CN107512188B - 一种旋翼无人机自主充电装置及其最优参数确定方法 - Google Patents

Abstract

一种旋翼无人机自主充电装置及其最优参数确定方法，属于旋翼无人机充电技术领域，解决了现有旋翼无人机的续航时间提升方式实现难度大、拆卸充电方式存在的电池拆装不便和耗时长以及非拆卸充电方式存在的不利于其大规模装备的问题。所述装置：将多个正六边形板状电极呈蜂窝网格状、等间距设置在降落平台上，相邻两个板状电极的极性不同。旋翼无人机的电池通过设置在起落架上的两格或三个导电探针与板状电极接触。所述方法：根据选取的导电探针的尺寸确定相邻的两个板状电极之间的最小距离，并在确定板状电极的边长范围和两个导电探针的电极接触端的间距范围的情况下，采用蒙特卡洛算法得到充电成功率最高的板状电极边长与电极接触端的间距的组合。

Description

一种旋翼无人机自主充电装置及其最优参数确定方法

技术领域

本发明涉及一种旋翼无人机充电装置及其参数确定方法，属于旋翼无人机充电技术领域。

背景技术

近年来，随着无人机技术的不断发展与进步，微型旋翼无人机的应用领域也越来越广泛，例如警用巡逻无人机、灾后救援无人机、地理测绘无人机、电力巡检无人机、森林火险无人机、农药喷洒无人机和航拍无人机等。

伴随着微型旋翼无人机的普及，使用者对微型旋翼无人机的续航时间也提出了更高的要求。现有旋翼无人机的续航时间通常在20分钟至40分钟之间，续航能力十分有限，无法执行长航时的飞行任务。现有提升旋翼无人机续航时间的方式主要分为以下两种：

1、对旋翼无人机电池本身做改进，如增大电池容量和提高电池放电效率等；

2、在旋翼无人机上增设太阳能电池板，在其执行飞行任务的途中对电池进行充电；

然而，这两种方式尚处于研发阶段，且成本较高，短时间内无法普及。

现有旋翼无人机的充电方式可以分为拆卸充电和非拆卸充电两种。拆卸充电方式是指手动将旋翼无人机的电池拆卸下来再对其充电，然而，旋翼无人机电池的拆装不便，耗时较长。非拆卸充电方式主要是通过无线充电或激光充电等非接触方式对旋翼无人机电池进行充电。然而，这种非拆卸充电方式所依赖的充电装置电路复杂，体积较大，不仅实现难度较高而且不利于旋翼无人机的大规模装备。

发明内容

本发明为解决以上现有旋翼无人机的续航时间提升方式和充电方式存在的问题，提出了一种旋翼无人机自主充电装置及其最优参数确定方法。

本发明所述的旋翼无人机自主充电装置包括地面设备和机载设备；

地面设备包括降落平台和充电平板单元；

充电平板单元包括多个板状电极，板状电极为正六边形，多个板状电极呈蜂窝网格状平铺在降落平台的台面上，相邻的两个板状电极之间的最小距离相等；

板状电极的数量大于或等于3；

每个板状电极接正电、负电或电源地，相邻的两个板状电极的极性不同；

机载设备包括第一导电探针、第二导电探针、电压极性转换单元和稳压单元；

第一导电探针和第二导电探针均设置在旋翼无人机的起落架上，并用于与板状电极接触；

第一导电探针和第二导电探针均接入电压极性转换单元，电压极性转换单元通过稳压单元与旋翼无人机电池相连；

或者，机载设备包括第一导电探针、第二导电探针、第三导电探针、通道选择单元、电压极性转换单元和稳压单元；

第一导电探针、第二导电探针和第三导电探针均设置在旋翼无人机的起落架上，并用于与板状电极接触；

第一导电探针、第二导电探针和第三导电探针均与通道选择单元相连，通道选择单元依次通过电压极性转换单元和稳压单元与旋翼无人机电池相连；

通道选择单元用于使极性不同的两个导电探针构成电气回路。

作为优选的是，地面设备还包括供电单元，供电单元包括整流子单元、蓄电子单元、电源选择子单元和电极分配子单元；

整流子单元接入市电，整流子单元的第一输出端与蓄电子单元的输入端相连，整流子单元的第二输出端和蓄电子单元的输出端分别与电源选择子单元的第一输入端和第二输入端相连，电源选择子单元的输出端与电极分配子单元的输入端相连；

电源选择子单元用于选择市电或蓄电子单元作为供电电源；

电极分配子单元用于为多个板状电极分配极性。

作为优选的是，第一导电探针、第二导电探针和第三导电探针均为弹簧探针。

作为优选的是，通道选择单元为逻辑电平开关电路。

作为优选的是，逻辑电平开关电路包括电压比较器U1、电压比较器U2、电压比较器U3、第一或门、第二或门、第一与门、第二与门、第一非门、第二非门、第一开关～第四开关、第一开关控制器和第二开关控制器；

电压比较器U1的同相输入端和反相输入端分别与第一导电探针和第二导电探针相连；电压比较器U2的同相输入端和反相输入端分别与第一导电探针和第三导电探针相连；

电压比较器U3的同相输入端和反相输入端分别与第二导电探针和第三导电探针相连；

电压比较器U1的输出端同时与第二开关控制器的第三开关控制信号输入端、第一非门的输入端和第一或门的第一输入端相连；

电压比较器U2的输出端同时与第一或门的第二输入端和第二或门的第一输入端相连；

电压比较器U3的输出端同时与第二或门的第二输入端和第二与门的第二输入端相连；

第一非门的输出端和第二或门的输出端分别与第一与门的第一输入端和第二输入端相连，第一与门的输出端与第二开关控制器的第四开关控制信号输入端相连；

第一或门的输出端同时与第二非门的输入端和第一开关控制器的第一开关控制信号输入端相连；

第二非门的输出端与第二与门的第一输入端相连，第二与门的输出端与第一开关控制器的第二开关控制信号输入端相连；

第一开关的第一端与第一导电探针相连，第二开关的第一端同时与第二导电探针和第三开关的第一端相连，第一开关的第二端与第二开关的第二端相连，二者的公共端为逻辑电平开关电路的第一输出端；

第四开关的第一端与第三导电探针相连，第四开关的第二端与第三开关的第二端相连，二者的公共端为逻辑电平开关电路的第二输出端；

当第一开关控制器接收到的第一开关控制信号为高电平时，其控制第一开关闭合；

当第一开关控制器接收到的第一开关控制信号为低电平时，其控制第一开关断开；

当第一开关控制器接收到的第二开关控制信号为高电平时，其控制第二开关闭合；

当第一开关控制器接收到的第二开关控制信号为低电平时，其控制第二开关断开；

第二开关控制器与第一开关控制器的工作原理相同，这里不再赘述。

本发明所述的旋翼无人机自主充电装置的最优参数确定方法包括：

步骤1、选取导电探针，测得其直径M毫米，并将相邻的两个板状电极之间的最小距离设置为M+1毫米；

步骤2、根据选取的降落平台的台面尺寸确定板状电极的最大边长和两个导电探针的电极接触端的最大间距，并选取板状电极的最小边长和两个导电探针的电极接触端的最小间距；

步骤3、采用蒙特卡洛算法在板状电极的边长范围和两个导电探针的电极接触端的间距范围内选择充电成功率最高的一组参数，作为最优边长和最优间距。

本发明所述的旋翼无人机自主充电装置的有益效果为：

在旋翼无人机执行长航时飞行任务之前，将地面设备设置在其途中预算好的位置上。当旋翼无人机在执行长航时飞行任务的过程中电池电量不足时，控制旋翼无人机降落在降落平台上，使导电探针与板状电极接触，进而实现为旋翼无人机电池充电。在采用所述旋翼无人机自主充电装置为旋翼无人机电池充电后，旋翼无人机能够继续执行飞行任务，无需控制其返回起始点再为其充电，在并未对旋翼无人机电池做改进或在旋翼无人机上增设太阳能电池板的情况下，退而求其次地实现了对旋翼无人机续航时间的提升。

所述旋翼无人机自主充电装置采用电极接触的方式为旋翼无人机充电，解决了现有的拆卸充电方式存在的电池拆装不便和耗时长的问题。

与现有非拆卸充电方式所采用的充电设备相比，所述旋翼无人机自主充电装置的机载设备的结构简单且体积小，能够有效地解决该充电方式难于实现和不利于旋翼无人机大规模装备的问题。

本发明所述的旋翼无人机自主充电装置的最优参数确定方法根据选取的导电探针的尺寸确定相邻的两个板状电极之间的最小距离，并在确定板状电极的边长范围和两个导电探针的电极接触端的间距范围的情况下，采用蒙特卡洛算法得到充电成功率最高的板状电极边长与电极接触端的间距的组合，确保了所述旋翼无人机自主充电装置的高充电成功率。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的旋翼无人机自主充电装置及其最优参数确定方法进行更详细的描述，其中：

图1为实施例提及的两导电探针取电的旋翼无人机自主充电装置的结构框图；

图2为实施例提及的三导电探针取电的旋翼无人机自主充电装置的结构框图；

图3为实施例提及的板状电极的铺装示意图，其中，A为正电极，B为负电极，为接地电极；

图4为实施例提及的逻辑电平开关电路的电路原理图，其中，a端口～c端口分别与第一导电探针～第三导电探针相连，NOT1和NOT2分别为第一非门和第二非门，OR1和OR2分别为第一或门和第二或门，AND1和AND2分别为第一与门和第二与门，K1～K4分别为第一开关～第四开关，k1～k4分别为第一开关控制信号～第四开关控制信号，1和2分别为第一开关控制器和第二开关控制器，端口out1和端口out2分别为逻辑电平开关电路的第一输出端和第二输出端；

图5为实施例提及的两导电探针取电下参数-成功率关系三维图，其中，Suc为充电成功率，Len为两个导电探针的电极接触端的间距，Sid为板状电极的边长；

图6为实施例提及的三导电探针取电下参数-成功率关系三维图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所述的旋翼无人机自主充电装置及其最优参数确定方法作进一步说明。

实施例：下面结合图1至图6详细地说明本实施例。

本实施例所述的旋翼无人机自主充电装置包括地面设备和机载设备；

地面设备包括降落平台和充电平板单元；

充电平板单元包括多个板状电极，板状电极为正六边形，多个板状电极呈蜂窝网格状平铺在降落平台的台面上，相邻的两个板状电极之间的最小距离相等；

板状电极的数量大于或等于3；

每个板状电极接正电、负电或电源地，相邻的两个板状电极的极性不同；

机载设备包括第一导电探针、第二导电探针、电压极性转换单元和稳压单元；

第一导电探针和第二导电探针均设置在旋翼无人机的起落架上，并用于与板状电极接触；

第一导电探针和第二导电探针均接入电压极性转换单元，电压极性转换单元通过稳压单元与旋翼无人机电池相连；

或者，机载设备包括第一导电探针、第二导电探针、第三导电探针、通道选择单元、电压极性转换单元和稳压单元；

第一导电探针、第二导电探针和第三导电探针均设置在旋翼无人机的起落架上，并用于与板状电极接触；

第一导电探针、第二导电探针和第三导电探针均与通道选择单元相连，通道选择单元依次通过电压极性转换单元和稳压单元与旋翼无人机电池相连；

通道选择单元用于使极性不同的两个导电探针构成电气回路。

本实施例的电压极性转换单元用于防止在旋翼无人机充电时出现电池正负极反接的状况。

本实施例的地面设备还包括供电单元，供电单元包括整流子单元、蓄电子单元、电源选择子单元和电极分配子单元；

整流子单元接入市电，整流子单元的第一输出端与蓄电子单元的输入端相连，整流子单元的第二输出端和蓄电子单元的输出端分别与电源选择子单元的第一输入端和第二输入端相连，电源选择子单元的输出端与电极分配子单元的输入端相连；

电源选择子单元用于选择市电或蓄电子单元作为供电电源；

电极分配子单元用于为多个板状电极分配极性。

在本实施例中，当整流子单元接入市电时，整流子单元为蓄电子单元充电，电源选择子单元选择市电作为旋翼无人机的供电电源。当整流子单元未接入市电时，电源选择子单元选择蓄电子单元作为旋翼无人机的供电电源。

本实施例的第一导电探针、第二导电探针和第三导电探针均为弹簧探针。当旋翼无人机降落在降落平台上、导电探针与板状电极接触时，由于导电探针具有一定的伸缩性，起到了同时保护导电探针和板状电极的作用。

本实施例提出了两导电探针取电的旋翼无人机自主充电装置和三导电探针取电的旋翼无人机自主充电装置。对于三导电探针取电的旋翼无人机自主充电装置，只要保证三导电探针中的任意两个导电探针接触极性不同的两个板状电极，就能成功为旋翼无人机充电。

为此，本实施例的三导电探针取电的旋翼无人机自主充电装置设置有通道选择单元。

本实施例的通道选择单元为逻辑电平开关电路，该电路包括电压比较器U1、电压比较器U2、电压比较器U3、第一或门OR1、第二或门OR2、第一与门AND1、第二与门AND2、第一非门NOT1、第二非门NOT2、第一开关K1～第四开关K4、第一开关控制器1和第二开关控制器2；

电压比较器U1的同相输入端和反相输入端分别与第一导电探针和第二导电探针相连；

电压比较器U2的同相输入端和反相输入端分别与第一导电探针和第三导电探针相连；

电压比较器U3的同相输入端和反相输入端分别与第二导电探针和第三导电探针相连；

电压比较器U1的输出端同时与第二开关控制器2的第三开关控制信号输入端、第一非门NOT1的输入端和第一或门OR1的第一输入端相连；

电压比较器U2的输出端同时与第一或门OR1的第二输入端和第二或门OR2的第一输入端相连；

电压比较器U3的输出端同时与第二或门OR2的第二输入端和第二与门AND2的第二输入端相连；

第一非门NOT1的输出端和第二或门OR2的输出端分别与第一与门AND1的第一输入端和第二输入端相连，第一与门AND1的输出端与第二开关控制器2的第四开关控制信号输入端相连；

第一或门OR1的输出端同时与第二非门NOT2的输入端和第一开关控制器1的第一开关控制信号输入端相连；

第二非门NOT2的输出端与第二与门AND2的第一输入端相连，第二与门AND2的输出端与第一开关控制器1的第二开关控制信号输入端相连；

第一开关K1的第一端与第一导电探针相连，第二开关K2的第一端同时与第二导电探针和第三开关K3的第一端相连，第一开关K1的第二端与第二开关K2的第二端相连，二者的公共端为逻辑电平开关电路的第一输出端；

第四开关K4的第一端与第三导电探针相连，第四开关K4的第二端与第三开关K3的第二端相连，二者的公共端为逻辑电平开关电路的第二输出端。

本实施例的逻辑电平开关电路在三个导电探针极性未知的情况下，通过一定的逻辑运算选择出极性不同的两个导电探针，并使二者导通。其中，a端口～c端口分别与第一导电探针～第三导电探针相连，所述逻辑电平开关电路通过对a端口与b端口间的电压、a端口与c端口间的电压和b端口与c端口间的电压进行比较，获得3个数字量：ab、ac和bc，然后根据电压是否相等列出真值表，如表1所示。

表1开关控制信号状态真值表

本实施例所述的旋翼无人机自主充电装置的最优参数确定方法包括：

步骤1、选取导电探针，测得其直径M毫米，并将相邻的两个板状电极之间的最小距离设置为M+1毫米；

步骤2、根据选取的降落平台的台面尺寸确定板状电极的最大边长和两个导电探针的电极接触端的最大间距，并选取板状电极的最小边长和两个导电探针的电极接触端的最小间距；

步骤3、采用蒙特卡洛算法在板状电极的边长范围和两个导电探针的电极接触端的间距范围内选择充电成功率最高的一组参数，作为最优边长和最优间距。

本实施例所述的旋翼无人机自主充电装置的最优参数确定方法主要由三重循环构成。外层循环对板状电极的边长进行遍历。中层循环对两个导电探针的电极接触端的间距进行遍历。内层循环进行模拟试验，在多个板状电极上生成固定距离的随机触点，判断其成功与否，模拟多次并计算其成功率，最后输出充电成功率最高的一组板状电极边长和所述两个电极接触端的间距。

本实施例选取直径为5毫米的导电探针，并将相邻的两个板状电极之间的最小距离设置为6毫米。如此设置，是为了防止当导电探针落入相邻的两个板状电极之间时，所述两个板状电极发生短路。

本实施例的降落平台的台面尺寸为1米×1米，板状电极的数量至少为3。因此，将确定板状电极的边长范围为0～300毫米，两个电极接触端间距的范围为0～300毫米。

在确定板状电极的边长范围和两个电极接触端间距范围之后，本实施例采用蒙特卡洛算法在计算机上进行大量多次的数据组合模拟，即可得到其充电成功概率最高时的尺寸参数。

图5为模拟试验生成的两导电探针取电下参数-成功率关系三维图。如图所示，当板状电极的边长大于130毫米，两个电极接触端间距大于220毫米，且二者满足一定比率时，可以得到较高的充电成功率。本实施例对其中两组数据精确模拟得到：

当Len＝250mm，Sid＝165mm时，Suc＝81.30％；

当Len＝300mm，Sid＝175mm时，Suc＝81.95％；

虽然以上两种参数情况的一次降落充电成功率P1最高仅接近82％，但是两次降落充电成功率高达96.76％，即若第一次降落充电失败，可以重新起飞降落，那么两次降落充电成功的概率可以高达96.76％，很大程度上保证了充电的可靠性。

当确定两个导电探针的电极接触端的最优间距后，将第一导电探针和第二导电探针设置在旋翼无人机起落架的同侧或两侧，只要二者的间距等于所述最优间距即可。

图6为模拟试验生成的三导电探针取电下参数-成功率关系三维图。如图所示，三导电探针取电下的成功率高概率区域要明显大于两导电探针取电的情况，这说明三导电探针取电的成功率普遍大于两导电探针取电。

同样地，本实施例对其中两组数据精确模拟得到：

当Len＝200mm，Sid＝140mm时，Suc＝98.50％；

当Len＝250mm，Sid＝180mm时，Suc＝98.83％；

这意味着，在上述参数组合的情况下，单次充电的成功率已经接近99％，可靠性极高。

当确定两个导电探针的电极接触端的最优间距后，将第一导电探针、第二导电探针和第三导电探针设置在旋翼无人机的起落架上，使三者的电极接触端的连线为等腰三角形，所述等腰三角形的腰长等于所述最优间距。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.一种旋翼无人机自主充电装置，所述充电装置包括地面设备和机载设备；

地面设备包括降落平台和充电平板单元；

充电平板单元包括多个板状电极，板状电极为正六边形，多个板状电极呈蜂窝网格状平铺在降落平台的台面上，相邻的两个板状电极之间的最小距离相等；

板状电极的数量大于或等于3；

每个板状电极接正电、负电或电源地，相邻的两个板状电极的极性不同；

机载设备包括第一导电探针、第二导电探针、电压极性转换单元和稳压单元；

第一导电探针和第二导电探针均设置在旋翼无人机的起落架上，并用于与板状电极接触；

第一导电探针和第二导电探针均接入电压极性转换单元，电压极性转换单元通过稳压单元与旋翼无人机电池相连；

或者，机载设备包括第一导电探针、第二导电探针、第三导电探针、通道选择单元、电压极性转换单元和稳压单元；

第一导电探针、第二导电探针和第三导电探针均设置在旋翼无人机的起落架上，并用于与板状电极接触；

第一导电探针、第二导电探针和第三导电探针均与通道选择单元相连，通道选择单元依次通过电压极性转换单元和稳压单元与旋翼无人机电池相连；

通道选择单元用于使极性不同的两个导电探针构成电气回路；

其特征在于，通道选择单元为逻辑电平开关电路；

逻辑电平开关电路包括电压比较器U1、电压比较器U2、电压比较器U3、第一或门、第二或门、第一与门、第二与门、第一非门、第二非门、第一开关～第四开关、第一开关控制器和第二开关控制器；

电压比较器U1的同相输入端和反相输入端分别与第一导电探针和第二导电探针相连；

电压比较器U2的同相输入端和反相输入端分别与第一导电探针和第三导电探针相连；

电压比较器U3的同相输入端和反相输入端分别与第二导电探针和第三导电探针相连；

电压比较器U1的输出端同时与第二开关控制器的第三开关控制信号输入端、第一非门的输入端和第一或门的第一输入端相连；

电压比较器U2的输出端同时与第一或门的第二输入端和第二或门的第一输入端相连；

电压比较器U3的输出端同时与第二或门的第二输入端和第二与门的第二输入端相连；

第一非门的输出端和第二或门的输出端分别与第一与门的第一输入端和第二输入端相连，第一与门的输出端与第二开关控制器的第四开关控制信号输入端相连；

第一或门的输出端同时与第二非门的输入端和第一开关控制器的第一开关控制信号输入端相连；

第二非门的输出端与第二与门的第一输入端相连，第二与门的输出端与第一开关控制器的第二开关控制信号输入端相连；

第一开关的第一端与第一导电探针相连，第二开关的第一端同时与第二导电探针和第三开关的第一端相连，第一开关的第二端与第二开关的第二端相连，二者的公共端为逻辑电平开关电路的第一输出端；

第四开关的第一端与第三导电探针相连，第四开关的第二端与第三开关的第二端相连，二者的公共端为逻辑电平开关电路的第二输出端。

2.如权利要求1所述的旋翼无人机自主充电装置，其特征在于，地面设备还包括供电单元，供电单元包括整流子单元、蓄电子单元、电源选择子单元和电极分配子单元；

整流子单元接入市电，整流子单元的第一输出端与蓄电子单元的输入端相连，整流子单元的第二输出端和蓄电子单元的输出端分别与电源选择子单元的第一输入端和第二输入端相连，电源选择子单元的输出端与电极分配子单元的输入端相连；

电源选择子单元用于选择市电或蓄电子单元作为供电电源；

电极分配子单元用于为多个板状电极分配极性。

3.如权利要求2所述的旋翼无人机自主充电装置，其特征在于，第一导电探针、第二导电探针和第三导电探针均为弹簧探针。

4.权利要求1所述的旋翼无人机自主充电装置的最优参数确定方法，其特征在于，所述最优参数确定方法包括：

步骤1、选取导电探针，测得其直径M毫米，并将相邻的两个板状电极之间的最小距离设置为M+1毫米；

步骤2、根据选取的降落平台的台面尺寸确定板状电极的最大边长和两个导电探针的电极接触端的最大间距，并选取板状电极的最小边长和两个导电探针的电极接触端的最小间距；

步骤3、采用蒙特卡洛算法在板状电极的边长范围和两个导电探针的电极接触端的间距范围内选择充电成功率最高的一组参数，作为最优边长和最优间距。