一种应用于海上风力发电设备的无人机停靠系统的制作方法

本发明涉及风电无人机巡检技术领域，尤其涉及一种应用于海上风力发电设备的无人机停靠系统。

背景技术：

海上风电场越来越多的使用无人机进行巡检和雷击测试，这避免了检修人员频繁的穿梭于海洋和风机之间，大大提高了检修效率。现有的无人机特别是旋翼无人机，由于电量有限续航能力往往不能满足巡检的要求，因此检修人员需要每隔一段时间就回收无人机并更换电池，这浪费了宝贵的巡检时间，使巡检的效率大大下降。

为解决上述问题，工程人员已有在风力发电机上设置无人机充电停靠平台的方案，但是海洋环境不同于陆地环境，海洋风往往变化无常，且海水高浓度的盐分会使无人机和其他检修设备更容易遭到腐蚀和破坏。特别是无人机充电停靠平台设计的位置较低时，海水在大风的影响下往往会喷溅到充电平台上，从而使无人机和充电设备容易遭到腐蚀破坏，然而，如果把充电停靠平台设计的过高，容易受到风机叶片的干扰，如果将充电停靠平台设置在机舱顶部，虽然不会受到叶片的干扰，但是一旦起风，机舱顶部风速比较大，无人机容易跌落，若将无人机收纳在机舱内部，机舱内部齿轮箱会导致温度过高，又会影响到无人机的正常充电过程。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种应用于海上风力发电设备的无人机停靠系统，用以解决现有技术中的上述技术问题。

本发明提供了一种应用于海上风力发电设备的无人机停靠系统，所述无人机停靠系统包括降落平台、无线充电单元和供电系统。

进一步的，

所述降落平台为水平设置的圆形平台，其位于风力发电机的桨叶下方，其中心被塔架穿过，圆形平台的内部设置有围绕塔架均匀分布的多个无人机仓，所述无人机仓内部设置有升降机构，当升降机构顶部台面抬升至最高位置时，其与降落平台的上表面位于同一水平面；

升降机构顶部台面上设置有无线充电单元，每个所述无线充电单元包括充电板和第一磁性元件，充电板内部设置有送电线圈，该送电线圈与供电系统电连接，所述第一磁性元件围绕充电板四周设置，该第一磁性元件用于吸引无人机起落架上的第二磁性元件，从而对降落状态的无人机进行锚固；

所述无人机停靠系统还包括第一主控制器和多组光电开关，每组光电开关的光发射装置和光接收装置隔着无线充电单元相对设置；

当无人机降落在无线充电单元上进行充电时，光发射装置发出的光束被阻挡，使得光接收装置无法接收到光信号，从而使第一主控制器识别出该无线充电单元上停靠有无人机。

进一步的，所述降落平台周边设置有护栏。

进一步的，

所述无人机停靠系统还包括风速传感器，

当第一主控制器通过风速传感器检测到风速大于预设值且持续预定时长时，并且无线充电单元上的光接收装置无法接收到激光信号时，第一主控制器控制升降机构下降，从而将所述无人机移入无人机仓；

当第一主控制器通过风速传感器检测到风速小于预设值且持续预定时长时，第一主控制器控制升降机构抬升，从而将所述无人机移出无人机仓。

进一步的，

每个所述无人机仓还设置有水平滑动的上盖，当所述升降机构抬升时，所述上盖在第一主控制器的控制下打开，当所述升降机构顶部的台面下降到最低位置时，所述上盖在第一主控制器的控制下关闭。

进一步的，

所述供电系统包括太阳能电池板和蓄电池，蓄电池一端连接太阳能电池板，另一端通过功率控制模块与所述送电线圈连接。

进一步的，

所述降落平台设置在风力发电机的机舱顶部，降落平台位于机舱内部的空间设置有多个无人机仓，所述无人机仓内部设置有升降机构，当升降机构顶部台面抬升至最高位置时，其与机舱顶部位于同一平面；

所述升降机构顶部台面上设置有无线充电单元，每个所述无线充电单元包括充电板和第一磁性元件，充电板内部设置有送电线圈，该送电线圈与供电系统电连接，所述第一磁性元件围绕充电板四周设置，该第一磁性元件用于吸引无人机起落架上的第二磁性元件，从而对降落状态的无人机进行锚固；

所述无人机停靠系统还包括第一主控制器和和多组光电开关，每组光电开关的光发射装置和光接收装置隔着无线充电单元相对设置；

当无人机降落在无线充电单元上进行充电时，光发射装置发出的光束被阻挡，使得光接收装置无法接收到光信号，从而使第一主控制器识别出该无线充电单元上停靠有无人机。

进一步的，

所述无人机停靠系统还包括风速传感器，

当第一主控制器通过风速传感器检测到风速大于预设值且持续预定时长时，并且无线充电单元上的光接收装置无法接收到光信号时，第一主控制器控制升降机构下降，从而将所述无人机移入无人机仓；

当第一主控制器通过风速传感器检测到风速小于预设值且持续预定时长时，第一主控制器控制升降机构抬升，从而将所述无人机移出无人机仓。

进一步的，

每个所述无人机仓还设置有水平滑动的上盖，当所述升降机构抬升时，所述上盖在第一主控制器的控制下打开，当所述升降机构顶部的台面下降到最低位置时，所述上盖在第一主控制器的控制下关闭。

进一步的，

所述供电系统包括太阳能电池板和蓄电池，蓄电池一端连接太阳能电池板，另一端通过功率控制模块与所述送电线圈连接。

进一步的，

所述无人机仓设置有温度调节系统，该系统包括温度感应元件、围绕无人机仓设置的热交换器、齿轮循环泵、冷却液发生器和第二主控制器，

其中，温度感应元件设置在无人机仓内，热交换器为空心壳体，其围绕无人机仓设置，热交换器内填充有冷却液，并在空心壳体上开设有至少一个进液口和至少一个出液口，所述进液口和出液口均与齿轮循环泵相连接；

所述齿轮循环泵连接有冷却液发生器，所述齿轮循环泵包括齿轮驱动装置，所述温度感应元件和所述齿轮驱动装置均与所述第二主控制器相连接，所述温度感应元件实时检测所述无人机仓内部的温度信息，当无人机仓内部温度处于第一温度范围时，所述第二主控制器通过所述齿轮驱动装置控制所述齿轮循环泵处于第一循环速率，当无人机仓内部温度处于第二温度范围时，所述第二主控制器通过所述齿轮驱动装置控制所述齿轮循环泵处于第二循环速率；

所述齿轮驱动装置包括相连接的直流电机和变速装置，所述变速装置包括壳体、主轴、驱动轴、第一主动齿轮、第二主动齿轮、第一摩擦片组、第二摩擦片组、第一活塞组件、第二活塞组件以及液压控制装置；所述主轴和所述驱动轴通过轴承安装在所述壳体内，所述主轴与所述直流电机相连接，所述驱动轴与所述齿轮循环泵的齿轮相连接，所述驱动轴上设有第一从动齿轮和第二从动齿轮，所述第一从动齿轮与所述第一主动齿轮相啮合，所述第二从动齿轮与所述第二主动齿轮相啮合，且两个齿轮组的传动系数不同；所述第一主动齿轮和第二主动齿轮通过轴承套设在所述主轴上，所述第一活塞组件、第二活塞组件、第一摩擦片组、第二摩擦片组套设在所述主轴上并与所述主轴间隙配合，所述第一活塞组件与所述第一摩擦片组相连接，所述第二活塞组件与所述第二摩擦片组相连接，所述第一活塞组件、第二活塞组件均包括油腔、设置在油腔内的活塞和弹簧，所述油腔与所述液压控制装置的油路相连接，所述液压控制装置与所述第二主控制器相连接，所述活塞与所述弹簧相连接，所述第一摩擦片组和第二摩擦片组均包括外套、设置在外套内的固定片和活动片、与所述主轴相连接并随主轴从动的从动轴，所述第一摩擦片组的外套与所述第一主动齿轮相连接，所述第二摩擦片组的外套与所述第二主动齿轮相连接，所述固定片固定安装在所述从动轴上，所述活动片套设在所述从动轴上并与从动轴间隙配合，所述活动片与所述外套的内壁相啮合并可在所述内壁上滑动，所述固定片的表面上设有凹槽，所述活动片设有与所述凹槽相适配的齿；

当无人机仓温度处于第一温度范围时，所述第二主控制器控制所述液压控制装置向所述第一活塞组件的油腔进油，通过油压推动所述第一活塞组件的活塞向所述第一摩擦片组的活动片运动，使第一摩擦片组的活动片与所述固定片啮合，从而使第一摩擦片组的外套和所述第一主动齿轮随所述主轴转动，通过所述第一主动齿轮带动所述第一从动齿轮和驱动轴转动；当无人机仓温度处于第二温度范围时，所述第二主控制器控制所述液压控制装置向所述第二活塞组件的油腔进油，并将第一活塞组件的油腔回油，通过油压推动所述第二活塞组件的活塞向所述第二摩擦片组的活动片运动，使所述第二摩擦片组的活动片与所述固定片啮合，从而使第一摩擦片组的外套和所述第二主动齿随所述主轴转动，通过所述第二主动齿轮带动所述第二从动齿轮和驱动轴转动。

本发明提供了一种应用于海上风力发电设备的无人机停靠系统，其能够方便的安装于风力发电机的塔架或机舱上，内部设置的无人机仓能够在不良海况的环境下将无人机安全的封闭起来，并通过自动冷却系统保证机舱内部的高温不会影响到无人机仓内部正在充电的无人机。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例一提供的无人机停靠系统的侧视图；

图2是图1所示的无人机停靠系统的立体图；

图3是本发明实施例一提供的另一带有风速传感器的无人机停靠系统的侧视图；

图4是图3所示的带有风速传感器的无人机停靠系统的立体图；

图5是本发明实施例一提供的无人机停靠系统的降落平台的放大图；

图6是本发明实施例二提供的无人机停靠系统的侧视图；

图7是图6所示的无人机停靠系统的放大图；

图8是图6所示的无人机停靠系统的俯视图；

图9是本发明实施例二中无人机仓温度调节系统的结构示意图；

图10是本发明实施例二中温度调节系统的变速装置的结构示意图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，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。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

实施例一

参考图1、2、5，本发明提供了一种应用于海上风力发电设备的无人机停靠系统，包括：降落平台100、无线充电单元101和供电系统。其中，所述降落平台100为水平设置的圆形平台，其位于风力发电机102的桨叶下方，圆形平台和桨叶之间的距离大于2米，以避免维修人员与桨叶的磕碰，保证安全，平台的中心被塔架103穿过，圆形平台的直径可以根据巡检无人机的大小进行设置，通常要保证无人机降落区域的无干扰面积不小于1.5m×1.5m。

圆形平台的内部设置有围绕塔架均匀分布的多个无人机仓104，所述无人机仓104内部设置有升降机构105，当升降机构顶部台面抬升至最高位置时，其与降落平台的上表面位于同一水平面；

升降机构105顶部台面上设置有无线充电单元101，每个所述无线充电单元101包括充电板和第一磁性元件(未示出)，充电板内部设置有送电线圈，该送电线圈与供电系统电连接，所述第一磁性元件围绕充电板四周设置，该第一磁性元件用于吸引无人机起落架上的第二磁性元件，从而对降落状态的无人机进行锚固。

具体的，无人机降落时可以通过机载摄像机识别平台上空置的无线充电单元101，降落其上进行充电。由于风电场中的瞬时风速较高，降落后的无人机容易受到大风的影响而导致其不能稳定的位于充电单元上，因此需要对无人机进行锚固。优选的，在所述充电板的四周设置第一磁性元件，并在无人机的起落架上设置第二磁性元件，无人机降落时，起落架正好位于第一磁性元件区域，该第一磁性元件牢牢的吸引住无人机起落架上的第二磁性元件，从而对降落状态的无人机进行锚固。进一步的，为了便于无人机降落时将起落架更准确的对准第一磁性元件，可以将第一磁性元件区域设置为较大的面区域，以保证无人机大概率的降落于第一磁性元件上。

优选的，所述无人机停靠系统还包括第一主控制器和多组光电开关，每组光电开关的光发射装置106和光接收装置107隔着无线充电单元相对设置。具体的，可以使用激光发射器和激光接收器，激光接收器可以直接设置在无线充电单元周边的非升降区域，激光发射器可以直接设置在塔架的适当位置，并使激光发射器发出的激光能够穿过无线填充单元而被激光接收器接收到，同时保证无人机降落时可以遮挡住激光发射器发出的激光。当然，如果将激光接收器和激光发射器对调位置也是可行的。当无人机降落在无线充电单元101上进行充电时，激光发射器发出的光束被阻挡，使得激光接收器无法接收到光信号，从而使第一主控制器识别出该无线充电单元101上停靠有无人机。

优选的，所述第一主控制器可以是单片机、dsp数字信号处理器、fpga、cpld、plc可编程逻辑控制器。

优选的，每个所述无线充电单元101包括充电板，充电板内部设置有送电线圈，该送电线圈与供电系统电连接，以产生交变磁场，无人机降落后通过下腹部的接收线圈感应交变磁场，从而产生感应电流为无人机的蓄电池充电。

由于海洋风电场具有天然的光伏能量优势，为了简化后续维护，降低成本，可以将供电系统设置为太阳能供电系统，其包括太阳能电池板108和蓄电池，蓄电池一端连接太阳能电池板108，另一端通过功率控制模块与所述送电线圈连接，由于无线充电原理属于公知常识，这里不再赘述具体的无线充电电路。此外，考虑到连续阴雨天气会导致太阳能装置失效，供电终端，因此在所述供电系统中设置备用电源，所述备用电源可以为小型风力发电机。

进一步的，参见图3、4，考虑到海洋自然环境恶劣，大风引起的巨浪会将海水泡沫溅射到停靠平台上，因此有必要在风速大于一定范围时将正在充电的无人机移入无人机仓104内部，这往往需要设置风速传感器109。当第一主控制器通过风速传感器109检测到风速大于预设值且持续预定时长时，表明海浪很有可能会溅射到平台上，如果此时无线充电单元101上的光接收装置无法接收到激光信号时，则第一主控制器能够判断出平台上的改无线充电单元101上停靠有无人机充电，于是控制升降机构105下降，从而将所述无人机移入无人机仓104。当第一主控制器通过风速传感器109检测到风速小于预设值且持续预定时长时，表明海浪不大，不足以溅射到停靠平台，因此第一主控制器控制升降机构105抬升，从而将所述无人机移出无人机仓104。

为保证无人机仓104密闭性更好以防止海水溅射到无人机上，每个所述无人机仓104还设置有水平滑动的上盖，当所述升降机构105抬升时，所述上盖在第一主控制器的控制下打开，当所述升降机构105顶部的台面下降到最低位置时，所述上盖在第一主控制器的控制下关闭。

优选的，该降落平台的周边可以设置护栏111，为了不妨碍无人机的正常降落，该护栏111在风速不大时可以被第一主控制器调节为水平状态，当风速超出预设值时，第一主控制器可以将该护栏111调节为竖起状态，以防止位于降落平台表面的无人机被吹落。

可选的，如图1、2所示，也可以不设置风速传感器，通过无线接收装置接收远程服务器发送的天气预报信息或天气数据，或者通过无线接收装置接收远程控制中心发送的遥控信号，再将接收的上述信息发送给第一主控制器处理，从而完成对升降机构的控制。

实施例二

为了更好的解决实施例一中的降落平台上的无人机易受海水腐蚀和桨叶干扰的问题，在本实施例中将降落平台的位置设置在机舱顶部，而机舱的高度通常有几十米，大部分情况下海浪和海水泡沫不会喷溅到如此高度上，可以确保无人机不受海水腐蚀。

具体的，参见图6-8，降落平台100的台面设置在风力发电机的机舱110顶部，虽然海水不易到达该处，但考虑到极端恶劣的气候和雷击现象，为了更好的保护无人机，仍然在需要在降落平台100位于机舱110内部的空间设置多个无人机仓104，所述无人机仓内部设置有升降机构105，当升降机构105顶部台面抬升至最高位置时，其与机舱110顶部位于同一平面；

升降机构顶部台面上设置有无线充电单元101，该无线充电单元101的结构和组成与实施例一完全相同，此处不再赘述。

无人机停靠系统还包括第一主控制器和和多组光电开关，每组光电开关的光发射装置和光接收装置隔着无线充电单元101相对设置，优选的可以是激光发射器和激光接收器。需要说明的是，实施例一中的降落平台上的激光发射器或激光接收器可以设置在塔架上，但是本实施例中降落平台的中央是没有塔架的，因此为了设置激光发射器或激光接收器，可以将无线充电单元101设置为环绕中央立柱的造型，这样只需要再中央立柱上设置激光发射器或激光接收器，另一激光发射器或激光接收器可以穿过无线充电单元101设置在其周围的非升降区域，从而保证无人机降落时可以遮挡住激光发射器发出的激光，使得激光接收装置无法接收到光信号，从而使第一主控制器识别出该无线充电单元101上停靠有无人机。

优选的，无人机停靠系统可以设置风速传感器109，具体的用途和设置方法可以参考实施例一的技术方案。

优选的，每个所述无人机仓还设置有水平滑动的上盖，具体结构参考实施例一。

优选的，本实施例中的无人机停靠系统的供电系统与实施例一相同。

需要指出的是，由于风机的机舱处设置有齿轮箱和发电机，而齿轮箱对低速轴进行增速，在运转中会造成一定的功率损失,损失的功率将转换为热量,使齿轮箱的温度迅速上升，而发电机也会将一部分能量转换为热量，这导致整个机舱的温度处于比较高的状态。由于无人机仓位于降落平台下面即机舱110内部，完全被机舱110包覆，因此大部分时间无人机仓内的温度会很高，这会直接影响到无人机的正常充电，例如由于高温导致的充电器故障、电池故障等会较为频繁的产生。为了避免上述问题，本实施例为无人机仓增加了一个温度调节系统，参见图9-10，可以高效的降低无人机仓内的温度，避免故障的频繁发生。

具体的，根据图9所示，温度调节系统包括温度感应元件3、围绕无人机仓设置的热交换器1、齿轮循环泵6、冷却液发生器7和第二主控制器，该第二主控制器可以是单片机、dsp、fpga、plc或cpld之一。

其中，温度感应元件3设置在无人机仓内，热交换器1为空心壳体，其围绕无人机仓设置，热交换器1内填充有冷却液，并在空心壳体上开设有至少一个进液口2和至少一个出液口4，所述进液口2和出液口4均与齿轮循环泵6相连接；

所述齿轮循环泵6连接有冷却液发生器7，所述齿轮循环泵6包括齿轮驱动装置8，所述温度感应元件3和所述齿轮驱动装置8均与所述第二主控制器相连接，所述温度感应元件3实时检测所述无人机仓内部的温度信息，当无人机仓内部温度处于第一温度范围时，所述第二主控制器通过所述齿轮驱动装置8控制所述齿轮循环泵6处于第一循环速率，当无人机仓内部温度处于第二温度范围时，所述第二主控制器通过所述齿轮驱动装置8控制所述齿轮循环泵6处于第二循环速率；

本实施例通过温度感应元件3实时检测无人机仓内部的温度信息，第二主控制器根据该信息选取最优的冷却系统的冷却速率，避免了现有冷却系统无法根据无人机仓的具体温度进行调整冷却输出而造成的能源浪费，通过冷却液进行冷却的效果也明显优于水冷效果，提高了冷却效率，而为了适应输出频率的变化，采用了循环齿轮泵6，能够良好的适应循环速度的变化，无论在高、低转速都能可靠地实现自吸。

发明人还发现，齿轮箱变速过程产生的热量是机舱内部热量的主要来源，而齿轮箱通常有两个较明显的温度范围，这间接导致无人机仓内部也出现了两个明显的温度范围，如果不随着温度的高低变化调节冷却效率，虽然存在冷却系统，但是无人机仓内部的高温仍然可能不会得到控制。因此现有的调速机构例如变频电机的自带冷却装置无法满足无人机仓的工作环境的需求，容易造成变频电机的使用寿命和性能较差，因此申请人针对齿轮循环泵6设计了一种齿轮驱动装置8，该齿轮驱动装置8包括相连接的直流电机9和变速装置10，参见图10，变速装置包括壳体11、主轴12、驱动轴13、第一主动齿轮14、第二主动齿轮15、第一摩擦片组16、第二摩擦片组17、第一活塞组件18、第二活塞组件19以及液压控制装置(未示出)等部件。

主轴12和驱动轴13通过轴承安装在壳体11内，主轴12与直流电机9相连接，驱动轴13与齿轮循环泵6的齿轮61相连接，驱动轴13上设有第一从动齿轮20和第二从动齿轮20，第一从动齿轮20与第一主动齿轮14相啮合，第二从动齿轮21与第二主动齿轮15相啮合，且两个齿轮组的传动系数不同，使得齿轮驱动装置具有两个可变换的档位，当然也可以根据具体需要设计多种档位。

第一主动齿轮14和第二主动齿轮15通过轴承套设在主轴12上，第一活塞组件18、第二活塞组件19、第一摩擦片组16、第二摩擦片组17套设在主轴12上并与主轴12间隙配合，第一活塞组件18与第一摩擦片组16相连接，第二活塞组件19与第二摩擦片组17相连接，第一活塞组件18、第二活塞组件19均包括油腔22、设置在油腔22内的活塞23和弹簧24，油腔22与液压控制装置的油路相连接，具体的，是在油腔设有与液压控制装置管路连接的进油孔221，液压控制装置与第二主控制器(例如,plc)相连接，通过第二主控制器输出指令控制所述液压控制装置对第一活塞组件18或第二活塞组件19进油或出油，活塞23与弹簧24相连接，第一摩擦片组16和第二摩擦片组17均包括外套25、设置在外套25内的固定片26和活动片27、与主轴12相连接并随主轴12从动的从动轴28，第一摩擦片组16的外套与第一主动齿轮14相连接，第二摩擦片组17的外套与第二主动齿轮15相连接，固定片26固定安装在从动轴28上，活动片27套设在从动轴28上并与从动轴28间隙配合，活动片27与外套25的内壁相啮合并可在内壁上滑动，固定片26的表面上设有凹槽，活动片27设有与凹槽相适配的齿。

上述变速结构的具体工作过程为：

当机舱齿轮箱温度处于第一温度范围时，会导致无人机仓内部也接近第一温度范围，第二主控制器根据测量的温度，控制液压控制装置向第一活塞组件的油腔进油，通过油压推动第一活塞组件的活塞向第一摩擦片组的活动片运动，使第一摩擦片组的活动片与固定片啮合，从而使第一摩擦片组的外套和第一主动齿轮随主轴转动，通过第一主动齿轮带动第一从动齿轮和驱动轴转动，而此时第二主动齿轮随着第二从动齿轮的转动而转动，不产生扭矩输出。

当机舱齿轮箱温度处于第二温度范围时，会导致无人机仓内部也接近第二温度范围，第二主控制器根据测量的温度，控制液压控制装置向第二活塞组件的油腔进油，并将第一活塞组件的油腔回油，通过油压推动第二活塞组件的活塞向第二摩擦片组的活动片运动，使第二摩擦片组的活动片与固定片啮合，从而使第一摩擦片组的外套和第二主动齿随主轴转动，通过第二主动齿轮带动第二从动齿轮和驱动轴转动。

通过本实施例的上述温度调节系统，无论机舱内部的温度如何变化，无人机仓内部均能保持较为合适的温度，冷却效率大大提高，从而保证无人机始终能够正常充电。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。