一种无人机空中更换电池系统[实用新型专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201921053061.9
(22)申请日 2019.07.05
(73)专利权人 广东工业大学
地址 510006 广东省广州市番禺区大学城
外环西路100号
(72)发明人 连仕康　孟伟　鲁仁全　付敏跃　
张斌　
(74)专利代理机构 广州粤高专利商标代理有限
公司 44102
代理人 林丽明
(51)Int.Cl.
B64D 27/24(2006.01)
B60L 53/80(2019.01)
(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
(54)实用新型名称
一种无人机空中更换电池系统
(57)摘要
本实用新型公开了一种无人机空中更换电
池系统，包括无人机、为所述无人机进行空中更
换电池的装置，所述装置包括：飞行机构，以及安
装在所述飞行机构上的电池储放机构、电池更换
机构和控制驱动机构；采用飞行机构搭载电池储
放机构、电池更换机构和控制驱动机构飞行至空
中，并飞行至进行巡检任务的无人机正上方，保
持与无人机相对静止，再通过各个机构的配合实
现对无人机在空中进行电池更换，保证巡检无人
机的不断电工作，本实用新型解决了现有的无人
机更换方法需要在停机坪进行，无法应对无人机
突发性电量不足的情况，以及电池更换效率低等
问题。

权利要求书2页 说明书6页 附图3页CN 210503212 U 2020.05.12
C N 210503212
U
1.一种无人机空中更换电池系统，其特征在于，包括无人机、为所述无人机进行空中更换电池的装置，所述装置包括：飞行机构，以及安装在所述飞行机构上的电池储放机构、电池更换机构和控制驱动机构；
所述无人机上设置有电池容纳槽；所述飞行机构用于搭载电池储放机构、电池更换机构和控制驱动机构飞行；所述电池储放机构用于储放至少两块电池，所述电池储放机构包括电池滑行单元和电池推动单元，所述电池滑行单元用于限定电池推进或推出电池储放机构的轨迹，所述电池推动单元为位于电池滑行单元内的电池提供推进力或推出力；所述电池更换机构用于在更换电池时抓取所述电池储放机构的电池和/或所述电池容纳槽的电池；所述控制驱动机构，用于控制驱动所述电池推动单元为位于电池滑行单元内的电池提供推进力或推出力，控制驱动所述电池更换机构在更换电池时抓取所述电池储放机构的电池和/或所述电池容纳槽的电池。

2.根据权利要求1所述的无人机空中更换电池系统，其特征在于，所述电池更换机构包括至少一组多自由机械臂和机械爪的组合体，所述多自由机械臂的一端安装于飞行机构的一端上，所述多自由机械臂的另一端与机械爪的一端固定连接，所述多自由机械臂和机械爪的动作均由所述控制驱动机构进行控制驱动。

3.根据权利要求2所述的无人机空中更换电池系统，其特征在于，所述机械爪包括两个机械指，两个机械指的一端铰接后与多自由机械臂的另一端固定连接，两个机械指的另一端分别设有一圆球。

4.根据权利要求1所述的无人机空中更换电池系统，其特征在于，所述电池滑行单元包括电池储放板和设置在电池储放板上的电池滑行轨道；所述电池储放板通过连接件与所述飞行机构连接，所述电池滑行轨道为U形轨道，其开口朝向所述多自由机械臂的安装侧，所述U形轨道包括两条直线轨道，其中第一直线轨道用于限定电池推进电池储放机构的轨迹，第二直线轨道用于限定电池推出电池储放机构的轨迹。

5.根据权利要求4所述的无人机空中更换电池系统，其特征在于，所述电池滑行单元还包括若干个进弧形限位件、若干个出弧形限位件，所述进弧形限位件对称设置在所述第一直线轨道的两侧壁上，用于限定所述电池的滑行方向为进方向，同一侧壁上的进弧形限位件等距离设置，所述距离为电池的长度，用于作为一个电池槽位限制电池的移动；所述出弧形限位件对称设置在所述第二直线轨道的两侧壁上，用于限定所述电池的滑行方向为出方向，同一侧壁上的出弧形限位件等距离设置，所述距离为电池的长度，用于作为一个电池槽位限制电池的移动。

6.根据权利要求4所述的无人机空中更换电池系统，其特征在于，所述电池推动单元包括两个电池推力器，两个电池推力器分别设置在所述第一直线轨道的末端和第二直线轨道的始端。

7.根据权利要求3所述的无人机空中更换电池系统，其特征在于，所述电池设有电池锁定槽以及抓取凹槽，所述电池锁定槽设置在电池的外壁上，用于将电池锁定于所述电池容纳槽内，所述抓取凹槽为半球形凹槽且半球形的直径大于所述机械指另一端的圆球直径，所述抓取凹槽设置在电池的两侧壁上。

8.根据权利要求1所述的无人机空中更换电池系统，其特征在于，所述电池容纳槽上还连接有一个倒置的中空四棱台，所述中空四棱台的开口大小大于电池的宽度。

9.根据权利要求1所述的无人机空中更换电池系统，其特征在于，所述飞行机构的另一端上还安装有无线通信机构和视觉机构，所述无线通信机构用于使所述无人机与所述为所述无人机进行空中更换电池的装置进行信息交互；所述视觉机构，用于检测并调整所述电池更换机构和所述电池容纳槽的对接位置；所述视觉机构包括摄像头云台、旋转板、摄像头、所述摄像头设有IMU传感器，用于获取所述摄像头的姿态信息，所述摄像头通过旋转板与摄像头云台活动连接，所述摄像头云台安装在所述飞行机构的另一端上，所述摄像头云台由所述控制驱动机构控制驱动。

10.根据权利要求1～9任一项所述的无人机空中更换电池系统，其特征在于，所述飞行机构为一子无人机本体，所述电池储放机构和控制驱动机构安装在所述子无人机本体的底部，所述多自由机械臂的一端安装于所述子无人机本体一端的机翼上，所述摄像头云台安装在所述子无人机本体另一端的机翼上。

一种无人机空中更换电池系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及无人机设备技术领域，尤其涉及一种无人机空中更换电池系统。

背景技术
[0002]如今无人机被广泛应用于电力的巡检邻域，利用无人机进行自动化地巡检更加是目前较有优势的一种方式，但是无人机由于需要搭载检查设备的重量较大，其电量耗损较快因此工作的持续时间较于普通的缩短受限，常用的无人机一般只能使用半个小时左右；目前多通过在电塔塔杆上设置供给无人机充电的停机坪，当无人机电量不足时，则停在停机坪上通过自动更换电池装置为其更换新电池，但是该技术需要在一定距离塔杆上布置停机坪，并且需要提前计算无人机电量不足的距离并登上在停机坪装好更换电池，当出现电池老化提前电量不足时，无人机由于需频繁更换电池使得多次往返路程，影响无人机的自动巡检的效率。

实用新型内容
[0003]本实用新型为解决现有的无人机更换方法需要在停机坪进行，无法应对无人机突发性电量不足的情况，以及电池更换效率低等问题，提供了一种无人机空中更换电池系统。

[0004]为实现以上实用新型目的，而采用的技术手段是：
[0005]一种无人机空中更换电池系统，包括无人机、为所述无人机进行空中更换电池的装置，所述装置包括：飞行机构，以及安装在所述飞行机构上的电池储放机构、电池更换机构和控制驱动机构；
[0006]所述无人机上设置有电池容纳槽；所述飞行机构用于搭载电池储放机构、电池更换机构和控制驱动机构飞行；所述电池储放机构用于储放至少两块电池，所述电池储放机构包括电池滑行单元和电池推动单元，所述电池滑行单元用于限定电池推进或推出电池储放机构的轨迹，所述电池推动单元为位于电池滑行单元内的电池提供推进力或推出力；所述电池更换机构用于在更换电池时抓取所述电池储放机构的电池和/或所述电池容纳槽的电池；所述控制驱动机构，用于控制驱动所述电池推动单元为位于电池滑行单元内的电池提供推进力或推出力，控制驱动所述电池更换机构在更换电池时抓取所述电池储放机构的电池和/或所述电池容纳槽的电池。

[0007]上述方案中，采用飞行机构搭载电池储放机构、电池更换机构和控制驱动机构飞行至空中，并飞行至进行巡检任务的无人机正上方，保持与无人机相对静止，再通过各个机构的配合实现对无人机在空中进行电池更换。

[0008]优选的，所述电池更换机构包括至少一组多自由机械臂和机械爪的组合体，所述多自由机械臂的一端安装于飞行机构的一端上，所述多自由机械臂的另一端与机械爪的一端固定连接，所述多自由机械臂和机械爪的动作均由所述控制驱动机构进行控制驱动。

在本优选方案中，在所述控制驱动机构的控制驱动作用下，多自由机械臂和机械爪可以在电池储放机构以及无人的电池容纳槽之间移动，从而在更换电池时抓取所述电池储放机构的
电池和/或所述电池容纳槽的电池。

[0009]优选的，所述机械爪包括两个机械指，两个机械指的一端铰接后与多自由机械臂的另一端固定连接，两个机械指的另一端分别设有一圆球。

在本优选方案中，通过在机械指的另一端设置圆球，可以保证机械爪无论处于何种姿态，电池均能够被抓取牢固，且电池的姿态为竖直向下。

[0010]优选的，所述电池滑行单元包括电池储放板和设置在电池储放板上的电池滑行轨道；所述电池储放板通过连接件与所述飞行机构连接，所述电池滑行轨道为U形轨道，其开口朝向所述多自由机械臂的安装侧，所述U形轨道包括两条直线轨道，其中第一直线轨道用于限定电池推进电池储放机构的轨迹，第二直线轨道用于限定电池推出电池储放机构的轨迹。

[0011]优选的，所述电池滑行单元还包括若干个进弧形限位件、若干个出弧形限位件，所述进弧形限位件对称设置在所述第一直线轨道的两侧壁上，用于限定所述电池的滑行方向为进方向，同一侧壁上的进弧形限位件等距离设置，所述距离为电池的长度，用于作为一个电池槽位限制电池的移动；所述出弧形限位件对称设置在所述第二直线轨道的两侧壁上，用于限定所述电池的滑行方向为出方向，同一侧壁上的出弧形限位件等距离设置，所述距离为电池的长度，用于作为一个电池槽位限制电池的移动，用于限制电池的移动和晃动。

[0012]优选的，所述电池推动单元包括两个电池推力器，两个电池推力器分别设置在所述第一直线轨道的末端和第二直线轨道的始端。

在本优选方案中，电池推力器为位于电池滑行单元内的电池提供推进力或推出力。

[0013]优选的，所述电池设有电池锁定槽以及抓取凹槽，所述电池锁定槽设置在电池的外壁上，用于将电池锁定于所述电池容纳槽内，所述抓取凹槽为半球形凹槽且半球形的直径大于所述机械指另一端的圆球直径，所述抓取凹槽设置在电池的两侧壁上。

在本优选方案中，通过设置电池锁定槽，电池受到重力作用滑行到电池容纳槽底部时锁定电池，防止电池移动导致接触不良；通过在电池的两侧壁上半球形凹槽，使得机械爪抓取电池时能与凹槽更好地契合，从而提高抓取的稳定度。

[0014]优选的，所述电池容纳槽上还连接有一个倒置的中空四棱台，所述中空四棱台的开口大小大于电池的宽度。

在本优选方案中，由于中空四棱台的开口大于电池容纳槽的开口以及电池宽度，电池首先进入中空四棱台的开口，再顺其边沿滑到电池容纳槽入口，提高电池进入的成功率；另外，相比于原始的电池容纳槽，也更容易辨识出中控四棱台的位置从而进行调整，进一步提高了电池进入的成功率。

[0015]优选的，所述飞行机构的另一端上还安装有无线通信机构和视觉机构，所述无线通信机构用于使所述无人机与所述为所述无人机进行空中更换电池的装置进行信息交互；所述视觉机构，用于检测并调整所述电池更换机构和所述电池容纳槽的对接位置；所述视觉机构包括摄像头云台、旋转板、摄像头、所述摄像头设有IMU传感器，用于获取所述摄像头的姿态信息，所述摄像头通过旋转板与摄像头云台活动连接，所述摄像头云台安装在所述飞行机构的另一端上，所述摄像头云台由所述控制驱动机构控制驱动。

[0016]优选的，所述飞行机构为一子无人机本体，所述电池储放机构和控制驱动机构安装在所述子无人机本体的底部，所述多自由机械臂的一端安装于所述子无人机本体一端的机翼上，所述摄像头云台安装在所述子无人机本体另一端的机翼上。

[0017]与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：
[0018]本实用新型的无人机空中更换电池系统采用飞行机构搭载各个组成机构飞行至空中，并飞行至进行巡检任务的无人机正上方，保持与无人机相对静止，再通过各个机构的配合实现对无人机在空中进行电池更换，保证巡检无人机的不断电工作。

在空中巡检的无人机更换电池时无需在停机坪进行，减少了停机坪铺设的成本以及无人机往返路程的时间，提高了电池的更换效率；同时无人机突发性电量不足时，亦可通过本实用新型中的装置立刻进行更换电池，不再受限于提前计算的无人机电量不足的距离，提高了无人机持续执行任务的市场以及工作范围。

附图说明
[0019]图1为本实用新型系统的整体结构示意图。

[0020]图2为本实用新型中电池滑行单元的平面图。

[0021]图3为本实用新型中中空四棱台的俯视图。

[0022]图4为本实用新型中中空四棱台和电池容纳槽的组合示意图。

[0023]图5为本实用新型中电池的示意图。

具体实施方式
[0024]附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0025]为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
[0026]对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

[0027]下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

[0028]实施例1
[0029]一种无人机1空中更换电池系统，如图1所示，包括无人机1、为所述无人机1进行空中更换电池的装置，所述装置包括：飞行机构2，以及安装在所述飞行机构2上的电池储放机构3、电池更换机构4和控制驱动机构；其中控制驱动机构在附图中未画出；
[0030]如图3和4所示，所述无人机1上设置有电池容纳槽11；所述电池容纳槽11上还连接有一个倒置的中空四棱台12，所述中空四棱台12的开口大小大于电池的宽度；
[0031]所述飞行机构2用于搭载电池储放机构3、电池更换机构4和控制驱动机构飞行；[0032]所述电池储放机构3用于储放至少两块电池，所述电池储放机构3包括电池滑行单元和电池推动单元；
[0033]如图1和2所示，所述电池滑行单元包括电池储放板31和设置在电池储放板31上的电池滑行轨道32；所述电池储放板31通过连接件与所述飞行机构2连接，所述电池滑行轨道32为U形轨道，其开口朝向所述多自由机械臂41的安装侧，所述U形轨道包括两条直线轨道，其中第一直线轨道321用于限定电池推进电池储放机构3的轨迹，第二直线轨道322用于限定电池推出电池储放机构3的轨迹，所述电池滑行单元还包括若干个进弧形限位件323、若干个出弧形限位件324，所述进弧形限位件323对称设置在所述第一直线轨道321的两侧壁上，用于限定所述电池的滑行方向为进方向，同一侧壁上的进弧形限位件323等距离设置，
所述距离为电池的长度，用于作为一个电池槽位限制电池的移动；所述出弧形限位件324对称设置在所述第二直线轨道322的两侧壁上，用于限定所述电池的滑行方向为出方向，同一侧壁上的出弧形限位件324等距离设置，所述距离为电池的长度，用于作为一个电池槽位限制电池的移动；在本实施例中，进弧形限位件323和出弧形限位件324均分别包括一弧形面和一直线面，同时这些弧形限位件具有弹簧性质，其中进弧形限位件323和出弧形限位件324均各设置了六个，对于进弧形限位件323，其弧形面朝向U形轨道的开口一侧，对于出弧形限位件324，其弧形面背向U形轨道的开口一侧。

当电池从第一直线轨道321被推进电池储放机构3时，在推力作用下进弧形限位件323会往里缩，电池顺着其弧形面滑入，而直线面则限制了电池的后腿，即电池只能进不能出；同理，当电池从第二直线轨道322被推出电池储放机构3时，则只能出不能进；
[0034]所述电池滑行单元用于限定电池推进或推出电池储放机构3的轨迹，所述电池推动单元为位于电池滑行单元内的电池提供推进力或推出力；所述电池推动单元包括两个电池推力器325，两个电池推力器325分别设置在所述第一直线轨道321的末端和第二直线轨道322的始端。

其中位于第一直线轨道321末端的电池推力器325用于将位于第一直线轨道321电池推到第二直线轨道322的始端，位于第二直线轨道322的始端用于将电池推到上一个电池槽位，从而保持无人机1在非更换电池时保持中心平衡，使其飞行稳定。

[0035]所述电池更换机构4用于在更换电池时抓取所述电池储放机构3的电池和/或所述电池容纳槽11的电池；其中，所述电池更换机构4包括一组多自由机械臂41和机械爪的组合体，所述多自由机械臂41的一端安装于飞行机构2的一端上，所述多自由机械臂41的另一端与机械爪的一端固定连接，所述机械爪包括两个机械指42，两个机械指42的一端铰接后与多自由机械臂41的另一端固定连接，两个机械指42的另一端分别设有一圆球43；所述多自由机械臂41和机械爪的动作均由所述控制驱动机构进行控制驱动。

[0036]所述控制驱动机构，用于控制驱动所述电池推动单元为位于电池滑行单元内的电池提供推进力或推出力，控制驱动所述电池更换机构4在更换电池时抓取所述电池储放机构3的电池和/或所述电池容纳槽11的电池。

其中控制驱动机构的功能通过现有的单片机等均可实现，本实用新型不对其进行限制。

[0037]其中，如图5所示，所述电池设有电池锁定槽62以及抓取凹槽61，所述电池锁定槽62设置在电池的外壁上，用于将电池锁定于所述电池容纳槽11内，所述抓取凹槽61为半球形凹槽且半球形的直径大于所述机械指42另一端的圆球43直径，所述抓取凹槽61设置在电池的两侧壁上，其中图5中只画出了其中一侧壁的抓取凹槽61。

由于抓取凹槽61为半球型，与机械指42另一端的圆球43可以相互嵌套的，因此只要机械爪的抓取在一定的误差范围内均可以成功抓取到电池。

[0038]在本实施例中，所述飞行机构2为一子无人机本体，所述电池储放机构3和控制驱动机构安装在所述子无人机本体的底部，所述多自由机械臂41的一端安装于所述子无人机本体一端的机翼上。

[0039]实施例2
[0040]本实施例2在实施例1的基础上，还在所述飞行机构2的另一端上安装有无线通信机构和视觉机构5，所述无线通信机构用于使所述无人机1与所述为所述无人机1进行空中更换电池的装置进行信息交互；所述视觉机构5，用于检测并调整所述电池更换机构4和所
述电池容纳槽11的对接位置；所述视觉机构5包括摄像头云台、旋转板、摄像头、所述摄像头设有IMU传感器，用于获取所述摄像头的姿态信息，所述摄像头通过旋转板与摄像头云台活动连接，所述摄像头云台安装在所述飞行机构2的另一端上，所述摄像头云台由所述控制驱动机构控制驱动；
[0041]同时，还在所述无人机1的电池容纳槽11上设有电源管理机构13，所述电源管理机构13包括电池指示灯、电压测量器、电源切换单元，所述电压测量器用于检测所述电池的电量，所述电池指示灯用于显示所述电池的电量情况，所述电源切换单元用于使多块电池切换工作。

[0042]本实施例2执行电池更换任务的过程为：
[0043]当巡检无人机1的电压测量器检测到当前电池的电量不足时，发出电量不足的信号，由飞行机构2另一端上的无线通信机构接收后，飞行机构2搭载着其他的各个机构飞至巡检无人机1的上方，并与其巡检无人机1保持与一致的方向和相近的速度，即近似与巡检无人机1相对静止状态时即可开始更换电池。

[0044]首先对无人机1电量不足的电池进行回收，在此过程中，可以通过视觉机构5辅助检测并调整所述电池更换机构4和所述电池容纳槽11的对接位置，还可以通过现有的软件程序分别计算无人机1电池容纳槽11与机械指42另一端的圆球43的相对位置，从而获得两者之间的距离差，从而控制多自由度机械臂移动并抓取电池，将无人机1上电量不足的电池缓慢向上提起，调整机械爪的姿态让电池头的边沿对准第一直线轨道321，之后给一个水平向进轨道末端方向的力逐渐推送电池通过进弧形限定门进入轨道，当推送到一个电池长度的距离，电池将会卡住在进轨道的第一个电池槽位，到此完成电量不足的电池的回收任务；[0045]然后从电池储放机构3中抓取满电的更换电池，同样的，调整机械爪的姿态伸入第二直线轨道322进行抓取满电的更换电池，在电池成功推出后，逐渐增大向上的力直至电池稍微接触第二直线轨道322，接着施加向轨道开口方向的拉力，从而完成对满电更换的电池的抓取；由于电池的抓取凹槽61与机械爪的圆球43部分完美嵌套，因此能够很牢固抓取稳重量较大的电池，又由于电池的抓取凹槽61与圆球43为圆弧面，保留了电池一个前后旋转的自由度，在重力的作用下，电池始终保持竖直向下，更便于后续进行电池安装的操作。

[0046]最后进行电池安装，具体地，控制多自由度机械臂携电池缓慢移动，逐步减小电池与电池的中空四棱台12之间的距离，当电池末端接触到中空四棱台12的开口时，由于中空四棱台12为倒置的四棱台，在重力作用下，该中空四棱台12会引导着电池尾部滑向电池容纳槽11的入口，紧接着调整机械爪姿态进而调整电池姿态，保证电池尾部临界进入电池容纳槽11的入口处，同时调整保持电池与巡检无人机1竖直，再沿着容纳槽壁缓慢向下降，防止在更换电池时巡检无人机1突然受到较大重量电池重量干扰而导致无人机1失去平衡。

电源管理机构13中的电压测量器通过检测电池两极电压，当电压达到标准满电电压的90％以上则视为电池满电，电池更换任务完成，此时电池更换机构4可以收回完成此次的自动更换电池任务。

[0047]附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；[0048]显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。

对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。

这里无需也无法对所有的实施方式予以。