CN108177775B - 无人飞行器基站 - Google Patents

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Abstract

一种无人飞行器基站，所述无人飞行器基站包括：壳体，其包括由基座和多个侧壁构成的壳体腔、以及用于供无人飞行器降落在其上面的顶板；及无人飞行器固定***，其用于将位于所述顶板上的无人飞行器引导至所述顶板的电池更换区域。

Description

无人飞行器基站
本申请是申请日为2014年7月31日、申请号为201480075066.5(国际申请号为PCT/CN2014/083465)、发明名称为“无人飞行器基站***及方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明总体上涉及无人飞行器(Unmanned Aerial Vehicle；UAV)，更具体地但不排他地，本发明涉及一种与此相关的UAV基站。
背景技术
常规无人飞行器(UAVs)具有有限的飞行时间，由于其电池的续航时间通常受限于10分钟到最多30分钟。当电池被耗尽时，所述UAV就必须降落，而且必须由用户对所述电池进行更换或充电，然后UAV才能再次运行。
当需要延长使用时间或当UAV机群需要长期自主操作时，则需要进行频繁的用户干预以维护或更换一个或多个UAV的电池。
鉴于上述内容，为了改进UAV基站***的上述障碍和不足，需要一种用于自主更换UAV电池的改进的UAV基站***和方法。
附图说明
图1为本发明实施方式的用于无人飞行器(UAV)基站的一个实施方案的内部透视图。
图2为本发明实施方式的用于无人飞行器(UAV)基站的一个实施方案的内部透视图。
图3是说明图1和图2的UAV基站的实施方式的UAV基站的外部透视图。
图4是说明图3的UAV基站的一个实施方案的示例性透视图，其中所述UAV基站包括停靠在其上的UAV。
图5是说明图4的UAV基站和UAV的的局部特写透视图。
图6a至图6c是说明UAV基站的另一个实施方案的透视图，其中所述UAV基站包括盖体、拉杆及/或轮子。
图7是透视图，说明图6a至图6c的UAV基站的一个实施方案，其中所述UAV基站包括停靠在其上的UAV。
图8是一个实施方式的方法的框图，该方法用于将UAV电池***UAV。
图9是本发明一个实施方式的方法的框图，该方法用于自UAV上移除UAV电池并且保存所述UAV电池。
应当注意，上述附图不是按比例绘制，且上述附图是为了示例性说明的目的，相似结构或者功能的元件以相同的标号表示。还应当注意的是，上述附图仅用以对本发明的优选实施例进行描述。上述附图没有展示所描述的实施例的每个方面，并不会限制本发明技术方案揭露的范围。
优选实施方案的详细描述
由于目前的无人飞行器(UAV)***因无法提供较长电池续航时间且无法支持电池更换和充电而存在不足，所以能提供自主电池更换的UAV基站被证明是理想的并且能够提供广泛的UAV的应用，例如用于使UAV***执行更久自主任务的能力，提供了基础。根据本文中所公开的一个实施方案，以上结果可以通过本发明图1所示的实施方式的UAV基站100实现。
请参阅图1及图2，所示的所述UAV基站100具有壳体105，所述壳体105包括多个侧壁106以及一个基座107。所述侧壁106以及所述基座107共同围成一个壳体腔108，可以收容包括电池更换***109在内的多个元件。所述电池更换***109包括电池座110，所述电池座110包括由支脚112支离所述基座107的电池矩阵111。
所述电池矩阵111形成多个电池插槽115，每一个所述电池插槽115用于容纳一个电池120。例如，如图1所示，所述电池矩阵111包括两行堆叠的电池插槽115，其中每一行包括四个电池插槽115。虽然一种具体的电池插槽115已经通过图1及图2显示并描述了电池矩阵111的一种具体配置，但以上仅为示例性的目的，可以提供所述电池矩阵111的任何合适的排列。所述电池矩阵111可以包括任何合适数目的电池插槽115。所述合适数目可以取决于UAV的数目、电池120的充电时间、所需任务时间等等。例如，一些实施方式中，可以包括较少电池插槽115或者可以包括更多电池插槽115。基于容纳在内的电池120的类型，电池插槽115的可以具有任何合适的尺寸和/或形状，而且，在一些实施方式中，所述电池矩阵111可以可容纳多个相同和/或不同的电池类型，这可能包括不同的形状、横截面、电压、电流等等。在一些实施方式中，电池矩阵111中可以具有任何合适数目的行和/或列，进一步的实施方式中，电池插槽115可以为任意合适的其他规则或者不规则的构造，从而可能包括或者可能不包括行或者列。在一些实施方式中，可以存在多个电池矩阵111，或者相较于本文中所描述的二维排列(例如，第一维度是行且第二维度是列)，所述电池矩阵111可以是三维的。
图1及图2的所述电池更换***109还包括机械机构，例如机械臂***125，用于选择性将电池120从对应的电池插槽115中移除、将电池120***对应的电池插槽115中和/或更进一步地将电池自UAV 400拆下或者将电池连接于UAV 400连接的机械机构，例如机械臂***125(如图7所示)。此处所描述的实施方式包括一个具有三自由度的笛卡尔机械臂。
例如，所述机械臂***125包括基座车130以及旋转X轴133，所述基座车130用于通过X电机132沿一对轨道131线性平移，所述X旋转轴133驱动所述基座车130沿X轴运动。图1及图2所示的所述机械臂***125还包括升降托架135以及旋转Y轴238。所述升降托架135用于通过Y电机237沿一对升降轨236线性平移，所述旋转Y轴238驱动所述升降架135沿Y轴运动。所述升降轨236从自所述基座车130伸出并且随所述基座车130一起移动。
如图1及图2所示，所述机械臂***125可以包括与所述升降托架135相连的电池托架140以及旋转Z轴142，所述电池托架140用于通过Z电机141直线移动，所述旋转Z轴142驱动所述电池托架140沿Z轴运动。所述电池托架140还可以包括电池抓取件143，所述电池抓取件143能够与被选定的电池120的端部121相结合，因此所述电池120能够被所述机械臂***125选择性地移动和布置。所述电池抓取件143包括一对抓取臂144，其用于抓取电池120的末端区域121并且将选定的电池120拉出对应的电池插槽115，或者将选定的电池120***电池插槽115及/或释放所述电池120。
虽然图1及图2描述了容纳单一电池120的电池托架140，但在一些实施方式中，电池托架140可以用于容纳多个电池120。例如，可能需要在单一事务处理中从UAV 400移除耗尽的电池120并且向所述UAV 400提供新的(或者充过电的)电池120。因此，一些实施方式中，所述电池托架140可以用于移除和容纳耗尽的电池并且还容纳充过电的电池120以替换移除的电池120，而不是从所述壳体115间歇性地重获新电池120。
另外，一些实施方式包括一个或者多个设置在壳体腔108内对应侧壁106上的固定臂致动***145、155。如图3及图4所示且如本文中所描述的，所述固定臂致动***145、155可以用于将UAV 400移动至所述壳体115上可以更换电池120的位置。
所述固定臂致动***145包括固定托架146，所述固定托架可通过固定电机148和固定轴149进行操作在固定轨147上平移。所述固定电机148驱动所述固定轴149旋转，进而驱动所述固定托架146沿所述固定轨147移动。
另外或者替代地，所述固定臂致动***155包括固定托架156，所述固定托架可通过固定电机158和固定轴159进行操作，以在固定轨157上平移。所述固定电机158使所述固定轴159旋转，进而沿所述固定轨157移动所述固定托架156。
虽然在图1及进一步在实施方式中描述了两个固定臂致动***145、155，但在其他实施方案中还可能存在设置在任何合适的位置上及所述壳体115的其他部分上的一个或者任何合适的多个固定臂致动***145、155。
如图3及图4所示，第一固定臂310及第二固定臂320延伸穿过相应插槽312、322。所述插槽312、322开设于顶板308上，所述顶板308还构成所述壳体115。所述第一固定臂310及第二固定臂320与图1及图2中所示的所述固定臂致动***145、155的相应固定托架146、156(图1及图2)相连。上述的部件共同构成UAV固定***300。
在不同的实施例中，所述UAV固定***300能够将设置在所述顶板308上的UAV 400引导至如图3中所示的所述顶板308的电池更换区域340。图4显示了设置在所述更换区域340中的所述UAV 400。在各种实施方式中，具有所述UAV固定***300的好处在于，所述UAV固定***300能够为所述顶板308上的低着陆精度的UAV 400提供向所述电池更换区域340的快速运动。所述UAV电池120因此能够通过所述电池更换***109进行更换(如图1及图2所示)。在不同的实施方式中，相较于需要UAV 400精确降落在所述电池更换区域340中，UAV固定***300可以提供的更快的UAV 400着陆及更快地更换电池。与低精度着陆并随后通过UAV固定***300定位相比，UAV 400精确着陆于所述电池更换区域需要花费更多的时间。
在进一步的实施方式中，所述UAV固定***300可以包括一个或者多个固定臂310、320，所述固定臂310、320能够移动设置于所述顶板308上的一个或者多个UAV 400移动至一个或者多个电池更换区域340。例如，所述UAV基站100可以包括多个电池更换区域340(例如，在所述顶板308的四个角上)，并且所述UAV固定***300可操作以便将降落在所述顶板308上的一个或者多个UAV 400移动至这些电池更换区域340中的任一个。所述UAV基站100因此能够同时在所述顶板308上同时容纳多个UAV 400。在另一实施方式中，所述UAV固定***300可以经配置以使靠近所述电池更换区域340的多个UAV排队。
如图3所示，所述第一固定臂310能够沿轴P平移，且所述第二固定臂320在基本上与所述轴P垂直的方向上延伸。所述第一固定臂310的第一末端区域311延伸穿过插槽312并且与设置在所述壳体腔108中的所述第一固定臂致动***145连接(如图1及图2所示)。所述第一固定臂310的第二末端区域313可以邻接第一固定边314的插槽314A或者可滑动地设置于第一固定边314的插槽314A内。
类似地，所述第二固定臂320能够沿轴Q平移，且所述第二固定臂320在基本上与所述轴Q垂直的方向上延伸。所述第二固定臂320的第一末端区域321延伸穿过插槽322并且与设置在所述壳体腔108中的第二固定臂致动***155(如图1及图2连接。第二固定边324可以位于靠近所述第一末端区域321处。
通过确定选定的UAV 400已经降落在所述顶板308上，所述UAV固定***300可以开始运行。例如，所述第一固定臂310及第二固定臂320可以呈降落配置开始，位于与所述电池更换区域340相对的最远端位置上，及所述UAV400被确认已经降落在由所述第一固定臂310及第二固定臂320以及所述第一固定边314及第二固定边324所限定的区域内。如图4所描绘，所述第一固定臂310及第二固定臂320随后可朝所述电池更换区域340移动，且因此与所述UAV发生物理接触并且将所述UAV 400引导至所述电池更换区域340。所述第一固定边314及第二固定边324同样可以作为移动所述UAV 400至所述电池更换区域340的导引件。在不同的实施方式中，所述UAV 400可以通过所述第一固定臂310及第二固定臂320及/或所述第一固定边314及第二固定边324而容纳在所述电池更换区域340中。
如图4及图5中所示，所述顶板308开设有舱口405，所述舱口是在所述顶板308中形成的开口。所述舱口405向内延伸并且作为所述壳体腔108与所述壳体115位于所述顶板308上方的一部分之间的出入口。第一舱口盖330A及第二舱口盖330B可以覆盖所述舱口405。例如，图3揭示的所述舱口盖330位于闭合状态，图4及图5揭示的所述舱口盖330处于打开状态。
在不同的实施方式中，所述舱门330通过所述机械臂***125可以向封闭状态偏斜且可以推开。如图5中所示，舱门致动器505可以是位于所述升降托架135(图1及图2)上以用于打开所述舱门330的杆件。例如，请再参阅图1及图2，在将选定的电池120拉出电池插槽115并且将所述电池120定位在所述电池托架140上之后，所述机械臂***125可以如图4及图5中所示在舱口405下方移动。所述升降托架135随后可以朝向所述舱口405向上延伸，同时所述舱门致动器505与所述舱门330接触并且在所述升降托架135向上延伸时将所述舱门330移动至开放状态。
如图4及图5所示，所述机械臂***125的一部分可以延伸穿过所述舱口405，以有助于对设置在所述顶板308上的UAV 400进行电池更换。例如，在所述电池更换的一个方面，所述电池托架140在延伸穿过所述舱口405时可以是空的，然后所述电池托架140可以朝向设置在所述UAV 400的所述电池插槽510中的放过电的电池120延伸并抓取所述电池。在所述电池更换的另一个方面，所述电池托架140在延伸穿过所述舱口405时上面可以设置有充过电的电池120，然后所述电池托架140可以朝向所述UAV 400的空UAV电池插槽510延伸并将所述充过电的电池120装入所述UAV电池插槽510中。因此，图4及图5所示可以表示电池120正被装入所述UAV 400及/或表示电池120正被从所述UAV 400上移除。
本文中所描述的所述电池更换***109以及所述UAV固定***300可以用于具有任何尺寸及形状的UAV基站100中。例如，一些实施方式中，所述UAV基站100可以与建筑物一样大并且可以包括一个或多个电池更换***109及/或UAV固定***300。然而，在一些实施方式中，本文中所描述的所述电池更换***109及所述UAV固定***300可能适用于紧凑型及便携型UAV基站100，比如图6a至图6c及图7中所示的实施方式100B。
请参阅图6a-c及图7，在实施方式100B中，所述壳体115可以具有常规行李箱的尺寸及维度，且所述UAV基站100的组件可以是轻量型。所述壳体115还可以包括顶板盖605，所述顶板盖605用于可移除地覆盖所述顶板308。如图6a-c及图7所示，所述顶板盖605可以与所述壳体115可旋转地连接，但顶板盖605可以替代地被完全移除，包括多个部分，或者具有用于选择性地覆盖所述顶板308的任何其他合适的结构。所述顶板盖605还可以包括锁合件610，所述锁合件610用于使所述顶板盖605处于闭合状态。
另外，所述壳体115可以包括可伸缩的拉杆615以及轮子602及/或支脚625，由此进一步增加所述基站100B的便携性。例如，所述基站100B可以通过握持伸长的所述拉杆615并且通过所述轮子620使所述壳体115沿地面滚动，或者通过所述拉杆615携带所述基站100B来进行运输。轻量型以及便携型基站100B的好处在于，因为所述基站100B可以采用传统的运送方式较为容易地被运送并且能够较为容易地设置于较大及较重的基站100在不适用的位置。例如，所述实施方式的基站100B可以在传统的交通工具中被运送至期望的位置并被设置于所述交通工具(图未示)的顶部，例如所述交通工具的车厢内等。
如本文所讨论的，UAV基站100可以支撑一个或者多个UAV 400(如图4所示)。例如，所述电池更换***109可以在无需用户干预的情况下为一个或者多个UAV 400提供电池120(如图1及图2所示)的自动更换，使得所述一个或者多个UAV 400可以没有或者存在有限的用户干预的情况下，保持通电并且可操作的状态一段时间。因此，除了包括一个或者多个用于在一个或者多个UAV 400中进行更换的电池120以外，所述UAV基站100还可以包括一个独立的能量供应源(图未示)所述能量供应源用对一个或者多个电池120进行充电，所述电池120存在于所述UAV基站100中及/或用于为所述UAV基站100的不同部件供电。所述能量供应源可包括任何传统类型的能量供应源，例如，电池、发电机、太阳能电池、与电力网的连接，等等。因此，在不同的实施方式中，所述电池矩阵110及一个或者多个电池插槽115可用于为一个或者多个电池120充电。
所述UAV基站100还可以其他不同的方式支撑一个或者多个UAV100。例如，所述UAV基站100可以通过有线或者无线连接与所述UAV 100接，如此，所述UAV 400可以与所述基站100通信，或者所述UAV 400可以通过更大的网络进行通信，例如因特网、卫星网络等。一个实施方式中，所述UAV可以通过本地无线网络，例如WiFi网络，与一个或者多个UAV 400通信，并且所述基站100能够连接因特网或者其他合适的网络。
这样的连通性可能是理想的，从而使所述UAV 400可以向远程操作者提供数据，其包括位置数据、音频数据、图像数据、温度数据、热数据、放射性数据、雷达(RaDAR)数据、激光雷达(LiDAR)数据，等等。所述连通性还允许用户远程操作，或者另外地，向UAV 400或者基站100提供指令。
所述UAV基站100还可以包括其他传感器，所述传感器用于向一个或者多个UAV400提供数据或者进行远程操作。例如，所述UAV基站100还可以包括GPS单元、罗盘、加速计、雷达***、激光雷达***，等等。另外，在不同的实施方式中，所述UAV基站100可用于将一个或多个UAV 400存储在所述壳体腔108或者所述壳体115的其他部分内。
除了提供所述电池120的更换以外，所述UAV基站100的好处还在于能够用于自动更换或者提供其他选定的项目。例如，如本文中所描述的电池更换***109可以用于或者适于更换、提供或者重装燃料、存储装置、武器，等等。在一些实施方式中，UAV 400可以被分派向一个区域排放或者提供液体、气体或者固体的任务，并且所述UAV基站100用于向一个或者多个UAV 400提供所述液体、气体及/或固体。
另外，UAV 400是可以重新配置的，且所述UAV基站100能够配置所述UAV 400。例如，UAV 400可以配置为模块化地或者可选地承载相机、音频***、武器***、液体排放***、气体排放***等等，且所述UAV基站100可以配置所述UAV 400并为所述UAV 400提供一个或者多个所需组件或者模块。
请参阅图8以及图1-5的元件，说明了一种用于将UAV电池120***UAV 400中的方法800。所述方法800从方框810内开始，其中，机械臂***125沿X轴及Y轴向设置在选定的电池插槽115中的选定的UAV电池120移动。在方框820中，所述机械臂***125沿Z轴延伸电池架140并抓取选定的电池120。例如，所述电池抓取件143及/或抓取臂144可以抓取所述选定的电池120。在方框830中，所述机械臂***120可以沿所述Z轴收回所述电池托架140，以便从所述电池插槽115中移除所述UAV电池120。
在方框840中，所述机械臂***125可以将所述移除的UAV电池120移动至所述UAV400附近。例如，在不同的实施方式中，将所移除的UAV电池120移动至所述UAV 400附近可以包括移动所述电池托架140至所述舱口405附近，并使所述电池托架140延伸穿过所述舱口405并且到达设置在所述壳体115的顶板308上的电池更换区域340中的所述UAV 400附近。
在方框850中，所述机械臂***125可以将所述UAV电池120***设置在所述UAV400上的所述UAV电池插槽510中并且与所述UAV电池120分离。在不同的实施方式中，所述电池抓取件140及/或所述抓取臂144可以与所述选定的电池120分离。所述方法800至方框899中结束。
图9是将UAV电池120自UAV 400移除并存储所述UAV电池120的方法900的流程图。所述方法900从方框910开始，其中，所述机械臂***125可以移动至上面具有设置在UAV电池插槽510中的UAV电池120的UAV 400附近。例如，在不同的实施方式中，所述机械臂***125移动至所述UAV 400附近可以包括将所述电池托架140移动至所述舱口405附近，并且所述电池托架140延伸穿过所述舱口405并且到达设置在所述壳体115的顶板308上的电池更换区域340中的所述UAV 400附近。
在方框920中，所述机械臂***125可以抓取设置在所述UAV电池插槽510中的UAV电池120。例如，所述电池抓取件143及/或抓取臂144可以抓取所述选定的电池120。在方框930中，所述机械臂***125可以从所述UAV电池插槽510中可缩回地移除所述UAV电池120。
在方框930中，所述机械臂***125可以沿所述X轴及Y轴移动至选定的电池插槽115。例如，在不同的实施方式中，沿所述X轴及Y轴移动至选定的电池插槽115包括穿过所述舱口405缩回至所述壳体115的内腔108中并且移动所述电池托架140与所述选定的电池插槽115对准。
在方框940中，所述机械臂***125可以使所述电池托架140沿Z轴延伸，从而将所述UAV电池120***所述选定的电池插槽115中。在不同的实施方案中，所述电池120可以被充电及/或储存在所述电池插槽115中以供后续充电。
所描述的实施方案可以有各种修改和替代形式，而且已经在附图中以举例方式显示并且在本文中详细描述了其具体实施例。然而，应理解，所描述的实施方案不限于所公开的特定形式或方法，而是相反，本发明将涵盖所有修改、等效形式和替代形式。

Claims (9)

1.一种无人飞行器基站，所述无人飞行器基站包括：
壳体，其包括由基座和多个侧壁构成的壳体腔、以及用于供无人飞行器降落在其上面的顶板；及
无人飞行器固定***，其用于将位于所述顶板上的无人飞行器引导至所述顶板的电池更换区域；
其中，所述顶板包括舱口，所述舱口与所述电池更换区域不完全重叠，且其中机械机构能够将无人飞行器电池从所述壳体腔内穿过进而在电池交换位置处安装或移除。
2.如权利要求1所述的无人飞行器基站，其特征在于，所述无人飞行器固定***包括第一固定臂及第二固定臂，所述第一固定臂及所述第二固定臂能分别沿相应的正交轴平移。
3.如权利要求2所述的无人飞行器基站，其特征在于，所述第一固定臂及所述第二固定臂与其相应的平移轴垂直地延伸。
4.如权利要求2所述的无人飞行器基站，其特征在于，所述第一固定臂及所述第二固定臂由相应的固定臂致动***致动，所述固定臂驱动***被设置在所述壳体腔内。
5.如权利要求4所述的无人飞行器基站，其特征在于，所述固定臂致动***被设置在所述壳体腔内的对应侧壁上。
6.如权利要求1或2所述的无人飞行器基站，其特征在于，所述无人飞行器固定***能在没有用户交互的情况下自动运行。
7.如权利要求1或2所述的无人飞行器基站，其特征在于，所述电池交换位置在所述顶板上方靠近所述顶板的所述电池更换区域。
8.如权利要求1或2所述的无人飞行器基站，其特征在于，所述壳体进一步包括顶板盖，所述顶板盖用于可移除地覆盖所述顶板。
9.如权利要求1或2所述的无人飞行器基站，其特征在于，所述壳体进一步包括拉杆以及轮子。
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