用于为无人驾驶飞行器供电的自动站的制作方法

1.本发明涉及自主式飞行器的领域，更具体地涉及这种飞行器的着陆和自动充电。


背景技术：

2.诸如为垂直起飞和着陆飞机(vertical takeoff and landing aircraft，vtol)的自主式飞行器具有有限的自主性，使得这些自主式飞行器无法在不定期充电的情况下执行长期任务。因此，必须定期更换这些飞行器的电池，或者，可替代地，在执行任务期间必须将飞行器连接到一个或多个充电站。
3.已经提出了充电站用于在执行任务期间为无人机充电。为此，无人机被自动引导向充电站以在充电站处着陆，然后由地面上的操作员通过有线或无线方式将该无人机电连接到充电站，以为该无人机的一个或多个电池充电。因此，充电需要人工干预，以对自主式飞行器进行连接。
4.与此同时，一些自主式飞行器(特别是vtol)被配置成在充电站上方以系留飞行模式执行任务。在执行这些任务期间，无人机在充当站上方盘旋，以充当观察点、通信中继等。于是，充电站要么相对于地面固定，要么移动，例如装在静止或缓慢移动的交通工具(诸如船)上。在系留飞行模式下，垂直起飞和着陆飞机处于数十米的高度处，同时经由电缆保持与充电站的电连接和机械连接，这使得垂直起飞和着陆飞机能够每周7天、每天24小时连续飞行。
5.然而，当垂直起飞和着陆飞机必须执行侦察飞行时，需要将其与充电站断开，然后在任务结束返回充电站时手动将其重新连接。


技术实现要素：

6.本发明的一个目的在于提出一种用于自动为自主式飞行器充电的系统，该系统不需要地面上的操作员的人工干预，并且该系统的体积和质量不会对飞行器造成损害。
7.为此，根据本发明的第一方面，提出了一种用于为自主式飞行器充电的系统，所述系统包括：
[0008]-基座，
[0009]-供电臂，所述供电臂包括尖端和第一充电装置，
[0010]-接纳筐，所述接纳筐包括对空腔进行界定的内壁，所述空腔被配置成接纳供电臂的尖端，所述接纳筐包括与第一充电装置互补的第二充电装置，
[0011]
供电臂和接纳筐中的一个被安装在自主式飞行器上，而所述臂和所述筐中的另一个被安装在基座上，以及
[0012]-用于使供电臂的尖端在接纳筐的空腔中对中的对中装置。
[0013]
根据第一方面的系统的一些优选的但非限制性的特征如下，这些特征可被单独地或组合使用：
[0014]-对中装置全部或部分由供电臂的尖端和/或由接纳筐的内壁形成。
[0015]-供电臂的尖端的全部或部分具有基本上收敛的形状，和/或接纳筐的内壁的全部或部分具有基本上发散的形状，通常具有圆锥形和/或截头圆锥形的形状。
[0016]-供电臂经由至少一个挠性元件、优选地经由一组弹簧安装在基座或自主式飞行器上。
[0017]-系统还包括用于将供电臂机械地锁定在接纳筐中的机械锁定构件，所述锁定构件由控制器控制。
[0018]-机械锁定构件包括夹持钳爪。
[0019]-第二充电装置被安装在机械锁定构件和/或接纳筐的内壁上。
[0020]-系统还包括至少一个存在传感器，所述至少一个存在传感器被安装在自主式飞行器和/或基座上，并且被配置成当供电臂被容纳在接纳筐中时产生信号，控制器被配置成根据由所述存在传感器产生的信号来对锁定装置进行锁定。
[0021]-供电臂经由电缆安装在基座上，所述基座还包括卷绕器，所述卷绕器被配置成自动地卷绕和展开电缆，和/或
[0022]-系统还包括安全构件，所述安全构件包括张力传感器或压力限制器，所述张力传感器被配置成对施加到电缆的张力进行检测，所述压力限制器被安装在锁定构件上，控制器被配置成根据由张力传感器测量的张力值或由压力限制器测量的压力值来控制锁定装置。
[0023]
根据第二方面，本发明还提出了一种使用如上所述的充电系统自动为自主式飞行器充电的方法，所述方法包括以下步骤：
[0024]
s1：将自主式飞行器引导至基座
[0025]
s2：将自主式飞行器垂直地定位在基座的上方，使得供电臂基本上位于接纳筐的前方
[0026]
s3：使供电臂的尖端相对于接纳筐的空腔对中，并且使自主式飞行器着陆在基座上，使得供电臂逐渐进入接纳筐以及
[0027]
s4：通过使第一充电装置与第二充电装置连接来将自主式飞行器电连接到基座。
[0028]
根据第二方面的方法的一些优选的但非限制性的特征如下，这些特征可被单独地或组合使用：
[0029]-供电臂经由电缆安装在基座上，所述基座还包括卷绕器，所述卷绕器被配置成自动地卷绕和展开电缆，在步骤s1之前，所述方法还包括以下步骤：
[0030]
s10：将供电臂锁定在接纳筐中
[0031]
s11：展开电缆，使得自主式飞行器能够在系留飞行模式下在基座的上方飞行
[0032]
s13：从接纳筐中释放供电臂
[0033]
s14：对电缆进行卷绕，以将供电臂带回至基座上。
[0034]-当检测到电缆的张力和/或锁定压力大于预定阈值时，启动步骤s13。
附图说明
[0035]
通过以下描述，本发明的其它特征、目的和优点将显现，以下描述是纯说明性且非限制性的并且必须参考附图进行阅读，在附图中：
[0036]
图1示意性地示出了根据本发明的一个实施例的用于自动为自主式飞行器充电的
系统，自主式飞行器处于系留飞行模式。
[0037]
图2示意性地示出了用于自动为图1的自主式飞行器充电的系统，自主式飞行器将被电连接到基座。
[0038]
图3是根据本发明的一个实施例的用于在充电模式下自动为自主式飞行器充电的方法的步骤的流程图。
[0039]
图4是根据本发明的一个实施例的用于在系留飞行模式下自动为自主式飞行器充电的方法的步骤的流程图。
[0040]
在所有附图中，相似的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
[0041]
以本身已知的方式，自主式飞行器2包括：
[0042]-框架3，该框架载有一个或多个由一个或多个相应马达驱动的螺旋桨，
[0043]-gps类型(用于全球定位系统1)的引导装置4，
[0044]-计算机5，
[0045]-一个或多个电池6，该一个或多个电池连接到用于飞行器2的电源系统7，
[0046]-用于与地面站进行通信的通信装置8(通常是射频接口)，
[0047]-惯性单元和气压计类型的惯性导航系统9，
[0048]-可选地，一个或多个摄像机10，该一个或多个摄像机被安装在框架3上，以在自主式飞行器2运行时(通常是在飞行中)指向地面，
[0049]-可选地，测距仪11(通常是超声波测距仪)，该测距仪被安装在框架3上，以在自主式飞行器2运行时指向地面。
[0050]
使用充电系统1自动为无人机2充电的系统1
[0051]
在下文中，将在无人机类型的自主式飞行器2(通常是垂直起飞和着陆飞机)的情况下更具体地描述本发明。然而，这不是限制性的，本发明经过必要的修正适用于任何自主式飞行器，例如但不限于乘务无人机、出租车无人机或包装无人机(包裹的存放和递送)。
[0052]
为了使得能够自动为自主式飞行器2(例如无人机2)充电，而不需要地面上的操作员的干预，本发明提出了一种充电系统1，该充电系统包括：
[0053]-充电基座20，
[0054]-供电臂21，该供电臂包括主体22、尖端23和第一充电装置24，
[0055]-接纳筐12，该接纳筐包括对空腔14进行界定的内壁13，该空腔被配置成接纳供电臂21的尖端23以及第二充电装置15，以及
[0056]-用于使供电臂21在接纳筐12的空腔14中对中的对中装置23、13。
[0057]
供电臂21和接纳筐12中的一个被安装在基座20上，而另一个被安装在无人机2上。在一个实施例中，供电臂21被安装在基座20上，以减小无人机2内的系统1的体积。在该实施例中，接纳筐12于是被安装在无人机2上。然而，可替代地，供电臂21可以被安装在无人机2上，在这种情况下，接纳筐被安装在基座20上。
[0058]
在下文中，为了简化描述，将在供电臂21被安装在基座20上而接纳筐12被安装在无人机2上的情况下对本发明进行描述，但本发明不限于此。
[0059]
在一个实施例中，对中装置23、13全部或部分由供电臂21的尖端23和/或由接纳筐
12的内壁13形成。更具体地，尖端23的全部或部分具有基本上收敛的形状，和/或内壁13的全部或部分具有基本上发散的形状，这种基本上发散的形状可以与尖端23的形状互补，使得能够在尖端23与内壁联接期间渐进地将该尖端引导到空腔14中。例如，尖端23和内壁13可以具有基本上圆锥形或截头圆锥形的形状。应当注意，在一个变型中，为了形成对中装置23、13，只有尖端23或壁可以具有这种圆锥形或截头圆锥形的形状，尖端或壁中的另一个可以具有任何形状，例如圆柱形或回转圆柱形。
[0060]
在图中所示的示例中，对尖端23的空腔14进行界定的整个内壁13具有圆锥形的形状，而尖端23具有截头圆锥形的形状。可替代地，内壁13可以具有圆锥形或截头圆锥形的底部和任何形状的嘴部，而尖端23具有截头圆锥形或圆锥形的形状并且被配置成穿入空腔14中，并且主体22具有任何形状或者具有与嘴部的形状互补的形状。
[0061]
为了进一步有助于尖端23在空腔14中的对中，供电臂21经由至少一个挠性元件25、26(诸如一个或多个弹簧)安装在基座20上。因此，尖端23在基座20上的保持是挠性的，这通过增加尖端23在空腔14中的对中公差而有助于在基座20与无人机2联接期间将尖端插入到空腔14中。
[0062]
例如，基座20可以包括护套，该护套被配置成接纳供电臂21的主体22的全部或部分，使得供电臂21的尖端23从护套中突出，并且更一般地从基座20中突出。于是，护套本身被置于形成在基座20中的腔室中，并且经由一个或多个弹簧25在该腔室中保持就位。通常，护套可以通过一对或多对弹簧25保持处于悬吊状态，该弹簧被两两设置在护套的两侧上。每个弹簧25的刚度、弹簧的数量和每个弹簧相对于护套的定位的选择使得能够调节护套(并因此供电臂21)与基座20之间的连接的挠性。
[0063]
可选地，护套包括或尤其包括可压缩元件26(压缩弹簧、泡沫等)，该可压缩元件被容纳在护套的底部并且被配置成当供电臂21的主体22被置于护套中时与该主体发生接触。因此，在供电臂21与接纳筐12联接期间，可压缩元件26通过使得供电臂21能够垂直移位(沿轴线z)而允许增加无人机2相对于基座20的定位公差。因此，弹簧组25增加了水平平面(x，y)(通常平行于地面)中的定位公差，而可压缩元件26增加了沿垂直轴线的定位公差。
[0064]
供电臂21的主体22的与尖端23相对(并且在适当的情况下与可压缩元件26接触)的端部可以具有减小的截面，以有助于将供电臂21引入护套中。例如，该端部可以是基本上截头圆锥形或半球形的。
[0065]
可选地，充电系统1还包括用于将供电臂21锁定在接纳筐12中的锁定构件27，以确保第一充电装置与第二充电装置15之间的电连接。该锁定构件27由控制器18控制，该控制器可以被置于基座20处，被安装在无人机2上，或者被设置在与基座20和无人机2相距一距离处，例如被设置在与基座20分开的地面站的高度处。例如，控制器18可以被集成到无人机2的计算机5中。
[0066]
在一个实施例中，锁定构件27包括夹持钳爪28，该夹持钳爪被配置成与一个或多个互补支撑件29进行接合，以在空腔14中将供电臂21阻挡就位。特别地，夹持钳爪28可以由相应的马达致动。在适当的情况下，每个钳爪28经由压缩弹簧25、26安装在相应马达(通常是直线伺服马达和电磁铁)的输出轴上，该压缩弹簧被配置成将所述钳爪28压靠在面向支撑件29上，从而使尖端23与接纳筐12之间的连接变得挠性。
[0067]
夹持钳爪28可以被安装在供电臂21上或接纳筐12的空腔14中，互补支撑件29被安
装在互补部分上。优选地，钳爪28在接纳筐12的空腔14中被安装在内壁13上，互补支撑件29被安装在尖端23的主体22上。
[0068]
在图中未示出的一个变型中，在当尖端23被定位在接纳筐12的空腔14中时被定位成面向脚部16的一个区域中，锁定构件27被置于无人机2的脚部17处和/或在基座20上。按照这种方式，当无人机2位于基座20上时，锁定构件27阻挡无人机2的脚部16，从而将无人机相对于基座20保持就位。
[0069]
特别地，第一充电装置24和第二充电装置15可以包括电触点、电插座、感应充电线圈或任何其他合适的电连接装置。
[0070]
例如，第一充电装置24可以被置于尖端23的与空腔14的内壁13接触的部分上，和/或在适当的情况下，第一充电装置可以被置于与夹持钳爪28发生接触的支撑件29上，而第二充电装置15被置于面向接纳筐12的区域中，通常被置于内壁13的圆锥形(或截头圆锥形)部分处和/或在适当的情况下被置于夹持钳爪28处。例如，在充电装置15、24包括电触点的情况下，对应于质量块的电触点可以被置于尖端23的圆锥形(或截头圆锥形)表面以及空腔14的内壁13的圆锥形(或截头圆锥形)表面上，而对应于电源7的电触点被置于支撑件29上和夹持钳爪28中。
[0071]
在图中未示出的一个变型实施例中，在当尖端23被定位在接纳筐12的空腔14中时被定位成面向脚部16的一个区域中，充电装置15、24一方面被置于无人机2的脚部16处，另一方面被置于基座20的表面上。在适当的情况下，如果锁定构件27位于无人机2的脚部16和/或基座20处，则充电装置可以位于该锁定构件处。
[0072]
控制器18对锁定构件27的控制可以自动地或手动地触发。
[0073]
为此，在第一实施例中，充电系统1包括被安装在无人机2和/或基座20上的存在传感器17。例如，存在传感器17可以被置于供电臂21和/或接纳筐12的附近，并且被配置成当在接纳筐12中检测到供电臂21时产生信号。特别地，存在传感器17可以包括光学叉，该光学叉被配置成当在空腔14中检测到供电臂21时产生信号(张力)，反之亦然。特别地，可以调节存在传感器17，使得当尖端23对中并且在接纳筐12的空腔14中处于锁定位置时产生这种信号。然后，控制器18被配置成在接收到该存在信号时对锁定装置进行锁定。因此，当尖端23在空腔14中就位时，该实施例允许自动地将供电臂21锁定在接纳筐12中。
[0074]
在第二实施例中，控制器18可以例如由操作员从地面站远程控制。特别地，当无人机2在基座20上就位并且供电臂21被置于接纳筐12的空腔14中时，操作员可以对控制器18进行控制，使得该控制器致动锁定装置。
[0075]
特别地，自主式飞行器2(特别是垂直起飞和着陆飞机类型的无人机2)可以具有三种操作模式：位于基座20上的充电模式、系留飞行模式和自主模式。
[0076]
在系留飞行模式下，无人机2在基座20的上方盘旋。为了使无人机2能够在该模式下停留超过其处于自主模式下的时间，而不必着陆在基座20上进行充电，使供电臂21经由电缆19连接到基座20，该电缆可以自动展开和卷绕，以将电缆19的长度调节至任务所需的高度。为此，电缆19被安装在容纳于基座20中的卷绕器30上，该卷绕器由专用马达31致动，用于使电缆19卷绕和展开。
[0077]
在适当的情况下，电缆19可以进一步用于实现无人机2与基座20之间的plc通信，而无需通过通信接口。因此，数据交换更加不显眼(discrets)。
[0078]
当无人机2必须切换到自主模式以从基座20远程地执行任务时，控制器18可以通过控制锁定构件27的解锁来自动释放供电臂21。然后，供电臂21落到地面或基座20上，这使得无人机2能够移动远离基座20并自主地执行其任务。然后，卷绕器30可以自动卷绕电缆19，以将臂带回至该臂的护套中，以实现无人机2的未来电连接。可选地，基座20还包括检测器，该检测器被定位在护套处或所述护套中，并且被配置成检测是否正确地将供电臂21引入护套中，使得卷绕器30能够自动停止。
[0079]
一旦执行了任务，无人机2就被定位在基座20的上方，以使供电臂21与接纳筐12基本上对准，然后在基座上着陆，这具有使第一充电装置和第二充电装置15彼此接触的效果。在适当的情况下，控制器18可以对锁定构件27进行锁定。将在下文中进一步详细说明无人机2与基座20联接的过程。
[0080]
可选地，基座20还包括安全构件31，该安全构件被配置成当无人机2处于系留飞行模式时解锁安全系统1并释放该无人机，以防止该无人机保持附接到基座20上并在恶劣的条件下(例如在强阵风的情况下)被损坏。
[0081]
特别地，安全构件32可以包括用于电缆19(如图1和图2所示)的张力传感器32(如图1和图2所示)，该张力传感器被配置成确定施加到电缆19的张力，或者可替代地，该安全构件可以包括设置在锁定装置处(通常设置在夹持钳爪28处)的压力限制器。安全构件32连接到控制器18，使得当电缆19的张力或施加到钳爪28的压力超过预定阈值时，控制器18对锁定构件27进行控制，以对该锁定构件进行解锁，从而释放无人机2。然后，供电臂21落到地面或基座20上，这使得无人机2能够移动远离基座20。然后，卷绕器30可以自动卷绕电缆19，以将臂带回至该臂的护套中，以实现无人机2的未来电连接。
[0082]
当然，在供电臂21被安装在无人机2上的情况下，接纳筐12被安装在基座20上，卷绕器30、该卷绕器的马达31以及安全构件32被安装在无人机2上。
[0083]
使用充电系统1自动为无人机2充电的方法s
[0084]
根据本发明的自动充电系统1对无人机2进行自动充电可以按照以下步骤进行。
[0085]
将预先注意到，供电臂21处于缩回位置，也就是说，供电臂被容纳在基座20的护套中，电缆19被卷绕在卷绕器30上。然而，该供电臂的尖端23从护套中突出，以使得该尖端能够与无人机2的接纳筐12联接。
[0086]
在步骤s1期间，例如使用无人机2的引导装置4(gps类型)和/或无人机的惯性导航系统9、10将该无人机引导至基座20。
[0087]
在步骤s2期间(图2)，无人机2垂直地定位在基座20的上方，使得供电臂21基本上面向接纳筐12。
[0088]
当前的引导装置4和/或惯性导航系统9的引导精度通常介于一米至约十米之间，仅这种引导目前不足以将无人机2置于基座20上。通常，在引导步骤s1之后，对准系统1因此可以用于使无人机2与基座20对准，以通过使供电臂21与接纳筐12对准来使无人机2自动地着陆在基座20上。在一个实施例中，对准系统1是包括一个或多个摄像机10、测距仪11和惯性导航系统9的光学系统1。此外，基座20包括固定在其表面上的一个或多个已知的几何图案。然后，无人机2的摄像机10捕获包括这些图案的图像，并将图像发送到计算机5，该计算机通过与记录在其存储器中的图像相关联而由此推断无人机2相对于基座20的位置，并引导该无人机，直至无人机2基本上与基座20对准，并且供电臂21基本上垂直于接纳筐12(沿z
轴线)。
[0089]
该对准步骤s2是常规步骤，在此将不进一步详细说明。
[0090]
使用光学对准系统1在基座20与无人机2之间(更具体地，在供电臂21与接纳筐12之间)的对准精度约为两厘米。
[0091]
在步骤s3期间，供电臂21的尖端23相对于接纳筐12的空腔14对中，并且无人机2着陆在基座20上，使得供电臂21逐渐进入接纳筐12中。
[0092]
当对中装置23、13的功能由尖端23和/或内壁13的(例如圆锥形或截头圆锥形)形状实现时，在无人机2着陆在基座20上期间机械地执行步骤s3。实际上，可以回想到，无人机2通常被定位成使得供电臂21基本上垂直于接纳筐12。因此，在无人机2着陆期间，由于尖端23的圆锥形/截头圆锥形部分和/或接纳筐12的内壁13的圆锥形/截头圆锥形部分的引导，在无人机2最后接近期间，供电臂21逐渐穿入接纳筐12的空腔14中。在适当的情况下，可以通过护套与基座20之间的挠性连接(可压缩元件26和/或弹簧组)来促进这种穿入，该挠性连接将供电臂21与接纳筐12之间的对准公差增加约一至三厘米。
[0093]
可选地，在步骤s10期间，可以自动或手动地将无人机2锁定在基座20上。
[0094]
为此，当充电系统1包括锁定构件27(通常是夹持钳爪28)时，在步骤s3之后，控制器18控制接纳筐12的钳爪28与供电臂21的支撑件29的接合。对接纳筐12中的供电臂21进行检测可以由存在传感器17执行(在这种情况下，无人机2在基座20上的锁定可以是自动的)或者由操作员执行。
[0095]
在步骤s4期间(图1)，通过使第一充电装置24与第二充电装置15连接，将无人机2电连接到基座20。
[0096]
在充电装置被置于无人机2的脚部16处(或位于基座20的表面上)或内壁13上(或供电臂21上)的情况下，在无人机2着陆并且供电臂21与接纳筐12进行机械联接时进行电连接。
[0097]
在适当的情况下，当充电装置的至少一部分由锁定构件27承载时，在锁定构件27的锁定期间也进行电连接。
[0098]
然后，无人机2处于充电模式，也就是说，该无人机位于基座20上并且电连接到该基座，以对该无人机的一个或多个电池6进行充电。
[0099]
当无人机2必须切换至系留飞行模式时，在步骤s11期间，使电缆19逐渐展开，以使得无人机2能够在基座20的上方飞行。
[0100]
电缆19的展开可以由无人机2本身通过向电缆19施加大于卷绕器30的阻力张力且小于卷绕器30的预定安全阈值的张力来执行，或者可替代地，由卷绕器30本身根据来自无人机2的计算机5或来自地面站的指令来执行。
[0101]
电缆19的展开长度基本上对应于无人机2在系留飞行模式下执行任务期间的高度。
[0102]
在适当的情况下，在阵风的情况下或者在具有使无人机2以不受控的方式相对于基座20移动的效果的任何其他情况下，在步骤s13期间，安全构件32向控制器18发送信号，使得该控制器对锁定构件27进行解锁。然后，供电臂21落到地面或基座20上，这释放了无人机2并使得该无人机能够移动远离基座20。
[0103]
在步骤s14期间，卷绕器30对电缆19进行卷绕，以将供电臂21带回至其护套中。特
别地，臂的主体22的端部的减小截面可以有助于将供电臂21引入到护套中。
[0104]
步骤s14可以自动或手动地触发。
[0105]
例如，当安全构件32包括电缆19的张力传感器32或压力限制器时，所述构件也可以被配置成对供电臂21与接纳筐12之间的联接故障进行检测。然后，可以将联接故障信号传送到例如对电缆19的卷绕进行控制的专用控制器18。可选地，当专用检测器检测到供电臂21位于护套中时，控制器18使电缆19的卷绕停止。
[0106]
可替代地，可以由操作员远程控制电缆19的卷绕。