CN106787241B - 具有报警功能的边防巡逻无人机无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机充电技术，具体涉及具有报警功能的边防巡逻无人机无线充电系统，包括处理器，包括充电平台发射单元，无人机接收单元和地面控制单元；充电平台发射单元包括相互连接的电源模块、第一信息调制模块、功率控制模块、逆变模块、控制器a、第一电流检测模块、第一信息解调模块和发射线圈及其补偿电路，其上方设置一微小测试线圈；无人机接收单元包括相互连接的接收线圈及其补偿电路、第二信息调制模块、整流模块、控制器b、第二电流检测模块和机载电池；地面控制单元包括相互连接的第二信息解调模块、无人机控制模块和报警模块。该无线充电系统能够控制无人机何时充电、何处充电，可实现多架无人机高效地利用有限数量的充电平台。

Description

具有报警功能的边防巡逻无人机无线充电系统

技术领域

本发明涉及无人机充电技术领域，尤其涉及具有报警功能的边防巡逻无人机无线充电系统。

背景技术

目前中国有一万六千多公里的陆路边防线。特别是内蒙古、云南、新疆、西藏地区的边界线长，执勤点多，多数边防部队处于海拔高、气压低、气候恶劣、地貌复杂、生存条件异常艰苦环境中。将无人机应用于边防巡逻，可以结束过去徒步、骑马、雪橇巡逻的历史，大大缩短巡逻时间，增加了巡逻安全性。

无人机一般分为固定翼无人机和旋翼无人机。相对于旋翼无人机而言，固定翼无人机具有飞行效率高、飞行速度快、飞行距离远、系统结构简单、质量轻、成本和使用费用低等优点。但是，四旋翼无人机由于可以垂直起降、自由悬停，可以适应各种速度及各种飞行剖面航路的飞行状况。它具有以下几个特点：1）体积小、重量轻、隐蔽性好，适合多平台、多空间使用，可以在地面灵活垂直起降，降落点的定位精度高，便于拓展无人机的无线充电功能；2）飞行高度低，具有很强的机动性，执行特种任务能力强，微型四旋翼无人机飞行高度为几米到几百米，飞行速度为每秒几米好几十米，便于在复杂情况下使用，可以对细小环节进行侦查；3）结构简单，成本低，安全性好，四旋翼无人机可以提供准确实时的目标探测信息，成本较低，拆卸方便，且易于维护。

无线电能传输技术是一种将电能转换为电磁场或电磁波进行能量传输的技术，其发展主要依赖于电磁谐振技术、高频逆变技术和电力电子技术，这三项技术的进步是无线电能传输技术得以发展的前提。无线电能传输技术使得电源端和充电设备相互隔离，没有直接的导线相互连接，不仅节约费用、降低成本，而且其方便性和快捷性也大大提高。按照工作原理，无线电能传输技术可以分为三类：一是基于电磁感应原理的磁耦合感应式无线电能传输；二是将电能通过一定的变换，转换为微波或者激光形式送往发射线圈，远处的接收线圈经过进一步处理变为所需的电能，从而实现电能的远程传输；三是基于磁场谐振原理实现电能的无线中程传输技术。其中，磁耦合谐振式无线电能传输方案传输功率比电磁感应式小，但其传输距离较电磁感应式远，且效率更高，不需要初级侧谐振器和次级侧谐振器完全对准；与无线电波式无线电能传输方案相比，其传输距离虽短，但功率和效率更高。

虽然无线充电技术给无人机的使用带来了很大的方便，也使无人机的应用空间越来越大，但是为边防巡逻无人机充电设立在野外的充电平台存在遭到人为破坏或发生自身故障的风险。再则充电平台数量也是有限的，如何使多架次的无人机高效，准确地进行充电也是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有报警功能使用便捷、运行可靠、维护成本低、安全高效的无线充电系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：具有报警功能的边防巡逻无人机无线充电系统，包括处理器，包括充电平台发射单元，无人机接收单元和地面控制单元；所述充电平台发射单元包括相互连接的电源模块、第一信息调制模块、功率控制模块、逆变模块、控制器a、第一电流检测模块、第一信息解调模块和发射线圈及其补偿电路；所述无人机接收单元包括相互连接的接收线圈及其补偿电路、第二信息调制模块、整流模块、控制器b、第二电流检测模块和机载电池；所述地面控制单元包括相互连接的第二信息解调模块、无人机控制模块和报警模块；

所述发射线圈及其补偿电路的上方设置一个微小的测试线圈，用于检测无人机接收单元的运行状态；

所述电源模块用于提供直流电源，逆变模块逆变成高频交流电，高频交流电在发射线圈及其补偿电路中的电容和电感之间振荡，通过发射线圈将能量传输至接收线圈及其补偿电路；

所述接收线圈及其补偿电路用于接收能量，使之在电容和电感之间振荡，感应产生和发射侧相同频率的高频交流电；

所述整流模块用于将高频交流电整流为直流电，提供机载电池储存使用；

所述功率控制模块用于调整控制器a输出的PWM信号的占空比，对发射功率进行调节；

所述第一电流检测模块用于检测发射线圈的电流，处理并反馈至控制器a，使控制器a输出的控制逆变模块的PWM信号频率随负载频率的改变而改变；

所述第二电流检测模块用于检测发射线圈的电流，处理并反馈至控制器b，控制器b处理后经第二信息调制模块发射至第一信息解调模块，再送回控制器b处理；

所述第二信息解调模块用于解调来自第一信息调制模块和第二信息调制模块的调制信息；

所述报警模块用于发出充电平台发射单元工作状态异常警报；

所述无人机控制模块用于根据第二信息解调模块的解调信息进行调度处理；

处理器用于控制无人机接收单元何时、何处充电。

在上述的具有报警功能的边防巡逻无人机无线充电系统中，所述第一信息调制模块和第二信息调制模块与第二信息解调模块之间信息传递，所述第二信息调制模块与第一信息解调模块之间信息传递均通过无线射频收发器实现。

上述无线充电系统的工作流程如下：电源模块提供直流电源，经过逆变模块逆变成高频交流电，高频交流电在发射线圈及其补偿电路的电容和电感之间来回振荡，通过发射线圈把能量传输到无人机接收单元。接收线圈及其补偿电路接收到能量后，同样地在电容和电感之间来回振荡，感应产生和发射侧相同频率的高频交流电，再通过整流模块把交流电整流为直流电，提供给机载电池储存使用。其中功率控制模块通过改变调整控制器a输出的PWM信号的占空比，可以对发射功率进行调节。第一电流检测模块通过检测经过发射线圈的电流，通过处理后反馈到控制器a，保证控制器a输出的控制逆变模块的PWM信号频率可以随着负载频率的改变而改变，进而能够提高系统的整体能量传输效率，保障了系统的高效运行。充电平台发射单元的工作状态有待机、充电及异常三种状态，一旦充电平台发射单元的工作状态发生改变，第一信息调制模块把工作状态信息调制后向第二信息解调模块发送。第二信息调制模块把无人机的运行状态、位置、电量等信息调制后向第二信息解调模块发送。无人机接收单元中的第二电流检测模块同样地通过检测发射线圈经过的电流，通过处理后反馈到控制器b，控制器b处理后经第二信息调制模块发射到充电平台发射单元中的第一信息解调模块，再送入控制器b处理，完成次级侧的频率跟踪。第二信息解调模块接收到来自第一信息调制模块和第二信息调制模块的调制信息后，进行解调。如果充电平台工作状态为异常状态，报警模块发出报警，通知相关人员处理。无人机控制模块根据第二信息解调模块的解调信息进行调度处理。

上述无线充电系统报警功能是通过以下方式实现的，在充电平台发射单元的发射线圈上方布置一个微小的测试线圈，检测系统开启后，先检测无人机接收单元是否在进行无线电能传输，若无人机接收单元正在进行充电，则延时1分钟后再次检测；若无人机接收单元没有进行充电，则充电系统自启动。再检测线圈有无感应电流，若有感应电流，则延时10分钟，重新检测无人机接收单元是否在充电；若无感应电流，则发出警报信号，并通过第二信息调制模块向地面控制单元发送，经第二信息解调模块解调后，通过报警模块向工作人员发出警报，待地面人员处理后重新检测无人机是否在充电。

上述无线充电系统通过地面控制单元接受充电平台发射单元、无人机接收单元的运行状态、位置、电量等信息，经过处理器的统一调度安排，实现控制无人机何时充电、在何处充电。

第一信息解调模块、第二信息解调模块、第一信息调制模块和第二信息调制模块之间的信息传递均通过无线射频收发器来完成。

本发明的有益效果：（1）增加在非正常工作下报警的功能，充电平台发射单元在遭到人为破坏或发生自身故障情况下可向地面控制单元报警，地面人员能够及时处理，大大地提高了系统的可靠性。（2）改进了目前各个充电平台独立工作状况，可实现多架无人机最高效地利用有限数量的充电平台，避免无人机降落在无法充电的充电平台，把各个充电平台及各个运行状态下或待机状态下的无人机联系起来，实现互通互联，实现系统的经济、高效、可靠运行。

附图说明

图1是本发明一个实施例系统结构示意图；

图2是本发明一个实施例非正常报警流程图；

1-充电平台发射单元 ，11-电源模块，12-第一信息调制模块，13-功率控制电路，14-逆变模块，15-控制器a ，16-第一电流检测模块，17-第一信息解调模块，18-发射线圈及其补偿电路；

2-无人机接收单元，21-接收线圈及其补偿电路，22-第二信息调制模块，23-整流模块，24-控制器b，25-第二电流检测模块，26-机载电池；

3-地面控制单元，31-第二信息解调模块，32-无人机控制模块，33-报警模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例采用如下技术方案：具有报警功能的边防巡逻无人机无线充电系统，包括处理器，包括充电平台发射单元，无人机接收单元和地面控制单元；所述充电平台发射单元包括相互连接的电源模块、第一信息调制模块、功率控制模块、逆变模块、控制器a、第一电流检测模块、第一信息解调模块和发射线圈及其补偿电路；所述无人机接收单元包括相互连接的接收线圈及其补偿电路、第二信息调制模块、整流模块、控制器b、第二电流检测模块和机载电池；所述地面控制单元包括相互连接的第二信息解调模块、无人机控制模块和报警模块；

所述发射线圈及其补偿电路的上方设置一个微小的测试线圈，用于检测无人机接收单元的运行状态；

所述电源模块用于提供直流电源，逆变模块逆变成高频交流电，高频交流电在发射线圈及其补偿电路中的电容和电感之间振荡，通过发射线圈将能量传输至接收线圈及其补偿电路；

所述接收线圈及其补偿电路用于接收能量，使之在电容和电感之间振荡，感应产生和发射侧相同频率的高频交流电；

所述整流模块用于将高频交流电整流为直流电，提供机载电池储存使用；

所述功率控制模块用于调整控制器a输出的PWM信号的占空比，对发射功率进行调节；

所述第一电流检测模块用于检测发射线圈的电流，处理并反馈至控制器a，使控制器a输出的控制逆变模块的PWM信号频率随负载频率的改变而改变；

所述第二电流检测模块用于检测发射线圈的电流，处理并反馈至控制器b，控制器b处理后经第二信息调制模块发射至第一信息解调模块，再送回控制器b处理；

所述第二信息解调模块用于解调来自第一信息调制模块和第二信息调制模块的调制信息；

所述报警模块用于发出充电平台发射单元工作状态异常警报；

所述无人机控制模块用于根据第二信息解调模块的解调信息进行调度处理；

处理器用于控制无人机接收单元何时、何处充电。

更进一步，所述第一信息调制模块和第二信息调制模块与第二信息解调模块之间信息传递，所述第二信息调制模块与第一信息解调模块之间信息传递均通过无线射频收发器实现。

具体实施时，如图1所示，具有报警功能的边防巡逻无人机无线充电系统，包含充电平台发射单元1，无人机接收单元2，地面控制单元3三个单元。其中充电平台发射单元1包括相互连接的电源模块11、第一信息调制模块12、功率控制模块13、逆变模块14、控制器a15、第一电流检测模块16、第一信息解调模块17、发射线圈及其补偿电路18；无人机接收单元2包括相互连接的接收线圈及其补偿电路21、第二信息调制模块22、整流模块23、控制器b24、第二电流检测模块25、机载电池26；地面控制单元3包括相互连接的第二信息解调模块31、无人机控制模块32、报警模块33。

电源模块11提供直流电源，经过逆变模块14逆变成高频交流电，高频交流电在发射线圈及其补偿电路18的电容和电感之间来回振荡，通过发射线圈把能量传输的到无人机接收单元2。接收线圈及其补偿电路21接收到能量后，同样地在电容和电感之间来回振荡，感应产生和发射侧相同频率的高频交流电，再通过整流模块23把交流电整流为直流电，提供给机载电池26储存使用。其中功率控制模块13通过改变调整控制器a15输出的PWM信号的占空比，可以对发射功率进行调节。第一电流检测模块16通过检测发射线圈经过的电流，通过处理后反馈到控制器a15，保证控制器a15输出的控制逆变模块14的PWM信号频率可以随着负载频率的改变而改变，进而能够提高系统的整体能量传输效率，保障了系统的高效运行。一旦充电平台发射单元2的工作状态（待机、充电及异常三个状态）发生改变，第一信息调制模块12把工作状态信息调制后向第二信息解调模块31发送。第二信息调制模块22把无人机的运行状态、位置、电量等信息调制后向第二信息解调模块31发送。

另外，无人机接收单元2中的第二电流检测模块25同样地通过检测发射线圈经过的电流，通过处理后反馈到控制器b24，控制器b24处理后经第二信息调制模块22发射到充电平台发射单元1中的第一信息解调模块17，在送入控制器b15处理，完成次级侧的频率跟踪。

第二信息解调模块31接收到来自第一信息调制模块12和第二信息调制模块22的调制信息后，进行解调。如果充电平台发射单元1工作状态为异常状态，报警模块33发出报警，通知相关人员处理。控制模块32根据第二信息解调模块31的解调信息进行调度处理。

其中，各信息解调模块和信息调制模块之间的信息传递通过无线射频收发器来完成。

本实施例的无线充电系统在非正常工作下报警的功能的实现：在充电平台发射单元1的发射线圈上方布置一个微小的测试线圈。工作流程如图2所示，检测系统开启后，先检测无人机接收单元是否在进行无线电能传输，若无人机接收单元正在进行充电，则延时1分钟后再次检测；若无人机接收单元不在进行充电，则充电系统自启动。再检测线圈有无感应电流，若有感应电流，则延时10分钟，重新检测无人机接收单元是否在充电；若无感应电流，则产生警报信号，并通过第二信息调制模块22向地面控制单元3发送，经第二信息解调模块31解调后，通过报警模块33向工作人员发出警报，待地面人员处理后重新检测无人机接收单元是否在充电。

地面控制单元3可以接受充电平台发射单元1、无人机接收单元2的运行状态、位置、电量等信息，并可以经过处理器的统一调度安排，控制无人机接收单元2何时充电、在何处充电。其有益效果：可实现多架无人机高效地利用有限数量的充电平台；可避免无人机降落在无法充电的充电平台。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.具有报警功能的边防巡逻无人机无线充电系统，包括处理器，其特征在于，包括充电平台发射单元，无人机接收单元和地面控制单元；所述充电平台发射单元包括相互连接的电源模块、第一信息调制模块、功率控制模块、逆变模块、控制器a、第一电流检测模块、第一信息解调模块和发射线圈及其补偿电路；所述无人机接收单元包括相互连接的接收线圈及其补偿电路、第二信息调制模块、整流模块、控制器b、第二电流检测模块和机载电池；所述地面控制单元包括相互连接的第二信息解调模块、无人机控制模块和报警模块；

所述发射线圈及其补偿电路的上方设置一个微小的测试线圈，用于检测无人机接收单元的运行状态；检测系统开启后，先检测无人机接收单元是否在进行无线电能传输，若无人机接收单元正在进行充电，则延时1分钟后再次检测；若无人机接收单元不在进行充电，则充电系统自启动；再检测线圈有无感应电流，若有感应电流，则延时10分钟，重新检测无人机接收单元是否在充电；若无感应电流，则产生警报信号，并通过第二信息调制模块向地面控制单元发送，经第二信息解调模块解调后，通过报警模块向工作人员发出警报，待地面人员处理后重新检测无人机接收单元是否在充电；地面控制单元可以接受充电平台发射单元、无人机接收单元的运行状态、位置、电量信息，并可以经过处理器的统一调度安排，控制无人机接收单元何时充电、在何处充电；

所述电源模块用于提供直流电源，逆变模块逆变成高频交流电，高频交流电在发射线圈及其补偿电路中的电容和电感之间振荡，通过发射线圈将能量传输至接收线圈及其补偿电路；

所述接收线圈及其补偿电路用于接收能量，使之在电容和电感之间振荡，感应产生和发射侧相同频率的高频交流电；

所述整流模块用于将高频交流电整流为直流电，提供机载电池储存使用；

所述功率控制模块用于调整控制器a输出的PWM信号的占空比，对发射功率进行调节；

所述第一电流检测模块用于检测发射线圈的电流，处理并反馈至控制器a，使控制器a输出的控制逆变模块的PWM信号频率随负载频率的改变而改变；

所述第二电流检测模块用于检测接收线圈的电流，处理并反馈至控制器b，控制器b处理后经第二信息调制模块发射至第一信息解调模块，再送回控制器a处理；

所述第二信息解调模块用于解调来自第一信息调制模块和第二信息调制模块的调制信息；

所述报警模块用于发出充电平台发射单元工作状态异常警报；

所述无人机控制模块用于根据第二信息解调模块的解调信息进行调度处理；

处理器用于控制无人机接收单元何时、何处充电。

2.如权利要求1所述的具有报警功能的边防巡逻无人机无线充电系统，其特征在于，所述第一信息调制模块与第二信息解调模块之间信息传递，第二信息调制模块与第二信息解调模块之间信息传递，所述第二信息调制模块与第一信息解调模块之间信息传递均通过无线射频收发器实现。

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