一种无人机充电系统及充电方法与流程

1.本发明属于无人机自主充电技术领域，涉及一种充电系统，具体是一种无人机充电系统及充电方法。


背景技术：

2.随着无人机技术的迅速发展，无人机已在电力巡线、石油管线巡线、边防、海防、交通救援、森林防火等领域广泛使用。复合翼无人机因具有大载重、长航时等技术特点，适合山区、沙漠、岛礁等不具备建设机场，但需要大载重、长航时的执行飞行任务。但是在以上条件相对恶劣的环境中使用时，对无人机的使用和维护要求更高。因此，为了提高无人机的执行任务能力和减少维护保养次数，确保无人机的安全飞行，设计一套具备无人机自主回收并自主充电技术的自动机场，实现复合翼无人机自动回收充电。
3.现有技术中，无人机主要采用以下两种技术实现无人机的充电。第一类是通过更换电池的方式间接的实现无人机自动充电。第二类是通过操作归中机构，利用固定的接触式(夹爪、插头)的接卸机构接触或插入充电铜极，实现一种接触式的充电方式。
4.第一类自动机场在进行自主充电时，需要将无人机夹持到指定位置，然后利用机械手抓夹电池，拆下电池后再安装至专用的充电结构上，再将充好电的电池抓夹并安装在无人机上。这种无人机充电技术结构上比较复杂，控制逻辑更加复杂。首先，无人机的电池需要进行复杂的结构设计，以满足机械手的夹抓拆卸，充电结构也需要根据无人机电池进行相应的复杂结构设计。其次，机械手进行夹抓电池充电动作时，对机械手的控制精度要求极高，误差过大可能导致电池安装不到位，不能实现电池的正常充电。最后，由于复杂的机械结构和控制逻辑，该充电技术成本高、维护难度大、故障率高、使用寿命短等。
5.第二类无人机自动机场自主充电技术，在无人机某一固定位置安装接触式充电铜极，充电时需要将无人机移动至指定位置，然后利用机械手夹持或插头插入充电铜极，实现接触式充电。这种充电方式结构复杂，要求有较高的控制精度才能实现接触式充电，还存在触点接触不良，充电阻抗大，接触铜极发热等缺陷，对自主充电主机寿命等造成影响。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供基于一种无人机充电系统及充电方法，以解决现有技术中无人机蜂巢存在的电极接触不良、故障率高、使用寿命短的技术问题。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
8.一种无人机充电系统，包括无人机和无人机自动机场，所述的无人机包括机体，所述的机体的底部设置有起落架，所述的起落架包括四个机腿，每个所述的机腿的末端均设置有与所述无人机的电池相连的触点充电结构；
9.所述的无人机自动机场包括巢体，所述的巢体的顶部设置有停机坪，所述的停机坪上设置有四个铜板，用于分别与四个所述的触点充电结构接触形成充电回路，四个所述
的铜板为顶点的四边形的中心位置与所述停机坪的中心之间有第一预设距离。
10.本发明还包括以下技术特征：
11.所述的巢体顶部水平安装有归中机构，且所述的归中机构位于所述停机坪的上方，其中，所述的归中机构包括四个归中杆，所述归中杆在归中后所围成区域的中心与所述停机坪的中心之间有第二预设距离；所述第一预设距离与所述第二预设距离相等。
12.所述的巢体的内部还设置有触点充电主机，所述的触点充电主机分别通过电源线与四个铜板相连，所述的电源线上均设置有防反接保护装置。
13.所述的电池设置于机体顶部内，所述的机体内部设置有短路保护装置，其中，两个所述的触点充电结构通过导线依次与短路保护装置和电池正极相连，另外两个触点充电结构通过导线依次与短路保护装置和电池负极相连。
14.所述的触点充电结构包括固定安装在机腿末端的机腿护套，所述的机腿护套的末端固定设置有铜极；所述的机腿护套的外壁上设置有接线端子，所述的接线端子与所述的铜极通过导电性连接机构固定相连；
15.所述的机腿和机腿护套通过第一螺栓固定连接，所述第一螺栓内嵌于所述机腿护套内。
16.所述的铜板与所述的防反接保护装置之间的电源线上还依次设置有滑环转子和滑环定子，所述滑环转子与滑环定子间可旋转电性连接，所述滑环转子可随所述停机坪转动。
17.所述的铜板镶嵌在停机坪上，所述的铜板上表面与停机坪上表面平齐，所述铜板形成的区域完全覆盖所述铜极水平段底部区域。
18.所述的触点充电结构在水平面的投影呈水滴形，且宽度较小的一侧朝向机头方向。
19.还包括相连的控制模块和电路检测模块，所述的控制模块与所述触点充电主机和防反接保护装置均相连，所述的电路检测模块与所述的充电回路相连；所述的控制模块用于基于归中机构的位置信息按照预设规则依次打开所述防反接保护装置和触点充电主机；
20.所述电路检测模块，用于基于所述控制模块的指令检测充电回路，获得检测结果；
21.所述控制模块，还用于在检测结果安全时控制所述触点充电主机打开充电功能。
22.一种无人机充电方法，采用所述的无人机充电系统，该方法具体包括以下步骤：
23.步骤一，当无人机降落到停机坪上部时，通过操作归中机构和旋转停机坪，使无人机到达指定位置，使得铜板和无人机起落架上的触点充电机构对准；
24.步骤二，当无人机停到正确位置时，通过控制模块控制打开防反接保护装置和触点充电主机，通过电路检测模块检测充电回路的电路连接状态；
25.步骤三，若检测结果表示安全，则通过控制模块控制触点充电主机打开充电功能，并开始充电；
26.步骤四，充电完成后，触点充电主机自动关闭充电功能，同时将充电状态反馈给控制模块，控制模块控制防反接保护装置关闭。
27.步骤五，充电完成。
28.本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
29.(ⅰ)本发明中的触点充电结构简单可靠，依靠无人机起落架支点进行充电，接触面
积大，单电极可最大承载40a充电电流，避免了大功率充电过程中触点发热的情况；其次，普通接触充电的触点弹片夹紧力不大于10n，而本发明中的铜极的接触力约90n，远大于普通插排弹片的夹紧力，避免了触点充电时出现触点接触不良的情况，也避免了因长时间使用接触力减小的情况；最后一般接触充电方式由于长时间使用结构变形等问题，会出现点接触，导致触点阻值增大、触点发热等问题，本发明中的接触充电方式，由于起落架存在可控范围内的变形，保证无人机的触点充电机构的铜极始终以面接触进行充电，避免阻值增大使得触点发热的情况，解决了现有技术中无人机蜂巢存在的电极接触不良、故障率高、使用寿命短的技术问题。
30.(ⅱ)本发明中的防反接保护装置用于防止无人机降落在停机坪上时刚好起落架上的触点充电机构的电极与停机坪上铜板的极性相反，电池反向给无人机触点充电主机供电，造成无人机触点充电主机的损坏，此外，防反接保护装置还具备断开触点充电主机与无人机电池之间电源的能力，与无人机上的短路保护装置进行冗余设计，保证在任何异常状态下，无人机及触点充电机构的安全，避免了因突发情况造成设备的损坏。
31.(ⅲ)本发明中的铜板的直径为触点充电机构的长度的4倍，避免就因装配误差、夹持精度等导致的误差，使无人机触点充电机构与铜板对不准，影响充电效果，也避免因无人机起落架变形，或加工误差导致无人机夹持归中后，触点充电机构与铜板无法对准，影响充电效果。
32.(iv)本发明中的触点充电机构体积小、重量轻，水滴形结构不影响飞机气动的同时更加美观；结构简单，易于维护或更换；充电接触面积大，电阻小，单个电极最大可承载40a的充电电流。
33.(v)本发明中的短路保护器避免了无人机因突发情况降落在导电的材质上，造成电池短路的情况，也避免了无人机降落在无人机停机坪上时刚好起落架上的触点充电机构的电极与停机坪上铜板的极性相反，造成无人机电池的短路损坏。
附图说明
34.图1为本发明的整体整体结构示意图；
35.图2为本发明中无人机充电时的侧面剖视结构示意图；
36.图3为本发明中的无人机的结构示意图；
37.图4为本发明的无人机充电时的三维结构示意图；
38.图5为本发明中的无人机自动机场充电示原理示意图；
39.图6为本发明的触点充电结构与机腿的配合示意图；
40.图7为本发明的机腿护套与铜极的配合剖视示意图；
41.图8为本发明的机腿护套与多个铜极的装配剖视示意图；
42.图9为本发明的触点充电结构与机腿的三维结构示意图。
43.图中各个标号的含义为：1-无人机，2-无人机自动机场，3-第一螺栓，4-第二螺栓；
44.101-机体，102-电池，103-短路保护装置，104-起落架，105-机腿，106-触点充电结构；
45.10601-机腿护套，10602-铜极，10603-接线端子；
46.1060201-水平段，1060202-垂直段；
47.201-巢体，202-巢盖，203-归中机构，204-停机坪，205-铜板，206-触点充电主机，207-防反接保护装置，208-滑环转子，209-滑环定子。
48.以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
49.需要说明的是，本发明中的所有零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件。
50.以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
51.一种无人机充电系统，包括无人机1和无人机自动机场2，无人机1包括机体101，机体101的底部设置有起落架104，起落架104包括四个机腿105，每个机腿105的末端均设置有与所述无人机1的电池102相连的触点充电结构106；
52.无人机自动机场2包括巢体201，巢体201的顶部设置有停机坪204，停机坪204上设置有四个铜板205，用于分别与四个触点充电结构106接触形成充电回路，四个铜板205为顶点的四边形的中心位置与所述停机坪204的中心之间有第一预设距离。
53.巢体201顶部水平安装有归中机构203，且归中机构203位于所述停机坪204的上方，其中，归中机构203包括四个归中杆，所述归中杆在归中后所围成区域的中心与所述停机坪204的中心之间有第二预设距离；所述第一预设距离与所述第二预设距离相等。
54.在上述技术方案中，触点充电结构简单可靠，依靠无人机起落架支点进行充电，接触面积大，单电极可最大承载40a充电电流，避免了大功率充电过程中触点发热的情况；其次，普通接触充电的触点弹片夹紧力不大于10n，而本发明中的铜极的接触力约90n，远大于普通插排弹片的夹紧力，避免了触点充电时出现触点接触不良的情况，也避免了因长时间使用接触力减小的情况；最后一般接触充电方式由于长时间使用结构变形等问题，会出现点接触，导致触点阻值增大、触点发热等问题，本发明中的接触充电方式，由于起落架存在可控范围内的变形，保证无人机的触点充电机构的铜极始终以面接触进行充电，避免阻值增大使得触点发热的情况，解决了现有技术中无人机蜂巢存在的电极接触不良、故障率高、使用寿命短的技术问题。
55.其次，防反接保护装置用于防止无人机降落在停机坪上时刚好起落架上的触点充电机构的电极与停机坪上铜板的极性相反，电池反向给无人机触点充电主机供电，造成无人机触点充电主机的损坏，此外，防反接保护装置还具备断开触点充电主机与无人机电池之间电源的能力，与无人机上的短路保护装置进行冗余设计，保证在任何异常状态下，无人机及触点充电机构的安全，避免了因突发情况造成设备的损坏。
56.最后，短路保护器避免了无人机因突发情况降落在导电的材质上，造成电池短路的情况，也避免了无人机降落在无人机停机坪上时刚好起落架上的触点充电机构的电极与停机坪上铜板的极性相反，造成无人机电池的短路损坏。
57.其中，无人机自动机场2还包括与巢体201配合的巢盖202；四个机腿105在同一水平位置围成一个矩形。
58.具体的，巢体201的内部还设置有触点充电主机206，触点充电主机206分别通过电源线与四个铜板205相连，电源线上均设置有防反接保护装置207。
59.具体的，电池102设置于机体101顶部内，机体101内部设置有短路保护装置103，其中，两个触点充电结构106通过导线依次与短路保护装置103和电池102正极相连，另外两个触点充电结构106通过导线依次与短路保护装置103和电池102负极相连。
60.具体的，触点充电结构106包括固定安装在机腿105末端的机腿护套10601，机腿护套10601的末端固定设置有铜极10602；机腿护套10601的外壁上设置有接线端子10603，接线端子10603与铜极10602通过导电性连接机构固定相连；
61.机腿105和机腿护套10601通过第一螺栓3固定连接，所述第一螺栓3内嵌于所述机腿护套10601内。
62.在上述技术方案中，导电性连接机构采用螺栓时，机腿护套10601和铜极10602通过第二螺栓4固定相连，第二螺栓4的螺纹的两端分别与接线端子10603和铜极10602接触，使得铜极和电池之间导通，以便完成后续的充电；第一螺栓3内嵌于所述机腿护套10601内，用于避免增加无人机的飞行阻力。
63.此外，铜极10602为t型铜极，包括充电时与铜板接触的水平段1060201和伸入机腿护套10601内部的垂直段1060202。
64.具体的，铜板205与防反接保护装置207之间的电源线上还依次设置有滑环转子208和滑环定子209，所述滑环转子208与滑环定子209间可旋转电性连接，所述滑环转子208可随所述停机坪204转动。
65.在上述技术方案中，滑环转子208并非主动旋转，而是随着停机坪的旋转而转动，其主要作用是防止停机坪在旋转时引起导线的缠绕。
66.具体的，铜板205镶嵌在停机坪204上，铜板205上表面与停机坪204上表面平齐，所述铜板205形成的区域完全覆盖所述铜极水平段1060201底部区域，保证了无人机降落时的稳定性。
67.具体的，触点充电结构106在水平面的投影呈水滴形，且宽度较小的一侧朝向机头方向。
68.在上述技术方案中，触点充电结构106的长度为l，宽度为0.5l，触点充电机构体积小、重量轻，水滴形结构不影响飞机气动的同时更加美观；结构简单，易于维护或更换；充电接触面积大，电阻小，单个电极最大可承载40a的充电电流。
69.其中，铜板205为圆形，其直径不小于4l。上述技术方案中，铜板的直径为触点充电机构的长度的4倍，避免就因装配误差、夹持精度等导致的误差，使无人机触点充电机构与铜板对不准，影响充电效果，也避免因无人机起落架变形，或加工误差导致无人机夹持归中后，触点充电机构与铜板无法对准，影响充电效果。
70.具体的，还包括相连的控制模块和电路检测模块，控制模块与所述触点充电主机206和防反接保护装置207均相连，电路检测模块与充电回路相连；控制模块用于基于归中机构203的位置信息按照预设规则依次打开所述防反接保护装置207和触点充电主机206；
71.所述电路检测模块，用于基于所述控制模块的指令检测充电回路，获得检测结果；
72.所述控制模块，还用于在检测结果安全时控制所述触点充电主机206打开充电功能。
73.在上述技术方案中，基于归中机构(203)的位置信息按照预设规则依次打开所述防反接保护装置(207)和触点充电主机(206)包括以下两种方案：
74.方案一：预设规则为当归中机构203的归中杆均位于归中后的预设位置时，控制模块依次打开防反接保护装置(207)和触点充电主机(206)；
75.方案二：为了防止归中杆调试过程中位于归中位置误触发控制模块打开防反接保护装置(207)和触点充电主机(206)(即误执行方案一)，导致安全隐患，进一步获取第二信息，如在停机坪(204)上设置有压力传感器，预设规则为当归中杆均位于归中后的预设位置且压力传感器的压力值大于预设阈值时，控制模块依次打开防反接保护装置(207)和触点充电主机(206)
76.其中，第二信息的获取方式不限于压力的获取，还可以是图像获取，用于检测停机坪上是否有无人机；
77.本发明还给出了一种无人机充电方法，采用无人机充电系统，该方法具体包括以下步骤：
78.步骤一，当无人机降落到停机坪上部时，通过操作归中机构和旋转停机坪，使无人机到达指定位置，使得铜板和无人机起落架上的触点充电机构对准，并关闭巢盖202；
79.步骤二，当无人机停到正确位置，巢盖202关闭后，通过控制模块控制打开防反接保护装置和触点充电主机，通过电路检测模块检测充电回路的电路连接状态；
80.步骤三，若检测结果表示安全，则通过控制模块控制触点充电主机打开充电功能，并开始充电；
81.步骤四，充电完成后，触点充电主机自动关闭充电功能，同时将充电状态反馈给控制模块，控制模块控制防反接保护装置关闭。
82.步骤五，充电完成。

技术特征：
1.一种无人机充电系统，包括无人机(1)和无人机自动机场(2)，其特征在于，所述的无人机(1)包括机体(101)，所述的机体(101)的底部设置有起落架(104)，所述的起落架(104)包括四个机腿(105)，每个所述的机腿(105)的末端均设置有与所述无人机(1)的电池(102)相连的触点充电结构(106)；所述的无人机自动机场(2)包括巢体(201)，所述的巢体(201)的顶部设置有停机坪(204)，所述的停机坪(204)上设置有四个铜板(205)，用于分别与四个所述的触点充电结构(106)接触形成充电回路，四个所述的铜板(205)为顶点的四边形的中心位置与所述停机坪(204)的中心之间有第一预设距离。2.如权利要求1所述的无人机充电系统，其特征在于，所述的巢体(201)顶部水平安装有归中机构(203)，且所述的归中机构(203)位于所述停机坪(204)的上方，其中，所述的归中机构(203)包括四个归中杆，所述归中杆在归中后所围成区域的中心与所述停机坪(204)的中心之间有第二预设距离；所述第一预设距离与所述第二预设距离相等。3.如权利要求1所述的无人机充电系统，其特征在于，所述的巢体(201)的内部还设置有触点充电主机(206)，所述的触点充电主机(206)分别通过电源线与四个铜板(205)相连，所述的电源线上均设置有防反接保护装置(207)。4.如权利要求1所述的无人机充电系统，其特征在于，所述的电池(102)设置于机体(101)顶部内，所述的机体(101)内部设置有短路保护装置(103)，其中，两个所述的触点充电结构(106)通过导线依次与短路保护装置(103)和电池(102)正极相连，另外两个触点充电结构(106)通过导线依次与短路保护装置(103)和电池(102)负极相连。5.如权利要求1所述的无人机充电系统，其特征在于，所述的触点充电结构(106)包括固定安装在机腿(105)末端的机腿护套(10601)，所述的机腿护套(10601)的末端固定设置有铜极(10602)；所述的机腿护套(10601)的外壁上设置有接线端子(10603)，所述的接线端子(10603)与所述的铜极(10602)通过导电性连接机构固定相连；所述的机腿(105)和机腿护套(10601)通过第一螺栓(3)固定连接，所述第一螺栓(3)内嵌于所述机腿护套(10601)内。6.如权利要求1所述的无人机充电系统，其特征在于，所述的铜板(205)与所述的防反接保护装置(207)之间的电源线上还依次设置有滑环转子(208)和滑环定子(209)，所述滑环转子(208)与滑环定子(209)间可旋转电性连接，所述滑环转子(208)可随所述停机坪(204)转动。7.如权利要求1所述的无人机充电系统，其特征在于，所述的铜板(205)镶嵌在停机坪(204)上，所述的铜板(205)上表面与停机坪(204)上表面平齐，所述铜板(205)形成的区域完全覆盖所述铜极水平段(1060201)底部区域。8.如权利要求1所述的无人机充电系统，其特征在于，所述的触点充电结构(106)在水平面的投影呈水滴形，且宽度较小的一侧朝向机头方向。9.如权利要求3所示的所述的无人机充电系统，其特征在于，还包括相连的控制模块和电路检测模块，所述的控制模块与所述触点充电主机(206)和防反接保护装置(207)均相连，所述的电路检测模块与所述的充电回路相连；所述的控制模块用于基于归中机构(203)的位置信息按照预设规则依次打开所述防反接保护装置(207)和触点充电主机(206)；所述电路检测模块，用于基于所述控制模块的指令检测充电回路，获得检测结果；
所述控制模块，还用于在检测结果安全时控制所述触点充电主机(206)打开充电功能。10.一种无人机充电方法，其特征在于，采用权利要求9所述的无人机充电系统，该方法具体包括以下步骤：步骤一，当无人机降落到停机坪上部时，通过操作归中机构和旋转停机坪，使无人机到达指定位置，使得铜板和无人机起落架上的触点充电机构对准；步骤二，当无人机停到正确位置时，通过控制模块控制打开防反接保护装置和触点充电主机，通过电路检测模块检测充电回路的电路连接状态；步骤三，若检测结果表示安全，则通过控制模块控制触点充电主机打开充电功能，并开始充电；步骤四，充电完成后，触点充电主机自动关闭充电功能，同时将充电状态反馈给控制模块，控制模块控制防反接保护装置关闭。步骤五，充电完成。

技术总结
本发明公开了一种无人机充电系统及充电方法，包括无人机和无人机自动机场，无人机包括机体，机体的底部设置有起落架，所述的起落架包括四个机腿，每个所述的机腿的末端均设置有与所述无人机的电池相连的触点充电结构；触点充电结构依靠无人机起落架支点进行充电，接触面积大，避免了大功率充电过程中触点发热的情况；本发明的铜极的接触力约90N，避免了触点充电时出现触点接触不良或因长时间使用导致接触力减小；本发明中由于起落架存在可控范围内的变形，保证无人机的触点充电机构的铜极始终以面接触进行充电，避免阻值增大使得触点发热的情况，解决了现有技术中无人机蜂巢存在的电极接触不良、故障率高、使用寿命短的技术问题。题。题。


技术研发人员：韩世刚 张欢飞 刘帆 贾旭东 韩向阳 焦鹏飞 张伟 史航
受保护的技术使用者：山东智航智能装备有限公司
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/4