基于太阳能供电的无人机自主起降换电池的能源自治基站的制作方法

本发明涉及一种基于太阳能供电的无人机自主起降换电池的能源自治基站，属于无人机控制技术领域。

背景技术：

近年来，无人机被广泛应用到各个领域，控制技术日趋成熟，在当今社会中发挥着重要的作用。无人机上可搭载图像传输、数据传输、gps导航系统、超声波监测装置等模块，因此，无人机可满足目前绝大多数应用需求。如电力巡检、农林保险等多个领域，甚至还可以作为运载、勘探、巡逻工具。但由于旋翼无人机升力与机体重量的限制，导致旋翼无人机可携带的电池容量被限制。现有无人机一般续航时间约为三十分钟左右。由于时间较短，导致在无人机工作过程中需要有工作人员把握时间，不断更换电池。在目前的电池技术条件下，如果没有工作人员参与，无人机难以长时间执行一些时间较长的任务，如高压线路巡检、消防抗灾等。由于我国内蒙古、新疆等省市地广人稀，地形崎岖，如果需要工作人员跟随无人机完成任务，则会造成人力资源的大量浪费。因此，目前急需一种能够使无人机能够自主起降并自动更换电池的能源自治基站，保证无人机能够在执行任务过程中保持良好的续航能力，而基站也无需接入外部电源，采用能源自治方式实现能源的补给。旋翼无人机在电量低于某一数值后通过回到基站，更换电池后继续执行任务。

目前，国内无人机更换电池的主要问题是人工更换无人机电池过程会导致人力资源的大量浪费，而部分已有的自动更换电池装置较为复杂，且所需精度过高，成本过大。因此，如何能够更换无人机电池，增强无人机的续航能力是需要解决的首要问题。本发明是基于机械传动技术和先进控制理论的能源自治的无人机自动起降换电池的基站，主要解决以下问题：

1、由于无人机自动起降的基站需要放置在室外甚至一些偏僻的地区，(草原地区电力巡检，可将基站做成接力式巡检基站)基站就需要比较高的自动化程度，较低的故障率和较低的维护成本。因此，基站的设计以简洁、实用为宗旨。并且整个基站工作所需的能源都由太阳能提供，更为环保，不会影响环境。

2、由于无人机降落后位置会有较大的偏差，因而设计了一种能够在无人机降落之后对其位置进行调整的装置，以使后续无人机自动更换电池能够顺利进行。

3、由于传统无人机更换电池需要人工更换，其需要工作人员跟随无人机并且全程遥控，不但耗费了大量人力资源，同时也存在因飞手的技术水平参差不齐而造成无人机在降落过程中受到损伤。因此，本发明采用机械爪更换电池，可以让无人机在定点降落在指定位置后，通过更换电池的方法，短时间内再次获得充足电量，保证无人机完成任务过程中的高续航能力，同时也实现了部分地形较为崎岖的地域中无人机能够在没有人参与的情况下完成任务，具有较高的自动化、智能化水平。

无人机构造简单、成本低、可垂直起降、机动性能好、环境适应能力强，并且可以携带各种各样的设备完成相应的任务，因此在民用领域的运用正逐渐扩大。随着智能技术、微电子技术、数字通信技术、传感技术和虚拟现实技术等的蓬勃发展，一些原本存在于技术发展前进道路上的难题逐渐被攻克，无人机事业的发展蒸蒸日上。但是现在无人机的续航能力始终限制着其飞行距离与发展空间。根据此问题，本发明提供了一种无人机自动起降并更换电池的能源自治基站设计，以便解决无人机续航能力不足的问题。

在无人机自动起降基站方面，目前相关报道还比较少，且现有的产品功能比较单一，仅能实现无人机的起降及回收。经专利检索，类似的专利为2017306861263，名称为无人机基站。该发明是单片盖板横向开合，内部有升降平台，可以完成无人机的起降和回收，但无法在无人机降落后调整其位置。若无人机降落位置出现较大偏差，平台降下时可能损坏无人机。基站功能较为单一，且需要外部供能。

在无人机起落的起降平台方面，目前已经有了一些设计，但现有设计大多机械结构复杂。国内对无人机升降平台的设计也比较少，经专利检索，专利号为2017217536570，名称为无人机起降平台。该发明使用铰接与折叠结构实现平台的升降，结构较为复杂，且该结构稳定性不足，某一个零件的故障就会令平台无法正常升降，维护成本较高。而且在无人机落在平台上时，会有一定的偏差，因此如何对无人机的水平位置进行调整也是一个关键问题。类似的解决方案经专利检索，专利号为2016109316653、2016109345783，名称为无人机起降平台。这两个专利采取的方案为无人机底部装配的竖直杆插入升降台中心的漏斗形孔，以对正无人机的位置。这种设计虽然可以解决无人机降落水平位置偏差的问题，但是无论是平台的设计还是无人机的设计上都比较复杂，特别是无人机上加装的装置会增加无人机的重量，占用无人机上本就紧张的空间。

针对无人机的自动更换电池问题，目前已有一些能够通过机械结构进行自动更换电池的技术。但是其均需要具有较高的精度和较为复杂的机械结构。而且国内针对如何能够实现无人机自动更换电池的问题，相关报道也比较少。经文献检索，专利公告号为1085058848，专利号为201810062724，名称为无人机电池更换装置及无人机电池自动更换方法。该发明是通过机械手臂辅助电池进出电池仓，较我们的发明而言复杂程度更高，所需的精密度也更高，实现难度较大。由于其机械结构更为复杂，需要较高的工艺水平，成本也相应更高。且由于机械臂内部齿轮和电机容易受到电池重量的影响而造成偏差，长时间使用后可能会导致电池不能够顺利送入电池仓而对无人机造成损害。

综上所述，现有技术在基站设计上功能较为单一，均无法自主供能，以至于在一些偏远地区部署比较困难。而且无法安全、稳定地完成无人机自动更换电池的任务，无法方便快捷地解决无人机的续航问题。综合现有的相关发明，根据无人机的实际工作情况和对基站的功能的实际需求，本发明采用新的思路，从而使整个工作过程更为简洁，整个系统的稳定性更高。从而能够保证无人机在没有人的控制下完成电池的更换任务。

首先，上述提到的现有发明中，有些基站仅能供无人机起降，对无人机的续航并无帮助。因此，在基站功能的设计上，为了解决无人机续航时间短的问题，本发明中的基站被设计为可供无人机起降，并自动换电池的能源自治基站；其次，在无人机起降平台的设计上，上述发明结构较为复杂，还需对无人机进行专门的改装。而且无人机降落时会有一定的偏差，若无人机降落到平台上时位置偏差较大，平台下降时可能会使无人机与基站刮碰，从而造成无人机的损坏。本发明设计了电动推杆推动可旋转圆环的升降平台，结构简单，且具有较好的稳定性。且当无人机降落在圆环上之后，在圆环旋转的同时，电动挡板缓慢向圆环靠近，进而使无人机处于圆环的预定位置上，避免了因无人机位置偏差带来的安全隐患，并为之后的自动更换电池提供了条件；最后，在自动更换电池方面，上述发明机械结构较为复杂，因此，本发明采用只在一个平面上移动的电动抓手对无人机电池进行抓取。抓手抓住无人机电池之后，升降平台降下一定高度，使电池脱离无人机。然后，抓手移动到电池盒正上方，电池盒升起，抓手松开，电池入盒，而后电池盒降下一定高度，待抓手移动到电池盒中新电池的位置后，电池盒再次上升，抓手抓取新电池，并移动到无人机上方，升降平台上升，使新电池装入无人机。以此流程完成换电池操作，可以简化装置机械结构的复杂程度，更好地实现对无人机电池的自动更换。

虽然上述已有的无人机基站、升降平台、自动换电池技术在相应的应用领域得到一定的应用，实现了一定的功能，但是如果要直接应用于无人机降落—换电池—起飞这一流程中还是存在一些问题。

1)基站功能的问题

现有的无人机基站功能较为单一，且更多地需要人来操作才能实现无人机的回收、更换电池与放飞。当无人机执行如电力巡检等需要在野外偏远地区完成的任务时，过多地依赖人的操作会大大降低无人机工作效率，还会消耗大量的人力资源。且人为操纵无人机受飞手技术等影响，若操作不当会对无人机造成损伤。而且现有的基站都需要外部供电才能正常工作，当基站被放置在不便供电的山区等地点时，外部供电也会提高基站的使用成本。

2)无人机降落之后平台的升降带来的问题

现有的无人机基站中，大多在无人机降落后直接降下升降平台。由于无人机降落时的精度受无人机自身软硬件和环境影响，无人机的位置与预定位置或多或少存在偏差。若不将无人机位置调正就直接将无人机起降平台降下，可能会使无人机与基站中其他部分发生刮碰，造成无人机的损坏。

3)无人机更换电池装置工艺复杂

现有的无人机回收后，大多数需要人工更换电池，使用机械手臂进行自动换电池的装置普遍较为复杂，造价比较昂贵。当无人机降落后，需要多道工序才能完成无人机电池的更换任务。同时由于其机械结构较为复杂，在无人机降落后可能会因为降落时的冲力而导致无人机与更换电池装置发生碰撞，可能会导致无人机自动更换电池装置内部结构遭到破坏。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明根据基站工作环境以及无人机自动更换电池装置的特殊性，通过机械结构和控制手段，从根本上保证了无人机在降落—换电池—起飞这一过程中的稳定性。具体来说：

对于基站功能的问题：针对现有基站大多在功能上无法完成无人机自动起降并更换电池或此过程中需要过多的人工操作等问题，本发明将基站设计为可自动完成这一任务的自动化基站，其中装有用于自动更换电池的电动抓手及可升降的电池盒、用于调整无人机降落后位置的电动挡板以及环形无人机升降平台，以简单有效地完成预定任务。供无人机起降的基站在有些环境中使用外部供电有诸多不便。比如在电力巡检中，高压线路所经地区大多偏僻，若通过外部给基站供电，则会极大提高成本。本发明在基站供能方面，在基站顶部设计了可翻折的太阳能板，这样不需要外部供电，使得基站可以适应偏僻的环境，并且有效降低成本，节能环保。

对于升降台的设计问题：作为基站内重要设施之一的升降台，在实际的应用中，必须保证高的可靠性和低的故障率。因此复杂的结构不能满足要求。本发明中升降台的设计采用三根伸缩杆顶起环形平台的方案，结构简单，且平台顶层圈可旋转，可以在无人机降落后与电动挡板配合调整无人机的位置。

对于无人机降落后水平位置调整的问题：由于无人机降落会有一定偏差，升降平台直接进行升降可能会使无人机与基站内其它部分发生刮碰造成损坏，因此在无人机降落后就需要对其位置进行调整。现有方案或结构复杂，或占用无人机有限的载荷。本发明在基站内设置了两块挡板，与平台顶层旋转相配合，将无人机调整到预定位置。以保证无人机在平台升降过程中不受损坏。

对于无人机更换电池装置工艺复杂的问题：由于无人机起飞和降落个过程需要一定的空间，如果自动更换电池装置在无人机起降过程中与无人机碰撞可能会导致装置损坏。因此，本发明采用丝杠控制的方式，不但增加了机械手爪的灵活度，同时也有效避免了自动充电装置与无人机之间的不必要碰撞保证整个系统不会受到损害。采用丝杠控制还可以提高抓手抓取与放下电池的精度，使整个流程更加稳定。

为了实现无人机的自动起降换电池的要求，本发明采用的的技术方案为基于太阳能供电的无人机自主起降换电池的能源自治基站，包括无人机起降装置、自动更换电池装置和供能装置三部分。

无人机起降装置由电动挡板和环形升降平台组成。电动挡板装置由挡板驱动电机1、大同步轮同步带2、光轴轴承座3、光轴固定座4、大同步轮5、小同步轮6、正向y轴传动卡7、反向y轴传动卡8、挡板9和光轴10构成。其中，挡板驱动电机1和四根光轴10均固定在基站框架上。

四根光轴10中两根竖向平行布置作为驱动光轴，另外两根横向平行布置作为挡板9的滑动轨道。两根作为挡板9的滑动轨道的光轴10上各有一个正向y轴传动卡7和一个反向y轴传动卡8，两片挡板9的两端分别固定在两个正向y轴传动卡7和两个反向y轴传动卡8上。

挡板驱动电机1通过大同步轮同步带2与大同步轮5连接，大同步轮5固定在其中一根驱动光轴上，该驱动光轴通过光轴轴承座3固定在基站框架上，以使挡板驱动电机1能够驱动整根驱动光轴。大同步轮5所在驱动光轴的两端分别固定一个小同步轮6，通过大同步轮同步带2分别与另一根驱动光轴上的两个小同步轮6连接，两个正向y轴传动卡7固定在大同步轮同步带2的上层，两个反向y轴传动卡8固定在大同步轮同步带2的下层，以实现两片挡板9同时相对或相向运动。

环形升降平台由上旋转环11、上旋转环槽12、环旋转电机13和环升降杆14构成。上旋转环11镶嵌在上旋转环槽12上，由环旋转电机13驱动上旋转环11旋转。环升降杆14由电动推杆制成，环形升降平台的升降则由环升降杆14实现。

自动更换电池装置由电动抓手及其模组、可升降电池仓组成。电动抓手及其模组由三根模组直线导轨15和电动机械爪16构成。模组直线导轨15内部为电动丝杠结构，实现导轨上部件的精确移动。其中，两根模组直线导轨15固定在基站框架上，另外一根模组直线导轨15两端分别固定在两根模组直线导轨15上，以实现y轴上的移动。电动机械爪16固定在能够移动的模组直线导轨上，以实现x轴上的移动。电动机械爪16的下部通过控制实现开合程度的变化，以此来抓放无人机的电池。

可升降电池仓由可容纳三块电池的电池仓17和电池盒升降杆18构成。其中，电池仓17中装有充好电的电池，当电动机械爪16将无人机上的电池取下后放入电池盒，即可给电池充电。同时，电动机械爪16能够直接将充好电的电池取走装在无人机上。可升降电池仓的升降由电池盒升降杆18完成。

供能装置由可翻折太阳能板和蓄电池23组成。可翻折太阳能板由太阳能板翻转电机19、太阳能板20、太阳能板支架21和太阳能板支架驱动电机22构成。太阳能板支架21的一侧与基站框架相连接，在太阳能板支架21与基站框架相接一侧的一端设计有太阳能板支架驱动电机，以实现整个太阳能板支架在基站框架上的开合。两片太阳能板20各有一侧与太阳能板支架21相连接，连接侧的一端分别设计有太阳能板翻转电机19，以实现太阳能板的横向翻转。在没有无人机换电池任务时，通过太阳能板20的翻转和太阳能板支架21的开合角度变化来充分利用太阳能，以获得更多的电能。蓄电池放置在基站中，用来储存太阳能板所发电能。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：本发明的独创性主要体现在可翻折太阳能板供能结构、无人机的位置调整结构和自动换电池结构。

可翻折太阳能板结构由电机驱动，可以在没有无人机降落起飞换电池任务时最大限度的吸收太阳能，以尽可能快的速度向蓄电池充电，保证整个基站的供电。由于能够自主供能，本发明的基站可以适应偏远地区等不便供电的环境，可以有效地节约成本。

无人机位置调整结构：本发明设计了一种有一定弧度的电动挡板与可旋转的环形升降平台相结合实现无人机位置调整结构。结构简单，且可以有效避免平台下降时无人机位置偏差造成无人机损坏。同时，可以便于自动换电池的进行。

自动换电池结构：本发明采用电动机械爪与可升降电池仓配合完成无人机电池的自动更换。由于电池仓和环形升降平台可升降，电动机械爪只需在一个平面上移动即可。电动机械爪对准预定位置，通过可升降电池仓或环形升降平台的升降即可完成电池的抓放。从而使自动换电池装置机械结构得到简化。

附图说明

图1a电动挡板装置整体三维立体图。

图1b电动挡板装置关键部位局部三维立体图。

图2环形升降平台整体三维立体图。

图3电动抓手及其模组整体三维立体图。

图4可升降电池盒整体三维立体图。

图5a可翻折太阳能板主视整体三维立体图。

图5b可翻折太阳能板侧视整体三维立体图。

图6蓄电池整体三维立体图。

图7无人机自动起降换电池基站整体三维立体图。

图8a无人机降落流程图。

图8b无人机位置调整流程图。

图8c自动换电池流程图。

图8d无人机放飞及系统复位流程图。

图中：1、挡板驱动电机2、同步带3、光轴轴承座4、光轴固定座5、大同步轮6、小同步轮7、正向y轴传动卡8、反向y轴传动卡9、挡板10、光轴11、上旋转环12、上旋转环槽13、环旋转电机14、环升降杆15、模组直线导轨16、电动机械爪17、电池仓18、电池仓升降杆19、太阳能板翻转电机20、太阳能板21、太阳能板支架22、太阳能板支架驱动电机23、蓄电池24、太阳能板顶盖25、电动抓手及其模组26、环形升降平台27、可升降电池仓28、蓄电池29、电动挡板装置。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

无人机即将降落时，基站顶部太阳能板打开，环形升降平台升起到预定高度。无人机在环形升降平台着陆后，环形升降平台降到预定位置，上旋转环旋转，挡板从两侧向中间逐渐移动，与无人机脚架接触，将无人机逐渐推至预定位置。无人机至预定位置后，挡板向两侧归位，环形升降平台继续下降至换电池操作所需高度。电动机械爪移动至预定位置，环形升降平台上升，直至电动机械爪与无人机电池接触。电动机械爪收紧，夹住电池，环形升降平台下降，使电池与无人机分离。抓手移至电池仓上方，电池仓升起，电动机械爪将电池放入电池仓。而后电池仓下降，电动机械爪移动至新电池上方，电池仓上升，抓手抓取新电池，电池仓降下。电动机械爪移至无人机上方，环形升降平台上升，电池装入无人机后环形升降平台降下。电动机械爪归位，环形升降平台上升至无人机起飞高度，实现无人机的放飞。

本发明设计的无人机自动起降换电池基站的整体示意图如图7所示。

步骤1：无人机降落前，太阳能板翻转电机和太阳能板支架驱动电机使太阳能板归位。然后，太阳能板翻转电机驱动太阳能板翻转180度，使其呈完全打开状态。环升降杆将环形升降台推至与基站上沿持平的位置，以便无人机降落。

步骤2：无人机降落至环形升降平台上之后，平台下降至可以使无人机脚架与挡板持平的高度。然后环旋转电机驱动上旋转环转动，同时挡板驱动电机驱动挡板缓慢向环形升降平台移动。当无人机脚架开始与挡板接触时，通过上旋转环的旋转和挡板的逐步推进，具有较大弧度的挡板可以逐渐调整无人机位置。当挡板边缘弧移动至预定位置后，无人机便可调整到理想位置，以便后续换电池环节的进行。调整完成后，挡板归位，至此，无人机位置调整部分完成。

步骤3：环形升降平台下降到换电池所需高度，然后，电动机械爪移动至无人机上方。环形升降平台上升至无人机电池预定部位进入电动机械爪抓取范围的高度时停止上升，电动机械爪收紧，夹住无人机电池。紧接着，环形升降平台下降，使无人机与电池分离。待无人机与电池分离完成后，电动机械爪移动至电池仓中空的电池仓上方，而后，电池仓升降杆推动电池仓上升，直至电池完全入仓后，电动机械爪松开电池，换下的电池在电池仓内即可进行充电，以备下次任务使用，然后电池仓下降。电池仓降至不影响电动机械爪移动的高度时，电动机械爪移至充好电的电池上方。然后电池仓再次上升至电动机械爪抓取电池的高度，电动机械爪抓住电池，紧接着电池仓下降到原位。电池仓降下之后，电动机械爪移动至无人机上方，环形升降平台上升至新电池进入无人机预定部位之后，电动机械爪释放电池。新电池就位后，环形升降平台降至不影响电动机械爪移动的高度，以便电动机械爪归位。待电动机械爪归位后，环形升降平台上升至与基站框架上沿持平的高度，此时无人机即可放飞。至此，自动更换电池工作结束。

步骤4：无人机起飞后，环形升降平台归位，太阳能板翻转电机驱动太阳能板翻转至正常工作位置。然后太阳能板翻转电机和太阳能板支架驱动电机工作，使太阳能板回到高效工作状态。

由于基站完整工作流程较长，此处将整个流程分为无人机降落流程、无人机位置调整流程、自动换电池流程、无人机放飞及系统复位流程。

本发明的无人机自动起降换电池流程图如图8a-8d所示。

无人机降落流程如图8a所示。在没有无人机起降任务时，太阳能板正常工作，向蓄电池供电。无人机准备降落时，通过太阳能板翻转电机太阳能板支架驱动电机驱动太阳能板归位。太阳能板归位后，太阳能板翻转电机驱动太阳能版完全开启。太阳能板完全开启后环升降杆伸长，环形升降台上升。环形升降平台升至与基站框架上沿持平时，结束上升过程，无人机可以着陆在平台上。

无人机位置调整流程如图8b所示。无人机降落至环形升降平台后，环升降杆缩短，平台下降至挡板高度。降至挡板高度后，环升降杆停止缩短，挡板驱动电机驱动两挡板同时向环形升降平台靠近，同时环形升降平台上的环旋转电机驱动上旋转环旋转。待挡板移至紧贴环形升降平台时，环旋转电机停止工作，上旋转环停止旋转，同时，挡板驱动电机反转，驱动挡板归位。至此，无人机位置调整结束。

自动换电池流程如图8c所示。环形升降平台降至进行无人机换电池操作的高度后，电动机械爪开始移动，待电动机械爪移动至无人机电池仓上方后，环形升降平台上升。环形升降平台升至无人机电池可以被电动机械爪抓紧的高度后停止上升，电动机械爪夹紧，完成抓取电池操作，而后环伸缩杆缩短驱动环形升降平台下降。待环形升降平台降至无人机与电池完全分离后，电动机械爪带着抓取的电池移动至可升降电池仓上方，电池仓升降杆伸长，使电池仓升高。电池完全进入电池仓后，电动机械爪松开电池，电池仓升降杆缩短，电池仓下降。待电池仓降至预定高度后，电动机械爪移至新电池上方，而后电池仓升降杆伸长，电池仓再次上升。待电池仓升至新电池可以被电动机械爪抓紧的高度后停止上升，电动机械爪抓取新电池。而后电池仓升降杆缩短，电池仓下降至原位。紧接着电动机械爪移动至无人机电池仓上方。电动机械爪就位后，环伸缩杆伸长驱动环形升降平台上升。电池完全进入电池仓后，电动机械爪松开电池，环伸缩杆缩短。环形升降平台降至预定高度后，电动机械爪归位，自动换电池流程结束。

无人机放飞及系统复位流程如图8d所示。环伸缩杆伸长，驱动环形升降平台上升。环形升降平台上升至与基站框架上沿持平后，无人机即可起飞。无人机起飞后，环伸缩杆缩短驱动环形升降平台归位。环形升降平台归位后，太阳能板翻转电机驱动太阳能板归位。太阳能板归位后，太阳能板翻转电机和太阳能板支架驱动电机开始工作，使太阳能板恢复正常工作状态。至此，整个流程结束。