一种具有自动可再生能源充电系统的无人飞行器

摘要

公开了一种无人飞行器，诸如具有太阳能单元的无人飞行器(100)。所述太阳能单元包括定位在所述无人飞行器的壳体处的太阳能板组件(104)。所述太阳能板组件由嵌有多个光伏电池(110)的帘式百叶窗组成。所述百叶窗可由多个板条形成，在所述板条中的每一个之间具有空间，其中所述空间促进有效分散风的扩散以保持悬停的无人机的稳定性。所述百叶窗可还包括用于使所述百叶窗扭转和转动以为悬停的无人机提供平衡的装置。此外，所述太阳能单元包括储能单元，所述储能单元可操作地联接到太阳能板组件，以用于储存来自所述太阳能板的电能。此外，所述百叶窗可被配置为无害地周期性地旋转，从而扩散阵风以稳定悬停的无人机。

说明书

本申请要求于2018年5月3日提交的GB专利申请GB 1807279.3“具有太阳能单元的无人飞行器”的权益，所述GB专利申请内容通过引用并入于此。

A技术领域

本发明总体上涉及诸如无人机(drone)等无人飞行器(UAV)的领域，并且更具体地涉及具有诸如太阳能单元等自动可再生能源充电系统的无人飞行器。

背景技术

无人机是未机载人类飞行员来控制飞行器的飞行器。这些飞行器可通过机载计算机控制，也可由人类操作员经由遥控进行控制。由于无人机具有通过携带传感器或相机来在空中调查环境的能力，因此它们在执法、农业或市场等行业中变得越来越流行。通常，无人机包括诸如推进系统、电源、控制器和远程通信系统等部件。此外，为执行特定功能(诸如航测、感测功能)而设计的无人机所包括的更多电子部件(诸如相机、传感器等)更少。然而，由于无人机需要操作并执行所有预先配置的功能，因此需要持续的供电。持续操作并将各种电子设备添加到无人机中以实现期望功能可能会很快耗尽机载电源。

通常，采用诸如燃料、可再充电电池或备用电源等电源来满足无人机的功率要求。然而，利用可充电备用电源需要无人机定期着陆以补充其电源。因此，无人飞机的普遍需求是对非穷举性电源的需求。

因此，需要一种具有自动补充所需的电源的集成电源的无人机。

发明内容

本发明涉及一种诸如无人机的无人飞行器，所述无人飞行器具有自动可再生能源充电系统(诸如太阳能单元)。

根据本发明，所述无人机的所述太阳能单元包括定位在所述无人机的壳体处的太阳能板组件。所述太阳能板组件由嵌有多个光伏电池的帘式百叶窗组成。在一个实施例中，所述百叶窗由多个板条形成，在所述板条中的每一个之间具有空间。在一个实施例中，所述板条中的每一个之间的所述空间促进有效分散风的扩散以保持悬停的无人机的稳定性。在一个实施例中，所述帘式百叶窗的构造允许帘下降。在一个实施例中，下拉功能允许所述百叶窗延伸约10米，并促进节省最大能量。此外，所述无人机具有促进吸收太阳能的广泛的延伸突出能力，并且用作将吸收的能量分配给其他无人机装置的方法。在一个实施例中，所述帘式百叶窗是半球形的，以促进太阳能的最大吸收。在另一实施例中，所述帘式百叶窗由诸如

在一个实施例中，所述帘式百叶窗包括用于扭转和转动所述百叶窗的所述板条的装置。在一个实施例中，所述百叶窗的所述扭转和转动装置为悬停的无人机提供固定的平衡。在一个实施例中，所述无人飞机采用有助于阵风的最大吸收并无害地向内和向外移动所述百叶窗的方法。在一个实施例中，所述帘式百叶窗或百叶窗可被配置为无害地周期性地旋转，从而扩散阵风以稳定悬停的无人机。在一个实施例中，所述帘式百叶窗被配置为向下航行并且使得能够吸收太阳能。在一个实施例中，所述帘式百叶窗被配置为提供分别与吹风相对应的无人机的西风和东风轨迹。此外，所述太阳能单元还包括储能单元，所述储能单元可操作地联接到太阳能板组件，以用于储存来自所述太阳能板的电能。

在另一实施例中，所述无人飞行器包括外壳、保护盖组件和控制器。在另一实施例中，所述太阳能板组件是嵌有多个光伏电池的帆，下文将其称为PV帆。在一个实施例中，所述太阳能板组件设置在所述无人飞行器的所述外壳内。所述外壳包括开口。所述保护盖组件设置在所述外壳的所述开口处。在一个实施例中，所述太阳能板组件是嵌有多个光伏电池的帘式百叶窗。所述储能单元与所述光伏帆连通，并且被配置为储存从所述太阳能板产生的能量。所述控制器与所述太阳能板组件、所述外壳、所述储能单元和所述保护盖组件连通，并且被配置为监视所述储能单元的电压电平。在一个实施例中，如果所述储能单元的所述电压电平等于或小于预定电压，则所述控制器被配置为打开所述保护盖组件并使所述太阳能板脱离以收集太阳能来为所述储能单元充电。在一个实施例中，如果所述储能单元的所述电压电平高于所述预定电压，则所述控制器被配置为将所述脱离的太阳能板缩回到所述外壳中，并经由所述保护盖组件关闭所述开口。

通过以下详细描述，本发明的其他目的、特征和优点将变得显而易见。然而应当理解，虽然指示本发明的具体实施方案，但详细描述和具体实施例仅以说明的方式给出，因为本发明精神和范围内的各种变化和修改对本领域熟练技术人员而言将变得显而易见。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述将更容易理解本发明及其优点和特征的更完整理解，在附图中：

图1示出了本发明的实施例中的具有太阳能板组件的诸如无人机的无人飞行器的正视图。

图2示出了本发明的实施例中的无人机的太阳能板组件的正视图。

图3示出了本发明的实施例中的无人机的太阳能板组件的透视图。

图4示出了本发明的实施例中的太阳能板组件和储能单元的透视图。

图5示出了本发明的实施例中的经由遥控嵌有光伏电池的帘式百叶窗的透视图。

图6示出了本发明的实施例中的嵌有光伏电池的帘式百叶窗的辊单元的透视图。

图7示出了本发明的实施例中的嵌有光伏电池的百叶窗的透视图。

图8示出了根据本发明实施例的具有光伏帆的无人机的控制器的框图。

图9示出了本发明的实施例中的光伏电池的透视图。

图10示出了本发明的实施例中的包括多个光伏电池的PV帆。

图11示出了本发明的实施例中的具有包括多个光伏电池的孔的PV帆。

图12示出了本发明的另一实施例中的帘式百叶窗配置中的PV帆。

图13示出了本发明的实施例中的帘式百叶窗配置中的PV帆的各种部件。

图14示出了本发明的实施例中的PV帆的光伏电池的侧视图。

图15示出了本发明的实施例中的PV帆在风向上的移动。

图16示出了本发明的实施例中的双面太阳能板。

图17示出了本发明的实施例中的双面太阳能板的各个层。

图18示出了本发明的实施例中的从PV帆发电的操作。

图19示出了本发明的实施例中的利用集成在无人机内的PV帆的发电。

图20示例性地示出了本发明的实施例中的辊单元的剖视图。

图21示例性地示出了本发明的实施例中的辊单元的截面图。

具体实施方式

现在将给出本发明的实施例的描述。期望本发明可以其他特定形式实现而不背离其精神或基本特性。所描述的实施例在所有方面应被认为仅仅是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是先前描述指示。落在权利要求的等同含义和范围之内的所有改变都应包含在其范围之内。

参考图1，本发明涉及具有自动可再生能源充电系统100的诸如无人机102的无人飞行器，所述可再生能源充电系统是太阳能单元。无人机102的太阳能单元包括定位在无人机102的壳体处的太阳能板组件。在一个实施例中，太阳能单元由嵌有多个光伏太阳能收集器或光伏电池110的帆构成，所述帆被称为PV帆104。

参考图2，太阳能板组件由嵌有多个光伏太阳能收集器或光伏电池110的帘式百叶窗105组成。在一个实施例中，百叶窗105由多个板条108形成，在板条108中的每一个之间具有空间。在一个实施例中，每个板条108之间的空间促进有效分散风的扩散以保持悬停的无人机102的稳定性。在一个实施例中，百叶窗105具有2英寸的厚度。在一个实施例中，帘式百叶窗105的构造允许帘在需要时(例如在白天)下降，并且允许在不使用时(例如在夜间)卷起或移动到偏僻的位置。此外，百叶窗105包括辊单元112，所述辊单元促进在不使用百叶窗105时卷起帘式百叶窗105并且将其保持在适当位置。

在一个实施例中，下拉功能允许百叶窗105延伸约10米并促进节省最大能量。在一个实施例中，无人飞机102被配置为操纵自身以促进通过嵌有光伏电池110内的帘式百叶窗105最大程度地吸收太阳能。此外，无人机102具有促进吸收太阳能的广泛的延伸突出能力，并且用作将吸收的能量分配给其他无人机装置的方法。在一个实施例中，帘式百叶窗105诸如

在一个实施例中，帘式百叶窗105包括一个或多个突出部，以促进气流的移动并向无人机102提供稳定性。在一个实施例中，帘式百叶窗105包括用于百叶窗105的板条108的扭转和转动装置106。在一个实施例中，百叶窗105的扭转和转动装置106为悬停的无人机102提供固定的平衡。在一个实施例中，无人飞机102采用有助于阵风的最大吸收并无害地向内和向外移动百叶窗105的方法。在一个实施例中，帘式百叶窗/百叶窗105被配置为无害地周期性地旋转，从而扩散阵风以稳定悬停的无人机102。

在一个实施例中，帘式百叶窗105被配置为向下航行并且实现吸收太阳能。在一个实施例中，帘式百叶窗105的设计被配置为提供分别与吹风相对应的无人机102的西风和东风轨迹。本发明的操作类似于门内的铰链或弹性物质等。此外，本发明促进由于阵风将平面百叶窗105推开而施加的预定量的压缩。

参考图3，示出了百叶窗105的透视图。百叶窗105包括辊单元112，所述辊单元促进在不使用百叶窗105时卷起帘式百叶窗105。参考图4，在本发明的实施例中，本发明的太阳能单元还包括储能单元128。储能单元128包括电池单元和用于储存能量并为电池充电的合适的电子部件。储能单元128还包括电池指示器114，所述电池指示器被配置为显示电池中的充电水平。在一个实施例中，储能单元128还包括电源开关120，以控制来自电池单元的电力供应。

在一个实施例中，储能单元128还包括用于将电力递送到无人机102的装置，诸如USB端口122。在一个实施例中，储能单元128还包括连接槽116，所述连接槽用于容纳百叶窗105的电极124，以用于将电能从太阳能板组件传送到储能单元128。在一个实施例中，当例如在夜间不使用嵌有光伏电池110的百叶窗105时，可经由释放开关118释放百叶窗105以使用辊单元112将所述百叶窗卷起并保持在适当位置。

参考图5，在本发明的实施例中，可经由遥控单元对百叶窗105型太阳能板组件进行遥控以使百叶窗105下降或卷起。参考图6，在本发明的实施例中，示出了嵌有光伏电池110的帘式百叶窗105的辊单元112的透视图。参考图7，在本发明的实施例中，公开了嵌有光伏电池110的百叶窗109的透视图。

在另一实施例中，无人飞行器包括外壳、保护盖组件和控制器。在另一实施例中，太阳能板组件是嵌有多个光伏电池110的帆，下文将其称为PV帆104。在一个实施例中，太阳能板组件设置在无人飞行器的外壳内。外壳包括开口。保护盖组件设置在外壳的开口处。在一个实施例中，太阳能板组件是嵌有多个光伏电池110的帘式百叶窗。

储能单元128与光伏帆104连通，并且被配置为储存从太阳能板产生的能量。控制器与太阳能板组件、外壳、储能单元和保护盖组件连通，并且被配置为监视储能单元的电压电平。在一个实施例中，如果储能单元128的电压电平等于或小于预定电压，则控制器被配置为传输信息以打开保护盖组件并使太阳能板脱离以收集太阳能来为储能单元128充电。在一个实施例中，PV帆104的驱动电路被配置为打开保护盖并将BLDC马达驱动到某一方向。PV帆104包括突出部向下脱离并受BLDC的转子控制的复杂机械结构。当PV帆104已成功“落下”时，它将开始收集太阳能并为内部电池或储能单元128充电。

在一个实施例中，如果储能单元的电压电平高于预定电压，则控制器被配置为将脱离的太阳能板缩回到外壳中，并经由保护盖组件关闭开口。在一个实施例中，PV帆104联接到BLDC型马达的转子。在一个实施例中，无人飞行器还包括与控制器连通的光电传感器，所述光电传感器被配置为检测太阳能的方向。此外，控制器被配置为将无人飞行器悬停到朝向太阳能的方向，以通过太阳能板组件收集太阳能。

在一个实施例中，如果无人机102的电池已达到严重低的电池电压(已被完全耗尽)，则控制器被配置为发起紧急着陆程序。无人机102将平稳着陆并进入低功率模式，以便节省剩余的电池寿命(LP)，并将其本地坐标传输到最近的无人机控制站。

参考图8，示出了PV帆马达驱动板142的电气图。PV帆马达驱动板142包括8针连接器、CPU 144、BLDC马达控制器146、BLDC马达146和PV帆104。8针连接器被配置为接收所有被路由的功率和控制信号。CPU 144是小型低功耗CPU，它将本地处理从控制器板的CPU发送的驱动信息，并经由两个IC之间基于PWM或SPI类型的连接为BLDC马达控制器146提供数据流。BLDC马达控制器146IC被配置为驱动BLDC马达148。PV帆104被配置为为连接的内部电池充电。

在一个实施例中，PV帆马达板142与控制器利用CAN总线接口和若干附加信号来经由有线接口进行通信。PV马达板142包括与特定控制信号和电源连接的8针连接器。在一个实施例中，控制器还包括这些连接器中的七个，这促进自驱动飞行器能够灵活地经由从这些连接器连接到每个马达板的简单电缆单独且轻松地控制所有移动部件(接头、螺旋桨和PV帆104)。

在一个实施例中，至少两个连接器(即，有线引脚1和2)被配置为向马达板模块供电。在一个实施例中，至少两个连接器(即，有线引脚3和4)被配置为将数据从主控制器CPU传送到每个模块。在一个实施例中，CAN接口由于其可靠性和相对简单性而用作数据传送接口。CAN接口与主控制器CPU一起使用来发送/接收具有预定义格式和大小的数据包，包括起始位、识别信息、核心数据、校验和和停止位。

在一个实施例中，至少三个引脚(即，有线引脚5、6、7)识别控制无人机102的相应段的相应马达板。使用A0、A1和A2线，将主CPU或控制器配置为生成3位地址(总共8个可能的二进制地址)，并为每个马达板提供其自有的唯一ID。在初始加电和模块初始化过程时，CPU将依次切换每条ChX输出线，并将唯一的3位地址放在AX线上。在接收端上，当读取到ChX输入线已切换时，马达板将读取已发送的3位地址并将其“记住”在其内部寄存器(存储器)中。在成功完成完整的初始化过程之后，每个模块将通过读取数据包的描述意图用于哪个外围装置的ID部分来知晓其识别信息，所述识别信息对于了解其在CAN数据传送期间何时由CPU寻址至关重要。

在一个实施例中，至少一个引脚(引脚8)或ChX(信道X)引脚分别连接到控制器板CPU的每个连接器。在初始功率时，ChX被配置为识别如上所述的控制无人机102的相应段的相应马达板。在正常操作期间，ChX被配置为触发(轮询或中断)每个马达板并要求其侧面采取附加的动作。它的一种使用场景如下：在这种场景中，ChX用于中断马达模块中的一个的操作并触发马达模块侧上的正确中断软件过程。在此过程期间，主CPU将请求马达板识别数据通过通信信道发送，同时描述了诸如与其附加的机械部件的类型(例如PV帆104)、马达类型等参数。

通过这种方式，通过轮询(检查)每个螺旋桨马达模块的状态信息，CPU将获得有关AD的运行期间至关重要的多个点的信息，诸如——两侧上的螺旋桨是否匹配(例如，由于会导致飞行过程中无人机失稳的用户错误，螺旋桨大小或马达是否存在差异)、使用哪种螺旋桨等。所有这种数据对于CPU都是至关重要的，以使得它可准确地向每个螺旋桨提供发送驱动命令。如果检测到不匹配，则CPU有权阻止无人机102起飞并采取另外的动作(例如，向LoRa网关控制器模块发送状态消息)。这种控制用于准确发送驱动命令并控制PV帆104。

图9示出了本发明的实施例中的光伏电池110的透视图。示出了包括光伏电池152和压电元件154的光伏电池110。图10图示出了本发明的实施例中的包括多个光伏电池110的布置的光伏帆104。参考图11，在一个实施例中，光伏帆104设置有多个孔156，以使得风能够通过帆或窗帘。参考图12，在另一实施例中，光伏帆104可被设计为包括多个光伏电池110的帘式百叶窗158的形式。参考图13，在另一实施例中，帘式百叶窗158包括铝杆160、柱塞端162和柱塞端支架164。图14示出了本发明的实施例中的光伏帆104的光伏电池110的侧视图。

图15示出了本发明的实施例中的PV帆104在风向上的移动。在一个实施例中，无人飞机102包括用于在飞机例如围绕固定的椭圆形飞行路径以“巡逻”模式操纵时优选地使PV帆104旋转穿过至少约180度(即，相对于竖直方向+90度)，从而保持太阳能收集PV帆104在最大化由飞行器在白天收集的太阳能的位置中定向。对于给定的面板大小，这种布置因此使在冬季高纬度地区可收集的太阳能最大化，从而使得积极交换比由面板的增加的重量和曳力使用所收集更多的太阳能。

图16示出了本发明实施例中的双面太阳能板130。图17示出了本发明实施例中的双面太阳能板130的层。在一个实施例中，双面太阳能板130包括顶部和底部处的光伏元件152和中间的压电元件154。

图18示出了本发明的实施例中的从PV帆104发电的操作。在一个实施例中，光伏帆104附接到旋转机构，所述旋转机构使得能够自由旋转移动并使得能够有效地收集旋转能量。所述机构联接到齿轮箱136，所述齿轮箱连接到设置在机舱140中的发电机138。图19示出了本发明的实施例中的从具有集成在无人机102内的帘式百叶窗配置的PV帆104发电的操作。

图20示例性地示出了本发明的实施例中的辊单元112的剖视图。图21示例性地示出了本发明的实施例中的辊单元112的截面图。此外，示出了无人机102的旋转机构。在一个实施例中，每个板条108包括压电可操纵性机构以收集能量。在另一实施例中，每个板条108包括利用马达的旋转机构以收集能量。在又一实施例中，每个板条108包括压电可操纵性机构或旋转机构中的至少一个以收集能量。在又一实施例中，每个板条108被配置为由于风向而并排移动以收集能量。如果风很强，则帆104的板条108被配置为打开并且无害地实现对无人机102的空气动力学稳定性。旋转机构使得能够捕获通过操纵中的移动产生的能量，从而使电磁场得以存在。在又一实施例中，每个板条108包括使得板条108能够突出的马达。此功能使板条108经受最大程度地暴露于阳光并导致最大的能量收集。

在一个实施例中，无人机102包括传感器组件。在一个实施例中，传感器组件包括但不限于可操纵性传感器和用于触发向下航行的传感器。如果无人机102的电池达到低于预定容量，例如低于20％，则传感器触发无人机102的向下航行。在另一实施例中，基于阳光的方向和内部时钟的数据，可操纵性传感器将无人机102定向在特定方向上。

在一个实施例中，辊单元包括磁体170和以周期性方式附接的多个磁性板条172。多个磁性板条172被配置为接合风向周期性地旋转并往返运动。同样，以相同容量培养被相应铜线圈174吸收的电磁场。在另一实施例中，光伏电池110还附接到压电条154，所述压电条还使得风力的压缩能够有效地吸收利用和聚集。在另一实施例中，帆104可由适合于涵盖无人机102的部件并且能够提供移动/稳定性的任何材料制成。

有利地，无人飞行器可连续执行任务24小时，同时根据需要重复任务执行，垂直起飞和着陆，充电以及待命。此外，无人飞行器的电池被自动充电，以使得不需要诸如更换电池等手动操作，从而降低了劳动力成本并使无人飞行器的任务自动化。无人机102被引向将太阳能用作能源来为UAV的能量供应充电，从而不需要UAV返回到基本位置以进行充电。

尽管在附图中示出了本发明的单个实施例并且在以上详细描述中对所述单个实施例进行描述，但应当理解，本发明不限于在此开发的实施例，而是能够进行部件和元件的许多重新布置、修改、替换，而不偏离本发明的精神和范围。

先前描述包括本发明的说明性实施例。至此已描述了本发明的示例性实施例，本领域技术人员应注意，在此公开的内容仅是示例性的，并且可在本发明的范围内做出各种其他替代、适应和修改。仅以某一顺序列举方法的步骤会对其进行编号并不构成对该方法的步骤顺序的任何限制。受益于先前描述中呈现的教导，本发明所属领域的技术人员将想到本发明的许多修改和其他实施例。尽管本文可采用特定术语，但是它们仅在一般和描述性意义上使用，而不是用于限制性目的。因此，本发明不限于在此示出的特定实施例。