CN105270627B - 一种空中充电提升续航能力的双无人机系统 - Google Patents

Abstract

一种空中充电提升续航能力的双无人机系统，它涉及飞行器技术领域，它包含母无人机、子无人机、空中充电对接机构，母无人机、子无人机通过空中充电对接机构连接在一起形成双无人机系统，空中充电对接机构由固定安装在母无人机下方的对接控制机构、固定安装在子无人机上方的对接插头组成。它能解决现有无人机系统的续航问题，可以空中充电，增加续航，达到无限续航的目的；解决现有使用2架分离式无人机实现长航时的执行任务中断缺陷、位置不精确缺陷；解决现有的无人机的载荷和航时不能灵活多变的缺陷。

Description

一种空中充电提升续航能力的双无人机系统

技术领域：

本发明涉及飞行器技术领域，具体涉及一种空中充电提升续航能力的双无人机系统。

背景技术：

目前市面上的无人机系统，最大的问题是续航问题，不管是目前世界上占有率最高的大疆无人机，还是一些行业应用的无人机，一般民用的无人机系统航时为20多分钟，行业应用的无人机系统航时也仅有1-2小时。而且，目前市面上完全没有续航很长，或者是无限续航的技术。

目前有一种无人机系统续航的专利技术，是让无人机在天上执行任务飞行到快要没电的时候，启动第二架无人机上天执行同样的任务，此时第一架无人机就开始自动返航到起飞地点或是到指定的充电地点，然后这一架无人机就要开始充电，充电完成之后继续起飞，接着第二架无人机再次下来充电，如此循环，达到延长续航时间的目的；当然，第一架无人机充电的时候，可以采取人工充电，也可以使用机器视觉来让无人机自动发现充电的准备位置，然后无人机返回地面停留在上面实现自动充电，可以采取接触充电或是非接触的无线充电。

但是，不管是上述提到的哪一种方式，在执行关键任务的时候，总是存在中断或者是接续性不连续的问题，因为第一架无人机和第二架无人机是脱离的，第一架无人机没电时的具体位置，并非第二架无人机过来就正好对应的位置。因此，这种续航技术存在无人机系统续航位置不精确的缺陷。

同时，还存在执行的任务分离的缺陷：比如，第一架无人机拍摄关键视频或是图片，此时第一架无人机没电，只能带着摄像机离开充电；第二架无人机带着另外的摄像机重新起飞执行任务；这里面的细节存在中断，或是回来之后必须进行合并处理，非常繁琐，容易遗漏关键信息。

另外，同样的载荷，使用上述的分离的两架无人机，是无法实现长航时的；如果是同样的航时，也是无法实现更大的载荷的。因此，现有无人机的载荷和航时不能灵活变化。

发明内容：

本发明的目的是提供一种空中充电提升续航能力的双无人机系统，它能解决现有无人机系统的续航问题，可以空中充电，增加续航，达到无限续航的目的；解决现有使用2架分离式无人机实现长航时的执行任务中断缺陷、位置不精确缺陷；解决现有的无人机的载荷和航时不能灵活多变的缺陷。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：它包含母无人机、子无人机、空中充电对接机构，母无人机、子无人机通过空中充电对接机构连接在一起形成双无人机系统，空中充电对接机构由固定安装在母无人机下方的对接控制机构、固定安装在子无人机上方的对接插头组成。

作为本发明的进一步改进，所述的对接控制机构包含一安装底盘，安装底盘上表面固定安装有固定座，固定座的端部安装有齿轮减速箱伺服电机，齿轮减速箱伺服电机的动力输出端与滑轨连接，滑轨上安装有充电输出组件正极端，滑轨的一侧设置有限位开关位置传感器，固定座的另一端设置有对接孔，对接孔的两侧设置有光纤对接成功传感器模块；安装底盘的下端安装有锥形的对接外壳，对接外壳外安装有自动对焦摄像头模块；充电输出组件负极端与滑轨的下端固连。

作为本发明的进一步改进，所述的对接插头为锥形，其上端为金属头，金属头的下端安装有充电输入组件正极端，金属头下端的对接插头一侧内壁上安装有充电输入组件负极端。

作为本发明的进一步改进，所述的充电输出组件负极端、充电输出组件正极端均与母无人机控制系统中的电池电源连接，光纤对接成功传感器模块、限位开关位置传感器、齿轮减速箱伺服电机均与母无人机控制系统中的对接/释放线性驱动器马达控制模块连接，限位开关位置传感器与齿轮减速箱伺服电机连接。

作为本发明的进一步改进，所述的充电输入组件负极端、充电输入组件正极端均与子无人机控制系统中的充电电路连接，充电电路与子无人机的电池电源连接。

本发明的工作流程为：

一、母无人机、子无人机的对接流程为：

1、首先保持子无人机悬停一定的高度静止不动，而母无人机飞到子无人机的上空，子无人机不动；

2、母无人机下部安装自动对焦摄像头模块，自动对焦摄像头模块可以做图像识别，采用机器视觉的技术，发现子无人机上端对接插头的位置，当母无人机发现插头的精确位置之后，即飞到子无人机上方，垂直下降；

3、对接插头进入对接外壳之后，一旦控制系统检测到相机焦距比预定值小，或者小于对接插头高度，控制系统调整到对接飞行模式并完成对接；

4、光纤对接成功传感器模块感应对接插头到位后，发出信号，启动齿轮减速箱伺服电机，驱动滑轨锁死对接插头；

5、滑轨处于锁紧位置时，充电输出组件正极端与对接插头端部的金属头接触，从而与其下端的充电输入组件正极端形成电连接；充电输出组件负极端在滑轨的带动下，与充电输入组件负极端接触形成电连接，由此实现母无人机对子无人机空中充电的目的；

6、母无人机、子无人机对接时，也可以是保持母无人机悬停一定的高度静止不动，而子无人机飞到母无人机的下方进行对接。

二、母无人机、子无人机的分离流程为：

Ⅰ、在松开之前的几分钟，启动子无人机的旋翼开始工作；

Ⅱ、等待子无人机的能量能支撑自己的重量和挂接的任务执行装置的时候，发出命令给母无人机；

Ⅲ、此时母无人机开始启动齿轮减速箱伺服电机，驱动滑轨松开对接插头；

Ⅳ、然后慢慢的母无人机和子无人机就脱离了，在这个脱离的过程中，可以让母无人机悬停一定的高度静止不动，而子无人机脱离；

Ⅴ、也可以让子无人机悬停一定的高度静止不动，因为为了保证挂接的任务执行装置工作连续不中断，而母无人机慢慢往上飞，脱离对接机构，飞回去地面更换电池或是充电。

三、任务过程中，母无人机发生故障时，子无人机可以载着母无人机飞回地面，增加了系统的可靠性。

四、重复循环上述对接、分离流程即可实现双无人机系统长航时工作、空中充电的目的。

本发明的有益效果为：

1、解决现有无人机系统的续航问题，可以空中充电，增加续航，达到不管是哪一种无人机，在执行任务的时候，可以提升现有的无人机的续航时间。

2、解决现有使用2架分离式无人机实现长航时的执行任务中断缺陷、位置不精确缺陷。

3、解决现有的无人机的载荷和航时不能灵活多变的缺陷。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图，

图2为本发明中空中充电对接机构处于锁定状态时的结构示意图，

图3为图2的仰视截面图，

图4为图3的右视图，

图5为本发明中空中充电对接机构处于释放状态时的结构示意图，

图6为图5的仰视截面图，

图7为图6的右视图，

图8为本发明中母无人机的电路原理图，

图9为本发明中子无人机的电路原理图，

图10为本发明的工作流程图，

附图标记：

1—母无人机；2—子无人机；3—空中充电对接机构；4—安装底盘；5—滑轨；6—对接插头；7—充电输出组件负极端；8—固定座；9—充电输出组件正极端；10—充电输入组件负极端；11—充电输入组件正极端；12—对接外壳；13—金属头；14—对接孔；

A—对接控制机构；S—限位开关位置传感器；M—齿轮减速箱伺服电机；

n—母无人机旋翼马达；m—电机速度控制模块一；E1—电池电源一；U1—母无人机CPU主板；U2—电压电流传感器模块一；U3—GPS接收器和罗盘模块一；U4—光纤对接成功传感器模块；U5—对接/释放线性驱动器马达控制模块；U6—遥测无线电收发模块一；U7—无线电控制接收器模块一；U8—自动对焦摄像头模块；T1—天线一；T2—天线二；

z—子无人机旋翼马达；y—电机速度控制模块二；E2—电池电源二；U9—摄像头模块；U10—充电电路；U11—视频信号发送模块；U12—子无人机CPU主板；U13—电压电流传感器模块二；U14—GPS接收器和罗盘模块二；U15—遥测无线电收发模块二；U16—无线电控制接收器模块二；U17—相机万向节控制模块； T3—天线三；T4—天线四；T5—天线五。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1-图10，本具体实施方式采用以下技术方案：它包含母无人机1、子无人机2、空中充电对接机构3，母无人机1、子无人机2通过空中充电对接机构3连接在一起形成双无人机系统，空中充电对接机构3由固定安装在母无人机1下方的对接控制机构A、固定安装在子无人机2上方的对接插头6组成。

参照图2-图5，所述的对接控制机构A包含一安装底盘4，安装底盘4上表面固定安装有固定座8，固定座8的端部安装有齿轮减速箱伺服电机M，齿轮减速箱伺服电机M的动力输出端与滑轨5连接，滑轨5上安装有充电输出组件正极端9，滑轨5的一侧设置有限位开关位置传感器S，固定座8的另一端设置有对接孔14，对接孔14的两侧设置有光纤对接成功传感器模块U4；安装底盘4的下端安装有方锥体的对接外壳12；充电输出组件负极端7与滑轨5的下端固连，并通过滑道配合设置在安装底盘4下方。

参照图6、图7，所述的对接插头6选用方锥体，其上端为一竖直设置的金属头13，金属头13的下端安装有充电输入组件正极端11，金属头13下端的对接插头6一侧内壁上安装有充电输入组件负极端12。

所述的限位开关位置传感器S为一对分别设置在滑轨5始端、终端的限位开关组成。

所述的光纤对接成功传感器模块U4选用一对对接成功LED和一对对接成功二极管组成。

参看图8，所述的母无人机1的控制电路包含母无人机旋翼马达n、电机速度控制模块一m、电池电源一E1、母无人机CPU主板U1、电压电流传感器模块一U2、GPS接收器和罗盘模块一U3、光纤对接成功传感器模块U4、对接/释放线性驱动器马达控制模块U5、遥测无线电收发模块一U6、无线电控制接收器模块一U7、自动对焦摄像头模块U8、天线一T1、天线二T2，六个母无人机旋翼马达n分别连接六个电机速度控制模块一m，数个电机速度控制模块一m相互并联后分别与母无人机CPU主板U1、电池电源一E1连接，电池电源一E1分别与母无人机CPU主板U1、电压电流传感器模块一U2连接，电压电流传感器模块一U2、GPS接收器和罗盘模块一U3、遥测无线电收发模块一U6、无线电控制接收器模块一U7、自动对焦摄像头模块U8均与母无人机CPU主板U1连接，遥测无线电收发模块一U6、无线电控制接收器模块一U7分别与天线一T1、天线二T2连接，充电输出组件负极端7、充电输出组件正极端9均与电池电源一E1连接，光纤对接成功传感器模块U4、限位开关位置传感器S、齿轮减速箱伺服电机M均与对接/释放线性驱动器马达控制模块U5连接，限位开关位置传感器S与齿轮减速箱伺服电机M连接，且限位开关位置传感器S接地。自动对焦摄像头模块U8固定安装在对接外壳的外部。

参看图9，所述的子无人机1的控制电路包含子无人机旋翼马达z、电机速度控制模块二y、电池电源二E2、充电电路U10、视频信号发送模块U11、子无人机CPU主板U12、电压电流传感器模块二U13、GPS接收器和罗盘模块二U14、遥测无线电收发模块二U15、无线电控制接收器模块二U16、相机万向节控制模块U17、摄像头模块U9、天线三T3、天线四T4、天线五T5，四个无人机旋翼马达z分别连接四个电机速度控制模块二y，数个电机速度控制模块二y相互并联后分别与电池电源二E2、子无人机CPU主板U12连接，电池电源二E2分别与充电电路U10、相机万向节控制模块U17、摄像头模块U9连接，充电输入组件负极端12、充电输入组件正极端11均与充电电路U10连接，电压电流传感器模块二U13、GPS接收器和罗盘模块二U14、遥测无线电收发模块二U15、无线电控制接收器模块二U16、相机万向节控制模块U17均与子无人机CPU主板U12连接，摄像头模块U9与视频信号发送模块U11连接，视频信号发送模块U11上连接有天线五T5，遥测无线电收发模块二U15、无线电控制接收器模块二U16上分别连接有天线三T3、天线四T4。

本具体实施方式的原理为：先是把母无人机与子无人机对接之后一起飞到定点；此时，母无人机螺旋桨转动飞行，而下方子无人机不启动；飞到工作地点之后，等到母无人机电池电量快要不足时，子无人机的螺旋桨启动，上方的母无人机松开下方的子无人机；下方子无人机独立开始工作；母无人机返回地面，换电池；母无人机换掉电池之后，重新飞到子无人机上方，与下方子无人机进行对接、锁紧；对接成功之后，子无人机的螺旋桨停止运行，母无人机开始对子无人机进行充电。因为这个对接过程不会超过5分钟，子无人机的电量损失10%，其电池的电量只要支持5分钟左右即可，保证对接过程顺利进行。母无人机可以对子无人机进行充电，大概10分钟左右，就可以充满子无人机对接过程中损失的10%的电量，在此过程中，子无人机螺旋桨一直是静止不动的。充满子无人机上述步骤中损失的电量之后，一直到母无人机的电池快要没电时，母无人机重新返回地面换电池，循环上面的全部步骤。如此循环，实现长时间续航的目的。

参看图10，本具体实施方式的工作流程为：

a、任务启动之前对母无人机1、子无人机2进行检查；

b、将两个无线电控制器打开；

c、母无人机1、子无人机2均放置在地面上，并保证间距10-20m，打开母无人机1和子无人机2的电源；

d、等待并检查GPS定位LED状态指示，母无人机1、子无人机2的GPS接收器和罗盘模块均定位完成后，手动对接母无人机1和子无人机2；

e、通过主驾驶员设置飞行模式开关至双无人机飞行模式（在此模式下，只有母无人机1的电机提供飞行动力）；

f、在主驾驶员的控制下，母无人机1携带子无人机2起飞，同时，两架无人机所发送的飞行状态、GPS定位数据、取向、以及视频信号都是通过遥测无线电收发模块控制的（在任务中，副驾驶员也能使母无人机1起飞）；

g、飞行过程中，电压电流传感器模块实时监测母无人机1、子无人机2的电池电量，若子无人机2电量低，则控制人员可以选择是否让母无人机1继续工作：若让母无人机1继续工作，则待其发出低电量警告时携带子无人机2飞回发射场地，任务完成；若让母无人机1停止工作，则母无人机1直接携带子无人机2飞回发射场地，任务完成；

h、若母无人机1发出低电量警告，无需继续执行任务时，母无人机1直接携带子无人机2飞回发射场地，任务完成；若母无人机1发出低电量警告，但任务仍需继续时，主驾驶员给两架无人机发送预飞行模式信号，启动子无人机2的马达，使其得以支撑自身的重量；

i、此时，对接/释放线性驱动器马达控制模块U5处于释放位置，松开下方的子无人机2，母无人机1将迅速飞到子无人机2上方15-25m的高度，而子无人机2继续任务，母无人机1飞回发射场地，并自动切断电源；

j、副驾驶员帮助母无人机1换上新充电电池，并打开电源，等待GPS定位；

k、GPS定位成功后，主驾驶员将母无人机设定对接飞行模式，母无人机接收子无人机的GPS位置和高度数据后，母无人机飞到子无人机位置上方20米处；

l、视频摄像头打开并搜索子无人机2，母无人机1一旦发现子无人机2则将其锁定，控制系统会指引母无人机1慢慢飞向子无人机2，一旦控制系统检测到相机焦距比预定值小，或者小于方锥体高度，控制系统调整到对接飞行模式并完成对接，两个无人机的方锥机械位置相对应；

m、此时，若子无人机2发出低电量警告，则子无人机2需要立即停止任务并飞回；若子无人机2未发出低电量警告，则继续工作，光纤对接成功传感器模块U4检测对接是否到位；

n、若对接到位，则对接机制激活并锁定下面的子无人机，同时，两对充电电源端子结合，母无人机1通过充电电路U10向子无人机2的电池充电，当电池完全充满或安全计时器达到预设值时，充电自动停止；若对接不到位，则重复步骤l；

o、光纤对接成功传感器模块U4发送对接成功信号至地面，主驾驶员将飞行模式变为双无人机飞行模式；

p、重复循环步骤g-步骤o即可实现双无人机系统的控制。

最后所应说明的是，以上具体实施方式以及实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种空中充电提升续航能力的双无人机系统，其特征在于它包含母无人机、子无人机、空中充电对接机构，母无人机、子无人机通过空中充电对接机构连接在一起形成双无人机系统，空中充电对接机构由固定安装在母无人机下方的对接控制机构、固定安装在子无人机上方的对接插头组成；

所述的对接控制机构包含一安装底盘，安装底盘上表面固定安装有固定座，固定座的端部安装有齿轮减速箱伺服电机，齿轮减速箱伺服电机的动力输出端与滑轨连接，滑轨上安装有充电输出组件正极端，滑轨的一侧设置有限位开关位置传感器，固定座的另一端设置有对接孔，对接孔的两侧设置有光纤对接成功传感器模块；安装底盘的下端安装有锥形的对接外壳，对接外壳外安装有自动对焦摄像头模块；充电输出组件负极端与滑轨的下端固连；

所述的对接插头为锥形，其上端为金属头，金属头的下端安装有充电输入组件正极端，金属头下端的对接插头一侧内壁上安装有充电输入组件负极端；

所述的充电输出组件负极端、充电输出组件正极端均与母无人机控制系统中的电池电源连接，光纤对接成功传感器模块、限位开关位置传感器、齿轮减速箱伺服电机均与母无人机控制系统中的对接/释放线性驱动器马达控制模块连接，限位开关位置传感器与齿轮减速箱伺服电机连接；

所述的充电输入组件负极端、充电输入组件正极端均与子无人机控制系统中的充电电路连接，充电电路与子无人机的电池电源连接；

所述光纤对接成功传感器模块感应对接插头到位后，发出信号，启动齿轮减速箱伺服电机，驱动滑轨锁死对接插头；滑轨处于锁紧位置时，充电输出组件正极端与对接插头端部的金属头接触，从而与其下端的充电输入组件正极端形成电连接；充电输出组件负极端在滑轨的带动下，其端部与充电输入组件负极端接触形成电连接，由此实现母无人机对子无人机空中充电的目的。