一种多无人机立体充电系统

本实用新型属于无人机充电领域，尤其涉及一种多无人机立体充电系统。

背景技术：

近年来，随着无人机技术的不断进步和发展，无人机得到了越来越广泛的应用，涉及军事、民用、农业、航拍等诸多领域。无人机是利用无线遥控或控制程序来执行特定航空任务的飞行器，指不搭载操作人员的一种空中飞行器，采用空气动力为飞行器提供所需的升力，能够自动飞行或远程引导，既能一次性使用也能循环使用。无人机能够适应比较危险的任务，例如军事侦查、电力巡线、灾难救援等，具有成本低、机动性强、任务多元化、生存能力强等特点。但无人机系统的设计也存在尺寸、重量和电池容量等方面的严格限制，导致多数无人机的续航里程短、充电时间长等问题，特别是对于一般的单层无人机充电平台，每个充电位当有无人机在充电时，后续无人机需要等待当前充电位的无人机充满时方能继续充电，等待过程中的无人机无法执行其它作业，所以单层充电平台存在运行效率低下的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种多无人机立体充电系统，旨在解决单层充电平台存在运行效率低下的问题。

本实用新型是这样实现的，一种多无人机立体充电系统，包括无人机及充电平台，所述无人机上设有充电装置及二维码识别器，所述充电平台上设有与所述充电装置配合连接的充电底座，所述充电装置可与另一架所述无人机上的充电装置连接，所述充电底座上设有供所述二维码识别器识别的第一二维码标签。

本实用新型的进一步技术方案是：所述无人机还包括底盘、若干个机臂组件及控制盒，所述若干个机臂组件均匀分布在所述底盘的四周，所述机臂组件包括机臂、驱动电机及螺旋桨，所述机臂的一端与所述底盘连接，所述驱动电机设于所述机臂的另一端，所述螺旋桨与所述驱动电机连接，所述控制盒设于所述底盘顶部，所述控制盒顶部设有第二二维码标签，所述二维码识别器设于所述底盘底部。

本实用新型的进一步技术方案是：所述控制盒包括：

无线通信模块，用于与所述充电平台进行通讯；

电池模块，用于为所述无人机供电；

充电控制模块，用于调节和控制所述无人机内的电流和电压；

电机驱动模块，用于控制所述驱动电机的转速；

定位模块，用于所述无人机获取自身位置数据；

微处理器模块，用于为所述电机驱动模块提供信号控制自身飞行，读取所述定位模块及二维码识别器的数据，控制所述无线通信模块收发数据，控制所述充电控制模块接通或断开以及读取机体剩余电量。

本实用新型的进一步技术方案是：所述充电装置包括若干个导电座及与所述导电座数量对应的若干个导电支杆，所述若干个导电座位于所述底盘顶部且分布在所述控制盒四周，所述若干个导电支杆设于所述底盘底部，所述导电支杆与对应的所述导电座连接。

本实用新型的进一步技术方案是：所述充电平台包括充电服务器、若干个所述充电底座及支撑座，若干个所述充电底座均设于所述支撑座上，所述充电底座均与所述充电服务器连接且均由所述充电服务器为之提供电能，所述充电底座上设有充电孔，用于与所述导电支杆连接。

本实用新型的有益效果是：无人机以层叠的方式堆放于充电平台上，实现了一个充电座给多架无人机同时充电的效果，同时通过充电服务器的统筹安排，无人机的充电时间随着层数的增加逐渐减少，可以使得位于最顶层的无人机最快充完电并执行下一任务，既提高了充电效率，也提高了无人机的使用效率。

附图说明

图1是本实用新型无人机的俯视图；

图2是本实用新型无人机的正视图；

图3是本实用新型充电平台的俯视图；

图4是本实用新型无人机层叠充电的示意图。

具体实施方式

附图标记：1-底盘，2-机臂，3-驱动电机，4-螺旋桨，5-第二二维码标签，6-控制盒，7-二维码识别器，8-导电座，9-导电支杆，10-充电服务器，11-支撑座，12-充电底座，13-第一二维码标签，14-充电孔。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

图1-2示出了本实用新型的所述无人机的整体外观，所述无人机包括底盘1、若干个机臂组件及控制盒6，所述若干个机臂组件均匀分布在所述底盘1的四周，所述机臂组件包括机臂2、驱动电机3及螺旋桨4，所述机臂2的一端与所述底盘1连接，所述驱动电机3设于所述机臂2的另一端，所述螺旋桨4与所述驱动电机3连接，所述控制盒6设于所述底盘1顶部，所述控制盒6顶部设有第二二维码标签5，所述二维码识别器7设于所述底盘1底部。所述无人机通过所述控制盒6控制所述驱动电机3启动带动所述螺旋桨4转动，实现无人机的飞行。其中所述第二二维码标签5采用通用qr二维码，用于提供二维码编号和位置数据，每个无人机具有唯一的二维码，所述二维码识别器7用于扫描所述充电底座12或其他无人机上的二维码信息。所述机臂2至少设有四只，所述导电座8及导电支杆9至少设有四只。

所述控制盒6是所述无人机的重要核心，其内部包括：无线通信模块、电池模块、通电控制模块、电机驱动模块、微处理器模块、定位模块。无线通信模块，用于无人机与所述充电服务器10或其它调度系统进行通信，可采用wifi、红外、蓝牙、zigbee等低功耗通信技术。电池模块，用于为无人机的各个用电模块提供电能，可通过通电控制模块连接外部电源对其充电，可采用锂电池。充电控制模块：包括稳压电路、继电器和电池充电电路；其中稳压电路用于将电池输出电压调整到其它用电模块所需的电压，能够检测电池的剩余电量并传送给微处理器；继电器用于控制导电支杆9与电池充电电路的通断，由微处理器发送信号进行控制，当着陆于充电平台时，继电器导通为系统充电，其它状态下继电器断开。电池充电电路，为电池提供稳定的充电电压和电流。电机驱动模块，控制各电机转动，接收来自微处理器模块的控制信号，进行电机转速控制。定位模块，用于无人机获取自身位置，为微处理器模块提供位置数据，可采用gps、gnss等无线定位技术。微处理器模块，无人机的核心部件，能够为电机驱动模块提供信号控制自身飞行，能够读取定位模块和二维码识别模块的数据，自动规划飞行路径，控制无线通信模块收发数据，控制充电控制模块接通或断开以及读取剩余电量。

图3展示了所述充电平台的整体，其中所述支撑座11用于承载所述充电底座12及充电服务器10，为平整的平面，所述支撑座11的大小可根据所述充电底座12的个数和所述充电服务器10的位置进行设计。每个所述充电底座12具有唯一的所述第一二维码标签13，所述充电孔14的电极与无人机上的所述导电座8保持一致，二维码的方向按电极的规则安装。对角线上的电极一致，其中一对为正极、一对为负极，对应于二维码的两个对角方向。二维码中有两个位置探测图形的对角线对应的所述导电孔为正电极接口，只有一个位置探测图形的对角线方向为负电极接口。每个所述导电孔对角线的两个电极通过导线连接，每个所述充电底座12的四个导电孔14通过正负两根导线连接到所述充电服务器10，由所述充电服务器10提供充电电压和电流。所述充电底座12的排列方式为阵列形式，间距应大于两倍的无人机最大宽度，以保证无人机的正常飞行。所述充电底座12的个数可根据充电平台的目标容量、堆叠层数进行设计，每个底座的所能承受的最大无人机层数可根据无人机的尺寸进行设计，无人机在堆叠充电时不能超过其层数的设计上限，避免发生倾斜倒塌。所述充电服务器10包括稳压电源、计算机、无线通信模块、人机接口模块；稳压电源为每个充电底座12提供稳定的电能；无线通信模块用于与无人机进行通信；计算机通过无线通信模块与无人机进行数据交互，读取各无人机的剩余电量，并为其分配充电位置，能够保证最先充满电的无人机最先出现在顶部以提高系统的运转率，并对无人机的进场和离场进行记录。计算机能够计算场内无人机的所需充电时间，可对其进行排序，并将结果显示到人机接口模块或用于其它调度系统。人机接口模块包括显示器、键盘、鼠标等人机交互设备，用于接收用户输入，并为用户反馈信息，用户可自定义无人机的充电位置或命令某无人机离场执行飞行任务。

图4展示了该无人机立体充电系统中无人机的堆叠方式，位于整个充电系统最底层的无人机的所述导电支杆9与所述充电底座12上的充电孔14连接，通过所述充电孔14为所述无人机充电，当另一架无人机需要充电时，其所述导电支杆9可以连接在底层无人机的所述导电座8上，通过此方式依次叠加，形成图3中的无人机连接方式。通过此方式在同一个所述充电底座12上可以同时为多架无人机进行充电，位于越高的层数的无人机，它的剩余电量更多，充电时间更少。

因此，本实用新型的多无人机立体充电系统的充电位置指派方法，包括以下步骤：

s1：充电服务器10建立三维矩阵p，记录在充电平台上每个充电位置的无人机数据；

s2：当有充电需求的无人机接近所述充电平台时，通过所述无线通信模块向所述充电服务器10发送充电请求；

s3：所述充电服务器10获取有充电需求的无人机的剩余电量信息，计算其充电时间，按照从底层到顶层充电时间由长到短的规律，遍历所述三维矩阵p的数据，如果在所述三维矩阵p中寻找到最佳充电位置，则安排有充电需求的无人机到达充电位置充电，如果所述充电平台已达到最大容量，则将无法安排的信息传递回有充电需求的无人机。

优先地，所述步骤s1包括以下步骤：

s11：建立三维矩阵p，所述充电服务器10将已在所述充电平台充电的无人机编号为i，记录其所需充电时间t，将请求进场的无人机编号为ic，记录其所需充电时间tc；

s12：矩阵p中的每个单元的坐标用(x,y,z)进行表示，x、y、z分别为充电位置的长度、宽度和高度方向的下标，长度、宽度、高度的上限分别为f、w、h，每个充电单元在矩阵p中的坐标记录为p(x,y,z)＝[i(x,y,z),t(x,y,z)]。

优先地，所述步骤s3包括以下步骤：

s31：所述充电服务器10获取所述无人机ic的剩余电量并计算其充电时间，并将其在所述三维矩阵中的坐标设为pc，所述充电服务器10获取当前所述充电平台上堆叠的无人机层数并记为l；

s32：如果l＝0或l＝1且第一层未填满，将无人机ic的充电位置随机分配到第一层的任意空位；

s33：如果l＝2且第二层未填满，将所述充电平台内的在第二层为空的第一层上的无人机按所需充电时间进行排序，记录其中最大所需充电时间及其对应的无人机最小所需充电时间及其对应的无人机如果则将其位置pc分配在无人机的底部，如果则将其位置pc分配在无人机的顶部，否则找到tc最接近的且对应的无人机将pc分配在的底部；

s34：如果h＞l≥2，且第l层已经填满，对第l层的无人机所需充电时间进行排序，记其中最小所需充电时间及其对应的无人机如果则将tc分配在的顶部，否则对第一层的无人机剩余电量进行排序，记其中最大剩余所需充电时间及其对应的无人机如果则将pc分配在的底部，否则在其它层的无人机中找到tc最接近的且对应的无人机将pc分配在的底部；

s35：如果l>2且第l层未填满时，在第l层为空的第l-1层上的无人机按所需充电时间进行排序，记其中最小所需充电时间及其对应的无人机如果则将tc分配在的顶部，否则对第l层为空的第一层的无人机所需充电时间进行排序，记其中最大所需充电时间及其对应的无人机如果则将pc分配在的底部，否则对第l层为空的其它层的无人机所需充电时间进行排序，找到tc最接近的且对应的无人机将pc分配在的底部；

s36：如果l＝h且第l层已填满，此时所述充电平台已达到最大容量，不能为pc分配新的充电位置，则所述充电服务器10向所述无人机ic传递无法找到充电位置的信息。

优先地，如果所述无人机ic的充电位置分配在底层，则所述充电服务器10将对应的所述充电底座12上的所述第一二维码标签13的信息发送至所述无人机ic，所述二维码识别器7通过扫描所述充电底座12上的所述第一二维码标签13确认充电位置，如果所述无人机ic的充电位置下方已有无人机，则所述充电服务器10将充电位置下方的无人机上所述第二二维码标签5的信息发送至所述无人机ic，所述二维码识别器7通过扫描充电位置下方的无人机上的所述第二二维码标签5确认充电位置。

优先地，如果所述充电服务器10分配给所述无人机ic的目标充电位置或目标充电位置上方已停留无人机，则命令其目标充电位置或目标充电位置上方的无人机依次起飞并在空中悬停，向无人机ic发送最佳充电位置，等待无人机ic平稳降落到充电位置后，再命令悬停的无人机依次降落，所述三维矩阵p更新变化了的无人机的坐标信息。

当无人机检测到自身的剩余电量不足以完成一次飞行任务时，无人机会运行至所述充电平台附近，并向所述充电服务器10发送充电请求，所述充电服务器10收到请求后，获取该无人机的剩余电量并计算出其充电时间，随后在已建立的所述三维矩阵p中寻找是否能为该无人机提供充电位置。在建立完成的三维矩阵p中，记录了每一个充电位置上的无人机的信息，包括它在充电平台的位置坐标和它的充电时间，所述充电服务器10对进场无人机的所需充电时间进行倒计时，将矩阵p中的时间t定时做减法运算，直到减为零。当无人机进场后，在矩阵p中对应位置增加信息，当无人机离场后，在对应位置删除信息。

所述充电服务器10将当前所述充电平台上无人机的层数记为l，根据所述步骤s31-s36这五种情况，分析并为发送充电请求的无人机安排充电位置，当整个充电平台容量已满，则会告知无人机，无人机可以前去另一个充电平台寻求充电。所述充电服务器10安排充电位置位于整个平台底部时，会先将充电底座12上的二维码信息发送给无人机，无人机通过扫描二维码确认充电位置，如果该无人机分配的充电位置下方已有充电中的无人机，则所述充电服务器10将其下方的无人机的二维码信息发送给待充电的无人机，通过二维码信息的互通，可以保证充电位置的准确无误，使无人机更快的到达充电位置开始充电。同时，当无人机的充电位置及其上方有无人机充电时，则所述充电服务器10控制这些无人机飞起并悬停在空中，待其进入充电位置后，悬停的无人机再依次回到其充电位置，并在三维矩阵中更新信息。如果所述充电平台出现故障或中途断电等情况，导致所述充电服务器10需要重新启动，在所述充电服务器10重新启动后，需要向场内无人机通过无线通信模块广播查询请求，场内无人机接收到查询请求后向所述充电服务器10发送自身编号和剩余电量信息，所述充电服务器10根据接收到的数据重新进行计算并建立三维矩阵p。

经过上述充电位置指派程序，能够将所需充电时间长的无人机分配到底部，所需充电时间短的分配到顶部，从而保证充满电的无人机优先出现在顶部，为无人机的调度提供了方便。与此同时，所述充电服务器10将当前场内的无人机按所需充电时间进行排序，并将结果进行显示。当有其它调度系统向充电服务器10查询充电状态列表时，充电服务器10能够为其提供数据，其它调度系统可选取其中已经完成充电的无人机来执行飞行任务。此外，用户也可以通过人机接口模块自定义无人机的充电位置或命令某无人机离场执行飞行任务。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。