无人机载荷自动装填系统及方法与流程

本发明属于消防无人机自动装填机库领域，涉及一种无人机载荷自动装填系统及方法。

背景技术：

随着经济和技术的发展，高层建筑和超高层建筑也不断挑战高度的极限。与此同时，针对城市高层建筑火灾的消防装备也有了长足发展。消防无人机作为一种新型的消防救援手段，搭载各类消防装备(灭火弹、灭火罐等)具有快速机动性强，飞行高度不受限的特点，逐步成为研发和应用热点。

在火灾现场的应急处置中，无人机通过各种方式运送到达火场附近，通过开箱组装以及飞行调试之后，才能起飞执行消防任务，且消防无人机单次执行完任务后，需人工进行载荷的更换，操作相对不变，并且相对比较费时，直接降低了救援效率，对城市火灾的消防救援带来一定不利影响。

技术实现要素：

为了解决相关技术中因在火灾救援现场需人工多次更换无人机装载，导致救援效率低下的问题，本申请提供了一种无人机载荷自动装填系统及方法。具体技术方案如下：

第一方面，本申请提供了一种无人机载荷自动装填系统，包括舱体、载荷自动装填装置和自动起降装置，所述载荷自动装填装置设置于所述舱体的下层箱体内，所述自动起降装置设置于所述舱体的上层箱体内；

所述自动起降装置包括升降机构和设置于所述上层箱体底板处的开舱机构，所述升降机构承载无人机，且被配置为将承载的无人机下降至所述开舱机构的上方；

所述载荷自动装填装置内放置有待填装的至少一种类型的载荷，所述载荷自动装填装置将待填装载荷运载至所述开舱机构处，并将所述待填装载荷顶升装载至所述开舱机构上方的无人机内。

可选的，所述自动起降装置还包括设置于所述上层箱体顶板的舱门，所述舱门打开，所述升降机构将无人机经所述舱门顶升至所述舱体外。

可选的，所述载荷自动装填装置包括搬运部、二级升降平台以及单自由度直线滑台，其中：

所述搬运部配置为将所述下层箱体内放置的载荷搬运至所述二级升降平台上，或从所述二级升降平台上搬离载荷并放置于所述下层箱体的空余载荷位置；

所述二级升降平台被配置为对所承载的载荷进行大行程升降；

所述二级升降平台滑动安装于所述单自由度直线滑台，所述单自由度直线滑台带动所述二级升降平台滑动以与所述开舱机构对接。

可选的，所述搬运部包括支撑架、x轴移动臂、y轴移动臂、z轴移动臂和末端执行器，其中：

所述x轴移动臂安装于所述支撑架上，所述x轴移动臂水平设置且横跨所述二级升降平台以及各载荷位置；

所述y轴移动臂水平设置且垂直安装于所述x轴移动臂上，被配置为沿着所述x轴移动臂在x轴上移动；

所述z轴移动臂竖向设置且安装于所述y轴移动臂上，被配置为沿着所述y轴移动臂在y轴上移动，所述x轴和所述y轴在水平面上相互垂直；

所述末端执行器安装于所述z轴移动臂上，被配置为沿着所述z轴移动臂上下移动。

可选的，所述自动起降装置与所述二级升降平台的数量相同且均为至少一个，所述自动起降装置与所述二级升降平台一一对应设置。

可选的，所述末端执行器与载荷在通电时吸合，在断电时释放。

可选的，所述二级升降平台包括升降机、长行程电动推杆、导向杆和承载平台，所述升降机安装于所述单自由度直线滑台上，所述长行程电动推杆安装于所述升降机上，所述承载平台安装于所述长行程电动推杆的顶端，所述承载平台被配置为承载载荷；

所述升降机带动所述长行程电动推杆上升直至所述第一承载平台位于第一高度位置，所述长行程电动推杆继续顶升直至所述承载平台位于第二高度位置，所述导向杆对所述长行程电动推杆的行程进行导向。

可选的，所述无人机载荷自动装填系统还包括发电油机和电气控制柜，所述发电油机和电气控制柜均安装于所述舱体上，所述电气控制柜包括所述自动起降装置和所述载荷自动装填装置的驱动柜和控制柜，所述发电油机为所述无人机载荷自动装填系统提供所需要的电力能源；

所述载荷包括灭火弹载荷和灭火罐载荷，各种类型的载荷的对外接口均为标准接口。

第二方面，本申请还提供了一种无人机载荷自动填装方法，采用如第一方面以及第一方面各种可选方式中提供的无人机载荷自动装填系统，所述无人机载荷自动填装方法包括：

控制所述升降机构下降，以将承载的无人机下降至所述开舱机构处；

控制所述载荷自动装填装置将所述无人机内的待替换载荷拆卸并搬运至所述舱体下层箱体内的空余载荷位置；

控制所述载荷自动装填装置将所述舱体下层箱体内的待填装载荷运载至所述开舱机构处，并将所述待填装载荷顶升装载至所述开舱机构上方的无人机内；

控制所述舱体上层箱体顶板上的舱门打开，控制所述升降机构上升以将所述无人机经所述舱门顶升至所述舱体外。

可选的，所述控制所述载荷自动装填装置将所述舱体下层箱体内的待填装载荷运载至所述开舱机构处，并将所述待填装载荷顶升装载至所述开舱机构上方的无人机内，包括：

控制所述搬运部从选定的载荷位置搬运一待填装载荷至所述二级升降平台上；控制所述二级升降平台上升以将所述载荷顶升至所述开舱机构上方的无人机的载荷位，以实现载荷的自动装载。

可选的，所述控制所述载荷自动装填装置将所述无人机内的待替换载荷拆卸并搬运至所述舱体下层箱体内的空余载荷位置，包括：

控制所述二级升降平台穿过所述开舱机构上升至无人机载荷正下端，承载释放的待替换载荷后下降；

控制所述搬运部从所述二级升降平台将所述待替换载荷搬运至所述下层箱体的空余载荷位置并释放，将释放在所述空余载荷位置处的载荷进行电磁锁紧。

本申请至少可以实现如下有益效果：

通过载荷自动装填装置实现无人机载荷的自动装载，通过设置自动起降装置实现无人机的自动升降，整个载荷的自动装载过程以及无人机的自动升降过程，减少了消防人员的参与，减少了载荷更换时间，具备功能多样化、自动化程度高以及处置迅速等优势特点。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本申请一个实施例中提供的无人机载荷自动装填系统的结构示意图；

图2是本申请一个实施例中提供的载荷自动装填装置的结构示意图；

图3是本申请一个实施例中提供的搬运部的结构示意图；

图4是本申请一个实施例中提供的二级升降平台的结构示意图；

图5是本申请一个实施例中提供的无人机载荷自动装填方法的方法流程图。

其中，附图标记如下：

1、舱体；2、电气控制柜；3、发电油机；4、无人机；5、自动起降装置；6、载荷自动装填装置；61、搬运部；611、立柱支撑；612、x轴移动臂；613、y轴移动臂；614、z轴移动臂；615、末端执行器；62、二级升降平台；63、单自由度直线滑台；64、灭火弹载荷；65、灭火罐载荷。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

针对目前消防无人机领域，载荷需要人工更换且无人机无法自动起飞和降落的现状，本申请提供了一种可进行载荷自动装填以及无人机自动起降的无人机载荷自动装填系统。该无人机载荷自动装填系统采用全自动的机构系统和控制方法，实现消防载荷的全自动更换和电池的自动更换，提高系统的自动化程度，减少消防人员的参与，提供系统救援效率。此外，无人机可实现自动起飞和降落，减少对操作人员的技术要求和依赖，多架无人机可循环交替工作。整个系统展开速度快、功能齐全完备，作为系统级应用，将大大提高城市环境下的高层楼宇火灾的处置救援效能。下面结合图1-图4对本申请提供的无人机载荷自动装填系统的结构进行解释说明。

图1是本申请一个实施例中提供的无人机载荷自动装填系统的结构示意图，本申请提供的无人机载荷自动装填系统可以包括舱体1，舱体1可以包括上层箱体和下层箱体。

无人机载荷自动装填系统还可以包括发电油机3和电气控制柜2，发电油机3和电气控制柜2均安装于舱体1上，电气控制柜2包括自动起降装置5和载荷自动装填装置6的驱动柜和控制柜，发电油机3为无人机载荷自动装填系统提供所需要的电力能源。

无人机载荷自动装填系统还可以包括载荷自动装填装置6和自动起降装置5，载荷自动装填装置6设置于舱体1的下层箱体内，自动起降装置5设置于舱体1的上层箱体内。

自动起降装置5主要功能是实现无人机4的自动起降，由于载荷自动更换的方式是将载荷从舱体1下层箱体升降至上层箱体，直至上层箱体的无人机4下端。因此，自动起降装置5下端设置有开舱机构，以能实现载荷顺利更换。也就是说，自动起降装置5还可以包括升降机构和设置于上层箱体底板处的开舱机构，升降机构承载无人机4，且被配置为将承载的无人机4下降至开舱机构的上方。

一般的，升降机构安装于舱体1的上层箱体的底板上，升降机构的行程为上层箱体的高度，也即，升降机构的承载面可以在上层箱体的底板和顶板之间移动。可选的，升降机构采用成熟的丝杆升降机，升降距离为上层箱体的高度。

在一种可能的实现方式中，开舱机构采用两个直线电动推杆，底端开口大小为一个载荷尺寸大小，保证对无人机4的起落架没有影响。

自动起降装置5还可以包括设置于上层箱体顶板的舱门，舱门打开，升降机构将无人机4经舱门顶升至舱体1外。

为了提高无人机4载荷的更换，提高救灾效率，本申请提供的无人机载荷自动填装系统的自动起降装置5可以包括两套，两套自动起降装置5在上层箱体内呈前后布置，两套自动起降装置5各自对一架无人机4进行自动升降。

本申请中的载荷自动装填装置6是实现载荷自动装填的基本系统结构，安装于舱体1的下层箱体的底板之上。

载荷自动装填装置6内放置有待填装的至少一种类型的载荷，载荷自动装填装置6将待填装载荷运载至开舱机构处，并将待填装载荷顶升装载至开舱机构上方的无人机4内。

通常对于消防无人机4来讲，供装载至消防无人机4的载荷可以包括灭火弹载荷64和灭火罐载荷65，各种类型的载荷均为模块化载荷，其对外接口均为标准接口，即对外接口完全一致。实际应用中，为了避免运输过程中载荷在舱体1内移动，初始状态下，载荷通过电磁销固定在舱体1的底板之上，整体重量不超过30kg。

在一种可能的实现方式中，请参见图2所示，其是本申请一个实施例中提供的载荷自动装填装置的结构示意图，该载荷自动装填装置6包括搬运部61、二级升降平台62以及单自由度直线滑台63，而载荷被提前安装于舱体1的下层箱体的底板之上并通过电磁销锁紧。

搬运部61配置为将下层箱体内放置的载荷搬运至二级升降平台62上，或从二级升降平台62上搬离载荷并放置于下层箱体的空余载荷位置。

在一种实现中，请参见图3所示，其是本申请一个实施例中提供的搬运部的结构示意图，该搬运部61可以为三轴桁架机械臂，此时，搬运部61可以包括立柱支撑611、x轴移动臂612、y轴移动臂613、z轴移动臂614和末端执行器615。

x轴移动臂612安装于立柱支撑611上，x轴移动臂612水平设置且横跨二级升降平台62以及各载荷位置；y轴移动臂613水平设置且垂直安装于x轴移动臂612上，被配置为沿着x轴移动臂612在x轴上移动；z轴移动臂614竖向设置且安装于y轴移动臂613上，被配置为沿着y轴移动臂613在y轴上移动，x轴和y轴在水平面上相互垂直；末端执行器615安装于z轴移动臂614上，被配置为沿着z轴移动臂614上下移动。立柱支撑611固定安装于舱体1的下层箱体的底板上。

通常，舱体1的下层箱体比较大，因此x轴移动臂612、y轴移动臂613均可以选用长行程的移动臂，因此采用伺服电机驱动、减速比为50的行星减速器以及带传动进行传动的组合形式。z轴移动臂614属于短行程的移动臂，采用的是伺服电机驱动、减速比为10的行星减速器以及丝杠传动的组合形式。

载荷通常比较重，为了避免运输过程中载荷因惯性而相对舱体1移动，保证运输安全，本申请中在载荷上设置有电销，末端执行器615与载荷在通电时吸合，在断电时释放。末端执行器615为电磁铁，负载能力为50kg。末端执行器615与模块化载荷(灭火弹载荷64和灭火罐载荷65)在通电的情况下进行吸合，在断电的情况下进行释放。

也就是说，末端执行器615可沿x、y和z三个方向移动，主要功能是将处于任意位置的模块化载荷(灭火弹载荷64和灭火罐载荷65)提升，水平移动到二级升降平台62的上方，并将载荷释放。三轴桁架机械臂的另外一个功能是将用完的载荷从二级升降平台62上取下，并放置至车厢的空余载荷位置。

本申请提供的二级升降平台62被配置为对所承载的载荷进行大行程升降。

二级升降平台62滑动安装于单自由度直线滑台63，单自由度直线滑台63带动二级升降平台62滑动以与开舱机构对接。

在一种可能的实现方式中，请参见图4所示，其是本申请一个实施例中提供的二级升降平台的结构示意图，该二级升降平台62包括升降机、长行程电动推杆、导向杆和承载平台，升降机安装于单自由度直线滑台63上，长行程电动推杆安装于升降机上，承载平台安装于长行程电动推杆的顶端，承载平台被配置为承载载荷。

也就是说，二级升降平台62功能是实现大行程的载荷升降。现有产品在极低自身高度的情况下，无法通过单级升降就能实现大行程的精确升降。因此，本发明提出一种以同步带传动的升降机和长行程电动推杆组合形成的二级升降平台62。升降机固定安装在单自由度直线滑台63之上，长行程电动推杆安装在升降机之上。当升降机上升至极限位置后，其上的长行程电动推杆继续上升。电动推杆上升和下降过程中的位置精度通过导向杆保证，导向杆的基本单元为直线轴承。承载平台安装于长行程电动推杆和导向杆之上，用于承接废载荷和新载荷。

升降机带动长行程电动推杆上升直至第一承载平台位于第一高度位置，长行程电动推杆继续顶升直至承载平台位于第二高度位置，导向杆对长行程电动推杆的行程进行导向。

单自由度直线滑台63采用的是直线电机的形式，将两个二级升降平台62的进行同等距离的运动，保证两个二级升降平台62总有一个正对无人机4自动起降装置5的开舱下端，从而快速实现废载荷的快速拆卸和新载荷的快速装填至无人机4。

为了提高无人机4的载荷自动装载效率，提高救火效率，本申请中提供的无人机载荷自动填装系统中可以实现为多个无人机4进行载荷装载，这种情况下，自动起降装置5与二级升降平台62的数量相同且均为至少一个，比如图1中的两个，自动起降装置5与二级升降平台62一一对应设置。

举例来讲，当自动升降装置为两套时，搬运部61、灭火弹载荷64和灭火罐载荷65为两套载荷自动装填装置6共用，单自由度直线滑台63前后各布置一套，分别从属于两套自动装填装置6，二级升降平台62在每套自动升降装置中左右设置两套，分别用于承接已经用完的载荷和自动安装新的载荷。

这样，通过设置至少两套自动起降装置5以及对应设置两套二级升降平台62，实现在换载荷过程中可并行作业，极大提高了载荷更换效率，减少了载荷更换时间，为无人机消防救援和灭火赢得宝贵时间。

在实际实现时，整个系统工作流程如下：

1)、无人机4带载荷置于自动起降装置5之上，舱体1上端的舱门打开，自动起降装置5将无人机升至车顶，无人机放飞执行消防任务；

2)、选定任意固定在舱体1车厢之上的灭火弹载荷61或灭火罐载荷65进行电磁解锁；

3)、载荷自动装填装置6通过搬运部61将载荷提升并水平移动至二级升降平台62之上；

4)、单自由度直线滑台63将两个二级升降平台62同时推动，并保证不带载荷的二级升降平台62对准无人机自动起降装置5下端开舱口的正下方；

5)、执行完任务的无人机4降落至自动起降装置5之上，自动起降装置5将无人机降至车内，自动起降装置5底端的开舱机构打开；

6)、二级升降平台62穿过开舱机构上升至无人机载荷正下端，废载荷从无人机底部释放，降落至二级升降平台62；

7)、二级升降平台62承载废载荷下降至舱体1的下层空间，单自由度直线滑台63将两个二级升降平台62同时推动，使已经安装上新载荷的二级升降平台62对准自动起降装置5下端开舱口的正下方；同时搬运部61将卸载下来的废载荷抓取，并平移至空余载荷库位，释放并进行电磁锁紧，以待执行完任务更换；

8)、二级升降平台62带新载荷上升，穿过开舱机构上升至无人机正下端，载荷通过对接装置与无人机快速锁紧固定；

9)、自动起降装置5带新载荷进行上升，无人机放飞并执行新的消防任务。

综上所述，本身提供的无人机载荷自动填装系统，通过载荷自动装填装置实现无人机载荷的自动装载，通过设置自动起降装置实现无人机的自动升降，整个载荷的自动装载过程以及无人机的自动升降过程，减少了消防人员的参与，减少了载荷更换时间，具备功能多样化、自动化程度高以及处置迅速等优势特点。

载荷自动装填装置采用上下两层的结构形式，极大提高了系统的空间利用率，可实现两架无人机进行同时作业，同时进行载荷的自动更换，效能更高更快。

采用上述系统结构，本申请还提供了一种无人机载荷自动填装方法，采用如图1-图4中所示的无人机载荷自动装填系统，该无人机载荷自动填装方法可以通过软件、硬件或软硬件结合的方式实现，比如可以通过控制模块实现，该控制模块与无人机载荷自动填装系统中的相关部件电性连接，并控制各部件执行相应动作。

如图5所示，其是本申请一个实施例中提供的无人机载荷自动装填方法的方法流程图，本申请提供的无人机载荷自动填装方法可以包括如下步骤：

步骤s1、控制升降机构下降，以将承载的无人机下降至开舱机构处；

步骤s2、控制载荷自动装填装置将无人机内的待替换载荷拆卸并搬运至舱体下层箱体内的空余载荷位置；

在实现步骤s2时，首先控制二级升降平台穿过开舱机构上升至无人机载荷正下端，承载释放的待替换载荷后下降；然后控制搬运部从二级升降平台将待替换载荷搬运至下层箱体的空余载荷位置并释放，将释放在空余载荷位置处的载荷进行电磁锁紧。

步骤s3、控制载荷自动装填装置将舱体下层箱体内的待填装载荷运载至开舱机构处，并将待填装载荷顶升装载至开舱机构上方的无人机内；

在实现步骤s3时，首先控制搬运部从选定的载荷位置搬运一待填装载荷至二级升降平台上；然后控制二级升降平台上升以将载荷顶升至开舱机构上方的无人机的载荷位，以实现载荷的自动装载。

步骤s4、控制舱体上层箱体顶板上的舱门打开，控制升降机构上升以将无人机经舱门顶升至舱体外。

当舱体内设置两套自动起降装置时，可以并行对两个无人机装载载荷，即无人机带载荷作业过程中，完成新载荷的装填就位和一定升降；在废载荷卸载过程中，同步开展新载荷的装填。

综上所述，本身提供的无人机载荷自动填装方法，通过载荷自动装填装置实现无人机载荷的自动装载，通过设置自动起降装置实现无人机的自动升降，整个载荷的自动装载过程以及无人机的自动升降过程，减少了消防人员的参与，减少了载荷更换时间，具备功能多样化、自动化程度高以及处置迅速等优势特点。

自动装填系统全程采用自动化的手段取代常规需要消防人员的操作，减少了消防人员的疲劳感，同时降低消防人员对无人机的起飞和降落的技术要求难度，非常利于市场化推广。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。