一种监测无人机换电系统及换电方法

本发明涉及无人机充换电，尤其涉及一种监测无人机换电系统及换电方法。

背景技术：

1、当前监测无人机以多旋翼机型为主，主要采用锂电池供能，单次续航时间约为40分钟，难以满足单次持续2～6小时的连续监测任务需求，在任务执行过程中需多次返航进行电池补能，监测作业的连续性与整体效率受到影响。由于换电在补能时间上优于充电，现有补能方式以更换电池为主。

2、公开号为cn210882641u的中国专利文献，公开了一种便于更换药箱和电池的植保无人机，包括插装槽与导向固定件配合实现电池插拔的结构；一种公开号为cn209274908u的中国专利文献，公开了一种快速更换电池的植保机固定药箱，包括电池滑轨与分度销配合实现快速安装的结构。然而，上述方案均以辅助人工换电为目标，换电动作仍需人员手动完成，且未对无人机自动停泊、降落后的位置校正、电池卡扣的机械解锁及电池多维空间运送等关键环节进行系统性设计，无法实现无人值守条件下的自动化换电。

3、此外，环境监测作业区域大多分布于深山、密林、高海拔等地形复杂、通行困难的地带，人工到场换电不仅耗时，还存在一定安全风险。上述现有技术已无法满足监测无人机在恶劣野外环境下连续自动作业的实际需求。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种监测无人机换电系统及换电方法，实现了野外全自动高精度定位、机械解锁与换电。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种监测无人机换电系统，包括负载平台、辅助定位结构、锂电池、固定结构、升降结构、伸缩结构、推拉结构。所述负载平台用于承载降落的监测无人机。所述辅助定位结构设置于所述负载平台上，包括在水平面内正交布置的x向推移杆组和y向推移杆组，所述x向推移杆组包括对称设置的第一推移杆和第二推移杆，所述y向推移杆组包括对称设置的第三推移杆和第四推移杆，所述x向推移杆组和y向推移杆组通过向所述负载平台中心收拢推移所述监测无人机的脚架，实现所述监测无人机的水平二维位置校正；通过正交两轴顺序推移脚架的物理校正方式，无需视觉识别算法即可将无人机精准定位至换电位置。

4、本发明中，所述预定换电位置是指所述监测无人机的腹部电池装配腔中心与所述固定结构的电池承载平面中心在竖直方向上相互对齐的位置。

5、所述锂电池两侧对称设有用于夹持限位及机械解锁的固定结构接口，所述固定结构接口内设有可伸缩的锁舌及作用于所述锁舌的弹簧，所述弹簧驱动所述锁舌外伸嵌入所述监测无人机腹部电池装配腔内壁的内卡口，实现飞行状态下的机械自锁。所述固定结构包括电池承载平面及对称设置于所述电池承载平面两侧的一对固定钳臂，所述固定钳臂能够向内收拢，夹紧所述锂电池并按压所述锁舌，使所述锁舌克服所述弹簧弹力退出所述内卡口；夹紧电池与机械解锁两个动作由同一收拢行程同步完成，结构紧凑。

6、所述升降结构用于驱动所述固定结构在竖直方向升降，以实现所述锂电池在所述电池装配腔内的装卸；本发明中，所述升降结构的一种具体实现方式为剪叉式升降机构，该剪叉式升降机构的顶部承载所述固定结构，剪叉机构将水平驱动力转换为竖直升降位移，行程稳定、承载可靠；在其他实施方式中，所述升降结构也可以采用丝杆螺母机构、齿轮齿条机构或者直线电机等能够输出竖直直线位移的等效机构。所述伸缩结构承载所述升降结构，驱动所述升降结构在第一水平方向做伸缩位移，实现锂电池在第一水平方向上的运送。

7、推拉结构包括固定导轨、固定齿条及由驱动舵机驱动的传动齿轮，所述驱动舵机固装于所述伸缩结构外侧壁，所述传动齿轮与所述固定齿条啮合，驱动所述伸缩结构、升降结构及固定结构整体沿所述固定导轨在第二水平方向平移，实现换电机构在第二水平方向上的精准换位。

8、进一步地，还包括第一磁吸充电柱和第二磁吸充电柱，第一磁吸充电柱和第二磁吸充电柱沿所述第二水平方向间隔布置，所述第一磁吸充电柱用于对亏电锂电池进行磁吸充电，所述第二磁吸充电柱用于存放预先充满的备用锂电池；所述第一磁吸充电柱和所述第二磁吸充电柱的顶部均设有限位卡口，所述限位卡口用于与所述锂电池对位配合，并在水平方向上对所述锂电池形成机械限位，所述锂电池的竖直方向则由磁吸作用固定；双柱分工协作，实现亏电补能与备用供给的并行运作。

9、进一步地，所述固定结构还包括固定驱动舵机和驱动齿轮，所述固定驱动舵机通过所述驱动齿轮驱动所述一对固定钳臂同步收拢或张开；所述固定钳臂端部设有凸起卡块，所述固定结构接口设有与所述凸起卡块适配的凹陷槽体，所述凸起卡块嵌入所述凹陷槽体实现咬合限位，所述凸起卡块嵌入所述凹陷槽体后限制所述锂电池在所述第一水平方向和竖直方向上的相对位移，所述固定钳臂向内收拢时同步推动所述锁舌向锂电池内部缩回。凹凸咬合结构保证了固定钳臂与锂电池之间的可靠限位连接，防止运送过程中电池脱落。

10、进一步地，所述升降结构包括升降驱动舵机、驱动齿轮、螺旋丝杆、水平横杆、剪叉臂、上导轨和下导轨；所述升降驱动舵机通过所述驱动齿轮驱动所述螺旋丝杆旋转，所述螺旋丝杆驱动所述水平横杆沿所述下导轨平移，进而驱动所述剪叉臂展开或收拢，带动所述上导轨及固定于所述上导轨上的固定结构升降；所述上导轨的顶部设有支撑面，所述固定结构的电池承载平面通过所述支撑面承载于所述上导轨上。螺旋丝杆将旋转运动转化为水平平移，再经剪叉臂转换为竖直升降，传动链简洁，升降平稳、行程可控。

11、进一步地，所述伸缩结构包括固定臂、第一伸缩臂、第二伸缩臂、第一伸缩舵机、第二伸缩舵机和导轨；所述第一伸缩舵机固设于所述固定臂，驱动所述第一伸缩臂平移；

12、所述第二伸缩舵机固设于所述第一伸缩臂上，驱动所述第二伸缩臂平移；

13、所述第二伸缩舵机驱动所述第二伸缩臂平移；所述第二伸缩臂的顶部设有支撑面，所述升降结构通过所述支撑面承载于所述第二伸缩臂上；所述第一伸缩臂和所述第二伸缩臂沿所述导轨做定向直线滑移，实现多级水平伸缩行程。两级伸缩臂串联伸展，在有限安装空间内获得较大的伸缩行程，满足将锂电池送至磁吸充电柱的位移需求。

14、进一步地，所述推拉结构还包括第一驱动舵机、第一齿轮、第二驱动舵机和第二齿轮，所述第一驱动舵机和所述第二驱动舵机固装于所述伸缩结构的外侧壁，分别同轴驱动所述第一齿轮和所述第二齿轮旋转，所述第一齿轮和所述第二齿轮均与所述固定齿条啮合传动。双驱动舵机同步输出动力，提升了横向平移的驱动力矩与运动稳定性。

15、进一步地，所述x向推移杆组包括对称设置的第一推移杆和第二推移杆，所述y向推移杆组包括对称设置的第三推移杆和第四推移杆；所述第一推移杆和所述第二推移杆沿x轴向负载平台中心同步收拢，钳制所述监测无人机脚架；所述第三推移杆和所述第四推移杆沿y轴向负载平台中心同步收拢，钳制所述监测无人机脚架。每一根推移杆均由对应的推移杆驱动舵机通过齿轮齿条传动或者螺旋丝杆传动驱动，各推移杆的收拢行程末端设有限位开关或者角度传感器，当所述限位开关被触发、或者所述角度传感器检测到的位移量达到预设值时，判定该方向的位置校正完成并保持钳制状态。对称布置的推移杆组从两侧同步施力，保证无人机被推移至平台中心预定位置，并在换电全程维持钳制状态，防止无人机发生位移。

16、进一步地，所述锂电池顶部设有用于电气连接的第二接口，所述监测无人机腹部电池装配腔内设有与所述第二接口插接配对的第一接口；所述第二接口位于所述锂电池的顶部，所述固定结构接口位于所述锂电池的两侧，二者在所述锂电池的外壳上互不干涉；所述锂电池两侧还设有电池辅助对位导轨，所述电池装配腔内设有与所述电池辅助对位导轨滑动配合的内侧导轨，所述电池辅助对位导轨与所述内侧导轨之间设有配合间隙。电池辅助对位导轨与内侧导轨的滑动配合为电池的竖向插入提供方向引导，有效避免因轻微偏差导致的接口错位。

17、本发明还提供一种监测无人机换电方法，基于上述监测无人机换电系统实现，包括以下步骤：

18、步骤s1，监测无人机基于卫星定位导航降落并停妥于换电装置的负载平台上，关闭动力系统；

19、步骤s2，辅助定位结构运行，通过x向推移杆组和y向推移杆组依次推移所述监测无人机的脚架，将所述监测无人机位置校正至预定换电位置；

20、步骤s3，在步骤s2完成位置校正、确认所述监测无人机已到达所述预定换电位置后，升降结构驱动固定结构上升，固定结构的一对固定钳臂向内收拢夹紧亏电锂电池并按压锁舌，使所述锁舌克服弹簧弹力退出电池装配腔的内卡口，升降结构下降将所述亏电锂电池取出；

21、步骤s4，伸缩结构伸展，将所述亏电锂电池沿第一水平方向运送至第一磁吸充电柱的限位卡口处，固定钳臂张开释放所述亏电锂电池，所述第一磁吸充电柱对所述亏电锂电池进行磁吸充电，伸缩结构回缩；

22、步骤s5，所述伸缩结构回缩复位后，推拉结构驱动伸缩结构、升降结构及固定结构整体沿固定导轨在第二水平方向平移至与第二磁吸充电柱对位，伸缩结构伸展，固定钳臂收拢卡紧备用锂电池，伸缩结构回缩将所述备用锂电池从所述第二磁吸充电柱的限位卡口中脱出，推拉结构复位平移，使所述备用锂电池与所述监测无人机腹部电池装配腔在竖直方向精准对位；

23、步骤s6，升降结构上升将所述备用锂电池送入所述电池装配腔，固定钳臂向外张开解除对锁舌的按压，所述锁舌在弹簧弹力作用下外伸嵌入所述内卡口完成机械锁定，待所述锁舌完成所述机械锁定、且所述升降结构下降复位后，辅助定位结构各推移杆张开释放脚架，所述监测无人机动力系统启动并飞离负载平台，换电完成。

24、进一步地，所述步骤s2中监测无人机位置校正的过程具体包括：步骤s21，监测无人机停妥于负载平台后，动力系统停止运行，进入待机状态；步骤s22，x向推移杆组的第一推移杆与第二推移杆沿x轴向负载平台中心同步收拢，推移所述监测无人机的脚架，校正x轴向位置后维持钳制状态；步骤s23，y向推移杆组的第三推移杆与第四推移杆沿y轴向负载平台中心同步收拢，推移所述监测无人机的脚架，校正y轴向位置后维持钳制状态，使所述监测无人机腹部电池装配腔与换电机构建立精准位置对应关系。x轴向校正完成后维持钳制再执行y轴向校正，两轴顺序独立作用，避免相互干扰，确保定位精度。

25、进一步地，所述步骤s5中取出备用锂电池的过程具体包括：伸缩结构的第一伸缩臂和第二伸缩臂沿导轨逐级伸展，带动固定结构平移至第二磁吸充电柱处；固定钳臂向内收拢卡紧所述备用锂电池两侧的固定结构接口；第一伸缩臂和第二伸缩臂逐级回缩，将所述备用锂电池从所述第二磁吸充电柱的限位卡口中脱出；推拉结构驱动整体沿固定导轨水平平移复位，使所述备用锂电池与所述监测无人机腹部电池装配腔在竖直方向精准对位。伸缩结构逐级回缩的直线运动确保备用锂电池沿直线平稳脱出限位卡口，避免磁吸力导致的卡滞。

26、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

27、1、通过设置在水平面内正交布置的x向推移杆组和y向推移杆组，采用物理推移无人机脚架的方式实现水平二维精确定位，并在换电全程维持钳制状态，无需依赖高成本视觉识别算法，在野外强光、雨雾等复杂环境下仍能可靠运行，确保电池装配腔与换电机构建立精准的三维坐标对应关系，从根本上解决了无人机野外降落误差大导致换电失败的问题。

28、2、通过固定钳臂联动按压锁舌的弹簧机械解锁机制，夹紧电池与解锁卡扣两个动作由同一收拢行程同步完成，无需独立的解锁执行器，结构紧凑、动作可靠；装配时固定钳臂张开，锁舌在弹簧弹力下自动弹出嵌入内卡口，实现无需额外操作的机械自锁，有效避免了人工操作失误造成的接口松动与部件脱落安全隐患。

29、3、通过将剪叉式升降结构、多段齿轮齿条伸缩结构与双驱动舵机推拉结构有机集成，构建了z轴（竖直方向）、第一水平方向、第二水平方向三维协同运送体系；配合第一磁吸充电柱与第二磁吸充电柱的分工布置，实现了取亏电电池、送充、取备用电池、精准装配的全流程无缝自动化闭环运行，彻底摆脱了人工依赖，显著提升了野外无人值守监测站中无人机的连续作业能力与整体作业效率。