼平台的飞行速度，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为无人机的飞行速度，t为无人机的飞行时间，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为扑翼平台降落所需时间，S为扑翼平台需要飞行的距离，从而确定中间位置；此后进入步骤5）
4）若A≥B，则扑翼平台原地等待；无人机飞向扑翼平台；此后进入步骤5）；
5）无人机根据锁紧装置的固定卡块顶端的降落标识降落在扑翼平台的充电区域，第二电机驱动减速器，进而带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠带动螺母运动，螺母带动运动卡块朝向固定卡块运动，实现无人机起落架的锁紧；
6）对无人机进行充电。
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