CN113479107A - 一种空中更换电池长续航无人机及其使用方法 - Google Patents

一种空中更换电池长续航无人机及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种空中更换电池长续航无人机及其使用方法，用以解决现有空中更换电池技术可靠性低、电池更换次数受限、有效载荷搭载能力被削弱等问题。本发明的空中更换电池长续航无人机中，一号无人机可同时携带多组备用电池并自主执行对二号无人机的空中更换电池操作，在实施空中更换电池的操作过程中，一号无人机与二号无人机通过空中对接机构紧密连接，由一号无人机的电源接驳接口公口向二号无人机的有效载荷提供电能，使得二号无人机所搭载的有效载荷可进行连续性作业，空中更换电池操作实现了二号无人机的空中超长续航。

Description

一种空中更换电池长续航无人机及其使用方法
技术领域
本发明涉及多旋翼无人机技术领域，具体涉及一种空中更换电池长续航无人机及其使用方法。
背景技术
多旋翼无人机通过每个臂轴上电动机的转动而带动旋翼高速旋转，旋翼高速旋转产生的向下推力使得无人机摆脱自身重力并实现飞行。通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变特定轴向的推进力大小，从而控制多旋翼无人机的飞行运行轨迹。随着多旋翼无人机技术的不断发展普及，近年来多旋翼无人机已经广泛应用于诸如航拍摄影、物流运输、地理测绘、生物监测、环境保护、灾害救援、精准农业、治安维护以及气象检测等领域。然而，受到蓄电池储能技术的约束，目前多旋翼无人机的滞空续航时间普遍较低，其续航能力已然成为了多旋翼无人机相关应用继续向前发展的一个重大短板，限制了无人机行业的整体发展潜力。
公开号为CN112278276A的中国发明专利公开了一种用于无人机电池更换结构及其使用方法。利用空中无人机自身完成电池更换，当无人机作业电量不足时，旧电池与电池通流器断开连接，抓手抓取旧电池通过滑轨滑到第二伸缩板上方并放置于电池平置板上；伸缩杆推动备用电池至电池升降块后，利用垂直气缸将备用电池升至第一伸缩板上方并与电池通流器连接，进而完成新旧电池的空中更换操作。该方法在实施过程中需要在空中无人机上同时配备多块电池，且在空中替换下的旧电池必须存放在该无人机上，极大降低了无人机的有效载荷搭载能力。公开号为CN111776240A的中国发明专利公开了一种空中更换电池长续航无人机，通过减速电机驱动带动转动桶旋转，实现两个插管上固定的新电池盒与旧电池盒的上下换位。该方法中虽然无人机的有效载荷搭载能力不受影像，但是一号无人机每次只能够执行一次电池更换操作，且仅能完成一块电池的更换。在电池更换过程中，二号无人机将启用自身备用电池，同时切断拟更换电池的供电线路以便于一号无人机完成电池更换操作。然而，该备用电池不具备空中更换条件，而上述工作机制要求二号无人机的备用电池必须具备较高的可靠性，因此上述工作方式同样具有一定的安全隐患，在执行电池更换操作的过程中存在失控坠机的风险。
另外，公开号为CN110356569A的中国发明专利公开了一种无人机空中更换电池系统，该系统在更换电池过程中新旧电池同时存放于同一个电池储放机构中，可以执行多次电池更换任务，但是当需要执行多次电池更换任务时可能会出现旧电池更换旧电池的操作失误问题。此外，该系统在执行电池更换操作时仅断开需更换电池的供电线路且允许巡检无人机不断电作业。巡检无人机在执行电池更换操作前已经处于电池亏电状态，此时直接切断需更换电池的供电线路将进一步加剧巡检无人机的亏电问题。因此，在实施上述电池更换操作的过程中，巡检无人机存在电量耗尽并失控坠机的风险，使得该工作方式具有一定的安全隐患。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种空中更换电池长续航无人机及其使用方法，用以解决现有空中更换电池技术可靠性低、电池更换次数受限、有效载荷搭载能力被削弱等问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明的一种空中更换电池长续航无人机，包括二号无人机、一号无人机、电池更换机构以及空中对接机构；
其中，所述二号无人机为拟更换电池的多旋翼无人机，在相邻臂轴之间设置有电池卡槽；
所述一号无人机与所述二号无人机具有相同的臂轴数量；
所述电池更换机构包括电池储藏室、圆形转盘以及多自由度机械臂；其中，所述圆形转盘安装于所述一号无人机底部；所述电池储藏室安装在圆形转盘与所述一号无人机之间，用于存放满电量电池与旧电池；所述多自由度机械臂安装于圆形转盘上；所述多自由度机械臂的端面安装有电磁吸盘，用于取放电池；
所述空中对接机构包括空中对接机构接近端、电源接驳接口母口以及对接方位标靶；其中，电源接驳接口母口放置在所述二号无人机臂轴相应位置，对接方位标靶安装在所述二号无人机顶部；所述空中对接机构接近端包括视觉辅助对接系统、伸缩爪以及电源接驳接口公口；所述视觉辅助对接系统安装于所述圆形转盘的正下方，用于实时识别所述对接方位标靶；所述伸缩爪安装于所述一号无人机臂轴上，用于对所述二号无人机实施牢固抓捕；所述电源接驳接口公口位于伸缩爪上，其上端连接至所述一号无人机的机载电源模块，其下端用于插入所述电源接驳接口母口处，所述一号无人机的机载电源模块向所述二号无人机的有效载荷提供电能。
其中，所述电池储藏室设置在所述一号无人机任意相邻的两个臂轴之间，所述电池储藏室包括备用电池舱和回收电池舱；所述备用电池舱用于放置满电量电池；所述回收电池舱与所述的备用电池舱具有相同的尺寸，用于放置更换下的旧电池。
其中，所述二号无人机拥有所述电池卡槽的数量与臂轴数量相同。
其中，所述一号无人机包含所述电池储藏室的数量为2的倍数，最多与所述一号无人机所拥有臂轴的数量相同。
其中，多自由度机械臂数目为偶数，对称安装于圆形转盘的外侧，且所述多自由度机械臂之间的连线经过所述一号无人机的质心。
其中，所述伸缩爪采用电动方式或液压方式进行垂直方向伸缩。
其中，所述的备用电池舱及所述的回收电池舱内部均带有电池电极插孔，用于实现满电量电池与旧电池的固定。
本发明的一种空中更换电池长续航无人机的使用方法，采用本发明所述的无人机，包括以下步骤：
S1，在二号无人机电量不足时，将一号无人机起飞并自主悬停于二号无人机正上方；
S2，一号无人机所搭载的视觉辅助对接系统捕获二号无人机顶部的对接方位标靶，一号无人机调整自身飞行姿态并驱动伸缩爪抓紧二号无人机的臂轴，一号无人机的电源接驳接口公口与二号无人机的电源接驳接口母口连接；
二号无人机切断自身全部电池组的供电线路，其所搭载的有效载荷由一号无人机的电源接驳接口提供电能；
S3，一号无人机的圆形转盘按顺时针或逆时针旋转，将多自由度机械臂调整至恰当位置；
多自由度机械臂将端面移动至二号无人机的电池卡槽处，利用端面上的电磁吸盘执行二号无人机的旧电池取出操作；
S4，一号无人机完成旧电池取出操作后，驱动多自由度机械臂移动至一号无人机的回收电池舱位置并完成旧电池存放；
随后，多自由度机械臂移动至一号无人机的备用电池舱执行满电量电池取出操作；
S5，在圆形转盘与多自由度机械臂的配合下，将满电量电池插入二号无人机的电池卡槽处；
完成二号无人机全部电池更换工作后，启动二号无人机机载供电系统；
S6，一号无人机放开空中对接机构末端的机械手爪，提升飞行高度并脱离二号无人机，完成针对二号无人机的空中更换电池操作。
有益效果：
本发明的空中更换电池长续航无人机中，一号无人机可同时携带多组备用电池并自主执行对二号无人机的空中更换电池操作，在实施空中更换电池的操作过程中，一号无人机与二号无人机通过空中对接机构紧密连接，由一号无人机的电源接驳接口公口向二号无人机的有效载荷提供电能，使得二号无人机所搭载的有效载荷可进行连续性作业，空中更换电池操作实现了二号无人机的空中超长续航。
本发明中，所述电池储藏室包括备用电池舱和回收电池舱；所述备用电池舱用于放置拟进行空中更换电池操作的满电量电池；所述回收电池舱与所述的备用电池舱具有相同的尺寸，可容纳与所述的备用电池舱相同数量的旧电池。所述的备用电池舱及所述的回收电池舱内部均带有电池电极插孔，用于实现满电量电池与旧电池的固定。旧电池与备用电池存放于一号无人机的不同舱位，当需要执行多次电池更换任务时，也不会出现旧电池更换旧电池的操作失误问题。
本发明的空中更换电池长续航无人机中，为了保持二号无人机重心平衡，所述二号无人机拥有所述电池卡槽的数量与臂轴数量相同。
本发明的空中更换电池长续航无人机中，为了保持一号无人机重心平衡，并且可携带的备用电池数量最多，所述一号无人机包含所述电池储藏室的数量与所述一号无人机所拥有臂轴的数量相同。
本发明空中更换电池长续航无人机的使用方法中，操作方便简单易懂，且执行空中更换电池操作的全过程均无需人为干预，全部由空中更换电池系统自主完成，能够最大程度上提高多旋翼无人机的续航能力
附图说明
图1是本发明实施例的一种空中更换电池长续航无人机整体结构示意图；
图2是本发明实施例的一种空中更换电池长续航无人机的电池更换机构示意图；
图3是本发明实施例的一种空中更换电池长续航无人机的电池更换机构俯视结构示意图；
图4是本发明实施例的一种空中更换电池长续航无人机的空中对接机构示意图。
其中，1-一号无人机，2-电池更换机构，3-空中对接机构接近端，4-二号无人机，5-电池卡槽，6-电源接驳接口母口，7-对接方位标靶；21-电池储藏室，22-圆形转盘，23-多自由度机械臂，211-备用电池舱，212-回收电池舱，213-满电量电池；31-视觉辅助对接系统，32-伸缩套杆，33-机械手爪，34-电源接驳接口公口。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例的一种空中更换电池长续航无人机实施例的整体结构示意图如图1所示，包括二号无人机4、一号无人机1、电池更换机构2以及空中对接机构。
其中，所述二号无人机4为拟更换电池的多旋翼无人机，在相邻臂轴之间设有电池卡槽5。通常来讲，多旋翼无人机主要包括四旋翼无人机、六旋翼无人机以及八旋翼无人机等。
进一步地，为了保持二号无人机4重心平衡，所述二号无人机4拥有所述电池卡槽5的数量与臂轴数量相同。
所述一号无人机1与所述二号无人机4与具有相同的臂轴数量，一号无人机1的机载控制系统包括对电池更换机构2以及空中对接机构的控制模块。
本实施例的电池更换机构示意图如图2所示，俯视图如图3所示，所述电池更换机构2包括电池储藏室21、圆形转盘22以及多自由度机械臂23。所述圆形转盘22安装于所述一号无人机1底部；所述电池储藏室21安装在圆形转盘22与所述一号无人机1之间，用于存放满电量电池213与旧电池；所述多自由度机械臂23安装于圆形转盘22上；所述多自由度机械臂23的端面安装有电磁吸盘24，用于取放电池。
具体地，所述圆形转盘22可在所述一号无人机1机载控制系统的控制作用下沿顺时针或逆时针旋转，为所述多自由度机械臂23提供围绕垂直轴旋转的自由度。所述多自由度机械臂23在所述圆形转盘22的配合下，可向上运动至所述一号无人机1的所述电池储藏室21，可向下运动至所述二号无人机4的电池卡槽5。较优地，为了保持一号无人机1重心平衡，多自由度机械臂23数目为偶数，一般取2个，对称安装于圆形转盘22的外侧，且所述多自由度机械臂23之间的连线经过所述一号无人机1的质心。
所述电池储藏室21设置在所述一号无人机1任意相邻的两个臂轴之间。较优地，为了保持一号无人机1重心平衡，所述一号无人机1包含所述电池储藏室21的数量为2的倍数，最多与所述一号无人机1所拥有臂轴的数量相同。当所述一号无人机1包含所述电池储藏室21的数量与所述一号无人机1所拥有臂轴的数量相同，可携带的备用电池数量最多。
当需要执行多次电池更换任务时，为了避免出现旧电池更换旧电池的操作失误问题。所述电池储藏室21包括备用电池舱211和回收电池舱212；所述备用电池舱211用于放置拟进行空中更换电池操作的满电量电池213；所述回收电池舱212与所述的备用电池舱211具有相同的尺寸，可容纳与所述的备用电池舱211相同数量的旧电池。所述的备用电池舱211及所述的回收电池舱212内部均带有电池电极插孔，用于实现满电量电池213与旧电池的固定。
本实施例的空中对接机构示意图如图4所示，所述空中对接机构包括空中对接机构接近端3、电源接驳接口母口6以及对接方位标靶7。
其中，电源接驳接口母口6放置在所述二号无人机4臂轴相应位置，对接方位标靶7安装在所述二号无人机4顶部。
所述空中对接机构接近端3包括视觉辅助对接系统31、伸缩套杆32、机械手爪33以及电源接驳接口公口34。所述视觉辅助对接系统31安装于电池更换机构2的正下方，用于实时识别安装在所述二号无人机4顶部的对接方位标靶7；所述的伸缩套杆32安装于所述一号无人机1每个臂轴的中间部位，当所述的视觉辅助对接系统31对所述二号无人机4顶部的对接方位标靶7完成捕获锁定后，所述的伸缩套杆32垂直向下伸出并开始执行空中对接任务；所述的机械手爪33安装在所述伸缩套杆32的末端，可执行抓紧及松开操作，用于对拟更换电池的二号无人机4实施牢固抓捕；所述电源接驳接口公口34位于所述机械手爪33的中心部分且垂直向下伸出，其上端连接至所述一号无人机1的机载电源模块，其下端用于插入所述二号无人机4臂轴相应位置的电源接驳接口母口6处，向所述二号无人机4的有效载荷提供电能。
具体地，所述视觉辅助对接系统31具备自主对焦功能，能够实时识别安装在所述二号无人机4顶部的对接方位标靶7，通过所述一号无人机1机载控制系统的内置算法可调整所述一号无人机1的飞行姿态，并保持所述一号无人机1各臂轴与所述二号无人机4的各臂轴处于平行状态。
具体地，所述伸缩套杆32可采用电动方式或液压方式进行垂直方向伸缩。
具体地，所述伸缩套杆32接近所述二号无人机4的臂轴时，所述的机械手爪33执行抓紧操作，该动作将促使所述一号无人机1的所述电源接驳接口公口34紧紧插入所述二号无人机4臂轴相应位置的电源接驳接口母口6处。
本发明还提供了一种空中更换电池长续航无人机的使用方法，包括以下步骤：
S1，在二号无人机4电量不足时，将一号无人机1起飞并自主悬停于二号无人机4正上方；
S2，一号无人机1所搭载空中对接机构接近端3中的视觉辅助对接系统31捕获二号无人机4顶部的对接方位标靶7，一号无人机1调整自身飞行姿态并驱动伸缩套杆32向下伸出直至机械手爪33抓紧二号无人机4的臂轴。此时，一号无人机1的电源接驳接口34已与二号无人机4的电源接驳接口8紧密连接，二号无人机4切断自身全部电池组的供电线路，其所搭载的有效载荷由一号无人机1的电源接驳接口34提供电能；
S3，一号无人机1的圆形转盘22按顺时针或逆时针旋转，将多自由度机械臂23调整至恰当位置。多自由度机械臂23将端面移动至二号无人机4的电池卡槽5处，利用端面上的电磁吸盘24执行二号无人机4的旧电池取出操作；
S4，一号无人机1完成旧电池取出操作后，驱动两个多自由度机械臂23移动至一号无人机1的回收电池舱212位置并完成旧电池存放。随后，两个多自由度机械臂23移动至一号无人机1的备用电池舱211执行满电量电池213取出操作；
S5，在圆形转盘22与多自由度机械臂23的配合下，将满电量电池213插入二号无人机4的电池卡槽5处。完成二号无人机4全部电池更换工作后，启动二号无人机4机载供电系统；
S6，一号无人机1放开空中对接机构3末端的机械手爪33，提升飞行高度并脱离二号无人机4，即完成了针对二号无人机4的空中更换电池操作。
需要说明的是，在本发明中，诸如一号、二号等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语包括、包含或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包括从而使得包括一系列要素的过程、方法物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括其他没有明确列出的要素。或者是还包括为这种过程、物品、方法或者设备所固有的要素。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种空中更换电池长续航无人机，其特征在于，包括二号无人机(4)、一号无人机(1)、电池更换机构(2)以及空中对接机构；
其中，所述二号无人机(4)为拟更换电池的多旋翼无人机，在相邻臂轴之间设置有电池卡槽(5)；
所述一号无人机(1)与所述二号无人机(4)具有相同的臂轴数量；
所述电池更换机构(2)包括电池储藏室(21)、圆形转盘(22)以及多自由度机械臂(23)；其中，所述圆形转盘(22)安装于所述一号无人机(1)底部；所述电池储藏室(21)安装在圆形转盘(22)与所述一号无人机(1)之间，用于存放满电量电池(213)与旧电池；所述多自由度机械臂(23)安装于圆形转盘(22)上；所述多自由度机械臂(23)的端面安装有电磁吸盘(24)，用于取放电池；
所述空中对接机构包括空中对接机构接近端(3)、电源接驳接口母口(6)以及对接方位标靶(7)；其中，电源接驳接口母口(6)放置在所述二号无人机(4)臂轴相应位置，对接方位标靶(7)安装在所述二号无人机(4)顶部；所述空中对接机构接近端(3)包括视觉辅助对接系统(31)、伸缩爪以及电源接驳接口公口(34)；所述视觉辅助对接系统(31)安装于所述圆形转盘(22)的正下方，用于实时识别所述对接方位标靶(7)；所述伸缩爪安装于所述一号无人机(1)臂轴上，用于对所述二号无人机(4)实施牢固抓捕；所述电源接驳接口公口(34)位于伸缩爪上，其上端连接至所述一号无人机(1)的机载电源模块，其下端用于插入所述电源接驳接口母口(6)处，所述一号无人机(1)的机载电源模块向所述二号无人机(4)的有效载荷提供电能。
2.如权利要求1所述的无人机，其特征在于，所述电池储藏室(21)设置在所述一号无人机(1)任意相邻的两个臂轴之间，所述电池储藏室(21)包括备用电池舱(211)和回收电池舱(212)；所述备用电池舱(211)用于放置满电量电池(213)；所述回收电池舱(212)与所述的备用电池舱(211)具有相同的尺寸，用于放置更换下的旧电池。
3.如权利要求1或2所述的无人机，其特征在于，所述二号无人机(4)拥有所述电池卡槽(5)的数量与臂轴数量相同。
4.如权利要求3所述的无人机，其特征在于，所述一号无人机(1)包含所述电池储藏室(21)的数量为2的倍数，最多与所述一号无人机(1)所拥有臂轴的数量相同。
5.如权利要求1、2或4所述的无人机，其特征在于，多自由度机械臂(23)数目为偶数，对称安装于圆形转盘(22)的外侧，且所述多自由度机械臂(23)之间的连线经过所述一号无人机(1)的质心。
6.如权利要求1、2或4所述的无人机，其特征在于，所述伸缩爪采用电动方式或液压方式进行垂直方向伸缩。
7.如权利要求2或4所述的无人机，其特征在于，所述的备用电池舱(211)及所述的回收电池舱(212)内部均带有电池电极插孔，用于实现满电量电池(213)与旧电池的固定。
8.一种空中更换电池长续航无人机的使用方法，其特征在于，采用如权利要求2所述的无人机，包括以下步骤：
S1，在二号无人机(4)电量不足时，将一号无人机(1)起飞并自主悬停于二号无人机(4)正上方；
S2，一号无人机(1)所搭载的视觉辅助对接系统(31)捕获二号无人机(4)顶部的对接方位标靶(7)，一号无人机(1)调整自身飞行姿态并驱动伸缩爪抓紧二号无人机(4)的臂轴，一号无人机(1)的电源接驳接口公口(34)与二号无人机(4)的电源接驳接口母口(6)连接；
二号无人机(4)切断自身全部电池组的供电线路，其所搭载的有效载荷由一号无人机(1)的电源接驳接口(34)提供电能；
S3，一号无人机(1)的圆形转盘(22)按顺时针或逆时针旋转，将多自由度机械臂(23)调整至恰当位置；
多自由度机械臂(23)将端面移动至二号无人机(4)的电池卡槽(5)处，利用端面上的电磁吸盘(24)执行二号无人机(4)的旧电池取出操作；
S4，一号无人机(1)完成旧电池取出操作后，驱动多自由度机械臂(23)移动至一号无人机(1)的回收电池舱(212)位置并完成旧电池存放；
随后，多自由度机械臂(23)移动至一号无人机(1)的备用电池舱(211)执行满电量电池(213)取出操作；
S5，在圆形转盘(22)与多自由度机械臂(23)的配合下，将满电量电池(213)插入二号无人机(4)的电池卡槽(5)处；
完成二号无人机(4)全部电池更换工作后，启动二号无人机(4)机载供电系统；
S6，一号无人机(1)放开空中对接机构(3)末端的机械手爪(33)，提升飞行高度并脱离二号无人机(4)，完成针对二号无人机(4)的空中更换电池操作。
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