TWI779431B - 無人機及其電池更換系統 - Google Patents

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Abstract

本案係關於一種無人機，包括一機架及一電池。其中，機架具有電池容置槽。電池容置槽包括第一定位元件及第二定位元件，且第一定位元件及第二定位元件於第一方向上係彼此錯開。電池容置於電池容置槽，且電池具有第一定位部及第二定位部。第一定位部與第一定位元件相匹配，且第二定位部與第二定位元件相匹配。

Description

無人機及其電池更換系統
本案係關於一種無人機，尤指一種無人機及其電池更換系統。
近年來，隨著運算晶片的改善及馬達動力的進化，衍伸出許多運輸設備，如電動車、電動機車、電動滑板車及無人機等，並已應用於市場上。一般而言，無人機技術係由傳統燃油技術延伸，但因燃油設備體積龐大且溫度偏高，具有一定的危險性且造價高昂無法縮小體積，不適合應用於商業上，也不適合在都市使用。
電動無人機以電池取代燃油設備來提供動力，且傳統無人機使用的複雜傳動機構亦可由馬達取代，進而可有效地縮減無人機的體積，並應用於都市或商業運輸上。
然而，現有的電動無人機存在續航力的問題，依靠單一電池的能源，僅能提供短時間內的飛行動力。在無法大幅提升電池能量密度的情況下，若額外搭載更多電池將會影響無人機的重量配比，進而壓縮到載重的效率。此外，現有的無人機在更換電池時，大多需要以人工的方式手動更換電池，並需要對應有足夠的空間供人機停留，方能進行電池更換作業，在空間、時間及人力需求上皆有不小的成本。
故此，如何發展一種可有效解決前述先前技術之問題與缺點之無人機及電池更換系統，實為目前尚待解決的問題。
本案之主要目的為提供一種無人機及電池更換系統，俾解決並改善前述先前技術之問題與缺點。
本案之另一目的為提供一種無人機及電池更換系統，藉由第一定位元件及第二定位元件於第一方向上彼此錯開，且第一定位部及第二定位部分別與第一定位元件及第二定位元件相匹配，可利於自動化地沿第一方向更換電池，進而達到有效減少空間、時間及人力成本之功效。
本案之另一目的為提供一種無人機及電池更換系統，透過貫穿無人機的電池軌道搭配定位機制的設計，可以實現全自動化的單向或雙向快速電池更換，搭配無人機自動派工系統，可實現無人機跳島式飛行並利於長距且持續的運輸。
為達上述目的，本案之一較佳實施態樣為提供一種無人機，包括：一機架，具有一電池容置槽，其中該電池容置槽包括一第一定位元件及一第二定位元件，且該第一定位元件及該第二定位元件於一第一方向上係彼此錯開；以及一電池，容置於該電池容置槽，且該電池具有一第一定位部及一第二定位部，其中該第一定位部與該第一定位元件相匹配，且該第二定位部與該第二定位元件相匹配。
為達上述目的，本案之一較佳實施態樣為提供一種無人機之電池更換系統，包括：複數個電池；至少一無人機，其中每一個該無人機包括：一機架，具有一電池容置槽及一導軌，其中該導軌係設置於該電池容置槽內；以 及該複數個電池中的一個該電池，且該電池沿一第一方向或該第一方向之反方向可替換地容置於該電池容置槽；以及一電池交換站，儲存該複數個電池中的部分該電池，且該電池交換站包括一輸送軌道，其中當該無人機降落至該電池交換站，該輸送軌道係與該導軌對接，且該輸送軌道係沿該第一方向或該第一方向之反方向輸送儲存於該電池交換站的一個該電池至該電池容置槽。
1:無人機
2:機架
21:電池容置槽
211:第一定位元件
2111:第一彈簧
2112:第一漸縮柱體
212:第二定位元件
2121:第二彈簧
2122:第二漸縮柱體
213:金屬彈片
22:導軌
23:保護元件
24:支撐腳
3:電池
31:第一定位部
32:第二定位部
33:電極區域
331:正極
332:負極
333:識別元件
4:氣流擾動裝置
5:無人機之電池更換系統
6:電池
61:第一定位部
62:第二定位部
63:電極區域
7:無人機
8:機架
81:電池容置槽
811:第一定位元件
8111:第一彈簧
8112:第一漸縮柱體
812:第二定位元件
8121:第二彈簧
8122:第二漸縮柱體
813:金屬彈片
82:導軌
84:支撐腳
9:電池交換站
91:輸送軌道
92:平台
921:腳座
d1:第一方向
第1圖係顯示本案一實施例之無人機之結構示意圖。
第2圖係顯示本案無人機之電池沿第一方向可替換地容置於電池容置槽之示意圖。
第3圖係顯示本案一實施例之無人機之電池之結構示意圖。
第4圖係顯示另一視角之本案無人機之電池沿第一方向可替換地容置於電池容置槽之示意圖。
第5圖係顯示本案之無人機之機架之電池容置槽及電池之細部結構透視圖。
第6圖係顯示本案一實施例之無人機之電池更換系統之結構示意圖。
第7圖係顯示第6圖所示之無人機之電池更換系統之俯視及部分結構透視圖。
第8圖係顯示第6圖所示之無人機之電池更換系統之側面部分結構透視圖。
第9圖係顯示本案一實施例之無人機之電池更換系統之無人機降落至電池交換站之示意圖。
第10圖係顯示本案一實施例之無人機之電池更換系統之結構示意圖。
第11圖係顯示第10圖所示之無人機之電池更換系統之俯視示意圖。
第12圖係顯示本案一實施例之無人機之電池更換系統之無人機離開電池交換站之示意圖。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。
請參閱第1圖、第2圖、第3圖及第4圖，其中第1圖係顯示本案一實施例之無人機之結構示意圖，第2圖係顯示本案無人機之電池沿第一方向可替換地容置於電池容置槽之示意圖，第3圖係顯示本案一實施例之無人機之電池之結構示意圖，以及第4圖係顯示另一視角之本案無人機之電池沿第一方向可替換地容置於電池容置槽之示意圖。如第1圖至第4圖所示，根據本案之一實施例，無人機1包括機架2及電池3。機架2具有電池容置槽21。電池容置槽21包括第一定位元件211及第二定位元件212，且第一定位元件211及第二定位元件212於第一方向d1上係彼此錯開。易言之，第一定位元件211及第二定位元件212於第一方向d1上沒有任何重疊。電池3容置於電池容置槽21，且電池3具有第一定位部31及第二定位部32，且第一定位部31及第二定位部32於第一方向上係彼此錯開，即於第一方向d1上沒有任何重疊。第一定位部31與第一定位元件211相匹配，且第二定位部32與第二定位元件212相匹配。簡單來說，藉由第一定位元件211及第二定位元件212於第一方向d1上彼此錯開，且第一定位部31及第二定位部32分別與第一定位元件211及第二定位元件212相匹配，可利於自動化地沿第一方向d1更換電池，進而達到有效減少空間、時間及人力成本之功效。
根據本案之構想，第一定位部31與第一定位元件211相匹配，表示的是第一定位部31與第一定位元件211對應設置，且第一定位部31與第一定位元件211可互相接觸定位。第二定位部32與第二定位元件212相匹配，表示的是第二定位部32與第二定位元件212對應設置，且第二定位部32與第二定位元件212可互相接觸定位。
在一些實施例中，本案無人機1之電池3較佳係沿第一方向d1或第一方向d1之反方向可替換地容置於電池容置槽21，且無人機1之機架2係具有導軌22，且導軌22係沿第一方向d1設置於電池容置槽21內。在此結構的基礎上，電池3係可沿第一方向d1受導軌22之引導滑入電池容置槽21內並容置於電池容置槽21，但不以此為限。
請再參閱第1圖及第2圖。在一些實施例中，本案之無人機1可進一步包括複數個氣流擾動裝置4，且複數個氣流擾動裝置4係安裝於機架2上，以擾動氣流並提供推進力帶動無人機1。此外，在一些實施例中，機架2更具有複數個保護元件23及複數個支撐腳24，其中保護元件23係相對氣流擾動裝置4遠離無人機1之中心，且一對一地設置於氣流擾動裝置4之外側，以保護氣流擾動裝置4。支撐腳24較佳係一對一地設置於氣流擾動裝置4之下方，以支撐氣流擾動裝置4，且透過複數個支撐腳24，可提供無人機於未進行飛行時站立的能力。
請再參閱第3圖。如第3圖所示，電池3之第一定位部31及第二定位部32相對電池3之中心為對稱分布，且以點對稱或線對稱為較佳。具體而言，點對稱的對稱點即為電池3的中心點，且線對稱的對稱線為電池3的對角線。在一些實施例中，電池3具有電極區域33，且電極區域33具有至少一正極331、至少一負極332及至少一識別元件333，且正極331、負極332及識別元件333係彼此重疊設置或分離設置，但不以此為限。
以下將詳細說明本案無人機1之機架2之電池容置槽21之第一定位元件211及第二定位元件212與電池3之第一定位部31及第二定位部32之間的作動關係。請參閱第5圖，其係顯示本案之無人機之機架之電池容置槽及電池之細部結構透視圖。如第5圖所示，第一定位元件211包括第一彈簧2111及第一漸縮柱體2112，且第二定位元件212包括第二彈簧2121及第二漸縮柱體2122。第一定位部31及第二定位部32係各自為一凹槽。當電池3容置於電池容置槽21，第一彈簧2111提供彈力使第一漸縮柱體2112容設於第一定位部31並與第一定位部31相抵頂，以相互卡合定位。同時，第二彈簧2121提供彈力使第二漸縮柱體2122容設於第二定位部32並與第二定位部32相抵頂，以相互卡合定位。由於第一定位元件211及第二定位元件212，以及第一定位部31及第二定位部32，皆在第一方向d1上彼此錯開，因此當電池3沿第一方向d1被導入至電池容置槽21時，不會有錯誤定位的狀況產生，且由於電池3之第一定位部31及第二定位部32的對稱關係，不論電池3沿第一方向d1或其反方向進入電池容置槽21，皆能有效定位至正確位置。
另一方面，電池容置槽21包括複數個金屬彈片213。當電池3容置於電池容置槽21，複數個金屬彈片213係分別與正極331、負極332及識別元件333相抵頂，以提供電池3與無人機1之內部電路的電性連接。在一些實施例中，識別元件333可為識別電阻或識別晶片，但不以此為限。
請參閱第6圖、第7圖及第8圖，其中第6圖係顯示本案一實施例之無人機之電池更換系統之結構示意圖，第7圖係顯示第6圖所示之無人機之電池更換系統之俯視及部分結構透視圖，以及第8圖係顯示第6圖所示之無人機之電池更換系統之側面部分結構透視圖。如第6圖至第8圖所示，根據本案之一實施例，無人機之電池更換系統5係包括複數個電池6、至少一無人機7及電池交換站9。其中，每一個無人機7包括機架8及複數個電池6中的一個電池6。機架8具有 電池容置槽81及導軌82，其中導軌82係設置於電池容置槽81內。電池6沿第一方向d1或第一方向d1之反方向可替換地容置於電池容置槽81。電池交換站9儲存複數個電池6中的部分電池6，且電池交換站9包括輸送軌道91。當無人機7降落至電池交換站9，輸送軌道91係與導軌82對接，且輸送軌道91係沿第一方向d1或第一方向d1之反方向輸送儲存於電池交換站9的一個電池6至電池容置槽81。
應特別注意的是，本案無人機之電池更換系統5之無人機7之架構，可包括可替換的電池6以及固定安裝於機架內的固定電池(未圖示)，固定電池係用以提供飛行控制電腦等小功耗系統使用，在進行快速電池更換時，僅係更換可替換的電池6來提供飛行動力，如此可在不中斷飛行任務的情況下完成電池交換。
在此實施例中，電池交換站9之輸送軌道91與無人機7之機架8之導軌82對接形成一長條形軌道。輸送軌道91上具有複數個充電儲位，且儲存於電池交換站9的每一個電池6係設置於複數個充電儲位中的一個充電儲位，且充電儲位的數量為儲存於電池交換站9的複數個電池6之數量的兩倍。因此，當無人機7之系統確認電池6之電力不足以完成任務時，無人機7會尋找並降落至最近的電池交換站9進行電池更換並使電池交換站9之輸送軌道91與無人機7之機架8之導軌82對接。由於此種架構下可提供沿第一方向d1或第一方向d1之反方向輸送電池6的雙向交換功能，因此充電儲位之數量必須為電池6之數量的兩倍，以使電池交換站9在所有儲存的電池6皆受輸送而位於同一側時足以容納所有儲存的電池6，且能同時對所有儲存的電池6進行充電。
請再參閱第8圖。如第8圖所示，當電池6受輸送軌道91沿第一方向d1輸送，原先安裝於無人機7的電池6受到推動，會推動導軌82之第一定位元件811之第一漸縮柱體8112以及第二定位元件812之第二漸縮柱體8122，使得第一彈簧8111及第二彈簧8121受到壓力而抬起，直到待更換的電池6的第一定位部 61位於第一彈簧8111及第一漸縮柱體8112之正下方，且第二定位部62位於第二彈簧8121及第二漸縮柱體8122之正下方時，第一彈簧8111及第二彈簧8121之復位力會將第一漸縮柱體8112及第二漸縮柱體8122下壓分別與第一定位部61及第二定位部62卡合，進而完成電池更換。同時，電池容置槽81之金屬彈片813與電池6之電極區域63相抵頂。
請參閱第9圖、第10圖、第11圖及第12圖，其中第9圖係顯示本案一實施例之無人機之電池更換系統之無人機降落至電池交換站之示意圖，第10圖係顯示本案一實施例之無人機之電池更換系統之結構示意圖，第11圖係顯示第10圖所示之無人機之電池更換系統之俯視示意圖，以及第12圖係顯示本案一實施例之無人機之電池更換系統之無人機離開電池交換站之示意圖。如第9圖至第12圖所示，根據本案之一實施例，電池交換站9之輸送軌道91與無人機7之機架8之導軌82對接形成一環形軌道。輸送軌道91上具有複數個充電儲位，且儲存於電池交換站9的每一個電池6係設置於複數個充電儲位中的一個充電儲位。
當無人機7之系統確認電池6之電力不足以完成任務時，無人機7會如第9圖所示降落至電池交換站9進行電池更換，並使電池交換站9之輸送軌道91與無人機7之機架8之導軌82對接，即如第10圖所示。此種架構提供僅沿單一方向輸送電池6的單向交換功能，可確保更換至無人機7的電池6為受輸送軌道91沿環形軌道輸送一整圈且為充電時間最長的電池6。此架構的充電儲位之數量係以與儲存於電池交換站9的複數個電池6之數量相同為較佳，但不以此為限。在完成電池6的更換之後，無人機7係如第12圖所示離開電池交換站9，繼續進行任務。
請再參閱第6圖及第9圖。在一些實施例中，電池交換站9更具有一平台92，且平台92上具有複數個腳座921。當無人機7降落至電池交換站9之平 台92時，無人機7之機架8之複數個支撐腳84係一對一地容設於複數個腳座921中，可提供無人機7進行起降時更為準確的對準電池交換站9，但不以此為限。
根據本案之構想，本案無人機之電池更換系統5可以包括複數個電池交換站9，且電池交換站9可各自為上述任何一種實施態樣。若電池交換站9的數量足夠且分布夠廣，本案無人機之電池更換系統5可提供無人機大範圍地執行跳島式飛行，並應用於長途運輸。
綜上所述，本案提供一種無人機及電池更換系統，藉由第一定位元件及第二定位元件於第一方向上彼此錯開，且第一定位部及第二定位部分別與第一定位元件及第二定位元件相匹配，可利於自動化地沿第一方向更換電池，進而達到有效減少空間、時間及人力成本之功效。同時，本案之電池更換系統透過貫穿無人機的電池軌道搭配定位機制的設計，可以實現全自動化的單向或雙向快速電池更換，搭配無人機自動派工系統，可實現無人機跳島式飛行並利於長距且持續的運輸。
縱使本發明已由上述之實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
1:無人機
2:機架
21:電池容置槽
22:導軌
3:電池
31:第一定位部
32:第二定位部
d1:第一方向

Claims (9)

  1. 一種無人機，包括：一機架，具有一電池容置槽，其中該電池容置槽包括一第一定位元件及一第二定位元件，且該第一定位元件及該第二定位元件於一第一方向上係彼此錯開；以及一電池，容置於該電池容置槽，且該電池具有一第一定位部及一第二定位部，其中該第一定位部與該第一定位元件相匹配，且該第二定位部與該第二定位元件相匹配，其中該電池係沿該第一方向或該第一方向之反方向可替換地容置於該電池容置槽。
  2. 如請求項1所述之無人機，其中該第一定位部及該第二定位部相對該電池之中心為點對稱或線對稱。
  3. 如請求項1所述之無人機，其中該機架更具有一導軌，且該導軌係沿該第一方向設置於該電池容置槽內。
  4. 如請求項1所述之無人機，其中該第一定位元件包括一第一彈簧及一第一漸縮柱體，該第二定位元件包括一第二彈簧及一第二漸縮柱體，該第一定位部及該第二定位部係各自為一凹槽，當該電池容置於該電池容置槽，該第一彈簧提供彈力使該第一漸縮柱體容設於該第一定位部並與該第一定位部相抵頂，且該第二彈簧提供彈力使該第二漸縮柱體容設於該第二定位部並與該第二定位部相抵頂。
  5. 如請求項1所述之無人機，其中該電池具有一電極區域，且該電極區域具有至少一正極、至少一負極及至少一識別元件，且該正極、該負極及該識別元件係彼此重疊設置或分離設置。
  6. 如請求項5所述之無人機，其中該電池容置槽包括複數個金屬彈片，且當該電池容置於該電池容置槽，該複數個金屬彈片係分別與該正極、該負極及該識別元件相抵頂。
  7. 一種無人機之電池更換系統，包括：複數個電池；至少一無人機，其中每一個該無人機包括：一機架，具有一電池容置槽及一導軌，其中該電池容置槽包括一第一定位元件及一第二定位元件，且該第一定位元件及該第二定位元件於一第一方向上係彼此錯開，其中該導軌係設置於該電池容置槽內；以及該複數個電池中的一個該電池，且該電池沿該第一方向或該第一方向之反方向可替換地容置於該電池容置槽，其中該電池具有一第一定位部及一第二定位部，其中該第一定位部與該第一定位元件相匹配，且該第二定位部與該第二定位元件相匹配；以及一電池交換站，儲存該複數個電池中的部分該電池，且該電池交換站包括一輸送軌道，其中當該無人機降落至該電池交換站，該輸送軌道係與該導軌對接，且該輸送軌道係沿該第一方向或該第一方向之反方向輸送儲存於該電池交換站的一個該電池至該電池容置槽。
  8. 如請求項7所述之電池更換系統，其中該輸送軌道上具有複數個充電儲位，且儲存於該電池交換站的每一個該電池係設置於該複數個充電儲位中的一個該充電儲位，且其中該充電儲位的數量與儲存於該電池交換站的該複數個電池之數量相同，或該充電儲位的數量為儲存於該電池交換站的該複數個電池之數量的兩倍。
  9. 如請求項7所述之電池更換系統，其中該輸送軌道與該導軌對接形成一長條形軌道或一環形軌道。
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