CN106816967A - 用于无人机动态无线续航的共振耦合系统及动态充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人机无线充电技术领域，具体涉及用于无人机动态无线续航的共振耦合系统及动态充电方法，包括电动汽车和无人机，电动汽车上设置有电动汽车发射单元，无人机上设置有无人机接收单元；电动汽车射频识别阅读器与无人机上RFID标签无线连接，发射端通信线圈与接收端通信线圈无线连接，功率发射线圈与功率接收线圈之间进行能量传递；功率发射线圈采用组合型线圈矩阵，组合型线圈矩阵内每一线圈采用DD型结构；功率接收线圈采用线圈矩阵。该共振耦合系统使用便捷、运行可靠、维护成本低、安全高效的供无人机进行动态稳定续航，对恶劣天气与环境的适应性较强，能量利用率高。
Description
技术领域
本发明属于无人机无线充电技术领域，尤其涉及用于无人机动态无线续航的共振耦合系统及动态充电方法。
背景技术
无线供电技术（无线传能装置）不需要用电缆将设备与供电系统连接，便可以直接对其进行快速充电。加之非接触快速充电能够布置在多种场所，又可以为各种类型的设备提供充电服务，使随时随地充电变为可能。
现有的无线传能技术至少包括以下五种方式：电磁感应式、电磁共振式、微波式、超声波式及激光式。
其中，电磁共振式无线电能传输技术的原理是与音叉的共振原理相同。排列在一个磁场中的有相同振动频率的线圈，由于其振动频率特性相同也可以实现能量从一个线圈向另一个线圈的电能传输。特点是传输距离较远、可实现一对多传能，但传输效率偏低，适用于中等功率的中等距离传输。
采用无线充电的方式对无人机进行充电，对当今迅速发展的无人机产业具有重要意义。而无人机动态无线续航的供电技术，可以减少无人机搭载的电池，甚至无需搭载电池组。因此，无人机动态无线续航技术不仅能够的降低无人机电池成本，还大大降低了无人机的成本，简化了无人机动态充电。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用便捷、运行可靠、维护成本低、安全高效的供无人机进行动态稳定续航的无线充电系统。有效避免传统有线电能传输过程中产生火花与触电的危险，同时减少器件接触损耗和相应的机械磨损，对恶劣天气与环境的适应性较强，能量利用率高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：用于无人机动态无线续航的共振耦合系统，包括电动汽车和无人机，电动汽车上设置有电动汽车发射单元，无人机上设置有无人机接收单元；电动汽车发射单元包括分布式能源供电模块，车体储能电池，功率控制电路，功率震荡模块，频率跟踪模块，车体GPS定位系统，射频识别阅读器，发射端通信线圈和功率发射线圈；无人机接收单元包括功率接收线圈，信息监测与调制单元，整流稳压模块，接收端通信线圈， RFID标签，机体GPS定位系统和机载电池；分布式能源供电模块连接车体储能电池，车体储能电池连接功率震荡模块，功率震荡模块分别连接功率发射线圈和功率控制电路，功率发射线圈连接频率跟踪模块，功率控制电路分别连接发射端通信线圈、射频识别阅读器和车体GPS定位系统；功率接收线圈连接整流稳压模块，整流稳压模块连接机载电池，机载电池连接信息监测与调制单元，信息监测与调制单元分别连接RFID标签、机体GPS定位系统和接收端通信线圈；射频识别阅读器与RFID标签无线连接，发射端通信线圈与接收端通信线圈无线连接，功率发射线圈与功率接收线圈之间进行能量传递；功率发射线圈采用组合型线圈矩阵，组合型线圈矩阵内每一线圈采用DD型结构；功率接收线圈采用线圈矩阵。
在上述的用于无人机动态无线续航的共振耦合系统中，组合型线圈矩阵包括三行三列的4D组合型线圈，每一4D组合型线圈包括同一股导线绕制的双层DD线圈，每层DD线圈包括两个相同的D型线圈平行排列，两层DD线圈交叉放置，且4个D型线圈的磁场方向相同，功率发射线圈铺设在“田”字型铁氧体平面上。
在上述的用于无人机动态无线续航的共振耦合系统中，功率接收线圈包括三行三列线圈矩阵，线圈矩阵正中央设置有可伸缩的中继线圈，伸出距离为5cm左右，中继线圈外径远小于线圈矩阵单个线圈的外径；单个线圈外径与4D组合型线圈的外径相同，功率接收线圈镶嵌有铁氧体磁芯。
在上述的用于无人机动态无线续航的共振耦合系统中，功率发射线圈设置在电动汽车的顶部，功率接收线圈和中继线圈设置在机器人的底部。
在上述的用于无人机动态无线续航的共振耦合系统中，分布式能源供电模块包括能量管理控制器连接风力发电机、太阳能电池板和市电装置。
在上述的用于无人机动态无线续航的共振耦合系统中，频率跟踪模块包括双管谐振逆变器依次连接PWM驱动电路、锁相环电路、相位补偿比较电路、差分放大器和电阻，并在功率发射端构成反馈电路。
用于无人机动态无线续航的共振耦合系统动态充电方法，包括以下步骤：
步骤1、当无人机上信息监测与调制单元发出充电信号，电动汽车上的射频识别阅读器检测无人机上的RFID标签是否匹配；
步骤1.1、如果射频识别阅读器与RFID标签匹配，且无人机正在巡检，则无人机继续巡检，电动汽车以最佳线路靠近无人机正下方，直到功率发射线圈与功率接收线圈对齐，两者保持相对静止，且间距未超过充电设定值，电动汽车开始对无人机充电；若电动汽车与无人机间距超过充电设定值，无人机弹出中继线圈后电动汽车开始对无人机充电；
步骤1.2、如果射频识别阅读器与RFID标签匹配，且无人机处于未巡检状态，则电动汽车继续充电，无人机以最佳线路靠近电动汽车正上方，直到功率发射线圈与功率接收线圈对齐，两者保持相对静止，且间距未超过充电设定值，电动汽车开始对无人机充电；若电动汽车与无人机间距超过充电设定值，无人机弹出中继线圈后电动汽车开始对无人机充电；
步骤2、当电动汽车无需对无人机供电时，采用分布式能源供电模块对自身进行充电。
在上述的用于无人机动态无线续航的共振耦合系统的动态充电方法中，步骤1.1的实现是通过机体GPS定位系统，控制电动汽车靠近无人机正下方，直至功率发射线圈与功率接收线圈对齐且保持相对静止。
在上述的用于无人机动态无线续航的共振耦合系统的动态充电方法中，步骤1.2的实现是通过车体GPS定位系统，控制无人机靠近电动汽车正上方，直至功率发射线圈与功率接收线圈对齐且保持相对静止。
本发明的有益效果：用于无人机动态无线续航的共振耦合系统使无人机充电时无需停机就能实现动态充电，且充电便捷、系统运行稳定可靠、维护成本低、有效避免传统有线电能传输过程中产生火花与触电的危险，同时减少器件接触损耗和相应的机械磨损，对恶劣天气与环境的适应性较强，能量利用率高。
附图说明
图1是本发明一个实施例的整体功能示意图；
图2是本发明一个实施例的分布式能源供电模块原理框图；
图3是本发明一个实施例的工作流程图；
图4是本发明一个实施例的功率发射线圈组合型线圈矩阵截面示意图；
图5是本发明一个实施例的功率接收线圈矩阵结构示意图；
图6是本发明一个实施例的频率跟踪模块电路原理图；
其中：1-电动汽车发射单元，11-分布式能源供电模块、12-车体储能电池、13-功率控制电路、14-功率震荡模块、15-频率跟踪模块、16-车体GPS定位系统、17-射频识别阅读器、18-发射端通信线圈、19-功率发射线圈；2-无人机接收单元，21-功率接收线圈、22-信息监测与调制单元、23-整流稳压模块、24-接收端通信线圈、25-RFID标签、26-机体GPS定位系统、27-机载电池。
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。
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
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：用于无人机动态无线续航的共振耦合系统，包括电动汽车和无人机，电动汽车上设置有电动汽车发射单元，无人机上设置有无人机接收单元；电动汽车发射单元包括分布式能源供电模块，车体储能电池，功率控制电路，功率震荡模块，频率跟踪模块，车体GPS定位系统，射频识别阅读器，发射端通信线圈和功率发射线圈；无人机接收单元包括功率接收线圈，信息监测与调制单元，整流稳压模块，接收端通信线圈， RFID标签，机体GPS定位系统和机载电池；分布式能源供电模块连接车体储能电池，车体储能电池连接功率震荡模块，功率震荡模块分别连接功率发射线圈和功率控制电路，功率发射线圈连接频率跟踪模块，功率控制电路分别连接发射端通信线圈、射频识别阅读器和车体GPS定位系统；功率接收线圈连接整流稳压模块，整流稳压模块连接机载电池，机载电池连接信息监测与调制单元，信息监测与调制单元分别连接RFID标签、机体GPS定位系统和接收端通信线圈；射频识别阅读器与RFID标签无线连接，发射端通信线圈与接收端通信线圈无线连接，功率发射线圈与功率接收线圈之间进行能量传递；功率发射线圈采用组合型线圈矩阵，组合型线圈矩阵内每一线圈采用DD型结构；功率接收线圈采用线圈矩阵。
进一步，组合型线圈矩阵包括三行三列的4D组合型线圈，每一4D组合型线圈包括同一股导线绕制的双层DD线圈，每层DD线圈包括两个相同的D型线圈平行排列，两层DD线圈交叉放置，且4个D型线圈的磁场方向相同，功率发射线圈铺设在“田”字型铁氧体平面上。
进一步，功率接收线圈包括三行三列线圈矩阵，线圈矩阵正中央设置有可伸缩的中继线圈，伸出距离为5cm左右，中继线圈外径远小于线圈矩阵单个线圈的外径；单个线圈外径与4D组合型线圈的外径相同，功率接收线圈镶嵌有铁氧体磁芯。
进一步，功率发射线圈设置在电动汽车的顶部，功率接收线圈和中继线圈设置在机器人的底部。
进一步，分布式能源供电模块包括能量管理控制器连接风力发电机、太阳能电池板和市电装置。
更进一步，频率跟踪模块包括双管谐振逆变器依次连接PWM驱动电路、锁相环电路、相位补偿比较电路、差分放大器和电阻，并在功率发射端构成反馈电路。
用于无人机动态无线续航的共振耦合系统的动态充电方法，包括以下步骤：
步骤1、当无人机上信息监测与调制单元发出充电信号，电动汽车上的射频识别阅读器检测无人机上的RFID标签是否匹配；
步骤1.1、如果射频识别阅读器与RFID标签匹配，且无人机正在巡检，则无人机继续巡检，电动汽车以最佳线路靠近无人机正下方，直到功率发射线圈与功率接收线圈对齐，两者保持相对静止，且间距未超过充电设定值，电动汽车开始对无人机充电；若电动汽车与无人机间距超过充电设定值，无人机弹出中继线圈后电动汽车开始对无人机充电；
步骤1.2、如果射频识别阅读器与RFID标签匹配，且无人机处于未巡检状态，则电动汽车继续充电，无人机以最佳线路靠近电动汽车正上方，直到功率发射线圈与功率接收线圈对齐，两者保持相对静止，且间距未超过充电设定值，电动汽车开始对无人机充电；若电动汽车与无人机间距超过充电设定值，无人机弹出中继线圈后电动汽车开始对无人机充电；
步骤2、当电动汽车无需对无人机供电时，采用分布式能源供电模块对自身进行充电。
进一步，步骤1.1的实现是通过机体GPS定位系统，控制电动汽车靠近无人机正下方，直至功率发射线圈与功率接收线圈对齐且保持相对静止。
更进一步，步骤1.2的实现是通过车体GPS定位系统，控制无人机靠近电动汽车正上方，直至功率发射线圈与功率接收线圈对齐且保持相对静止。
具体实施时，如图1所示，电动汽车发射单元1包括分布式能源供电模块11，车体储能电池12，功率控制电路13，功率震荡模块14，频率跟踪模块15，车体GPS定位系统16，射频识别阅读器17，发射端通信线圈18，功率发射线圈19。无人机接收单元包括功率接收线圈21，信息监测与调制单元22，整流稳压模块23，接收端通信线圈24，RFID标签25，机体GPS定位系统26，机载电池27。
分布式能源供电模块11采用风光电互补的方式对车体储能电池12充电，如图2所示；车体储能电池12为功率震荡模块14提供充电电压；功率控制电路13控制功率震荡模块14的通断；功率震荡模块14将从车体储能电池12输入的功率震荡为高频震荡电路；频率跟踪模块15采用由双管谐振逆变器、PWM驱动电路、锁相环电路、相位补偿电路、差分放大器和电阻构成的反馈电路接入功率发射线圈，保证电动汽车发射单元与无人机接收单元始终工作于谐振状态，使动态无线充电更加稳定；车体GPS定位系统16确定控制电动汽车与无人机的精确位置，以实现进一步的充电；射频识别阅读器17与无人机上的 RFID标签25配合进行身份识别；发射端通信线圈18接收接收端通信线圈24传送的电池信息、位置信息等；功率发射线圈19发射功率震荡模块14震荡出的高频震荡电路，且功率发射线圈置于电动汽车顶部，采用DD组合型线圈矩阵。
功率接收线圈21接收功率发射线圈19所发射的能量，且功率接收线圈位于无人机底部，采用线圈矩阵结构，还带有可在电动汽车与无人机距离较远时自动弹出的中继线圈；信息监测与调制单元22检测机载电池27的实时电压和电流信息，并将信息通过接收端通信线圈24发射出去；整流稳压模块23将接收的能量整流稳压成恒定的直流电向机载电池27供电；接收端通信线圈24实现与发射端通信线圈18的信息交换；RFID标签25与发射端射频识别阅读器17配合进行身份识别；机体GPS定位系统26确定电动汽车与无人机的精确位置，以实现进一步的充电；机载电池27储存无人机用电。
利用用于无人机动态无线续航的共振耦合系统动态无线充电方法，如图3所示，当信息监测与调制单元22发出充电信号，电动汽车上的射频识别阅读器17检测无人机上的RFID标签25是否匹配，如果匹配且无人机正在巡检，则无人机继续巡检，电动汽车以最佳线路靠近无人机正下方，直到功率发射线圈19与功率接收线圈21对准，两者保持相对静止，且间距未超过充电设定值，电动汽车开始对无人机充电；若间距超过充电设定值，无人机弹出中继线圈后电动汽车开始对无人机充电。若无人机没有巡检，则电动汽车继续充电，无人机以最佳线路靠近电动汽车正上方，直到功率发射线圈19与功率接收线圈21对准，两者保持相对静止，且间距未超过充电设定值，电动汽车开始对无人机充电；若间距超过充电设定值，无人机 弹出中继线圈后电动汽车开始对无人机充电。当电动汽车在无需对无人机供电时，采用由风力发电机、太阳能电池板、市电装置、能量管理控制器等构成的具有风光电互补功能的分布式能源系统对自身进行充电。
而且，当无人机处于巡检状态时，通过机体GPS定位系统，控制电动汽车靠近无人机正下方，直至功率发射线圈19与功率接收线圈21对齐且保持相对静止，从而实现无人机的无线续航。
而且，当无人机处于未巡检状态时，则通过车体GPS定位系统，控制无人机靠近电动汽车正上方，直至功率发射线圈与功率接收线圈对齐且保持相对静止，充电时电动汽车既做负荷，又做电源。
而且，本实施例通过电动汽车上的射频识别阅读器17和无人机上的 RFID标签25对无人机进行身份识别。
而且，功率发射线圈19采用组合型线圈矩阵形式，如图4所示，矩阵包括三行三列的4D组合型线圈，每一4D组合型线圈包括由同一股导线绕制的双层DD线圈，每层DD线圈由两个相同的D型线圈平行排列，且两层DD线圈交叉放置，同时保证4个D型线圈产生的磁场方向相同，以保证磁场的均匀性。同时，功率发射线圈铺设在“田”字型铁氧体平面上，以提高动态充电的稳定性。
而且，功率接收线圈21采用三行三列的线圈矩阵结构，如图5所示，且每一线圈外径与发射端4D组合型线圈外径相同，以提高磁场的利用率，提高传输效率。同时，无人机底部设置有中继线圈，该中继线圈外径远小于线圈矩阵中单个接收线圈外径，且位于线圈矩阵正中央；当电动汽车与无人机距离超过某一设定值时，无人机底部将自动弹出中继线圈，弹出距离为5cm左右，以提高远距离供电的效率；功率接收线圈镶嵌有铁氧体磁芯，在提高动态充电的稳定性的同时，达到减轻重量的目的。
而且，频率跟踪模块15采用由双管谐振逆变器、PWM驱动电路、锁相环电路、相位补偿电路、差分放大器和电阻构成的反馈电路接入功率发射线圈，保证电动汽车发射单元与无人机接收单元始终工作于谐振状态，使动态无线充电更加稳定；如图6所示。
综上所述，本实施例通过GPS定位系统控制电动汽车靠近正在巡检的无人机，或控制无人机靠近正在储能的电动汽车，保证功率发射线圈和功率接收线圈对齐且相对静止，实现无人机无线充电。设置在电动汽车顶部的功率发射线圈采用组合型线圈矩阵形式，且矩阵内每一线圈采用DD型结构，以保证磁场的均匀性和动态充电的稳定性。设置在无人机底部的功率接收线圈采用线圈矩阵结构，矩阵中央还设置有中继线圈，当功率发射线圈和功率接收线圈对齐且相对静止，但电动汽车与无人机之间距离超过某一设定值时，无人机底部将自动弹出中继线圈，以提高远距离供电的效率。功率发射线圈铺设在“田”字型铁氧体平面上，以提高动态充电稳定性；功率接收线圈镶嵌有铁氧体磁芯，在提高动态充电稳定性的同时，达到减轻重量的目的。在电动汽车无需为无人机提供充电时，采用风光电互补的分布式能源供电模块对电动汽车供电；采用具有锁相环的频率跟踪模块，保证电动汽车发射单元与无人机接收单元始终工作于谐振状态，使动态无线充电更加稳定；利用电动汽车上的射频识别阅读器和无人机上的 RFID标签对无人机进行身份识别。
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 (9)
1.用于无人机动态无线续航的共振耦合系统，包括电动汽车和无人机，电动汽车上设置有电动汽车发射单元，无人机上设置有无人机接收单元；电动汽车发射单元包括分布式能源供电模块，车体储能电池，功率控制电路，功率震荡模块，频率跟踪模块，车体GPS定位系统，射频识别阅读器，发射端通信线圈和功率发射线圈；无人机接收单元包括功率接收线圈，信息监测与调制单元，整流稳压模块，接收端通信线圈，RFID标签，机体GPS定位系统和机载电池；分布式能源供电模块连接车体储能电池，车体储能电池连接功率震荡模块，功率震荡模块分别连接功率发射线圈和功率控制电路，功率发射线圈连接频率跟踪模块，功率控制电路分别连接发射端通信线圈、射频识别阅读器和车体GPS定位系统；功率接收线圈连接整流稳压模块，整流稳压模块连接机载电池，机载电池连接信息监测与调制单元，信息监测与调制单元分别连接RFID标签、机体GPS定位系统和接收端通信线圈；射频识别阅读器与RFID标签无线连接，发射端通信线圈与接收端通信线圈无线连接，功率发射线圈与功率接收线圈之间进行能量传递；其特征在于，功率发射线圈采用组合型线圈矩阵，组合型线圈矩阵内每一线圈采用DD型结构；功率接收线圈采用线圈矩阵。
2.如权利要求1所述的用于无人机动态无线续航的共振耦合系统，其特征在于，组合型线圈矩阵包括三行三列的4D组合型线圈，每一4D组合型线圈包括同一股导线绕制的双层DD线圈，每层DD线圈包括两个相同的D型线圈平行排列，两层DD线圈交叉放置，且4个D型线圈的磁场方向相同，功率发射线圈铺设在“田”字型铁氧体平面上。
3.如权利要求2所述的用于无人机动态无线续航的共振耦合系统，其特征在于，功率接收线圈包括三行三列线圈矩阵，线圈矩阵正中央设置有可伸缩的中继线圈，伸出距离为5cm左右，中继线圈外径远小于线圈矩阵单个线圈的外径；单个线圈外径与4D组合型线圈的外径相同，功率接收线圈镶嵌有铁氧体磁芯。
4.如权利要求3所述的用于无人机动态无线续航的共振耦合系统，其特征在于，功率发射线圈设置在电动汽车的顶部，功率接收线圈和中继线圈设置在机器人的底部。
5.如权利要求1所述的用于无人机动态无线续航的共振耦合系统，其特征在于，分布式能源供电模块包括能量管理控制器连接风力发电机、太阳能电池板和市电装置。
6.如权利要求1所述的用于无人机动态无线续航的共振耦合系统，其特征在于，频率跟踪模块包括双管谐振逆变器依次连接PWM驱动电路、锁相环电路、相位补偿比较电路、差分放大器和电阻，并在功率发射端构成反馈电路。
7.利用权利要求1所述的用于无人机动态无线续航的共振耦合系统的动态充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、当无人机上信息监测与调制单元发出充电信号，电动汽车上的射频识别阅读器检测无人机上的RFID标签是否匹配；
步骤1.1、如果射频识别阅读器与RFID标签匹配，且无人机正在巡检，则无人机继续巡检，电动汽车以最佳线路靠近无人机正下方，直到功率发射线圈与功率接收线圈对齐，两者保持相对静止，且间距未超过充电设定值，电动汽车开始对无人机充电；若电动汽车与无人机间距超过充电设定值，无人机弹出中继线圈后电动汽车开始对无人机充电；
步骤1.2、如果射频识别阅读器与RFID标签匹配，且无人机处于未巡检状态，则电动汽车继续充电，无人机以最佳线路靠近电动汽车正上方，直到功率发射线圈与功率接收线圈对齐，两者保持相对静止，且间距未超过充电设定值，电动汽车开始对无人机充电；若电动汽车与无人机间距超过充电设定值，无人机弹出中继线圈后电动汽车开始对无人机充电；
步骤2、当电动汽车无需对无人机供电时，采用分布式能源供电模块对自身进行充电。
8.如权利要求7所述的用于无人机动态无线续航的共振耦合系统的动态充电方法，其特征在于，步骤1.1的实现是通过机体GPS定位系统，控制电动汽车靠近无人机正下方，直至功率发射线圈与功率接收线圈对齐且保持相对静止。
9.如权利要求7所述的用于无人机动态无线续航的共振耦合系统的动态充电方法，其特征在于，步骤1.2的实现是通过车体GPS定位系统，控制无人机靠近电动汽车正上方，直至功率发射线圈与功率接收线圈对齐且保持相对静止。
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