ES2673051A1

ES2673051A1 - Sistema y método de acoplamiento por pares macho-hembra para la recarga eléctrica de aeronaves

Info

Publication number: ES2673051A1
Application number: ES201601073A
Authority: ES
Inventors: Pablo TORÍO GÓMEZ; Manuel GARCÍA SÁNCHEZ; Ana VÁZQUEZ ALEJOS
Original assignee: Universidade de Vigo
Current assignee: Universidade de Vigo
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2018-06-19

Abstract

Sistema y método de acoplamiento por pares macho-hembra para la recarga eléctrica de aeronaves. Las piezas macho (3) tienen en su extremo libre una sección más estrecha que se va ensanchando progresivamente hacia su otro extremo. Las piezas hembra (4) deben tener una forma interior que se corresponda total o parcialmente con la sección de la pieza macho (3) para que, a medida que la aeronave (2) desciende sobre su base (1), la separación entre la superficie exterior de las piezas macho (3) y la superficie interior de las piezas hembra (4) vaya siendo menor hasta que terminen por establecer conexión. Los terminales eléctricos (+)(-) se encuentran, al menos en parte, situados en los laterales de las piezas, revistiéndolos exteriormente en el caso de los machos (3) e interiormente en el caso de las hembras (4).

Description

Sistema y método de acoplamiento por pares macho-hembra para la recarga eléctrica de aeronaves 5 Sector de la técnica 10 Este sistema y método encuentra aplicación el sector aeronáutico. En concreto, para ser utilizado en ingenios voladores que precisen realizar una maniobra de acoplamiento preciso con una base de recarga eléctrica. Estado de la técnica El objeto de la presente invención persigue la recarga eléctrica desatendida de aeronaves al 15 atracar sobre una base de recarga. La operación de atraque y recarga de aeronaves ha sido tenida en consideración por las siguientes patentes anteriores: invención que consiste en una estación de atraque para aeronaves tipo drone, US2016257426 ; invención que consiste en una plataforma de soporte en tierra para aeronaves no tripuladas, US2016068277 (A 1); invención que consiste en un drone de tipo dirigible con su estación base, W02016076684 20 (A 1), invención que consiste en una estación de atraque de aeronaves guiado por laser, KR20160092720 (A), invención que consiste en un sistema de carga inalámbrica para drones KR 10 1564254 (B 1), invención que consiste en una plataforma genérica de recarga de vehículos aéreos no tripulados GB2529021 (A). 25 Sin embargo, el principio de funcionamiento en el que se basa la presente invención no ha sido considerada anteriormente ya que no existe en la actualidad ningún sistema o método que persiga facilitar la maniobra de atraque basada en el acoplamiento de pares macho-hembra, ni que tenga en cuenta las ventajas que supone ubicar los terminales eléctricos en un plano no horizontal para evitar la acumulación de suciedad u objetos extraños. 30 DESCRIPCIÓN Explicación de la invención Una aeronave, por su naturaleza ha de despegar y aterrizar. Cuando esta aeronave es eléctrica, necesita además acoplarse con una base que efectúe la recarga de sus baterías. La 5 presente invención consiste en un sistema y método que facilita el acoplamiento y la conexión de los terminales eléctricos de recarga de la aeronave con los de su base. Un aspecto de la presente invención es un sistema de acoplamiento por pares macho-hembra para la recarga eléctrica de aeronaves, caracterizada por comprender los siguientes 10 elementos: 15 Una base de recarga. Una aeronave. Uno o varios pares de piezas macho y hembra. Un conjunto de terminales eléctricos en la aeronave y otro conjunto de terminales eléctricos en la base de recarga que deberán establecer conexión entre sí. Las piezas macho tienen en su extremo libre una sección más estrecha que se va ensanchando progresivamente hacia su otro extremo, entendiendo como otro extremo aquel con el que la pieza macho se fija a la aeronave o a la base de recarga. Las piezas 20 hembra deben tener una forma interior que se corresponda total o parcialmente con la sección y/o superficie externa de la pieza macho para que, a medida que la aeronave desciende sobre su base, la separación entre la superficie exterior de las piezas macho y la superficie interior de las piezas hembra vaya siendo menor hasta que terminen por establecer conexión. 25 Se define como par complementario de la pieza macho la pieza hembra mientras que se define como par complementario de la pieza hembra la pieza macho. La aeronave puede portar tanto piezas macho como piezas hembra, complementarias las 30 unas de los otras. Por cada pieza que se encuentre en la aeronave debe existir un par complementario en la base de recarga con la que se ha de realizar el acoplamiento. Los terminales eléctricos deben estar dispuestos, al menos parcialmente, sobre un plano no horizontal. Esto implica que los terminales eléctricos deben encontrarse, al menos en parte, situados en los laterales de las piezas, exteriormente en el caso de los machos e interiormente en el caso de las hembras. Esta disposición evita problemas de mala 5 conexión por suciedad u objetos extraños que pudieran depositarse por gravedad sobre las superficies de los terminales. En una realización preferida, la aeronave es de aterrizaje vertical. En otra realización preferida, la aeronave es un vehículo aéreo no tripulado. En una realización más específica, 10 dicha aeronave es un vehiculo aéreo multirrotor. Para que se verifique el acoplamiento, la forma de la superficie interna de las piezas hembra debe corresponderse con la forma de la superficie externa de las piezas macho. La función se cumple igualmente tanto si dicha correspondencia es total o bien si dicha 15 correspondencia es parcial. Diversas formas de realización consisten en repartir de manera diferente la situación de las piezas macho y hembra en base de recarga o en aeronave, por ejemplo: -La aeronave solo porta piezas hembra mientras que la base de recarga solo tiene las 20 piezas macho complementarias. 25 -La aeronave solo porta piezas macho mientras que la base de recarga solo tiene las piezas hembra complementarias. -La aeronave porta piezas macho y también piezas hembra mientras que la base de recarga tiene las piezas hembra y macho, complementarias de las anteriores. En una forma de realización, la sección de las piezas macho no debe tener simetria revolución perfecta alrededor del eje vertical, es decir no debe tener sección circular. Ello tendrá como finalidad que, a medida que el macho se desliza sobre la hembra, se vaya forzando una orientación concreta, de manera que queden al final conectados en una 30 posición definida. En otras formas de realización, las piezas macho presentan su sección con o sin simetria revolución perfecta alrededor del eje vertical, sin que ello afecte a la conexión eléctrica. 5 Cuando la sección de las piezas macho no sea circular, una forma de realización preferente consiste en que sea elíptica, otra consiste en que sea ovoide. Aunque también puede estar formada por combinaciones de curvas tales como arcos de circunferencia, parábolas, hipérbolas, cicloides, catenarias, etc. En una realización preferente, el ensanchamiento de las piezas macho se produce en una parte de su longitud, cumpliéndose igualmente la función de acoplamiento con su pieza hembra complementaria. 10 Según se ha definido anteriormente, se entiende que la pieza macho va ensanchándose continuamente desde el extremo libre hacia el otro extremo. Sin embargo, en una realización alternativa, el ensanchamiento de la pieza macho es discontinuo. Esto quiere decir que, al recorrerla partiendo del extremo libre, se sucederán algunos estrechamientos parciales pero que no impedirán la función primordial de acoplamiento con su pieza 15 hembra complementaria. Según se ha explicado anterionnente, se interpreta que los terminales eléctricos en las piezas macho se encuentran revistiendo totalmente su superficie exterior. Sin embargo, en una realización preferente al objeto de esta invención, los terminales eléctricos se revisten 20 el exterior de las piezas macho solo parcialmente, sin menoscabo de la conexión con su pieza hembra complementaria. De la misma manera, según 10 explicado anteriormente, se interpreta que los terminales eléctricos en las piezas hembra se encuentran revistiendo totalmente su superficie interior. 25 Sin embargo, en una realización preferente al objeto de esta invención, los terminales eléctricos se revisten el interior de las piezas hembra solo parcialmente, sin menoscabo de la conexión con su pieza macho complementaria. En otra realización preferida, la base de recarga está fija en tierra o bien se encuentra sobre 30 una embarcación, o sobre otra aeronave o sobre un vehiculo móvil. Otro aspecto de la invención, se refiere a un método de acoplamiento para la recarga eléctrica de aeronaves, que comprende las siguientes etapas: 5 10 a) Alineamiento, donde la aeronave que se encuentra en vuelo, se alinea y orienta sobre la vertical de la base de recarga. b) Ensamblaje, donde la aeronave desciende sobre la base de recarga en la dirección del eje vertical, entendido como tal aquel que se corresponde con la dirección de la gravedad. El ensamblaje debe transcurrir mientras el extremo libre de cada pieza macho va introduciéndose progresivamente en su pieza hembra complementaria. Debido a la sección creciente de la pieza macho, la holgura entre ambas piezas disminuye a medida que la penetración profundiza, favoreciendo la aproximación fisica entre los terminales eléctricos de la aeronave y los terminales eléctricos de la base de recarga. c) Conexión de los terminales eléctricos de la aeronave y los terminales eléctricos de la base de recarga. Una de las principales características de la presente invención es que elimina la necesidad 15 de un acercamiento y alineamiento preciso de la aeronave con respecto a la base. Es suficiente con posicionar la aeronave sobre la vertical de la base, de manera que, los extremos de cada pieza macho estén contenidos dentro de la sección de mayor diámetro de su pieza hembra complementaria. Partiendo de esta situación, a medida que la aeronave va descendiendo, la conexión con los terminales eléctricos de la base se produce sin la 20 necesidad de otros medios mecánicos o electrónicos adicionales. Cuanto más amplia sea la sección de la pieza hembra mayor será el margen de error para el alineamiento de la aeronave sobre su base de recarga. No obstante, tanto el tamaño como el número de pares de piezas macho-hembra, depende de la aplicación específica de esta 25 invención. La etapa de alineamiento de la aeronave hacia la vertical de la base se lleva a cabo mediante una gran diversidad de técnicas, entre las que se encuentran: posicionamiento por satélite, control remoto, procesado de imagen de video, radio, radar, sensores ópticos, 30 sónicos, ultrasónicos, magnéticos, barométricos, giroscópicos, de inercia, de gravedad, de temperatura, de velocidad, etc. Debe entenderse que una brújula es un sensor magnético. 5 En una realización preferida, el asentamiento entre las piezas macho y hembra en la etapa de ensamblaje se realiza mediante simple deslizamiento entre superficies lisas aunque también podrá facilitarse por medio de procedimientos auxiliares, entre los que se consideran surcos, ranuras, estrías o hendiduras. Otra alternativa para facilitar el deslizamiento de la pieza macho sobre la pieza hembra consiste en instalar rodamientos en las superficies de las piezas. También se prevé la posibilidad de añadir un sistema de amortiguación elástica para que, al encajarse las piezas macho contra las piezas hembra, no queden atascadas de tal manera que impidan el 10 despegue posterior de la aeronave. También se contempla complementar el acoplamiento mediante imanes o electroimanes o bien con un sistema mecánico mediante levas, balancines o palancas. 15 En otra realización preferida, la conexión entre los terminales eléctricos de la aeronave y la base de recarga se realiza por contacto o bien se realiza por inducción electromagnética. El presente sistema y método de acoplamiento ofrece como prestación secundaria el atraque mecánico de la aeronave a su base de recarga puesto que, una vez que se completa 20 el aterrizaje, la aeronave queda asegurada contra vientos fuertes, terremotos y otras inclemencias naturales, por el encaje entre las piezas macho y hembra. Descripción de los dibujos Para complementar la descripción realizada, se acompaña como parte integrante de dicha descripción un juego de figuras (figuras I a 4) donde representan con carácter ilustrativo y 5 no limitativo cuatro variantes de realización que serán descritas en el siguiente apartado. En cada figura, la base de recarga se indica con el número 1, la aeronave se indica con el número 2, las piezas macho se indican con el número 3 y las piezas hembra con el número 4. Los símbolos + indican terminal eléctrico con polo positivo mientras que los símbolos -10 indican tenninal eléctrico con polo negativo. 15 La Figura 1 representa un sistema en el que la base de recarga (1) tiene una única pieza macho (3) mientras que en la aeronave (2) se encuentra la pieza hembra complementaria (4). La Figura 2 representa un sistema en el que la base de recarga (1) tiene una única pieza hembra (4) mientras que en la aeronave (2) se encuentra la pieza macho complementaria (3). 20 La Figura 3 representa un sistema en el que la base de recarga (1) tiene cuatro piezas macho (3) mientras que en la aeronave (2) se encuentran las piezas hembra complementarias (4). La Figura 4 representa un sistema en el que la base de recarga (1) tiene cuatro piezas 25 hembra (4) mientras que en la aeronave (2) se encuentran las piezas macho complementarias (3). En todas las figuras se representan dos situaciones de la aeronave (2) con su base de recarga (1). En la situación [ a] la aeronave (2) se encuentra desacoplada, volando sobre la 30 vertical de su base (1). En la situación [b] la aeronave (2) se encuentra acoplada a su base (1). 5 En todas las figuras, los tenninales eléctricos (+)( -) de las piezas macho (3) se encuentran en una franja que reviste exterionnente los laterales de la pieza mientras que los tenninales eléctricos (+)(-) de las piezas hembra (4) se encuentran en una franja que reviste interiormente los laterales de la pieza. Descripción detaUada de varios modos de realización Para una mejor compresión de la presente invención, se exponen de fonna detallada cuatro 10 variantes de realización que se muestran en las figuras 1 a 4, que deben entenderse sin carácter limitativo del alcance de la invención: -El primer modo es descrito en la Figura 1, que presenta una aeronave (2) con una única pieza hembra (4) central. En la base de recarga (1) se encuentra la pieza macho (3) que consiste en un cono de sección elíptica dividido en cuatro secciones aisladas. Las dos 15 secciones más alejadas del centro de la elipse son polo positivos y las que están más cerca son polos negativos. Este diseño concreto ofrece la ventaja de que no se precisa que la aeronave (2) se oriente en un ángulo azimutal específico con respecto a la base de recarga (1). Solamente es necesario que la aeronave (2) se sitúe aproximadamente sobre la vertical de la base de recarga (1). Al ir descendiendo, se desliza sobre la pieza macho (3) y la fonna 20 elíptica de la sección fuerza que la aeronave (2) vaya orientándose hasta que los terminales eléctricos (+)(-) quedan correctamente asentados. Para que esta solución pueda llevarse a cabo no es imprescindible que la sección sea precisamente elíptica. Existen multitud de alternativas para la sección, pudiendo ser también ovoide o fonnada por combinaciones de curvas tales como arcos de circunferencia, parábolas, hipérbolas, cicloides, catenarias, etc. 25 Para este modo de realización, no serían posibles secciones con simetria de revolución perfecta alrededor del eje vertical (circulares). -El segundo modo se describe en la Figura 2 que es en esencia equivalente a la Figura 1 salvo en que, en este caso, es la aeronave (2) la que porta la pieza macho (3) mientras que 30 la pieza hembra (4) se encuentra en la base de recarga (1). -El tercer modo es descrito en la Figura 3, que presenta una aeronave (2) con cuatro piezas hembra (4). En la base de recarga (1) se encuentran las piezas macho (3) que consisten en simples conos de sección circular. Dos conos tienen polaridad positiva para la recarga y los otros dos tienen polaridad negativa. Con respecto a las variantes de las Figuras l y 2, esta solución presenta el inconveniente de que la aeronave (2) necesitará orientarse en el plano azimutal con la ayuda de algún medio adicional como podría ser, por ejemplo, una brújula. S El número de pares de piezas macho-hembra no tiene por qué ser necesariamente cuatro. Contrariamente a los modos de realización descritos anteriormente, para este modo de realización sí serian posibles secciones con simetría revolución perfecta alrededor del eje vertical (circulares). -El cuarto modo se describe en la Figura 4 que es en esencia equivalente a la Figura 3 salvo lOen que, en este caso, es la aeronave (2) la que porta las piezas macho (3) mientras que las piezas hembra (4) se encuentran en la base de recarga (1).

Claims

REIVINDICACIONES l. Sistema de acoplamiento para la recarga eléctrica de aeronaves que comprende al menos los siguientes elementos: 5 -una base de recarga (1); -una aeronave (2); -uno o varios pares de piezas macho (3) y hembra (4), -un conjunto de terminales eléctricos (+)(-) en la aeronave (2) y otro conjunto de tenninales eléctricos (+)(-) en la base de recarga (1) que deberán establecer 10 conexión entre sí; caracterizado por que: las piezas macho (3) deben tener su extremo libre con una sección estrecha que se va 15 ensanchando en dirección al otro extremo, entendiendo como otro extremo aquel con el que se fija a la aeronave (2) o a la base de recarga (1); la aeronave (2) es susceptible de portar tanto piezas macho (3) como piezas hembra (4), complementarias las unas de los otras; por cada pieza (3)(4) que se encuentre en la 20 aeronave (2) debe existir un par complementario en la base de recarga (1) con la que se ha de realizar el acoplamiento; los terminales eléctricos (+)(-) de la base de recarga (1) deben estar situados, al menos parcialmente, en los laterales de las piezas (3)(4); estos laterales se encuentran sobre un 25 plano no horizontal; 2. Sistema según reivindicación 1, caracterizado por que la aeronave (2) es de aterrizaje vertical. 30 3. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones l a 2, caracterizado por que la aeronave (2) es un vehículo aéreo no tripulado. 4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones I a 3, caracterizado por que la aeronave (2) es un vehículo aéreo multirrotor. 5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones I a 4, caracterizado por que la forma 5 de la superficie interna de las piezas hembra (4) se corresponde totalmente con la forma de la superficie externa de las piezas macho (3). 6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones I a 4, caracterizado por que la forma de la superficie interna de las piezas hembra (4) se corresponde sólo parcialmente con la 10 forma de la superficie externa de las piezas macho (3). 15 7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 6, caracterizado por que las piezas hembra (4) se encuentran en la aeronave (2) y las piezas macho (3) se encuentran en la base de recarga (1). 8. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 6, caracterizado por que las piezas macho (3) se encuentran en la aeronave (2) y las piezas hembra (4) se encuentran en la base de recarga (1). 20 9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 6, caracterizado por que tanto la aeronave (2) como la base de recarga (1) tienen piezas macho (3) y hembra (4). 25 10. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado por que las piezas macho (3) y hembra (4) poseen simetria de revolución perfecta alrededor del eje vertical. 11. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado por que las piezas macho (3) y hembra (4) no poseen simetría de revolución perfecta alrededor del eje vertical. 30 12. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones lOa 11, caracterizado por que el ensanchamiento de las piezas macho (3) se produce solamente en una parte de su longitud, cumpliéndose igualmente la función de acoplamiento con su pieza hembra (4) complementaria. 5 13. Sistema según reivindicación 12 caracterizado por que el ensanchamiento de la pieza macho (3) desde el extremo libre hacia el otro extremo no es continuo, sino que existen estrechamientos parciales que no impiden el acoplamiento con su pieza hembra (4) complementaria. 14. Sistema según reivindicación 13, caracterizado por que los terminales eléctricos (+)(-) en las piezas macho (3) no se encuentran revistiendo su superficie exterior en su totalidad, sino parciamente. 10 15. Sistema según reivindicación 14, caracterizado por que los terminales eléctricos (+)(-) en las piezas hembra (4) no se encuentran revistiendo su superficie interior en su totalidad, sino parciamente. 16. Sistema según reivindicación 15, caracterizado por que la base de recarga (1) está fija 15 en tierra o bien la base de recarga (1) se encuentra sobre una embarcación o bien la base de recarga (1) se encuentra sobre otra aeronave o bien la base de recarga (1) se encuentra sobre un vehículo móvil. 17. Método de acoplamiento para la recarga eléctrica de aeronaves, según reivindicaciones 20 anteriores, que comprende al menos las siguientes etapas: a) alineamiento: la aeronave (2), que se encuentra en vuelo, se alinea y orienta sobre la vertical de la base de recarga (1); b) ensamblaje: la aeronave (2) desciende sobre la base de recarga (l) en la dirección del eje vertical, entendido como tal aquel que se corresponde con la 25 dirección de la gravedad; el ensamblaje debe transcurrir mientras el extremo libre de cada pieza macho (3) va introduciéndose progresivamente en su pieza hembra (4) complementaria (2); debido a la sección creciente de la pieza macho (3), la holgura entre ambas piezas (3)(4) disminuye a medida que la penetración profundiza, favoreciendo la aproximación fisica entre los terminales eléctricos 30 (+)( -) de la aeronave (2) y los terminales eléctricos (+)( -) de la base de recarga (1 ); c) conexión: los terminales eléctricos (+)(-) de la aeronave (2) y los tenninales eléctricos (+)(-) de la base de recarga (1) establecen conexión eléctrica. 18. Método según reivindicación 17 caracterizado por que en la etapa a) el alineamiento u orientación de la aeronave (2) con la base recarga (J) comprende al menos uno de los siguientes sistemas de guiado: mediante control remoto, navegación o posicionamiento por satélite, procesado de imagen de video, sistema de guiado basado en radar o sensores de 5 radio, sensores ópticos, sensores sónicos, sensores ultrasónicos, sensores magnéticos, sensores barométricos, sensores giroscópicos, sensores de inercia, sensores de gravedad, sensores de temperatura o bien sensores de velocidad. 19. Método según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 18, caracterizado por que en la 10 etapa b) el ensamblaje de las piezas macho (3) dentro de las piezas hembra (4) se complementa con un sistema de surcos, estrías, ranuras o hendiduras. 20. Método según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, caracterizado por que la etapa b) de ensamblaje de las piezas macho (3) dentro de las piezas hembra (4) se suaviza 15 mediante rodamientos. 20 21. Método según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 20, caracterizado por que la etapa b) de ensamblaje de las piezas macho (3) dentro de las piezas hembra (4) se suaviza mediante amortiguamiento elástico. 22. Método según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 21, caracterizado por que la etapa b) de ensamblaje se complementa mediante imanes o electroimanes que faciliten el asentamiento de la pieza macho (3) sobre la pieza hembra (4). 25 23. Método según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 22, caracterizado por que la etapa b) de ensamblaje se complementa con un sistema mecánico mediante levas, balancines o palancas que faciliten el asentamiento de la pieza macho (3) con la pieza hembra (4).