CN105009406A - 用于无人飞行器的无线远程能量供应 - Google Patents

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CN105009406A CN201380063641.5A CN201380063641A CN105009406A CN 105009406 A CN105009406 A CN 105009406A CN 201380063641 A CN201380063641 A CN 201380063641A CN 105009406 A CN105009406 A CN 105009406A
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Abstract

本发明涉及一种用于借助于成束的激光射线(130)无线传输能量的发射单元(110)。该发射单元具有：带有多个激光纤维的激光纤维束(112)，其中，每个激光纤维被实施成射出激光射线；用于调整成束的激光射线的射出方向的定位光学部件(114)；场透镜(116)和主透镜(118)。多个激光纤维被实施成分别射出激光射线，其以该顺序穿过定位光学部件、场透镜和主透镜，使得由发射单元射出的激光射线被成束地射出。通过利用太阳能和来自地面的激光能的混合驱动器和能量在电池中的暂存获得带有不受限制的飞行时间和较大的使用半径的特别高性能的设备。

Description

用于无人飞行器的无线远程能量供应
技术领域
本发明涉及一种用于无人小型飞行器的无线的电气的远程能量供应的装置，尤其涉及直至大约10km的距离，在利用高功率激光的情况下从静止的或移动的地面站或从飞行的站出发。本发明尤其涉及一种用于借助于成束的激光射线(Laserstrahl)无线地传输能量的发射单元以及一种带有用于接收由发射单元发出的成束的激光射线的接收单元的飞行器。
背景技术
具有大约10kg或在此之下的典型重量的无人的电驱动的小型飞机被使用在大约5km至10km飞行高度的下方高度区域中用于监控和侦察。在使用这样的小型飞机的情况下例如可力求使使用时间或飞行时间最大化且给予飞行器速度和稳定性，其允许逆着在大气中存在的风和紊流且即使在下雨时也自由操控飞行时间或使用时间的大部分。对此，飞行器须具有足够的机械强度、足够高的翼载(Flachenbelastung)和足够高的驱动功率。这些要求可能导致，飞行器的重量增加，以及如此使得从在飞行器上的再生能量源中所获得的能量可能不足以在例如数天的时间段上不间断地运行这样的飞行器、也就是说保持飞行。提供以电池的形式的蓄能器可能与该目的背道而驰，因为任何蓄能器本身带来一定的自重，从而由此会附加地提高飞行器的总重量，这又会提高能量需求。
在文件DE 10 2011 010 679 A1中说明了一种无人飞行器的结构和控制部。在此飞行器的驱动器的能量供应通过位于机上的蓄能器实现。
发明内容
提高运输工具的最大运行时间可被视为本发明的目的。
根据独立权利要求的特征来说明一种用于借助于成束的激光射线无线地传输能量的发射单元和一种带有用于接收由这样的发射单元发出的成束的激光射线的接收单元的运输工具。本发明的改进方案由从属权利要求且由接下来的说明得出。
根据第一方面说明了一种用于借助于成束的激光射线无线地传输能量的发射单元，其中，发射单元具有：带有多个激光纤维的激光纤维束(Laserfaserbuendel)，其中，每个激光纤维被实施成射出激光射线；用于调整成束的激光射线的射出方向的定位光学部件(Positionieroptik)；准直透镜(Kollimatorlinse)和主透镜(Primaerlinse)。在此，该多个激光射线被实施成分别射出激光射线，其穿过定位光学部件、准直透镜和主透镜，使得由发射单元射出的激光射线被成束地射出。
在一实施形式中，发射单元尤其可实施成使得每个激光射线以该顺序穿过定位光学部件、准直透镜和主透镜。
通过发射单元的该结构且通过定位光学部件、准直透镜和主透镜的该布置使能够提供成束的激光射线，其中，成束的激光射线在例如直至10km的距离中照射接收单元的最小面积或者击打到该接收面的最小延展上。换言之，即恰好使发射单元的所说明的结构成为可能，由发射单元所提供的成束的激光射线即使在数千米、例如10km的较大距离中也使每个被照射的面积单位较高的能量密度成为可能。
在一实施形式中，激光纤维束可具有例如七个激光纤维，其中，所有激光纤维的激光射线被引导通过布置在激光纤维孔隙(Laserfaserapertur)附近的共同的场透镜，且所有从激光纤维出来的光线投影到主透镜上且由此通过场透镜和主透镜被汇聚成单个成束的激光射线，其以较大的距离清晰地聚焦被投影在激光接收器上。
根据一实施形式，发射单元具有至少一个可围绕两个彼此正交的轴线摆动的万向悬挂部(Aufhaengung)用于容纳由激光纤维束、定位光学部件、场透镜和主透镜构成的光学元件组中的至少一个元件。
在万向框架(Kardanrahmen)上可布置有照准线稳定单元(Sichtlinienstabilisierungseinheit)，其由用于这两个万向轴线的伺服驱动器和激光陀螺支持的GPS系统构成，其在10Hz之下的较低的运动频率下进行照准线到接收器上的正确取向。照准线相对带有毫弧度直至微弧度的非常小的振幅的直至100Hz的高频干扰的精稳(Feinstabilisierung)由直接在像场平整光学部件(Bildfeldebenungsoptik)之前的带有压电驱动器的可摆动的厚玻璃板来引起，其通过同轴构建的摄像机，其每秒可提供直至500个图像且跟踪在激光接收器处的反向反射器(Retroreflektor)且通过相应的控制单元将玻璃板调整使得照准线总是以至少50微弧度的精度精确地对准反向反射器。
稳定的万向悬挂和精稳使发射单元以及成束的激光射线的精确定位和取向(其由于成束的激光射线的较远的传输路程是必要的)成为可能。
根据另一实施形式，发射单元具有布置在场透镜与主镜之间的像场平整光学部件且通过更好的光学校正使得在接收器处的更小的焦斑和因此更小的更轻的接收器成为可能。
像场平整和校正光学部件使能够以衍射限制的直径在接收器处提供均匀的成束的聚焦的激光射线且由此减少或消除能量损失(通过减少由于被散射的或被偏转的激光射线的散射损失(Streuverlust))。
根据另一实施形式，发射单元具有多个偏转镜和用于在第二光路中的焦距延长的至少一个透镜组(其在需要时可被摆入光路中)，其与像场平整光学部件在场透镜与主透镜之间布置成使得发射单元在需要时具有带有延长的焦距的折叠光路。
通过使用偏转镜和提供延长的焦距例如可获得且考虑用于待传输的能量的改变的传输距离。
根据另一实施形式，发射单元具有监控单元，其被实施成监控在成束的激光射线的射出方向上位于发射单元之前的监控区域，其中，监控单元被实施成当物体侵入该监控区域中时中断成束的激光射线通过发射单元的射出。
监控单元因此是一种可如上面和接下来所述提高发射单元的运行可靠性的机构或装置。监控单元尤其可被实施成探测飞行器或例如鸟侵入监控区域中。
根据另一实施形式，监控单元具有近距离监控单元和远距离监控单元。
在此，近距离监控单元和远距离监控单元在其探测装置的设计上有区别，其可分别被协调于分派给其的距离。
根据另一方面说明了一种带有用于接收成束的激光射线(其由发射单元如上面和接下来所述被发出)的接收单元的运输工具。接收单元具有辐射能吸收单元，其被实施成吸收由发射单元射出的成束的激光射线且转换成电能，其中，这些电能设置用于以电能供应运输工具的驱动器。
因此对于运输工具可使能够实现不依赖于在机上所存储的能量的现状的运行时间或使用时间，因为对于驱动器所需的能量由接收单元从通过发射单元射出的成束的激光射线中来获得。
根据一实施形式，接收单元具有反向反射器，其被实施成将发射器的激光能量的小部分由接收器作为定位光束在发射单元的方向上反射回去，其中，定位光束被实施成借助于精稳单元进行发射单元在接收单元的方向上的高精度取向使得成束的激光射线被射出到接收单元的规定的接收面上。
换言之，反射器因此用于发射单元沿着运输工具的运动路线的取向或跟踪，使得由发射单元射出的高功率激光射线始终击打到接收单元的接收面上。对此，发射单元被实施成将高功率光束的一部分射到安装在接收器的中间的反向反射器上，其中，通过定位光束被反射器反射使发射单元能够对准接收器取向或跟踪。
根据另一实施形式，用于接收成束的激光射线的接收面是圆形的且被万向地悬挂，且由此总是可对准发射器来取向，并且具有最大0.5m的直径，其可由小型飞行器还良好地在空气动力学地装衬的罩中来携带。
在一实施形式中，接收面的直径可以是0.5m。在另一实施形式中，该直径小于0.5m。
以此使能够提供带有较小尺寸的接收单元，从而可与较小尺寸的运输工具和尤其小型飞机相关联应用接收单元。应用较小的接收面、例如规定的尺寸恰好要求接收单元和发射单元的高精确对准，使得由发射单元射出的成束的激光射线第一作为实像精确地聚焦到接收器上且第二可被高精度地指向接收装置。
根据另一实施形式，运输工具具有用于容纳接收单元的透明的流线形的壳体，其中，接收单元被万向地悬挂在该壳体中。
以类似于发射单元的方式，接收单元在壳体中的万向悬挂使得用于接收成束的激光射线的接收单元的良好的稳定和取向成为可能。
接收单元可以是太阳能发电机，其中，其布置在壳体中，壳体作为带有在其外表面上且由透明薄膜构成的薄层轮廓(Laminarprofil)的液滴形的封闭的保护罩来布置。
如果太阳能发电机总是可垂直于照准线、也就是说垂直于在发射单元与接收单元之间的连接线来取向，可使用带有集中器光学部件的三层太阳能电池，其具有如普通的单层太阳能电池两倍那么高的效率。
根据另一实施形式，壳体为了稳定化可加载有与存在于壳体之外的大气压力相比的过压。
这使之成为可能，即壳体在壁厚非常小且重量较小的情况下保持规定的形状，使得穿过壳体壁的成束的激光射线不以不可预见的和不期望的方式被偏转。
根据另一实施形式，运输工具具有可充电的电池，其被实施成借助于由接收单元所接收的能量来充电，其中，电池被实施成当由激光接收单元所提供的能量低于规定的值时提供电能以供应运输工具的驱动器。
根据另一实施形式，传输器件在其上侧处配备有太阳能电池，其在太阳辐射充分的情况下可提供运行能量的主要部分且在白天甚至还可提供能量用于存储到电池中。带有在电池中的暂存的以通过太阳能和来自地面的激光能量的混合驱动器的实施方案得到一种特别高效的且灵活的、在时间上可实际不受限制地使用的运输工具，其利用太阳能部件和电池存储装置还可承担在夜间直至100km而在白天直至300km的在激光能量供应有效范围的有效范围之外的远途飞行。
可充电的电池因此尤其可被用于桥接时间段，在这些时间段中能量借助于激光射线的传输例如由于天气或由于在发射单元与接收单元之间的光学照准线的断开被不利地影响且也无太阳能供使用。
根据另一实施形式，运输工具实施为飞行器且尤其实施为无人飞行器。
根据另一方面说明了一种用于借助于高功率激光无线远程能量传输的系统，其中，该系统相应如上面和接下来所述具有发射单元和接收单元。
在此，发射单元可关联于静止装置而接收单元可关联于移动装置，其中，能量被从静止装置传输至移动装置。
该系统可具有多个静止装置，其分别带有一个或多个发射单元，其中，移动装置可被实施成分别从位置最近的静止装置接收能量。如果移动装置是无人飞行器，则其飞行路线可被规定或者例如由地面站来实施。在此，无人飞行器和所有地面站可利用数据传输路段彼此相连接，以便例如传输无人飞行器的位置和飞行数据。
换言之，借助于成束的激光射线通过发射单元高精度定向地发射能量借助于带有瞄准装置和多个级联的高功率二极管激光器的联合的长焦距反射式伸缩镜(Spiegelteleskop)实现，其中激光辐射通过在反射式伸缩镜的像平面中的光导光纤且通过激光纤维端部像平面投影到在相对于发射单元例如5至10km的距离中的飞行器的接收器太阳能发电机上解耦到共同的瞄准仪中。高功率二极管激光器的数量可根据所需的能量变化。在一实施形式中提供总共带有4.2千瓦光功率的七个级联的高功率二极管激光器，其激光辐射通过带有200微米的厚度的光导光纤被解耦到瞄准仪中。
为了使发射单元能够针对较高距离精确取向，主透镜的照准线须被高精度地稳定，例如在50微弧度上。主透镜例如可以是反射式伸缩镜。反射式伸缩镜的稳定在第一步骤中通过反射式伸缩镜的装配部(Montierung)支承在振动隔绝的且角度稳定的平台上进行。反射式伸缩镜的装配在第二步骤中使反射式伸缩镜根据布置在平台上的GPS-INS系统的角度围绕两个轴线摆动且使伸缩镜照准线对准在接收单元处的反射器，这例如可借助于导向机构(其跟踪反射器)实现。此外，较小的高频的照准线干扰(装配部由于反射式伸缩镜的惯性不能校正这些干扰)可通过在激光射线的光路中的精稳单元来校正，使得照准线以50微弧度的精度保持对准反射器。
接收单元的接收器太阳能发电机被安装在可在两个轴线中摆动的角度稳定的装配部中，其可使太阳能发电机精确到一度地对准发射单元。
太阳能发电机可由太阳能电池的马赛克来构建，例如带有0.5m的直径。太阳能发电机也可具有更大的或更小的直径，其中，太阳能发电机的直径或尺寸可针对飞行器的尺寸和能量需求。太阳能电池可以是带有太阳能电池的集成冷却的带有前置凸透镜作为因子例如100的集中器的三联InGaP-InGaAs-Ge太阳能电池。
激光二极管例如可在0.976微米的发射波长上发射而Ge太阳能电池层的接收波长可同样在那里被协调成使得Ge太阳能电池也在那里具有其最大的量子利用率和较高的效率，使得用于借助于成束的激光射线无线地传输能量的整个系统达到较高的总效率。此外，在该波长下存在良好的大气窗口，其在5km的传输距离下具有直至60%的传输率。
用于接收单元的壳体可被实施成使得接收器太阳能发电机在带有在其外表面上的薄层轮廓的液滴形的壳体中，例如由透明的MYLAR薄膜构成的壳体，其可通过内压力来稳定，且其可被安装在无人飞行器的下侧处。以此，壳体使接收单元相对于发射单元的无阻碍的能见度、也就是说无阻碍的光学的视野连接成为可能。
如上面和接下来所述，发射单元和接收单元使能够以特别有利的方式在5km至10km的低空高度中在白天和在晚上以能量供应例如5至25kg重量的无人小型飞行器，使得供小型飞行器的驱动器使用的能量不是对小型飞行器的飞行时间或使用时间限制性的参数。
发射单元和接收单元提供能量足以具有用于恶劣天气和飞行器的有效负荷传感器运行的储备且可给位于飞行器上的可充电的电池充电。由此，飞行器可对于干扰不敏感且同样可在受限的时间上飞入在发射单元的有效范围之外的飞行区域中或阴影地区中。飞行器的能量供应白天在太阳辐射充足的情况下通过在飞行器的上侧上的太阳能电池来补充。由此，飞行器在白天也可较远地在激光发射器的有效范围之外运动。
通过使用光纤联结的级联的带有上面和接下来所说明的发射单元的高功率二极管激光器，激光辐射能量可以以带有例如0.1毫弧度的开口角度的非常狭窄的光束在例如5km距离中被成束到带有例如0.5m直径的接收器上且可通过带有校正光学部件的跟踪装置在伸缩镜光路中和反射器在接收器太阳能发电机之下的布置被直至0.01毫弧度精确地对准接收器太阳能发电机。由此，例如可应用更小的且更轻的且可易安装的接收器太阳能发电机用于无人小型飞机。
通过可追踪的接收器太阳能发电机相对于成束的激光射线的直角的或垂直的取向，可使由成束的激光射线传输的功率最大化。
附图说明
下面参照附图来说明本发明的实施例。
图1显示了根据本发明的一实施例的带有发射单元的能量传输单元。
图2显示了根据本发明的另一实施例的带有发射单元的能量传输单元。
图3显示了根据本发明的另一实施例的带有发射单元的能量传输单元。
图4显示了根据本发明的另一实施例的飞行器。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的且不按比例。如果在下面的附图说明中使用相同的附图标记，则其涉及相同的或相似的元件。
图1显示了带有发射单元110和接收单元120的能量传输装置100。发射单元具有激光纤维束112、定位光学部件114、准直透镜116和伸缩透镜(Teleskoplinse)118，其中，这些元件借助于悬挂部111被万向地悬挂。
定位光学部件114、准直透镜116和伸缩透镜118可在结构上被联合成伸缩镜113的形式。
发射单元110被实施成在接收单元120的方向上射出成束的激光射线130。此外，发射单元被实施成在接收单元120的方向上射出定位光束140，其中，定位光束以反馈光束(Rueckmeldungsstrahl)141的形式被接收单元反射且用于发射单元在接收单元的方向上的取向和跟踪。
接收单元具有以太阳能发电机的形式的辐射能吸收单元122，其具有接收面123(成束的激光射线130打到其上)。太阳能发电机122被实施成将打到接收面123上的成束的激光射线转换成电能。
接收单元具有反射器129，其被实施成在发射单元的方向上以反馈光束141的形式反射定位光束140。
太阳能发电机122和反射器129借助于悬挂部121被万向地悬挂。
接收单元120布置在壳体128中。壳体128优选由加载有内压力的透明的薄膜构成。
类似于图1中的图示，图2显示了带有发射单元110和接收单元120的能量传输装置100。在图2中所示的发射单元110具有近距离监控单元170和远距离监控单元180，其分别被实施成监控位于发射单元110与接收单元120之间成束的激光射线130的传输区域中的监控区域175或185。如由图2清楚地得悉的那样，监控区域175和185相交成使得位于发射单元与接收单元之间的且设置用于传输成束的激光射线的整个空间由监控单元170和180中的至少一个来检测。
图3显示了带有发射单元110和接收单元120的能量传输装置100。发射单元110具有激光纤维束112、定位光学部件114、准直透镜116、伸缩透镜118和主镜119。在准直透镜与定位光学部件之间布置有平场光学部件(Planfeldoptik)150A、150B。在此，平场光学部件150A、150B是发射单元的光学部件的备选的焦距调节部。如果需要更长的焦距，则在发射单元110的光学部件中插入偏转镜155A、155B、155C、155D，其中，偏转镜经由平场光学部件150B偏转激光纤维束112的激光射线。
准直透镜或准直光学部件用于将激光纤维投影在主镜上且平场光学部件可防止在激光射线中产生焦斑。
准直透镜例如可具有24mm的焦距和5至8mm、尤其6.8mm的直径。在一实施例中，主透镜可具有305mm的直径以及6m(用于在接收单元与发射单元之间5km的距离)和12m(用于在接收单元与发射单元之间10km的距离)的焦距。定位光学部件是用于光束且尤其激光射线的射出和取向的装置。
图4显示了由两个驱动器305驱动的飞行器300。飞行器尤其可以是用于侦察目的的无人小型飞行器。为了驱动单元305的能量供应，飞行器300具有如上面和接下来所述的接收单元120、可充电的电池310和三个太阳能电池320A、320B和320C。
接收单元120被实施成借助于成束的激光射线从发射单元110接收能量，其中，发射单元110布置在地面站350处。
飞行器300因此结合以如上面和接下来所述的接收单元、位于飞机上的可充电的电池和太阳能电池的形式的多个能量供应源，其中，不仅接收单元而且太阳能电池对此可被实施成给可充电的电池供应能量，使得飞行器在经由接收单元或经由太阳能电池的能量供应失效或受干扰的情况下可借助于来自可充电的电池的能量来驱动。
除了驱动单元305的运行之外，接收单元、可充电的电池和太阳能电池可提供能量用于位于飞行器上的电子装置。
该飞行器可以是带有3至6m且尤其4.5m的翼展的无人小型飞机，具有大约1.0qm的翼面和8kg的重量，这相应于每qm 8kg的翼载。该飞行器可被实施成在40与70km/h之间且尤其60km/h的飞行速度下来运行。为了驱动飞行器，因此在一实施例中可能需要直至200瓦的电能，其中，发射单元被实施成发射激光射线或接收单元被实施成接收激光射线，该激光射线照射太阳能发电机以产生该所需的电能。
在另一实施例中，接收单元的太阳能发电机可被实施成接收直至2100瓦的光学功率且根据效率提供直至580W的电功率。这些功率数据可针对在发射单元与接收单元之间大约5km的距离，从而对于飞行器使较大的运行或飞行半径成为可能。
附图标记清单
100 能量传输装置
110 发射单元
111 悬挂部
112 激光纤维束
113 伸缩镜
114 定位光学部件
116 场透镜
118 伸缩透镜
119 主镜
120 接收单元
121 悬挂部
122 辐射能吸收单元
123 接收面
128 壳体
129 反向反射器
130 激光射线
140 定位光束
141 反馈光束
150A 像场平整和校正光学部件
150B像场平整和校正光学部件
155A 偏转镜
155B 偏转镜
155C 偏转镜
155D 偏转镜
170 近距离监控单元
175 监控区域
180 远距离监控单元
185 监控区域
300 飞行器
305 驱动器
310 电池
320A 太阳能电池
320B 太阳能电池
320C 太阳能电池
350 地面站。

Claims (14)

1. 一种用于借助于成束的激光射线(130)无线传输能量的发射单元(110)，其具有
带有多个激光纤维的激光纤维束(112)，其中，每个激光纤维被实施成射出激光射线；
用于调整成束的所述激光射线的射出方向的定位光学部件(114)；
场透镜(116)；和
主透镜(118)；
其中，多个激光纤维被实施成分别射出激光射线，所述激光射线穿过所述定位光学部件、所述场透镜和所述主透镜，使得由所述发射单元射出的激光射线被成束地射出。
2. 根据权利要求1所述的发射单元，其具有至少一个万向悬挂部(111,121)用于容纳由所述激光纤维束、所述定位光学部件、所述场透镜和所述主透镜构成的光学元件组中的至少一个元件。
3. 根据权利要求1或2中任一项所述的发射单元，其具有布置在所述场透镜与所述定位光学部件之间的像场平整和校正光学部件(150A,150B)。
4. 根据权利要求3所述的发射单元，其中，所述发射单元具有多个偏转镜(155A,155B,155C,155D)和焦距延长光学部件，其与所述像场平整和校正光学部件在所述场透镜与所述主透镜之间布置成使得所述发射单元具有延长的焦距。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的发射单元，其此外具有监控单元(170,180)，所述监控单元被实施成监控在成束的激光射线的射出方向的方向上位于所述发射单元之前的监控区域(175,185)；
其中，所述监控单元被实施成当有物体侵入所述监控区域中时中断通过所述发射单元发出成束的激光射线。
6. 根据权利要求5所述的发射单元，其中，所述监控单元具有近距离监控单元(170)和远距离监控单元(180)。
7. 一种运输工具(300)，其具有
用于接收成束的激光射线的接收单元(120)，所述激光射线由根据权利要求1至6中任一项所述的发射单元发出；
其中，所述接收单元具有辐射能吸收单元(122)，其被实施成吸收由所述发射单元射出的成束的激光射线且转换成电能；
其中，所述电能被设置用于以电能供应所述运输工具的驱动器。
8. 根据权利要求7所述的运输工具，其中，所述接收单元具有反向反射器(129)，其被实施成在所述发射单元的方向上反射定位光束(140)；
其中，所述定位光束以及由同轴的高速摄像机和适应性光学元件板构成的精稳单元作为校正元件实施成进行所述发射单元在所述接收单元的方向上的高精度取向，使得成束的激光射线被射出到所述接收单元的规定的接收面(123)上。
9. 根据权利要求8所述的运输工具，其中，所述接收面是圆形的且具有最大0.5m的直径。
10. 根据权利要求7至9中任一项所述的运输工具，其具有用于容纳所述接收单元的透明的壳体(128)；其中，所述接收单元被万向悬挂在所述壳体中。
11. 根据权利要求10所述的运输工具，其中，透明的所述壳体为了稳定化能够以与在所述壳体之外存在的大气压力相比的过压加载。
12. 根据权利要求7至11中任一项所述的运输工具，其此外具有可充电的电池(310)，所述电池被实施成借助于由所述接收单元所接收的能量来充电；
其中，所述电池被实施成当由所述接收单元所提供的能量低于规定的值时提供电能以供应所述运输工具的驱动器。
13. 根据权利要求7至12中任一项所述的运输工具，其此外在上侧(320A,320B,320C)处具有太阳能发电机，所述太阳能发电机被实施成借助于从太阳辐射所接收的能量产生电流用于运行和存储在所述电池中。
14. 根据权利要求7至13中任一项所述的运输工具，其中，所述运输工具实施为飞行器。
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