RU2523420C1

RU2523420C1 - Recharger system for batteries of electric drones

Info

Publication number: RU2523420C1
Application number: RU2013101094/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Станиславович Фетисов; Шамиль Равилевич Ахмеров; Альбина Илдаровна Мухаметзянова; Роман Вадимович Сизоненко
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2014-07-20
Also published as: RU2013101094A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: system includes recharger station (1) carrying a matrix of flat live electrodes (2) with electric connection to respective switching analysers (3), power source (4) with its positive and negative output connected to respective outputs of switching analysers, and navigation beacon. Drone (6) carries navigation device (7), battery (8) with electric connection of positive and negative outputs to on-board electrodes (9) and (10) respectively.

EFFECT: recharge of drone battery without the need of precise positioning of drone over recharger station due to redundant number of live electrodes and switching analysers connected to them enabling automatic connection of land recharger source to live electrodes with correct polarity matching after drone landing.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области систем управления и автоматизации и может быть использовано для подзарядки аккумуляторов электрических беспилотных летательных аппаратов или других мобильных устройств, работающих от аккумуляторов.The invention relates to the field of control and automation systems and can be used to recharge the batteries of electric unmanned aerial vehicles or other mobile devices running on batteries.

Современные малые беспилотные летательные аппараты (БПЛА) работают, в основном, от электрических аккумуляторов. Недостаток таких БПЛА - небольшое время полета (около 30 минут). Для выполнения более длительных задач необходима посадка аппарата и подзарядка аккумуляторов. Для непрерывного выполнения какой-либо задачи (например, мониторинга территории) возможна организация сменной работы группы БПЛА, часть из которых находится в воздухе, а часть - на зарядной станции. Сама зарядка может выполняться как с помощью контактных, так и бесконтактных устройств. Причем наведение мобильного устройства (БПЛА, мобильного робота и др.) на зарядный терминал выполняется автоматически с помощью специальных подсистем навигации и наведения. Например, известно бесконтактное устройство [United States Patent №7318564, Marshall, January 15, 2008, МПК B64D 41/00], которое обеспечивает зарядку аккумулятора БПЛА от линии электропередач переменного тока посредством кольцевого магнитопровода с обмоткой, имеющего возможность сжиматься и разжиматься. Этот элемент совмещает в себе функции подвеса БПЛА на линии и электрического трансформатора. БПЛА при этом должен быть снабжен подсистемами поиска линии электропередач, точного позиционирования при приближении к линии и захвата. Система довольна сложна и дорога в реализации и не обладает большой надежностью. Кроме того, особенностью всех бесконтактных систем зарядки является относительно низкий КПД передачи энергии.Modern small unmanned aerial vehicles (UAVs) operate mainly from electric batteries. The disadvantage of such UAVs is their short flight time (about 30 minutes). To perform longer tasks, you need to land the device and recharge the batteries. For the continuous execution of any task (for example, monitoring the territory), it is possible to organize shift work of a UAV group, some of which are in the air, and some at the charging station. Charging itself can be performed using both contact and non-contact devices. Moreover, the guidance of a mobile device (UAV, mobile robot, etc.) to the charging terminal is performed automatically using special navigation and guidance subsystems. For example, a contactless device is known [United States Patent No. 7318564, Marshall, January 15, 2008, IPC B64D 41/00], which provides charging of a UAV battery from an AC power line by means of a ring magnetic circuit with a winding having the ability to compress and expand. This element combines the functions of suspending a UAV on a line and an electric transformer. In this case, the UAV should be equipped with power line search subsystems, accurate positioning when approaching the line and capture. The system is quite complex and expensive to implement and does not have great reliability. In addition, a feature of all non-contact charging systems is the relatively low energy transfer efficiency.

Контактные системы значительно проще и имеют высокий КПД передачи электроэнергии. Но для нормального контактирования электродов бортовой и наземной частей здесь также требуется довольно точное наведение и стыковка аппарата с зарядным терминалом.Contact systems are much simpler and have a high power transmission efficiency. But for the normal contacting of the electrodes of the airborne and ground parts, quite accurate pointing and docking of the device with the charging terminal is also required here.

Например, известна система подзарядки аккумулятора мобильного объекта [United States Patent №5892350, Yoshikawa, April 6, 1999, МПК H02J 7/00], состоящая из бортовых электродов, подсоединенных к соответствующим полюсам бортового аккумулятора, подсистемы позиционирования и наведения, стационарного терминала, включающего в себя пару подпружиненных контактов и электромагнит. Неточность стыковки бортовых электродов с соответствующими электродами стационарного терминала корректируется с помощью подпружинивания электродов и электромагнита, подтягивающего соответствующие электроды друг к другу и обеспечивающего качество контактирования.For example, there is a known system for recharging a battery of a mobile object [United States Patent No. 5892350, Yoshikawa, April 6, 1999, IPC H02J 7/00], consisting of on-board electrodes connected to respective poles of the on-board battery, positioning and guidance subsystem, stationary terminal, including a pair of spring-loaded contacts and an electromagnet. The inaccuracy of joining the on-board electrodes to the corresponding electrodes of the stationary terminal is corrected by springing the electrodes and the electromagnet, pulling the respective electrodes to each other and ensuring the quality of contacting.

Недостатком такого устройства является необходимость точной стыковки соответствующих контактов мобильного устройства и зарядного терминала ("плюс" должен попасть на "плюс", а "минус" на "минус").The disadvantage of this device is the need for accurate matching of the corresponding contacts of the mobile device and the charging terminal (the plus should go to the plus, and the minus to the minus).

Существуют технические решения, которые снижают требования к точности наведения мобильного объекта на зарядный терминал. Это может быть реализовано, например, путем введения избыточных электродов.There are technical solutions that reduce the accuracy requirements for pointing a mobile object to a charging terminal. This can be realized, for example, by introducing excess electrodes.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой является система подзарядки мобильного робота [United States Patent №7227334, Yang, June 5, 2007, МПК H02J 7/00], состоящая из бортовых электродов, подсоединенных к соответствующим полюсам бортового аккумулятора, бортового навигационного устройства и зарядной станции, включающей навигационный маяк, источник питания и матрицу дежурных электродов.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed one is the charging system of a mobile robot [United States Patent No. 7227334, Yang, June 5, 2007, IPC H02J 7/00], consisting of on-board electrodes connected to the corresponding poles of the on-board battery, on-board navigation device and charging station, including a navigation beacon, a power source and a matrix of standby electrodes.

Матрица дежурных электродов представляет собой два горизонтальных ряда контактов, один из которых соответствует "плюсу", а другой - "минусу" питания. С помощью бортового навигационного устройства мобильный робот с конечной точностью наводится на матрицу дежурных электродов. Электроды матрицы подпружинены. Они контактируют с соответствующими бортовыми электродами. Так как электродов, соответствующих каждому полюсу, много, то некоторая неточность стыковки (недоезд, небольшой поворот на несколько градусов, небольшой горизонтальный перекос робота) не приводит к ухудшению или потере контакта.The matrix of standby electrodes consists of two horizontal rows of contacts, one of which corresponds to the "plus", and the other to the "minus" of the power supply. Using the on-board navigation device, the mobile robot is pointed with finite accuracy to the matrix of standby electrodes. The electrodes of the matrix are spring-loaded. They are in contact with the corresponding on-board electrodes. Since there are many electrodes corresponding to each pole, some inaccuracies in the connection (under-access, a small rotation by several degrees, a small horizontal skew of the robot) do not lead to deterioration or loss of contact.

Однако, описанная выше система имеет ограниченные возможности подключения дежурных электродов зарядной станции к бортовым электродам мобильного объекта при неточном наведении последнего. Это особенно существенно, если таким мобильным объектом является БПЛА, точность приземления которого в силу разных причин может быть невысокой, а установка на борту сложного и дорогого оборудования для точного приземления не всегда технически и экономически оправдана.However, the system described above has limited possibilities of connecting the standby electrodes of the charging station to the side electrodes of the mobile object with inaccurate guidance of the latter. This is especially important if the UAV is such a mobile object, the accuracy of landing of which for various reasons may be low, and the installation on board of complex and expensive equipment for accurate landing is not always technically and economically justified.

Задача изобретения - увеличение надежности контактирования зарядной станции с бортовыми электродами беспилотного летательного аппарата за счет повышения вероятности правильного подключения дежурных электродов зарядной станции к посадочным электродам БПЛА в условиях неточной посадки.The objective of the invention is to increase the reliability of contacting the charging station with the on-board electrodes of the unmanned aerial vehicle by increasing the likelihood of the correct connection of the standby electrodes of the charging station to the landing electrodes of the UAV in conditions of inaccurate landing.

Технический результат - осуществление подзарядки аккумуляторов беспилотного летательного аппарата без необходимости точного позиционирования на зарядной станции.EFFECT: recharging batteries of an unmanned aerial vehicle without the need for precise positioning at a charging station.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что система подзарядки аккумулятора электрического беспилотного летательного аппарата, включающая в себя бортовые электроды, подсоединенные к соответствующим выводам бортового аккумулятора, бортовое навигационное устройство и зарядную станцию, включающую в себя навигационный маяк, источник питания и матрицу дежурных электродов, в отличие от прототипа содержит дополнительно анализаторы-коммутаторы по числу дежурных электродов, матрица дежурных электродов представляет собой равномерно распределенные по горизонтальной поверхности плоские металлические контакты, каждый из которых электрически соединен со входом соответствующего анализатора-коммутатора, у каждого из которых плюсовой и минусовой выводы питания подключены к соответствующим выводам источника питания.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that the battery charging system of the electric unmanned aerial vehicle, which includes on-board electrodes connected to the corresponding terminals of the on-board battery, an on-board navigation device and a charging station, including a navigation beacon, a power source and a duty matrix electrodes, unlike the prototype, additionally contains analyzer-switches according to the number of standby electrodes, a matrix of standby electrodes It consists of flat metal contacts evenly distributed on a horizontal surface, each of which is electrically connected to the input of the corresponding analyzer-switch, each of which has the plus and minus power leads connected to the corresponding terminals of the power source.

Анализатор-коммутатор представляет собой устройство, функцией которого является подключение на дежурный электрод напряжения источника питания в той же полярности, что и остаточное напряжение бортового аккумулятора, прикладываемое на дежурный электрод после посадки БПЛА.The analyzer-switch is a device whose function is to connect the voltage of the power source to the standby electrode in the same polarity as the residual voltage of the on-board battery applied to the standby electrode after landing the UAV.

Существо изобретения поясняется чертежами (фиг.1-фиг.3).The invention is illustrated by drawings (figure 1-figure 3).

На фиг.1 показана общая структура системы.Figure 1 shows the overall structure of the system.

На фиг.2 приведена примерная функциональная схема анализатора-коммутатора.Figure 2 shows an exemplary functional diagram of the analyzer-switch.

На фиг.3 показан пример возможного распределения полярностей на активированных дежурных электродах зарядной станции при посадке на ней БПЛА. Для определенности на иллюстрации показан пример для мультироторного БПЛА вертолетного типа (с вертикальным взлетом и посадкой).Figure 3 shows an example of a possible distribution of polarities on the activated standby electrodes of the charging station when the UAV is landing on it. For definiteness, the illustration shows an example for a multi-rotor UAV of a helicopter type (with vertical take-off and landing).

Система включает в себя следующие элементы (фиг.1): зарядную станцию 1, на которой расположена матрица дежурных электродов 2, электрически связанных с соответствующими анализаторами-коммутаторами 3, источник питания 4, плюсовой и минусовой выводы которого соединены с соответствующими выводами анализаторов-коммутаторов, навигационный маяк 5, расположенный под матрицей дежурных электродов или в непосредственной близости с ней.The system includes the following elements (Fig. 1): a charging station 1, on which there is a matrix of standby electrodes 2, electrically connected to the corresponding analyzer-switches 3, a power supply 4, the positive and negative terminals of which are connected to the corresponding conclusions of the analyzer-switches, navigation beacon 5, located under the matrix of standby electrodes or in close proximity to it.

На борту БПЛА 6 находятся: навигационное устройство 7, аккумулятор 8, положительный и отрицательный выводы которого электрически соединены с бортовыми электродами 9 и 10 соответственно. Бортовые электроды имеют плоскую вытянутую форму и направлены контактирующей поверхностью вниз для обеспечения непосредственного контакта с дежурными электродами зарядной станции после посадки БПЛА.On board the UAV 6 are: a navigation device 7, a battery 8, the positive and negative terminals of which are electrically connected to the on-board electrodes 9 and 10, respectively. The on-board electrodes have a flat elongated shape and are directed with the contacting surface down to provide direct contact with the standby electrodes of the charging station after landing the UAV.

Приведена функциональная схема анализатора-коммутатора 3 (фиг.2). Его основу составляет операционный усилитель 11, имеющий большой коэффициент усиления и двуполярное питание. Выход усилителя через диоды 12 и 13 подключен к управляющим выводам нормальноразомкнутых ключей 14 и 15 соответственно. Ключ 14 предназначен для коммутации на дежурный электрод 8 положительного напряжения источника питания 4 (замыкается при подаче положительного напряжения на управляющий вывод ключа), а ключ 15 - отрицательного (замыкается при подаче отрицательного напряжения на управляющий вывод ключа). Для приведения анализатора-коммутатора в исходное (дежурное) состояние и отмены коммутации предусмотрен ключ сброса 16, включенный между входом усилителя 11 и землей.The functional diagram of the analyzer-switch 3 (figure 2). Its basis is the operational amplifier 11, which has a large gain and bipolar power. The output of the amplifier through diodes 12 and 13 is connected to the control terminals of the normally open switches 14 and 15, respectively. The key 14 is intended for switching to the standby electrode 8 of the positive voltage of the power source 4 (closes when a positive voltage is applied to the control terminal of the key), and the key 15 is negative (closes when a negative voltage is applied to the control terminal of the key). To bring the analyzer-switch to its initial (standby) state and cancel the switching, a reset key 16 is provided, which is connected between the input of the amplifier 11 and the ground.

На фиг.3 показаны: 17 - неактивные (не подключенные к источнику питания 4) дежурные электроды зарядной станции, 18 - активные дежурные электроды (подключенные к тому или иному выводу источника питания 4), 9 и 10 - положительный и отрицательный бортовые электроды БПЛА.Figure 3 shows: 17 - inactive (not connected to the power source 4) standby electrodes of the charging station, 18 - active standby electrodes (connected to a particular output of the power source 4), 9 and 10 - positive and negative onboard electrodes of the UAV.

Устройство работает следующим образом. БПЛА 6 с помощью бортового навигационного устройства 7 приземляется на зарядную станцию 1. При этом используется сигнал навигационного маяка 5, по сигналам которого БПЛА наводится на зарядную станцию. В результате приземления на нее бортовые электроды 9 и 10, связанные с выводами бортового аккумулятора 8, касаются отдельных дежурных электродов 2. Независимо от точности приземления каждый из бортовых электродов 9 и 10 контактирует с несколькими дежурными электродами зарядной станции. Размеры бортовых электродов 9 и 10 и дежурных электродов 2, а также зазоры между электродами выбраны таким образом, что каждый из бортовых электродов 9 и 10 контактирует сразу с несколькими дежурными электродами и исключено короткое замыкание между бортовыми электродами 9 и 10. К тем дежурным электродам, которых коснулись бортовые электроды БПЛА, будет приложено остаточное напряжение бортового аккумулятора 8. Каждый из анализаторов-коммутаторов 3, связанный с дежурным электродом 2, с которым произошло касание, автоматически определяет полярность приложенного остаточного напряжения аккумулятора 8 и коммутирует дежурный электрод 2 с соответствующим выводом источника питания 4 (т.е. подключает зарядное напряжение источника питания 4 в правильной полярности: "плюс" подключается туда, где коснулся положительный бортовой электрод, а "минус" - туда, где коснулся отрицательный бортовой электрод).The device operates as follows. UAV 6 using the on-board navigation device 7 lands on the charging station 1. In this case, the signal of the navigation beacon 5 is used, according to the signals of which the UAV is aimed at the charging station. As a result of the landing on it, the on-board electrodes 9 and 10 associated with the terminals of the on-board battery 8 touch individual standby electrodes 2. Regardless of the accuracy of the landing, each of the on-board electrodes 9 and 10 contacts several standby electrodes of the charging station. The sizes of the on-board electrodes 9 and 10 and the standby electrodes 2, as well as the gaps between the electrodes, are selected in such a way that each of the on-board electrodes 9 and 10 is in contact with several on-board electrodes at once and there is no short circuit between the on-board electrodes 9 and 10. To those on-duty electrodes, which the onboard electrodes of the UAV have touched, the residual voltage of the onboard battery 8 will be applied. Each of the analyzer-switches 3, connected with the standby electrode 2, with which the contact took place, automatically determines the polar the applied residual voltage of the battery 8 and commutes the standby electrode 2 with the corresponding output of the power supply 4 (i.e., connects the charging voltage of the power supply 4 in the correct polarity: “plus” is connected to where the positive on-board electrode is touched, and “minus” - there where the negative side electrode touched).

Внутри анализатора-коммутатора 3 это реализуется следующим образом (фиг.2). Электрический потенциал дежурного электрода 2 относительно земли после посадки БПЛА возрастает от нуля до некоторого значения, определяемого остаточным напряжением аккумулятора 8, но он непосредственно не может обеспечить срабатывания ключа 14 или 15. Для усиления этого потенциала служит неинвертирующий усилитель 11, который усиливает положительное или отрицательное напряжение, приложенное к его входу, до насыщения в соответствующей полярности. Нормированное таким образом выходное положительное или отрицательное напряжение, проходя через диоды 12 или 13 соответственно, коммутируют ключи 14 или 15, подключая на дежурный электрод 2 (и на вход усилителя 11) положительный или отрицательный вывод источника питания 4. Это еще больше усиливает состояние насыщения усилителя 11, обеспечивая тем самым надежную подачу зарядного напряжения на дежурный электрод 2. Вывести его из этого состояния можно коротким импульсом на ключ сброса 16, что приведет к кратковременному замыканию входа усилителя 11 на землю, пропаданию напряжения на его выходе и размыканию ключей 14, 15.Inside the analyzer-switch 3, this is implemented as follows (figure 2). The electric potential of the standby electrode 2 relative to the ground after landing the UAV increases from zero to a certain value determined by the residual voltage of the battery 8, but it cannot directly provide the operation of the key 14 or 15. To amplify this potential, a non-inverting amplifier 11, which amplifies the positive or negative voltage applied to its input, until saturated in the corresponding polarity. The output positive or negative voltage normalized in this way, passing through the diodes 12 or 13, respectively, switches the keys 14 or 15, connecting the positive or negative output of the power supply 4 to the standby electrode 2 (and to the input of the amplifier 11). This further enhances the saturation state of the amplifier 11, thereby ensuring a reliable supply of charging voltage to the standby electrode 2. It can be brought out of this state by a short pulse to the reset key 16, which will lead to a short-circuit of the input of the amplifier 11 n and the earth, the loss of voltage at its output and the opening of the keys 14, 15.

Таким образом, после посадки БПЛА 6 на зарядную станцию 1 часть дежурных электродов остается неактивированной (электроды 17 по фиг.3), а другая часть (электроды 18) - активированной, т.е. к ним приложено напряжение источника питания 4. Причем напряжение это приложено в правильной полярности: к дежурным электродам 18, оказавшимися под положительным бортовым электродом БПЛА 9, подключается "плюс" источника питания 4, а к дежурным электродам под отрицательным бортовым электродом 10 - "минус" источника питания 4. После этого производится зарядка аккумулятора 8 в течение определенного времени. После окончания процесса зарядки и взлета БПЛА с посадочной платформы на ключи сброса 16 анализаторов-коммутаторов подается кратковременный импульс. Это приводит к пропаданию входного сигнала усилителя 11 и размыканию ключей 14 или 15, после чего анализатор-коммутатор 3 снова переходит в ждущий режим.Thus, after UAV 6 landing on the charging station, 1 part of the standby electrodes remains inactive (electrodes 17 in FIG. 3), and the other part (electrodes 18) remains activated, i.e. the voltage of the power supply 4 is applied to them. Moreover, the voltage is applied in the correct polarity: to the standby electrodes 18, which are under the positive on-board electrode of the UAV 9, the “plus” of the power supply 4 is connected, and to the standby electrodes under the negative on-board electrode 10 - “minus” power source 4. After that, the battery 8 is charged for a certain time. After the process of charging and taking off the UAV from the landing platform, a short-term pulse is supplied to the reset keys 16 of the analyzer-switches. This leads to the disappearance of the input signal of the amplifier 11 and the opening of the keys 14 or 15, after which the analyzer-switch 3 again goes into standby mode.

Итак, заявляемое изобретение позволяет осуществлять подзарядку аккумулятора беспилотного летательного аппарата без необходимости его точного позиционирования на зарядной станции за счет использования избыточного количества дежурных электродов и подключенных к ним анализаторов-коммутаторов, позволяющих автоматически подключать к дежурным электродам напряжение зарядного наземного источника питания с соблюдением правильной полярности.So, the claimed invention allows recharging the battery of an unmanned aerial vehicle without the need for its accurate positioning on a charging station due to the use of an excessive number of standby electrodes and connected analyzer-switches, which automatically connect the voltage of a ground-based charging power source to the standby electrodes, observing the correct polarity.

Предлагаемая система вполне реализуема, так как в ней использованы известные и апробированные компоненты. БПЛА 6 вертолетного типа на базе многороторных конструкций хорошо известны и в последние годы получают большое распространение [www.multicopter.ru, www.mikrokopter.de]. Навигационное устройство 7 БПЛА может представлять собой радиомодуль на базе GPS, радиоприемное устройство для обнаружения сигналов навигационного маяка и определения направления на него (радиокомпас). Навигационное устройство БПЛА 7 и наземный навигационный маяк 5 могут быть и не радиотехническими, а реализованными на базе других принципов, например на основе ультразвуковых излучателя и локатора, на основе видеокамеры и оптической контрастной мишени и т.д. Наземный источник питания 4 может представлять собой стационарный источник питания или мобильный, например на основе автомобильного аккумулятора или передвижного бензоэлектроагрегата. Анализаторы-коммутаторы 3 могут быть реализованы на основе широкодоступных электронных компонентов: операционных усилителей, диодов, электронных ключей или электромеханических реле. Схема, приведенная на фиг.2, является лишь примером реализации. Возможны и другие варианты.The proposed system is quite feasible, since it uses well-known and approved components. UAVs of the 6th helicopter type based on multi-rotor structures are well known and in recent years have become very widespread [www.multicopter.ru, www.mikrokopter.de]. The UAV navigation device 7 may be a GPS-based radio module, a radio receiving device for detecting the signals of the navigation beacon and determining the direction to it (radio compass). The UAV 7 navigation device and ground-based navigation beacon 5 may not be radio-technical, but implemented on the basis of other principles, for example, on the basis of an ultrasonic emitter and a locator, on the basis of a video camera and an optical contrast target, etc. The ground power source 4 may be a stationary power source or mobile, for example, based on a car battery or a mobile gas-electric unit. Analyzers-switches 3 can be implemented on the basis of widely available electronic components: operational amplifiers, diodes, electronic keys or electromechanical relays. The circuit shown in FIG. 2 is only an example of implementation. Other options are possible.

Таким образом, предлагаемая система обеспечивает надежное контактирование электродов зарядного наземного источника питания с бортовыми электродами БПЛА при условиях возможной неточной посадки. Данное изобретение может быть применено также к другим мобильным объектам, нуждающимся в периодической подзарядке, точное позиционирование которых на зарядной станции по каким-либо причинам затруднено: мобильным роботам, электрокарам и др.Thus, the proposed system provides reliable contacting of the electrodes of the charging ground power source with the onboard electrodes of the UAV under conditions of a possible inaccurate landing. This invention can also be applied to other mobile objects that need periodic recharging, the exact positioning of which at the charging station is difficult for any reason: mobile robots, electric cars, etc.

Claims

The battery recharging system of an electric unmanned aerial vehicle, including on-board electrodes connected to the corresponding terminals of the on-board battery, an on-board navigation device and a charging station, including a navigation beacon, a power source and a matrix of standby electrodes,
characterized in that it further comprises analyzer-switches according to the number of standby electrodes of the matrix, which is flat metal contacts evenly distributed on a horizontal surface, each of which is electrically connected to the input of the corresponding analyzer-switch, each of which has a plus and minus power leads connected to corresponding power supply leads.