Базовая станция беспилотного летательного аппарата

Полезная модель относится к области техники, связанной с эксплуатацией беспилотных летательных аппаратов, в частности к устройствам для автоматической замены батарей беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Полезная модель предназначена для базирования БПЛА, обеспечения его автоматического взлета и посадки, загрузки/разгрузки/замены груза (посылки, полезной нагрузки) на летательном аппарате, хранения и выдачи его потребителю (получателю), а также замены и зарядки источников электропитания.
Недостатком БПЛА является относительно малая продолжительность их работы из-за ограничения емкости бортового электрического аккумулятора.
Первый способ продления полетного времени - подзарядка аккумуляторов посредством стационарной зарядной станции (см. патент RU 2593207 С1, МПК H02J 7/00, 10.08.2016].
Однако при этом требуется значительное время зарядки, что не всегда возможно в условиях военного использования и в др. чрезвычайных ситуациях.
Второй способ продления полетного времени - оперативная замена бортового аккумулятора посредством станции замены аккумуляторов, как правило в полевых условиях и преимущественно в автоматическом режиме
Известна станция автоматической замены аккумуляторов для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), содержащая платформу для установки БПЛА и устройство временной его фиксации на ней. Станция содержит магазин заряженных электрических аккумуляторов и устройство автоматической замены ими отработанных аккумуляторов на БПЛА. Устройство автоматической замены отработанных аккумуляторов сопряжено с  магазином  револьверного типа (см. патент РФ №2 696 632, МПК B64C 39/02, H01M 10/46,  B64F 1/18 (2006.01), 2019 г.).
Известна станция автоматической замены аккумуляторов беспилотных летательных аппаратов, содержащая платформу для установки БПЛА, револьверную головку хранения и зарядки аккумуляторов. Станция  содержит два линейных привода, фронтальный и тыловой толкатель, корпус для аккумулятора, установленный в револьверной головке (см. патент РФ №181 757, МПК H01M 10/46, B64C 31/00,  B64C 99/00,  B60K 1/04, B64C 39/02 (2006.01), 2017 г.).
Недостатком указанных станций является сложность устройства, связанная с выполнением магазина хранения аккумуляторов в виде револьверной головки.
Известно устройство автоматической замены батарей, состоящее из корпуса, площадки на которой размещают транспортное устройство, толкателей, обеспечивающих центрирование транспортного устройства внутри площадки, двух разъемов для зарядки батарей, расположенных по разные стороны площадки напротив друг друга, один из которых свободен, а во втором размещена батарея, толкателей, обеспечивающих перемещение батареи из разъема устройства в беспилотный летательный аппарат, а батарея, которая располагается на беспилотном летательном аппарате, - в разъем для зарядки, и системы управления (см. патент РФ № 2 698 963, МПК B60S 5/06,  B60L 53/80,  B64F 1/36 (2006.01), 2019 г.).
Недостатком данного устройства является его неработоспособность, т.к. использованная батарея должна быть вытолкнута заряженной батареей, и доставлена на пункт зарядки.  Для этого заряженная батарея должна сначала пройти место фиксации в БПЛА, а затем вернуться назад, что не может быть обеспечено толкателем. Именно поэтому реализация способа не раскрыта в данном патенте должным образом.
Известна станция энергоснабжения беспилотного летательного аппарата (БПЛА), которая содержит: зону посадки БПЛА, сконфигурированную для поддержки БПЛА, когда БПЛА находится на станции. Указанный БПЛА соединен с первой батареей, сконфигурированной для питания БПЛА. Вторая батарея размещена в указанной станции,  и способна питать беспилотник при подключении к беспилотнику. Станция содержит блок зарядки аккумулятора, способный заряжать первый аккумулятор БПЛА и один или несколько процессоров, индивидуально или коллективно сконфигурированных для приема посредством беспроводной связи информации о состоянии заряда первой батареи и формирования инструкции (а) перед посадкой БПЛА в зону посадки БПЛА, и (b) в зависимости от состояния зарядки первой батареи, для осуществления выбора между: (1) заменой второй батареи на первую батарею, так что первая батарея отсоединяется от БПЛА, а вторая батарея соединена с БПЛА, и ( 2) заряжать первую батарею с помощью зарядного устройства, тем самым обеспечивая быструю замену батареи или зарядку БПЛА для его работы. Подвижный аккумуляторный блок выполнен в виде карусели для множества удерживающих станций для приема батареи. Удерживающие станции могут вращаться вокруг оси вращения, ориентированной в горизонтальном направлении. Подвижный аккумуляторный блок может содержать по меньшей мере четыре удерживающие станции. Подвижный блок хранения батареи может включать в себя блок зарядки батареи, способный заряжать по меньшей мере одну батарею в удерживающей станции. Подвижный аккумуляторный блок может быть расположен под посадочной площадкой БПЛА. В некоторых случаях заменяющий элемент батареи может быть механическим подъемником. Механический лифт также может быть выполнен с возможностью отсоединения первой батареи от БПЛА. Механический лифт может включать в себя зажим манипулятора, который может захватывать первую батарею для отсоединения первой батареи от БПЛА. Механический лифт может производить горизонтальное движение, чтобы отделить первую батарею от БПЛА. Механический подъемник может осуществлять вертикальное перемещение, чтобы транспортировать первую батарею к подвижному блоку хранения батареи. Механический лифт может осуществлять вертикальное перемещение второй батареи от подвижного блока хранения батареи к БПЛА. Механический лифт может влиять на горизонтальное перемещение второй батареи, соединяемой с БПЛА. (см. патент US9139310, МПК  B64B1/24; B64C39/02; B64F1/18; B64F1/20; B64F1/36, 2015 г.).
Недостатком данного решения является сложность конструкции подвижного аккумуляторного блока, предназначенного для замены батареи БПЛА.
Известна базовая станция беспилотного летательного аппарата (БПЛА), включающая в себя посадочную поверхность для обеспечения возможности приземления беспилотного летательного аппарата, имеющего батарейный блок БПЛА, на посадочную поверхность и систему замены батарей, включающую в себя аккумуляторную матрицу батарей и механический механизм. Аккумуляторная матрица включает в себя множество аккумуляторных отсеков, каждый из которых выполнен с возможностью съемного размещения аккумуляторного блока БПЛА (см. патент US 2019/0329740 A1, МПК B60S5/06; B64C39/02; H02J7/00 (2019.01), 31.10.2019) Данное решение принято за прототип.
Недостатком прототипа является сложность устройства подачи аккумуляторных батарей.
Полезная модель решает техническую проблему упрощения базовой станции и ускорения обслуживания БПЛА на базовой станции.
Поставленная проблема решается за счет того, что в известной базовой станции беспилотного летательного аппарата, содержащей посадочную поверхность и систему замены батарей, включающую в себя матрицу аккумуляторных батарей с множеством аккумуляторных отсеков, каждый из которых выполнен с зарядным устройством для зарядки и с возможностью съемного размещения аккумуляторной батареи и механизм подачи, расположенные под посадочной поверхностью, в соответствии с полезной моделью, матрица аккумуляторных батарей выполнена с возможностью возвратно-поступательного горизонтального перемещения, а механизм подачи в виде механического подъемника, выполнен с возможностью вертикального перемещения с захватом аккумуляторного отсека.
Подвижная матрица аккумуляторных батарей снабжена шаговым двигателем, обеспечивающим возвратно-поступательное перемещение.
Механический подъемник снабжен линейным приводом.
Аккумуляторные отсеки для приема аккумуляторов снабжены крючками, обеспечивающими отсоединение аккумулятора БПЛА.
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, состоит в упрощении базовой станции и ускорении обслуживания БПЛА на базовой станции.
Выполнение матрицы аккумуляторных батарей с возможностью возвратно-поступательного горизонтального перемещения, а механизм в виде механического подъемника, с возможностью вертикального перемещения с одновременным захватом аккумуляторного отсека обеспечивает упрощение базовой станции и ускорение обслуживания БПЛА на базовой станции за счет быстрой замены разряженного  аккумулятора БПЛА на заряженный. Таким образом, БПЛА готов к выполнению нового задания практически сразу.
При этом значительно упрощается конструкция станции и обеспечивается надежность ее работы.
Фиг. 1 – станция, общий вид в разрезе;
Фиг. 2 – станция, общий вид в разрезе в момент снятия отработанного аккумулятора с БПЛА;
Фиг. 3 – частичный вид станции с аккумулятором, поставленным на зарядку – все аккумуляторные отсеки заняты;
Фиг. 4 – вид на подвижную матрица аккумуляторных батарей;
Фиг. 5 – подъемник с аккумуляторным отсеком;
Фиг. 6 – аккумулятор в стакане БПЛА;
Фиг. 7 – вид на платформу.
Базовая станция беспилотного летательного аппарата содержит посадочную поверхность 1 для установки БПЛА. Посадочная поверхность 1 выполнена с возможностью независимого вертикального подъема и опускания. Под посадочной поверхностью 1 расположена подвижная матрица аккумуляторных батарей 2 с множеством аккумуляторных отсеков 3 для приема аккумуляторов 4. Один из аккумуляторных отсеков 3 постоянно свободен и предназначен для приема разряженного аккумулятора БПЛА. Аккумуляторные отсеки 3 для приема аккумуляторов снабжены крючками 5, обеспечивающими отсоединение аккумулятора БПЛА (см. фиг. 1, 2, 3, 4).
Подвижная матрица аккумуляторных батарей 2 снабжена зарядными устройствами 6, принадлежащими каждому аккумуляторному отсеку 3, для обеспечения зарядки аккумуляторов. Подвижная матрица аккумуляторных батарей 2 установлена на направляющих 7 с возможностью возвратно-поступательного горизонтального перемещения. Возвратно-поступательное перемещение подвижной матрицы аккумуляторных батарей 2 обеспечивает шаговый двигатель 8.
Аккумуляторные отсеки 3 установлены на пластине 9 матрицы аккумуляторных батарей 2 и зафиксированы посредством штырей 10 зарядного устройства 6. Аккумуляторные отсеки 3 состоят из верхней 3а и нижней 3б площадок. На верхней площадке 3а выполнены угловые ограничители 3в, с помощью которых обеспечена ориентация аккумулятора 4 на аккумуляторном отсеке 3, ее фиксация при перемещении аккумуляторного отсека к БПЛА и на матрицу аккумуляторных батарей 2 и четкое попадание клемм аккумулятора 4 на штыри 10 зарядного устройства 6.  Пластина 9 жестко соединена с подвижной матрицей аккумуляторных батарей 2. В центральной части пластины 9 выполнены отверстия 11 (см. фиг.4).
Подвижная матрица аккумуляторных батарей 2 снабжена механизмом подачи в виде механического подъемника 12, выполненным с возможностью вертикального перемещения и зацепления с одним из аккумуляторных отсеков 3. Механический подъемник 12 зацепляется либо со свободным аккумуляторным отсеком 3 для его подъема к БПЛА и приему разряженного аккумулятора 4, либо с аккумуляторным отсеком 3, снабженным заряженным аккумулятором 4 для его установки на БПЛА. Механический подъемник 12 снабжен линейным приводом 13 и выполнен телескопическим.
Станция может быть выполнена из композитного материала (двухсторонняя оболочка из алюминия, наполнитель - пластик).
В нишах 14 по бокам станции установлена управляющая электроника.
На посадочной поверхности 1 установлены рейлинги 15,  а также выполнен люк 17 со сдвижной крышкой 18. Рейлинги 15 предназначены для точного позиционирования БПЛА 16 на посадочной поверхности 1. Рейлинги 15 могут выполнять функцию подзарядки и поддержания напряжения аккумулятора 4, находящегося в БПЛА. Станция снабжена раздвижной крышей 19 (см. фиг. 1). Разведение частей крыши 19, подъем посадочной поверхности 1, открытие люка 17 (для подачи аккумулятора), подача и изъятие аккумулятора 4  из БПЛА выполняется с помощью линейных приводов 19. Каждая операция контролируется концевиками (условно не показаны). В качестве концевиков используются датчики Холла и инфракрасные датчики.
Сведение и разведение рейлингов 15 осуществляют коллекторные двигатели посредством передачи шестерня-рейка (условно не показаны, т.к. не относятся к сущности полезной модели). При каждой посадке БПЛА на станцию осуществляется смена аккумулятора на заряженный.
Устройство работает следующим образом.
Управление станцией производится в автоматическом режиме за счет программного обеспечения, заложенного в управляющую электронику.
Перед посадкой  БПЛА автоматически раздвигаются части крыши 19 и посадочная поверхность 1 поднимается для приема БПЛА.  Посадка БПЛА на посадочную поверхность 1 осуществляется с применением системы особо точной посадки.
Подвижная матрица аккумуляторных батарей 2 с множеством аккумуляторных отсеков 3 для приема аккумуляторов 4 перемещается с помощью шагового двигателя 8. Подвижная матрица аккумуляторных батарей 2 позиционируется так, чтобы свободный аккумуляторный отсек 3 был расположен под люком 17. Крышка 18 люка 17 сдвигается и освобождается доступ аккумуляторного отсека 3  к разряженному аккумулятору 4 БПЛА.
Механический подъемник 12 расположен соосно с люком 17. Механический подъемник 12 поднимается вверх с помощью линейного привода 13 и через отверстие 11 пластины 9 получает доступ к свободному аккумуляторному отсеку 3 для его подъема к БПЛА.  С нижней стороны нижней площадки 3б выполнен приемный элемент 3г. Ответный  элемент 12а, обеспечивающий сцепление с аккумуляторным отсеком 3, расположен в верхней части подъемника 12. После сцепления приемного элемента 3г и ответного элемента 12а, механический подъемник 12 поднимает аккумуляторный отсек 3 для извлечения разряженного аккумулятора 4 из БПЛА.  Аккумуляторный отсек 3 с помощью крючков 5 отодвигает подпружиненные защелки 21, которые держат аккумулятор в стакане 22, который  находится в БПЛА (см. фиг.6).
После того, как разряженный аккумулятор 4 снят с зацепления, подвижная часть телескопического механического подъемника 12 опускается вниз за счет линейного привода 13. Время начала срабатывания линейного привода 13 в обратную сторону заложено обслуживающей программой. При перемещении вниз крючки 5 разводятся в стороны. Аккумуляторный отсек 3 опускается на штыри 10 зарядного устройства 6 и фиксируется на них.
Затем подвижная матрица аккумуляторных батарей 2 с множеством аккумуляторных отсеков 3 для приема аккумуляторов 4 перемещается с помощью шагового двигателя 8 и позиционируется так, чтобы под люком 17 был расположен аккумуляторный отсек 3 с заряженным аккумулятором 4. Операция по подъему повторяется, но теперь к БПЛА поставляется заряженный аккумулятор 4. При установке заряженного аккумулятора в БПЛА крючки 5 не входят в защелки 20 стакана 21. Далее подпружиненные защелки 20 попадают в пазы 22 корпуса аккумулятора 4 и удерживают его в БПЛА.
Извлеченный разряженный аккумулятор 4 нижней частью контактирует с  подпружиненными контактами 23, которые  находятся на конце четырех алюминиевых штырей 10 зарядного устройства 6, принадлежащего аккумуляторному отсеку 3, на который принят разряженный аккумулятор 4 БПЛА (см. фиг. 4).
Зарядка батарей осуществляется следующим образом.
На все три (или более) аккумуляторных отсека 3 постоянно подается напряжение для зарядки аккумуляторов 4 (даже если на станции в данный момент времени не находится разряженный аккумулятор).
Напряжение и максимальная сила тока выставлены через преобразователь напряжения постоянного тока.
Когда на аккумуляторном отсеке 3 находится разряженный аккумулятор 4, сила тока потребления зарядки максимальная, но безопасная для аккумулятора (которая выставлена на преобразователе). По мере набора заряда, потребление тока снижается.
Когда аккумулятор 4 полностью набирает заряд, потребление тока становиться очень маленьким (около 0).
Далее аккумулятор 4 находится в заряженном состоянии и сохраняет свой заряд, т.к. аккумуляторные отсеки 3 находятся под постоянным напряжением.
Программный контроль за состоянием аккумуляторов 4 ведется с помощью программного обеспечения посредством обратной связи от датчиков тока аккумуляторных отсеков 3.
Заявленная полезная модель может быть изготовлена на современном технологическом оборудовании с использованием существующих материалов.
Полезная модель может быть использована в любых отраслях техники, связанных с эксплуатацией беспилотных летательных аппаратов. Полезная модель предназначена для базирования БПЛА, обеспечения его автоматического взлета и посадки, загрузки/разгрузки/замены груза (посылки, полезной нагрузки) на летательном аппарате, хранения и выдачи его потребителю (получателю), а также замены и зарядки источников электропитания.