小型无人机自动更换电池的移动机巢及其停机坪的制作方法

本发明涉及无人机技术领域，特别是涉及一种小型无人机自动更换电池的移动机巢及其停机坪。

背景技术：

目前无人机已被广泛应用到电网巡检、测绘、巡航、环境监测、快递投放等多个领域，无人机的精准降落和续航能力是影响现阶段无人机在各行业应用发展的重要因素。但受到无人机自身结构和重量及其电池技术的限制，无人机最多智能飞行半个小时，航程较短，严重影响了无人机在各个行业执行任务的能力。因此出现了各种各样的能为无人机充电续航及精准降落的停机坪。现有的无人机降落位置的定位技术主要在无人机上实施，通过提高无人机自身定位精度，达到准确降落的目的，但即使使用rtk达到了厘米级定位，对于降落面积较小且配备无线充电技术的停机坪来说，其精度仍不够高。

公开号为cn109502039a的发明专利公开了一种车载无人机停机箱设备、自动更换电池的方法和系统，具有以下技术缺陷：

(1)虽然停机箱设备设置了壳体，解决了无人机停放充电时易受环境干扰的问题，但停机箱设备的壳体四周是封闭式，顶部设有开口，极大限制了无人机降落的空间范围，无人机在下降的过程中由于此结构的空间限制，导致气流反冲，无人机不容易挺稳，增加了无人机降落的难度；

(2)无人机必须降落在在停机坪上设置的四个定位滑杆围成的矩形区域内，同时利用四个定位滑杆将无人机推动到指定位置，由设置在滑杆上的启程开关锁紧无人机支架腿，一方面在停机区域设置滑杆影响无人机的平稳降落，另一方面在由定位滑杆推动的过程中，并不能保证无人机停机时的稳定性，且紧固效果差；

(3)充电柜设置在机械臂的后方位置，机械臂夹取无人机电池后还需要经过旋转动作将取下的电池放入充电柜的充电槽中，增加了机械臂的取放的行程和难度，且机械臂依靠升缩杆定位，定位精度很低。

因此该专利在实际应用中尚存有诸多问题，针对上述技术问题，亟需提供一种新型的无人值守、可移动无人机智能停机坪系统来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种小型无人机自动更换电池的移动机巢及其停机坪，能够实现无人机的精准降落及智能化充电。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种小型无人机自动更换电池的移动机巢，包括移动机巢、控制单元；

所述移动机巢包括底板、底板框架、滑动连接在底板框架上的移动式顶盖、设置在底板上的停机坪、三维模组单元；所述停机坪内设有充电仓，三维模组单元包括机械夹爪；

所述控制单元包括依次相连的工控机、控制模块、若干伺服控制器，工控机发送指令至控制模块，由控制模块执行工控机的指令控制各伺服控制器，完成控制无人机在停机坪上的精准降落与固定、三维模组单元的移动、机械夹爪将无人机移动至固定降落位置及在无人机与充电仓之间取放电池、监控充电仓内的电池信息。

在本发明一个较佳实施例中，所述底板框架的一侧上方安装有同步带，同步带上设置有顶盖连接板，同步带的一端安装在一步进电机的输出轴上，与同步带相对的一侧底板框架上安装有滑轨；

所述移动式顶盖包括第一顶盖、第二顶盖，第一顶盖与第二顶盖均通过顶盖连接板及滑轨与底板框架滑动连接，当移动式顶盖全部打开时，第一顶盖与第二顶盖分别位于滑轨的两端侧。

在本发明一个较佳实施例中，所述三维模组单元还包括x轴模组、y轴模组、z1轴模组、z2轴模组；

所述x轴模组设置在与充电仓相对的底板上，用于三维模组单元水平方向上的移动；

所述y轴模组设置在x轴模组与充电仓之间的底板上，用于三维模组单元垂直方向上的移动；

所述z1轴模组垂直安装在x轴模组的外侧，用于实现安装在z1轴模组上的机械夹爪在z1轴模组上的上下移动；

所述z2轴模组包括滑动连接在x轴模组与z1轴模组之间的模组间连接件，用于实现z1轴模组的上下运动。

进一步的，所述z1轴模组的顶端还安装有双目相机，用于识别无人机降落在停机坪上的位置、辅助机械夹爪完成无人机电池的取放、辅助控制单元监测充电仓内电池的充电状态。

在本发明一个较佳实施例中，所述伺服控制器包括顶盖伺服控制器、三维模组伺服控制器、机械夹爪伺服控制器、停机坪伺服控制器、视觉系统伺服控制器；

所述顶盖伺服控制器用于控制顶盖的开合；

所述三维模组伺服控制器用于控制三维模组单元的运动；

所述机械夹爪伺服控制器用于控制机械夹爪的抓取动作；

所述停机坪伺服控制器用于完成无人机固定在停机坪上；

所述视觉系统伺服控制器用于控制双目相机的启动与停止。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种小型无人机自动更换电池的停机坪，包括底面开口的箱体；

箱体的前端设有充电仓，箱体的上顶面设有无人机的降落平台，位于降落平台位置的箱体内部设置有无人机机架紧固装置，用于无人机停落在降落平台的位置归中与固定。

在本发明一个较佳实施例中，所述充电仓包括若干个为无人机电池充电或容纳的充电槽、设置于充电槽内的光电传感器、电流传感器；

所述光电传感器用于确认电池是否在充电槽内；

所述电流传感器用于检测电池是否处于充电状态及充电量。

在本发明一个较佳实施例中，所述无人机机架紧固装置包括两台驱动电机、两组机架固定爪；

所述驱动电机固定安装在箱体内，两台驱动电机的轴线位于同一条直线上；

每组机架固定爪包括两个机架固定爪，分别安装在驱动电机的电机轴的两端。

进一步的，所述机架固定爪的一端设有套圈、另一端设有钩爪，套圈与驱动电机的电机轴固定连接，机架固定爪的中部设有通槽。

更进一步的，所述降落平台的中部开有阵列排布的四个腰型槽，用于机架固定爪伸出腰型槽固定无人机机架。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所述移动机巢设有可移动、开放式的顶盖，不仅解决了无人机停放充电时易受环境干扰的问题，而且增加了无人机降落的空间范围，有效降低无人机降落的停机难度；借助三维模组单元实现机械夹爪的精准定位，且充电仓设置在停机坪内、位于无人机的正下方，全自动、智能化在无人机与充电仓之间取放无人机电池，为无人机提供持续充电续航功能；通过控制单元控制无人机在停机坪上的精准降落与固定、三维模组单元的移动及机械夹爪在无人机与充电仓之间取放电池、监控充电仓内的电池信息，提供了一种真正意义上的无人值守、可移动无人机智能停机坪系统；

(2)所述停机坪不仅为无人机提供了一个可精准降落及紧固的平台，而且能够为无人机电池进行持续充电，可广泛应用在各种无人机的移动机巢上；所述无人机机架紧固装置设计巧妙，通过两组机架固定爪同时相向运动，达到有效地夹紧固定与归中无人机的作用；

(3)本发明所述移动机巢适用于小型无人机的停机和自主更换电池，自动化智能化程度高，不仅可以在汽车、船舶或卡车上安装，也可以在地面上使用，协助无人机实现各种环境下的作业要求，应用范围广泛。

附图说明

图1是本发明所述小型无人机自动更换电池的移动机巢的立体结构示意图；

图2是所述小型无人机自动更换电池的移动机巢去除第二顶盖的立体结构示意图；

图3是所述小型无人机自动更换电池的移动机巢去除移动式顶盖的立体结构示意图；

图4是图3中的a部放大图；

图5是所述停机坪的内部结构示意图；

图6是所述充电仓的结构示意图；

图7是所述机架固定爪的结构示意图；

图8是所述控制单元的结构原理框图。

附图中各部件的标记如下：1、底板，2、底板框架，3、顶盖，31、第一顶盖，32、第二顶盖，4、停机坪，41、充电仓，411、充电槽，412、卡扣，42、箱体，43、降落平台，431、腰型槽，432、位置定位标记，44、驱动电机，45、机架固定爪，451、套圈，452、钩爪，453、通槽，5、三维模组单元，51、机械夹爪，52、x轴模组，521、x轴轨道，522、x轴链式线槽，523、x轴模组驱动电机，53、y轴模组，531、y轴轨道，532、y轴链式线槽，533、y轴模组驱动电机，534、限位器，54、z1轴模组，541、z1轴轨道，542、z1轴模组驱动电机，543、延伸板，55、z2轴模组，551、模组间连接件，552、z2轴模组驱动电机，6、同步带，61、顶盖连接板，62、滑动轴承，7、步进电机，71、安装架，8、滑轨，9、双目相机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1至图3，本发明实施例包括：

一种小型无人机自动更换电池的移动机巢，包括移动机巢、控制单元，控制单元可设置在控制柜中，控制柜放置在移动机巢的下方。

所述移动机巢包括底板1、底板框架2、滑动连接在底板框架2上的移动式顶盖3、设置在底板1上的停机坪4、三维模组单元5；所述停机坪4内设有充电仓41，三维模组单元5包括机械夹爪51；所述控制单元包括依次相连的工控机、控制模块、若干伺服控制器，工控机发送指令至控制模块，由控制模块执行工控机的指令控制各伺服控制器，完成控制无人机在停机坪4上的精准降落与固定、三维模组单元5的移动、机械夹爪51将无人机移动至固定降落位置及在无人机与充电仓41之间取放电池、监控充电仓41内的电池信息。优选的，所述控制模块包括plc、运动控制卡。

所述底板框架2是由四根型材搭成的框架，是整个移动机巢的主要受力点，底板1安装在底板框架2上。底板框架2的一侧上方安装有同步带6，同步带6上设置有两个顶盖连接板61，同步带6的一端安装在一步进电机7的输出轴上、另一端安装在一滑动轴承62上，步进电机7通过一安装架71安装在一侧的底板框架2上，滑动轴承62安装在相对侧的底板框架2上。与同步带6相对的一侧底板框架2上安装有滑轨8，为满足长度需求，滑轨8可采用三段式滑轨。

结合图2，所述移动式顶盖3包括第一顶盖31、第二顶盖32，第一顶盖31与第二顶盖32均通过顶盖连接板61及滑轨8与底板框架2滑动连接。当移动式顶盖3全部打开时，第一顶盖31与第二顶盖32分别位于滑轨8的两端侧，能够为无人机停机提供一个较大的空间范围，有效降低无人机降落的停机难度。

所述三维模组单元5还包括x轴模组52、y轴模组53、z1轴模组54、z2轴模组55。

所述x轴模组52设置在与充电仓41相对的底板1上，用于三维模组单元5水平方向上的移动。包括x轴轨道521、x轴链式线槽522、x轴模组驱动电机523，x轴模组驱动电机523安装在x轴轨道521的一端，为x轴模组52提供驱动力，x轴链式线槽522安装在x轴轨道521的一侧，用于x轴模组的布线。

所述y轴模组53设置在x轴模组52与充电仓41之间的底板1上，用于三维模组单元5垂直方向上的移动。包括y轴轨道531、y轴链式线槽532、y轴模组驱动电机533，y轴模组驱动电机533安装在y轴轨道531的一端，为y轴模组53提供驱动力，y轴链式线槽532安装在y轴轨道531的一侧，用于y轴模组的布线。

所述z1轴模组54垂直安装在x轴模组52的外侧，包括z1轴轨道541、z1轴模组驱动电机542，z1轴模组驱动电机542安装在z1轴轨道541上方延伸板543的一端，为z1轴模组54提供驱动力。机械夹爪51滑动安装在z1轴轨道54上，z1轴模组54用于实现机械夹爪51在z1轴模组54上的上下移动。在z1轴轨道54上方延伸板543的另一端安装有双目相机9，用于识别无人机降落在停机坪4上的位置、辅助机械夹爪51完成无人机电池的取放、辅助控制单元监测充电仓内电池的充电状态。

所述z2轴模组55包括滑动连接在x轴模组52与z1轴模组54之间的模组间连接件551、安装在模组间连接件551上的z2轴模组驱动电机552，模组间连接件551不仅实现z1轴模组54在x轴模组52上的左右移动，还可以实现z1轴模组54的上下运动。z2轴模组驱动电机552为z2轴模组55提供驱动力。

进一步的，在x轴轨道521、y轴轨道531、z1轴轨道541上均安装有一对限位器534，分别安装在轨道的两端，两端限位器534之间的距离为轨道的行程范围。限位器534起到开关的作用，轨道移动到限位器534处即停止移动。

参阅图4和图5，所述停机坪4包括底面开口的箱体42，箱体42固定安装在底板1上。箱体42的前端设有充电仓41，箱体42的上顶面设有无人机的降落平台43，位于降落平台43位置的箱体42内部设置有无人机机架紧固装置，用于无人机停落在降落平台43的位置归中与固定。

结合图6，所述充电仓41包括若干个为无人机电池充电或容纳的充电槽411、设置于充电槽411内的光电传感器、电流传感器(图中未示出)。本实施例中，充电槽411的个数为五个，这些充电槽411中的一部分空着，用于存放从无人机取下的电池并充电，一部分放置正在充电或电量充足的电池，以供无人机更换。进一步的，所述充电槽411中设置有卡扣412，当电池插入充电槽411中时，电池上的按钮与卡扣412结构配合，即能够锁紧电池，同理，当从充电槽411中取出电池时，按住电池上的按钮即可脱离充电槽411中的卡扣412，完成电池的抽取。所述光电传感器用于确认电池是否在充电槽内；所述电流传感器用于检测电池是否处于充电状态及充电量。优选的，所述充电槽411上还可设置指示灯(图中未示出)，用于指示电池的充电状态及充电量。控制单元借助双目相机9视觉感知电池的位置、电量信息等。所述充电仓41的电源由控制单元提供，控制单元可连接车载电源或外部电源。

所述无人机机架紧固装置包括两台驱动电机44、两组机架固定爪45。所述驱动电机44固定安装在箱体42内，两台驱动电机44的轴线位于同一条直线上。优选的，所述驱动电机44采用双输出轴减速电机。每组机架固定爪45包括两个机架固定爪45，分别安装在驱动电机44的电机轴的两端。通过控制驱动电机44的正反转，实现无人机机架的卡紧和松开。

结合图7，所述机架固定爪45的一端设有套圈451、另一端设有钩爪452，套圈451与驱动电机44的电机轴固定连接。为了减重，机架固定爪45的中部设有通槽453。同一台驱动电机44上的机架固定爪45的钩爪452朝向相同，图中所示钩爪452的朝向均朝向外侧。优选的，相对驱动电机44上的机架固定爪45钩爪452朝向均朝向内侧，以便为固定无人机机架时提供向内夹紧的力。

所述降落平台43的中部开有阵列排布的四个腰型槽431，分别位于两台驱动电机44的两侧，用于机架固定爪45伸出腰型槽431固定无人机机架。运动时机架固定爪45在驱动电机44的驱动下，两组机架固定爪45同时相向运动，以夹紧固定、归中无人机。优选的，所述降落平台43上设有位置定位标记432和方向定位标记(图中未示出)，位置定位标记432在无人机降落过程中作为位置参考，可设计醒目的颜色，方向定位标记在无人机降落过程中作为方向参考，以调整无人机的朝向。

通过所述无人机机架紧固装置实现无人机机架的紧固，避免机械夹爪51在夹取无人机电池过程中无人机产生移动，导致电池夹取不下来；同时增加了无人机在停机坪上停机的稳定性。

为进一步减重，在三维模组单元5与停机坪4之间未设计有底板。

结合图8，工控机是整个移动机巢的控制核心，能够控制整个无人机机巢的运转，控制模块接受工控机的指令控制各伺服控制器，由伺服控制器控制电机的运转，从而控制整个装置的工作：包括机巢顶盖3的打开和关闭、三维模组单元5的运动、机械夹爪51的运动、无人机机架的固定和松开，以及监控充电仓41充电槽411的使用情况、充电电池的充电情况等。

所述伺服控制器包括顶盖伺服控制器、三维模组伺服控制器、机械夹爪伺服控制器、停机坪伺服控制器、视觉系统伺服控制器。所述顶盖伺服控制器用于控制顶盖3的开合；所述三维模组伺服控制器用于控制三维模组单元5的运动；所述机械夹爪伺服控制器用于控制机械夹爪51的抓取无人机和电池的动作；所述停机坪伺服控制器用于完成无人机固定在停机坪4上；所述视觉系统伺服控制器用于控制双目相机9的启动与停止。

下面结合具体结构说明所述控制单元的控制过程：

(1)机巢顶盖的打开和关闭：

无人机返回移动机巢时，将返回信息发送给工控机，工控机将指令下达控制模块至顶盖伺服控制器，顶盖伺服控制器控制步进电机工作，控制顶盖3打开至预设位置；

无人机起飞时，将起飞信息发送给工控机，工控机将指令下达控制模块至顶盖伺服控制器，顶盖伺服控制器控制步进电机工作，控制顶盖3闭合。

(2)三维模组单元及机械夹爪的运动：

主要完成无人机位置的定位及电池的更换，具体包括以下内容：

1)无人机降落到停机坪上，将停机信息发送给工控机，工控机将指令下达控制模块至视觉系统伺服控制器，视觉系统伺服控制器控制双目相机9开始工作，计算出无人机的降落位置，将视觉系统坐标转换为无人机的机械坐标，工控机根据无人机的机械坐标，向三维模组伺服控制器和机械夹爪伺服控制器发出指令，x轴模组驱动电机523工作，控制三维模组单元5的左右移动，y轴模组驱动电机533工作，控制三维模组单元5的前后移动，z1轴模组驱动电机542工作，控制机械夹爪51相对三维模组单元5上下移动，z2轴模组驱动电机552工作，控制z1轴模组54和机械夹爪51的上下移动。当三维模组单元5和机械夹爪51到达指定位置后，机械夹爪伺服控制器接受控制模块下达的指令开始工作，夹住无人机电池的上下两个端面，将无人机整体移动至固定的降落位置，即降落平台43的四个腰型槽431处，完成无人机的精准定位；

2)无人机精准定位在停机坪上后，即机械夹爪51完成抓取无人机的动作后，工控机发送指令下达控制模块至停机坪伺服控制器，控制无人机机架紧固装置的两台驱动电机44开始工作，将无人机固定在固定位置；

3)无人机固定后，工控机发出指令，机械夹爪51在三维模组单元5的配合下完成无人机上的电池抽取并移入充电仓，给电池充电，机械夹爪51再回到原始位置(无人机降落的位置)。同时，充电仓41中电池充满后，由工控机判定，自动断电，保证安全，满电后的电池待机；

4)工控机下达更换电池命令，三维模组及视觉系统伺服控制器接受命令，完成抓取满电电池插入无人机的充电仓41中，无人机的充电仓41卡扣412将电池紧固，机械夹爪51回到原始位置，完成电池的更换；

5)当无人机需要起飞时，无人机的起飞信息发送至工控机或者工控机下达起飞命令至无人机时，停机坪伺服控制器控制无人机机架紧固装置的两台驱动电机44开始工作，松开无人机机架，无人机起飞。

(3)视觉感知系统的动作：

通过双目相机9、光电传感器、电流传感器等传感器感知设备获取信息，反馈给工控机，从而控制设备的运转。在示例中，传感器还包括顶盖开合位置的传感器、机械夹爪开合位置的传感器。

进一步的，所述工控机还可以通过4g网络、wifi、有线网络等与外部设备连接，包括手机、地面站等，共同控制移动机巢。

下面具体描述所述移动机巢的工作过程，包括：

(1)无人机降落过程：

机巢收到无人机返回指令→机巢顶盖3步进电机7开始工作→两个顶盖3分别打开至预设位置→无人机降落至停机坪4→机巢配备的双目相机9开始工作，计算出无人机降落的位置，将视觉系统坐标转换为无人机的机械坐标→工控机根据无人机的机械坐标，计算出该坐标与固定降落位置之间的差值，发出执行指令→三维模组单元5根据工控机的指令，x、y、z1、z2轴模组在相应驱动电机下调整相应的位置→到达指定位置后，机械夹爪51开始工作，机械夹爪51夹住无人机电池上下两个端面→机械夹爪51在三维模组单元5的配合下将无人机整体移动至固定的降落位置。

(2)无人机抽取电池过程：

无人机降落停机坪4后，在机械夹爪51作用下，移动至固定位置→无人机机架归中，驱动电机44开始启动，在机架固定爪45的紧固下，将无人机固定在该位置处→机械夹爪51在三维模组单元5的配合下，将无人机电池抽出无人机充电仓，并移至电池的充电仓41→电池充电，机械夹爪51回归原始位置。

(3)无人机更换电池过程：

充电仓41中电池充满后，通过工控机判定，自动断电，保证安全，满电后的电池待机→机械夹爪51在三维模组单元5及视觉系统的控制下，抓取满电的电池，将电池插入无人机充电仓中→无人机充电仓的卡扣412将电池紧固→机械夹爪51回归原点，完成电池更换→无人机待机→无人机接受起飞指令→无人机机架紧固装置松开→无人机起飞。

所述移动机巢适用于小型无人机的停机和自主更换电池，尤其针对极性为大疆精灵4无人机，自动化智能化程度高，不仅可以在汽车、船舶或卡车上安装，也可以在地面上使用，协助无人机实现各种环境下的作业要求，应用范围广泛。例如该移动机巢安装在汽车上时，无人机完成所有巡检任务后，向工控机发送指令请求返航，工控机获取车辆当前信息，将车辆位置信息发送给无人机，无人机完成在车载移动机巢上的降落。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。