WO2020094042A1 - 接触线、接触网、无人机和充电杆 - Google Patents
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Abstract
给无人机充电的接触线、接触网、以及配套的无人机和充电杆。该接触线主要由表面绞合层及其包裹的芯体组成；表面绞合层主要由金属单线(101)和绝缘间隔线(102)绞合而成，芯体的表层为绝缘材料；表面绞合层具有至少两个表面导体(190)，相互间绝缘，呈螺旋状围绕所述芯体分布，可形成完整充电线路；这样，接触网仅需架设一根接触线即可工作；另外，内部导体(103)用于给电力中继提供高压馈电，内置的光纤(105)可以提供通信中继；接触网整体结构简单，易于制造、安装和维护；配套的无人机可以在接触线上停靠充电，并同时执行监视任务；配套的充电杆可以提供兼容的停靠站点。
Description
本案属于无人机领域，具体涉及给无人机充电的接触线、接触网，以及配套的无人机和充电杆。
目前无人机开始应用于输电线路、石油管线、交通道路、安防周界、边界等线型设施的巡检。电池的续航能力一直是巡检无人机应用的一个瓶颈，通常无人机在空中飞行30分钟后就需要返回地面充电或者更换电池，才能继续执行飞行任务，这种情况就大大制约了无人机的活动距离和定点监视能力。定点监视是指对事故现场、故障点或其他特定区域的持续监视。
在巡检路径上设置充电点可以缓解这一问题。目前充电点的一般形态为无人停机坪。德国Skysense公司开发的产品包括一个表面镀金的充电平板，镀金层按照特定的规则分成了若干导通区并分配电极；通过外接电源，充电平板可以为无人机提供10A的充电电流。无人机的落脚架足部安装有镀金弹簧触点，通过引线接至电池充电电路；这样无人机只要降落在充电平板上，镀金弹簧触点与充电平板接触，就可进行充电，过程中不需要有人在现场进行干预和辅助。无人停机坪的问题在于有选址占地和供电的要求，缺乏灵活性，成本上也不允许以密集的间隔布设，在充电时，通常不能同时执行监视任务。
另一种方案是设置在电杆上的挂靠充电点。中国专利申请号201710029095.3公开了一种用于多旋翼无人机的挂靠充电系统，通过在多旋翼无人机顶部安装一个挂靠机械臂，配合一个可供该挂靠机械臂挂靠的充电桩，实现多旋翼无人机的挂靠和充电同时进行。用这个方案解决巡检线路上的充电和定点监视问题，需要对大量电杆逐个进行改造工作，而且无人机的挂靠充电的机械臂结构较为复杂，重量也较大。
借鉴现有的交通接触网技术，沿着巡检线路布设架空接触线，就可以随时随地为无人机提供充电和定点监视停靠点。但目前的接触网一般包括接触线、接触线吊装支架、电杆、高压供电线和变电设备，结构复杂，电杆间距小，安装和维护的工作量很大。
可见，以现有技术实现巡检线路沿线供电，工作量都很大，建设和维护费用不菲。
发明内容
本案的目的是为了提供给无人机充电的接触线、接触网，结构简单，易于制造、安装和维护。
为了解决以上技术问题，在同一个构思下，本案涉及接触线、接触网、无人机和充电杆四种产品，分别通过以下技术方案实现：
一种接触线，其特征在于，主要由表面绞合层和由所述表面绞合层包裹的芯体组成；所述表面绞合层主要由多根金属单线和多根绝缘间隔线绞合而成，至少存在两根不相邻的金属单线，在间隔它们的两翼绞合线中各设置有至少一根绝缘间隔线，所述绝缘间隔线由绝缘材料制成、或内含导体外面包覆绝缘材料；所述芯体的表层为绝缘材料；由此表面绞合层具有至少两个表面导体，相互间绝缘，呈螺旋状围绕所述芯体分布。
作为优选方案之一，还包括表面绝缘层，包覆所述表面绞合层。
作为优选方案之一，所述表面绞合层的金属单线和绝缘间隔线的分布为周期分布，每个周期为连续出现n根金属单线，然后再连续出现m根绝缘间隔线，周期的数量为2、3、4或6，n和m大于零，n和m可以相等，也可以不相等。
作为优选方案之一，所述芯体具有内部导体，被绝缘材料包围。
作为优选方案之一，还包括光纤，设置在表面绞合层的绞合线或芯体内。
作为优选方案之一，所述芯体为抗拉部件或包括抗拉部件。
一种接触网，包括充电线路电源、电杆和至少一根上述接触线，所述接触线由所述电杆架空安装，所述接触线的表面导体被全部或部分地分配为充电线路，所述充电线路电源的输出端接入所述充电线路。
作为优选方案之一，所述充电线路电源是一组沿线分布的降压装置，还包括馈电线路电源，所述接触线的芯体内还具有被绝缘材料包围的内部导体；所述接触线的内部导体被全部或部分地分配为馈电线路，所述馈电线路电源的输出端和所述降压装置的高压输入端并联接入所述馈电线路；所述降压装置的低压输出端并联接入所述充电线路。
作为优选方案之一，还包括控制装置，所述控制装置包括计算机控制模块、开关部件、通信模块；所述计算机控制模块分别连接所述开关部件和通信模块；所述开关部件设置在所述充电线路电源至充电线路的连接线中；所述通信模块至少包括WIFI模块、无人机无线电模块、电力线载波模块、移动电话网络模块中的一种。
作为优选方案之一，所述接触线还包括设置在表面绞合层的绞合线或芯体内的光纤， 所述控制装置还包括光纤通信模块，与所述光纤和所述计算机控制模块连接。
作为优选方案之一，所述接触线还包括设置在表面绞合层的绞合线或芯体内的光纤，还包括光纤通信模块、控制装置和本地通信模块；所述控制装置包括计算机控制模块、开关部件，所述计算机控制模块连接所述开关部件，所述开关部件设置在所述充电线路电源至充电线路的连接线中；所述光纤通信模块，与所述光纤、所述计算机控制模块和所述本地通信模块连接；所述本地通信模块至少包括WIFI模块、无人机无线电模块、电力线载波模块中的一种。
一种无人机，包括机体、电池充电电路，其特征在于，还包括位于机体上部的挂钩，和连接所述挂钩和所述机体的立臂，所述挂钩内侧上部设置有金属触头，通过引线与充电电路连接，挂钩的形式包括以下两种情况中的至少一种：
A，一个挂钩具有至少两个金属触头，沿挂钩上部内边分开布置；
B，至少具有两个挂钩，它们的开口方向在它们中心连线的同一侧。
作为优选方案之一，具有两个开口方向相同并与它们中心连线垂直的挂钩，每个挂钩具有两个金属触头，沿挂钩上部内边分开布置。
作为优选方案之一，还包括位于挂钩下侧的夹握器和电机；所述电机固定在所述立臂上部，其转轴连接所述夹握器，驱动所述夹握器在放下和夹握两个角度位置间运动；所述夹握器内侧设置有金属触头，通过引线和所述电池充电电路连接。
作为优选方案之一，所述挂钩通过一个转轴和所述立臂连接，还包括位于挂钩下侧的夹握器，所述夹握器通过另一个转轴和所述立臂连接，还包括一个转角放大传动机构，连接所述挂钩和夹握器；所述夹握器内侧设置有金属触头，通过引线和所述电池充电电路连接；所述转角放大传动机构为连杆链接的双杠杆、长孔-销链接的双杠杆、齿轮传动、内齿皮带传动中的一种。
作为优选方案之一，所述金属触头的工作面上具有锋利的突起。
一种充电杆，包括充电线路电源、立柱，其特征在于，还包括接触臂，一端固定在所述立柱的上部，所述接触臂包括至少两个表面导体和一个表面绝缘的芯体，所述表面导体，按固定节距，呈螺旋状围绕所述芯体分布，被全部或部分地分配为充电线路，所述充电线路电源的输出端接入所述充电线路。
作为优选方案之一，还包括控制装置，所述控制装置包括计算机控制模块、开关部件、通信模块；所述计算机控制模块分别连接所述开关部件和通信模块；所述开关部件设置在所述充电线路电源至充电线路的连接线中；所述通信模块至少包括WIFI模块、 无人机无线电模块、电力线载波模块、移动电话网络模块中的一种。
本案的有益效果在于：
接触线在一个绞合式接触线上设置的两个或更多相互绝缘的导体，配套的无人机仅需要搭接单根接触线体，即可形成充电回路；这样，接触网仅需架设一根接触线即可工作。
并且，线芯内可以设置内部导体，用于高压馈电，为充电电路提供电力中继；这样，不用敷设分立并行的高压供电线，或依赖沿线外部电源，就可实现长距离充电线路；内置的光纤也能提供可靠的无人机通信中继和自身的监控网络。
表面绝缘层有利于保护表面导体不受大气的侵蚀和污染，特别是污染可能导致表面导体间的爬电或漏电。
绞合线结构简单、易于生产，采用张力安装，电杆间距可以较大，也不需要吊装支架，仅需敷设根接触线，结构简单，易于制造、安装和维护。接触网整体结构简单，易于制造、安装和维护。
配套的无人机可以在接触线上停靠充电，并同时执行监视任务。
配套的充电杆可以在无法或无需拉线的场合，为无人机提供一个兼容的停靠充电站点。
包括14幅附图，说明如下：
图1为接触线实施例1结构示意图
图2为接触线实施例2结构示意图
图3为接触线实施例3结构示意图
图4为接触线实施例4结构示意图
图5为接触网实施例1和2结构示意图
图6为接触网实施例1配电箱内部结构示意图
图7为接触网实施例2配电箱内部结构示意图
图8为无人机实施例1结构示意图
图9为无人机实施例2结构示意图
图10为无人机实施例3结构示意图
图11为无人机实施例4结构示意图
图12为无人机实施例5结构示意图
图13为无人机充电电路整流器接线示意图
图14为充电杆实施例结构示意图
以上附图中：
101为金属单线，102为绝缘间隔线，103为内部导体，104为抗拉部件，105为光纤，110为表面绝缘层，190为表面导体；
201为接触线(泛指)，202为控制装置，203为计算机控制模块，204为电力线载波模块，205为无线通信模块，206为电源模块，207为开关部件，208为采样电表，209为光纤通信模块，210为降压装置，251为电杆，252为电源，253为配电箱，261为上行接触线，262为下行接触线，291为馈电线路，292为充电线路，299为远程终端；
300为无人机，301为机身，302为工作载荷，303为挂钩，304为立臂，305为夹握器，306为舵机，307为夹握器转轴，308为挂钩转轴，310为金属触头(泛指)，311为第一金属触头，312为第二金属触头，313为第三金属触头，314为第四金属触头，318为引线孔，319为引线，320为电池充电电路模块，321为第一整流器，322为第二整流器，331大齿轮，332小齿轮，333换向齿轮，335限位块，336大皮带轮，337小皮带轮，338皮带，341连杆，351长孔，352销；
401为立柱，402为接触臂，403为配电箱，411为表面导体，412为绝缘底基，413为支撑管。
下面结合附图对本案产品的具体实施方式作详细描述，分为接触线、接触网、无人机和充电杆共四个部分。
第一部分 接触线
总体说明：
接触线是绞合线，主要由表面绞合层和其包裹的芯体组成。表面绞合层以正规绞合方式将一组直径相等或大致相等的单线缠绕在一个芯体表面，形成一个排列紧密的单线 层，节径比一般设置在5～20之间。芯体也可以是绞合线结构，其外绞合层的螺旋方向宜和表面绞合层相反。
权利要求1中，表面绞合层被描述为“至少存在两根不相邻的金属单线，(在绞合线构成的封闭圆周上，)在间隔它们的两翼绞合线中各设置有至少一根绝缘间隔线”；在绝大多数情况下，这个特征可以描述为“金属单线被绝缘间隔线分割成多个独立导通区(表面导体)”，但考虑到绞合线中可能存在导电性能不明或是半导体的情况(如光缆)，故使用了更一般的描述。
权利要求1中，芯体被描述为“表层为绝缘材料”，指至少包括以下这几种情况：芯体内部也为绝缘材料，即整个芯体是绝缘材料制成的；芯体具有一个统一的绝缘包覆层；芯体是绞合线，其最外层的绞合线由绝缘材料制成、或内含导体外面包覆绝缘材料。
金属单线可以在铝线、铜线、铝合金线、铝包钢线、铜包钢线等中选取。
内部导体可以在铝线、铜线、铝套、铜带、铝合金线、铝包钢线、铜包钢线、镀锌钢线、钢线等中选取。
内部导体的绝缘可以在聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯、橡胶等中选取。
表面绝缘层可以采用耐候性能良好的黑色聚氯乙烯、黑色聚乙烯、黑色交联聚乙烯、黑橡胶、硅橡胶、硅烷交联聚乙烯等，也可以采用绝缘漆如环氧漆、聚酯漆、聚酰亚胺漆等。
加强件在铝包钢线、铜包钢线、镀锌钢线、钢线、硬铝线、硬拉铜线、铝合金线、尼龙加强芯、玻璃纤维加强芯(FRP)、芳纶纤维加强芯(KFRP)、碳纤维复合芯等中选取。金属类型的加强芯同时可以成为内部导体。
绝缘间隔线可采用支撑芯+绝缘包覆结构，支撑芯可以采用和上述加强件相同的材料；也可以采用单一的非金属材料结构，如上述非金属支撑芯、硬质高密度聚乙烯、工程塑料等。如果接触线为裸线(不带表面绝缘层)，则绝缘间隔线应该包覆耐候层或使用耐候性能良好的材料制造。
接触线 实施例1
如图1所示：表面绞合层由三根金属单线101和三根绝缘间隔线102重复出现两次，形成两个表面导体190；金属单线101为电工圆铝线；绝缘间隔线102为钢丝内芯，外包黑色聚乙烯护层。芯体中心为抗拉部件104，由7根镀锌钢丝绞合而成，外面挤包中密度聚乙烯绝缘层。镀锌钢丝的抗拉部件104在特定情况下可以同时起到内部导体的作用：在双线冗余并行的情况下，利用两根接触线的内部导体形成双导体的高压馈电线路；在这种应用中，抗拉部件104可以采用铝线和钢线的复合绞线。另外，如果配电点能获得可靠的接地，可以利用大地为第二导体，使这个唯一的内部导体形成高压馈电线路。
该接触线结构简单，内部导体耐压可至10kV，具有较高的性价比和应用环境适应性。
接触线 实施例2
如图2所示：表面绞合层由四根金属单线101和四根绝缘间隔线102重复出现两次，形成两个表面导体；在表面绞合层外还包覆表面绝缘层110，为黑色聚乙烯护层；金属单线101为电工圆铝线；绝缘间隔线102为硬质高密度聚乙烯。芯体也为绞合线，中心为七根玻璃纤维加强线绞合而成的抗拉部件104，外层由七根带聚氯乙烯护套的绝缘铝线和一根光缆组成，绝缘铝线构成内部导体103，光缆内含两根光纤105。表面导体电压为安全电压12V～48V，内部导体耐压400V，在使用时可将7根绝缘铝线分配为：三根并联为相线，三根并联为零线，一根为备用；或者两根为A相，两根为B相，两根为C相，一根为零线。该接触线制造和安装都比较方便，适合城市环境使用。
接触线 实施例3
如图3所示：表面绞合层由三根金属单线101和三根绝缘间隔线102重复出现四次，形成四个表面导体；在表面绞合层外还涂覆表面绝缘层110，为聚酰亚胺绝缘漆；金属单线101为铝合金线；绝缘间隔线102为尼龙纤维加强线。芯体具有两个同轴的内部导体103，由中心向外依次主要为：七根铜包钢线成第一内部导体、内绝缘层、铜带层构成第二内部导体、外绝缘层；另外在表面绞合层中设置1根形式为油膏填充不锈钢管的光缆，内含两根光纤105。内部导体绝缘层材料为交联聚乙烯，耐压至6kV。该接触线适用于野外和其他沿线不能得到外部电源供电的应用场合。在使用时，可以将角度正对的两个表面导体并联。
接触线 实施例4
如图4所示：表面绞合层由三根金属单线101和三根绝缘间隔线102重复出现两次，形成两个表面导体；在表面绞合层外还包覆表面绝缘层110，为黑色交联聚乙烯护层；金属单线101为硬铝线；绝缘间隔线102为高密度聚乙烯线。芯体中心为七根绞合线，其中三根芳纶纤维加强线构成抗拉部件104，将四根硬拉铜线分隔成两个内部导体103，其外挤包交联聚乙烯绝缘层。该接触线结构紧凑，内部导体耐压可至6kV，适用综合技术要求较高的场合中。
该形式的接触线可以具有三个内部导体，即围绕芯体中心的六根绞合线为金属线和绝缘线交替出现；可以具有三个表面导体，即两根金属单线和两根绝缘间隔线重复出现三次，甚至可以具有六个表面导体，即一根金属单线和一根绝缘间隔线重复出现六次。这种布置可以使用三相交流电进行馈电和充电。
第二部分 接触网
总体说明：
接触网利用一根接触线的多个表面导体就可以形成完整充电线路，最少需要两个，超过两个的表面导体可以并联使用，或者保留为其他用途，如专用的通信线路。充电线路电源的输出形式一般包括：1，安全电压，如9V，12V，24V，48V，一般为直流电；2，110V/220V/380V交流或直流；其中交流380V需要三个表面导体。
利用接触线的内部导体构成相对高压的馈电线路。馈电线路的形式包括三种：1，双导体，可以输送直流或交流电；2，三个导体，输送三相交流电；3，单导体，需要借助大地作为第二个导体，可以输送直流或交流电。馈电线路电源的输出形式一般包括：1，交流220V/380V；2，较高电压等级(1kV～10kV)的交流电或直流电。
由于接触线采用绞合线形式，安装方面可以参考电力架空线的相关技术。与接触线直接接触的张力件和固定件，应用绝缘材料制造，或衬垫绝缘材料。架空的导体应以一定的距离间隔使用氧化锌避雷器接地。
接触网 实施例1
一种应用在城市环境的无人机接触网。
如图5所示：接触线201由电杆251架空安装。接触线为单根，采用接触线实施例2的形式，表面绞合层具有两个表面导体，每个的额定截面积为50平方毫米，内部导体为七根4平方毫米铝线。
接触线距地高度4.5米，档距50m，耐张段500m；每500m或1000m设置一个配电箱253，设置在电杆251上。上行接触线261和下行接触线262均接入配电箱253。电源252为市电220V交流电的某一相，接入配电箱253；电源不要求拉到每个配电箱，约每2000m接入一个电源即可，所有电源应为该市电的某一固定相。
如图6所示配电箱253内部结构：上行接触线261和下行接触线262的内部导体103合并成两根(相线和零线)并对应地联通，形成馈电线路291；电源252通过开关接入馈电线路291；馈电线路291接入降压装置210输入端，降压装置210为AC-DC开关电源模块，输出为24V直流电，通过开关部件207，正负极分别接下行接触线262的两个表面导体190，形成充电线路292。上行和下行接触线的表面导体不连通，一个配电箱仅为下行接触线的充电线路供电，即充电线路是分段的，两个配电箱之间为一个分段。这样做的益处是当充电线路发生短路故障时，可以将故障隔离在一个分段中。
控制装置202：核心为计算机控制模块203，连接电力线载波模块204、无线通信模 块205，采样电表208，开关部件207；控制装置202通过其内部电源模块206从降压装置210输出的24V直流电线上获电；采样电表208和电力线载波模块204连接在开关部件207后，即相当于接在充电线路292上。无线通信模块205是4G/5G移动网络模块。
以上的配置形成了220V交流馈电24V直流充电的无人机接触网。无人机停落接触线，其充电触点如能刺穿表面绝缘层，并分别连接在接触线上正负两个表面导体190上，即可能进行充电。控制装置202的工作方式和内容包括：通过电力线载波模块204以电力线载波通信的方式和无人机进行通信，如充电请求和应答；控制开关部件207的通断动作；根据采样电表208提供的状态量做出保护动作，限流或关断开关部件207。
或进一步，根据采样电表208提供的状态量和无人报告的电池状态量调节开关部件207，如调节至定压或定流输出，起到直流充电桩的作用；在这种应用中，开关部件207需要包括必要的整流和滤波电路，而降压装置210可以省略，电源模块206直接从交流220V上取电。
根据无人机的请求，闭合或调节开关部件207向无人机供电，这个功能可以称为基于无人机请求的充电服务。这时，开关部件207是常开的。
控制装置202还可以通过无线通信模块205实时地向一个连接4G/5G移动电话网络的远程终端报告状态和接收指令，并直接控制开关部件207的通断。这个功能称为远程实时监控。
以上的实施例包括了两种通信模块：第一种，本地通信模块(电力线载波模块204)：与数百米至数千米外的无人机进行通信；第二种，远程通信模块(无线通信模块205的4G/5G移动网络模块)：与远程终端(如监控中心计算机、维护工程师的PC机或手机，距离可以很远，常常通过内部网/互联网连接)进行通信。分别实现基于请求的充电服务和系统实时监控的功能。事实上，有关的配置可以根据实际需要调整，还可以进一步包括通信中继功能，包括以下这些情况：
1.仅具有本地通信模块，如无人机WIFI、无线电、电力线载波等，提供无人机基于请求的充电服务，并向执行维护任务的无人机回报自身状态或历史记录、接收新的配置(如充电请求口令)；执行维护任务的无人机在返航后向维护系统或人员提交状态报告。
2.仅具有远程通信模块，如移动电话网络、光纤网络、微波链路等，最终和一个或多个远程终端连接，提供接触网实时状态监测和控制(限流或关断开关部件207)功能；这时，开关部件207通常是常闭的，接触网的充电服务是开放的，即任何无人机只要硬件配套，均可以从上取电。
3.同时具有以上两种模块，这时除了具备基于请求的充电服务和接触网实时监控的功能外，还可以包括远程终端对无人机的通信中继功能。远程通信模块可以 和本地通信模块直接连接，也可以通过计算机控制模块203间接连接。
4.同时具有以上两种模块，但本地通信模块不和计算机控制模块203连接，而仅和远程通信模块连接，开关部件207通常是常闭的；提供开放的充电服务和无人机通信中继。当然，也可以通过远程终端的介入，提供基于请求的充电服务。
5.一种特例：仅具有移动电话网络模块，而无人机也具有移动电话网络模块，并且得到移动电话网络覆盖，则可实现接触网实时监控，又可具备基于请求的充电服务功能。这时，通信中继功能显然是不需要的。
可见，控制装置仅需要具备一种通信模块，接触网即可能以某一特定方式运行。
通常，在配电点设置控制装置总是必要的，但需要注意，无人机通信中继可以不依赖它。如果接触网的目的为提供开放的服务，开关部件207可设为常闭的，控制装置不受外部控制，仅执行必要的保护动作和上报状态，这个简化的益处是可能带来系统可靠性提高。
接触网 实施例2
一种100km级的野外巡线无人机接触网。
如图5所示：接触线201由电杆251架空安装。接触线为单根，采用接触线实施例3的形式，表面绞合层具有四个导体，每个的额定截面积42平方毫米，内部导体采用的铜包钢丝和铜带，等效铜截面均为16平方毫米。
接触线距地高度6.0米，档距60m，耐张段1000m；每5km设置一个配电箱253，设置在电杆251上。上行接触线261和下行接触线262均接入配电箱253。电源252为1kV交流电，可由市电220V交流电通过一个升压变压器获得，仅需要接入全线任一个配电箱即可。
如图7所示配电箱253内部结构：上行接触线261和下行接触线262的内部导体103对应地联通，形成馈电线路291；电源252经隔离开关接入馈电线路291；馈电线路291经隔离开关接入降压装置210输入端，降压装置210为交流变压器，输出为220V交流电，通过开关部件207，连接下行接触线262的表面导体190(如图示，有四个表面导体，两两角度正对的并为一路)，形成充电线路292。上行和下行接触线的表面导体不连通，一个配电箱仅为下行接触线的充电线路供电，即充电线路是分段的，两个配电箱之间为一个分段。
控制装置202：核心为计算机控制模块203，连接光纤通信模块209、无线通信模块205、采样电表208、开关部件207；控制装置202通过其内部电源模块206从降压装置210输出的220V交流电线上获电；采样电表208连接在开关部件207后，即相当于接在充电线路292上。无线通信模块205是基于WIFI或无线电台等无人机通信模块；光纤 通信模块209为光纤环网交换机，接入来自上行和下行接触线中的共四根光纤；一个远程终端299连接任一个光纤通信模块209，即可访问到所有配电箱的控制装置202。
以上的配置形成了1kV交流馈电220V交流充电的无人机接触网。无人机停落并将自身的充电触点分别连接在接触线上相邻两个或以上的表面导体190上即可能进行充电。控制装置202的工作方式和内容包括：通过无线通信模块205和无人机进行通信，如充电请求和应答、传输数据等；通过光纤通信模块209向远程终端299报告状态、上传数据和接收指令；控制开关部件207的通断动作；根据采样电表208提供的状态量做出保护动作。
光纤通信模块209可以和无线通信模块205连接，使远程终端299可以和无人机进行直接通信。这时，可以考虑去除无线通信模块205和计算机控制模块203之间的连接，使系统架构保持简单。
作为冗余设计，还可以通过增设一套开关部件、采样电表和连接线，将降压装置210输出220V交流电向上行接触线的充电线路提供冗余的供电。新增的开关部件和采样电表均和计算机控制模块203连接。
第三部分 无人机
总体说明：
无人机为多旋翼飞机，带电池和充电电路。充电电路的前端为保护和整流电路，由于它们是无源的，可以和充电电路的其他部分布置在一个模块中，也可以分开布置，更靠近前端的接触部件。在本案的相关权利要求中使用了“电池充电电路”，而没有使用下述实施例中的“电池充电电路模块”，就是为了给出上述情况更一般的描述。
无人机 实施例1
如图8所示：为多旋翼无人机，电池和充电电路模块320设置在位于中央的机身301中，机身下方挂工作载荷302。机身301通过立臂304连接挂钩303，共有两套。
如图8中A-A剖面放大图所示：正视图中右侧挂钩具有第一金属触头311和第二金属触头312，沿挂钩上部内缘分开布置；它们由硬质铝合金或铜合金材料制成，工作面具有刺状结构。立臂304和挂钩303的主体由工程塑料或纤维加强塑料制成，立臂306为空心杆结构。金属触头分别通过贯穿立臂304的引线319连接至位于机身301内的电池充电电路模块320。立臂304内部也可以具有(两个)内嵌的金属导体，起到部分引线的作用。平移对应地，正视图左侧挂钩具有第三金属触头313和第四金属触头314。
如图13所示：充电电路模块320和四个金属触头的接线方法：第一金属触头311 和第三金属触头313结对连接至第一整流器321，第二金属触头312和第四金属触头314结对连接至第二整流器322；两个整流器并联输出正负电极至后道处理。注意，此图为相关接线原理图，整流器前的保护电路未画出。
如图8所示：无人机两个挂钩同时挂住一根接触线201时，四个金属触头将碰触到接触线表面。如果接触线201为本案接触线实施例1、2或4的等分双导体形式，并且两个挂钩的中心间距等于接触线表面绞合层节距的二分之一时，相对于接触线表面导体的空间相位关系，第一金属触头311和第三金属触头313相差180度，第二金属触头312和第四金属触头314相差180度，如A-A剖面放大图所示(虚线部分)。这样，总会至少存在一对金属触头，分别接触到接触线的两个表面导体，通过如图13所示的接线方法，充电电路模块320获电，可对电池进行充电操作。
金属触头工作面具有刺状结构，在无人机的重力作用下可以刺穿接触线表面绝缘层；一般的要求可以描述为具有锋利的突起，具有尖刺或刀刃的形态，尖峰的角度不宜大于60度，较优地，不大于45度。
在以上实施例中，使用了四个相位均布的金属触头确保能搭接到充电线路。事实上，最低的要求是仅具有两个金属触头，它们之间保持一定的相位差，最优选180度。包括两种实现方式：第一种，只用一个挂钩，沿其内边布置两个金属触头，相位差不小于90度(如本实施例的挂钩)或更大至120度；第二种，采用两个挂钩，每个挂钩仅在其内边上端布置一个金属触头，两个挂钩的间距最优为接触线节距的二分之一。这两种形式本质都是对一根接触线形成了具有一定相位差的两个金属触头。这时，无人机在停靠后，充电电路检测是否连接至充电线路(测电压或发出充电请求后等待响应)，如否则起飞少许，沿接触线移动一个随机的距离，再检测，直到成功。
无人机 实施例2
如图9所示：为多旋翼无人机，电池和充电电路模块320设置在位于中央的机身301中，机身下方挂工作载荷302；具有一个位于中心的立臂304，端部连接挂钩303，舵机306固定在立臂304上，通过转轴307联接夹握器305，位于挂钩303下侧。
挂钩303的金属触头和引线形式和实施例1相同。夹握器305在其内侧也布置有两个金属触头310，它们的引线319以明线方式跳至空心的立臂304的引线孔318里，再延伸连接至位于机身301内的电池充电电路模块320。
夹握器305受舵机306驱动，有两个角度位置：放下和夹握，角度差90度。在放下位置时，不影响挂钩303挂住接触线201；在夹握位置时，其内侧布置的两个金属触头310碰触到接触线201表面。转轴307通过弹性联轴器和夹握器305联接，或者夹握器 305的金属触头由弹簧支撑。
挂钩303和夹握器305配合工作，实现了四个相位均布的金属触头(和实施例1效果相同)。
无人机 实施例3
为多旋翼无人机，电池和充电电路模块设置在位于中央的机身中，机身下方挂工作载荷；具有一个位于中心的立臂，端部连接挂钩303。
如图10所示立臂的上部结构：挂钩303通过挂钩转轴308连接在立臂304的端部；夹握器305位于挂钩303下侧，通过夹握器转轴307连接立臂304，挂钩303和夹握器305还各有一个转轴，之间用连杆341连接。
图10中，左图为夹握状态，右图为放下状态。两个状态转换中，挂钩303运动了45度，夹握器305运动了90度。
在确定挂钩转轴308和夹握器转轴307的位置后，连杆机构的设计(挂钩303和夹握器305上分别为连杆341准备的转轴的位置)可以通过尺规作图法完成，也可以通过反复凑试获得。
和实施例2相比：将挂钩由固定的调整为活动的，利用无人机自身重力，通过一个连杆链接的双杠杆(四联杆)机构驱动夹握器动作并夹紧接触线。
无人机 实施例4
无人机主体结构和实施例3相同，差异在于：传动机构中，用长孔+销代替了连杆。
如图11所示：挂钩303通过挂钩转轴308连接在立臂304的端部；夹握器305通过夹握器转轴307连接立臂304，挂钩303具有长孔351，夹握器305具有销352，销352在长孔351中。
图11中，左图为夹握状态，右图为放下状态。两个状态转换中，挂钩303运动了45度，夹握器305运动了90度。
在确定挂钩转轴308和夹握器转轴307的位置后，长孔+销的位置设计可以通过尺规作图法完成，也可以通过反复凑试获得。
无人机 实施例5
无人机主体结构和实施例3相同，差异在于：传动机构为齿轮或内齿皮带。
如图12所示：左图为齿轮形式，挂钩303固定连接大齿轮331，大齿轮331通过挂 钩转轴308连接在立臂304的端部；夹握器305固定连接小齿轮332，小齿轮332通过夹握器转轴307连接立臂304；换向齿轮333通过转轴连接立臂304；换向齿轮333同时与大齿轮331和小齿轮332啮合。右图是内齿皮带形式：大皮带轮336、小皮带轮337和皮带338，分别替换了大齿轮331、小齿轮332和换向齿轮333的地位。
大齿轮331和小齿轮332(大皮带轮336和小皮带轮337)的齿数比为2，即转角放大比为2。图中显示为夹握状态，四个触头接触接触线201；当挂钩303向下转45度时，夹握器305向下转90度，达到放下状态，而此时挂钩303仍处于开口的状态，可以进行挂接接触线的动作。
第四部分 充电杆
充电杆 实施例
一种和接触网兼容的充电杆。
如图14所示，在立柱401上部，固定两个接触臂402，中间为配电箱403，交流220V的电源线设置在立柱中，引出接入配电箱403。
A-A剖面图显示了接触臂402的结构：内部为支撑管413，为钢管、铝管或工程塑料管，起到刚性支撑的作用；其外，包裹一个聚乙烯的绝缘底基412；其外，按照特定节距缠绕并粘结两个金属带，相位差180度，构成两个相互绝缘的表面导体411，材料为铝或铜，厚0.5～1mm。金属带也可以通过去除(化学刻蚀或机械切削)一个金属套上不需要的部分来形成。
表面导体411也可以采用类似接触线表面绞合层的绕制方案。
配电箱403的内部结构、可能的变化与接触网实施例1中的配电箱基本相同，接触臂的表面导体411等价于下行接触线的表面导体，不涉及上行接触线和内部导体。
这些配置形成了220V交流馈电24V直流充电的无人机充电杆。表面导体411的宽度、外径、缠绕节距和接触网实施例1的接触线相同，即可兼容配套的无人机。
Claims (18)
- 一种接触线，其特征在于，主要由表面绞合层和由所述表面绞合层包裹的芯体组成；所述表面绞合层主要由多根金属单线和多根绝缘间隔线绞合而成，至少存在两根不相邻的金属单线，在间隔它们的两翼绞合线中各设置有至少一根绝缘间隔线，所述绝缘间隔线由绝缘材料制成、或内含导体外面包覆绝缘材料；所述芯体的表层为绝缘材料；由此表面绞合层具有至少两个表面导体，相互间绝缘，呈螺旋状围绕所述芯体分布。
- 根据权利要求1所述的接触线，其特征在于，还包括表面绝缘层，包覆所述表面绞合层。
- 根据权利要求1或2所述的接触线，其特征在于，所述表面绞合层的金属单线和绝缘间隔线的分布为周期分布，每个周期为连续出现n根金属单线，然后再连续出现m根绝缘间隔线，周期的数量为2、3、4或6，n和m大于零，n和m可以相等，也可以不相等。
- 根据权利要求1或2所述的接触线，其特征在于，所述芯体具有内部导体，被绝缘材料包围。
- 根据权利要求1或2所述的接触线，其特征在于，还包括光纤，设置在表面绞合层的绞合线或芯体内。
- 根据权利要求1或2所述的接触线，其特征在于，所述芯体为抗拉部件或包括抗拉部件。
- 一种接触网，包括充电线路电源、电杆和至少一根如权利要求1所述的接触线，所述接触线由所述电杆架空安装，所述接触线的表面导体被全部或部分地分配为充电线路，所述充电线路电源的输出端接入所述充电线路。
- 根据权利要求7所述的接触网，其特征在于，所述充电线路电源是一组沿线分布的降压装置，还包括馈电线路电源，所述接触线的芯体内还具有被绝缘材料包围的内部导体；所述接触线的内部导体被全部或部分地分配为馈电线路，所述馈电线路电源的输出端和所述降压装置的高压输入端并联接入所述馈电线路；所述降压装置的低压输出端并联接入所述充电线路。
- 根据权利要求7或8所述的接触网，其特征在于，还包括控制装置，所述控制装置包括计算机控制模块、开关部件、通信模块；所述计算机控制模块分别连接所述开关部件和通信模块；所述开关部件设置在所述充电线路电源至充电线路的连接线中；所述通信模块至少包括WIFI模块、无人机无线电模块、电力线载波模块、移动电话网络模块中的一种。
- 根据权利要求9所述的接触网，其特征在于，所述接触线还包括设置在表面绞合层的绞合线或芯体内的光纤，所述控制装置还包括光纤通信模块，与所述光纤和所述计算机控制模块连接。
- 根据权利要求7或8所述的接触网，其特征在于，所述接触线还包括设置在表面绞合层的绞合线或芯体内的光纤，还包括光纤通信模块、控制装置和本地通信模块；所述控制装置包括计算机控制模块、开关部件，所述计算机控制模块连接所述开关部件，所述开关部件设置在所述充电线路电源至充电线路的连接线中；所述光纤通信模块，与所述光纤、所述计算机控制模块和所述本地通信模块连接；所述本地通信模块至少包括WIFI模块、无人机无线电模块、电力线载波模块中的一种。
- 一种无人机，包括机体、电池充电电路，其特征在于，还包括位于机体上部的挂钩，和连接所述挂钩和所述机体的立臂，所述挂钩内侧上部设置有金属触头，通过引线与充电电路连接，挂钩的形式包括以下两种情况中的至少一种：A，一个挂钩具有至少两个金属触头，沿挂钩上部内边分开布置；B，至少具有两个挂钩，它们的开口方向在它们中心连线的同一侧。
- 根据权利要求12所述的无人机，其特征在于，具有两个开口方向相同并与它们中心连线垂直的挂钩，每个挂钩具有两个金属触头，沿挂钩上部内边分开布置。
- 根据权利要求12所述的无人机，其特征在于，还包括位于挂钩下侧的夹握器和电机；所述电机固定在所述立臂上部，其转轴联接所述夹握器，驱动所述夹握器在放下和夹握两个角度位置间运动；所述夹握器内侧设置有金属触头，通过引线和所述电池充电电路连接。
- 根据权利要求12所述的无人机，其特征在于，所述挂钩通过一个转轴和所述立臂连接，还包括位于挂钩下侧的夹握器，所述夹握器通过另一个转轴和所述立臂连接，还包括一个转角放大传动机构，连接所述挂钩和夹握器；所述夹握器内侧设置有金属触头，通过引线和所述电池充电电路连接；所述转角放大传动机构为连杆链接的双杠杆、长孔-销链接的双杠杆、齿轮传动、内齿皮带传动中的一种。
- 根据权利要求12、13、14或15所述的无人机，其特征在于，所述金属触头的工作面上具有锋利的突起。
- 一种充电杆，包括充电线路电源、立柱，其特征在于，还包括接触臂，一端固定在所述立柱的上部，所述接触臂包括至少两个表面导体和一个表面绝缘的芯体，所述表面导体，按固定节距，呈螺旋状围绕所述芯体分布，被全部或部分地分配为充电线路，所述充电线路电源的输出端接入所述充电线路。
- 根据权利要求17所述的充电杆，其特征在于，还包括控制装置，所述控制装置包括计算机控制模块、开关部件、通信模块；所述计算机控制模块分别连接所述开关部件和通信模块；所述开关部件设置在所述充电线路电源至充电线路的连接线中；所述通信模块至少包括WIFI模块、无人机无线电模块、电力线载波模块、移动电话网络模块中的一种。
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