无人机收容换电装置及方法与流程

本发明属于无人机收容换电技术领域，具体涉及一种无人机收容换电装置及方法。

背景技术：

无人机分为军用与民用，在船舶、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域应用广泛。

无人机在行驶过程中需要电池供电，现有关于无人机自动更换电池装置大多都需要人手将无人机放入确定位置，不能实现真正的无人化更换电池操作；升降平台多采用剪叉式，精确度低，可靠性差。机械手多采用多自由度，体型笨重，可靠性差。且目前没有相关装置可以检测环境是否适合无人机的起降。且现存无人机换电池装置为无人机更换电池多采用现充现用的模式，增加了无人机停靠的时间，降低了其工作效率。人机域正在逐步扩展，市场迫切需要一套可靠的无人化的更换电池装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种无人机收容换电装置及方法，解决现有技术存在的无法无人化更换电池及工作效率低的问题。

为实现上述目的，本发明的无人机收容换电装置包括：

外壳，所述外壳包括壳体和设置在壳体上并相对壳体滑动的滑盖，所述壳体上端相对位置设置有滑台；

设置在所述外壳内的升降装置，所述升降装置包括升降平台和驱动升降平台升降的升降驱动机构，所述升降平台上开有十字型的滑槽；

设置在升降平台上的归位装置，所述归位装置包括设置在升降平台上端面的四个归位杆和设置在升降平台下端面的归位驱动机构；四个归位杆分别和升降平台上的十字型的滑槽的一端垂直设置，所述归位驱动机构穿过十字型的滑槽的四端和四个归位杆固定连接，通过归位驱动机构带动四个归位杆同步向内或向外运动；

设置在升降平台上的换电池装置，所述换电池装置包括和所述壳体上的滑台滑动配合的机械手搭载平台、固定设置在机械手搭在平台下端的机械手以及通过转动平台设置在升降平台上端面的电池管家；

以及控制器，所述控制器控制升降驱动机构、归位驱动机构、机械手及机械手搭载平台的运动。

所述归位驱动机构包括：

固定在升降平台下端面和十字型的滑槽中心位置相对应的电动旋转平台；

中心位置和所述电动旋转平台固定连接的十字转杆；

四个推杆，所述四个推杆的一端分别和十字转杆的一个端部铰接，所述四个推杆的另一端分别和一个耳件铰接；

以及分别和四个耳件连接的四个挡板，所述四个挡板分别穿过升降平台上的滑槽的四端和四个归位杆固定连接。

所述滑盖和所述壳体滑动配合具体为：所述壳体上端相对位置设置有电动滑轨，所述滑盖分为左右两部分，滑盖的左右两部分的两端分别和相对设置的电动滑轨滑动配合实现开合，所述电动滑轨通过所述控制器控制运动。

所述升降驱动机构包括丝杠电机和丝杠，所述升降平台分别和均匀分布的多个丝杠的一端螺纹连接，多个丝杠的另一端分别和一个丝杠电机连接。

所述升降平台为方形升降平台，所述丝杠的数量为四个，分别和升降平台的四角处配合。

所述机械手搭载平台上设置有红外对管。

所述机械手包括：

固定在机械手搭载平台下端面的保护壳；

设置保护壳内的推板；

上端和推板下端面铰接的第一连接板和第二连接板；

分别与第一连接板和第二连接板另一端铰接的第一夹钳和第二夹钳，所述第一夹钳和第二夹钳上端交叉铰接设置，铰接处设置有扭簧，并且两端和所述保护壳连接，扭簧自然状态时，所述第一夹钳和第二夹钳处于夹紧状态，所述第一夹钳和第二夹钳下端位于保护壳外部，所述第一连接板、第二连接板、第一夹钳和第二夹钳构成平行四边形机构；

一端和推板上端面固定连接的推杆，所述推杆上端穿过保护壳上端面和机械手搭载平台；

以及固定在机械手搭载平台上端面的电动推杆，所述电动推杆和所述推杆上端配合驱动推杆上下运动。

基于无人机收容换电装置的换电方法包括以下步骤：

步骤一：控制器控制归位杆位于运动的最外端，控制机械手搭载平台位于升降平台的一端部；

步骤二：无人机降落在所述升降运动平台上，电动旋转平台转动同步带动四根归位杆向内运动，将无人机姿态调整到指定位置并在x,y,z三个方向限制其位移；

步骤三：机械手搭载平台在滑台上滑动，带动机械手至无人机电池上方；

步骤四：控制器控制机械手张开，丝杠电机驱动升降平台向上运动，使无人机的电池进入机械手夹持范围内，控制器控制机械手闭合夹紧电池卡簧；

步骤五：控制器控制升降平台向下运动，再控制机械手搭载平台沿滑台运动到电池管家上方；

步骤六：控制器控制升降平台向上运动，使机械手夹持的电池放入电池管家充电口中，机械手打开，升降平台向下运动，远离机械手；

步骤七：电动旋转平台转动，将电池管家中已经充满电的电池移动到机械手下方；

步骤八：升降平台上升，充满电的电池进入机械手夹持范围；机械手夹紧电池卡簧，升降平台下降；

步骤九：机械手搭载平台沿滑台滑动使机械手位于无人机电池仓上方；

步骤十：升降平台上升，使机械手夹持的充满电的电池进入无人机电池仓，机械手张开，升降平台下降，机械手搭载平台沿滑台移动，将机械手送至初始位置。

所述机械手搭载平台上设置有红外对管。

所述机械手包括：

固定在机械手搭载平台下端面的保护壳；

设置保护壳内的推板；

上端和推板下端面铰接的第一连接板和第二连接板；

分别与第一连接板和第二连接板另一端铰接的第一夹钳和第二夹钳，所述第一夹钳和第二夹钳上端交叉铰接设置，铰接处设置有扭簧，并且两端和所述保护壳连接，扭簧自然状态时，所述第一夹钳和第二夹钳处于夹紧状态，所述第一夹钳和第二夹钳下端位于保护壳外部，所述第一连接板、第二连接板、第一夹钳和第二夹钳构成平行四边形机构；

一端和推板上端面固定连接的推杆，所述推杆上端穿过保护壳上端面和机械手搭载平台；

以及固定在机械手搭载平台上端面的电动推杆，所述电动推杆和所述推杆上端配合驱动推杆上下运动。

本发明的有益效果为：本发明的无人机收容换电装置及方法使飞机降落在足够大的升降平台上，并利用归位装置对其进行归位和固定。利用丝杠电机控制升降平台在壳体内的升降。机械手随机械手搭载平台沿直线运动，使机械手停放在指定位置，准备进行更换无人机电池的工作。升降平台上配有电池管家和多块电池，可随时为无人机进行电量补给。装置可搭配的环境传感器实时监测服务站周边环境，例如风速、温度、湿度等，使无人机只能在规定的条件下起飞。

本发明利用固定在升降平台上的电动旋转平台作为原动装置，驱动由十字转杆、推杆和归位杆组成的连杆机构。十字转杆固联在电动旋转平台上，并随电动旋转平台做绕电动旋转平台轴线的回转运动。升降平台上加工出的滑槽，限制推杆一端在滑槽内做直线运动。推杆的另一端与十字转杆铰链连接，并随十字转杆的一端一起做回转运动。推杆与限制推杆做直线运动的一端以铰链连接，并与升降平台滑槽部分组成移动副。四根归位杆在初始位置所围成的封闭区域即为无人机可能降落的区域。电动旋转平台驱动十字转杆，使四根归位杆移动到目标位置，归位杆在目标位置所围成的封闭区域即为无人机在特定要求下所指定的位置停放所需要的区域。四根归位杆在运动过程中与无人机前脚和尾部电机接触，以调整无人机的停放位置和停放姿态。

本发明的无人机收容换电装置及方法可实现无人机真正意义上的无人化，与市面上传统无人机基站相比，其优点在于：可自动对无人机进行收容，通过限位装置完成对无人机的捕捉；旋转式电池管家实现了对无人机快速换电，大幅增加了其工作效率；可实现对数据的即时上传与共享，实现较大范围监管的目的。

附图说明

图1为本发明的无人机收容换电装置整体结构示意图；

图2为本发明的无人机收容换电装置中外壳结构示意图；

图3为本发明的无人机收容换电装置中升降装置结构示意图；

图4为本发明的无人机收容换电装置中归位装置结构示意图；

图5为本发明的无人机收容换电装置中机械手结构示意图；

图6为本发明的无人机收容换电装置中机械手夹持部分主视图；

图7为本发明的无人机收容换电装置中机械手夹持部分示意图；

其中：1、外壳，101、壳体，102、滑盖，103、滑台，104、电动滑轨，2、升降装置，201、升降平台，202、滑槽，203、丝杠电机，3、归位装置，301、归位杆，302、电动旋转平台，303、十字转杆，304、推杆，305、耳件，306、挡板，4、换电池装置，401、机械手，402、电池管家，403、机械手搭载平台，404、第一夹钳，405、第二夹钳，406、第一连接板，407、第二连接板，408、推杆，409、推板，410、保护壳，411、电动推杆，5、无人机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1-附图4，本发明的无人机收容换电装置包括：

外壳1，所述外壳1包括壳体101和设置在壳体101上并相对壳体101滑动的滑盖102，所述壳体101上端相对位置设置有滑台103；

设置在所述外壳1内的升降装置2，所述升降装置2包括升降平台201和驱动升降平台201升降的升降驱动机构，所述升降平台201上开有十字型的滑槽202；

设置在升降平台201上的归位装置3，所述归位装置3包括设置在升降平台201上端面的四个归位杆301和设置在升降平台201下端面的归位驱动机构；四个归位杆301分别和升降平台201上的十字型的滑槽202的一端垂直设置，所述归位驱动机构穿过十字型的滑槽202的四端和四个归位杆301固定连接，通过归位驱动机构带动四个归位杆301同步向内或向外运动；

设置在升降平台201上的换电池装置4，所述换电池装置4包括和所述壳体101上的滑台103滑动配合的机械手搭载平台403、固定设置在机械手401搭在平台下端的机械手401以及通过转动平台设置在升降平台201上端面的电池管家402；

以及控制器，所述控制器控制升降驱动机构、归位驱动机构、机械手401及机械手搭载平台403的运动。

所述归位驱动机构包括：

固定在升降平台201下端面和十字型的滑槽202中心位置相对应的电动旋转平台302；

中心位置和所述电动旋转平台302固定连接的十字转杆303；

四个推杆304，所述四个推杆304的一端分别和十字转杆303的一个端部铰接，所述四个推杆304的另一端分别和一个耳件305铰接；

以及分别和四个耳件305连接的四个挡板306，所述四个挡板306分别穿过升降平台201上的滑槽202的四端和四个归位杆301固定连接。

所述滑盖102和所述壳体101滑动配合具体为：所述壳体101上端相对位置设置有电动滑轨104，所述滑盖102分为左右两部分，滑盖102的左右两部分的两端分别和相对设置的电动滑轨104滑动配合实现开合，所述电动滑轨104结构为：将齿轮与电机输出轴固连，齿轮齿条与滑盖102固连，齿轮与齿条啮合，滑盖的侧缘与导轨上的滑块连接。动力来自于电机，利用齿轮齿条传动，通过控制器控制电机，使滑盖可以在导轨上进行往复运动。

所述升降驱动机构包括丝杠电机203和丝杠，所述升降平台201分别和均匀分布的多个丝杠的一端螺纹连接，多个丝杠的另一端分别和一个丝杠电机203连接。

所述升降平台201为方形升降平台201，所述丝杠的数量为四个，分别和升降平台201的四角处配合。

所述机械手搭载平台403上设置有红外对管。对机械手搭载平台403提供定位保障，使偏差缩小到实现功能所能接受的范围内。红外对管利用红外线发射装置发射红外光束，当接收未检测到发出信号时，机械手搭载平台403在系统的控制下进行归位，当接收端检测到红外信号时，机械手搭载平台403停止运动，完成归位。

参见附图5、附图6和附图7，所述机械手401包括：

固定在机械手搭载平台403下端面的保护壳410；

设置保护壳410内的推板409；

上端和推板409下端面铰接的第一连接板406和第二连接板407；

分别与第一连接板406和第二连接板407另一端铰接的第一夹钳404和第二夹钳405，所述第一夹钳404和第二夹钳405上端交叉铰接设置，铰接处设置有扭簧，并且两端和所述保护壳410连接，扭簧自然状态时，所述第一夹钳404和第二夹钳405处于夹紧状态，所述第一夹钳404和第二夹钳405下端位于外壳外部，所述第一连接板406、第二连接板407、第一夹钳404和第二夹钳405构成平行四边形机构；

一端和推板409上端面固定连接的推杆408，所述推杆408上端穿过保护壳410上端面和机械手搭载平台403；

以及固定在机械手搭载平台403上端面的电动推杆411，所述电动推杆411和所述推杆408上端配合驱动推杆408上下运动；

所述机械手右侧的l型杆件为触头，用于按动电池开关，焊在机械手401保护壳410上，该型号无人机的电池需要先短按，再长按启动，整个运动通过升降平台201的升降来完成。

本发明利用扭簧，使机械手401在未被驱动时，就处于夹紧状态。电动推杆工作时，机械手401处于放开状态。

基于无人机5收容换电装置的换电方法包括以下步骤：

步骤一：控制器控制归位杆301位于运动的最外端，控制机械手搭载平台403位于升降平台201的一端部；

步骤二：无人机5降落在所述升降运动平台上，电动旋转平台302转动同步带动四根归位杆301向内运动，将无人机5姿态调整到指定位置并在x,y,z三个方向限制其位移；

步骤三：机械手搭载平台403在滑台103上滑动，带动机械手401至无人机5电池上方；

步骤四：控制器控制机械手401张开，丝杠电机203驱动升降平台201向上运动，使无人机5的电池进入机械手401夹持范围内，控制器控制机械手401闭合夹紧电池卡簧；

步骤五：控制器控制升降平台201向下运动，再控制机械手搭载平台403沿滑台103运动到电池管家402上方；

步骤六：控制器控制升降平台201向上运动，使机械手401夹持的电池放入电池管家402充电口中，机械手401打开，升降平台201向下运动，远离机械手401；

步骤七：电动旋转平台302转动，将电池管家402中已经充满电的电池移动到机械手401下方；

步骤八：升降平台201上升，充满电的电池进入机械手401夹持范围；机械手401夹紧电池卡簧，升降平台201下降；

步骤九：机械手搭载平台403沿滑台103滑动使机械手401位于无人机5电池仓上方；

步骤十：升降平台201上升，使机械手401夹持的充满电的电池进入无人机5电池仓，机械手401张开，升降平台201下降，机械手搭载平台403沿滑台103移动，将机械手401送至初始位置。

为解决步骤机械手搭载平台403可能出现的运动偏差，本发明在电池管家402上设计倒角，增加容错率，使电池能够准确地放入电池管家402的充电口。

根据运动学分析，十字转杆303和推杆304在初始位置时，需要具有一定的角度(以下称初始角度)，以保证连杆等够正常开始运动。机构在曲柄与连杆共线位置上，运动被卡死，传动角为0°，为避免此情况，必须设计初始角度。初始角度无需严格计算，只需要避免此情况发生即可。十字转杆303和推杆304的长度可依据限位杆的初始位置和目标位置与初始角度和所需转动角度计算得出具体为：

其中：x为十字转杆半长；

y为拉杆长度；

a为归位杆内边距离；

b为飞机宽度；

θ为十字转杆旋转角度。

升降平台201的材料需要在具备较好的强度、刚度和稳定性的同时，保持足够的轻量化。归位杆301与起降平台之间的摩擦会对零件产生磨损，二者的材料和接触面形状要根据实际需要予以考虑。

若需要限制无人机5在竖直方向上的位置，可根据无人机5的形状，单独设计一个限位零件，其形状应尽量与无人机5顶部的形状相同，并将该零件固联在限位杆上。此时，无人机5在各个方向上的运动均被限制，达到了限制无人机5停放位置和停放姿态的目的。