CN114013674A - 无人机自动化起降系统及无人机自动化起降方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机自动化起降系统及无人机自动化起降方法，该系统包括自动起降平台和旋翼无人机，其中，所述自动起降平台包括从上至下依次设置的一级引导环、二级引导锥和降落接触环；所述旋翼无人机包括无人机机体和无人机悬臂，所述无人机机体的底部向下凸出形成降落锥，在所述降落锥的尖端处设置有引导锥，所述降落锥能够在穿过一级引导环和二级引导锥后嵌入到降落接触环中，从而完成无人机的降落回收。

Description

无人机自动化起降系统及无人机自动化起降方法
技术领域
本发明涉及无人机回收降落技术领域，具体涉及一种无人机自动化起降系统及无人机自动化起降方法。
背景技术
无人机降落回收是无人机控制领域中的一个重要研究课题，对于不同类型的无人机，其回收工作的自动化程度要求不同，对于一些需要完全自动降落回收的无人机，目前还没有形成一套行之有效的控制系统及方法。现有技术中，对于旋翼无人机，其降落时的位置精度还不够高，难以降落到一个固定的点位，需要给出一个相对较大的降落区域才能顺利完成降落操作，这对于自动回收装置的设计来说带来了一定的难度。
由于上述原因，本发明人对现有无人机的自动起降系统及方法做了深入研究，以期待设计出一种能够解决上述问题的无人机自动化起降系统及无人机自动化起降方法。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种无人机自动化起降系统及无人机自动化起降方法，该系统包括自动起降平台和旋翼无人机，其中，所述自动起降平台包括从上至下依次设置的一级引导环、二级引导锥和降落接触环；所述旋翼无人机包括无人机机体和无人机悬臂，所述无人机机体的底部向下凸出形成降落锥，在所述降落锥的尖端处设置有引导锥，所述降落锥能够在穿过一级引导环和二级引导锥后嵌入到降落接触环中，从而完成无人机的降落回收，从而完成本发明。
具体来说，本发明的目的在于提供一种无人机自动化起降系统，该系统包括自动起降平台1和旋翼无人机2，
其中，所述自动起降平台1包括从上至下依次设置的一级引导环11、二级引导锥12和降落接触环13；
所述旋翼无人机2包括无人机机体21和无人机悬臂22，所述无人机机体21的底部向下凸出形成降落锥23，在所述降落锥23的尖端处设置有引导锥24，
所述降落锥23能够在穿过一级引导环11和二级引导锥12后嵌入到降落接触环13中。
其中，一级引导环11的内径尺寸大于无人机机体21的外径尺寸；
在旋翼无人机2降落在自动起降平台1上以后，所述无人机悬臂22搭接在所述一级引导环11的顶部。
其中，所述二级引导锥12的截面形状为上宽下窄的等腰梯形，
所述降落接触环13的截面形状为上宽下窄的等腰梯形，
所述二级引导锥12截面的等腰梯形的一条腰与所述降落接触环13截面的等腰梯形的一条腰共线；
优选地，该共线的直线经过一级引导环11的内侧表面。
其中，在所述降落锥23上设置有归中夹紧槽25，
在所述降落接触环13上设置有方位归中机构，
当所述降落锥23嵌入到降落接触环13中以后，通过所述归中机构与归中夹紧槽25配合，控制旋翼无人机2旋转到正确位置。
其中，
所述方位归中机构3包括方位归中齿轮33和方位归中作动器34；
其中，通过所述方位归中作动器34驱动所述方位归中齿轮33旋转，使得方位归中齿轮33与归中夹紧槽25啮合；使得方位归中齿轮33能够与无人机一同旋转；
再通过方位归中作动器34的旋转，能够带动无人机旋转到正确位置。
其中，在所述二级引导锥12上设置有电磁锁定装置，在旋翼无人机2旋转到正确位置后通过该电磁锁定装置锁定。
其中，在所述降落接触环13上设置有充电环14，
在所述降落锥23上设置有充电凸头26；
在所述旋翼无人机2被锁定后，充电凸头26与充电环14抵接，自动起降平台1通过充电环14为旋翼无人机2充电。
其中，所述所述自动起降平台1还包括托盘底座4，所述一级引导环11、二级引导锥12和降落接触环13都安装在所述托盘底座4上，
优选地，所述自动起降平台1还包括下滑轨41，
在所述托盘底座4的底部设置有上滑轨42，通过下滑轨41和上滑轨42之间配合传动，所述托盘底座4能够在水平方向上往复移动。
本发明还提供一种无人机自动化起降方法，
该方法包括如下步骤：
步骤1，控制旋翼无人机2到达自动起降平台1上方，且使得引导锥24的尖端处于一级引导环11内部区域的正上方；
步骤2，控制旋翼无人机2的桨叶停转，旋翼无人机2自由下落，通过引导锥24和/或降落锥23与一级引导环11和/或二级引导锥12滑动抵接，使得引导锥24穿过二级引导锥12，并且降落锥23嵌入到降落接触环13中；
步骤3，通过方位归中机构3控制旋翼无人机2旋转到正确位置。
其中，该方法还包括步骤4，通过电磁锁定装置锁定旋翼无人机，
优选地，在通过电磁锁定装置锁定旋翼无人机时，所述充电凸头26与充电环14抵接；通过充电凸头26与充电环14抵接来为旋翼无人机2充电。
本发明所具有的有益效果包括：
(1)根据本发明提供的无人机自动化起降系统及无人机自动化起降方法，能够实现旋翼无人机的快速准确定位降落，并且在降落完成后自动回收充电，以便于下次直接起飞工作；
(2)根据本发明提供的无人机自动化起降系统及无人机自动化起降方法，能够将滑轨设置在箱体中，从而实现无人机降落后自动装箱，方便于集群无人机工作时的快速启动及回收作业。
附图说明
图1示出根据本发明一种优选实施方式的无人机自动化起降系统整体结构示意图，即无人机回收完成时的结构示意图；
图2示出图1的正面投影图；
图3示出图1的侧面投影图；
图4示出根据本发明一种优选实施方式的无人机自动化起降系统中自动起降平台的结构示意图；
图5示出根据本发明一种优选实施方式的无人机自动化起降系统中旋翼无人机的结构示意图；
图6示出根据本发明一种优选实施方式的无人机自动化起降系统中的方位归中机构示意图；
图7示出根据本发明一种优选实施方式的无人机自动化起降系统中无人机上设置有充电凸头时的结构示意图；
图8示出根据本发明一种优选实施方式的无人机自动化起降系统中自动起降平台上设置有充电环时的结构示意图；
图9、图10、图11和图12示出旋翼无人机降落在自动起降平台过程中的相对位置示意图。
附图标号说明：
1-自动起降平台
11-一级引导环
12-二级引导锥
13-降落接触环
14-充电环
2-旋翼无人机
21-无人机机体
22-无人机悬臂
23-降落锥
24-引导锥
25-归中夹紧槽
26-充电凸头
31-夹紧作动器
32-夹紧丝杠
33-方位归中齿轮
34-方位归中作动器
4-托盘底座
41-下滑轨
42-上滑轨
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明提供的一种无人机自动化起降系统，如图1、图2和图3中所示，该系统包括自动起降平台1和旋翼无人机2，
其中，所述自动起降平台1包括从上至下依次设置的一级引导环11、二级引导锥12和降落接触环13，如图4中所示；
所述旋翼无人机2包括无人机机体21和无人机悬臂22，所述无人机机体21的底部向下凸出形成降落锥23，在所述降落锥23的尖端处设置有引导锥24，如图5中所示，
所述降落锥23能够在穿过一级引导环11和二级引导锥12后嵌入到降落接触环13中，此时的引导锥24完全穿出降落接触环13，并裸露在外部下方。
在一个优选的实施方式中，一级引导环11的内径尺寸大于无人机机体21的外径尺寸；所述一级引导环11为水平设置的固定圆环，当降落锥23嵌入到降落接触环13中时，所述一级引导环11刚好承托在无人机悬臂下方。
在旋翼无人机2降落在自动起降平台1上以后，所述无人机悬臂22搭接在所述一级引导环11的顶部。本申请中，通过一级引导环11承托无人机悬臂，能够在无人机降落角度出现偏差时，通过一级引导环与无人机悬臂之间的配合来将无人机调整到竖直方向。
在一个优选的实施方式中，所述二级引导锥12的截面形状为上宽下窄的等腰梯形，
所述降落接触环13的截面形状为上宽下窄的等腰梯形，
所述二级引导锥12截面的等腰梯形的一条腰与所述降落接触环13截面的等腰梯形的一条腰共线；
优选地，该共线的直线经过一级引导环11的内侧表面。优选地，所述共线直线为自动起降平台的内包罗线，在同一个截面上，两条包罗线所成角度为摩擦角，该摩擦角大于或等于无人机上引导锥的尖端角度，以便于允许无人机顺利降落到该自动起降平台1上，另外，该摩擦角还能够确保无人机在降落回收过程中不发生自锁现象，确保无人机能够顺利滑到自动起降平台1的内部底部。
在一个优选的实施方式中，在所述降落锥23上设置有归中夹紧槽25，所述归中夹紧槽25为楔形槽，所述归中夹紧槽25设置有多个，且多个归中夹紧槽25彼此平行地环绕在降落锥23上，其整体结构类似于设置在降落锥23上的环状的间歇齿轮结构。
在所述降落接触环13上设置有方位归中机构，
当所述降落锥23嵌入到降落接触环13中以后，通过所述归中机构与归中夹紧槽25配合，控制旋翼无人机2旋转预定角度，到达正确位置。本申请中无人机机头朝向方向与自动化起降系统的正向方向之间的角度即为方位方向(角)，当该角度为0时，即无人机机头朝向方向与自动化起降系统的正向方向一致时，无人机到达正确位置，本申请，通过在无人机降落后调整其方位方向，使其为0，能够为下一次无人机起飞提供准确的定位基准。本申请中，所述自动化起降系统的正向方向为其上滑轨的伸出方向。
优选地，如图6中所示，所述方位归中机构3包括方位归中齿轮33和方位归中作动器34；
其中，通过所述方位归中作动器34驱动所述动方位归中齿轮33旋转，使得方位归中齿轮33与归中夹紧槽25啮合，即方位归中齿轮33上的部分齿结构嵌入到归中夹紧槽25内，使得方位归中齿轮(33)能够与无人机一同旋转，且所述啮合仅仅是在轴向方向上限位，在竖直方向上没有限位能力，所以此时无人机能够竖直向上起飞；再通过方位归中作动器34的进一步旋转即可带动方位归中齿轮33和无人机一同旋转。
在一个优选的实施方式中，在所述二级引导锥12上设置有电磁锁定装置，在旋翼无人机2移动到正确位置后通过该电磁锁定装置锁定。
本申请中，所述电磁锁定装置通过变化电磁销的输入电压控制销钉的位置，无人机在旋转归中后，电磁销的伸出位置与无人机上的锁定孔对齐，系统确认无人机完成降落并旋转值正确位置后再启动电磁销，从而完成对无人机的锁定功能，该电磁锁定装置还能够进一步沿着无人机是否已经到达正确位置，当无人机未到达正确位置即控制电磁锁定装置开启时，该电磁锁定装置会报错。在一个优选的实施方式中，所述方位归中齿轮33选用软质材料制备，如橡胶等，相应地，所述方位归中机构3还包括夹紧作动器31和夹紧丝杠32，通过夹紧作动器31驱动夹紧丝杠32运动，可以是水平移动也可以是转动，都能够在一定程度内压迫或拉伸方位归中齿轮33，使得方位归中齿轮33能够适应不同尺寸规格的归中夹紧槽，提高该装置的适应性。同时，在无人机降落完成后驱动该夹紧丝杠32，还能够进一步提高对无人机的固定效果，适合在无人机及自动化起降系统一同运输配送时使用。
在一个优选的实施方式中，如图7、图8中所示，在所述降落接触环13上设置有充电环14，
在所述降落锥23上设置有充电凸头26；
在所述旋翼无人机2被锁定后，充电凸头26与充电环14抵接，自动起降平台1通过充电环14为旋翼无人机2充电。
在一个优选的实施方式中，如图1、图2和图3中所示，所述所述自动起降平台1还包括托盘底座4，所述一级引导环11、二级引导锥12和降落接触环13都安装在所述托盘底座4上，
优选地，所述自动起降平台1还包括下滑轨41，
在所述托盘底座4的底部设置有上滑轨42，通过下滑轨41和上滑轨42之间配合传动，所述托盘底座4能够在水平方向上往复移动。
优选地，还可以在下滑轨41周围设置密封箱体，通过上滑轨4的往复滑动来使得旋翼无人机进出所述密封箱体，从而实现无人机的自动回收装箱。
本发明还提供一种无人机自动化起降方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，控制旋翼无人机2到达自动起降平台1上方，且使得引导锥24的尖端处于一级引导环11内部区域的正上方；
步骤2，控制旋翼无人机2的桨叶停转，旋翼无人机2自由下落，通过引导锥24和/或降落锥23与一级引导环11和/或二级引导锥12滑动抵接，使得引导锥24穿过二级引导锥12，并且降落锥23嵌入到降落接触环13中；其中，当无人机与自动起降平台之间的高度差达到设定高度时，无人机的桨叶停转；所述设定高度根据无人机上搭载的高度传感器如气压高度计或IMU的精度确定。
本申请中，通过图9、图10、图11和图12逐步示出了无人机降落的一个极限过程，即无人机位于降落区域的最边缘位置，与自动起降平台贴合降落；在该极限过程中，一级引导环与二级引导锥的倾斜角度一致，所述引导锥依次经过一级引导环与二级引导锥，并且最终从降落接触环中伸出；另外，在无人机降落过程中，还可能无人机的引导锥直接触碰到二级引导锥12或者降落接触环13。图9中无人机的引导锥下降到一级引导环高度位置，并且在一级引导环内部，图10中降落锥基本完全降落到一级引导环下方，并且引导锥尖端与二级引导锥接触，图11中引导锥与降落接触环滑动摩擦，继续下落，图12中示出引导锥穿过降落接触环，降落锥嵌入到降落接触环13中。优选地，所述无人机在降落前确保其自身处于水平状态，从而能够沿着竖直方向垂直降落。
步骤3，通过方位归中机构3控制旋翼无人机2移动到正确位置。
优选地，该方法还包括步骤4，通过电磁锁定装置锁定旋翼无人机。
优选地，在通过电磁锁定装置锁定旋翼无人机时，所述充电凸头26与充电环14抵接；此时充电凸头26与充电环14之间电路接通，能够基于外接电源或者起降系统携带的大型电池为旋翼无人机2充电，以便于下次接到任务时，旋翼无人机能够快速起飞。
本申请的上述无人机自动化起降方法能够实现无人机降落的自动化操作，具有极高的降落和归中速度，其总体的降落-归中-锁定并完成降落过程检测的时间能够控制在5秒内；该起降系统附近可以无人值守，从而提高起降系统及无人机使用的便捷性，扩大该起降系统及无人机的应用范围，能够实现大批量无人机的集中管理与控制，或者在操作人员难以到达的特殊场所布置该起降系统及无人机。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无人机自动化起降系统，其特征在于，该系统包括自动起降平台(1)和旋翼无人机(2)，
其中，所述自动起降平台(1)包括从上至下依次设置的一级引导环(11)、二级引导锥(12)和降落接触环(13)；
所述旋翼无人机(2)包括无人机机体(21)和无人机悬臂(22)，所述无人机机体(21)的底部向下凸出形成降落锥(23)，在所述降落锥(23)的尖端处设置有引导锥(24)，
所述降落锥(23)能够在穿过一级引导环(11)和二级引导锥(12)后嵌入到降落接触环(13)中。
2.根据权利要求1所述的无人机自动化起降系统，其特征在于，
一级引导环(11)的内径尺寸大于无人机机体(21)的外径尺寸；
在旋翼无人机(2)降落在自动起降平台(1)上以后，所述无人机悬臂(22)搭接在所述一级引导环(11)的顶部。
3.根据权利要求1所述的无人机自动化起降系统，其特征在于，
所述二级引导锥(12)的截面形状为上宽下窄的等腰梯形，
所述降落接触环(13)的截面形状为上宽下窄的等腰梯形，
所述二级引导锥(12)截面的等腰梯形的一条腰与所述降落接触环(13)截面的等腰梯形的一条腰共线；
优选地，该共线的直线经过一级引导环(11)的内侧表面。
4.根据权利要求1所述的无人机自动化起降系统，其特征在于，
在所述降落锥(23)上设置有归中夹紧槽(25)，
在所述降落接触环(13)上设置有方位归中机构，
当所述降落锥(23)嵌入到降落接触环(13)中以后，通过所述方位归中机构与归中夹紧槽(25)配合，控制旋翼无人机(2)旋转到正确位置。
5.根据权利要求4所述的无人机自动化起降系统，其特征在于，
所述方位归中机构(3)包括方位归中齿轮(33)和方位归中作动器(34)；
其中，通过所述方位归中作动器(34)驱动所述方位归中齿轮(33)旋转，使得方位归中齿轮(33)与归中夹紧槽(25)啮合；使得方位归中齿轮(33)能够与无人机一同旋转；
再通过方位归中作动器(34)的旋转，能够带动无人机旋转到正确位置。
6.根据权利要求1所述的无人机自动化起降系统，其特征在于，
在所述二级引导锥(12)上设置有电磁锁定装置，在旋翼无人机(2)旋转到正确位置后通过该电磁锁定装置锁定。
7.根据权利要求1所述的无人机自动化起降系统，其特征在于，
在所述降落接触环(13)上设置有充电环(14)，
在所述降落锥(23)上设置有充电凸头(26)；
在所述旋翼无人机(2)被锁定后，充电凸头(26)与充电环(14)抵接，自动起降平台(1)通过充电环(14)为旋翼无人机(2)充电。
8.根据权利要求1所述的无人机自动化起降系统，其特征在于，
所述所述自动起降平台(1)还包括托盘底座(4)，所述一级引导环(11)、二级引导锥(12)和降落接触环(13)都安装在所述托盘底座(4)上，
优选地，所述自动起降平台(1)还包括下滑轨(41)，
在所述托盘底座(4)的底部设置有上滑轨(42)，通过下滑轨(41)和上滑轨(42)之间配合传动，所述托盘底座(4)能够在水平方向上往复移动。
9.一种无人机自动化起降方法，其特征在于，
该方法包括如下步骤：
步骤1，控制旋翼无人机(2)到达自动起降平台(1)上方，且使得引导锥(24)的尖端处于一级引导环(11)内部区域的正上方；
步骤2，控制旋翼无人机(2)的桨叶停转，旋翼无人机(2)自由下落，通过引导锥(24)和/或降落锥(23)与一级引导环(11)和/或二级引导锥(12)滑动抵接，使得引导锥(24)穿过二级引导锥(12)，并且降落锥(23)嵌入到降落接触环(13)中；
步骤3，通过方位归中机构(3)控制旋翼无人机(2)旋转到正确位置。
10.根据权利要求9所述的一种无人机自动化起降方法，其特征在于，
该方法还包括步骤4，通过电磁锁定装置锁定旋翼无人机；
优选地，在通过电磁锁定装置锁定旋翼无人机时，所述充电凸头(26)与充电环(14)抵接；通过充电凸头(26)与充电环(14)来为旋翼无人机(2)充电。
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