CN108459609A

CN108459609A - 一种基于激光输能的长时留空电驱动飞艇装置

Info

Publication number: CN108459609A
Application number: CN201710089205.5A
Authority: CN
Inventors: 白子萌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2018-08-28

Abstract

一种基于激光输能的长时留空电驱动飞艇装置及激光输能传输方法，装置包括高比能量锂离子蓄电池堆、矢量动力装置、激光接收装置、高效光电转化装置；其中地面系统包括测控雷达天线、飞行控制计算机、任务规划计算机、激光发射装置、激光发生装置。该装置有效利用现有技术条件下的高性能光电转化装置，将高能激光以较高的转化率转化为电能储存在锂电池堆。该方法实现精确对准和持续跟踪，使飞艇能最大程度的接收激光能量，避免能量损失，在激光传输异常发生的时刻立即切断激光发生和转化过程，防止进一步损伤。

Description

一种基于激光输能的长时留空电驱动飞艇装置

技术领域

本发明涉及飞艇领域和激光能量无线传输领域，尤其涉及两者结合的长航时留空电驱动飞艇的激光输能系统。

背景技术

目前高空飞艇应用广阔，民用方面可用于环境变化和气象数据探测，交通及环境污染监控，洪水、火灾或地震等灾害监视和指挥救援，局域通信，数据传输中继，移动通信等；军事上可用于情报搜集、通信保障、侦察监控，武器装备系统的远程战略投送，做到“球即时到达”。临近空间飞行器被认为对于增强陆、海、空、天、武器装备的无缝连接，扩展信息优势，提高联合作战能力。但是其留空时间和飞行范围受飞艇所携带能量的限制，这对飞艇功能的实现造成了影响。

当飞艇夜间工作时、电池电量不足以及艇载太阳能电池传输功率不足以维持需求的状态下，需要通过其他方式获取能量。为了满足传输效率和传输过程中的方便可靠，需要开展激光输能系统的研制工作，设计一个安全可靠，便捷稳定的无线输能系统，并对整个飞艇系统的各个部分进行组合优化，确保各分系统性能最优，以满足飞艇长航时留空需求。

飞艇艇身为大面积的轻质薄膜复合材料，而激光输能又具有较高的能量密度，方向强，能量集中等特点，因此激光的精度十分重要，这对激光发射器、接收机的布局和囊体的安装位置要求非常高。

发明内容

本发明涉及一种基于激光输能的长时留空电驱动飞艇，通过高效的光电转化系统将从地面发射的激光转化为电能，储存到飞艇携带的高比能量锂电池中，解决了长时飞艇在留空过程面临的夜间缺乏能量来源的问题，可以有效地提高电驱动飞艇的机动能力，并显著地延长其留空时间，对飞艇尤其是高空飞艇拓展覆盖范围和应用场景就是重要的意义。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种基于激光输能的长时留空电驱动飞艇装置，其包括高比能量锂离子蓄电池堆、矢量动力装置、激光接收装置、高效光电转化装置；其中地面系统包括测控雷达天线、飞行控制计算机、任务规划计算机、激光发射装置、激光发生装置。

优选地，激光接收装置与高效光电转化装置组成艇载的激光能量接收与转化系统，激光接收装置包括激光接收天线、辅助对准装置、二自由度云台及控制器。

优选地，激光接收装置安装在飞艇的正下方，防止飞艇在姿态调整过程中对接收天线的遮挡；激光接收天线通过螺栓连接的方式安装在二自由度云台上，通过云台控制器控制二自由度云台姿态实现接收天线的对准、调姿；辅助对准装置与天线一体，严格保证二者的光轴平行；辅助对准装置通过串口线与云台控制器连接实现对准信息的传输；云台控制器与机载计算机连接，进行对准信息和控制信息的传输；激光接收天线与光电转化装置通过光纤线缆连接，光电转化装置通过低温导线接入能源系统，通过DC-DC对输入的电能就行电压转换，将电压转换到符合锂电池堆充电的电压范围，再对锂电池堆进行充电；光电转化装置通过串口线与飞控计算机连接，实现相关转化信息的传输。

优选地，激光发射装置位于地面站附近地势较高没有遮挡的位置；激光发射通过螺栓连接安装在二自由度云台，通过云台控制器控制二自由度云台的姿态实现发射天线的对准、调姿；辅助对准装置与天线一体，严格保证二者的光轴平行；辅助对准装置通过串口线与云台控制器连接实现对准信息的传输；云台控制器与地面的飞行控制与任务规划计算机连接，实现对准信息和控制信息的传输；激光发射天线与激光发生装置通过光纤线缆连接，激光发生装置通过串口线与飞行控制与任务规划计算机连接，实现对激光发生功率的控制。

采用如上所述的装置实现的激光输能传输方法，其中，飞艇装置处于激光输能的状态，由地面站根据能源状态等多方面因素综合判断飞艇需要激光输能；首先，激活艇上和地面的二自由度云台，利用飞艇和地面站之间的相对位置解算云台的搜索范围；云台在该搜索范围内进行方位和俯仰的扫描，同时艇上和地面的辅助对准装置不断地向云台反馈对准信息，云台根据反馈信息不断地缩小搜索范围直到艇上和地面的两台辅助对准装置实现对准；如果在之前解算的搜索范围内没有实现对准，就利用当前的相对位置信息重新记算搜索范围，重复上述过程，直至对准为止；一旦辅助对准装置实现对准之后，系统便进入跟踪状态，两台云台之间持续微调以保持对准的状态；启动激光发生装置，开始向飞艇进行激光输能，同时艇载光电转换装置将信息传输给飞控计算机，飞控计算机判断激光输能处于正常状态，打开DC-DC的充电口，对锂电池堆进行充电；在充电过程中，如果飞控计算机根据光电转换装置传来的信息判断激光输能处于异常状态将关闭DC-DC的充电口；如果地面站通过测控链路下行的遥测数据判断激光输能处于异常状态将立即关闭激光发生器，以免高能激光对飞艇其他部分造成损坏。

该技术方案实现的效果是：

解决电驱动飞艇使用太阳能作为能源受昼夜限制的问题，为飞艇提供稳定、可靠的电能供给，为实现飞艇长时不间断飞行奠定技术，拓展了飞艇的覆盖能力和应用场景。

有效利用现有技术条件下的高性能光电转化装置，将高能激光以较高的转化率转化为电能储存在锂电池堆。

将艇载的激光接收与转化系统的光电转化信息和对准信息通过通信线缆接入机载飞控计算机，通过测控链路发送到地面站，地面站利用下行的遥测数据与地面的激光发生与发射系统的数据进行综合，通过预设的算法产生艇载和地面云台的伺服指令，从而实现精确对准和持续跟踪，使飞艇能最大程度的接收激光能量，避免能量损失，另外通过激光转化和发生信息的综合决策，在激光传输异常发生的时刻立即切断激光发生和转化过程，防止进一步损伤。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

附图1示出了根据本发明实施方式的激光输能传输系统流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

基于激光输能的长时留空电驱动飞艇主要由高比能量锂离子蓄电池堆、矢量动力装置、激光接收装置、高效光电转化装置等构成。地面系统主要包括测控雷达天线、飞行控制计算机、任务规划计算机、激光发射装置、激光发生装置等。

激光接收装置与高效光电转化装置组成艇载的激光能量接收与转化系统，激光接收装置包括激光接收天线、辅助对准装置、二自由度云台及控制器。激光接收装置安装在飞艇的正下方，防止飞艇在姿态调整过程中对接收天线的遮挡。激光接收天线通过螺栓连接的方式安装在二自由度云台上，通过云台控制器控制二自由度云台姿态实现接收天线的对准、调姿等。辅助对准装置与天线一体，严格保证二者的光轴平行。辅助对准装置通过串口线与云台控制器连接实现对准信息的传输；云台控制器与机载计算机连接，进行对准信息和控制信息的传输。接收天线与光电转化装置通过光纤线缆连接，光电转化装置通过低温导线接入能源系统，通过DC-DC对输入的电能就行电压转换，将电压转换到符合锂电池堆充电的电压范围，再对锂电池堆进行充电。光电转化装置通过串口线与飞控计算机连接，实现相关转化信息的传输。

激光发射装置包括发射天线、二自由度云台及云台控制器、辅助对准装置。激光发射装置位于地面站附近地势较高没有遮挡的位置。激光发射通过螺栓连接安装在二自由度云台，通过云台控制器控制二自由度云台的姿态实现发射天线的对准、调姿等。辅助对准装置与天线一体，严格保证二者的光轴平行；辅助对准装置通过串口线与云台控制器连接实现对准信息的传输；云台控制器与地面的飞行控制与任务规划计算机连接，实现对准信息和控制信息的传输。激光发射天线与激光发生装置通过光纤线缆连接，激光发生装置通过串口线与飞行控制与任务规划计算机连接，实现对激光发生功率的控制。

飞艇处于激光输能的状态，一般由地面站根据能源状态等多方面因素综合判断飞艇需要激光输能。首先，激活艇上和地面的二自由度云台，利用飞艇和地面站之间的相对位置解算云台的搜索范围。云台在该搜索范围内进行方位和俯仰的扫描，同时艇上和地面的辅助对准装置不断地向云台反馈对准信息，云台根据反馈信息不断地缩小搜索范围直到艇上和地面的两台辅助对准装置实现对准。如果在之前解算的搜索范围内没有实现对准，就利用当前的相对位置信息重新记算搜索范围，重复上述过程，直至对准为止。一旦辅助对准装置实现对准之后，系统便进入跟踪状态，两台云台之间持续微调以保持对准的状态。启动激光发生装置，开始向飞艇进行激光输能，同时艇载光电转换装置将信息传输给飞控计算机，飞控计算机判断激光输能处于正常状态，打开DC-DC的充电口，对锂电池堆进行充电。在充电过程中，如果飞控计算机根据光电转换装置传来的信息判断激光输能处于异常状态将关闭DC-DC的充电口。如果地面站通过测控链路下行的遥测数据判断激光输能处于异常状态将立即关闭激光发生器，以免高能激光对飞艇其他部分造成损坏。

参照附图1，具体工作流程为：

当飞艇电池电量过低或电量下降过快的情况下，其向地面站发出激光输能请求信号，当地面站接收到此请求信号后，经过人工操作，回复是否对其进行输能。

当飞艇接收到确认输能的回复信号后，由飞艇上辅助对准装置确认激光发射装置和激光接收装置是否对准，通过调整地面站二自由度云台确保对准精度。辅助对准装置确认对准之后，开始激光输能。

接收天线与高效光电转化装置通过光纤线缆连接，光电转化装置通过低温导线接入能源系统，通过DC-DC对输入的电能进行电压转换。将电压转换到符合锂电池堆充电的电压范围，再对锂电池堆进行充电，光电转化装置通过串口线与飞控计算机连接，实现相关转化信息的传输。

在整个转化过程中，飞艇的姿态运动等数据均与机载计算机连接，若飞艇出现任何异常情况，机载计算机会立即向云台控制器发出切断输能的信号。飞艇端同时是切断DC-DC通道，避免充电异常而引发事故。

在锂电池堆电量充满之后，机载计算机发出指令，切断输能通道，整个激光输能过程结束。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于激光输能的长时留空电驱动飞艇装置，其包括高比能量锂离子蓄电池堆、矢量动力装置、激光接收装置、高效光电转化装置；其中地面系统包括测控雷达天线、飞行控制计算机、任务规划计算机、激光发射装置、激光发生装置。

2.如权利要求1所述的装置，其中，激光接收装置与高效光电转化装置组成艇载的激光能量接收与转化系统，激光接收装置包括激光接收天线、辅助对准装置、二自由度云台及控制器。

3.如权利要求2所述的装置，其中，激光接收装置安装在飞艇的正下方，防止飞艇在姿态调整过程中对接收天线的遮挡；激光接收天线通过螺栓连接的方式安装在二自由度云台上，通过云台控制器控制二自由度云台姿态实现接收天线的对准、调姿；辅助对准装置与天线一体，严格保证二者的光轴平行；辅助对准装置通过串口线与云台控制器连接实现对准信息的传输；云台控制器与机载计算机连接，进行对准信息和控制信息的传输；激光接收天线与光电转化装置通过光纤线缆连接，光电转化装置通过低温导线接入能源系统，通过DC-DC对输入的电能就行电压转换，将电压转换到符合锂电池堆充电的电压范围，再对锂电池堆进行充电；光电转化装置通过串口线与飞控计算机连接，实现相关转化信息的传输。

4.如权利要求2所述的装置，其中，激光发射装置位于地面站附近地势较高没有遮挡的位置；激光发射通过螺栓连接安装在二自由度云台，通过云台控制器控制二自由度云台的姿态实现发射天线的对准、调姿；辅助对准装置与天线一体，严格保证二者的光轴平行；辅助对准装置通过串口线与云台控制器连接实现对准信息的传输；云台控制器与地面的飞行控制与任务规划计算机连接，实现对准信息和控制信息的传输；激光发射天线与激光发生装置通过光纤线缆连接，激光发生装置通过串口线与飞行控制与任务规划计算机连接，实现对激光发生功率的控制。

5.采用如权利要求1-4之一所述的装置实现的激光输能传输方法，其中，飞艇装置处于激光输能的状态，由地面站根据能源状态等多方面因素综合判断飞艇需要激光输能；首先，激活艇上和地面的二自由度云台，利用飞艇和地面站之间的相对位置解算云台的搜索范围；云台在该搜索范围内进行方位和俯仰的扫描，同时艇上和地面的辅助对准装置不断地向云台反馈对准信息，云台根据反馈信息不断地缩小搜索范围直到艇上和地面的两台辅助对准装置实现对准；如果在之前解算的搜索范围内没有实现对准，就利用当前的相对位置信息重新记算搜索范围，重复上述过程，直至对准为止；一旦辅助对准装置实现对准之后，系统便进入跟踪状态，两台云台之间持续微调以保持对准的状态；启动激光发生装置，开始向飞艇进行激光输能，同时艇载光电转换装置将信息传输给飞控计算机，飞控计算机判断激光输能处于正常状态，打开DC-DC的充电口，对锂电池堆进行充电；在充电过程中，如果飞控计算机根据光电转换装置传来的信息判断激光输能处于异常状态将关闭DC-DC的充电口；如果地面站通过测控链路下行的遥测数据判断激光输能处于异常状态将立即关闭激光发生器，以免高能激光对飞艇其他部分造成损坏。