一种空中充电无人机组及其充电方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，特别是一种空中充电无人机组及其充电方法。

背景技术

现有的无人机空中充电，需要两个无人机在空中对接后再进行充电。无人机一向无人机二发送充电请求，无人机二接收充电请求后，无人机二飞至无人机一处，无人机二落在无人机一上方，使无人机一和无人机二上的充电插头和充电插座对接，然后控制无人机二为无人机一充电。

现在的无人机在充电过程中，很难保证充电插头和充电插座快速对接，现有无人机一和无人机二对接时，往往会在无人机二底部安装多个呈阵列布置的红外信号发射器，会在无人机一顶部安装多个呈阵列布置的红外信号接收器；当每个红外信号发射器均与一个红外信号接收器在空中对正后，即每个红外信号接收器均接收到一个红外信号后，无人机二才落到无人机一上，这样才能保证充电插头和充电插座准确对接；但是在实际操作中，要在控制红外信号发射器与红外信号接收器在空中对正会非常的困难；对正过程复杂，需要不断的微调无人机一和无人机二的角度，需要花费很多的时间，很难保证充电插头和充电插座快速对接。

因此，针对上述问题，提供一种空中充电无人机组及其充电方法来保证充电插头和充电插座快速对接则尤为必要。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种空中充电无人机组及其充电方法，其能够保证充电插头和充电插座快速对接，方便两无人机在空中充电。

本发明采用的技术方案如下：

一种空中充电无人机组，它包括无人机一和无人机二；

所述无人机一包括机身一；所述机身一由透明材料制成；所述机身一的顶部为水平面；所述机身一的顶部中心开设有贯穿机身一顶部的对接孔；所述机身一内设置有控制模块一、电源模块一、定位模块一、电池铁、移动平台、顶升机构、平移机构和摄像头；所述移动平台的顶面靠近机身一顶部；所述电池铁设置在移动平台的顶面；所述顶升机构设置在移动平台内，所述顶升机构顶部设置有充电插头，所述顶升机构用于带动充电插头上下移动，使充电插头能伸出移动平台顶面并伸出对接孔；所述平移机构与移动平台相连，所述平移机构用于带动移动平台在机身一顶部下方水平移动；所述摄像头的视角能够拍摄到整个机身一的顶部；

所述电源模块一、定位模块一、电池铁、移动平台、顶升机构、平移机构和摄像头均与控制模块一相连；所述充电插头与电源模块一相连；

所述无人机二包括机身二，所述机身二内设置有控制模块二、电源模块二和定位模块二；所述电源模块二和定位模块二与控制模块二相连；所述机身二由金属材料制成；所述机身二底部为水平面；所述机身二底部开设有充电孔，所述充电孔内设置有充电插座；所述充电插座与电源模块二相连；所述机身二上还设置有距离检测模块，所述距离检测模块与控制模块二相连；

所述控制模块一与控制模块二无线通信连接。

进一步的，机身一的左壁内侧上开设在左纵向滑槽，机身一的右壁内侧上开设在右纵向滑槽；所述左纵向滑槽和右纵向滑槽沿机身一的前后方向延伸；

所述平移机构包括左纵移机构、右纵移机构、横梁和横移机构；

所述移动平台的底部设置在横移机构上，所述横移机构设置在横梁上，所述横移机构用于带动移动平台沿横梁移动左右移动；

所述左纵向滑槽内设置有左纵移机构，所述右纵向滑槽内设置有右纵移机构，所述横梁的左端与左纵移机构相连，横梁的右端与右纵移机构相连；所述左纵移机构和右纵移机构同步带动横梁沿左纵向滑槽和右纵向滑槽前后移动。

进一步的，所述横移机构包括横移丝杆和横移滑块；所述横移丝杆沿横梁的长度方向延伸，并转动设置在横梁内，所述横梁顶部开设有一通槽，所述通槽贯穿横梁的顶部并沿横梁的长度方向延伸；所述横移滑块下端位于横梁内，并匹配设置在横移丝杆上，横移滑块上端伸出通槽与移动平台的底部相连；所述横梁内设置有横移丝杆驱动电机，所述横移丝杆驱动电机与横移丝杆的一端相连；所述横移丝杆驱动电机与控制模块一相连。

进一步的，所述左纵移机构包括左纵移丝杆和左纵移滑块；所述左纵移丝杆沿左纵向滑槽的长度方向延伸，并转动设置在左纵向滑槽内；所述左纵移滑块设置在左纵向滑槽内，并匹配设置在左纵移丝杆上；所述横梁的左端与左纵移滑块相连；所述左纵向滑槽内设置有左纵移丝杆驱动电机；所述左纵移丝杆驱动电机与左纵移丝杆的一端相连；所述左纵移丝杆驱动电机与控制模块一相连；

所述右纵移机构包括右纵移丝杆和右纵移滑块；所述右纵移丝杆沿右纵向滑槽的长度方向延伸，并转动设置在右纵向滑槽内；所述右纵移滑块设置在右纵向滑槽内，并匹配设置在右纵移丝杆上；所述横梁的右端与右纵移滑块相连；所述右纵向滑槽内设置有右纵移丝杆驱动电机；所述右纵移丝杆驱动电机与右纵移丝杆的一端相连，所述右纵移丝杆驱动电机与控制模块一相连。

进一步的，所述顶升机构包括设置在移动平台内的外筒、外转轴、内转轴和顶升电机；

所述外筒上下贯通，所述外筒上端贯穿移动平台顶部并与移动平台顶面平齐；所述外筒下端固定设置在移动平台底部；

所述外转轴设置在外筒内，所述外转轴外壁与外筒内壁螺纹连接；所述内转轴上端从外转轴下端插入外转轴内，且外转轴与内转轴间周向固定，轴向可发生相对移动；所述内转轴下端与顶升电机相连，所述顶升电机位于外筒内，顶升电机固定设置在移动平台的底部；所述顶升电机与控制模块一相连。

进一步的，所述外转轴与内转轴通过花键连接的方式相连。

进一步的，所述无人机一的机身一呈正方体状，机身一的每个侧面均通过连杆连接一个旋翼机构一；每个旋翼机构一均与控制模块一相连；

所述机身一内设置有水平隔板将机身一内部分隔成上腔体和下腔体；所述移动平台、平移机构和摄像头设置在上腔体内；所述摄像头固定设置在上腔体侧壁或水平隔板上；

所述控制模块一、电源模块一和定位模块一设置在下腔体内。

进一步的，所述机身二为盘状机身；所述盘状机身上开设有若干绕盘状机身圆心等间隔设置的旋翼机构安装孔；所述旋翼机构安装孔从上至下贯穿盘状机身的顶部和底部；每个旋翼机构安装孔内均设置有一个旋翼机构二；每个旋翼机构二均与控制模块二相连；

所述盘状机身底部还开设有距离检测模块安装孔；所述距离检测模块设置在距离检测模块安装孔内。

进一步的，所述电池铁呈环状，所述电池铁嵌入机身一的顶面内；所述电池铁围绕对接孔设置，电池铁的圆心与对接孔的圆心重合。

本发明还公开了一种基于上述空中充电无人机组的充电方法，所述充电方法包括：

当控制模块一检测到电源模块一中的电量小于低电量阈值时；

控制模块一控制定位模块一采集无人机一的位置信息；

控制模块一向控制模块二发送充电请求，并将无人机一的位置信息发送给控制模块二；

控制模块二接收到充电请求和无人机一的位置信息后；

控制模块二控制定位模块二采集无人机二的位置信息；

控制模块二对比无人机一的位置信息和无人机二的位置信息，控制无人机二飞向无人机一上方；使无人机二落在无人机一的顶部；

距离检测模块检测无人机二与无人机一间的距离；当无人机二与无人机一间的距离小于等于设定距离阈值时；

控制模块一控制摄像头工作，并将采集到的图像信息发送给控制模块一；控制模块一根据采集到的图像信息计算出充电孔在无人机一顶部的位置；

控制模块一控制平移机构带动移动平台移动至无人机二下方；然后控制模块一控制电池铁工作吸住无人机二的底部；然后控制模块一再控制平移机构移动，使移动平台带动无人机二在

无人机一顶部移动，使无人机二移动至无人机一顶部中心，使充电孔和对接孔对齐；

然后控制模块一控制顶升机构带动充电插头上移，使充插头穿过对接孔插入充电孔与充电插座对接；

控制模块二控制电源模块二为电源模块一充电；

当电源模块一的电量大于设定高电量阈值后，控制模块一控制顶升机构带动充电插头下移，使充电插头收回至移动平台内；然后控制模块一控制电池铁停止工作。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明通过移动平台带动无人机二在无人机一顶部移动，便可以快速的将无人机二移动到正确的对接位置；便于无人机一与无人机二的快速对接，保证了充电插头和充电插座快速准确的对接；相比于现有的对接方式而言，本发明的对接速度更快，更准确，不需反复的去调整两无人机在空中的姿态。

附图说明

图1 为无人机一的俯视图；

图2 为机身一的内部结构示意图；

图3 为机身一的内部结构俯视图；

图4和5 为顶升机构的结构图；

图6为无人机二的俯视图；

图中，1-顶升机构，2-移动平台，3-右纵移丝杆，4-右纵移滑块，5-横梁，6-水平隔板，7-左纵移滑块，8-左纵移丝杆，9-机身一，10-旋翼机构一，11-电池铁，12-机身二，13-旋翼机构二，14-旋翼机构安装孔，101-外转轴，102-外筒，103-顶升电机，104-内转轴。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1~6所示，本发明公开了一种空中充电无人机组，所述无人机组包括无人机一和无人机二；

所述无人机一包括机身一9；所述机身一9由透明材料制成，所述透明材料可以为透明亚克力板；所述机身一9的顶部为水平面；所述机身一9的顶部中心开设有贯穿机身一9顶部的对接孔；所述机身一9内设置有控制模块一、电源模块一、定位模块一、电池铁11、移动平台2、顶升机构1、平移机构和摄像头；所述移动平台2的顶面靠近机身一9顶部；所述电池铁11设置在移动平台2的顶面；所述顶升机构1设置在移动平台2内，所述顶升机构1顶部设置有充电插头，所述顶升机构1用于带动充电插头上下移动，使充电插头能伸出移动平台2顶面并伸出对接孔；所述平移机构与移动平台2相连，所述平移机构用于带动移动平台2在机身一9顶部下方水平移动；所述摄像头的视角能够拍摄到整个机身一9的顶部；

所述电源模块一、定位模块一、电池铁11、移动平台2、顶升机构1、平移机构和摄像头均与控制模块一相连；所述充电插头与电源模块一相连；

所述无人机二包括机身二12，所述机身二12内设置有控制模块二、电源模块二和定位模块二；所述电源模块二和定位模块二与控制模块二相连；所述机身二12由金属材料制成；所述机身二12底部为水平面；所述机身二12底部开设有充电孔，所述充电孔位于机身二12底部中心，所述充电孔内设置有充电插座；所述充电插座与电源模块二相连；所述机身二上还设置有距离检测模块，所述距离检测模块与控制模块二相连；

所述控制模块一与控制模块二无线通信连接。

由于上述结构，事先通过摄像头拍摄整个机身一9的整个顶部图像，根据图像确定好对接孔的坐标和机身一9顶部每个位置的坐标，然后将这些坐标存储到控制模块一中；同时确定好移动平台2水平移动的原点坐标，并将原点坐标存储在控制模块一中；移动平台2水平移动的原点位于对接孔的圆心处；当无人机二落到无人机一顶部时，由于机身一9顶部是透明的，则摄像头可以透过机身一9顶部拍摄到无人机二底部的充电孔；摄像头拍摄到无人机二落到无人机一顶部的图像后，控制模块一对图像进行分析，确定出充电孔在机身一9顶部的位置；然后控制模块一便可以控制平移机构带动移动平台2移动至无人机二的正下方；然后使电池铁11吸住无人机二；然后移动平台2往原点移动，带动无人机二在无人机一顶部移动，使无人机二移动至无人机一顶部中心，使充电孔和对接孔对齐；然后控制模块一控制顶升机构1带动充电插头上移，使充插头穿过对接孔插入充电孔与充电插座对接；然后便可以进入充电操作。冲完电后，顶升机构1带动充电插头下移，使充电插头收回至移动平台2内；然后电池铁11停止工作。为了方便摄像头拍摄充电孔和对接孔；充电孔和对接孔周围可以涂一圈颜色，增强充电孔和对接孔与周围环境和机身的对比度，便于后续的图像处理。同时无人机一顶面和无人机二底面要做成光滑平面，这样方便与带动无人机二移动。

本发明通过移动平台2带动无人机二在无人机一顶部移动，便可以快速的将无人机二移动到正确的对接位置；便于无人机一与无人机二的快速对接，保证了充电插头和充电插座快速准确的对接；相比于现有的对接方式而言，本发明的对接速度更快，更准确，不需反复的去调整两无人机在空中的姿态。

所述机身一9的左壁内侧上开设在左纵向滑槽，机身一9的右壁内侧上开设在右纵向滑槽；所述左纵向滑槽和右纵向滑槽沿机身一9的前后方向延伸；

所述平移机构包括左纵移机构、右纵移机构、横梁5和横移机构；

所述移动平台2的底部设置在横移机构上，所述横移机构设置在横梁5上，所述横移机构用于带动移动平台2沿横梁5移动左右移动；

所述左纵向滑槽内设置有左纵移机构，所述右纵向滑槽内设置有右纵移机构，所述横梁5的左端与左纵移机构相连，横梁5的右端与右纵移机构相连；所述左纵移机构和右纵移机构同步带动横梁5沿左纵向滑槽和右纵向滑槽前后移动；

所述左纵移机构、右纵移机构和横移机构均与控制模块一相连。

进一步的，所述横移机构包括横移丝杆和横移滑块；所述横移丝杆沿横梁5的长度方向延伸，并转动设置在横梁5内，所述横梁5顶部开设有一通槽，所述通槽贯穿横梁5的顶部并沿横梁5的长度方向延伸；所述横移滑块下端位于横梁5内，并匹配设置在横移丝杆上，横移滑块上端伸出通槽与移动平台2的底部相连；所述横梁5内设置有横移丝杆驱动电机，所述横移丝杆驱动电机与横移丝杆的一端相连；所述横移丝杆驱动电机与控制模块一相连。

进一步的，所述左纵移机构包括左纵移丝杆8和左纵移滑块7；所述左纵移丝杆8沿左纵向滑槽的长度方向延伸，并转动设置在左纵向滑槽内；所述左纵移滑块7设置在左纵向滑槽内，并匹配设置在左纵移丝杆8上；所述横梁5的左端与左纵移滑块7相连；所述左纵向滑槽内设置有左纵移丝杆驱动电机；所述左纵移丝杆驱动电机与左纵移丝杆8的一端相连；所述左纵移丝杆驱动电机与控制模块一相连；

所述右纵移机构包括右纵移丝杆3和右纵移滑块4；所述右纵移丝杆3沿右纵向滑槽的长度方向延伸，并转动设置在右纵向滑槽内；所述右纵移滑块4设置在右纵向滑槽内，并匹配设置在右纵移丝杆3上；所述横梁5的右端与右纵移滑块4相连；所述右纵向滑槽内设置有右纵移丝杆驱动电机；所述右纵移丝杆驱动电机与右纵移丝杆3的一端相连，所述右纵移丝杆驱动电机与控制模块一相连。

所述顶升机构1可以为齿轮齿条机构、丝杆传动机构等；顶升机构1为齿轮齿条时，齿轮位于齿条的侧面，然后齿轮带动齿条竖直升降，进而带动充电插头升降。

在本发明中，所述顶升机构1可以采用如下形式：

所述顶升机构1包括设置在移动平台2内的外筒102、外转轴101、内转轴104和顶升电机103；所述外筒102上下贯通，所述外筒102上端贯穿移动平台2顶部并与移动平台2顶面平齐；所述外筒102下端固定设置在移动平台2底部；所述外转轴101设置在外筒102内，所述外转轴101外壁与外筒102内壁螺纹连接；所述内转轴上端从外转轴101下端插入外转轴101内，且外转轴101与内转轴间周向固定，轴向可发生相对移动；所述内转轴下端与顶升电机103相连，所述顶升电机103位于外筒102内，顶升电机103固定设置在移动平台2的底部；所述顶升电机103与控制模块一相连。所述外转轴101与内转轴104通过花键连接的方式相连。

本发明的顶升机构1与齿轮齿条机构相比，其形状结构更加的对称，更便于安装和使用。

在本发明中，所述无人机一的机身一9呈正方体状，机身一9的每个侧面均通过连杆连接一个旋翼机构一10；每个旋翼机构一10均与控制模块一相连；所述旋翼机构一10包括螺旋桨一和带动螺旋桨一转动的螺旋桨一驱动电机；所述螺旋桨一驱动电机与控制模块一相连；

所述机身一9内设置有水平隔板6，水平隔板6将机身一9内部分隔成上腔体和下腔体；所述移动平台2、平移机构和摄像头设置在上腔体内；所述摄像头固定设置在上腔体侧壁或水平隔板6上；所述控制模块一、电源模块一和定位模块一设置在下腔体内。

由于水平隔板6将机身一9内部分隔成上腔体和下腔体；则能够方便将机械结构和电子器件分隔开，使机械机构位于上腔体内，使电子器件位于下腔体内；使整个机身一9内部布局更加合理整齐，避免电子器件干扰机械结构的运动。

在本发明中，所述摄像头可以设置成一个或多个；当设计成多个时，摄像头可以围绕对接孔圆心呈整列布置，摄像头固定设置在水平隔板6上。设置成多个，能够更加清楚的进行拍摄，同时避免移动平台2在工作过程中遮挡所有摄像头，导致没办法拍摄图像。

在本发明中，所述机身二12为盘状机身；所述盘状机身上开设有若干绕盘状机身圆心等间隔设置的旋翼机构安装孔14；所述旋翼机构安装孔14从上至下贯穿盘状机身的顶部和底部；每个旋翼机构安装孔14内均设置有一个旋翼机构二13；每个旋翼机构二13均与控制模块二相连；所述旋翼机构二13包括螺旋桨二和带动螺旋桨二转动的螺旋桨二驱动电机；螺旋桨二驱动电机通过支撑杆设置在旋翼机构安装孔14中；所述螺旋桨二驱动电机与控制模块二相连；

所述盘状机身底部还开设有距离检测模块安装孔；所述距离检测模块设置在距离检测模块安装孔内，所述距离检测模块可以为红外线距离检测传感器或超声波距离检测传感器。

由于上述结构，当无人机二停在无人机一上时，螺旋桨二停止转动，由无人机一带着无人机二飞行；由于旋翼机构二13被盘状机身包裹，能够避免周围的风带动螺旋桨二转动；避免螺旋桨二的转动，影响无人机一的飞行；若旋翼机构二13的设置同旋翼机构一10一样位于机身二12外，围绕机身二12设置；螺旋桨二停止转动后，容易受到周围风的影响而再次转动起来，进而容易对无人机一的飞行造成影响。

本发明中的距离检测模块用于检测无人机一与无人机二间的距离，用于判断无人机二是否落在无人机一上。

进一步的，所述定位模块一和定位模块二均GPS定位器。

进一步的，所述电池铁11呈环状，所述电池铁11嵌入机身一9的顶面内；所述电池铁11围绕对接孔设置，电池铁11的圆心与对接孔的圆心重合。

本发明还公开了空中充电无人机组的充电方法，所述充电方法包括：

当控制模块一检测到电源模块一中的电量小于低电量阈值时；

控制模块一控制定位模块一采集无人机一的位置信息；

控制模块一向控制模块二发送充电请求，并将无人机一的位置信息发送给控制模块二；

控制模块二接收到充电请求和无人机一的位置信息后；

控制模块二控制定位模块二采集无人机二的位置信息；

控制模块二对比无人机一的位置信息和无人机二的位置信息，控制无人机二飞向无人机一上方；使无人机二落在无人机一的顶部；

距离检测模块检测无人机二与无人机一间的距离；判断无人机二与无人机一间的距离是否小于设定距离阈值；该定距离阈值可以设置为0；该步骤用于判断无人机二是否降落到无人机一上；

当无人机二与无人机一间的距离小于等于设定距离阈值时；

控制模块一控制摄像头工作，并将采集到的图像信息发送给控制模块一；控制模块一根据采集到的图像信息计算出充电孔在无人机一顶部的位置；

控制模块一控制平移机构带动移动平台2移动至无人机二下方；然后控制模块一控制电池铁11工作吸住无人机二的底部；然后控制模块一再控制平移机构移动，使移动平台2带动无人机二在无人机一顶部移动，使无人机二移动至无人机一顶部中心，使充电孔和对接孔对齐；

然后控制模块一控制顶升机构1带动充电插头上移，使充插头穿过对接孔插入充电孔与充电插座对接；

控制模块二控制电源模块二为电源模块一充电；

当电源模块一的电量大于设定高电量阈值后，控制模块一控制顶升机构1带动充电插头下移，使充电插头收回至移动平台2内；然后控制模块一控制电池铁11停止工作。

在无人机一和无人机二飞行前，需要事先通过摄像头拍摄整个机身一9的整个顶部图像，根据图像确定好对接孔的坐标和机身一9顶部每个位置的坐标，然后将这些坐标存储到控制模块一中；同时确定好移动平台2水平移动的原点坐标，并将原点坐标存储在控制模块一中；移动平台2水平移动的原点位于对接孔的圆心处。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。