一种无人机中继装置的制作方法

本实用新型涉及无人机的中继站服务系统，特别是涉及一种无人机中继装置。

背景技术：

近年来，随着无人机技术的成熟和发展，多旋翼无人机因其垂直起降、自由悬停、操控方便、适应性强等特点被广泛应用于电力巡线、管路巡检、森林防火巡查、边境巡检、农田信息获取等领域。

在导航及定位技术方面，多旋翼无人机飞控系统具有无线通信、传感器集成和空间定位等功能，其中，差分GPS定位技术(双频RTK)能够达到厘米级的定位精度，磁罗盘的定向精度误差在±5°以内，气压高度计、声纳、红外测距结合的高度探测模块的测距精度在±1％～±5％以内。此外，在专业航拍用视觉系统的辅助下，多旋翼无人机的降落精度能够进一步得到保证。

在电池技术方面，现有的多旋翼无人机主要采用锂聚合物电池，电池的搭载方式多为水平挂载式，电池容量为10000mA·h～15000mA·h，由于受到现有电池技术下电池能量密度和充电效率的制约，无人机所需的充电及冷却时间约为1.2小时，而充满电再起飞的续航时间也仅为30分钟左右，极大的降低了无人机的巡航效率。因此，探索为无人机提供续航中继并同时避免充电带来的低效率问题已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

目前，使用充电中继站为无人机续航是一种可行方案，可以克服最大巡航半径的限制。但是，无人机在充电中继站需停放约1.2小时进行充电，效率很低，仍未从真正意义上摆脱航程限制，无法实现高效地对大范围区域进行巡航。此外，充电中继站适用机型比较单一，不具有通用性。

除使用充电中继站外，也可以在有人中继站通过人工手动更换电池，这种技术方案成本高，效率也很低。

技术实现要素：

本实用新型就是为了解决现有多旋翼无人机无法实现持续、高效地对大范围区域进行巡航，现有中继技术适用机型单一，无人机必须进行长时间的充电等待的技术问题，提供了一种能够持续、高效地对大范围区域进行巡航，通用性强的无人机中继装置。

本实用新型的技术方案是，提供一种无人机中继装置，包括停机坪、限位固定机构、电池坞和电池更换机构；

停机坪包括连接在一起的停机坪甲板和停机坪支撑框架；

限位固定机构包括第一V型夹板、第二V型夹板和相对运动传动装置，第一V型夹板设有第一V型挤压部，第二V型夹板设有第二V型挤压部；第一V型夹板和第二V型夹板分别与相对运动传动装置连接，相对运动传动装置用于带动第一V型夹板和第二V型夹板相对运动；

第一V型夹板和第二V型夹板相对设置并位于停机坪甲板的上方；

电池更换机构包括水平方向线性模组、垂直方向线性模组、悬臂和电磁铁，水平方向线性模组设有水平方向滑块，垂直方向线性模组设有垂直方向滑块；垂直方向线性模组的末端与水平方向滑块连接，悬臂与垂直方向滑块连接，电磁铁与悬臂连接；

电池坞设有电池槽，电池坞位于所述电池更换机构和停机坪之间。

优选地的技术方案是，停机坪甲板设有两个相对设置的引导孔道，是第一引导孔道和第二引导孔道；

相对运动传动装置包括直线导轨组件、连接块、伸缩装置、第一连杆、第二连杆、第一V型夹板连接件和第二V型夹板连接件；直线导轨组件设有第一滑块和第二滑块，第一V型夹板通过第一V型夹板连接件与第一滑块连接，第二V型夹板通过第二V型夹板连接件与第二滑块连接，连接块通过第一连杆与第一滑块连接，连接块通过第二连杆与第二滑块连接，伸缩装置设有伸缩杆，伸缩杆与连接块连接；第一V型夹板连接件穿过第一引导孔道，第二V型夹板连接件穿过第二引导孔道。

进一步优选地的技术方案是，第一V型挤压部的两端分别连接有挡边，第二V型挤压部的两端分别连接有挡边。

进一步优选地的技术方案是，第一V型挤压部的中线和第二V型挤压部的中线在同一直线上。

进一步优选地的技术方案是，电池坞包括电池放置筒体、电机、底座和连接轴；连接轴的一端与电池放置筒体连接，另一端通过轴承与底座连接；电机通过传动机构与连接轴连接，电池放置筒体从上到下设有至少一列电池槽组，电池槽组设有至少两个电池槽；

电池槽包括壳体、后板、触片和两个弹簧碰珠，后板与壳体的后端连接，壳体的前端开口，两个弹簧碰珠分别连接在壳体的两侧；触片与后板的内侧连接，后板上设有走线孔。

进一步优选地的技术方案是，电池放置筒体从上到下设有三列电池槽组，相邻两列电池槽组之间的夹角是120°，每列电池槽组设有三个电池槽。

进一步优选地的技术方案是，还包括控制柜，控制柜包括中央处理器、电源模块和无线通讯模块，电源模块与中央处理器连接，无线通讯模块与中央处理器连接；中央处理器的电源输出信号端与电磁铁连接；中央处理器的驱动信号端分别与伸缩装置、电机、水平方向线性模组和垂直方向线性模组连接。

本实用新型的有益效果是：

(1)实现了自动化更换电池作业，无人机在中继装置上停留时间不超过5分钟，大大缩短了停留时间，而且因空驶带来的电能损耗低，通过合理布放中继点真正实现通过一架无人机对大范围区域的高效巡航。

(2)更换电池的技术方案具有通用性，适用于所有设置起落架的无人机。

本实用新型进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是无人机中继装置的立体图；

图2是无人机中继装置的主视图；

图3是无人机中继装置的左视图；

图4是无人机中继装置的俯视图；

图5是停机坪的立体图；

图6是停机坪的主视图；

图7是停机坪的左视图；

图8是停机坪的俯视图；

图9是限位固定机构的结构示意图；

图10是限位固定机构的结构示意图；

图11第一V型夹板连接件的结构示意图；

图12是第一V型夹板连接件、第二V型夹板连接件分别从第一引导孔道、第二引导孔道穿过的示意图；

图13是第一V型夹板的结构示意图；

图14是第一V型夹板安装滚轮的结构示意图；

图15是电池坞的立体图；

图16是电池坞的主视图；

图17是电池坞的左视图；

图18是电池坞的电池槽结构示意图；

图19是电池坞的剖视图；

图20是电池坞去掉顶盖的内部示意图；

图21是电池槽的立体图；

图22是电池槽的主视图；

图23是电池槽的左视图；

图24是电池槽的右视图；

图25是电池槽的爆炸图；

图26是电池组件的立体图；

图27是电池组件的主视图；

图28是电池组件左视图；

图29是电池组件右视图；

图30是电池组件的爆炸图；

图31是电池更换机构的立体图；

图32是电池更换机构的主视图；

图33是电池更换机构的右视图；

图34是电池更换机构的俯视图；

图35是控制柜的示意图；

图36是机柜的立体图；

图37是机柜打开状态下的示意图；

图38是机柜打开状态下的俯视图；

图39是多旋翼无人机降落在停机坪甲板上的状态示意图；

图40是限位固定机构对多旋翼无人机调中固定过程状态的俯视图；

图41是限位固定机构对多旋翼无人机调中固定过程状态的立体图；

图42是限位固定机构将多旋翼无人机调中固定好状态下的俯视图；

图43是限位固定机构将多旋翼无人机调中固定好状态下的立体图。

图中符号说明：

100.停机坪；200.限位固定机构；300.电池坞；400.电池组件；500.电池更换机构；600.控制柜；700.机柜；800.多旋翼无人机；110.停机坪甲板；111.第一引导孔道；112.第二引导孔道；120.停机坪支撑框架；130.停机坪底板；210.第一V型夹板；220.第二V型夹板；211.第一V型挤压部；212.第一挡边；213.第二挡边；230.直线导轨组件；231.第一滑块；232.第二滑块；240.连接块；250.伸缩装置固定板；260.伸缩装置；270a.第一连杆；270b.第二连杆；280a.第一L型立板；280b.第二L型立板；290a.第一V型夹板连接件；290b.第二V型夹板连接件；310.电池放置筒体，320.步进电机；330.同步带传动机构；340.底座；350.连接轴；360.电池槽；361.上壳体；362.下壳体；363.后板；364.弹簧碰珠；365.触片；410.上电池壳；420.下电池壳；430.磁铁吸片；440.触片；421.磁铁吸片安装槽；422.锁止槽；510.水平方向线性模组；520.垂直方向线性模组；530.悬臂；540.抓取臂；550.电磁铁；610.中央处理器；620.电源模块；630.无线通讯模块；640.蓄电池；650.充电模块；660.无人机电池组件充电器；710.柜体；720.太阳能电池板外罩；810.起落架。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1-4所示，无人机中继装置包括停机坪100、限位固定机构200、电池坞300、电池更换机构500、控制柜600。

停机坪100用于停放无人机。限位固定机构200用于对不同型号无人机的调中、对齐和固定，通过调中、对齐动作将无人机移动至停机坪100的中央并将电池头部正对电池更换机构500。电池坞300的功能是存放满电电池和为取出的机上无电电池充电。控制柜600作为整个中继装置的控制部分，负责控制其他组成部分动作。

如图5-8所示，停机坪100包括停机坪甲板110、停机坪支撑框架120、停机坪底板130，停机坪甲板110与停机坪支撑框架120的顶部连接，停机坪底板130与停机坪支撑框架120的底部连接。停机坪甲板110设有两个相对设置的引导孔道，分别是第一引导孔道111和第二引导孔道112。优选地，第一引导孔道111和第二引导孔道112在同一直线上。

如图9所示，限位固定机构200包括第一V型夹板210、第二V型夹板220、直线导轨组件230、连接块240、伸缩装置固定板250、伸缩装置260、第一连杆270a、第二连杆270b、第一L型立板280a、第二L型立板280b、第一V型夹板连接件290a、第二V型夹板连接件290b。直线导轨组件230固定安装在停机坪支撑框架120上，直线导轨组件230上连接有两个滑块，分别是第一滑块231和第二滑块232。第一L型立板280a与第一滑块231连接，第二L型立板280b与第二滑块232连接。第一V型夹板210通过第一V型夹板连接件290a与第一L型立板280a连接，第二V型夹板220通过第二V型夹板连接件290b与第二L型立板280b连接。如图10-11所示，第一V型夹板连接件290a的上部与第一V型夹板210连接，下部与第一L型立板280a连接。第二V型夹板连接件290b与第一V型夹板连接件290a的结构相同。如图12所示，第一V型夹板连接件290a的下部从第一引导孔道111穿过，第二V型夹板连接件290b的下部从第二引导孔道112穿过(需要说明的是，第一V型夹板连接件290a的下部可以不穿过第一引导孔道111，而是从停机坪甲板110的侧面绕过；同理，第二V型夹板连接件290b的下部可以不穿过第二引导孔道112，而是从停机坪甲板110的侧面绕过。这种情况下，就不需要在停机坪甲板110上设置第一引导孔道111和第二引导孔道112)。第一V型夹板210和第二V型夹板220位于停机坪甲板110的正面向上的空间位置处，第一V型夹板210、第二V型夹板220在水平面上相对设置。连接块240通过第一连杆270a与第一L型立板280a连接，连接块240通过第二连杆270b与第二L型立板280b连接。伸缩装置260的伸缩杆与连接块240连接，伸缩装置260固定安装在伸缩装置固定板250上。伸缩装置固定板250固定连接在停机坪甲板110的背面，伸缩装置固定板250用于固定安装伸缩装置260。伸缩装置固定板250也可以固定在停机坪支撑框架120上。

如图13所示，第一V型夹板210包括第一V型挤压部211，第一V型挤压部211的两端分别连接有第一挡边212、第二挡边213。第一V型挤压部211的V型角度α为110°～150°。第一挡边212、第二挡边213的作用是避免多旋翼无人机脱离停机坪甲板110。

第二V型夹板220的结构与第一V型夹板210相同，设有第二V型挤压部，第二V型挤压部的两端分别连接有挡边。

需要说明的是，第一V型夹板210和第二V型夹板220设置挡边是最佳方案，可以只设置V型挤压部不设置挡边，也能完成相应功能。

为了提高对无人机调中的准确性，可以使第一V型挤压部211的中线和第二V型夹板220的第二V型挤压部的中线在同一直线上，如图8中所示的两条虚线代表两条中线。

总之，设置直线导轨组件230、连接块240、伸缩装置260、第一连杆270a、第二连杆270b、第一L型立板280a、第二L型立板280b、第一V型夹板连接件290a、第二V型夹板连接件290b以及使第一V型夹板连接件290a、第二V型夹板连接件290b分别穿过第一引导孔道111、第二引导孔道112的结构，其目的是带动第一V型夹板210、第二V型夹板220相对运动，也就是使第一V型夹板210、第二V型夹板220进行靠拢、张开的往复运动。因此，只要能够实现该功能的相对运动传动装置都适用。

如图14所示，为了使第一V型夹板210、第二V型夹板220更平稳顺畅的移动，可以在其背面安装两个滚轮。滚轮支撑在停机坪甲板110上。

伸缩装置260可以是电动推杆组件、油缸组件或气缸组件。

如图15-20所示，电池坞300包括电池放置筒体310、步进电机320、同步带传动机构330、底座340、连接轴350，连接轴350的一端与电池放置筒体310连接，另一端通过轴承与底座340连接，步进电机320通过同步带传动机构330与连接轴350连接。电池放置筒体310由本体、顶盖和底板连接而成。底座340安装在停机坪100的停机坪底板130上，步进电机320也通过支架安装在停机坪底板130上。电池放置筒体31的底板上连接有三个立板，在每个立板从上到下安装有一列电池槽组，一共有三列电池槽组(定义第一列电池槽组是A，第二列电池槽组是B，第三列电池槽组是C)，相邻两列电池槽组之间的夹角是120°，每列电池槽组由三个用于放置电池组件的电池槽360组成。

需要说明的是，电池槽组不限于三列，可以是一列、两列或者更多列。每列不限于设置三个电池槽，可以是两个或者更多个。电池槽的具体数量可以根据中继装置布放地点附近的无人机数量以及无人机更换电池的频率来确定。

如图21-25所示，电池槽360包括上壳体361、下壳体362、后板363、两个弹簧碰珠364以及六个触片365，上壳体361和下壳体362连接在一起组成壳体，后板363与该壳体的后端连接，该壳体的前端开口。两个弹簧碰珠364分别连接在下壳体362的两侧。后板363的内侧设有六个触片安装槽，六个触片365连接在触片安装槽中，六个触片365用于给电池组件400充电。后板363上设有六个走线孔。后板363的外侧与电池放置筒体31的底板上的立板连接。六根充电线缆一头穿过后板363上的六个走线孔与六个触片365连接，另一头穿过连接轴350的中心通孔连接到控制柜600中的无人机电池组件充电器660。

步进电机320动作，在同步带传动机构330的作用下带动连接轴350转动，连接轴350转动带动电池放置筒体310转动，从而调整三列电池槽组的方位。

需要说明的是，电池坞300不限于安装在停机坪100的停机坪底板130上，也可以安装在停机坪100的外侧，靠近电池更换机构500处。

如图26-30所示，多旋翼无人机中的电池组件400包括上电池壳410、下电池壳420、磁铁吸片430、触片440，上电池壳410和下电池壳420连接在一起组成电池壳体，下电池壳420的前端设有磁铁吸片安装槽421，下电池壳420的两侧分别设有锁止槽422。触片440安装在下电池壳420的后端，磁铁吸片430安装在磁铁吸片安装槽421内。电池壳体内设有电池芯体，触片440与电池芯体连接。触片440的数量可以设置为六个，其中两个用于放电时使用，充电时用六个。

将电池组件400插入到电池坞300的电池槽360中时，电池槽360的两个弹簧碰珠364与锁止槽422匹配，以固定住电池组件400。触片440与电池槽360的触片365接触，这样就形成了充电回路，控制柜600中的无人机电池组件充电器660就可以给电池组件400充电了。

多旋翼无人机上容纳电池组件400的电池仓，可以用现有常规技术手段对电池组件进行固定，也可以使用如图25中上壳体361、下壳体362和两个弹簧碰珠364组成的结构。多旋翼无人机上用于和电池组件的触片接触的结构，采用现有常规技术即可。

如图31-34所示，电池更换机构500包括水平方向线性模组510、垂直方向线性模组520、悬臂530、抓取臂540、电磁铁550，水平方向线性模组510设有水平方向滑块，垂直方向线性模组520的末端与水平方向滑块连接，垂直方向线性模组520设有垂直方向滑块，悬臂530与垂直方向滑块连接，抓取臂540与悬臂530连接，电磁铁550与抓取臂540连接。需要说明的是，电磁铁550也可以直接和悬臂530连接。

水平方向线性模组510和垂直方向线性模组520构成X轴方向、Z轴方向移动机构，悬臂530设置在Y轴方向。

水平方向线性模组510可以是由电机驱动的丝杆副，该电机可以是步进电机或伺服电机。垂直方向线性模组520可以是由电机驱动的丝杆副，该电机可以是步进电机或伺服电机。

如图35所示，控制柜600包括中央处理器610、电源模块620、无线通讯模块630、蓄电池640、充电模块650、无人机电池组件充电器660，电源模块620与中央处理器610连接，无线通讯模块630与中央处理器610连接。蓄电池640与中央处理器610连接，充电模块650与蓄电池640连接。无人机电池组件充电器660与电源模块620连接。

中央处理器610的驱动信号端与步进电机320、伸缩装置260连接，中央处理器610电源输出信号端与电磁铁550连接。中央处理器610的驱动信号端与用于驱动水平方向线性模组510、垂直方向线性模组520的电机连接。

无线通讯模块630的作用是，接收多旋翼无人机发送的降落到达信号，并将该信号传送给中央处理器610，然后中央处理器610控制限位固定机构200的伸缩装置260动作。

如图36-38所示，机柜700包括柜体710和两块太阳能电池板外罩720，两块太阳能电池板外罩720与柜体710的顶部连接。在传动机构的作用下，两块太阳能电池板外罩720合在一起时可以将柜体710遮盖住，两块太阳能电池板外罩720分开时可以留出让无人机进入柜体710内部的入口。

太阳能电池板外罩720的电流输出端与充电模块650连接，最终给蓄电池640充电。

两块太阳能电池板外罩720不仅能够提供部分电能，同时可充当挡雨板。

使用机柜700时，将无人机中继装置安装在机柜700内即可。

下面描述无人机中继装置的工作过程：

初始状态下，如图9所示，限位固定机构200的第一V型夹板210和第二V型夹板220位于停机坪甲板110相对的两个侧边位置。如图1所示，电池更换机构500的垂直方向线性模组520位于最左侧，远离停机坪100；悬臂530位于最上端。结合图1和18所示，电池坞300的第一列电池槽组A的下面两个A2、A3电池槽放置好满电电池组件(被电池坞300充满电)，最上面的A1电池槽空着，不放满电电池组件，两个满电电池组件面向悬臂530的方向。另外两列电池槽组B、C中的电池槽均放置好满电电池组件。第二列电池槽组B从上到下依次是B1电池槽、B2电池槽、B3电池槽，第三列电池槽组C从上到下依次是C1电池槽、C2电池槽、C3电池槽。

第一步：如图39所示，将多旋翼无人机800降落在停机坪甲板110上，使无电电池组件面向电池更换机构500。通常情况下，多旋翼无人机800不会正好降落在停机坪甲板110的中心位置，多旋翼无人机800位于第一V型夹板210和第二V型夹板220之间，此时多旋翼无人机800的起落架与第一V型夹板210和第二V型夹板220不接触。

多旋翼无人机800向控制柜600的无线通讯模块630发送到达信号，该信号被传送给中央处理器610。

第二步：中央处理器610接收多旋翼无人机800发送的信号后，首先控制限位固定机构200对多旋翼无人机800进行调中、固定。

具体过程是，中央处理器610控制伸缩装置260动作，伸缩装置260的伸缩杆伸出推动连接块240向左移动(图9中的方向)，连接块240通过第一连杆270a带动第一L型立板280a和第一滑块231向直线导轨组件230的中心移动，同时连接块240通过第二连杆270b带动第二L型立板280b和第二滑块232向直线导轨组件230的中心移动。第一L型立板280a带动第一V型夹板连接件290a和第一V型夹板210向直线导轨组件230的中心移动(第一V型夹板连接件290a沿着第一引导孔道111移动)，同时第二L型立板280b带动第二V型夹板连接件290b和第二V型夹板220向直线导轨组件230的中心移动(第二V型夹板连接件290b沿着第二引导孔道112移动)，也就是说，第一V型夹板210和第二V型夹板220同时向停机坪甲板110的中心位置靠拢。

如图40和41所示，在第一V型夹板210和第二V型夹板220移动的过程中，第一V型夹板210逐渐与邻近的多旋翼无人机800的起落架810接触，第二V型夹板220也逐渐与邻近的起落架接触。如图42和43所示，第一V型夹板210和第二V型夹板220移动一定距离后，第一V型夹板210的V型挤压部211的两个斜边与两个相邻的起落架接触，同时第二V型夹板220的V型挤压部的两个斜边与另一侧两个相邻的起落架接触，这样，多旋翼无人机800就被调整到停机坪甲板110的中心位置，并且被夹紧固定住。

第三步：多旋翼无人机800被调中固定好后，由中央处理器610控制电池更换机构500动作，将多旋翼无人机800上的无电电池组件取出并放入电池坞300，再从电池坞300取出满电的电池组件插入多旋翼无人机800中。

具体过程是，结合图1、4和31所示，水平方向线性模组510上的水平方向滑块带动垂直方向线性模组520从初始状态下向多旋翼无人机800方向移动，与此同时，垂直方向线性模组520上的垂直方向滑块带动悬臂530从初始状态自上向下移动，这样就使悬臂530上连接的电磁铁550在X轴方向向多旋翼无人机800的电池仓位置移动，在Z轴方向向多旋翼无人机800的电池仓位置移动。在Y轴方向，悬臂530的长度以及电磁铁550的安装位置是预先根据实验设置好的。总之，在水平方向线性模组510和垂直方向线性模组520的配合动作下，电磁铁550移动至多旋翼无人机800的电池仓位置，靠近无电电池组件。

当电磁铁550靠近电池组件时，在中央处理器610的控制下给电磁铁550通电，电磁铁550吸住无电电池组件上的磁铁吸片，然后电磁铁550在水平方向线性模组510和垂直方向线性模组520的配合动作下移动到电池坞300位置，将无电电池组件放入电池坞300中空的A1电池槽中(无电电池组件的触片与电池槽上的触片接触，开始充电)，紧接着给电磁铁550断电，再驱动电磁铁550移动到满电电池组件处(空的A1电池槽下方A2电池槽处)，再给电磁铁550通电从而吸住满电电池组件上的电磁吸片，随后在水平方向线性模组510和垂直方向线性模组520的配合动作下，将满电电池组件取出并插入多旋翼无人机800的电池仓中。最后，给电磁铁550断电，使水平方向线性模组510和垂直方向线性模组520回到初始位置。

第四步，限位固定机构200的伸缩装置260的伸缩杆缩回，使第一V型夹板210和第二V型夹板220张开，向停机坪甲板110的两个侧边移动，回到初始状态。

进行下一次更换电池组件动作时，将多旋翼无人机无电的电池组件放入空置的A2电池槽内充电，取出A3电池槽内满电电池组件放入多旋翼无人机中。

再下一次更换电池组件时，取出多旋翼无人机无电电池组件放入空置的A3电池槽内充电，之后由步进电机320驱动电池放置筒体310旋转120°，将第二列电池槽组B面向电磁铁550，取出B1电池槽中的满电电池组件放入多旋翼无人机中。之后以此类推。

当第三列电池槽组C的C3电池槽中的满电电池组件被取走3小时(电池组件满充电需要的最大时间)后，无人机电池组件充电器660将自动断电，节约能源。

以上所述仅对本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。