CN116280338A - 一种系留浮空平台及具有其的无人机系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种系留浮空平台及具有其的无人机系统，包括一个顶层气囊、若干可配置气囊、系留装置、地面供电终端和充电装置一，系留装置包括系留电缆，系留电缆连接充电装置和地面供电终端，充电装置一安装在气囊上，包括降压变换单元和充电单元，降压变换单元将地面供电终端提供的高压电转换为无人机使用的低压电并通过充电单元为无人机充电，充电单元包括插座和定位组一，定位组一包括十字分布的磁铁，磁铁旋转方向上相邻磁体极性相反，中心对向磁体极性相同，均匀分布在插座周围。本发明通过地面释放可配置气囊调整系留状态的高度，满足不同无人机任务的要求，同时依靠充电相关装置和组件实现无人机在系留浮空平台上快速、安全充电。

Description

一种系留浮空平台及具有其的无人机系统

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种系留浮空平台及具有其的无人机系统。

背景技术

为提升续航而发展出的系留型无人机因而得到了广泛的应用。其特点是通过与地面连接的一根供电电缆持续供能，实现24小时超长续航能力，满足全天候巡逻监测及勘探、侦查、高空照明等长时间滞空任务要求。但随着高度升高，无人机拖拽的系留电缆重量负荷成比例增加，能耗随之加大，严重限制了其升限和载荷携带能力。据调研，目前通用系留无人机升限一般在300米。并且系留型无人机只能完成定点任务。

申请号201510704012.7、申请公布号CN105270627A、名称为“一种空中充电提升续航能力的双无人机系统”公开了一种无人机充电方式：“它包含母无人机、子无人机、空中充电对接机构由固定安装在母无人机下方的对接控制机构、固定安装在子无人机上方的对接插头组成。”发明人的发明目标是期望“它能解决现有无人机系统的续航问题，可以空中充电，增加续航，达到无限续航的目的：解决现有使用2架分离式无人机实现长航时的执行任务中断缺陷、位置不精确缺陷；解决现有的无人机的载荷和航时不能灵活多变的缺陷。”存在的问题是：母无人机和子无人机在空中对接近距离情况下旋翼风场及自然风场的干扰影响，外加对接后的组合体的控制难度较大，增大了碰撞坠机的可能性，存在严重的安全性隐患，同时该连接方式可靠性差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种系留浮空平台及具有其的无人机系统。本发明方案能够解决上述现有技术中存在的问题。

本发明的技术解决方案：

根据第一方面，提供一种系留浮空平台，包括一个顶层气囊、系留装置、地面供电终端和充电装置一，所述的系留装置包括系留电缆，所述的系留电缆连接充电装置和地面供电终端，所述的充电装置一安装在所述的气囊上，包括降压变换单元和充电单元，所述的降压变换单元将地面供电终端提供的高压电转换为无人机使用的低压电并通过充电单元为无人机充电，所述的充电单元234 包括插座和定位组一，所述的定位组一包括十字分布的磁铁，所述的磁铁旋转方向上相邻磁体极性相反，中心对向磁体极性相同，均匀分布在插座周围。

进一步的，所述的系留浮空平台除了一个顶层气囊还包括n个可配置气囊，所述的顶层气囊和所述的n个可配置气囊串联，所述的顶层气囊设置于系留电缆的最上端，所述的n个可配置气囊保持一定的距离依次设置于系留电缆上。

进一步的，所述的可配置气囊为中空环型，并在中间设置中心锁环，所述的中心锁环内部安装系留电缆。

进一步的，所述的系留电缆上设置锥形限位装置，所述的锥形限位装置的外径大于固定于此处的可配置气囊的中心锁环的内径。

进一步的，所述的锥形限位装置的外径和可配置气囊的中心锁环的内径从上到下依次减小，所述的可配置气囊的中心锁环的内径小于相配合的锥形限位装置的外径，大于此锥形限位装置之下的所有锥形限位装置的外径。

进一步的，所述的充电装置一还包括定位模块、中继通信模块和调制解调模块，所述的定位模块为无人机提供插座的位置信息，该信息通过中继通信模块和调制解调模块传送给无人机，并通过系留电缆传送给地面供电终端。

进一步的，所述的充电单元还包括锥形充气围挡，所述的锥形充气围直径大的一端为自由端，直径小的一端固定在插座外围。

根据第二方面，提供一种无人机系统，包括所述的一种系留浮空平台和至少一架双供电型无人机，所述的无人机上设置充电装置二，所述的充电装置二包括充电电缆、插头和定位组二，所述的充电电缆与所述的插头相连，所述的定位组二包括十字分布的磁铁，所述的磁铁旋转方向上相邻磁体极性相反，中心对向磁体极性相同，均匀分布在插头周围，所述的插头与所述的插座适配。

进一步的，所述的充电装置二还包括电缆收放装置，所述的电缆收放装置上设置拉力测试单元和电缆收放单元，所述的拉力测试单元检测充电电缆上的拉力传送给所述的电缆收放单元，所述的电缆收放单元根据电缆的拉力自动调节电缆的卷收和释放。

进一步的，所述的双供电型无人机在系留模式时采用有线通讯模式与地面通讯，在自由模式时，采用无线遥控模式与地面通讯。

进一步的，所述的有线通讯模式下，无人机的信息通过所述电缆传送给所述的中继通信模块，经过所述的调制解调模块调制后，传送给系留电缆，通过系留电缆传送给所述的地面供电终端。

进一步的，所述的双供电型无人机安装有摄像头，所述的摄像头用于拍摄插头和插座的位置，在无人机进行充电时，保证插头和插座能连接。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明通过充电装置的设置，实现无人机在系留浮空平台上快速、安全充电；

(2)本发明通过顶层气囊和可配置气囊的设置，可以通过调节可配置气囊的个数调整顶层气囊的高度，从而调整系留状态的高度，满足不同无人机的要求；

(3)本发明通过充电装置中设置中继通信模块和调制解调模块，在不增加额外电缆的情况下满足无人机有线通讯的要求。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例提供的一种无人机系统示意图；

图2示出了根据本发明实施例提供的可配置气囊提升任务高度示意图；

图3示出了根据本发明实施例提供的插头插座定位组对接示意图；

图4示出了根据本发明实施例提供的充电装置示意图。

上述附图包含以下附图标记：

1、无人机；2、顶层气囊；3、地面供电终端；4、系留电缆；5、可配置气囊；6、锥形限位装置；7、中心锁环；11、电缆收放单元；12、充电电缆；13、插头；14、拉力测试单元；21、锥形充气围挡；22、插座；23、充电装置一； 131、磁铁；132、导电触点；133、通讯线路负极；134、通讯线路正极。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明根据第一方面实施例，提供一种系留浮空平台，包括一个顶层气囊2、系留装置、地面供电终端3和充电装置一23，系留装置包括系留电缆4，系留电缆4连接充电装置一23和地面供电终端3，充电装置一 23安装在气囊上，包括降压变换单元235和充电单元234，降压变换单元235 将地面供电终端3提供的高压电转换为无人机1使用的低压电并通过充电单元 234为无人机充电，充电单元234包括插座22和定位组一，定位组一包括十字分布的磁铁131，磁铁131旋转方向上相邻磁体极性相反，中心对向磁体极性相同，均匀分布在插座22周围。

进一步的在一个实施例中，如图2所示，系留浮空平台除了一个顶层气囊2 还包括n个可配置气囊5，顶层气囊2和n个可配置气囊5串联，顶层气囊2设置于系留电缆4的最上端，n个可配置气囊5保持一定的距离依次设置于系留电缆4上，利用气囊多串联组合均摊系留电缆4的重量，减轻单个气囊承担的电缆拉力，降低对电缆的强度要求，当顶层气囊2浮力和系留电缆4重力平衡时，无人机无法继续上升，需继续增加高度时只需从地面沿电缆释放可配置气囊5 增加浮空平台整体浮力，即可提升顶层气囊2及无人机高度，直至新增浮力与新释放部分电缆重力重新达到平衡。

进一步的在一个实施例中，可配置气囊5为中空环型，并在中间设置中心锁环7，中心锁环7内部安装系留电缆4。在本实施例中，中心锁环7用于可配置气囊5沿系留电缆4滑动时导向。每个可配置气囊5从锁环到最外侧均留有豁口，使用时将系留电缆4置于其中，之后再依次闭合锁环、气囊豁口，充气后，可配置气囊5依靠自身浮力沿系留电缆4滑动升空。

进一步的在一个实施例中，系留电缆4上设置锥形限位装置6，锥形限位装置6的外径大于固定于此处的可配置气囊5的中心锁环7的内径，从而保证锥形限位装置6能将可配置气囊5固定在相应的位置，防止可配置气囊5聚集。在一个具体的实施例中，锥形限位装置6之间的距离根据需要确定。

进一步的在一个实施例中，锥形限位装置6的外径和可配置气囊5的中心锁环7的内径从上到下依次减小，可配置气囊5的中心锁环7的内径小于相配合的锥形限位装置6的外径，大于此锥形限位装置6之下的所有锥形限位装置6 的外径。在本实施例中，为使依次释放的气囊最终从上至下顺序排列并到达设计高度位置以利于均衡分担系留电缆4重量，从系留电缆4顶端往下每隔一段长度设置一个锥形限位装置6，如附图1。每个可配置气囊5所属限位装置按从上至下编号1至n(n≥1)，气囊锁环内径及限位装置的最大外径均从上至下依次减少，第i个限位装置的最大外径大于第i个气囊锁环内径且小于第i+1个气囊锁环内径，由此可保证第i个气囊锁环上升时能够顺利通过i+1至n号限位装置最终卡至其所属i号限位装置。

在一个实施例中，充电装置安装在气囊上，包括降压变换单元235和充电单元234，降压变换单元235将地面供电终端3提供的高压电转换为无人机充电使用的低压电并通过充电单元234为无人机充电，具体的在本实施例中，安装于顶层气囊2顶端中心位置。可设置多个充电装置，满足多架无人机同时充电的需求；充电装置与系留电缆4的电连接可通过在浮空平台顶端到底端之间设计贯通管道方式走线，或贴浮空平台外壁爬线连接。地面供电终端3输出高压直流，通常为400V或更高，因为升高电压可有效降低长线缆阻抗导致的功率传输损耗。功率经由系留电缆4到达浮空平台顶端的充电装置，充电装置内部降压变换单元235再将高压直流电降压至略高于无人机机上电池电压，给无人机充电。充电单元234包括插座22和定位组一，定位组一包括十字分布的磁铁131，磁铁131旋转方向上相邻磁体极性相反，中心对向磁体极性相同，均匀分布在插座22周围。在本实施例中，如附图3，该设计可保证对接吸合时各导电触点 132位置的自对正。中间外圈为通讯线路负极133，中心为通讯线路正极134，吸合面导电触点132以中心对称方式排列，对向触点功能一致，即使旋转180°吸合，也可保证对接电连接正确性。

进一步的在一个实施例中，充电装置还包括定位模块231、中继通信模块和调制解调模块233，定位模块231为无人机提供插座22的位置信息，该信息通过中继通信模块和调制解调模块233传送给无人机，并通过系留电缆4传送给地面供电终端3，地面供电终端3包括调制解调模块233，对接收到的信号进行调制解调后获得位置信息。在本实施例中，，地面供电终端3与充电装置均具有信号调制解调功能，调制后的高频信号通过叠加于系留电缆4的高压输电功率中传输，实现中继通讯模块23与地面的有线通讯，中继通讯模块23再通过充电电缆12中的专用通讯接口，如CAN通讯、RS485通讯等方式与无人机本体之间建立联系，最终实现系留模式下的地面与无人机有线通讯，消除长时间无线通讯增加功耗和易受干扰的弊端。

进一步的在一个实施例中，充电单元234还包括锥形充气围挡21，锥形充气围直径大的一端为自由端，直径小的一端固定在插座22外围，即不额外占用重量，又利于磁吸插头13对接时的快速引导，提高充电对接效率。

根据第二方面，提供一种无人机系统，包括所述的一种系留浮空平台和至少一架双供电型无人机1，无人机1上设置充电装置二，充电装置二包括充电电缆12、插头13和定位组二，充电电缆12与插头13相连，定位组二包括十字分布的磁铁131，磁铁131旋转方向上相邻磁体极性相反，中心对向磁体极性相同，均匀分布在插头13周围，插头13与插座22适配，如图3，该设计可保证对接吸合时各导电触点132位置的自对正。中间外圈为通讯线路负极133，中心为通讯线路正极134，吸合面导电触点132以中心对称方式排列，对向触点功能一致，即使旋转180°吸合，也可保证对接电连接正确性。

进一步的在一个实施例中，充电装置还包括电缆收放装置，电缆收放装置上设置拉力测试单元14和电缆收放单元11，拉力测试单元14检测电缆上的拉力传送给电缆收放单元11，电缆收放单元11根据电缆的拉力自动调节电缆的卷收和释放。具体的在本实施例中，电缆收放单元11为绞盘，拉力测试单元14 为设置在充电电缆12上的拉力测量传感器和充电装置上设置的读取单元，读取拉力测量传感器的拉力值，电缆收放单元11根据拉力值自动控制电缆卷收防止对磁吸对接装置产生拉拽，保证吸合可靠，当充电电缆12释放完全，无人机1 则通过适当降高释放磁吸对接装置拉拽应力。因为充电电缆12比较短，为了提高充电效率，采用粗电缆大电流进行充电，在本实施例中，充电电缆12采用扁平状电缆，便于卷绕收放及垂下状态下拧线的自恢复。

进一步的在一个实施例中，双供电型无人机1在系留模式时采用有线通讯模式与地面通讯，在自由模式时，采用无线遥控模式与地面通讯。

进一步的在一个实施例中，有线通讯模式下，无人机1的信息通过充电电缆12、插头13插座22传送给中继通信模块，经过调制解调模块233调制后，传送给系留电缆4，通过系留电缆4传送给地面供电终端3。在本实施例中，中继通讯模块23通过充电电缆12中的专用通讯接口，如CAN通讯、RS485通讯等方式与无人机1本体之间建立联系，最终实现系留模式下的地面与无人机1有线通讯，消除长时间无线通讯增加功耗和易受干扰的弊端。

进一步的在一个实施例中，双供电型无人机1安装有摄像头，摄像头用于拍摄插头13和插座22的位置，在无人机进行充电时，保证插头13和插座22 能连接。

无人机系统工作流程采用以下步骤：

步骤1)无人机与顶层气囊同步升空，无人机始终处于顶层气囊正上方；

步骤2)无人机与顶层气囊到达预定高度驻留，无人机工作在系留模式，与地面有线通讯；

步骤3)无人机需要自由飞行时通过快速上升拖拽磁吸对接处分离，无人机自动切换为无线遥控模式，充电电缆卷收，无人机飞离浮空平台；

步骤4)无人机完成自由模式飞行任务后可直接飞回地面平台，浮空平台卷收撤回；

步骤5)无人机需要空中充电时，依据顶层气囊定位模块231回传至地面的位置信息，飞至顶层气囊上方，利用无人机自带摄像头辅助寻找顶层气囊并完成对接；

步骤6)无人机释放充电电缆与顶层气囊的磁吸插座对接，对接后无人机无线遥控通讯功能关闭，切换为有线通讯，无人机工作在系留模式；

步骤7)系留模式下完成任务撤收时，卷收地面系留电缆降高浮空平台，无人机同步下降，直到返回地面。

本发明尤其适合利用无人机长期高空侦测，定时范围巡逻或短时快速反应出击的任务。

综上，本发明提供的一种系留浮空平台及具有其的无人机系统，相比于现有技术至少具有以下优势：

(1)本发明通过充电装置的设置，实现无人机在系留浮空平台上快速、安全充电；

(2)本发明通过顶层气囊和可配置气囊的设置，可以通过调节可配置气囊的个数调整顶层气囊的高度，从而调整系留状态的高度，满足不同无人机的要求；

(3)本发明通过充电装置中设置中继通信模块和调制解调模块，在不增加额外电缆的情况下满足无人机有线通讯的要求。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位 (旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种系留浮空平台，其特征在于，包括一个顶层气囊、系留装置、地面供电终端和充电装置一，所述的系留装置包括系留电缆，所述的系留电缆连接充电装置和地面供电终端，所述的充电装置一安装在所述的气囊上，包括降压变换单元和充电单元，所述的降压变换单元将地面供电终端提供的高压电转换为无人机使用的低压电并通过充电单元为无人机充电，所述的充电单元234包括插座和定位组一，所述的定位组一包括十字分布的磁铁，所述的磁铁旋转方向上相邻磁体极性相反，中心对向磁体极性相同，均匀分布在插座周围。

2.根据权利要求1所述的一种系留浮空平台，其特征在于，所述的系留浮空平台除了一个顶层气囊还包括n个可配置气囊，所述的顶层气囊和所述的n个可配置气囊串联，所述的顶层气囊设置于系留电缆的最上端，所述的n个可配置气囊保持一定的距离依次设置于系留电缆上。

3.根据权利要求2所述的一种系留浮空平台，其特征在于，所述的可配置气囊为中空环型，并在中间设置中心锁环，所述的中心锁环内部安装系留电缆；所述的系留电缆上设置锥形限位装置，所述的锥形限位装置的外径大于固定于此处的可配置气囊的中心锁环的内径。

4.根据权利要求3所述的一种系留浮空平台，所述的锥形限位装置的外径和可配置气囊的中心锁环的内径从上到下依次减小，所述的可配置气囊的中心锁环的内径小于相配合的锥形限位装置的外径，大于此锥形限位装置之下的所有锥形限位装置的外径。

5.根据权利要求1所述的一种系留浮空平台，其特征在于，所述的充电装置一还包括定位模块、中继通信模块和调制解调模块，所述的定位模块为无人机提供插座的位置信息，该信息通过中继通信模块和调制解调模块传送给无人机，并通过系留电缆传送给地面供电终端。

6.根据权利要求1所述的一种系留浮空平台，其特征在于，所述的充电单元还包括锥形充气围挡，所述的锥形充气围直径大的一端为自由端，直径小的一端固定在插座外围。

7.一种无人机系统，其特征在于，包括权利要求1到6任一所述的一种系留浮空平台和至少一架双供电型无人机，所述的无人机上设置充电装置二，所述的充电装置二包括充电电缆、插头和定位组二，所述的充电电缆与所述的插头相连，所述的定位组二包括十字分布的磁铁，所述的磁铁旋转方向上相邻磁体极性相反，中心对向磁体极性相同，均匀分布在插头周围，所述的插头与所述的插座适配。

8.根据权利要求7所述的一种无人机系统，其特征在于，所述的充电装置二还包括电缆收放装置，所述的电缆收放装置上设置拉力测试单元和电缆收放单元，所述的拉力测试单元检测充电电缆上的拉力传送给所述的电缆收放单元，所述的电缆收放单元根据电缆的拉力自动调节电缆的卷收和释放。

9.根据权利要求7所述的一种无人机系统，其特征在于，所述的双供电型无人机在系留模式时采用有线通讯模式与地面通讯，在自由模式时，采用无线遥控模式与地面通讯。

10.根据权利要求9所述的一种无人机系统，其特征在于，所述的有线通讯模式下，无人机的信息通过所述电缆传送给所述的中继通信模块，经过所述的调制解调模块调制后，传送给系留电缆，通过系留电缆传送给所述的地面供电终端。

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