一种空中对接更换电池的双无人机系统的制作方法

本实用新型涉及飞行器技术领域，更具体地说，涉及一种空中对接更换电池的双无人机系统。

背景技术：

随着无人机技术的发展，电动多轴无人机逐渐被应用于航拍以及深入自然灾害现场进行抢险救灾等方面。然而，现有技术中的无人机仅能满足短航程、低航时的需求，电动多轴无人机的续航问题越来越成为制约无人机技术发展的突出问题。

为了提升无人机的续航能力，现有技术中通常采用双机交替或空中对接充电的方式来满足无人机长航程、高航时的需要。

双机交替是指采用两架无人机交替在空中执行任务，当第一架无人机的电量不足时，启动第二架无人机接替第一架无人机的任务，而第一架无人机返航充电，充电完成后等待接替第二架无人机继续执行任务，如此交替以达到无人机续航的目的。然而这种续航方式存在任务中断和对接位置不准确的问题。

空中对接充电是指通过一种圆锥形充电柱的对接机构，将母无人机插入子无人机中，以在子无人机飞行的过程中对子无人机进行充电续航。这种边飞边充电的空中对接充电的续航方式充电效率低，且耗时长。

综上所述，如何提供一种能够有效的提升续航能力的无人机，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种空中对接更换电池的双无人机系统，该双无人机系统能够有效的解决电动多轴无人机的续航问题，更好的提升无人机的续航能力。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种空中对接更换电池的双无人机系统，包括用于执行任务的子无人机、用于为所述子无人机更换电池的母无人机和用于控制所述子无人机和所述母无人机工作的地面站无线电控制器，所述子无人机的子控制装置、所述母无人机的母控制装置均与所述地面站无线电控制器通信连接，且所述子控制装置和所述母控制装置通信连接；

所述子无人机上设有两块用于先后供电的电池、用于使两块所述电池切换工作的电池切换装置、用于实时检测所述电池的电量的电压传感器、用于实时定位所述子无人机的位置的子导航装置和用于与所述母无人机进行信息交互的子通信装置，所述电池切换装置、所述电压传感器、所述子导航装置和所述子通信装置均与所述子控制装置相连；

所述母无人机上设有用于定位所述母无人机的位置的母导航装置和用于与所述子无人机进行信息交互的母通信装置，所述母导航装置和所述母通信装置均与所述母控制装置相连；

还包括用于检测并调整所述子无人机和所述母无人机的对接位置的空中对接视觉识别系统、用于使所述子无人机和所述母无人机实现空中对接以进行电池更换的空中对接抓钩机构和用于对所述子无人机上的低电量电池进行更换的电池更换抓钩机构。

优选地，所述空中对接抓钩机构包括：

设于所述母无人机下方的对接抓钩固定座，所述对接抓钩固定座的边缘部设有四个呈十字形分布且可收放的对接抓钩；

设于所述子无人机上且用于与所述对接抓钩配合锁紧的抓钩卡口。

优选地，所述对接抓钩包括固定于所述对接抓钩固定座的边缘部的上臂、与所述上臂可转动连接的下臂以及用于夹紧所述抓钩卡口的第一夹片和第二夹片，所述第一夹片固设于所述下臂的自由端，所述第二夹片与所述下臂可滑动的连接，且所述第二夹片铰接用于驱动所述第二夹片沿所述下臂滑动的第一推杆电机，所述第一推杆电机的底座与所述上臂铰接，所述第一夹片和所述第二夹片之间设有用于使所述下臂随所述第二夹片的滑动而收放的弹簧。

优选地，所述抓钩卡口的两端分别设有用于限位的对接辅助限位挡板，两个所述对接辅助限位挡板成预设夹角的设置，以便于对所述对接抓钩进行导向。

优选地，所述抓钩卡口处设有用于感应所述第一夹片和所述第二夹片是否夹紧所述抓钩卡口的压力应变片，所述压力应变片连接压力传感器，所述压力传感器与所述子控制装置相连。

优选地，所述电池更换抓钩机构包括设于所述母无人机下方的旋转底座和设于所述旋转底座下方的两个可伸缩的电池抓钩；

所述旋转底座连接舵机，所述舵机用于带动所述旋转底座转动以使两个所述电池抓钩可选择的对准电池更换位置；

所述电池抓钩连接用于驱动所述电池抓钩伸缩的第二推杆电机，且所述电池抓钩包括两个可张开且可缩回的夹爪，以松开或夹紧所述电池的电池卡口。

优选地，所述电池抓钩还包括用于安装所述夹爪的安装板和设于所述旋转底座和所述安装板之间的可伸缩的两根限位杆，所述第二推杆电机固定于所述旋转底座，所述第二推杆电机的推杆的自由端连接所述安装板，两个所述限位杆平行于所述推杆且相对于所述推杆对称设置。

优选地，所述夹爪通过转轴安装于所述安装板，所述推杆的所述自由端连接步进电机，所述步进电机连接所述安装板，所述步进电机的输出轴贯穿所述安装板的厚度后伸入至两个所述夹爪之间，且所述输出轴上设有外螺纹，与所述输出轴螺纹连接的螺母上可转动的设有用于使两个所述夹爪可张开且可缩回的两个连杆，两个所述连杆分别可转动的连接两个所述夹爪。

优选地，所述空中对接视觉识别系统包括：

设于所述子无人机的双电池托盘的顶部中心处的圆形对接识别红外信标和位于所述双电池托盘的顶部中心线上的两个条形对接识别红外信标，两个所述条形对接识别红外信标相对于所述圆形对接识别红外信标中心对称；

设于所述母无人机的底部中心处的对接识别摄像头，所述对接识别摄像头上装有可使红外光通过的低通滤光片；

用于根据所述对接识别摄像头捕捉的图像信息确定所述母无人机与所述子无人机的对接位置误差的机器视觉处理装置，所述机器视觉处理装置通信连接所述母控制装置，以使所述母控制装置根据所述对接位置误差来调整所述母无人机的对接位置。

本实用新型提供的空中对接更换电池的双无人机系统，当电压传感器检测到先供电电池的电量不足时，子控制装置通过电池切换装置切换后供电电池工作，并通过地面站无线电控制器控制母无人机飞至子无人机，母无人机和子无人机通过母通信装置和子通信装置互换两者的高度位置信息，然后通过空中对接视觉识别系统检测并调整子无人机和母无人机的对接位置，并通过空中对接抓钩机构实现子无人机和母无人机的空中对接，然后通过控制电池更换抓钩机构对子无人机上的低电量电池进行更换。因此，该双无人机系统通过更换电池有效的解决了电动多轴无人机的续航问题，从而更好的提升了无人机的续航能力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型所提供的空中对接更换电池的双无人机系统具体实施例的轴测图；

图2为本实用新型所提供的空中对接更换电池的双无人机系统具体实施例的结构示意图(前后两个对接抓钩未视出)；

图3为本实用新型所提供具体实施例中对接抓钩的剖视图；

图4为本实用新型所提供具体实施例中第一夹片和第二夹片夹紧抓钩卡口时的局部剖视图；

图5为本实用新型所提供具体实施例中双电池托盘的俯视图；

图6为本实用新型所提供具体实施例中电池更换抓钩机构的主视图。

图1至图6中的附图标记如下：

1为子无人机、2为母无人机、3为对接抓钩固定座、4为对接抓钩、41为上臂、42为下臂、43为第一夹片、44为第二夹片、45为第一推杆电机、46为弹簧、5为抓钩卡口、6为对接辅助限位挡板、7为旋转底座、71为舵机、72为第二推杆电机、73为夹爪、74为安装板、75为限位杆、76为步进电机、77为螺母、78为连杆、8为双电池托盘、81为圆形对接识别红外信标、82为条形对接识别红外信标、9为对接识别摄像头。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的核心是提供一种空中对接更换电池的双无人机系统，该双无人机系统能够有效的解决电动多轴无人机的续航问题，更好的提升无人机的续航能力。

请参考图1-图6，为本申请的说明书附图。

本申请提供的空中对接更换电池的双无人机系统，包括用于执行任务的子无人机1、用于为子无人机1更换电池的母无人机2和用于控制子无人机1和母无人机2工作的地面站无线电控制器，子无人机1的子控制装置、母无人机2的母控制装置均与地面站无线电控制器通信连接，且子控制装置和母控制装置通信连接；

子无人机1上设有两块用于先后供电的电池、用于使两块电池切换工作的电池切换装置、用于实时检测电池的电量的电压传感器、用于实时定位子无人机1的位置的子导航装置和用于与母无人机2进行信息交互的子通信装置，电池切换装置、电压传感器、子导航装置和子通信装置均与子控制装置相连；

母无人机2上设有用于定位母无人机2的位置的母导航装置和用于与子无人机1进行信息交互的母通信装置，母导航装置和母通信装置均与母控制装置相连；

还包括用于检测并调整子无人机1和母无人机2的对接位置的空中对接视觉识别系统、用于使子无人机1和母无人机2实现空中对接以进行电池更换的空中对接抓钩机构和用于对子无人机1上的低电量电池进行更换的电池更换抓钩机构。

需要说明的是，本申请中的地面站无线电控制器主要用于飞手对子无人机1和母无人机2进行遥控，子无人机1的子控制装置和母无人机2的母控制装置均通过遥测无线电收发模块实现与地面站无线电控制器的通信。

本申请中的子导航装置和母导航装置均可优选为GPS和电子罗盘，子通信装置和母通信装置均可优选为GSM无线通讯模块。

工作时，飞手通过无线电控制器控制子无人机1起飞并使子无人机1执行任务，当子无人机1上首先用于供电的电池的电量不足时，用于实时检测电池电量的电压传感器检测到先供电电池的电量不足的信息，并将这一信息发送至子控制装置，子控制装置根据接收到的先供电电池电量不足的信息向电池切换装置发送控制指令，以使电池切换装置切换后供电电池进行工作。

同时，子控制装置通过子导航装置获取子无人机1的当前位置信息，并将子无人机1的当前位置信息发送至地面站无线电控制器，飞手通过地面站无线电控制器控制母无人机2携带满电量电池起飞。在母无人机2飞往子无人机1的过程中，子控制装置通过子通信装置向母控制装置实时发送子无人机1的实时位置信息，母控制装置通过母导航装置获取母无人机2的实时位置信息，当母无人机2靠近子无人机1时，子无人机1和母无人机2分别通过子通信装置和母通信装置互换子无人机1和母无人机2的高度位置信息，子控制装置通过控制子无人机1的机翼马达制动来使子无人机1悬停，母控制装置控制母无人机2飞至子无人机1上方以便于母无人机2与子无人机1的对接。

母控制装置通过空中对接视觉识别系统来检测并调整母无人机2的对接位置以使母无人机2和子无人机1对准，为子无人机1和母无人机2的对接做准备。当母无人机2和子无人机1完全对正并进入对接范围时，通过空中对接抓钩机构实现子无人机1和母无人机2的空中对接，以保证对子无人机1进行电池更换时子无人机1和母无人机2位置的稳定性。当母无人机2和子无人机1对接完成后，电池更换抓钩机构对子无人机1上的低电量电池进行更换操作。

电池更换完成后，母控制器控制对接抓钩4机构松开子无人机1，实现母无人机2和子无人机1的分离，飞手通过地面站无线电控制器控制母无人机2携带更换后的低电量电池返回，并控制子无人机1继续执行任务。

综上所述，本申请提供的空中对接更换电池的双无人机系统，当电压传感器检测到先供电电池的电量不足时，子控制装置通过电池切换装置切换后供电电池工作，并通过地面站无线电控制器控制母无人机2飞至子无人机1，母无人机2和子无人机1通过母通信装置和子通信装置互换两者的高度位置信息，然后通过空中对接视觉识别系统检测并调整子无人机1和母无人机2的对接位置，并通过空中对接抓钩机构实现子无人机1和母无人机2的空中对接，然后通过控制电池更换抓钩机构对子无人机1上的低电量电池进行更换。因此，该双无人机系统通过更换电池有效的解决了电动多轴无人机的续航问题，从而更好的提升了无人机的续航能力。

考虑到空中对接抓钩机构的简单易实现性，在上述实施例的基础之上，空中对接抓钩机构包括：

设于母无人机2下方的对接抓钩固定座3，对接抓钩固定座3的边缘部设有四个呈十字形分布且可收放的对接抓钩4；

设于子无人机1上且用于与对接抓钩4配合锁紧的抓钩卡口5。

需要说明的是，四个呈十字形分布的对接抓钩4用于保证母无人机2和子无人机1对接的稳定性。对接抓钩4可收放是指在母无人机2与子无人机1对接时，对接抓钩4可伸出至子无人机1的抓钩卡口5处，以与抓钩卡口5配合锁紧从而达到使子无人机1和母无人机2对接的目的；在母无人机2与子无人机1处于非对接的状态时，对接抓钩4可收回至母无人机2处，以作为母无人机2的起落架使用。

考虑到对接抓钩4可收放具体结构的实现方式，在上述实施例的基础之上，对接抓钩4包括固定于对接抓钩固定座3的边缘部的上臂41、与上臂41可转动连接的下臂42以及用于夹紧抓钩卡口5的第一夹片43和第二夹片44，第一夹片43固设于下臂42的自由端，第二夹片44与下臂42可滑动的连接，且第二夹片44铰接用于驱动第二夹片44沿下臂42滑动的第一推杆电机45，第一推杆电机45的底座与上臂41铰接，第一夹片43和第二夹片44之间设有用于使下臂42随第二夹片44的滑动而收放的弹簧46。

也即，本实施例通过放下对接抓钩4的下臂42来实现母无人机2与子无人机1的对接。母无人机2与子无人机1对接时，第一夹片43和第二夹片44插入抓钩卡口5处并将抓钩卡口5夹紧。

需要说明的是，为了保证第二夹片44沿下臂42滑动的稳定性，优选地，在下臂42上沿下臂42的轴线方向设有两条滑轨，第二夹片44分别与两条滑轨滑动连接，以使第二夹片44在两条滑轨上滑动，从而保证第二夹片44滑动的稳定性。

可以理解的是，当第一推杆电机45推动第二夹片44沿着下臂42移动时，设于第一夹片43和第二夹片44之间的弹簧46压缩，压缩后的弹簧46具有弹性恢复力，在弹簧46的弹性恢复力的作用下，弹簧46将推动第二夹片44移动，以使下臂42相对上臂41转动，从而驱动下臂42放下至抓钩卡口5处，并在第一推杆电机45的继续推动下，第一夹片43和第二夹片44将抓钩卡口5夹紧，完成母无人机2和子无人机1的对接。

为了防止第一夹片43和第二夹片44在靠近抓钩卡口5时偏离抓钩卡口5，在上述实施例的基础之上，抓钩卡口5的两端分别设有用于限位的对接辅助限位挡板6，两个对接辅助限位挡板6成预设夹角的设置，以便于对对接抓钩4进行导向。

也就是说，两个对接辅助限位挡板6起到第一夹片43和第二夹片44靠近抓钩卡口5时的限位作用，即：当第一推杆电机45推动第一夹片43移动并带动第二夹片44随下臂42相对上臂41转动时，第一夹片43和第二夹片44在两个对接辅助限位挡板6之间运动，以逐渐靠近抓钩卡口5直至将抓钩卡口5夹紧。

可以理解的是，为了使两个对接辅助限位挡板6具有较好的导向作用，两个对接辅助限位挡板6并不是平行设置，而是具有一定的预设夹角，且可以理解的是，预设夹角的开口方向朝向第一夹片43和第二夹片44的方向，即两个对接辅助限位挡板6之间的宽度从远离抓钩卡口5的位置向靠近抓钩卡口5的位置逐渐变窄，以使在第一夹片43和第二夹片44越靠近抓钩卡口5时两个对接辅助限位挡板6的限位作用越精确。

需要说明的是，本申请对预设夹角的具体角度值不做具体限定，设计者可以根据实际情况来确定两个对接辅助限位挡板6之间的预设夹角。

为了更好的判断第一夹片43和第二夹片44是否夹紧抓钩卡口5，在上述实施例的基础之上，抓钩卡口5处设有用于感应第一夹片43和第二夹片44是否夹紧抓钩卡口5的压力应变片，压力应变片连接压力传感器，压力传感器与子控制装置相连。

也就是说，本实施例通过压力应变片和压力传感器来检测第一夹片43和第二夹片44对抓钩卡口5施加的夹紧力，以此来判断第一夹片43和第二夹片44是否将抓钩卡口5夹紧，以便于当第一夹片43和第二夹片44将抓钩卡口5夹紧时对子无人机1进行更换电池的操作。

考虑到电池更换抓钩机构的简单易于实现性，在上述实施例的基础之上，电池更换抓钩机构包括设于母无人机2下方的旋转底座7和设于旋转底座7下方的两个可伸缩的电池抓钩；

旋转底座7连接舵机71，舵机71用于带动旋转底座7转动以使两个电池抓钩可选择的对准电池更换位置；

电池抓钩连接用于驱动电池抓钩伸缩的第二推杆电机72，且电池抓钩包括两个可张开且可缩回的夹爪73，以松开或夹紧电池的电池卡口。

可以理解的是，两个可伸缩的电池抓钩中的一者用于夹取子无人机1上电量不足的电池，另一者用于夹取母无人机2携带的满电量的电池。舵机71带动旋转底座7转动以完成满电量电池对电量不足电池的替换。考虑到电池更换抓钩机构结构的平衡性和稳定性问题，优选地，两个电池抓钩之间成180°的设置。

考虑到夹爪73夹取电池的方便性，优选地，两个夹爪73的初始位置处于张开状态。更换电池时，其中一个电池抓钩在第二推杆电机72的作用下，伸出至需要更换电池的电池更换位置处，张开的两个夹爪73卡入电池卡口，这时，将张开的两个夹爪73缩回，则可使两个夹爪73夹紧电池的电池卡口，再驱动推杆电机，可带动电池随着电池抓钩缩回至远离电池更换位置一定高度处。再通过舵机71带动旋转底座7转动，以使另一个电池抓钩带着满电量电池转至电池更换位置的上方，再通过第二推杆电机72推动该电池抓钩伸出至电池更换位置处，以将满电量电池安装在双电池托盘8上。

为了便于电池的安装，优选地，双电池托盘8的边缘部设有倒圆角，以方便电池插入双电池托盘8中。

考虑到电池抓钩伸缩时的稳定性问题，在上述实施例的基础之上，电池抓钩还包括用于安装夹爪73的安装板74和设于旋转底座7和安装板74之间的可伸缩的两根限位杆75，第二推杆电机72固定于旋转底座7，第二推杆电机72的推杆的自由端连接安装板74，两根限位杆75平行于推杆且相对于推杆对称设置。

也即，通过设置在安装板74和旋转底座7之间的两根限位杆75来限定电池抓钩伸缩时的方向，以避免电池抓钩相对电池更换位置伸出或缩回时歪斜而偏离电池抓钩的伸缩方向。

考虑到电池抓钩的两个夹爪73可张开可缩回结构的具体实现，在上述实施例的基础之上，夹爪73通过转轴安装于安装板74，推杆的自由端连接步进电机76，步进电机76连接安装板74，步进电机76的输出轴贯穿安装板74的厚度后伸入至两个夹爪73之间，且输出轴上设有外螺纹，与输出轴螺纹连接的螺母77上可转动的设有用于使两个夹爪73可张开且可缩回的两个连杆78，两个连杆78分别可转动的连接两个夹爪73。

也即，本实施例通过步进电机76输出轴的旋转，使与该输出轴螺纹连接的螺母77沿着输出轴移动，从而带动两个连杆78向上移动或向下移动，使两个连杆78与输出轴之间的夹角逐渐变小或变大，从而使两个夹爪73缩回或张开，当两个连杆78均垂直于输出轴时，两个夹爪73张开的程度最大。

考虑到空中对接视觉识别系统的具体结构的实现方式，在上述任意一项实施例的基础之上，空中对接视觉识别系统包括：

设于子无人机1的双电池托盘8的顶部中心处的圆形对接识别红外信标81和位于双电池托盘8的顶部中心线上的两个条形对接识别红外信标82，两个条形对接识别红外信标82相对于圆形对接识别红外信标81中心对称；

设于母无人机2的底部中心处的对接识别摄像头9，对接识别摄像头9上装有可使红外光通过的低通滤光片；

用于根据对接识别摄像头9捕捉的图像信息确定母无人机2与子无人机1的对接位置误差的机器视觉处理装置，机器视觉处理装置通信连接母控制装置，以使母控制装置根据对接位置误差来调整母无人机2的对接位置。

也即，本实施例通过对接识别摄像头9来捕捉圆形对接识别红外信标81和两个条形对接识别红外信标82的图像信息，机器视觉处理装置根据摄像头捕捉的图像信息来确定母无人机2与子无人机1的对接位置误差。机器视觉处理装置通信连接母控制装置，因此，母控制装置可以根据接收到的机器视觉处理装置获取的对接位置误差来调整母无人机2的位置，直至母无人机2与子无人机1完全对准为止。

需要说明的是，由于圆形对接识别红外信标81位于双电池托盘8的顶部中心处，对接识别摄像头9位于母无人机2的底部中心处，因此，圆形对接识别红外信标81主要用于检测和调整母无人机2的水平位置误差和垂直位置误差。两个条形对接识别红外信标82主要用于检测和调整母无人机2的偏航角度。

考虑到机器视觉处理装置的具体处理方式，优选地，机器视觉处理装置包括：

垂直位置误差处理装置，用于根据对接识别摄像头9的焦距、圆形对接识别红外信标81的实际直径、以及对接识别摄像头9所捕捉的圆形对接识别红外信标81的图像信息的直径来获取对接位置的垂直距离；

水平位置误差处理装置，用于根据圆形对接识别红外信标81的实际直径、对接识别摄像头9所捕捉的圆形对接识别红外信标81的图像信息的直径、以及对接识别摄像头9所捕捉的圆形对接识别红外信标81的图像信息的中心点距离对接识别摄像头9的感光元件成像面的中心点的距离来获取对接位置的水平位置误差；

偏航角误差处理装置，用于根据对接识别摄像头9所捕捉的两个条形对接识别红外信标82的图像所在直线与对接识别摄像头9的感光元件成像面的相应中心线之间的夹角偏差来确定对接位置的偏航角误差。

具体地，通过对接识别摄像头9捕捉到圆形对接识别红外信标81的图像信息，可获得对接识别摄像头9所捕捉的圆形对接识别红外信标81的图像信息的直径x1，x1可由对接识别摄像头9的感光元件上单个像素感光单元的尺寸和该感光元件呈像面上圆形对接识别红外信标81直径的像素点个数相乘得到。

当对接识别摄像头9的焦距为f、圆形对接识别红外信标81的实际直径为l1时，垂直位置误差处理装置可获取对接位置的垂直距离D，D的计算公式为：

另外，通过对接识别摄像头9捕捉到圆形对接识别红外信标81的图像信息，也可以获得对接识别摄像头9所捕捉的圆形对接识别红外信标81的图像信息的中心点距离对接识别摄像头9的感光元件成像面的中心点的距离x2，x2为对接识别摄像头9感光元件上单个像素感光单元的尺寸与感光元件呈像面上圆形对接识别红外信标81中心点与呈像面中心点之间的像素点个数的乘积。

水平位置误差处理装置可获取对接位置的水平位置误差l2，l2的计算公式为：

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本实用新型所提供的空中对接更换电池的双无人机系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。