一种用于夜间作业的高集成化系留照明无人机系统

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种用于夜间作业的高集成化系留照明无人机系统。

背景技术

近年来，无人机以其制造成本低、体积小、操控简单、重量轻、便携性高等优点，在各个领域中都发挥着举足轻重的作用。传统的无人机仅采用机载锂电池供电，在执行飞行任务期间，锂电池要为无人机和执行任务所搭载的电子设备供电。受限于锂电池技术水平，锂电池供电的多旋翼无人机均存在持续时间短的缺点，这给长时间执行任务的无人机未来的应用市场带来了很多限制。因此引入了系留无人机方案。即通过地面电源连接系留线缆为在空中执行任务的无人机提供电源方案。相对于普通多旋翼无人机来说，它具有执行力强，续航久，安全等一系列优势。

直接挂载传统探照灯的无人机大部分应用在夜间工业生产，成本相对高昂，不利于运输和移动，固定角度照射也会干扰人员正常作业。而且还要配备大型发电机，使得其整体结构复杂，重量大，操作危险。

一些无人机为了提高载重，尺寸膨胀比较严重，对飞行控制和供电功率有严苛的要求，稍有不慎就有坠机的风险，并且无人机系统集成度不高，系留线缆采用手动收放，影响飞机在空中的稳定性，在飞机起飞时容易造成线缆和无人机缠绕致损，进一步地影响人员安全风险的同时造成了人工的浪费。

还有些无人机在起飞和降落过程中也常会出现不稳定的情况，进一步可能造成无人机机身与作业场地的碰撞，由于没有保护罩的设计，极易造成机身的损伤，并且转动的桨叶也有与地面控制箱碰撞的风险，从而影响到无人机主体内部的零件损坏，这对于精密性较好的无人机存在破坏性，直接影响到无人机后续的作业。

因此，有必要设计一种用于夜间作业的高集成化系留照明无人机系统来解决上述技术问题。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题中的至少一部分问题，本发明提供了一种用于夜间作业的高集成化系留照明无人机系统，包括：

无人机平台，其包括：

无人机主体，其包括保护壳体及设置在壳体内的无人机适配器和单片机，其中所述无人机适配器和单片机通过线路连接；

控制电机，其设置在所述无人机主体的底部，并与所述单片机通过线路连接，其中所述控制电机转动能够带动照明灯具转动；

照明灯具，其与所述控制电机固定连接，并与所述无人机适配器通过线路连接；

超声波接收器，其设置在所述无人机主体的底部，并与单片机通过线路连接；

地面控制箱，其内部设置有自动卷线装置和电源管理系统，其中电源管理系统为无人机平台提供电力，自动卷线装置被配置为收放系留缆绳；

系留缆绳，其连接地面控制箱与无人机平台，被配置为传输电力；

超声波发送器，其被配置为发送超声波信号。

进一步地，还包括：

无人机遥控器，其与所述无人机适配器信号连接，用于控制无人机平台的飞行；

自动卷线装置控制器，其与所述自动卷线装置信号连接，用于控制所述自动卷线装置运行以进行收放系留线缆。

进一步地，所述保护壳体包括：

上保护罩，其具有通孔；

下保护罩，其具有照明灯具接线孔和系留线缆接线孔。

进一步地，至少三个所述超声波接收器设置在所述下保护罩的底部。

进一步地，所述无人机平台还包括：

无人机GPS接收模块，其通过所述上保护罩的通孔与所述无人机适配器连接；

旋翼机架，多个所述旋翼机架设置在无人机主体的四周，且所述旋翼机架能够折叠；

双头螺柱，其设置在所述旋翼机架的中部；

无人机电机，其设置在所述旋翼机架的端部，其中所述无人机电机能够驱动无人机旋翼旋转；

无人机旋翼，其设置在所述无人机电机上；

无人机旋翼保护罩，其设置在旋翼机架的端部，且位于所述无人机旋翼的外侧。

进一步地，所述自动卷线装置包括：

金属支架；

支撑安装轴承，其与所述金属支架固定连接；

卷线滚筒，其通过深沟球轴承与所述支撑安装轴承连接；

内置电机，其与所述支撑安装轴承通过固定连接，且所述内置电机位于卷线滚筒的内部；在进行系留线缆自动收放时，内置电机接电后，驱动固定在所述支撑安装轴上的所述深沟球轴承，带动卷线滚筒转动。进一步地，所述电源管理系统包括：

两个户外供电设备，其分别作为主电源和备用电源；

电源自动切换装置，所述电源自动切换装置通过所述系留缆绳与所述无人机适配器连接，所述电源自动切换装置还与两个所述户外供电设备连接，其中所述电源自动切换装置包括主电源接口、备用电源接口和电源输出接口，主电源接口、备用电源接口分别与两个所述户外供电设备连接，电源输出接口与所述系留缆绳连接。

进一步地，所述地面控制箱包括：

箱体本体；

自动卷线装置控制器存放仓、无人机平台存放仓和无人机遥控器存放仓，其均设置在箱体本体的顶部；

地面控制单元，其设置在箱体本体的顶部，所述地面控制单元与所述电源自动切换装置通过线路连接或信号连接，其中所述地面控制单元控制所述电源自动切换装置切换电源；地面控制单元上设有急停装置，所述急停装置能够使得无人机自动返航；

自动卷线装置存放仓、备用电源存放仓和主电源存放仓，其设置在箱体本体的侧面，其中所述自动卷线装置存放仓位于所述无人机平台存放仓的正下方；

翻盖，其通过合页与箱体本体连接；

控制箱上把手，其设置在翻盖的上表面；

侧把手，其设置在翻盖的侧面；

万向轮，其设置在箱体本体的底部。

进一步地，操作人员在地面手持所述超声波发送器处在需要照明的目标位置，所述超声波发送器发射超声波信号，当超声波信号到达所述超声波接收器后便会发生反射；

所述超声波接收器与所述单片机线路连接，所述单片机通过算法计算出超声波信号在所述超声波发送器与所述超声波接收器之间的传输时间，然后由所述单片机根据传输时间乘以超声波的声速计算所述超声波发送器与所述超声波接收器之间的距离；

所述单片机通过三边定位算法，计算出所述超声波发送器的空间位置坐标；

所述单片机计算出空间位置坐标后，控制所述控制电机转动从而带动照明灯具转动以跟随目标位置提供照明。

进一步地，其中所述单片机通过三边定位算法，计算出所述超声波发送器的空间位置坐标包括：

设所述下保护罩的中心坐标为(0,0，L)，设置在所述下保护罩底部的三个所述超声波接收器的位置坐标分别为A(x

(x

(x

(x

其中超声波接收器的高度L和所述超声波发送器的高度H为定值，因此可通过如下公式获得所述超声波发送器的位置：

本发明至少具有下列有益效果：本发明公开的一种用于夜间作业的高集成化系留照明无人机系统，在无人机主体下部挂载照明灯具，且照明灯具结合定位跟随系统，增强了光源的灵活性，可以跟随操作者的位置自动进行光源的移动，相较于固定角度的照明灯具有着灯光灵活性好和整体便携性高等一系列优点；本发明的无人机平台采用了无人机主体上下保护罩和四旋翼保护罩的设计，装卸简单方便，遇到失稳的情况下，可以有效保护无人机主体不被损坏，并且采取了可折叠旋翼机架的设计，进一步地减小了无人机在地面控制箱中的所占体积；本发明设计了的自动卷线装置采用内置电机，减小了自动卷线装置在地面控制箱内所占体积的同时提高了工作效率；采取自动卷线装置，对系留线缆的收放进行配合，防止发生由于系留线缆与无人机配合不佳造成的坠机事故；本发明将通过电源管理系统切换两台户外供电设备为无人机平台供电，同时也可以一台工作时将另一台取下充电，避免了携带发电机的笨重，提升了便携性的同时也避免了供电安全和散热问题，可以保证无人机长时间空中作业；本发明大幅提升了地面控制箱的集成度，可以通过遥控器或地面控制箱按钮对整个无人机系统进行有效控制，掀开顶部盖板展开机翼后就可直接起飞作业；地面控制箱设计了把手和万向轮，进一步提高了系留照明无人机系统的便捷性；本发明的无人机系统的产品体积小，成本低，大幅度提升集成化的设计，能够填补国内家用系留照明无人机的需求。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。

图1示出了根据本发明一个实施例的用于夜间作业的高集成化系留照明无人机系统的整体结构示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的无人机平台的俯视图；

图3示出了根据本发明一个实施例的无人机平台的立体图；

图4示出了根据本发明一个实施例的无人机平台的下视图；

图5示出了根据本发明一个实施例的自动卷线装置的结构示意图；

图6示出了根据本发明一个实施例的自动卷线装置的截面图；

图7示出了根据本发明一个实施例的地面控制箱的俯视图；

图8示出了根据本发明一个实施例的地面控制箱的立体图；

图9示出了根据本发明一个实施例的无人机适配器的立体图；

图10示出了根据本发明一个实施例的自动卷线装置控制器的结构示意图；

图11示出了根据本发明一个实施例的户外供电设备的结构示意图；

图12示出了根据本发明一个实施例的无人机遥控器的结构示意图；

图13示出了根据本发明一个实施例的超声波发送器的结构示意图；

图14示出了根据本发明一个实施例的单片机的结构示意图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

在此还应当指出，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

如图1至图14所示，用于夜间作业的高集成化系留照明无人机系统包括无人机平台3、地面控制箱1、以及为无人机平台3提供电力传输和信号传输的系留线缆2。系留线缆2连接地面控制箱1和无人机平台3，并由地面控制箱1内的电源管理系统为无人机平台3供电，设计采用标准220V供电增加了安全性和可靠性。

如图2至图4所示，无人机平台3包括无人机旋翼保护罩4、旋翼机架、双头螺柱9、无人机主体10、无人机GPS接收模块12、无人机电机13、无人机旋翼14、照明灯具16、控制电机(未示出)、超声波接收器38。

无人机主体10包括保护壳体及设置在保护壳体内的无人机适配器34(参见图9)和单片机40(参见图14)。无人机适配器34和单片机40通过线路连接。单片机40负责照明灯具16的自动定位跟随。

保护壳体包括上保护罩11和下保护罩15。上保护罩11的具有通孔。下保护罩15具有照明灯具接线孔17和系留线缆接线孔18。

无人机GPS接收模块12通过上保护罩11的通孔与无人机适配器34连接。

至少三个超声波接收器38设置在下保护罩15的底部。照明灯具16和控制电机设置在下保护罩15的底部。照明灯具16和控制电机固定连接，控制电机转动能够带动照明灯具16转动。下保护罩15的底部设置有照明灯具接线孔17和系留线缆接线孔18。照明灯具16的线路通过照明灯具接线孔17接入到无人机适配器34中，控制电机的线路和超声波接收器38的线路通过照明灯具接线孔17接入到单片机40，系留线缆2通过系留线缆接线孔18接入到无人机适配器34中。无人机适配器34还与无人机电机13通过线路或信号连接，控制无人机电机的运行。无人机适配器34负责电力分配和飞行操作控制。电源管理系统通过系留线缆2将电力传输到无人机适配器34，无人机适配器将电力分配至照明灯具16、无人机电机13、单片机40、控制电机、超声波接收器38等需要电力的设备。

如图13所示，用于夜间作业的高集成化系留照明无人机系统还包括超声波发送器39，其被配置为发送超声波信号。

在无人机作业的过程中，照明灯具的定位跟随系统能够使得照明灯具跟随目标物体(或目标位置)进行照明，使照明更加精准。定位跟随系统包括超声波接收器38、地面人员手持的超声波发送器39、单片机40和控制电机。通过定位跟随系统能够实现需照明物体或位置的空间定位。

操作人员在地面手持超声波发送器39处在需要照明的目标位置，超声波发送器39发射超声波信号，当超声波信号遇到超声波接收器38后便会发生反射，超声波接收器38与单片机40线路连接，单片机40通过算法计算出超声波信号在超声波发送器39与超声波接收器38之间的传输时间，然后由单片机40根据传输时间乘以超声波的声速计算出所要测量的距离。最后单片机40通过三边定位算法，计算出超声波发送器39的空间位置坐标，从而实现空间定位功能。单片机40计算出空间位置坐标后，控制控制电机转动从而带动照明灯具16转动以跟随目标位置提供照明。

超声波接收器38在一定高度内会自动检测前方是否能检测到超声波发送器39的信号，如果有，则单片机控制控制电机转动来控制照明灯具进行自主跟随，若没有，则照明灯具的灯光保持静止状态。跟随过程主要依靠单片机40给照明灯具16的控制电机发出转动的指令，控制电机转动带动照明灯具16转动实现精准照明。定位跟随系统所用模块较少且便宜，制作成本低。不仅结构简单，而且模块布局对整体外观结构影响小，为后续设计提供方便性和灵活性。

在无人机底部设置超声波接收器，减少了信号需要反射后再进行计算的时间，大大提高了定位的实时性和准确度。

本发明为照明灯具16设计的定位跟随系统，是测得超声波接收器38与超声波发送器39的距离后，使用三边定位算法计算超声波发送器39的位置，即需要照明的位置。选取三边定位算法在于该算法的灵活性较强，准确性良好，同时不会对单片机40造成任务量过大的计算负担。

三边定位算法的原理是根据已知的三个坐标点，依次测得它们与待测目标点的距离，若此时以三个坐标点为圆心，测得的距离为半径可得三个相交的圆，则待测点的坐标便是三圆的相交点，之后便可求出待测点的位置坐标。

设下保护罩15的中心坐标为(0,0，L)，设置在下保护罩15上的三个超声波接收器38的位置坐标分别为A(x

(x

(x

(x

无人机作业时处于悬停状态，因此超声波接收器38的高度L的变化是可以忽略不计的，可看成一个定值，超声波发送器39的高度H也是一个定值，可见位置坐标P与高度L和高度H无关，因此可通过如下公式获得超声波发送器39的位置。

若出现数据错误或丢失，或是超声波接收器38距离超声波发送器39过远，没有处于覆盖范围内，超声波发送器39会一直发射信号直到超声波接收器38接收到信号，随后通过单片机40进行信号的处理，确定目标方位后驱动控制电机进行跟随。

如图2至图4所示，旋翼机架设置在无人机主体10的四周，旋翼机架能够折叠。每个旋翼机架包括第一段机架和第二段机架，双头螺柱9设置在旋翼机架的中部，将第一段机架和第二段机架连接。旋翼机架的第二段机架能够沿着双头螺柱9逆时针旋转达到折叠的设计效果，减小无人机在地面控制箱内的所占体积。双头螺柱9的接头具有很高的强度，无人机飞行时会受到外载荷的振动，采用双头螺柱9的固定方式相比于普通的螺纹连接可以很好地起到防止松动的效果。旋翼机架包括十字交叉分布环绕在无人机主体10四周的第一机架5、第二机架6、第三机架7、第四机架8。

无人机电机13设置在旋翼机架的端部，无人机旋翼14设置在无人机电机13上，其中无人机电机13能够驱动无人机旋翼14旋转。无人机旋翼保护罩4设置在旋翼机架的端部，且位于无人机旋翼14的外侧。在使用时，将无人机旋翼保护罩4取出后分别插入旋翼机架的端部，起到保护无人机旋翼14的作用。无人机旋翼保护罩4重量轻，易安装，不仅兼顾了无人机平台重量也考虑到了无人机遇到突发情况仍可以使得无人机主体机架和旋翼不受损坏。

本实施例中，由于在执行照明任务中，无人机最重要的是悬停能力，分析四旋翼无人机的力学特性可知，改变无人机旋翼的推力变化会使其运动状态改变。四旋翼无人机由交叉对称的十字型旋翼机架和四个无人机电机构成的，四个无人机旋翼处于同一平面，具体运动状态表现为：

无人机的悬停：第一机架5和第三机架7上的无人机旋翼为逆时针旋转，第二机架6和第四机架8上的无人机旋翼为顺时针旋转，且转速相同，产生的作用力矩相互抵消，垂直方向二力平衡。升降状态是由旋翼的转速决定的，转速越大，向上的升力就越大。

俯仰运动及前后运动：第一机架5上的无人机旋翼加速，第三机架7上的旋翼减速，第二机架6和第四机架8上的旋翼转速不变，由于发生了俯仰运动，机身会发生倾斜从而产生一个水平的力，导致其进行直线运动。所以四旋翼无人机的俯仰运动和前后运动是相互耦合的。

当悬停时，无人机四个旋翼产生的推力等于向下的重力。爬升即增加四个无人机旋翼的推力从而产生一个大于重力的向上的力。在该动作完成之后，无人机的推力可以相对减少，但为了使其继续向上飞行，那么仍必须保证向上的力要大于向下的力。使无人机降低的要求则相反，需要减少旋翼的推力速度，此时合力向下。

如图7至8所示，地面控制箱1包括箱体本体、自动卷线装置控制器存放仓22、无人机平台存放仓23、系留线缆通孔24、无人机遥控器存放仓25、地面控制单元26、控制箱上把手27、自动卷线装置存放仓28、备用电源存放仓29、万向轮30、主电源存放仓31、合页32、侧把手33、翻盖43。

自动卷线装置控制器存放仓22、无人机平台存放仓23、无人机遥控器存放仓25和地面控制单元26均设置在箱体本体的顶部。无人机平台存放仓23的底部设置有系留线缆通孔24，用于通过系留线缆。

实际应用时，地面控制单元26上设有急停装置，当无人机遥控器37出现问题或其他紧急情况时通过按下急停装置能够使得无人机自动返航。

自动卷线装置存放仓28、备用电源存放仓29和主电源存放仓31设置在箱体本体的侧面。自动卷线装置存放仓28位于无人机平台存放仓23的正下方，主要是在于收放系留线缆2时会最大限度减少偏移，有利于收放系留线缆。自动卷线装置存放仓28、备用电源存放仓29和主电源存放仓31均为抽拉式设计，方便将物体取出或存放。

翻盖43通过合页32与箱体本体连接。控制箱上把手27设置在翻盖43的上表面。侧把手33设置在翻盖43的侧面。万向轮30设置在箱体本体的底部。

地面控制箱1内设置有收放系留线缆2的自动卷线装置，存放在自动卷线装置存放仓28中。如图5和6所示，自动卷线装置包括卷线滚筒19、深沟球轴承20、内置电机21、金属支架41和支撑安装轴承42。支撑安装轴承42与金属支架41通过螺栓连接。卷线滚筒19通过深沟球轴承20与支撑安装轴承42连接。内置电机21与支撑安装轴承42通过螺栓连接，且内置电机21位于卷线滚筒19的内部。

在进行系留线缆自动收放时，内置电机21接电后，驱动固定在支撑安装轴42上的深沟球轴承20，带动卷线滚筒19转动，达到自动收放线的目的。其中，自动卷线装置采用了内置电机21设计，大幅度减小了占用体积的同时也便于对线缆的收放进行配合，防止由于线缆与无人机配合不佳造成的坠机事故发生。

如图10所示，用于夜间作业的高集成化系留照明无人机系统还包括自动卷线装置控制器35，其与自动卷线装置信号连接，用于控制自动卷线装置运行以进行收放系留线缆。自动卷线装置控制器35存放在自动卷线装置控制器存放仓22中，使用时取出。

地面控制箱1内还设置有电源管理系统，其中电源管理系统为无人机平台提供电力。电源管理系统包括两个户外供电设备36(参见图11)、以及与两个户外供电设备36通过电线连接的电源自动切换装置。电源自动切换装置包括主电源接口和备用电源接口，二者分别与两个户外供电设备36连接。电源自动切换装置还包括与系留线缆2连接的电源输出接口。两个户外供电设备36分别放置在主电源存放仓31和备用电源存放仓29，作为主电源和备用电源。电源自动切换装置集成在箱体下层的主电源存放仓31中，使用时进行连接。电源自动切换装置体积小，集成到地面控制箱的内部，仅需通过电线连接到两个户外供电设备36上。地面控制单元26与电源自动切换装置线路连接或信号连接，地面控制单元26控制电源自动切换装置切换电源。通过地面控制单元26上的按钮控制电源自动切换装置切换电源，可以手动切换，当系统判定主电源电量不足时也会自动切换到备用电源上，同时开关上的背景灯会显示出正在工作的户外电源。

如图12所示，用于夜间作业的高集成化系留照明无人机系统还包括无人机遥控器37，其与无人机适配器37信号连接，用于控制无人机平台的飞行。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。