CN114954843A - 一种浮式充电坞 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种浮式充电坞，包括充电坞主体，所述充电坞主体上部设置无人机停降平台，下部设置无人艇停靠舱位，所述无人艇停靠舱位设在充电坞主体的支撑结构间隔处，所述支撑结构呈圆周开放状，包括固定架和枢转设在固定架外侧的可调整充电坞主体高度便于无人艇收放的若干层浮力架；所述无人机停降平台设有若干无人机收放装置，所述固定架上设有无人艇收放装置，所述充电坞主体还设有控制系统模块、通信系统模块和供电系统模块，所述供电系统模块分别与控制系统模块和通信系统模块电连接；本发明能够实现无人设备自动收放、充电续航、数据回传且能同时容纳多个无人设备。

Description

一种浮式充电坞
技术领域
本发明涉及一种无人海洋工程技术领域，尤其涉及一种浮式充电坞。
背景技术
近年来，无人系统在海洋环境、资源、地质等方面的探测与研究中，已经得到了越来越广泛的应用。例如无人机凭借快速、便捷等特点，能高效、精准、全面的对海洋资源进行监测和分析；无人艇作为一种新型的水面无人设备，被广泛应用于执行各种水上任务，如海岸线巡航、环境监测等等。
但是无人系统面临着布放与回收复杂的问题，而且续航问题是无人系统使用中存在的一个严重问题，目前无人系统的供电主要采用蓄电池供电，蓄电池电量有限，一次充电无法满足长时间的续航任务，需要频繁地靠人力进行续航供给，导致人力资源消耗大，无法实现真正意义上的无人化，便捷化；与此同时作业数据的通信以及回收存在距离范围的制约。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种能够实现无人设备自动收放、充电续航、数据回传且能同时容纳多个无人设备的浮式充电坞。
技术方案：本发明所述的一种浮式充电坞，包括充电坞主体，所述充电坞主体上部设置无人机停降平台，下部设置无人艇停靠舱位，所述无人艇停靠舱位设在充电坞主体的支撑结构间隔处，所述支撑结构呈圆周开放状，包括固定架和枢转设在固定架外侧的可调整充电坞主体高度便于无人艇收放的若干层浮力架；所述无人机停降平台设有若干无人机收放装置，所述固定架上设有无人艇收放装置，所述充电坞主体还设有控制系统模块、通信系统模块和供电系统模块，所述供电系统模块分别与控制系统模块和通信系统模块电连接。
优选地，所述供电系统模块包括蓄电池、太阳能蓄电板、震荡式浮子波浪能发电装置和无线充电模块，所述蓄电池设在充电坞主体的位于无人机停降平台下方的设备层，分别与太阳能蓄电板、震荡式浮子波浪能发电装置和无线充电模块连接。
优选地，所述浮力架包括支架和浮力板，所述支架上端与固定架转动连接，下端与浮力板转动连接；所述最外层浮力架的支架上设置太阳能蓄电板，内层浮力架的浮力板上设置震荡式浮子波浪能发电装置。
优选地，所述无人机收放装置包括设在停降平台上的便于精准定位、协调控制降落的识别标志以及可旋转的压紧缸。
优选地，所述识别标志包括5个二维码，所述5个二维码按照无人机落地位置大小分布在四周和中间。
优选地，所述无人艇收放装置包括艏部限位机构和侧部限位机构，所述艏部限位机构包括V型夹紧块，V型夹紧块枢转连接在支撑结构的固定架上；所述侧部限位机构包括三角柔性夹爪、弹性推杆和转动块，所述三角柔性夹爪与弹性推杆枢转连接，弹性推杆设置转动块上，所述三角柔性夹爪和弹性推杆设置若干组，转动块枢转连接在固定架伸出的短臂上。
优选地，所述设备层上还设有与无人艇收放装置相配合的机械臂，所述机械臂设在充电坞主体朝向各无人艇停靠舱位的边缘处，机械臂上设有用于识别无人艇位置的摄像模块。
优选地，所述无线充电模块包括无人机无线充电发射端和无人艇无线充电发射端，所述无人机无线充电发射端设在中间二维码处，无人艇无线充电发射端设在机械臂的自由端处。
优选地，所述控制系统模块用于控制调整充电坞主体姿态、决策能量调配、控制无人机和无人艇的收放和充电。
优选地，所述通信系统模块用于接收无人机和无人艇的电量数据、机/艇型信息、位置数据和作业数据，并将其发送至上位机，并反向将上位机的命令传输至无人机和无人艇，以及将所述浮式充电坞的位置信息发送给上位机、无人机和无人艇。
优选地，所述浮式充电坞设置多个，所述多个浮式充电坞相互联系、协同作业，形成联合作业网点。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：1、充电坞主体的圆周开放式设计可以容纳多个无人艇进行无线充电和通信，满足集群式无人艇的续航需求；2、倾斜辐射喇叭状的浮力架与充电坞主体之间的角度可以随充电坞主体的负载大小与离水面高度的需求而变化，进而改变提供的浮力矢量来调整充电坞主体的姿态以至平稳，提高充电坞主体的稳定性；同时倾斜辐射喇叭状的浮力架大面积搭载太阳能蓄电板，提高太阳能收集效率；3、充电坞主体通过艏部限位机构与侧部限位机构的配合可以对多种船型(单体船、双体船、三体船)以及多种异型侧面的无人艇进行自适应限位固定，同时减少充电坞主体的负载，进而减少对水上浮式充电坞稳定性的影响；4、无人机收放装置可以有效地降低无人机停降误差，降低无人机在切断动力时滑落的几率，能够辅助无人机在锁紧的同时调整其姿态；5、多个浮式充电坞形成联合作业网点可以配合集群式无人艇/机的联合作业。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构俯视图；
图3为本发明的结构正视图；
图4为本发明的结构侧视图；
图5为本发明的机械臂结构示意图；
图6为本发明的侧部限位机构结构示意图；
图7为本发明的艏部限位机构结构示意图；
图8为本发明的顶板剖视图；
图9为本发明的识别标志组成及摆放位置示意图。
其中，1、充电坞主体；2、无人机停降平台；3、支撑结构；31、固定架；32、浮力架；321、支架；322、浮力板；4、无人机收放装置；41、识别标志；42、压紧缸；5、无人艇收放装置；51、艏部限位机构；511、夹紧块；52、侧部限位机构；521、三角柔性夹爪；22、弹性推杆；523、转动块；6、蓄电池；7、太阳能蓄电板；8、震荡式浮子波浪能发电装置；9、机械臂；10、摄像头；11、无人机无线充电发射端；12、无人艇无线充电发射端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1-4所示，本发明所述的一种浮式充电坞，包括充电坞主体1，所述充电坞主体1上部设置无人机停降平台2，下部支撑结构3间隔设置，间隔处设有无人艇停靠舱位。所述支撑结构3呈圆周开放状，包括固定架31和两层浮力架32，浮力架32设在固定架31外侧，可相对固定架31上下转动，通过波浪补偿算法自动控制浮力架32与充电坞主体1之间的夹角，随着水面波动状况自适应调整充电坞主体1距离水平面的高度，补偿水面波动对充电坞主体1的影响以获得较合适的工作状态，避免在工作时使无人艇以及充电坞主体1浸水部分过多。所述浮力架32包括支架321和浮力板322，所述支架321呈倾斜辐射喇叭状，上端与固定架31转动连接，下端与浮力板322转动连接，所述浮力板322为圆形，可以更好地适应各个方向涌来的水面波浪，提高充电坞主体1的稳定性。整个浮式充电坞结构以充电坞主体1中心为圆心呈辐射状，保证浮式充电坞体积较小的同时，能够提高浮式充电坞的载艇量，实现容纳集群式多个无人艇进行无线充电。
所述充电坞主体1还设有控制系统模块、通信系统模块和供电系统模块，所述供电系统模块分别与控制系统模块、通信系统模块电连接，所述控制系统模块和通信系统模块均设在位于无人机停降平台2下方的设备层，如图8所示。
所述供电系统模块包括蓄电池6、太阳能蓄电板7、震荡式浮子波浪能发电装置8和无线充电模块，所述蓄电池6设在充电坞主体1的设备层，分别与太阳能蓄电板7、震荡式浮子波浪能发电装置8和无线充电模块连接。所述太阳能蓄电板7设在最外层浮力架的支架321上，尽可能多的收集太阳能开将其转化为电能储蓄在蓄电池6中。震荡式浮子波浪能发电装置8设置在内层浮力架的浮力板322上，包括震荡浮子、摆杆、电能转化装置，所述震荡浮子通过鱼眼轴承与摆杆连接，便于震荡浮子自适应水面的波动，进而带动摆杆进行摆动。所述电能转化装置固定在充电坞主体1的设备层上，与蓄电池6连接，将摆杆的机械能转化为电能储蓄在蓄电池6中。所述无线充电模块包括无人机无线充电发射端11和无人艇无线充电发射端12。
所述无人机停降平台2上设有无人机收放装置4，无人机收放装置4包括设在无人机停降平台上的定位机构和固定机构。所述定位机构包括识别标志41，识别标志包括5个二维码，按照无人机落地位置大小分布在四周和中间，无人机无线充电发射端11设在中间的二维码处，如图9所示。通过这5个二维码的摆放位置结合无人机的控制算法以及视觉识别算法，将无人机引导停降到无人机无线充电发射端11配合的位置范围内，使无人机底部的无线充电接收端与无人机无线充电发射端11配合充电。所述固定机构包括压紧缸42，压紧缸42可旋转地设在四周的二维码处，压紧缸42将无人机小范围的摆正姿态后进行锁紧固定，在保证持续进行高效率的无线充电的同时避免因浮式充电坞晃动而导致无线充电不稳定的情况。
所述无人艇停靠舱位两侧的支撑结构上设有无人艇收放装置5，无人艇收放装置5包括艏部限位机构51和侧部限位机构52。
如图7所示，所述艏部限位机构51包括V型夹紧块511，V型夹紧块枢转连接在支撑结构的固定架31上，两侧的V型夹紧块组合成W型结构，可以同时适应一定体积的单体船，双体船，三体船。如图6所示，所述侧部限位机构52包括三角柔性夹爪521、弹性推杆522和转动块523，所述三角柔性夹爪521通过鱼眼轴承与弹性推杆522枢转连接，弹性推杆522设在转动块523上，转动块523枢转连接在固定架31伸出的短臂上，由电机控制，使转动块523定轴旋转来调节三角柔性夹爪521捕获无人艇的压力，通过夹持无人艇来调整其姿态，便于获得最高的无线充电效率。而过剩的压力则通过弹性推杆522来释放，避免电机过载或压坏无人艇。所述三角柔性夹爪521和弹性推杆522设置两组，可以调整其长度和夹角适应无人艇侧部的异型面，获得良好的夹持压力。通过艏部限位机构51和侧部限位机构52的配合，可以使进入无人艇停靠舱位的无人艇与充电坞主体1相对静止，在获得较为高效的无线充电姿态的同时，并未施与充电坞主体1过多的负载重力，增强了充电坞主体1在水上的稳定性。
所述设备层上还设有与无人艇收放装置5相配合的n自由度机械臂9，所述机械臂9设在充电坞主体朝向各无人艇停靠舱位的边缘处，机械臂9上设有摄像头10以及无人艇无线充电发射端12。所述摄像头10用于识别无人艇位置，便于调整其收放，在无人艇固定之后视觉追踪无人艇搭载的无线充电接收端，进而引导机械臂9上的无人艇无线充电发射端12与无人艇上的无线充电接收端配合进行无线充电。
所述控制系统模块用于控制调整充电坞主体位置、决策能量调配、控制无人机和无人艇的收放和充电，包括根据各种环境状况信息以及命令和逻辑控制各部分电机的运动；用来调配蓄电池6与太阳能蓄电板7和震荡式浮子波浪能发电装置8以及无线充电模块之间的电量；用于决策对无人机或无人艇的充断电和收放。
所述通信系统模块用于与无人机、无人艇和上位机进行交互，包括接收无人机和无人艇的电量数据、机/艇型信息、位置数据和作业数据，并将其发送至上位机，并反向将上位机的命令传输至无人机和无人艇，将所述浮式充电坞的位置信息发送给上位机、无人机和无人艇。
本发明所述的浮式充电坞的工作原理是：
无人机收放充电方法：待充电的无人机发出信号，岸上的上位机或某个浮式充电坞接收后对无人机发出停降信号，无人机接收到目标浮式充电坞的位置信息，自行靠近该浮式充电坞。无人机可以通过视觉模块识别设置在浮式充电坞的无人机停降平台2上的识别标志41来进行精准停降。由于所述的浮式充电坞识别标志41由5个二维码组成，通过这5个二维码的摆放位置结合无人机的控制算法以及视觉识别算法，将无人机引导停降到无人机无线充电发射端11配合的位置范围内。当无人机停降完毕后，无人机向浮式充电坞发送相应的信号，使得压紧缸42将无人机进行小范围的摆正姿态后进行锁紧固定，使无人机底部的无线充电接收端与无人机无线充电发射端11配合，控制系统模块自动启动无人机无线充电发射端11对无人机进行无线充电。充电完毕之后，控制系统模块命令压紧缸42释放无人机，使无人机恢复工作状态，便于后续的起飞。
无人艇收放充电方法：无人艇进入浮式充电坞的通讯范围，且在发出停靠信号后，所述侧部限位机构52呈漏斗状逐步张开至最大展角，扩大无人艇进入的横向宽度；所述W型艏部限位机构51同样展开至最大展角。当无人艇通过视觉引导进入无人艇停靠舱位后，通过设置在机械臂9上的摄像头10对无人艇进行视觉识别，直至其进入正确位置后，艏部限位机构51限制住入舱深度，通过W型艏部限位机构51的微动，抵住无人艇的艏部，此时侧部限位机构52进行缩小展角的旋转，对无人艇侧部进行施加压力，夹住无人艇侧部，完成无人艇的入舱限位。在无人艇入舱并限位完毕后，摄像头10可以通过视觉引导，识别无人艇无线充电发射端12与无人艇的距离与两者的空间坐标，以便于机械臂9根据算法规划运动路径，将其上搭载的无人艇无线充电发射端12与无人艇上的无线充电接收端配合，以实现高效率的无线充电。无线充电结束后，机械臂9返回初始设定位置，避免影响无人艇释放。

Claims (10)

1.一种浮式充电坞，其特征在于，包括充电坞主体(1)，所述充电坞主体(1)上部设置无人机停降平台(2)，下部设置无人艇停靠舱位，所述无人艇停靠舱位设在充电坞主体(1)的支撑结构(3)间隔处，所述支撑结构(3)呈圆周开放状，包括固定架(31)和枢转设在固定架(31)外侧的可调整充电坞丰体(1)高度便于无人艇收放的若干层浮力架(32)；所述无人机停降平台(2)设有若干无人机收放装置(4)，所述支撑结构(3)上设有无人艇收放装置(5)；所述充电坞主体(1)还设有控制系统模块、通信系统模块和供电系统模块，所述供电系统模块分别与控制系统模块、通信系统模块电连接。
2.根据权利要求1所述的浮式充电坞，其特征在于，所述供电系统模块包括蓄电池(6)、太阳能蓄电板(7)、震荡式浮子波浪能发电装置(8)和无线充电模块，所述蓄电池(6)设在充电坞主体(1)的位于无人机停降平台(2)下方的设备层，分别与太阳能蓄电板(7)、震荡式浮子波浪能发电装置(8)和无线充电模块连接。
3.根据权利要求1所述的浮式充电坞，其特征在于，所述浮力架(32)包括倾斜辐射喇叭状的支架(321)和浮力板(322)，所述支架(321)上端与固定架(31)转动连接，下端与浮力板(322)转动连接；所述最外层浮力架的支架(321)上设置太阳能蓄电板(7)，内层浮力架的浮力板(322)上设置震荡式浮子波浪能发电装置(8)。
4.根据权利要求1所述的浮式充电坞，其特征在于，所述无人机收放装置(4)包括设在无人机停降平台上的便于精准定位、协调控制降落的识别标志(41)以及可旋转的压紧缸(42)。
5.根据权利要求4所述的浮式充电坞，其特征在于，所述识别标志(41)包括5个二维码，所述5个二维码按照无人机落地位置大小分布在四周和中间。
6.根据权利要求1所述的浮式充电坞，其特征在于，所述无人艇收放装置(5)包括艏部限位机构(51)和侧部限位机构(52)，所述艏部限位机构(51)包括V型夹紧块(511)，V型夹紧块枢转连接在支撑结构的固定架(31)上；所述侧部限位机构(52)包括三角柔性夹爪(521)、弹性推杆(522)和转动块(523)，所述三角柔性夹爪(521)与弹性推杆(522)枢转连接，弹性推杆(522)设在转动块(523)上，所述三角柔性夹爪(521)和弹性推杆(522)设置若干组，所述转动块(523)枢转连接在固定架(31)伸出的短臂上。
7.根据权利要求2所述的浮式充电坞，其特征在于，所述设备层上还设有与无人艇收放装置(5)相配合的机械臂(9)，所述机械臂(9)设在充电坞主体朝向各无人艇停靠舱位的边缘处，机械臂(9)上设有用于识别无人艇位置的摄像模块(10)。
8.根据权利要求2所述的浮式充电坞，其特征在于，所述无线充电模块包括无人机无线充电发射端(11)和无人艇无线充电发射端(12)，所述无人机无线充电发射端(11)设在中间二维码处，无人艇无线充电发射端(12)设在机械臂(9)的自由端处。
9.根据权利要求1所述的浮式充电坞，其特征在于，所述控制系统模块用于控制调整充电坞丰体姿态、决策能量调配、控制无人机和无人艇的收放和充电；所述通信系统模块用于接收无人机和无人艇的电量数据、机/艇型信息、位置数据和作业数据，并将其发送至上位机，并反向将上位机的命令传输至无人机和无人艇，以及将所述浮式充电坞的位置信息发送给上位机、无人机和无人艇。
10.根据权利要求1所述的浮式充电坞，其特征在于，所述浮式充电坞设置多个，所述多个浮式充电坞相互联系、协同作业，形成联合作业网。
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