CN108032742B - 无人机高空非接触式能量补给系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机高空非接触式能量补给系统和方法，该方法包括：空中充电航母接收无人机发送的充电请求；获取无人机的位置信息，并根据所述位置信息调整空中充电航母与无人机的相对位置；将电能转换为电磁能，并将电磁能以无线方式发送给无人机。本发明解决在不具备地面固定充电站以及无人机不允许降落的特殊场合中，无人机的能量补给问题；通过将电动无人机与空中充电航母相结合的方式，使得无人机能够从充电航母中获取电能，从而提高了无人机的续航能力。

Description

无人机高空非接触式能量补给系统和方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体地，涉及无人机高空非接触式能量补给系统和方法。

背景技术

目前以电能作为动力的无人机已成为执行监控、遥测、侦查、排除险情等特殊任务的空中平台。但受限于目前的电池容量，电动无人机飞行时间较短，限制了在复杂环境下执行任务的能力和范围。

无人机在执行任务后，一般使用人工回收更换电池，或有线充电的方式补给电能。这种方式需要人工连接充电线路，操作不便、成本较高。一些已公开的方案使用了无线充电技术，消除了人工插拔线路操作，充电过程可自动完成，但是需要无人机前往地面固定充电站降落，以接触或悬停方式无线充电。这种技术适合在固定路线巡航的场合，巡航路线上预先建立若干充电站，如电力巡线、农牧业监控等。

然而，在灾害监控、军事侦查等某些特殊的应用场景下，由于不具备地面固定充电站的条件以及隐蔽性要求，无人机是不允许降落的，需要在高空完成能量补给的操作，这与采用化石燃料的飞行器的空中加油技术相类似。由于无线充电的距离较短，无人机很难在离地面较高的空中实现能量补给，目前的解决办法是采用太阳能光伏发电技术来实现飞行器全天候飞行，但是受限于机翼面积大、造价高、低空天气环境复杂等因素，在小型无人机上很难得到应用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种无人机高空非接触式能量补给系统和方法。

第一方面，本发明提供一种无人机高空非接触式能量补给系统，包括：空中充电航母和无人机，所述空中充电航母以非接触无线方式向至少一个无人机提供电能；其中：

所述空中充电航母包括：飞行器平台、充电管理单元、能量发射单元、第一相对位置控制单元；

所述飞行器平台与充电管理单元、能量发射单元、第一相对位置控制单元电连接，用于向能量发射单元输送电能，并根据所述第一相对位置控制单元发送的第一控制信息调整与无人机之间的位置；

所述充电管理单元，用于接收无人机发送的充电请求，并调度相应的能量发射单元向无人机发送电磁能量；

所述能量发射单元，用于将电磁能以无线方式发送给无人机；

所述第一相对位置控制单元，用于获取无人机的位置信息，并根据所述位置信息向所述飞行器平台发送第一控制信息。

可选地，所述无人机包括：无人机平台、主控单元、能量接收单元、第二相对位置控制单元；其中：

所述无人机平台与主控单元、能量接收单元、第二相对位置控制单元电连接，用于接收所述能量接收单元发送的电能，并根据所述第二相对位置控制单元发送的第二控制信息调整与空中充电航母的位置；

所述主控单元，用于与空中充电航母进行无线通信，向所述空中充电航母发送充电请求，并调度所述能量接收单元接收所述空中充电航母发送的电磁能量；

所述能量接收单元，用于以无线方式接收所述空中充电航母发送的电磁能；

所述第二相对位置控制单元，用于获取空中充电航母的位置信息，并根据所述位置信息向所述无人机平台发送第二控制信息。

可选地，所述空中充电航母还包括：以化石燃料为动力的发电机，用于将产生的电能发送给所述能量发射单元；由所述能量发射单元将电能转换为电磁能量，所述电磁能量是指：以电磁场方式发射电磁波。

可选地，所述无人机还包括：导航模块，所述导航模块用于确定所述空中充电航母的位置以及任务目的地。

可选地，所述空中充电航母还设置有无人机停泊区，所述无人机停泊区用于停放前往任务区域和执行任务结束的无人机。

可选地，所述第一相对位置控制单元和第二相对位置控制单元相互配合，以使所述空中充电航母和所述无人机保持相对静止状态。

第二方面，本发明提供一种无人机高空非接触式能量补给方法，应用在第一方面中任一项所述的无人机高空非接触式能量补给系统中，包括：

接收无人机发送的充电请求；

获取无人机的位置信息，并根据所述位置信息调整空中充电航母与无人机的相对位置；

将电能转换为电磁能，并将电磁能以无线方式发送给无人机。

第三方面，本发明提供一种无人机高空非接触式能量补给方法，应用在第一方面中任一项所述的无人机高空非接触式能量补给系统中，包括：

向空中充电航母发送的充电请求；

获取空中充电航母的位置信息，并根据所述位置信息调整无人机与空中充电航母的相对位置；

以无线方式接收所述空中充电航母发送的电磁能，并将所述电磁能转换为相应的电能。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的无人机高空非接触式能量补给系统和方法，解决在不具备地面固定充电站以及无人机不允许降落的特殊场合中，无人机的能量补给问题；通过将电动无人机与空中充电航母相结合的方式，使得无人机能够从充电航母中获取电能，从而提高了无人机的续航能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例提供的无人机高空非接触式能量补给系统的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的无人机执行任务的工作流程示意图；

图3为本发明又一实施例提供的空中充电航母执行任务的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例提供的无人机高空非接触式能量补给系统的结构示意图，如图1所示，包括空中充电航母和无人机。空中充电航母的飞行器平台集成了以化石燃料为动力的低速、长航时飞机所具备的飞行控制、导航、地空通信、发电等功能。飞行器平台中的发电机用燃料发电，电能提供给能量发射单元。飞行器平台为充电管理单元提供位置信息、命令信息。位置信息是飞行器的实时经纬度和海拔坐标，命令信息是任务开始、任务结束命令的信息。飞行器平台还接收相对位置控制单元的控制信息，在充电过程中使能量发射单元和能量接收单元保持相对静止的状态，以保证无线充电的传输效率。

进一步地，空中充电航母的充电管理单元接收并处理无人机的充电请求，并管理若干个能量发射单元的资源。充电管理单元的无线通信接口接收并回复无人机发送的充电请求信息，向无人机转发自身位置信息、任务开始信息、任务结束信息，向相对位置控制单元转发自身位置信息。充电管理单元存储一个能量发射单元表，如表1所示，表1展示了某个能量发射单元(编号A～E)正在给某个无人机(记编号1～5)充电，或处于空闲状态(记空闲标志0)。表1中能量发射单元A正在给3号无人机充电，能量发射单元B正在给1号无人机充电，能量发射单元C、D、E处于空闲状态。当空中充电航母收到某一无人机发送的充电请求信息，建立一个空闲的能量发射单元与无人机编号的绑定关系，存储请求无人机的编号，向无人机回复该能量发射单元的编号，同时向该能量发射单元发送启动信息。当充电管理单元收到某一能量发射单元发送的充电完成信息时，解绑该能量发射单元与无人机编号的关系，存储空闲标志0。

表1

能量发射单元编号	无人机编号
		A	3
B	1
		C	0
D	0
		E	0

如图1所示，空中充电航母子系统中包括若干个能量发射单元，将发电机产生的电能以电磁场能量发射给能量接收单元。能量发射单元的数量可设置与无人机的数量相等。当能量发射单元收到充电管理单元的启动信息，开始工作。充电过程高效率传递能量，无线传输功率远大于无人机维持飞行所需功率，剩余的能量补充在无人机平台的电池中。当无人机检测到实时电量已满时，生成一个充电结束信息，并转发给该能量发射单元，能量发射单元停止工作，并给充电管理单元回复一个充电完成信息。

如图1所示，一对相对位置控制单元分别位于空中充电航母和无人机两侧，执行无线充电过程中能量发射和接收单元的相对位置控制，使其保持相对静止状态。

如图1所示，无人机子系统的无人机平台集成了普通执行任务无人机的飞行控制、导航功能，以及执行的监控、侦查等任务功能。无人机平台为无人机主控单元提供了电量信息和位置信息。电量信息是无人机实时剩余电池容量信息，位置信息是无人机的实时经纬度和海拔坐标。无人机平台接收相对位置控制单元发送的控制信息，控制飞行器的运动状态，以确保充电时能量发射和接收单元的相对位置关系。无人机平台还接受能量接收单元补充的电能，存储在自带的电池中。

如图1所示，无人机子系统的主控单元管理无人机的充电事务。主控单元的无线通信接口接收空中充电航母的位置信息，提供给飞行器平台，用于充电前无人机飞向空中充电航母的导航。主控单元实时把空中充电航母位置坐标与无人机自身坐标比较，结合电量信息，估算剩余电量所支持的航程，做出是否需要充电的判断。如果剩余航程与到空中充电航母距离的比值小于预设阈值，则说明无人机电量不足，主控单元立即向空中充电航母发送充电请求信息。此时主控制器命令无人机平台向空中充电航母位置飞行。在无人机靠近空中充电航母后，主控单元将无人机平台位置信息转发给一对相对位置控制单元。主控单元还通过无线通信接口向空中充电航母发送开始充电和结束充电的信息。当相对位置控制单元确认位置已经准确时，无人机发送开始充电信息；当充电时电量信息显示电量已满时，无人机发送结束充电信息。

如图1所示，无人机的能量接收单元接收电磁能量，转化为电能形式补充给飞行器平台。能量接收单元将能量发射单元产生的电磁能量以电磁感应或磁共振的方式转化为电能，然后通过高频整流电路将交流电能转化为直流电，补充到无人机平台中的电池中。

以下分别结合空中充电航母和无人机工作流程图，介绍具体实施例的过程：

(1)任务开始。无人机首先充满电，停靠在空中充电航母上的停泊区。空中充电航母满载燃料，在飞行器平台控制下，无人机跟随空中充电航母飞抵任务区域上空。空中充电航母的飞行器平台下达任务开始的命令信息，经充电管理单元和无人机主控单元的无线通信接口，最终分发到所有无人机。无人机从停泊区起飞离开母机，前往执行任务。空中充电航母则在任务区域上空附近盘旋、低速飞行，尽可能减少自身燃料的消耗。

(2)请求充电。空中充电航母将位置信息实时广播到所有无人机。在无人机侧，如图2所示，每台无人机实时计算自己与空中充电航母的相对距离，结合电池剩余电量，得出电量是否充足的判断。若电量不足，无人机根据空中充电航母的位置信息，飞向空中充电航母。同时，向空中充电航母发送充电请求信息。在空中充电航母侧，如图3所示，空中充电航母收到充电请求信息后，将向无人机分配一个空闲能量发射单元，并发送单元编号作为回复信息，充电管理单元将能量发射单元表中该能量发射单元项存入请求充电的无人机编号，同时该能量发射单元启动。其它能量发射单元则保持待机状态。

(3)充电过程。在无人机侧，如图2所示，无人机准确靠近对应的能量发射单元，相对位置控制单元使二者保持相对静止状态，无人机发送开始充电信息，开始无线充电。当无人机电池充满电后，无人机发送结束充电信息，充电任务完成，无人机离开空中充电航母，继续执行任务。在空中充电航母侧，如图3所示，能量发射单元向充电管理单元发出充电完成信息，充电管理单元在能量发射单元表中清除该无人机编号，该能量发射单元被释放。

(4)任务结束。在空中充电航母侧，如图3所示，当空中充电航母下达任务结束信息时，母机向所有无人机发送任务结束的信息。在无人机侧，如图2所示，无人机立即飞向空中充电航母，最终全部降落在母机上的停泊区。当所有无人机降落停泊，跟随空中充电航母返回机场，任务结束。

本实施例，无人机跟随空中充电航母到达任务区域，执行任务范围扩大到空中充电航母为中心、电池航程一半为半径的圆周区域。空中充电航母可随着任务要求的变化而长距离移动，使任务执行范围进一步扩大，类似于航空母舰和舰载机的任务模式。并且，无人机电量不足时无需降落、无需离开任务区域返航，而是在任务区域高空现场完成能量补给，消除了返航的时间和电量消耗，延长了无人机在任务区域的工作时间，实现全天候执行任务。

需要说明的是，本发明提供的所述无人机高空非接触式能量补给方法中的步骤，可以利用所述无人机高空非接触式能量补给系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照所述系统的技术方案实现所述方法的步骤流程，即，所述系统中的实施例可理解为实现所述方法的优选例，在此不予赘述。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (12)

1.一种无人机高空非接触式能量补给系统，其特征在于，包括：空中充电航母和无人机，所述空中充电航母以非接触无线方式向至少一个无人机提供电能；其中：

所述空中充电航母包括：飞行器平台、充电管理单元、能量发射单元、第一相对位置控制单元；

所述飞行器平台与充电管理单元、能量发射单元、第一相对位置控制单元电连接，用于向能量发射单元输送电能，并根据所述第一相对位置控制单元发送的第一控制信息调整与无人机之间的位置；

所述充电管理单元，用于接收无人机发送的充电请求，并调度相应的能量发射单元向无人机发送电磁能量；所述充电管理单元存储一个能量发射单元表，该表展示能量发射单元处于给某个无人机充电状态，或处于空闲状态；

所述能量发射单元，用于将电磁能以无线方式发送给无人机；

所述第一相对位置控制单元，用于获取无人机的位置信息，并根据所述位置信息向所述飞行器平台发送第一控制信息；

所述空中充电航母将位置信息实时广播到所有无人机；其中：

在无人机侧，每台无人机实时计算自己与所述空中充电航母的相对距离，结合电池剩余电量，得出电量是否充足的判断，若电量不足，无人机根据空中充电航母的位置信息，飞向所述空中充电航母，同时，向所述空中充电航母发送充电请求信息；

在空中充电航母侧，空中充电航母收到充电请求信息后，将向发出请求的所述无人机分配一个空闲能量发射单元，并发送单元编号作为回复信息，充电管理单元将能量发射单元表中该能量发射单元项存入请求充电的无人机编号，同时该能量发射单元启动，其它能量发射单元则保持待机状态。

2.根据权利要求1所述的无人机高空非接触式能量补给系统，其特征在于，所述空中充电航母的充电管理单元接收并处理无人机的充电请求，并管理若干个能量发射单元的资源；所述充电管理单元的无线通信接口接收并回复无人机发送的充电请求信息，向无人机转发自身位置信息、任务开始信息、任务结束信息，向第一相对位置控制单元转发自身位置信息。

3.根据权利要求1所述的无人机高空非接触式能量补给系统，其特征在于，当所述空中充电航母收到某一无人机发送的充电请求信息，建立一个空闲的能量发射单元与无人机编号的绑定关系，存储请求无人机的编号，向无人机回复该能量发射单元的编号，同时向该能量发射单元发送启动信息；当充电管理单元收到某一能量发射单元发送的充电完成信息时，解绑该能量发射单元与无人机编号的关系。

4.根据权利要求1所述的无人机高空非接触式能量补给系统，其特征在于，所述空中充电航母包括多个能量发射单元，将发电机产生的电能以电磁场能量发射给能量接收单元，能量发射单元的数量可设置与无人机的数量相等；当能量发射单元收到充电管理单元的启动信息，开始工作；当无人机检测到实时电量已满时，生成一个充电结束信息，并转发给该能量发射单元，能量发射单元停止工作，并给充电管理单元回复一个充电完成信息。

5.根据权利要求1所述的无人机高空非接触式能量补给系统，其特征在于，所述无人机包括：无人机平台、主控单元、能量接收单元、第二相对位置控制单元；其中：

所述无人机平台与主控单元、能量接收单元、第二相对位置控制单元电连接，用于接收所述能量接收单元发送的电能，并根据所述第二相对位置控制单元发送的第二控制信息调整与空中充电航母的位置；

所述主控单元，用于与空中充电航母进行无线通信，向所述空中充电航母发送充电请求，并调度所述能量接收单元接收所述空中充电航母发送的电磁能量；

所述能量接收单元，用于以无线方式接收所述空中充电航母发送的电磁能；

所述第二相对位置控制单元，用于获取空中充电航母的位置信息，并根据所述位置信息向所述无人机平台发送第二控制信息。

6.根据权利要求5所述的无人机高空非接触式能量补给系统，其特征在于，所述无人机平台接收第二相对位置控制单元发送的控制信息，控制无人机的运动状态，以确保充电时能量发射单元和能量接收单元的相对位置关系；所述无人机平台还接受能量接收单元补充的电能，存储在自带的电池中。

7.根据权利要求6所述的无人机高空非接触式能量补给系统，其特征在于，所述主控单元管理无人机的充电事务，主控单元的无线通信接口接收空中充电航母的位置信息，提供给无人机平台，用于充电前无人机飞向空中充电航母的导航；主控单元实时把空中充电航母位置坐标与无人机自身坐标比较，结合电量信息，估算剩余电量所支持的航程，做出是否需要充电的判断，如果剩余航程与到空中充电航母距离的比值小于预设阈值，则说明无人机电量不足，主控单元立即向空中充电航母发送充电请求信息，命令无人机平台向空中充电航母位置飞行；在无人机靠近空中充电航母后，主控单元将无人机平台位置信息转发给第一、第二相对位置控制单元；主控单元还通过无线通信接口向空中充电航母发送开始充电和结束充电的信息，当第一、第二相对位置控制单元确认位置已经准确时，无人机发送开始充电信息；当充电时电量信息显示电量已满时，无人机发送结束充电信息。

8.根据权利要求1-7任一项所述的无人机高空非接触式能量补给系统，其特征在于，所述空中充电航母还包括：以化石燃料为动力的发电机，用于将产生的电能发送给所述能量发射单元；由所述能量发射单元将电能转换为电磁能量，所述电磁能量是指：以电磁场方式发射电磁波。

9.根据权利要求1-7任一项所述的无人机高空非接触式能量补给系统，其特征在于，所述无人机还包括：导航模块，所述导航模块用于确定所述空中充电航母的位置以及任务目的地。

10.根据权利要求1-7任一项所述的无人机高空非接触式能量补给系统，其特征在于，所述空中充电航母还设置有无人机停泊区，所述无人机停泊区用于停放前往任务区域和执行任务结束的无人机。

11.一种无人机高空非接触式能量补给方法，其特征在于，应用在权利要求1-10中任一项所述的无人机高空非接触式能量补给系统中，包括：

接收无人机发送的充电请求；

获取无人机的位置信息，并根据所述位置信息调整空中充电航母与无人机的相对位置；

将电能转换为电磁能，并将电磁能以无线方式发送给无人机。

12.一种无人机高空非接触式能量补给方法，其特征在于，应用在权利要求1-10中任一项所述的无人机高空非接触式能量补给系统中，包括：

向空中充电航母发送的充电请求；

获取空中充电航母的位置信息，并根据所述位置信息调整无人机与空中充电航母的相对位置；

以无线方式接收所述空中充电航母发送的电磁能，并将所述电磁能转换为相应的电能。

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