CN106058985A - 一种无人机自动充电控制装置及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于充电控制技术领域，提供一种无人机自动充电控制装置及充电方法，装置包括可充电起落架、充电适配器和电源。主要技术特征是采用一种具有充电功能的起落架，使用具有极性适配能力的机电连接器，在充电控制板的自动控制下，实现一种无人机电池的在位充电技术方案，可广泛应用于无人机起降装置或充电坞。

Description

一种无人机自动充电控制装置及充电方法

技术领域

本发明属于充电控制技术领域，尤其涉及一种无人机自动充电控制装置及充电方法。

背景技术

近年来，无人机在民用、警用、军用等领域的应用得到了迅猛发展。采用电池供电的小型无人机在市场上占据主导地位，原因是电池属于清洁能源，没有排放污染，易于循环使用。然而，电池的续航能力一直是无人机应用的一个重要制约瓶颈，通常无人机在空中飞行30分钟后就需要返回地面更换电池，如此才能继续执行飞行任务。执行关键任务时，工作人员需携带多块电池，轮流更换无人机的电池，或者采用多个无人机交替升空的办法来保证连续任务的执行。无论什么情况，都需要对电池频繁充电。

无人机电池更换时需要把电池从电池仓移除，再放入已经充满电的电池，一些无人机为了更换电池方便，干脆不设电池仓，简单地用胶带把电池绑在无人机上就起飞，可见无人机电池续航能力和电池更换不方便的确制约了无人机的应用。在一些需要无人机长时间升空的关键任务中，一台无人机可能需要配备数块电池，通常情况下，电池有专人管理且使用专用充电器对电池充电，晚上集中充电，保证白天使用，即便这样，也常常会担心电池续航能力不足的问题。由于电池技术和快充技术的发展，发展在位充电技术，即不把电池卸下来，在无人机起降装置或充电坞上直接完成充电的技术，是技术发展的趋势之一，特别是有起降装置的无人机，在位充电应当是必须配置的功能，因此无人机充电控制领域尚有很大的发展空间和市场。

此外，充电必须保证充电装置输出的充电电压的极性与电池匹配，若不匹配轻则不能充电，重则导致电池短路爆炸，因此，不能自动判别充电极性的充电装置大大降低了充电的人工效率。

发明内容

针对无人机电池续航能力不足、充电不方便和充电人工效率低的问题，本发明提供一种无人机自动充电控制装置及充电方法，可在无人机停靠时自动对电池进行在位充电，无需或减少把电池从无人机卸下来使用专用充电器上充电的频次。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无人机自动充电控制装置，包括可充电起落架、充电适配器和电源。可充电起落架承担无人机起落架原有的停靠功能，作为取代现有起落架的替代品，被安装在无人机机体下方，所述充电适配器和所述电源则安装在起降装置或充电坞上。无人机降落后，所述可充电 起落架与充电适配器存在机械和电气连接，充电适配器自动对无人机电池充电；无人机起飞后，所述可充电起落架与充电适配器的机械和电气连接断开。

所述可充电起落架包括支架、第一机电连接器、充电附件、充电电缆；所述支架为内含中空管道的机械支撑件，起支撑无人机的重量和保证机体着陆稳定的作用，空心的内部用于走线和结构集成；支架落地部分是竖杆布局或横杆布局；第一机电连接器安装在支架的最下端，该连接器有两个作用，一个是无人机降落时的重量支撑和固定，另一个是传输充电电流及控制信号，因此机电连接包括机械和电气两个方面的连接，既是无人机停靠的着力点，也是充电电流的输入接口；所述充电附件安装在支架的内部或外部，可以与支架进行一体化设计或共形设计，有线充电时为限流滤波器或电流平衡器，在无线充电时还是能量耦合接收器；所述充电电缆的一端与第一机电连接器和充电附件相连，另一端在支架内部走线，最终与无人机电池相连，充电电缆的主要作用是把充电电流送往电池，并传输控制信号。

所述充电适配器包括第二机电连接器和充电控制板，第二机电连接器和充电控制板可做在一个组件内，充电适配器的第二机电连接器与起落架上的第一机电连接器在降落时存在机械和电气互连。充电控制板完成起降事件识别、电池电量监测、降落朝向识别、更换充电正负极性和充电电流控制的任务。在无线充电时，所述充电控制板还包括无线能量发射模块，有线充电时，无线能量发射模块可省略。另外，所述充电适配器是充电控制的主控单元。

所述充电适配器的工作原理是：当无人机降落于起降装置或充电坞时，所述第一机电连接器(1B)和所述第二机电连接器(2A)在导向销或导向孔(101)的辅助下，通过无人机自重产生的压力正常连接，充电控制板上CPU按照每10ms的间隔周期性被唤醒，唤醒以后控制电子矩阵开关向所有可能的发送触点发送电流脉冲，同时对所有可能的接收触点进行检测，这些发送触点和接收触点都是朝向检测触点(102)；当无人机朝向不同时，由于可充电起落架的第一机电连接器(1B)的朝向检测触点(102)存在固定的短接，因此第二机电连接器(2A)的朝向检测触点(102)之间的通断连接情况存在差异，存在且仅存在一种可预知的触点连接状态，通过检测电流存在与否来判断朝向检测触点(102)之间是否连接，当检测到存在任何一种理论上存在的触点连接时，即发现降落事件；当检测不到任何可能的触点的连接状态时，说明无人机不在起降装置上或者无人机已经起飞；当检测到无人机降落后，根据程序预先设定的触点连接逻辑，即第二机电连接器(2B)哪两个朝向触点(102)之间连通的逻辑关系，可轻松判断出无人机的朝向；当判断出无人机的朝向后，程序控制由继电器或电流开关构成的极性换向电路，完成充电触点(103)的正负极性设定，随后电量监测的电路被接通，根据电量监测的结果决定是否进行充电，当需要充电时通过充电控制、保护的电路对无人机电池进行充电。另外，第一机电连接器和第二机电连接器上存在设备控制触点(104)，这些触点用于传输控制无人机及其所携带设备的控制信号，通过电子开关能正确切换，不受降落朝向的控制。综上所述，充电适配器利用了机电连接器在连接时产生的触点电连接差异，实现了无特定朝向降落情况下的充电。

所述第一机电连接器(1B)和所述第二机电连接器(2A)在机械上结构上为阴阳互补型，两者中心有辅助对准的机械导向销或导向孔，两者相差90°及其整数倍都能进行连接；在电气上是压力连接型，电气触点分四类，第一类是朝向检测触点(102)，最少4个，触点直径最细；第二类是充电触点(103)，最少四个，任何触点都可能是正极或负极，触点直径较粗；第三类设备控制触点(104)，数量根据需要设定，触点直径较细，第四类是电磁耦合触点，此类触点不直接连接，但存在互为对应的抵近耦合面，为增加感应面积，做成大面积的凸凹结构。

当产品同时存在有线充电功能和无线充电功能时，第一机电连接器(1B)和第二机电连接器(2A)是必须存在的，充电附件(1C)只包括限流滤波器或电流平衡器外，还包括无线能量接收模块，充电控制板(2B)还包括无线能量发射模块；当产品只存在有线充电功能时，第一机电连接器(1B)和第二机电连接器(2A)是必须存在的，充电附件(1C)只包括限流滤波器或电流平衡器，充电控制板(2B)不含无线能量发射模块；当产品只存在无线充电功能时，第一机电连接器(1B)和第二机电连接器(2A)的机械部分(101)是必须存在的，电连接部分可省略，充电附件(1C)的无线能量接收器和充电控制板(2B)的无线能量发射模块可分别前移至第一机电连接器(1B)和第二机电连接器(2A)。

所述电源包括蓄电池和电源变换器，所述电源的能量来自于起降装置、起降装置的承载体或充电坞，种类为车辆蓄电池、船电、市电，甚至来是风能或太阳能。

本发明还提供一种无人机自动充电控制方法，包括以下步骤：

步骤1，操作无人机以任意允许之朝向降落到起降装置或充电坞；

步骤2，无人机可充电起落架的第一机电连接器和充电适配器的第二机电连接器通过无人机自身重量产生的压力，自然地完成机械和电气的连接，充电适配器立即感知无人机的降落事件，识别可充电起落架的降落朝向，随即自动改变充电正负极性，充电电流从电源流出，经过充电适配器的第二机电连接器、可充电起落架的第一机电连接器、起落架支架中空管道的充电电缆，持续给无人机电池充电；

步骤3，充电满后，充电适配器自动停止充电；

步骤4，无人机起飞时，无人机可充电起落架的第一机电连接器与充电适配器的第二机 电连接器自然脱开。

本发明的有益效果是：

(1)利用了无人机起落架充当了充电功能设备，使传统的无人机起落架增添了新功能，采用共形设计后，外观上与现有起落架差别不大，并不会影响无人机的整体外观；

(2)本发明的第一机电连接器和第二机电连接器本身不带极性，仅仅是一个传输端口，这样使得无人机自动充电与降落朝向无关，便于用户使用，避免了无人机与充电装置之间的充电正负极性不匹配可能导致短路的情况，提高了无人机充电的人工效率；

(3)本发明既能适用于有线充电，也能适用于无线充电；而且充电电缆的部分芯线可用于无人机及其携带设备的控制；

(4)本发明实现无人机在停靠期间即完成充电，不用把电池从无人机取出再到有电的地方使用专用充电器充电，将很大程度上提升用户使用无人机的舒适感。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2(a)为本发明的充电适配器俯视图。

图2(b)为本发明的充电适配器功能框图。

图3为本发明的实施例1示意图。

图4为本发明的实施例2示意图。

图5为支架的A-A剖面图。

图中，1—可充电起落架，1A—支架，1B—第一机电连接器，1C—充电附件，1D—充电电缆，2—充电适配器，2A—第二机电连接器，2B—充电控制板，3—电源，4—线缆；图2中，101—导向销或导向孔，102—朝向检测触点，103—充电触点，104—设备控制触点。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对实施例中的技术方案进行完整清晰的描述，显然所描述的实施例仅为示意性的某具体实施方式，并非限定本发明的范围，任何本领域的人员在不脱离本发明的构思和原则下做出的等同变化和修改，均应属于本发明的保护范围。

参见图1所示，无人机机体的下面安装有可充电起落架作为起降用的起落架，电池附加在无人机机体上为无人机提供续航电力，无人机机体、电池和可充电起落架三者是一个功能整体，为无人机提供航行功能；充电适配器和电源安装在起降装置或充电坞上。在降落时，可充电起落架与充电适配器之间的机械和电气连接呈现连接状态；起飞后，可充电起落架与充电适配器之间的机械和电气连接呈现断开状态；可充电起落架和充电适配器两者采用的连 接器为机电连接器，实现机械式吻合连接和压接式电气连接，也可实现电磁耦合传输。

实施例1

参见图3，本发明包括可充电起落架(1)、充电适配器(2)和电源(3)，充电适配器(2)和电源(3)之间有线缆(4)实现电连接。

可充电起落架(1)包括支架(1A)、第一机电连接器(1B)、充电附件(1C)、充电电缆(1D)；支架(1A)包括4个直立的曲线形支撑件，支架(1A)上端有连接无人机机体的螺丝孔，每个支架(1A)下端都有一个第一机电连接器(1B)；第一机电连接器(1B)是一个圆形的连接器，连接方式是压力轻触连接；充电附件(1C)在无线充电时是能量耦合器，在有线充电时为限流滤波器或电流平衡器。图5为支架(1A)的A-A剖面图。本例中充电附件(1C)紧靠安装在第一机电连接器(1B)的上方，与支架(1A)构成一体化设计；充电电缆(1D)在支架(1A)内部的空心管道中走线，一端与第一机电连接器(1B)和充电附件(1C)连接，另一端将连到无人机电池，允许使用充电电缆(1D)的部分芯线用于控制无人机及其所携带设备，充电电缆(1D)传输了充电电流和控制信号。

充电适配器(2)包括第二机电连接器(2A)和充电控制板(2B)，第二机电连接器(2A)和充电控制板(2B)在结构上做成了一个组件，充电适配器的第二机电连接器(2A)与起落架上的第一机电连接器(1B)可以进行机械和电气互连，充电控制板(2B)是一个带有集成电路等电子元件的电路板，本例中，充电控制板(2B)包含了无线能量发射模块。

电源(3)包括蓄电池和电源变换器，所述电源的能量输入端在图中未示出，能量输入通常是车辆蓄电池、船电、市电，甚至是风能或太阳能。

实施例2

参见图4，本发明包括可充电起落架(1)、充电适配器(2)和电源(3)，充电适配器(2)和电源(3)之间有线缆(4)实现电连接。

可充电起落架(1)包括支架(1A)、第一机电连接器(1B)、充电附件(1C)、充电电缆(1D)；支架(1A)包括2个横杆形式的支撑件，支架(1A)上端有连接无人机机体的螺丝孔，每个支架(1A)下端的横杆上都有一个第一机电连接器(1B)；第一机电连接器(1B)是一个长方形的电连接器，连接方式是压力轻触连接；充电附件(1C)在无线充电时是能量耦合器，在有线充电时为限流滤波器或电流平衡器，图5为支架(1A)的A-A剖面图。本例中充电附件(1C)紧靠安装在第一机电连接器(1B)的正上方；充电电缆(1D)在支架(1A)内部的空心管道中走线，一端与第一机电连接器(1B)和充电附件(1C)连接，另一端将连到无人机电池，允许使用充电电缆(1D)的部分芯线用于控制无人机及其所携带设备， 充电电缆(1D)传输了充电电流和控制信号。

充电适配器(2)包括第二机电连接器(2A)和充电控制板(2B)，第二机电连接器(2A)和充电控制板(2B)在结构上做成了一个组件，充电适配器的第二机电连接器(2A)与起落架上的第一机电连接器(1B)可进行机械和电气互连，由于降落朝向相差90度，故本例中第二机电连接器(2A)呈现十字槽特征，充电控制板(2B)是一个带有集成电路等电子元件的电路板，本例中，充电控制板(2B)包含了无线能量发射模块。

电源(3)包括蓄电池和电源变换器，所述电源的能量输入端在图中未示出，能量输入通常是车辆蓄电池电源、船电、市电，甚至是风能或太阳能。

如图2(a)和图2(b)所示，充电适配器的工作原理是：当无人机降落于起降装置或充电坞时，所述第一机电连接器(1B)和所述第二机电连接器(2A)在导向销或导向孔(101)的辅助下，通过无人机自重产生的压力正常连接，充电控制板上CPU按照每10ms的间隔周期性被唤醒，唤醒以后控制电子矩阵开关向所有可能的发送触点发送电流脉冲，同时对所有可能的接收触点进行检测，这些发送触点和接收触点都是朝向检测触点(102)；当无人机朝向不同时，由于可充电起落架的第一机电连接器(1B)的朝向检测触点(102)存在固定的短接，因此第二机电连接器(2A)的朝向检测触点(102)之间的通断连接情况存在差异，存在且仅存在一种可预知的触点连接状态，通过检测电流存在与否来判断朝向检测触点(102)之间是否连接，当检测到存在任何一种理论上存在的触点连接时，即发现降落事件；当检测不到任何可能的触点的连接状态时，说明无人机不在起降装置上或者无人机已经起飞；当检测到无人机降落后，根据程序预先设定的触点连接逻辑，即第二机电连接器(2B)哪两个朝向触点(102)之间连通的逻辑关系，可轻松判断出无人机的朝向；当判断出无人机的朝向后，程序控制由继电器或电流开关构成的极性换向电路，完成充电触点(103)的正负极性设定，随后电量监测的电路被接通，根据电量监测的结果决定是否进行充电，当需要充电时通过充电控制、保护的电路对无人机电池进行充电。另外，第一机电连接器和第二机电连接器上存在设备控制触点(104)，这些触点用于传输控制无人机及其所携带设备的控制信号，通过电子开关能正确切换，不受降落朝向的控制。综上所述，充电适配器利用了机电连接器在连接时产生的触点电连接差异，实现了无特定朝向的降落情况下的充电。

本发明还提供一种无人机自动充电控制方法，包括以下步骤：

步骤1，操作无人机以任意允许之朝向降落到起降装置或充电坞；

步骤2，无人机可充电起落架的第一机电连接器和充电适配器的第二机电连接器通过无人机自身重量产生的压力，自然地完成机械和电气的连接，充电适配器立即感知无人机的降 落事件，识别可充电起落架的降落朝向，随即自动改变充电正负极性，充电电流从电源流出，经过充电适配器的第二机电连接器、可充电起落架的第一机电连接器、起落架支架中空管道的充电电缆，持续给无人机电池充电；

步骤3，充电满后，充电适配器自动停止充电；

步骤4，无人机起飞时，无人机可充电起落架的第一机电连接器与充电适配器的第二机电连接器自然脱开。

Claims (8)

1.一种无人机自动充电控制装置，其特征在于，包括可充电起落架、充电适配器和电源，所述可充电起落架安装在无人机机体下方，所述充电适配器和所述电源安装在起降装置或充电坞上；所述可充电起落架与充电适配器之间存在机械和电气连接；所述可充电起落架包括支架、第一机电连接器、充电附件和充电电缆；所述支架为内含中空管道的机械支撑件，空心的内部用于走线和结构集成；支架落地部分是竖杆布局或横杆布局，支架最下端安装有第一机电连接器，所述充电附件安装在支架的内部或外部；所述充电电缆的一端与第一机电连接器和充电附件相连，另一端经支架内部走线后最终与无人机电池相连；所述充电适配器包括第二机电连接器和充电控制板，充电控制板还包括无线能量发射模块；所述电源包括蓄电池和电源变换器。

2.根据权利1所述的无人机自动充电控制装置，其特征在于，所述可充电起落架的最下端为第一机电连接器。

3.根据权利1所述的无人机自动充电控制装置，其特征在于，所述充电适配器是充电控制的主控单元。

4.根据权利1所述的无人机自动充电控制装置，其特征在于，所述充电电缆经所述可充电起落架支架的内部空心管道走线，并且充电电缆的部分芯线用于控制无人机及其所携带的设备。

5.根据权利1所述的无人机自动充电控制装置，其特征在于，所述装置的充电包括有线连接的充电和无线连接的充电。

6.根据权利1所述的无人机自动充电控制装置，其特征在于，根据所述可充电起落架的第一机电连接器和所述充电适配器的第二机电连接器在连接时产生的触点电连接差异，所述充电适配器识别出无人机的降落朝向，自动改变充电正负极性。

7.根据权利1所述的无人机自动充电控制装置，其特征在于，所述电源的能量来自于起降装置、起降装置的承载体或充电坞。

8.一种无人机自动充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，操作无人机以任意允许之朝向降落到起降装置或充电坞；

步骤2，无人机可充电起落架的第一机电连接器和充电适配器的第二机电连接器通过无人机自身重量产生的压力，自然地完成机械和电气的连接，充电适配器立即感知无人机的降落事件，识别可充电起落架的降落朝向，随即自动改变充电正负极性，充电电流从电源流出，经过充电适配器的第二机电连接器、可充电起落架的第一机电连接器、起落架支架中空管道的充电电缆，持续给无人机电池充电；

步骤3，充电满后，充电适配器自动停止充电；

步骤4，无人机起飞时，无人机可充电起落架的第一机电连接器与充电适配器的第二机电连接器自然脱开。