从高架电力线接入无人机的电力和数据通信的制作方法

1.本发明涉及能够使无人机(uav)在对接站上对接和充电的设备和系统，该对接站可以布置在高架电力线上或其他接地结构上。该系统通过电力感应电力收集向利用来自电力线的电力的高架电力线上的uva提供电力和数据通信传输。


背景技术：

2.输配电网中高架电力线的监控和适当维护对所述电网的安全运行至关重要。环境因素(例如导致电力线结构中的关键部分过早老化的因素)可能会导致意外停电，使电网运营商及其客户每次停电损失数千甚至数百万美元。此外，靠近电力线的植被和其他障碍物可能会导致停电，如果无人看管，甚至会引发野火。
3.电力接入是改善高架输电线的监测和监控的最大限制因素。这些线路跨越了很远的距离，经常穿过没有其他基础设施的偏远地区。尽管电力线输送电力，但通常不可能直接使用电力，因为其电压远高于没有昂贵和大型变压器的普通电力装备所能承受的电压。尽管成本较低，但也可以选择安装柴油发电机、风力涡轮机、太阳能电池板和/或电池为监测装备供电，或者使用通常埋在地下的超长电缆连接到最近的变电站的适当电压电平。
4.高架电力线的运营商已经发现无人机uav在检查电网基础设施方面的用途。用于监测的无人机通常配备高分辨率相机和热成像传感器，可以扫描电力结构，以寻找损坏的桅杆盗窃、螺栓、铁锈或其他类型的腐蚀。此外，热成像传感器可以检测绝缘体链中的损坏、雷击引起的导体损坏、与在塔架中或塔架上筑巢的鸟类有关的问题等等。
5.使用无人机检查电力线结构和导体的主要缺点是在整个检查过程中需要专业服务人员护送和操作无人机，经常需要穿越恶劣和偏远的地形。无人机的电池必须定期充电或更换为充满电的电池。因此，当使用手动操作无人机时，检查绵延数十公里甚至数百公里的电力线基础设施需要大量人力，可能需要数天甚至数周才能完全完成。
6.一种新方法是使用安装在高架电力线的导体上的电力收集设备。wo 2019/030781公开了一种电力收集和监视装置，其使用一个或多个电流互感器以及相关联的整流和电力调节电路来从通过高压电力线的相线的交流电产生的电磁场产生直流电源输出。


技术实现要素：

7.本发明在第一方面中涉及一种被配置为位于高架电力线上的设备，该高架电力线具有外部电力连接以用于为第三方电力装备和设备供电，例如特别是无人机(uav)，通常称为无人机(drone)(这两个术语在本文中可互换使用)。电源可以永久供电，例如用于监控装备和设备，也可以临时供电，例如为附接在设备上的无人机充电。该设备还可以向装备提供网络和数据通信服务，例如，通过使数据能够从对接无人机发送和发送到对接无人机，并更新要发送到无人机的控制指令，例如新的飞行导航计划，或者通过使用该设备与第三方装备(例如飞行无人机、移动电话或电池供电的物联网(iot)对象)之间的无线通信。最后，该设备为第三方装备提供数据处理，从而消除了装备执行这种功率密集型操作的需要，从而
节约了设备用于其他操作的电力。
8.本文提供了包括无人机对接和充电站(本文也称为ddc站(无人机对接和充电站？)的一种系统。ddc站包括被配置为紧固到地上结构的壳体、电源单元、通信模块和布置在壳体下方的对接端口，地上结构在壳体下方提供离地间隙，用于接收和对接配置的uav的配合对接和单元，其中uav上的对接端口和对接单元提供用于为对接的uav充电的电连接。
9.在一些实施例中，ddc被布置为被夹持在结构上，例如灯杆或桅杆结构的水平部分，并且电源单元可以从外部电源获得电力。更优选地，ddc被布置为被夹持在高架电力线的导体上，其中，ddc包括用于从围绕导体的电磁场中收集电力的电力收集部分。
10.ddc站被布置有充电单元，优选地，充电单元允许对接的无人机的快速充电。快速充电是指充电比通过电力收集同时产生的充电更快，通常这将通过使用超级电容器来实现，该超级电容器可以加载能量并快速卸载，这是本领域已知的技术。
11.ddc站的对接端口被布置为安全地接收并牢固地紧固配合uav(即，包括如本文进一步描述的对接或锚装置的uav，用于与对接端口配合)，优选地，对接端口包括用于可控地对接、固定、存储/停放和释放uav的引导和固定部分。引导部分可以例如包括漏斗状结构。引导和固定部分优选地还包括用于将uav的对接和充电单元固定到dcc站的夹持或抓握机构。
12.在一些实施例中，对接端口被配置为要被紧固并固定到ddc站的主壳体的单元，在其他实施例中对接端口是ddc站壳体的组成部分。
13.如下文更详细描述的，在一些实施例中，ddc站可以有利地包括红外串行收发器、激光雷达lidar传感器、实时动态rtk基站和一个或多个高分辨率相机中的一个或多个；这些设备和部件可以帮助无人机到无人机对接单元的精确导航。
14.在另一个方面，本发明提供了一种用于提供与无人机的对接、充电和/或数据通信的系统，该系统包括如上所述的ddc站和一个或多个uav，该一个或多个uav被布置为与ddc站配合与对接。
15.本发明的系统的uav包括用于与ddc站的对接端口牢固地配合和对接的对接单元。优选地，uav的对接单元包括对接探头和连接头或锚，该连接头或锚具有与对接端口的配合结构。对接单元可以是uav的机身或壳体的组成部分，或可选地可以布置为可拆卸单元，该可拆卸单元可以牢固地固定和连接到uav。优选地，对接单元探头被配置为使得其可以在uav的飞行期间定位在静止模式或飞行模式，以及用于对接的对接模式。因此，例如，在静止模式下，探头可以基本水平地定位，例如通过铰链机构进行折叠，并且在对接模式下，探头可以竖立在基本垂直的位置。
16.随后，对接单元应提供uav和dcc站之间的安全锚固连接和电连接，用于充电和数据传输。
17.uav对接单元优选地布置在uav(其主体或壳体)的顶部，并且通常包括向上延伸以连接到ddc站的对接端口的延伸部分。
18.在一些实施例中，uav对接单元被提供为对接和连接装备(dce)，其被捆绑或以其他方式安装或固定在uav上。这使得配备了dce并需要对电池充电的无人机能够找到最近的ddc站，并借助于对接dce的专用对接机构和安装在ddc站下方的适当位置的无人机从ddc站下方到其对接，该对接机构将dce及其安装在ddc站下方的无人机固定到位，用于对无人机
的电池充电、数据传输等。
19.作为本发明的独立部分提供这种对接和连接装备(dce)。本发明的一部分也是具有外部安装的dce或整体的dce的uav，如本文所述。
20.当ddc站被夹持在高压电线的导体上时，其可以使用交变承载导体周围的电磁场收集所需的所有电力。如上所述，在一些实施例中，ddc站可以安装在灯杆或其他结构上，并且在这些实施例中，ddc可以连接到常规电源输出端，例如120vac或230vac。
21.dce可以安装在大多数类型的无人机上。dce可以永久附接到所讨论的无人机的背部，也可以使用适当的紧固装备临时附接。在一个实施例中，提供了一种将以类似于鞍安装在马背上的方式紧固在无人机的主体下方的缰绳。形成为与无人机的主体的形状紧密配合的轻质但兼顾的泡沫塑料的中间层可以位于无人机和其所附接的dce之间，无论dce是用适当的线束永久地或临时地附接到无人机上。在一些实施例中，dce电子零件和机械部分可以是无人机本身的集成部分，例如专用检查无人机或用于包裹递送的无人机。
22.如上所述，在一些实施例中，ddc站可以被夹持在高压电力线的导体上，并且从围绕ac承载导体的电磁场获取电力。收集的电力用于为ddc站内的设备供电，并且也用于为外部设备充电，例如uav，这些设备具有适当的配合装备，用于对接和电连接ddc站。
23.在一些实施例中，ddc站地底部的对接端口包括锥形漏斗。对接端口还将包括用于紧固和锁定机构以紧固和固定对接的uav，这可以例如包括具有切割器的旋转半球形锁定机构。旋转半球形锁定机构位于漏斗的上端和窄端，并在dce的对接探头的半球形顶部周围以半圆旋转(如果存在)。当ddc站的半球形锁定机构围绕dce的对接探头的半球形顶部以半圆旋转并将其紧密锁定就位时，承载充电电流的电极向下压到对接探头的半球形顶部的中心，并连接到将充电电流连接到dce并从那里连接到无人机的电池充电端口的配合电极。
24.在一些实施例中，ddc站中的步进电机旋转半球形锁定机构以将dce的对接探头在充电过程锁定就位，并且在充电过程完成后将其旋转回来以用于释放dce和无人机。当半球形锁定机构围绕dce的对接探头的半球形顶部旋转时，半球形机构中的解理在球体边缘处较宽，但在靠近对接探头杆处变窄。
25.在一些实施例中，对接和连接装备(dce)包括专门设计的电子电路，该电子电路控制所有dce功能以及ddc站与附接在其上的无人机之间的至少一些通信。dce的壳体优选地由轻质和坚固的材料制成，例如碳纤维。壳体优选地具有电屏蔽特性，该电屏蔽特性防止由于高电压尖峰和放电发生而导致的控制和导航电子器件的中断和故障，高电压尖峰和放电发生在接近或接触夹持在高电压电力线的导体上的ddc站并从该ddc站释放时。对接探头由导电材料制成或包括内部导体，位于无人机或其dce的顶部，具有两种功能，将无人机牢固地对接和附接到ddc站，并将ddc站的充电电流通过dce连接到无人机的电池充电端口。无人机直接或通过dce向ddc报告无人机电池组的电压电平(3.7v-7.4v-11.1v-14.8v-18.5v-22.2v等)和充电率曲线。当无人机在飞行时，对接探头被降低到水平位置，以尽可能减少其对无人机飞行能力的影响。
26.在一些实施例中，取决于dce所附接的满载的无人机的重量，每个dce上的对接探头的数量可以是一个、两个或四个。对于较轻类型的无人机，例如那些满载10公斤以下的无人机，具有一个对接探头就足够了。对于较重的无人机，可以使用两个或四个对接探头。电动马达(例如步进马达)可以被布置成负责将对接探头竖立在对接位置，并适当地将其降低
到静止或飞行位置。此外，对接探头可以扩展(伸缩)。
27.在一些实施例中，对接探头由轻质且坚固的导电材料制成，例如碳纤维，其能够承受相当大的重量和机械应力。在一些实施例中，对接探头的端部的半球形杯用于两个目的。第一，当ddc站的碗状锁定机构锁定在对接探头上的半球形杯周围时，其确保无人机牢固地附接到ddc站的对接端口。另一种是将充电电流从ddc站连接到dce。dce然后通过单独的电缆将充电电流连接到无人机。
28.在一些实施例中，在dce上有两个或多个(例如四个)串行红外收发器，例如在每个角落中或每个角落附近的一个。红外收发器与ddc站的底部的相应收发器通信，以使dce及其所附接的无人机能够在连接到ddc站之前精确地引导最后的距离。优选地，红外收发器的视角保持窄，以确保收发器必须彼此处在视线范围内，也就是说，dce对接探头必须几乎直接位于ddc站的中心下方，以找到进入ddc站的对接漏斗和充电端口的方法。每个红外收发器都可以有自己的识别码，以便于无人机的引导，即当无人机接近ddc站时相对于ddc站的正确方位角、位置和高度，因此对接探头直接降落在对接漏斗中和ddc站下方，正确的定位和定向。由于当dce装备的对接探头接触ddc站的对接漏斗或dce装备从ddc站释放(未对接)时发生的静电放电和中断静电噪声，红外收发器还可以用于ddc站和dce装备之间的数据通信，例如特别是当静电噪声中断无线电通信并阻止wifi、蓝牙、无线个域网或其他基于无线电的通信正常工作时。
29.本发明提供了用于在存在高架电力线的位置提供对电力和/或网络/数据通信的接入的装置、方法和系统。电力和数据通信可以提供给用于监测环境条件的装备，例如天气、植被生长、火焰和植被事件检测、线路拍打、雷击、火花和森林火灾。本文提供的解决方案可用于偏远地区，在这些地区，获取电力是改善对高架输电线路和电网周围地区的监测和监视的最大限制因素。因此，电力线是这些地区唯一的基础设施，通过本装置和系统，电力和数据通信成为可能。该装备还可用于监视操作(例如车辆交通或闭路电视)，或为无人机、移动电话和iot对象提供无线数据通信。本发明还提供了用于获得和分析设备上的数据或用于将原始数据和/或处理后的结果发送回第三方装备或远程操作平台的系统。
30.在一些实施例中，本文提出的无人机对接站的电力收集部分使用电力收集和调节技术，其中一个或多个电流互感器单元具有其自身的短路分流器、整流电路、平滑电容器，并且并联连接到公共电源输出。在一些实施例中，电力收集部分包括并联连接的多个电流互感器单元。监视设备的电力收集部分进一步采用分流方法操作，该分流方法在不需要时使每个电流互感器的次级绕组完全短路，这终止了该互感器部分的电力收集，并将电流互感器芯中的磁流和干扰降至最低。此外，公共负载并联连接到电流互感器单元的每个整流器的dc电力输出连接，提供具有冷调节的电力收集系统，这使得在高架电力线上提供充电站是可行的。电力收集系统的公共负载可以包括装置的辅助设备以及充电单元或电力存储设备。
31.在一些实施例中，本发明的系统提供了用于无人机(uav)的对接站，其中无人机可以被牢固地存储并充电在高架电力线上的对接站上。对接站从电力线收集和储存电力，并且为了着陆和对接过程的准确性能够使用视觉和/或无线通信来引导无人机。对接站还可以包括用于接收由无人机获得的数据并将该数据通信到远程平台的装置。由无人机获得的数据可用于观测和通信实时环境数据或事件。此外，反映环境条件和事件(例如森林火灾)
的一致和准确的数据由本发明的系统收集，并且可以用于预测这些事件，例如借助于机器学习(ml)和人工智能(ai)。此外，对接站可以向无人机提供数据更新，例如更新的飞行路线，即设备中得数据处理的结果或从远程操作平台中继的结果。
32.在一些实施例中，本发明的对接站不需要外部电源，因为其由从相线周围的电磁场中收集电能的电力收集部分自主供电。对接站的外部可以设计成防止电晕放电并承受恶劣的天气条件。这包括用于对接站壳体的材料的选择、构成壳体的部分的形成以及用于将对接站固定在电力线上的材料的选择。
33.在一些实施例中，本发明的系统为第三方装备(例如但不限于无人机)提供数据处理服务。可以为单个连接得第三方装备提供此类服务，例如用于从无人机得镜头进行图像处理以分析植被生长或用于火灾检测。也可以为多个不相关或相关的第三方设备提供此类服务，例如发送数据以在设备上进行处理并导致例如被发送回每个无人机的更新的飞行路径的一组无人机。
34.以下实施例中的一个或多个单独或组合有助于解决提供适于夹持在高压电力线的相线上的电源输出端和数据通信装置的问题：a)连接/对接结构附接到对接和充电站的壳体或其物理部分，以在无人机被供电以用于在无人机上的操作或充电时固定无人机，并且连接/对接结构安装在高架电力线上，b)对接和充电站中的电力收集部分具有多个电流互感器单元，其直流连接并联连接到公共负载，c)对接和充电站与无人机之间的通信的装置，用于确保安全对接到对接和充电站上，以及d)对接和充电站与无人机之间的数据通信的装置。
附图说明
35.图1示出了安装在高架电力线的相线上具有用于对接uav的对接端口的对接和充电站的实施例。还示出了具有用于与对接端口配合的对接探头的uav。
36.图2示出了对接和充电站上的通信设备。
37.图3示出了具有在对接模式(a)和静止/飞行模式(b)下的对接探头的根据本发明的uav。
38.图4示出了正在接近(a)和对接(b)对接和充电站的uav。
39.图5示出了安装在灯杆上的对接和充电站。
40.图6是示出了用于停放uav的桅杆结构中的遮蔽物。
41.图7示出了使用多个红外串行收发器将uav与对接站的对齐。
42.图8示出了从uav到对接和充电站的具有数据命令和响应消息的通信协议的部分。
43.图9示出了具有从对接和充电站发送到uav或dce的数据命令和响应消息的通信协议的部分。
44.图10示出了显示uav与对接和充电站之间发送的数据负载的数据串示例。
具体实施方式
45.本发明的一个或多个目的是通过独立权利要求中限定的特征来特别解决的。从属权利要求涉及本发明的优选实施例。下面将讨论进一步的附加和/或替代方面。
46.因此，本发明的优选目的中的至少一个通过用于提供与uav(无人机)的对接、充电
和/或数据通信的系统来解决。该系统包括i)至少一个对接和充电站，该对接和充电站还包括：a)壳体，b)供电单元，和c)通信模块，以及ii)一个或多个uav。至少一个对接和充电站的壳体还包括对接和充电单元，该对接和充电单元优选地布置在壳体下方，用于可控地接收、充电和释放一个或多个无人机。此外，一个或多个无人机包括用于对接到对接和充电单元的对接和连接单元，所述无人机对接和连接单元布置在一个或多个无人机的顶表面上。
47.在本上下文中，术语“高架电力线”、“相线”、“电力传输线”和“导体”是指旨在作为高架电力线在高或低电压电平下传输电力的线导体。高架电力传输线的工作电压范围可以从低于1000伏的低压线路到电压电平高于800千伏的超高压高架线路。
48.在本上下文中，术语“操作平台”和“远程数据平台”是指远程集中软件和数据平台，或操作和管理系统，用于从对接电子设备(如无人机和无人机对接和充电站)接收数据，该对接电子设备夹持在高架电力线的导线上。
49.在本上下文中，术语“对接和充电站”、“无人机对接和充电站(ddc)”和“装置”是指具有电源和通信设备的装置，其中该装置被布置用于无人机以在装置的壳体下方飞行和对接。
50.在本上下文中，术语“对接和连接单元”和“对接与连接装备(dce)”是指可以安装在无人机上或设计为无人机的组成部分的连接设备，其中连接设备的一部分可以竖立并连接到无人机对接和充电站的配合结构。
51.下面列出的所有实施例都涉及本发明的装置、系统和方法。
52.在本发明的实施例中，该系统还包括远程数据平台，用于接收由无人机获得的数据并发送到至少一个对接和充电站。
53.在本发明的实施例中，对接和充电站还包括电力存储设备和用于连接到无人机的电源输出端。
54.在本发明的实施例中，电力存储装置是用于帮助无人机的快速充电的超级电容器储能装置。
55.在本发明的实施例中，数据通信模块与一个或多个无人机进行无线通信或使用有线连接进行通信。
56.在本发明的实施例中，无线通信包括移动网络、卫星网络、wi-fi、蓝牙或窄带iot、光导装置、声音引导装置或视觉装置(例如标记或qr码识别标签)、基于3gpp的蜂窝网络(例如gsm、umts、lte、lte-m、ec-gsm-iot和5g-nr)、包括ieee 802.11的无线局域网、包括ieee 802.15(例如蓝牙、zigbee、z-wave、lora)的无线个域网、rfid、包括视觉照明和激光的光通信、声音通信以及视觉通信(例如标记和qr码)中的一个或多个。
57.在本发明的实施例中，外部设备选自但不限于以下设备：相机、传感器、无人机、计算机、移动电话、物联网(iot)对象、飞机、卫星、宽带移动网络小区、全球定位系统(gps)和其他数据收发器设备。
58.在本发明的实施例中，对接和充电站包括对接和充电部分，用于可控制地固定、存储、充电和释放来自对接和充电站的无人机。
59.在本发明的实施例中，对接和充电站还包括用于收集、存储、处理从无人机接收的数据并将其传送到远程数据平台的装置，以及用于将数据从远程数据平台传送到无人机的装置。
60.在本发明的实施例中，对接和充电站和/或远程数据平台还包括用于处理从无人机接收的数据的数据处理装置。
61.在本发明的实施例中，数据处理包括对数据执行操作以对信息进行变换或分类，包括但不限于在指定时间段内对数据序列求平均、频率分析变换、包括下陷、间隙、张力、温度和电流的导体状态的计算、包括线路拍打(slapping)和飞动(galloping)的导体振动分析、线路结冰条件和冰负载的识别、电力线上和电力线周围的火灾事件的检测(包括火花、火焰和野火)、植被和野生动物接触的检测、电网故障事件及其位置的检测、以及图像和视频处理。数据处理还指与电力线和电网无关的信息的任何变换或分类。
62.在本发明的实施例中，数据处理包括用于由无人机提供的单个图像、多个图像和/或hd视频数据的图像数据的图像分析。
63.在本发明的实施例中，该系统包括一个或多个无人机，用于获得电网上和/或电网周围的区域的电力线和桅杆结构的数据。
64.在本发明的实施例中，通过机器学习(ml)和人工智能(ai)过程馈送图像数据，提供实时报告、预测和未来优化，并提高与数据相关的事件的准确性。
65.在本发明的实施例中，数据处理用于定位发生在电力线上或附近的物体或事件的位置，例如但不限于线路故障事件、火灾和线路结冰。
66.在本发明的实施例中，对接和充电站的壳体中的电源输出端形成用于将无人机可释放地固定到对接和充电站的壳体的对接插座。
67.在本发明的实施例中，对接和充电部分适于可释放地附接到装置的壳体，并且其中，对接和充电部分被设计成装配在装置的壳体下面或上面，并且形成待对接和充电的无人机的对接部分。
68.在本发明的实施例中，对接和充电部分还包括连接到电源输出端的电源插座。
69.在本发明的实施例中，该装置还包括用于向无人机供电或为无人机充电的电源输出端。
70.在本发明的实施例中，该装置还包括电力存储设备。
71.在本发明的实施例中，电力存储设备是超级电容器储能装置。
72.在本发明的实施例中，电源输出端也是用于在数据传输和/或充电期间将外部设备可释放地固定到壳体的对接插座。
73.在本发明的实施例中，通过在装置安装在高架电力线上之前或之后将单独的对接和充电站附接到装置的壳体来方便充电。这意味着对接端口和相关部件可以布置在附加部分中，以牢固地附接到可附接到高架电力线的电力收集站。然而，对接端口也可以是工作站的组成部分。
74.在本发明的实施例中，对接和充电站包括用于从装置上可控制地将外部设备(例如，特别是uav)附接、存储、充电和释放的装置。
75.在本发明的实施例中，数据收发器单元包括用于使用网络的标准协议发送和接收通信/数据的电子装备，例如但不限于基于3gpp的蜂窝网络(例如gsm、umts、lte、nb-iot、lte-m、ec-gsm-iot和5g-nr)、包括ieee 802.11的无线局域网、包括ieee 802.15(例如蓝牙、zigbee、z-wave、lora)的无线个域网络、包括ieee 802.3的以太网或其他有线串行协议(例如rs232、rs485、i2c、spi、modbus)。
76.在本发明的实施例中，该装置(数据收发器单元)还包括用于收集从无人机获得的数据并发送到远程数据平台的装置，用于存储、处理和分析来自无人机的数据。
77.在本发明的实施例中，该装置还包括用于处理来自外部设备(例如uav)的数据并将结果发送回外部设备的装置。
78.在本发明的实施例中，对接和充电站还包括用于来自设备的数据和/或处理后的数据发送到远程it平台，并且从远程it平台接收要中继到无人机的数据的装置。
79.在本发明的实施例中，装置的需要能量的所有部件仅由电力收集单元供电。
80.在本发明的实施例中，电力收集单元还包括i)电力收集部分，ii)控制和监视部分，以及iii)电力输出部分。
81.在本发明的实施例中，电力收集部分包括i)至少一个电流互感器单元，ii)dc/dc调节模块，以及iii)充电控制部分。
82.在本发明的实施例中，电力收集部分包括一个或多个电流互感器单元，其中每个电流互感器单元包括：i)芯，其被配置为位于初级线路周围，ii)一个次级绕组，其被布置在至少一个芯中的每个芯周围，其中，每个次级绕组具有第一端和第二端，iii)整流器，其被配置为将交流电转换为直流电，其中，整流器包括用于交流电的两个ac连接和用于直流电的两个dc连接，其中，次级绕组的第一端和第二端连接到所述整流器的ac连接，以及iv)电流分流器，其被布置和配置为使次级绕组的端部完全短路，其中，公共负载连接至电流互感器单元的dc连接，并且其中，电流互感器单元的整流器的dc连接并联到公共dc电源输出。
83.在本发明的实施例中，电力收集部分包括多个电流互感器单元。在这样的实施例中，连接到负载的整流器并联连接，并且对于每个电流分流器，分流控制器单元用于控制各个分流器单元的状态。此外，每个分流控制器单元包括电压电平状态输入并且被配置为根据电压电平状态输入来控制各个分流器单元的状态，其中每个电压电平状态输入基于负载两端的电压，并且其中每个分流控制器单元可以包括时钟输入，其中每个控制器单元被配置为仅根据时钟输入改变各自分流器单元的状态。此外，在这样的实施例中，该系统还包括用于检测感测到的电流的过零状态的过零检测元件和系统控制单元，其中系统控制单元被配置为基于负载两端的电压来产生用于每个分流控制器单元的电压电平状态输入。
84.在本发明的实施例中，每个整流器包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管mosfet，例如至少4个mosfet。
85.在本发明的实施例中，每个电流分流器包括多个mosfet，例如至少2个mosfet。
86.在本发明的实施例中，一个或多个电流互感器单元中的每一个的电力输出可独立地连接到公共电力输出。
87.在本发明的实施例中，电流互感器单元基于公共电力输出所需的电力独立地接通或断开。
88.在本发明的实施例中，该装置还包括用于外部设备(例如无人机)的连接器和夹持机构。
89.在本发明的实施例中，该装置还包括加热器以将单元和传感器的部件保持在其最佳推荐操作温度的范围内。
90.在本发明的实施例中，该装置还包括冷却机构和空气通风，以将单元和传感器的部件保持在其最佳工作温度的范围内，例如用于中央处理单元(cpu)和dc/dc电源模块的冷
却风扇。
91.在本发明的实施例中，该装置还包括用于无线通信、移动网络、卫星网络、wi-fi、蓝牙和全球定位系统(gps)的天线。
92.在本发明的实施例中，控制和监视部分还包括i)至少一个主控制器，ii)电源管理控制器，以及iii)测量和数据采集模块。
93.在本发明的实施例中，输出部分还包括用于一个或多个感测或测量设备以及无线通信模块的电源输出。
94.在本发明的实施例中，操作平台是软件和数据平台。
95.在本发明的实施例中，无人机对接和充电站包括电信设备，例如，使用lte连接的移动路由器(或其他可用的无线电接入网络)，以连接到外部世界，用于ddc站的操作和维护以及用于将数据从无人机传输到控制中心。
96.在本发明的实施例中，无人机对接和充电站包括wi-fi无线通信装备，该设备能够与外部设备(例如dce装备和无人机)以及周围环境中的其他设备进行以太网通信。
97.在本发明的实施例中，无人机对接和充电站包括基于ieee 802.15标准(例如蓝牙、zigbee、z-wave、lora)的无线通信装备，该无线通信设备使得能够与外部设备(例如dce设备和无人机)以及周围环境中的其他设备进行无线通信。
98.在本发明的实施例中，无人机对接和充电站包括lora无线通信装备，该设备能够与外部设备(例如dce、无人机)以及周围环境中的其他设备进行无线通信。
99.在本发明的实施例中，无人机对接和充电站包括串行红外收发器，该串行红外收发器能够在ddc站和无人机或其dce之间进行无线(红外)通信，并且用于在对接和连接到ddc站的最后阶段引导dce和无人机。
100.在本发明的实施例中，无人机对接和充电站包括用于精确测量ddc站和dce之间的距离的lidar收发器，并且用于在对接和连接到ddc站的最后阶段引导dce。
101.在本发明的实施例中，无人机对接和充电站包括读取dce的背面的qr码的高分辨率相机，并用于在对接和连接到ddc站的最后阶段引导dce。
102.在本发明的实施例中，无人机对接和充电站包括rtk基站，用于提高用作rtk探测器的基于gnss的无人机定位设备(如gps或其他类型)的精度。
103.在本发明的实施例中，无人机对接装备包括wi-fi无线通信装备，该设备能够与ddc站和无人机进行以太网通信。
104.在本发明的实施例中，无人机对接装备包括基于ieee 802.15标准(例如蓝牙、zigbee、z-wave、lora)的无线通信装备，该无线通信设备能够与外部设备(例如dce装备和无人机)以及周围环境中的其他设备进行无线通信。
105.在本发明的实施例中，无人机对接装备包括lora无线通信装备，该设备能够与外部设备(例如dce装备和无人机)以及周围环境中的其他设备进行无线通信。
106.在本发明的实施例中，无人机对接装备包括串行红外收发器，该串行红外收发器能够在ddc站和dce之间进行无线(红外)通信，并且用于引导dce和无人机到达对接和连接ddc站的最后阶段。
107.在本发明的实施例中，无人机对接装备包括有线串行通信设备协议(例如但不限于rs232、rs485、i2c和spi)用于dce与其所附接的无人机的飞行控制单元之间的通信。
108.在本发明的实施例中，无人机对接装备包括环境光检测器。
109.在本发明的实施例中，至少一个对接和充电设备以及一个或多个无人机还包括用于高精度双向空中导航的多个红外串行收发器，用于最终接近无人机对接单元的无人机对接漏斗。
110.在本发明的实施例中，多个红外串行收发器使用唯一的双向通信协议进行通信，该双向通信协议通信在对接和充电设备下方的无人机对接单元的确切位置。因此，在示例性实施例中，无人机对接单元的红外串行收发器a必须与对接和充电设备(ddc)的红外串行收发机a完全一致，以使无人机正确对准和定位。这同样适用于都在ddc上具有相应的收发器的红外串行收发器b、c和d。如图7所示。
111.在本发明的实施例中，红外串行收发器通信数据包括多个红外串行收发器中的每一个(例如两个或三个或优选地至少四个)的唯一标识号，例如对接和充电设备的底部的每个角落中或附近的一个，以及无人机对接单元或对应于无人机本身的顶部的每个角落上的一个。
112.在本发明的实施例中，定位数据不仅包括串行红外收发器的传输数据，还包括对接和充电设备中的lidar收发器的高精度测量数据，从而允许在对接之前测量对接和充电设备与无人机对接单元之间的距离的厘米精度。
113.在本发明的实施例中，当周围静电放电和其他高频干扰可以妨碍对静电和电磁敏感的其他无线通信设备的正常操作时，串行红外收发器接管对接和充电设备与无人机对接单元之间的所有数据通信。
114.应该注意的是，用于对接和着陆的无人机的精确对准的成对红外收发器的上述方面和新颖的使用也可以用在其他配置中。因此，在一个实施例中，对接和充电站可以具有面向上的对接端口和面向上的红外收发器，用于具有适当对接机构的无人机从上方着陆和对接，并且具有与站的收发器通信的面向下的红外收发器，因此uav将必须正确地对收发器进行配合，然后其被精确地对准以着陆(基本上如上所述)，除了uav从上方降落到面向上的对接端口。
115.根据以下给出的详细描述和附图，将更加充分地理解本发明，这些附图仅以示例性的方式给出，因此不限制本发明，并且其中：
116.图1概述了本发明系统的主要部件，用于提供与无人机进行充电和/或数据通信的设备。该图示出了夹持在高架电力线的相线10上的无人机对接和充电站(ddc)1。无人机对接和充电站1包括壳体2和壳体下方的对接和充电单元3。在图1所示的实施例中，对接和充电单元布置在壳体2的底面内，其中对接和充电单元3分为引导部分4和固定部分5，用于从对接和充电设备控制地对接、固定、存储/停放和释放无人机。该图还示出了无人机6，该无人机6具有附接到无人机的对接和连接单元(dce)7，其中对接和连接单元7包括对接探头8和连接部分9，对接探头8和连接部分9具有配合结构以配合到对接和充电单元3的固定部分5。对接和连接单元7通过系带缰绳11附接到无人机，使得对接和连接单元7位于无人机的顶面上，用于根据本发明在无人机对接和充电站1下方对接。
117.图2示出了本发明地无人机对接和充电站1上的通信设备的布置。在图2a中，在对接和充电站1的壳体2的底面上围绕对接和充电单元3指示了四个红外串行收发器12，用于与无人机(未示出)或其相关dce上的兼容或配合的红外串行收发器通信，以在无人机到对
接和充电站1的无人机对接单元3的最终对接距离期间实现高精度空中导航。此外，对接和充电站1还包括在对接和充电站壳体2的底面中指示的lidar收发器13，以提供用于在无人机到达对接和充电站1的最终行进距离中的高精度空中导航的远距离和局部测量。此外，在对接和充电站1的底面上示出了高分辨率相机14，用于读取无人机的顶面上的qr码(未显示)，以在无人机到ddc的对接和充电单元3的最终行进和对接距离内实现高精度空中导航。
118.在图2b中，在对接和充电站壳体2的顶面上示出了rtk基站15，用于提高包括rtk探测器设备的基于gnss的无人机的对接精度。此外，在对接和充电站壳体2的顶面上示出了移动通信天线16，以及用于通信标准的附加天线17，例如但不限于wi-fi、蓝牙和zigbee等。
119.图3示出了飞行无人机的立体俯视图，其中对接探头8处于竖立对接位置(a)和水平移动位置(b)。此配置中的无人机6具有附接到无人机壳体的顶面的对接和连接单元7。该图示出了具有竖立对接探头8的飞行无人机。在对接和连接单元7的顶面的角落附近指示了四个红外串行收发器12，用于与对接和充电站1(未示出)中的兼容或配合的红外串行收发器通信，以能够在无人机与对接和充电站1的无人机对接单元3的最终对接距离内实现高精度空中导航。在对接和连接单元7的顶面上示出了qr码40，用于通过对接和充电站壳体2(未示出)的底面上的高分辨率相机进行识别，以在无人机到对接和充电单元3的最终行进和对接距离内实现高精度空中导航。
120.图4示出了无人机6接近无人机对接站1(图4a)，其中对接探头8处于竖立对接位置，并且半球形连接部分9位于对接探头的端部。在图4b中，无人机6安全地坐在无人机对接站1中，其中无人机对接单元3的配合夹持部分5将半球形连接部分9保持在对接探头8的端部。
121.图5示出了本发明的实施例，其中无人机对接站1被夹持在灯杆19上，并且无人机6从下方接近对接站1以便从下方对接对接站。
122.在图6中示出了实施例，其中无人机6停放在遮蔽物20中，该遮蔽物固定在电网的桅杆结构21中，该遮蔽物有利于在较长的停放期间或极端天气条件下保护无人机。
123.图7在四个面板中示出了一个实施例，其中多个红外串行收发器排列成四对，用于对准用于对接的无人机。
124.面板a：uav正在接近对接和充电站。uav上的串行红外收发器(或紧固到uav(dce)上的相关对接和充电锚单元)开始发送空中导航信号，寻找对接和充电站(ddc)上的配合串行红外收发器。
125.面板b：在ddc站上的串行红外收发器12c处检测到dce串行红外收发器22a数据通信信号，这是不正确的位置，因此uav在对接前继续空中导航以校正其在ddc站下方的位置。因为ddc站已经检测到dce串行红外收发器信号，所以它打开lidar收发器23，开始以毫米分辨率测量ddc站和dce之间的距离。
126.面板c：无人机上的uav(或相关dce)在对接前继续空中导航，以到达ddc站下方的正确位置。
127.面板d：uav(或dce)上的所有四个串行红外收发器现在都已对齐，并与ddc站上的配合收发器通信，因此uav正确对齐并定位在ddc站的中心的正下方。因此，uav在lidar收发器23的帮助下可以向上导航到对接漏斗(引导漏斗)并进入ddc站的对接端口。
128.示例1-用于无人机的串行红外通信协议
129.在示例中，dce装备的顶盖下方有四个串行红外收发器，每个角落一个。红外收发器与ddc站的底部四个角落的相同收发器通信，以使dce装备及其所连接的无人机能够在连接到ddc站之前被精确引导到最后一米。红外收发器的视角保持较窄，以确保收发器必须与两侧的配合红外收发器在视线范围内，以确保dce装备对接探头位于ddc站的中心正下方，从而找到进入ddc站对接漏斗和对接端口的方法。每个红外收发器都有自己的识别码，以便于无人机的引导，即正确的方位角(azimuth heading)、ddc站的对接漏斗下方的精确位置和高度、到充电站的最后几米。这是为了确保将对接探头直接固定在ddc站下方的对接漏斗中。
130.对接探头可以由导电材料制成，并位于dce装备的顶部，具有两种功能：i)将无人机牢固地对接并附接到ddc站，以及ii)将来自ddc站的充电电流通过dce装备连接到无人机的电池充电端口。无人机通过有线串行通信的帮助直接或通过dce装备向ddc站报告用于无人机电池组所需的电压电平(3.7v-7.4v-11.1v-14.8v-18.5v-22.2v等)，以及充电速率曲线，以确保充电过程的正确电压和电流水平。
131.图8至图10所示的串行通信协议的工作原理如下：
132.串行红外收发器通过标准uart接口连接到通信设备(ddc和dce)中的微控制器。两个串行红外收发器之间的最大传输距离为8米。比特率的范围从9.6kbit/s到115.2kbit/s。图8概述了从无人机到充电站的通信协议，其中一组有限的数据命令和响应从无人机或dce装备发送到ddc站的消息。在图9中，用于从充电站到无人机通信的通信协议，其中示出了从ddc站发送到dce或无人机的一组有限的数据命令和响应消息。
133.串行红外收发器空中引导功能和数据通信基于由本发明者设计的专有通信协议。以下是关于此应用程序中使用的数据请求和命令字符串的许多示例中的一些示例。这些示例不受限制，并且如果适用，可以在本发明的不同实施例中进行改进。图8概述了用于从无人机到充电站通信的通信协议，其中示出了从无人机或dce到ddc站发送的一组有限的数据命令和响应消息。图9示出了用于从充电站到无人机通信的通信协议，其中示出了从ddc站到dce或无人机发送的一组有限的数据命令和响应消息。图10示出了在空中导航模式和服务请求模式下的串行红外收发器字符串示例。示例被指示为示出对接过程中(在空中导航模式下)dce(无人机)和ddc站之间发送的数据负载的数据串示例，以及示出充电过程中(在服务请求模式下)dce(无人机)和ddc站之间发送的数据负载的数据串示例。
134.如在本文中(包括在权利要求书中)所用，除非上下文另有指示，否则本文中的单数形式的属于应理解为也包括复数形式，反之亦然。因此，应该注意的是，除非上下文另有明确规定，否则如本文中所用的单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数形式。
135.在整个说明书和权利要求中，术语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”及其变体应理解为“包括但不限于”的含义，而不旨在排除其他组成部分。
136.本发明还涵盖了确切的术语、特征、值和范围等，如果这些术语、特征、值和范围等与诸如大约、大概、一般、大体上、基本上、至少等的术语结合使用(即，“大约3”也应恰好包括3或“基本上恒定”也应正好包括恒定)。
137.应当理解，术语“至少一个”指“一个或多个”，因此包括具有一个或多个部件的两个实施例。此外，无论是当该特征被称为“所述”还是“至少一个”时，引用以“至少一个”描述特征的独立权利要求的从属权利要求具有相同的含义。
138.使用示例性语言，例如“举例来说”、“如”、“例如”等，仅仅是为了更好地说明本发明，而不指示对本发明的范围的限制，除非如此要求。除非上下文另有明确指示，说明书中描述的任何步骤都可以以任何顺序或同时执行。
139.说明书中所公开的全部特征和/或步骤可以以任何组合进行组合，但这些特征和/或者步骤中的至少一些会相互排斥的组合除外。特别地，本发明的优选特征适用于本发明的所有方面，并且可以以任何组合使用。

技术特征：
1.一种用于无人机uav的对接和充电站，包括：壳体，所述壳体被配置为紧固到地上结构，所述地上结构在所述壳体下方提供离地间隙，所述对接和充电站包括电源单元、通信模块和布置在所述壳体下方的对接端口，所述对接端口用于接收和对接从uav向上延伸的配合和对接单元，所述对接端口和所述对接单元提供用于为对接的uav充电的电连接。2.根据权利要求1所述的对接和充电站，其中，所述壳体被配置为被夹持在高架电力线的导体上，并且包括用于从围绕所述导体的电磁场收集电力的电力收集部分，所述电力收集部分向所述供电单元供应电力。3.根据权利要求1所述的对接和充电站，其中，所述壳体被布置为被夹持在结构上，例如灯杆或桅杆结构的水平部分，并且其中，所述供电单元从外部电源获得电力。4.根据权利要求1至3中任一项所述的对接和充电站，其中，至少一个所述对接和充电站的所述壳体被布置为被夹持在高架电力线的导体上，并且其中，至少一个所述对接和充电站还包括用于从围绕所述导体的电磁场中收集电力的电力收集部分。5.根据前述权利要求中任一项所述的对接和充电站，包括用于对所述uav进行快速充电的充电单元。6.根据前述权利要求中任一项所述的对接和充电站，还包括电力存储设备。7.根据权利要求6所述的对接和充电站，其中，所述电力存储设备包括用于对所述uav进行快速充电的超级电容器储能设备。8.根据前述权利要求中任一项所述的对接和充电站，其中，所述对接端口包括用于可控地对接、固定、存储/停放和释放所述uav的引导和固定部分。9.根据权利要求8所述的对接和充电站，其中，所述引导部分包括位于所述壳体的底表面中的锥形或漏斗状结构，用于接收所述uav的配合对接单元。10.根据权利要求8所述的对接和充电站，其中，所述引导和固定部分包括用于将所述uav的对接和充电单元固定到所述对接和充电站的夹持或抓握机构。11.根据前述权利要求中任一项所述的对接和充电站，其中，所述对接端口适于可释放地附接到所述壳体，并且其中，所述对接端口被配置为固定到所述壳体并且提供用于将所述uav可释放地固定到所说壳体的对接插座。12.根据前述权利要求中任一项所述的对接和充电站，包括以下中的一个或多个：-红外串行收发器，-激光雷达lidar传感器，-实时动态rtk基站，以及-高分辨率相机，用于将uav导航至所述对接和充电站。13.一种用于提供与无人机uav的对接、充电和数据通信的系统，所述系统包括：-至少一个根据权利要求1至12中任一项所述的对接和充电站，-一个或多个uav，并且其中，所述一个或多个uav每个都包括所述对接单元，所述对接单元被配置为与所述对接和充电站的对接端口配合，所述对接单元被布置在每个所述uav的顶部。14.根据权利要求10至13中任一项所述的系统，其中，所述uav上的所述对接单元包括对接探头和连接头或锚，所述对接探头和连接头或锚具有与所述对接和充电站上的所述对
接端口的配合结构。15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述对接单元布置在所述uav的壳体内，其中所述对接探头和连接头或锚从所述uav的所述壳体向上延伸。16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述对接单元可拆卸地固定到所述uav的外部，所述对接单元包括用于充电和数据传输的电连接。17.根据权利要求14所述的系统，其中，所述对接探头被布置为在所述无人机的飞行期间处于静止或飞行模式，以及用于对接、停放和释放的竖立对接模式。18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述对接探头包括杆，所述杆被配置为在静止或飞行模式中处于与顶表面基本上对准的水平位置，并且在对接模式中被竖立到基本上竖立位置。19.根据权利要求13至18中任一项所述的系统，其中，至少一个所述对接和充电站和所述一个或多个uav中的每一个还包括多个红外串行收发器，用于所述uav在到所述对接端口的最终距离的高精度空中导航。20.根据权利要求13至18中任一项所述的系统，其中，至少一个所述对接和充电站还包括用于距离和位置测量的激光雷达lidar收发器，用于所述uav在到所述对接端口的最终距离的高精度空中导航。21.根据权利要求13至20中任一项所述的系统，其中，所述至少一个对接和充电站还包括高分辨率相机，所述高分辨率相机用于读取所述一个或多个uav或所述对接单元上的qr码，用于所述无人机的高精度空中导航到所述对接端口的最终距离。22.根据权利要求13至21中任一项所述的系统，其中，至少一个所述对接和充电站还包括用于改进飞行导航和对接精度的实时动态rtk基站，并且所述uav是基于全球导航卫星系统gnss的并且还包括实时动态rtk漫游器设备，例如但不限于全球定位系统gps设备。23.根据权利要求13至22中任一项所述的系统，其中，至少一个所述对接和充电站还包括用于处理从所述uav接收的数据的数据处理装置。24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述数据处理用于定位发生在所述电力线上或附近的物体或事件的位置，所述物体或事件例如但不限于线路故障事件、火灾和结冰。25.根据权利要求13所述的系统，其中，所述通信模块包括用于与所述一个或多个uav通信的收发器设备。26.根据权利要求13所述的系统，其中，所述对接和充电站与所述一个或多个uav进行无线通信或使用有线连接进行通信。27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述无线通信包括移动网络、卫星网络、wi-fi、蓝牙或窄带物联网iot、光导装置、声音引导装置或视觉装置(例如qr码识别标签)、基于3gpp的蜂窝网络(例如gsm、umts、lte、lte-m、ec-gsm-iot和5g-nr)、包括ieee 802.11的无线局域网、包括ieee 802.15(例如蓝牙、zigbee、z-wave、lora)的无线个域网、射频识别rfid、包括视觉照明和激光的光通信、声音通信以及视觉通信(例如标记和qr码)中的一个或多个。28.根据权利要求13所述的系统，其中，所述系统还包括远程数据平台，所述远程数据平台用于接收由所述一个或多个uav获得的数据并且用于向所述一个或多个uav发送数据。29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述对接和充电站还包括用于收集、存储、处理
从所述一个或多个无人机接收的数据并将其传送到所述远程数据平台的装置，以及用于将数据从所述远程数据平台传送到所述一个或多个uav的装置。30.根据权利要求13所述的系统，其中，所述系统还包括用于从一个或多个所述对接和充电站发送数据和/或将数据中继到提供移动覆盖的位置或用于与远程平台通信的其他电信装置的一个或多个无线网络网状设备。31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述一个或多个无线网络网状设备包括电源和通信模块。32.根据权利要求31所述的系统，其中，所述电源是用于通过相线传输的电流的磁感应来发电的电力收集部分。33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述通信模块是无线网络网状设备。34.一种无人机uav对接和充电锚单元，所述uav对接和充电锚单元被配置为可拆卸地或固定地紧固到uav，所述单元包括从所述无人机向上延伸的杆或臂，以及在所述杆或臂上向远侧布置的对接头，所述对接头装配到uav对接和充电站的面向下的配合对接端口中，所述锚单元包括电连接和导体，用于允许从所述对接和充电站中的电源对所述uav的电源进行充电。35.根据权利要求34所述的uav对接和充电锚单元，其中，所述杆或臂布置在铰链上，允许所述杆或臂处于向上延伸的对接位置和折叠的飞行位置。36.一种无人机uav，包括根据权利要求34或35所述的uav对接和充电锚单元。37.一种用于对接无人机uav的系统，包括：用于无人机uav的对接和充电站，所述对接和充电站包括电源单元、通信模块和对接端口，一个或多个uav，其中，至少一个所述对接和充电站和所述一个或多个uav包括多个红外串行收发器，用于往返于所述对接和充电站与所述uav的高精度双向空中导航，并且其中，所述多个红外串行收发器使用双向通信协议进行通信，以确定所述uav相对于所述对接和充电单元的确切位置。38.根据权利要求38所述的系统，其中，所述多个红外串行收发器被布置成多对，使得对于每对，所述对接和充电站的收发器及其在所述uav上的配合收发器被对准以用于待对接的所述uav的正确位置。39.根据权利要求37或38所述的系统，其中，所述对接和充电站包括壳体，所述壳体被配置为紧固到地上结构，所述地上结构在所述壳体下方提供接地间隙。40.根据权利要求39所述的系统，其中，所述对接和充电站根据权利要求1至12中任一项所述。41.根据权利要求40所述的系统，其中，所述对接端口被配置用于接收从所述一个或多个uav中的每一个的向上延伸的对接和充电杆或锚。42.根据权利要求43所述的系统，其中，所述一个或多个uav是根据权利要求40所述的uav。43.根据权利要求37或38所述的系统，其中，所述对接端口面向上，用于从上方接收和对接所述uav。

技术总结
本发明涉及用于无人机(UAV)的对接和充电站，该对接和充电站包括壳体，该壳体被配置为紧固到地上结构，该地上结构在壳体下方提供离地间隙，该对接和充电站包括电源单元、通信模块和用于接收和对接UAV的对接端口。还提供了被配置为对接在所提供的对接和充电站中的UAV。UAV。UAV。


技术研发人员：奥斯卡
受保护的技术使用者：莱基动力公司
技术研发日：2022.01.05
技术公布日：2023/10/5