CN115158675A - 一种基于光流定位的无人机空中电池更换系统 - Google Patents

一种基于光流定位的无人机空中电池更换系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光流定位的无人机空中电池更换系统。本发明包括无人子机、电池更换平台、无人母机。电池更换平台包括壳体、舵机、接触式滑道电极正极、接触式滑道电极负极、第一长形电磁铁、第二长形电磁铁、曲柄推板机构，电池更换平台整体用支柱固定在无人母机上部。本发明中，无人子机驱动电磁铁携带电池，由光流模块稳定悬停在无人机母机上空，此时无人母机受到无人子机的飞行气流影响小，可通过切换无人子机上电磁铁的通电状态协同无人机飞行动作更换电池。电池由电池更换平台操作运动到合理位置，过程中无人母机不失电并保持悬停。本发明通过对无人母机更换电池，提供了无人机长时间空中工作的可能性，拓宽了无人机的使用场景。

Description

一种基于光流定位的无人机空中电池更换系统
技术领域
本发明属于多旋翼无人机技术领域的一种无人机空中电池更换系统，具体涉及了一种基于光流定位的无人机空中电池更换系统。
背景技术
无人机技术在抢险救灾、侦察、物流等方面具有广阔的应用场景，但如今的无人机技术受到电池技术的制约，电池容量不足以支撑无人机长时间连续工作，从而限制了无人机技术的发展与应用。因此，在电池技术难以取得突破的前提下，亟需提出一种有效提高无人机续航能力的方法。
目前也有许多专利提出了一些空中电池更换的方法与结构，但均未考虑到上置无人机对下置无人机的风力干扰，使下置无人机难以保持稳定，给更换电池过程带来困难，且大多更换机构复杂，增加了无人机负载，缩短续航时间。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于光流定位的无人机空中电池更换系统，能够通过更换无人机机载电池的方法实现无人机长时间的连续工作，从而释放无人机的应用潜力。
为实现发明目的，技术方案如下：
本发明包括无人子机和无人母机，无人子机设置在无人母机上方并为无人母机提供更换电池；
所述无人子机包括小型无人机、光流模块、连接柱、机载电磁铁和更换电池；小型无人机下固定安装有连接柱，连接柱下固定安装有机载电磁铁，机载电磁铁下吸附有更换电池，小型无人机下还固定安装有光流模块，光流模块用于定位无人母机；
所述无人母机包括机载电池、电池更换平台和大型无人机；机载电池放置在电池更换平台中并机载电池为大型无人机供电，电池更换平台固定安装在大型无人机上，光流模块的定位，使得小型无人机飞至电池更换平台上方，机载电磁铁释放更换电池至电池更换平台内，然后机载电磁铁吸附走机载电池，电池更换平台内的更换电池为大型无人机供电，实现无人母机的电池更换。
所述电池更换平台包括壳体、舵机、接触式滑道电极正极、接触式滑道电极负极、第一长形电磁铁、第二长形电磁铁、曲柄推板机构、接触式圆形电极正极和接触式圆形电极负极；
壳体的下表面与大型无人机固定连接，壳体的上端设置为敞口，壳体中设置有一块可移动侧板，可移动侧板的内侧的壳体上表面放置有机载电池，可移动侧板的外侧的壳体上表面固定安装有舵机，舵机通过曲柄推板机构与可移动侧板的外侧连接；舵机驱动曲柄推板机构将可移动侧板向壳体的内部移动，使得机载电池夹紧在壳体内；
壳体内的上表面依次固定安装有第一长形电磁铁、接触式滑道电极负极、接触式滑道电极正极和第二长形电磁铁，第一长形电磁铁、接触式滑道电极负极、接触式滑道电极正极和第二长形电磁铁之间平行且间隔布置，壳体内远离可移动侧板的上表面还固定安装有接触式圆形电极正极和接触式圆形电极负极，接触式圆形电极正极与接触式滑道电极正极间隔布置，接触式圆形电极负极与接触式滑道电极负极间隔布置，机载电池的底面与接触式圆形电极正极与接触式滑道电极正极电连接，接触式滑道电极负极、接触式滑道电极正极、接触式圆形电极负极和接触式滑道电极负极均与大型无人机电连接。
所述舵机驱动曲柄推板机构将可移动侧板向壳体的外部移动，可移动侧板松开机载电池并且可移动侧板运动至壳体的另一侧，更换电池放置在壳体内靠近可移动侧板一侧的上表面并且更换电池的底面与第一长形电磁铁、接触式滑道电极负极、接触式滑道电极正极和第二长形电磁铁接触；更换电池与接触式滑道电极负极、接触式滑道电极正极之间电连接，机载电磁铁吸附走机载电池后，舵机驱动曲柄推板机构推动可移动侧板向壳体的内部移动，进而推动更换电池沿第一长形电磁铁方向滑动直至更换电池被夹紧在壳体内，此时更换电池的底面与接触式圆形电极正极和接触式圆形电极负极电连接。
所述接触式圆形电极正极与接触式滑道电极正极之间的间隔小于电池正极的直径，接触式圆形电极负极与接触式滑道电极负极之间的间隔小于电池负极的直径。
所述机载电池和更换电池的结构相同，均包括电池正极、电池负极、第一底部金属片、第二底部金属片和顶部金属片；
顶部金属片固定安装在电池的上表面，电池的下表面依次固定安装有第一底部金属片、电池正极、电池负极和第二底部金属片，第一底部金属片、电池正极、电池负极和第二底部金属片之间间隔布置。
所述曲柄推板机构包括第一连杆和第二连杆；第一连杆的一端与舵机的输出端固连，第一连杆的另一端与第二连杆的一端铰接，第二连杆的另一端与可移动侧板之间铰接。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
1、本发明中，通过对无人母机的更换电池可以实现无人母机理论上几乎永久的续航能力。
2、本发明中的上置无人子机采用光流法，与下置无人母机保持相对位置不变，利于换电池步骤进行。
3、本发明中的无人子机重量较轻，对下方无人母机的风力扰动小，使两架无人机上下对接的难度大大减小。
4、本发明中的电池更换平台结构简洁有效，尽量减小了无人母机的额外负载，提高无人母机单次换电池的续航能力，节约能源。
5、本发明中无人子机放置电池过程中，设计了较大放置空间，以及调整电池位置的机构，显著提高了电池更换过程的可靠性。
附图说明
图1为本发明一种基于光流定位的无人机空中电池更换系统的系统整体示意图。
图2为本发明一种基于光流定位的无人机空中电池更换系统的电池更换平台示意图。
图3为本发明一种基于光流定位的无人机空中电池更换系统的电池上表面结构示意图。
图4为本发明一种基于光流定位的无人机空中电池更换系统的电池下表面结构示意图。
图中：无人子机1、电池更换平台2、无人母机3、大型无人机4、小型无人机11、光流模块12、连接柱13、机载电磁铁14、壳体21、舵机22、接触式滑道电极正极23、接触式滑道电极负极24、第一长形电磁铁25、第二长形电磁铁26、曲柄推板机构27、接触式圆形电极正极28、接触式圆形电极负极29、更换电池51、机载电池52、第一连杆271、第二连杆272、电池正极521、电池负极522、第一底部金属片523、第二底部金属片524、顶部金属片525。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
如图1所示，本发明包括无人子机1和无人母机3，无人子机1设置在无人母机3上方并为无人母机3提供更换电池51；
无人子机1包括小型无人机11、光流模块12、连接柱13、机载电磁铁14和更换电池51；小型无人机11下固定安装有连接柱13，连接柱13下固定安装有机载电磁铁14，机载电磁铁14下吸附有更换电池51，机载电磁铁14用于吸取和释放更换电池51。小型无人机11下还固定安装有光流模块12，光流模块12用于定位无人母机3，光流模块12摄像头朝下且不被小型无人机11的其他零件遮挡；
无人母机3包括机载电池52、电池更换平台2和大型无人机4；机载电池52放置在电池更换平台2中并机载电池52为大型无人机4供电，电池更换平台2固定安装在大型无人机4上，电池更换平台2的中心位置与无人母机3重心位置在竖直方向上，光流模块12的定位，使得小型无人机11飞至电池更换平台2上方，机载电磁铁14释放更换电池51至电池更换平台2内，然后机载电磁铁14吸附走机载电池52并飞离，电池更换平台2内的更换电池51为大型无人机4供电，实现无人母机3的电池更换。
无人子机1重量较轻，无人机对其下方的风力干扰与无人机负载成正比，因此无人母机2受到的上方风力干扰小，无人子机1可以实现与无人母机3的空中稳定对接。
电池更换平台2包括壳体21、舵机22、接触式滑道电极正极23、接触式滑道电极负极24、第一长形电磁铁25、第二长形电磁铁26、曲柄推板机构27、接触式圆形电极正极28和接触式圆形电极负极29；
壳体21的缺口用于在电池靠紧壳体时，容纳导线外接口。壳体21的下表面与大型无人机4固定连接，壳体21的上端设置为敞口，即开口，壳体21中设置有一块可移动侧板，壳体21包括可移动侧板、固定侧板和底板，底板的四周分别设置有一块可移动侧板和三块固定侧板，其中可移动侧板在相对布置的两块固定侧板之间向另一块固定侧板方向移动。可移动侧板的内侧的壳体21上表面放置有机载电池52，可移动侧板的外侧的壳体21上表面固定安装有舵机22，舵机22通过曲柄推板机构27与可移动侧板的外侧连接；舵机22驱动曲柄推板机构27将可移动侧板向壳体21的内部移动，使得机载电池52被可移动侧板夹紧在壳体21内；
壳体21内的上表面依次固定安装有第一长形电磁铁25、接触式滑道电极负极24、接触式滑道电极正极23和第二长形电磁铁26，第一长形电磁铁25、接触式滑道电极负极24、接触式滑道电极正极23和第二长形电磁铁26之间平行且间隔布置，在无需更换电池时，电磁铁断电，节省能量。壳体21内远离可移动侧板的上表面还固定安装有接触式圆形电极正极28和接触式圆形电极负极29，接触式圆形电极正极28与接触式滑道电极正极23在一条直线上并且两者间隔布置，接触式圆形电极负极29与接触式滑道电极负极24在一条直线上并且两者间隔布置，机载电池52的底面与接触式圆形电极正极28与接触式滑道电极正极23的正供电电极电连接，接触式滑道电极负极24、接触式滑道电极正极23、接触式圆形电极负极29和接触式滑道电极负极24均与大型无人机4的负供电电极电连接，保证更换电池51在电池更换平台2上运动时无人机不失电。
舵机22驱动曲柄推板机构27将可移动侧板向壳体21的外部移动，可移动侧板松开机载电池52并且可移动侧板运动至壳体21的另一侧，更换电池51放置在壳体21内远离可移动侧板一侧的上表面并且更换电池51的底面与第一长形电磁铁25、接触式滑道电极负极24、接触式滑道电极正极23和第二长形电磁铁26接触；更换电池51与接触式滑道电极负极24、接触式滑道电极正极23之间电连接，机载电磁铁14吸附走机载电池52后，舵机22驱动曲柄推板机构27推动可移动侧板向壳体21的内部移动，进而推动更换电池51沿第一长形电磁铁25方向滑动直至更换电池51被夹紧在壳体21内，即更换电池51被壳体21的可移动侧板和可移动侧板相对布置的固定侧板加紧，此时更换电池51的底面与接触式圆形电极正极28和接触式圆形电极负极29电连接，更换电池51的底面与第一长形电磁铁25和第二长形电磁铁26之间断开连接。
如图3和图4所示，机载电池52和更换电池51的结构相同，均包括电池正极521、电池负极522、第一底部金属片523、第二底部金属片524和顶部金属片525；
顶部金属片525固定安装在电池的上表面的中部，电池的下表面依次固定安装有第一底部金属片523、电池正极521、电池负极522和第二底部金属片524，，电池正极521、电池负极522用于实现为大型无人机4进行接触式供电。第一底部金属片523、第二底部金属片524用于电池在电池更换平台2上由第一长形电磁铁25、第二长形电磁铁26吸引，第一长形电磁铁25、第二长形电磁铁26作为约束更换电池52运动的磁力滑道，以调整两者之间的相对位置。第一底部金属片523、电池正极521、电池负极522和第二底部金属片524之间间隔布置，电池放置在壳体21内时，第一底部金属片523、电池正极521、电池负极522和第二底部金属片524与第一长形电磁铁25、接触式滑道电极负极24、接触式滑道电极正极23和第二长形电磁铁26依次重叠。
接触式圆形电极正极28与接触式滑道电极正极23之间的间隔小于电池正极521的直径，接触式圆形电极负极29与接触式滑道电极负极24之间的间隔小于电池负极522的直径。
曲柄推板机构27包括第一连杆271和第二连杆272；第一连杆271的一端与舵机22的输出端铰接，第一连杆271的另一端与第二连杆272的一端通过螺丝与防松螺母铰接，第二连杆272的另一端与可移动侧板之间通过螺丝与防松螺母铰接。
无人子机1采用光流模块12定位，该模块功能特征为拍摄地面图像，使无人机保持与地面相对静止，而在无人母机3上方时，光流模块12使无人子机1跟随无人母机3的运动，例如受风力影响产生的平移运动，从而保持相对静止。
更换电池51被无人子机1放置在电池更换平台2后，由第一长形电磁铁25、第二长形电磁铁26约束在磁力滑道内，在原先机载电池52被取走后，舵机22驱动曲柄推板机构27使可移动侧板在壳体21内作直线运动，推动更换电池51到壳体边缘，此时可移动侧板与壳体21夹紧更换电池51，更换电池51通过壳体21边缘的接触式圆形电极正极28、接触式圆形电极负极29给无人机稳定供电。即曲柄推板机构27同时作为更换电池51的驱动机构和夹紧机构。
本发明的无人机空中电池更换系统的工作流程分为下列几步：
S1，无人子机1飞行到无人母机2上方，利用光流模块12在无人母机2上空与无人母机2保持相对静止。
S2，电池更换平台2中舵机22驱动曲柄推板机构27后退，松开机载电池52，露出接触式滑道电极正极23、接触式滑道电极负极24、第一长形电磁铁25和第二长形电磁铁26。
S3，无人子机1向下飞行，使更换电池贴近电池更换平台2，对机载电磁铁14断电，将更换电池51放置在电池更换平台上。此时更换电池51由第一长形电磁铁25、第二长形电磁铁26构成的磁力滑道调整其在电池更换平台2的位置，电池长端与可移动侧板平行，并通过接触式滑道电极正极521与接触式滑道电极负极522接入大型无人机4的供电电路。
S4，无人子机1重新开启机载电磁铁14，飞行到机载电池52正上方，吸取机载电池52之后飞回。此时无人母机3由更换电池51供电。
S5，电池更换平台2中舵机22驱动曲柄推板机构27前进，推动更换电池51，过程中更换电池51由第一长形电磁铁25、第二长形电磁铁26构成的磁力滑道约束，并通过接触式滑道电极正极23、接触式滑道电极负极24向无人母机3供电。最终更换电池51被推到壳体21边缘，由壳体21与可移动侧板夹紧，并通过接触式圆形电极正极28、接触式圆形电极负极29给无人母机3稳定供电。
本发明中描述位置关系的用语只用作示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种基于光流定位的无人机空中电池更换系统，其特征在于，包括无人子机(1)和无人母机(3)，无人子机(1)设置在无人母机(3)上方并为无人母机(3)提供更换电池(51)；
所述无人子机(1)包括小型无人机(11)、光流模块(12)、连接柱(13)、机载电磁铁(14)和更换电池(51)；小型无人机(11)下固定安装有连接柱(13)，连接柱(13)下固定安装有机载电磁铁(14)，机载电磁铁(14)下吸附有更换电池(51)，小型无人机(11)下还固定安装有光流模块(12)，光流模块(12)用于定位无人母机(3)；
所述无人母机(3)包括机载电池(52)、电池更换平台(2)和大型无人机(4)；机载电池(52)放置在电池更换平台(2)中并机载电池(52)为大型无人机(4)供电，电池更换平台(2)固定安装在大型无人机(4)上，光流模块(12)的定位，使得小型无人机(11)飞至电池更换平台(2)上方，机载电磁铁(14)释放更换电池(51)至电池更换平台(2)内，然后机载电磁铁(14)吸附走机载电池(52)，电池更换平台(2)内的更换电池(51)为大型无人机(4)供电，实现无人母机(3)的电池更换。
2.根据权利要求1所述的一种基于光流定位的无人机空中电池更换系统，其特征在于，所述电池更换平台(2)包括壳体(21)、舵机(22)、接触式滑道电极正极(23)、接触式滑道电极负极(24)、第一长形电磁铁(25)、第二长形电磁铁(26)、曲柄推板机构(27)、接触式圆形电极正极(28)和接触式圆形电极负极(29)；
壳体(21)的下表面与大型无人机(4)固定连接，壳体(21)的上端设置为敞口，壳体(21)中设置有一块可移动侧板，可移动侧板的内侧的壳体(21)上表面放置有机载电池(52)，可移动侧板的外侧的壳体(21)上表面固定安装有舵机(22)，舵机(22)通过曲柄推板机构(27)与可移动侧板的外侧连接；舵机(22)驱动曲柄推板机构(27)将可移动侧板向壳体(21)的内部移动，使得机载电池(52)夹紧在壳体(21)内；
壳体(21)内的上表面依次固定安装有第一长形电磁铁(25)、接触式滑道电极负极(24)、接触式滑道电极正极(23)和第二长形电磁铁(26)，第一长形电磁铁(25)、接触式滑道电极负极(24)、接触式滑道电极正极(23)和第二长形电磁铁(26)之间平行且间隔布置，壳体(21)内远离可移动侧板的上表面还固定安装有接触式圆形电极正极(28)和接触式圆形电极负极(29)，接触式圆形电极正极(28)与接触式滑道电极正极(23)间隔布置，接触式圆形电极负极(29)与接触式滑道电极负极(24)间隔布置，机载电池(52)的底面与接触式圆形电极正极(28)与接触式滑道电极正极(23)电连接，接触式滑道电极负极(24)、接触式滑道电极正极(23)、接触式圆形电极负极(29)和接触式滑道电极负极(24)均与大型无人机(4)电连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于光流定位的无人机空中电池更换系统，其特征在于，所述舵机(22)驱动曲柄推板机构(27)将可移动侧板向壳体(21)的外部移动，可移动侧板松开机载电池(52)并且可移动侧板运动至壳体(21)的另一侧，更换电池(51)放置在壳体(21)内靠近可移动侧板一侧的上表面并且更换电池(51)的底面与第一长形电磁铁(25)、接触式滑道电极负极(24)、接触式滑道电极正极(23)和第二长形电磁铁(26)接触；更换电池(51)与接触式滑道电极负极(24)、接触式滑道电极正极(23)之间电连接，机载电磁铁(14)吸附走机载电池(52)后，舵机(22)驱动曲柄推板机构(27)推动可移动侧板向壳体(21)的内部移动，进而推动更换电池(51)沿第一长形电磁铁(25)方向滑动直至更换电池(51)被夹紧在壳体(21)内，此时更换电池(51)的底面与接触式圆形电极正极(28)和接触式圆形电极负极(29)电连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于光流定位的无人机空中电池更换系统，其特征在于，所述接触式圆形电极正极(28)与接触式滑道电极正极(23)之间的间隔小于电池正极(521)的直径，接触式圆形电极负极(29)与接触式滑道电极负极(24)之间的间隔小于电池负极(522)的直径。
5.根据权利要求1所述的一种基于光流定位的无人机空中电池更换系统，其特征在于，所述机载电池(52)和更换电池(51)的结构相同，均包括电池正极(521)、电池负极(522)、第一底部金属片(523)、第二底部金属片(524)和顶部金属片(525)；
顶部金属片(525)固定安装在电池的上表面，电池的下表面依次固定安装有第一底部金属片(523)、电池正极(521)、电池负极(522)和第二底部金属片(524)，第一底部金属片(523)、电池正极(521)、电池负极(522)和第二底部金属片(524)之间间隔布置。
6.根据权利要求1所述的一种基于光流定位的无人机空中电池更换系统，其特征在于，所述曲柄推板机构(27)包括第一连杆(271)和第二连杆(272)；第一连杆(271)的一端与舵机(22)的输出端固连，第一连杆(271)的另一端与第二连杆(272)的一端铰接，第二连杆(272)的另一端与可移动侧板之间铰接。
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