可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统技术方案

本发明专利技术公开了可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统，涉及无人机技术领域，包括无人机、执行器模块更换器和无人机控制端，本发明专利技术采用模块化的设备搭载方案，即将搭载设备作为执行器模块，不同搭载设备以通用的机械固定方式与电力及信号接口与无人机相连接，无人机以空载，即不挂载执行器模块的状态，进行大范围作业，如设施巡查、安全巡逻、搜索敌人等等，以减少能量消耗，从而可以提升无人机的航程，本发明专利技术通过部署多部有线或无线方式组网的执行器模块更换器，使无人机可以通过人工控制完成在各执行器模块更换器上的起降，可以提升无人机在复杂作业环境下的作业灵活性，降低无人机系统的成本，还可以提升无人机系统的作业自主性。机系统的作业自主性。机系统的作业自主性。

【技术实现步骤摘要】
可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统


[0001]本专利技术涉及无人机
，具体为可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统。

技术介绍

[0002]目前，市面上存在的无人机主要分为固定翼无人机与多轴无人机。固定翼无人机因为使用机翼提供升力，所以有着较大的航程，适合远距离勘探和大范围监视，或运载大型设备及物资。但是，固定翼无人机也因此有着昂贵的造价，必须保持持续飞行不可随时降落或悬停，控制员的训练成本高昂且飞行灵活性差，不适合在地形复杂的低空或室内环境飞行。并且，其发射和回收往往需要面积较大的干净、平坦场地。
[0003]而普及率最高的多轴无人机因为采用电机带动垂直螺旋桨直接提供升力，可以克服固定翼无人机的上述缺点，操作灵活，飞行控制简便易学，适合在复杂低空及室内环境飞行，成本低廉。但多轴无人机也正因此有着十分有限的续航时间，通常在半小时左右。而一旦挂载了除光学传感器以外的其他设备，不仅其续航能力会进一步下降，其操纵性也会受到影响。
[0004]其次，当应用场景需求复杂，需要多种设备参与作业时，以现有的无人机方案必须基于需要的设备种类数，配置相应数量的无人机；或者配置数量较少的无人机，并以人工手段在无人机完成每项作业后，手动为其更换搭载设备。前种方案的作业灵活性差，在应对复杂场景时的成本较高；而后种方案则需要人工持续介入，大大降低了系统的作业自主性。
[0005]而且，如果应用场景存在显著的电磁干扰，尤其是出于人为干扰无人机作业而专门制造的电磁环境，如在国防或安保应用中时常会遭遇的敌人或不发分子干扰，现有的无人机方案则因为几乎完全基于电磁通信，而面临着更大的应用局限性。一旦因为电磁干扰而使得通信中断，目前的无人机通常采取的对策是以自动导航前往预先设定的坐标以重新建立通信，不仅浪费作业时间，丧失持续作业的可能，并且因为过程不可控而存在明显的安全风险。
[0006]基于此，本专利技术设计了可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统，以解决上述提到的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统，以解决上述提到的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：包括无人机、执行器模块更换器和无人机控制端，所述无人机包括机架、储能介质、发动机、螺旋桨、存储设备、处理设备、定位传感器设备、电磁通迅设备，所述无人机还包括执行器模块、对接支腿、可旋转的光学传感器、声光通信中继系统，所述执行器模块由锁定栓、锁定栓孔、执行器模块锁定电磁铁组成，所述对接支腿由滚珠万向轮、信号接片组成，所述声光通信中继系统由光信号发射器、光信号
传感器、声波发生器、声波传感器组成；
[0009]所述执行器模块更换器由对接引导底座、可升降的执行器模块装卸架、降落指示标、组网通信与存储模块组成，对接引导底座由引导面、接确认电路组成，所述可升降的执行器模块装卸架由升降支腿、线性驱动装置、电磁铁组成；
[0010]所述无人机控制端由手动控制器、控制端电脑、电磁通信设备组成，所述手动控制器可采用智能手机、平板电脑、便携电脑等形式设备。
[0011]优选的，上述可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统中，所述无人机在更换执行器模块时，首先飞行至安装于地面的执行器模块更换器的坐标位置上方，通过可旋转的光学传感器旋转至竖直向下角度，可以确认预设的镜头中央的十字图案与光学传感器成像中的降落指示标的距离与方向角偏差，并确定距离偏差是否在准确对接所要求的范围内，该对接所要求的范围的数值，其中距离的最小值为，最大值为组成对接引导底座的引导面的圆锥底面圆直径d除以一个安全系数n，n可根据使用者的使用经验具体确定，通常可取1.2～1.5，当距离偏差超出该范围时，或存在方向角偏差时，无人机通过机载的处理设备与自主飞行程序自动控制无人机调整其位置与航向角，直到满足要求为止。
[0012]优选的，上述可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统中，在满足降落对接所要求的距离与方向角偏差后，无人机开始下降，在下降过程中，首先安装于对接支腿上的滚珠万向轮与引导面接触滚动，并约束无人机的下落移动方向使其与引导面的角度一致，无人机的下落运动由于受到引导面的反作用力，产生与前述无人机距离偏移方向相反的水平速度分量，使无人机朝距离偏移更小的方向移动，直至无人机完成准确对接，在无人机所有的对接支腿上的信号接片均与对接引导底座上的对接确认电路接通后，每个对接引导底座上的对接确认电路均会向无人机与执行器模块更换器发出一次对接成功信号，通知无人机停止下降及执行器模块更换器开始装卸工作，在无人机高度无法继续下降，但无人机未收到对接成功信号，或收到的对接成功信号次数少于对接支腿的数量，则当前对接不成功，无人机重新上升回到至初始高度，重新进行降落对接流程。
[0013]优选的，上述可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统中，当执行器模块更换器收到的对接成功信号次数与对接支腿的数量相符时，会根据组网通信与存储模块存储的模块储存状态决定当前要进行的是模块装载还是模块卸载作业，进行模块装载作业时，可升降的执行器模块装卸架首先通过升降支腿上升至工作高度，然后通过线性驱动装置水平移动安装在其末端的电磁铁，以推动锁定栓沿着锁定栓孔移动一段固定距离，使执行器模块锁定电磁铁接触，然后电磁铁断电停止对锁定栓的吸附，并在线性驱动装置的控制下沿着锁定栓孔向外移动直至离开执行器模块，在线性驱动装置完成移动后，对接确认电路通过信号接片，向无人机发出安装完成信号，通知无人机向执行器模块锁定电磁铁供电，吸附锁定栓以完成对对执行器模块的锁定，防止其产位移。
[0014]优选的，上述可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统中，所述无人机通过信号接片与对接确认电路，向升降支腿发出信号，通知其下降复位，至此模块装载完成，组网通信与存储模块向无人机控制端发出信号，通知无人机控制端模块装载作业已完成，无人机控制端根据控制端电脑记载的无人机此前所装载的执行器模块的设备种类，记载该执行器模块更换器此时所储存的执行器模块的种类，进行模块卸载作业时，当执行器模块装卸架通过升降支腿上升至工作高度后，线性驱动装置首先移动断点状态的电磁
铁一段固定距离，使其余锁定栓接触，然后再接通电磁铁，使其吸附锁定栓，并通过对接确认电路与信号接片通知无人机停止向执行器模块锁定电磁铁供电。
[0015]优选的，上述可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统中，线性驱动装置控制电磁铁带动锁定栓沿着锁定栓孔移动一段固定距离，使锁定栓离开无人机，最后升降支腿开始下降复位，执行器模块随着执行器模块装卸架一同下降，完成执行器模块的卸载作业，组网通信与存储模块向无人机控制端发出信号，通知无人机控制端模块卸载作业已完成，无人机控制端根据控制端电脑记载的执行器模块更换器此前所储存的执行器模块的设备种类，记载该无人机此时所装载的执行器模块的种类。
[0016]优选本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统，包括无人机(100)、执行器模块更换器(200)和无人机控制端(300)，其特征在于：所述无人机(100)包括机架、储能介质、发动机、螺旋桨、存储设备、处理设备、定位传感器设备、电磁通迅设备，所述无人机(100)还包括执行器模块(110)、对接支腿(120)、可旋转的光学传感器(130)、声光通信中继系统(140)，所述执行器模块(110)由锁定栓(111)、锁定栓孔(112)、执行器模块锁定电磁铁(113)组成，所述对接支腿(120)由滚珠万向轮(121)、信号接片(122)组成，所述声光通信中继系统(140)由光信号发射器(141)、光信号传感器(142)、声波发生器(143)、声波传感器(144)组成；所述执行器模块更换器(200)由对接引导底座(210)、可升降的执行器模块装卸架(220)、降落指示标(230)、组网通信与存储模块(240)组成，对接引导底座(210)由引导面(211)、接确认电路(212)组成，所述可升降的执行器模块装卸架(220)由升降支腿(221)、线性驱动装置(222)、电磁铁(223)组成；所述无人机控制端(300)由手动控制器(310)、控制端电脑(320)、电磁通信设备(330)组成，所述手动控制器(310)可采用智能手机、平板电脑、便携电脑等形式设备。2.根据权利要求1所述的可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统，其特征在于：所述无人机(100)在更换执行器模块时，首先飞行至安装于地面的执行器模块更换器(200)的坐标位置上方，通过可旋转的光学传感器(130)旋转至竖直向下角度，可以确认预设的镜头中央的十字图案与光学传感器成像中的降落指示标(230)的距离与方向角偏差，并确定距离偏差是否在准确对接所要求的范围内，该对接所要求的范围的数值，其中距离的最小值为0，最大值为组成对接引导底座(210)的引导面(211)的圆锥底面圆直径d1除以一个安全系数n1，n1可根据使用者的使用经验具体确定，通常可取1.2～1.5，当距离偏差超出该范围时，或存在方向角偏差时，无人机(100)通过机载的处理设备与自主飞行程序自动控制无人机调整其位置与航向角，直到满足要求为止。3.根据权利要求2所述的可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统，其特征在于：在满足降落对接所要求的距离与方向角偏差后，无人机开始下降，在下降过程中，首先安装于对接支腿(120)上的滚珠万向轮(121)与引导面(211)接触滚动，并约束无人机(100)的下落移动方向使其与引导面(211)的角度一致，无人机的下落运动由于受到引导面(211)的反作用力，产生与前述无人机距离偏移方向相反的水平速度分量，使无人机朝距离偏移更小的方向移动，直至无人机完成准确对接，在无人机所有的对接支腿(120)上的信号接片(122)均与对接引导底座(210)上的对接确认电路(212)接通后，每个对接引导底座(210)上的对接确认电路212均会向无人机(100)与执行器模块更换器(200)发出一次对接成功信号，通知无人机(100)停止下降及执行器模块更换器200开始装卸工作，在无人机(100)高度无法继续下降，但无人机(100)未收到对接成功信号，或收到的对接成功信号次数少于对接支腿(120)的数量，则当前对接不成功，无人机(100)重新上升回到至初始高度，重新进行降落对接流程。4.根据权利要求3所述的可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统，其特征在于：当执行器模块更换器(200)收到的对接成功信号次数与对接支腿(120)的数量相符时，会根据组网通信与存储模块(240)存储的模块储存状态决定当前要进行的是模块装载还是模块卸载作业，进行模块装载作业时，可升降的执行器模块装卸架(220)首先通过
升降支腿(221)上升至工作高度，然后通过线性驱动装置(222)水平移动安装在其末端的电磁铁(223)，以推动锁定栓(111)沿着锁定栓孔(112)移动一段固定距离，使执行器模块锁定电磁铁(113)接触，然后电磁铁(223)断电停止对锁定栓(111)的吸附，并在线性驱动装置(222)的控制下沿着锁定栓孔(112)向外移动直至离开执行器模块(110)，在线性驱动装置(222)完成移动后，对接确认电路(212)通过信号接片(122)，向无人机(100)发出安装完成信号，通知无人机(100)向执行器模块锁定电磁铁(113)供电，吸附锁定栓(111)以完成对对执行器模块(110)的锁定，防止其产位移。5.根据权利要求4所述的可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统，其特征在于：所述无人机(100)通过信号接片(122)与对接确认电路(212)，向升降支腿(221)发出信号，通知其下降复位，至此模块装载完成，组网通信与存储模块(240)向无人机控制端(300)发出信号，通知无人机控制端(300)模块装载作业已完成，无人机控制端(300)根据控制端电脑(320)记载的无人机(100)此前所装载的执行器模块(110)的设备种类，记载该执行器模块更换器200此时所储存的执行器模块(110)的种类，进行模块卸载作业时，当执行器模块装卸架(220)通过升降支腿221上升至工作高度后，线性驱动装置222首先移动断点状态的电磁铁223一段固定距离，使其余锁定栓(111)接触，然后再接通电磁铁(223)，使其吸附锁定栓111，并通过对接确认电路(212)与信号接片(122)通知无人机停止向执行器模块锁定电磁铁(113)供电。6.根据权利要求5所述的可自动更换执行器模块并具有声光通信中继的无人机系统，其特征在于：线性驱动装置(222)控制电磁铁(223)带动锁定栓(111)沿着锁定栓孔(112)移动一段固定距离，使锁定栓(111...

【专利技术属性】
技术研发人员：李王朝，张桓睿，林敦禧，蒋天圆，
申请(专利权)人：李王朝，
类型：发明
国别省市：