用于无人驾驶飞行器的包括充电和更换的自动电池维护及相
关的系统和方法
[0002] 本申请要求2017年1月19日提交的待审美国临时申请第62/448,376号的优先权，并且其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
[0003] 本技术总体上涉及用于
无人驾驶飞行器的自动电池维护，包括充电和/或更换，以及相关的系统和方法。
背景技术
[0004] 无人驾驶飞行器(UAV)在各种各样的环境中越来越受欢迎，包括用于各种商业、消费者和军事应用。在许多情况下，UAV由
电动机提供动
力，电动机又由电池供电。电池推进UAV的一个长期存在的问题是，由于电池携带的电荷有限，UAV能够保持飞行的时间通常很短。这个问题对于多轴
直升机UAV来说尤其重要，这种多轴直升机UAV已经变得越来越普遍，并且通常具有比
固定翼飞机更高的功率消耗率。另外，对电池进行更换或充电通常是需要人为干预的活动，这会显着降低UAV的自主能力或其他能力。结果，在具有挑战性或潜在危险的环境中使用UAV通常可能需要存在人，这与使用UAV以避免在这样的环境中需要人的概念相悖。因此，仍然需要解决有限的电池寿命、相关联的有限的UAV飞行时间以及对人类操作员的依赖性。
附图说明
[0005] 图1是根据本技术的实施方案的配置用于自动电池充电和/或电池更换的代表性UAV的部分示意性等轴视图。
[0006] 图2是根据本技术的实施方案的被配置为再充电和更换的电池的部分示意性等轴视图。
[0007] 图3是根据本技术的实施方案的用于再充电和更换UAV电池的系统的部分示意性等轴视图。
[0008] 图4是示出根据本技术的实施方案的用于对UAV上的电池充电的过程的
流程图。
[0009] 图5A-5C示出了根据本技术的实施方案的在电池再充电操作的所选阶段期间的代表性系统。
[0010] 图6是示出根据本技术的实施方案的用于移除和更换UAV电池的过程的流程图。
[0011] 图7A-7F示出了根据本技术的实施方案的在电池移除和更换操作的所选阶段期间的代表性系统。
[0012] 图8是根据本技术的一些实施方案配置的配置成为UAV的电池提供维护的UAV和电池维护系统的部分示意性平面图。
[0013] 图9是根据本技术的实施方案的具有适合于电池再充电和移除/更换操作的另一配置的UAV的部分示意性等轴视图。
[0015] 本技术总体上涉及自动电池维护技术，包括为无人驾驶飞行器的电池进行充电和/或更换电池，以及相关的系统和方法。在一些实施方案中，代表性的电池维护系统可用于(a)在电池保持在UAV上时对电池充电，和/或(b)从相同或不同的UAV移除和更换电池，所有这些都是以自动的或者半自动化的方式进行。因此，在初始电池电荷耗尽之后，UAV获得额外功率所需的时间量可以显着减少。此外，自动化方法可以显着减少为UAV提供额外动力所需的人员参与量。结果，与
现有技术相比，由UAV执行的操作可以更高效，可重复和/或可靠。因为单个系统可以用于为UAV上的电池充电，并且更换UAV电池，所以可以合并和/或减少维护UAV所需的地面装置的数量。
[0016] 下面参考代表性的UAV和电池维护装置描述本技术的若干实施方案的具体细节，以提供对这些实施方案的透彻理解。在其他实施方案中，UAV和/或电池维护装置可以具有其他配置。描述结构或过程的若干细节是众所周知的并且通常与UAV和相关联的装置相关联，但是可能不必要地模糊本公开的一些重要方面，为了清楚起见，在以下描述中未阐述这些细节。此外，尽管以下公开内容阐述了本技术的不同方面的若干实施方案，但是若干其他实施方案可具有与本文描述的那些不同的配置和/或不同的组件。因此，本技术可以具有带有附加元件的其他实施方案，和/或没有下面参考图1-9描述的若干元件的其他实施方案。
[0017] 所公开技术的一些实施方案可以采取计算机可执行指令的形式，包括由可编程计算机或
控制器执行的例程。相关领域的技术人员将理解，该技术可以在除了这里示出和描述的计算机或控制器系统之外的计算机或控制器系统上实施。该技术可以体现在专用计算机、控制器或
数据处理器中，其专
门编程，配置或构造成执行下面描述的一个或多个计算机可执行指令。因此，这里通常使用的术语“计算机”和“控制器”包括合适的数据处理器，并且可以包括互联网设备和手持装置，包括掌上电脑、
可穿戴计算机、蜂窝或
移动电话、多处理器系统、基于处理器的可编程
消费电子产品、网络计算机、膝上型计算机、小型计算机等。由这些计算机处理的信息可以在任何合适的显示介质上呈现，包括
液晶显示器(LCD)和/或
触摸屏。如本领域所公知的，这些计算机和控制器通常具有各种处理器、
存储器(例如，非暂时性计算机可读介质)、输入/输出装置和/或其他合适的特征。
[0018] 本技术还可以在分布式环境中实践，其中任务或模
块由通过通信网络链接的远程处理装置执行。在分布式计算环境中，程序模块或子例程可以位于本地和远程存储器存储装置中。下面描述的技术的各方面可以存储或分布在计算机可读介质上，包括
磁性或光学可读或可移动的计算机磁盘，以及通过网络电子分布。特定于本技术的各方面的数据的数据结构和传输也包含在本技术的一些实施方案中。
[0019] 图1是根据本技术的实施方案的被配置为经历电池再充电操作和/或电池更换操作的无人驾驶飞行器(UAV)110的部分示意性等轴视图。UAV110可包括承载推进系统111的主体114和车载控制器116(以虚线示意性地示出)。推进系统111可包括由一个或多个相应的电动机112驱动的多个螺旋桨113，一个或多个相应的电动机112又由一个或多个电池120供电。UAV 110可包括其他特征，例如包围或部分地包围螺旋桨113的护罩115，
传感器，导航辅助装置，通信装置和/或任何各种合适的有效
载荷，为了清楚起见未在图1中示出，但是可以用于促进UAV执行任务。合适的任务，包括测绘和其他操作，在与本申请同时提交并且通过引用结合于此的标题为“UAV和其他自主车辆的室内测绘和模块化控制以及相关系统和方法”的第____号待审美国申请中描述。
[0020] 电池120可包括一个或多个电池单元121，例如
锂离子电池或促进化学反应以产生
电流的其他合适的电池。电池120还可以包括
接口装置122，其提供与UAV 110和/或维护装置的电接口，如稍后进一步详细描述的。例如，接口122可以承载多个电池触点123，电池触点123可以与UAV 110承载的相应触点(图1中不可见)可移除地接合，以将电力从电池单元121传输到电动机112、车载控制器116和/或UAV 110的其它电力消耗元件。该接口装置122还可以包括便于移除和更换电池120的元件，如下面将进一步详细描述的那样。
[0021] 无人机110可以包括再充
电触点117，其用于在电池保持在UAV 110上时对电池120进行再充电。在图1所示的实施方案中，再充电触点117由UAV 110的主体1承载。在其他实施方案中，再充电触点117可以由电池120和/或UAV 110的其他元件承载。在这些实施方案的任何一个中，电池120可以
定位在电池架118中，电池架118被设计有特定尺寸、形状并且定位成容纳电池120并且允许容易地移除和更换电池120。例如，电池架118可以由第一电池引导件119限制，或者可以以其他方式包括第一电池引导件119，在从电池架118中移除以及装载到电池架118时，第一电池引导件119将电池120的运动约束到线性路径。稍后参考图7A-7F描述进一步的细节。
[0022] 除了对电池120再充电之外，再充电触点117可用于向UAV 110供电，例如，直接向UAV 110的一个或多个系统供电。例如，再充电触点117即使在移除和更换电池120时，也可以向一些或所有动力UAV系统/子系统提供连续电力。因此，UAV 110可以在不中断UAV系统/子系统的电力的情况下经历电池移除/更换操作，这通过避免典型的断电/重启序列来节省时间。结果，即使电池120没有在UAV上进行充电，UAV 110也可以使用再充电触点117。
[0023] 图2是代表性电池120的部分示意性等轴视图，示出了接口装置122的进一步选择的特征。例如，接口装置122可包括一个或多个电池接合元件124(图2中示出了两个)，其与相应的电池维护装置接口。每个电池接合元件124可包括第一表面125a和第二相对面向的表面125b。如稍后将讨论的，第一和第二表面125a，125b可以便于将电池从电池架118(图1)中拉出并将新电池推入电池架118中。接口装置122可以包括两个相对面向的成对的电池触点123，使得电池120可以以两个取向中的任一个连接到UAV 110和/或电池维护装置。
[0024] 图3是整体系统100的局部示意性等轴视图，该整个系统100被配置为对上面参照图1描述的UAV 110的一个或多个电池进行再充电。因此，系统100可以包括：着陆结构130，被配置为在UAV正在被维护时
支撑UAV；以及电池维护装置150，其执行维护步骤。每个都将在下面依次讨论。
[0025] 着陆结构130可包括着陆平台131，例如，适于着陆各种相应合适的UAV中的任何一种的大致平坦表面。着陆结构130还可包括UAV定位装置132，其在维护之前定向UAV。因此，UAV定位装置132可包括一个或多个定位元件133。代表性的定位元件133包括
襟翼134，示为第一、第二和第三襟翼134a，134b，134c。每个襟翼134能相对于着陆平台131枢转(或以其他方式可移动)，以将UAV推入适于维护的
位置。定位元件133和/或着陆平台131中的任何一个可以包括标识符135，标识符135用于帮助将UAV定位在其应该用于维护的位置中，或者至少接近该位置。例如，标识符135可以包括黑色和白色视觉标记，其可以由UAV上的视觉传感器容易地识别并且用于恰好在着陆之前定向和/或定位UAV。在其他实施方案中，标识符135可以包括其他特征，例如，人眼不可见的特征。
[0026] 电池维护装置150可以包括耦合到
致动器157的一个或多个充电触点156。充电触点156可以在脱离位置(图3中示出)与接合位置之间移动，在接合位置，充电触点156可释放地连接到UAV 110的再充电触点117(图1)。
[0027] 如上所述，充电触点156可用于在电池保持在UAV 110(图1)上时对电池再充电，和/或独立于对电池充电而向UAV 110提供电力。电池维护装置150还可以从UAV移除电池并用新充电的电池更换它。因此，电池维护装置150可包括电池托架154，其从UAV移除电池(例如，耗尽的，部分耗尽的和/或不足的电池)并用新电池更换所移除的电池。在一些实施方案中，电池托架154沿着托架引导件155以线性方式移动，以执行移除操作和更换操作。因此，引导件155的至少一部分是线性的。新电池可以储存在转盘151或其他储存库的多个站152处。转盘151可包括第二电池引导件153，以引导电池进出站152。因此，站152也可用于接收从UAV移除的电池，并且这种电池可在转盘151处再充电。下面将参考图4-8F进一步描述这些操作。
[0028] 本文描述的一些或所有操作可以由控制器140自主地或半自动地执行。因此，控制器140可以耦合到定位元件133、充电触点156、电池托架154和转盘151。通过一个或多个
电缆141向电池维护装置提供电力和通信(用于控制器140、致动器和提供充电电流)。在一些情况下(例如，在半自主操作模式中)，操作员或其他用户启动某些任务，控制器140然后执行这些任务而无需操作员的进一步输入。在其他实施方案中，充电和/或移除和更换电池的操作可以利用机载的额外动力完全自主地执行，从UAV降落在着陆结构130处的点到UAV离开着陆结构130的点。
[0029] 图4是示出用于对UAV上的电池再充电的过程400的流程图。在框401处，UAV着陆(例如，在图3中示出的着陆平台131处)，并且在框402处，UAV被定位(例如，经由图3中所示的UAV定位装置132)。在框403处，当电池保持在UAV上时，电池维护装置150对车载电池充电，并且在框404，UAV
起飞(例如，从着陆平台131起飞)。
[0030] 图5A示出了在UAV 110降落在着陆结构130处之后的系统100。在该实施方案中，UAV 110主要由着陆平台131支撑，但是可以延伸到着陆平台131的边界之外并且在襟翼134a-134c上方。然后可以如箭头A所示顺序地或平行地致动襟翼134a-134c，以从中立(例如，
水平或向下位置)移动到活动(例如，向上位置)以对UAV 110进行定向和重新定位。因此，襟翼134a-134c的表面可以包括低
摩擦材料，例如 其允许襟翼以相对低的力移动UAV 110。这种低摩擦表面促进了UAV 110与襟翼表面之间的滑动。该滑动运动有助于将UAV 110定位在着陆结构130和作为整体的系统100内的适当位置。
[0031] 在图5B中，襟翼134a-134c已经完全偏转并且相应地将UAV 110相对于电池维护装置150定位，使得UAV 110的元件与电池维护装置150的对应元件对准。特别地，由UAV 110承载的再充电触点117与由电池维护装置150承载的相应充电触点156对准。如图5B所示，充电触点156处于直立，打开，脱离位置。充电触点156可以向下旋转，如箭头B所示，以与相应的再充电触点117接合以执行再充电操作。
[0032] 图5C示出了在充电触点156已经向下旋转以与UAV 110的相应再充电触点117(图5C中不可见)接合之后的电池维护装置150。因为充电触点156对再充电触点117施加向下的力，无意中移动UAV 110的可能性显着降低，并且由于襟翼134a-134c的存在而进一步减小。
通过襟翼134a-134c精确定位UAV的事实意味着充电触点156和再充电触点117可以相对较小。因为这些触点可以很小，所以它们还可以允许高
接触压力，这有助于安全地促进高电流传输。
[0033] 控制器140启动充电操作以对UAV 110上的电池120再充电。在电池120已经适当地再充电之后，充电触点156旋转远离充电触点117，襟翼134a-134c向下旋转远离UAV 110(如箭头C所示)并且UAV可以自由起飞并执行额外的任务。
[0034] 在一些实施方案中，充电触点156可以补充有与UAV 110携带的相应数据端口接合的数据触点。因此，UAV 110可以在电池维护装置处下载和/或上载数据。例如，当电池120正在充电时。
[0035] 图6是示出用于移除和更换UAV电池的过程600的流程图。该过程可以包括着陆UAV(框601)，定位UAV(框602)并从UAV移除第一电池(框603)。该过程可以进一步包括对第二电池充电(框604)，其可以在着陆UAV之前进行(框601)。在框605，取出第二电池，并且在框606，将第二电池加载到UAV上(例如，插入UAV中)。然后，UAV从电池维护装置起飞以完成另外的任务(框607)。
[0036] 图7A-7F示出了经历具有与图6的元件对应的元素的过程的系统100。图7A是系统100的局部示意性侧视图，示出了襟翼134(其中第一襟翼134a是可见的)处于直立位置，以适当地定位UAV(位于第一襟翼134a后面)以进行电池维护。上述充电触点156显示处于脱离位置。在整个图7A-7F所示的序列中，如上所述，可以部署充电触点156，以在电池托架154操作以移除和更换UAV上的电池时保持对UAV系统的不间断电力。为此，电池托架154可以沿着托架引导件155来回移动，如箭头D所示。此外，一个或多个(例如，一对)电池接合臂158可以向上和向下旋转，如箭头E所示，接合并移动第一电池(从UAV移除)和第二电池(添加到UAV)。
[0037] 图7B示出了UAV 110处于移除第一电池120a的位置。如图7B所示，电池托架154包括两个凸起160，每个凸起160承载一个接合臂158。电池托架154沿着托架引导件155移动以定位在第一电池120a上方，并且电池接合臂158已经摆动向下与第一电池120a的接口装置122接合。特别地，电池接合臂158向下摆动以与电池接合元件124的面向前的第一表面125a接合。在这种配置中，电池托架154可以向右移动，如箭头D所示，以将第一电池120a从UAV
110脱离(例如，拉动)。电池托架154和第一电池作为一个单元移动，并且第一电池120a进入转盘151的第一站152a。电池接合臂158可以
锁定在接合位置(例如，通过伺服装置)，以减小致动器上的
扭矩负载，该致动器将臂摆动到位，因为在线性运动期间向臂施加水平力。
[0038] 图7C示出了电池托架154在其已经从UAV 110脱离第一电池120a并且已经开始将其移动到第一电池架152a中之后的电池托架154。第一电池引导件119在其离开UAV 110时引导第一电池120a的运动，并且第二电池引导件153在第一电池120a进入第一站152a时引导第一电池120a。先前连接到UAV 110的面向前的电池触点123现在暴露并且可见。面向后的触点(图7C中不可见)可与由转盘151承载的相应触点159配合，以便在转盘151上再充电。
[0039] 在图7D中，第一电池120a已经牢固地定位在第一站152a中，并且转盘151已经逆
时针旋转，如箭头F所示，以使第二站152b与UAV 110的电池架118对准。第二电池120b(例如，完全充电)位于第二站152b中。托架154现在位于第二电池120b的后面，并且电池接合臂158已经向下旋转，如箭头G所示，以便将第二电池120b推向UAV的电池架118。
[0040] 在图7E中，电池托架154现在已经移动以接合第二电池120b。更具体地，电池接合臂158已经接触电池接合元件124的相应的面向后的第二表面125b，并且电池托架154已经开始将第二电池120b移出第二站152b并进入电池架118。第二电池引导件153引导第二电池120b离开转盘151的运动，并且第一电池引导件119引导第二电池120b进入UAV电池架118的运动。
[0041] 在图7F中，电池托架154已经成功地将第二电池120b与由UAV 110承载的相应电触点接合，并且已经从第二电池120b后退，如箭头H所示。在该位置，电池接合臂158可以向上摆动，如箭头I所示，以便在电池托架154移回到转盘151上方的位置时清除UAV 110和/或电池维护装置150的任何元件。然后，UAV 110可以起飞，并且电池维护装置150可以准备用于下一个操作。代表性的下一操作可以包括对机载电池进行再充电，如上面参考图5A-C所讨论的，和/或对从UAV 110接收的放电电池(在电池维护装置150处)进行再充电，和/或旋转转盘151以定位开放站以从相同或不同的UAV接收移除的电池。系统100可以在电池维护装置处一次为几个电池再充电，以进一步提高系统效率。
[0042] 如图8和图9所示，由电池维护装置150维护的UAV可以具有除了上面参考图1-7F具体描述的配置之外的配置。例如，现在参见图8，代表性的UAV 810可以具有大致三
角形的配置，并且相应的着陆结构830可以被配置为考虑这种不同的形状。特别地，着陆结构830可包括三角形着陆平台831。定位襟翼834a，834b(在至少一些实施方案中可以不超过两个)定位并可移动以与三角形UAV 810接合以用于定位，例如，以与上面参考图5A-5B所讨论的大致相同的方式定位。在这种情况下，定位襟翼相对于彼此以非
正交角度定向，与图5A中所示的配置不同。上面参考图1-7F描述的操作的其他方面可以大致相似。
[0043] 如图9所示，另一代表性UAV 910可包括一个或多个着陆滑橇909而不是如图1所示的大致平坦侧主体114。着陆结构130也可以与该UAV一起操作，其方式通常与上面参考图5A-5B所述的方式相同。在该特定情况下，襟翼134和着陆滑橇909之间的低摩擦接触可以是特别有益的，使得当襟翼134向上旋转时，UAV 910不会翻倒。
[0044] 本文描述的至少一些实施方案的一个特征是所公开的系统和相关方法可以便于自主或半自主地对UAV充电。这种布置的一个优点是它可以减少为UAV再充电或以其他方式重新供电所需的时间和操作者的努力。因此，可以显着提高操作UAV的整体效率。如本文所公开的，用于对UAV再充电的一种方法是在电池保持在UAV上时对电池再充电。另一种方法包括从UAV移除放电或部分放电的电池并用已充电电池或更充满电的电池更换它。在至少一些实施方案中，两个操作可以由单个装置完成，这可以进一步提高整体系统效率。
[0045] 这里公开的一些实施方案的另一个特征是用于执行前述操作的运动路径可以是简单的。这种方法降低了机械复杂性和操作期间发生故障的可能性，并且可以提高系统的可重复性和可靠性。例如，再充电触点可以经历简单的枢转运动以在接合位置与脱离位置之间循环。电池托架可以沿着简单的线性路径移动以装载和卸载电池，并且电池接合臂可以在两个位置之间旋转以进行装载和卸载。
[0046] 本文公开的一些实施方案的另一个特征是相对简单的机构可以允许装置容易地缩放或以其他方式调节以适应不同尺寸和/或形状的UAV。例如，上面参考图8和图9描述了具有不同形状的代表性UAV。UAV也可以比图中所示的更大或更小，而系统的总体布局和操作可以保持相同或近似相同。
[0047] 从前述内容可以理解，本文已经出于说明的目的描述了本技术的特定实施方案，但是在不脱离本技术的情况下可以进行各种
修改。例如，这里示出的系统和装置可以具有除具体示出的配置之外的配置。适于通过本文公开的系统和方法进行再充电的无人驾驶车辆可以具有不同于本文具体示出和描述的那些的配置。用于定位用于维护的无人驾驶车辆的装置和/或对机载UAV电池再充电的装置，和/或移除和更换UAV电池的装置可具有不同于本文所述的配置。例如，除了上述线性运动路径之外或代替上述线性运动路径，托架引导件可以是运动路径。在一些实施方案中，上面参考电池移除和更换描述的一般方法可以应用于由UAV承载的其他负载，例如货物和/或其他有效载荷。上述各种触点可以具有各种合适的配置，包括简单的表面到表面接口和/或凸-凹接口。在任何这些实施方案中，电连接固定，坚固且低
电阻，以避免损耗和加热。
[0048] 在其他实施方案中，可以组合或消除在特定实施方案的上下文中描述的技术的某些方面。例如，在一些实施方案中，再充电装置可以被配置为仅执行再充电操作，或者仅执行移除和更换操作，或者执行机载再充电操作以及移除和更换操作。虽然可以执行两种操作的装置可以是特别有利的，但是单操作装置也具有实用性。此外，虽然已经在那些实施方案的上下文中描述了与本技术的某些实施方案相关联的优点，但是其他实施方案也可以表现出这样的优点，并且并非所有实施方案都必须表现出落入本技术范围内的这些优点。因此，本公开和相关技术可以包含未在此明确示出或描述的其他实施方案。
[0049] 如本文所用，如“A和/或B”中的短语“和/或”包括单独的A、单独的B以及A和B两者。在某种程度上，通过引用并入本文的任何材料与本公开冲突时，以本公开为准。
