CN108688496B - 无人机无线充电系统及无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机无线充电系统及无人机，包括设置在无人机上的接收装置和设置在降落面上的发射装置，接收装置包括接收线圈；发射装置包括至少一个发射单元，发射单元包括并排设置的两个发射线圈，两个发射线圈中相邻的部分中的电流的方向相同，以在相邻的部分所在的区域形成发射区域；接收线圈的轴线与发射线圈的轴线之间具有不为零的夹角；当无人机落在发射装置的发射区域时，发射装置对无人机充电。本申请中的无人机无线充电系统的发射区域范围较宽，充电范围更广，对无人降落精度要求低。当无人机返航后自动降落到发射区域上，通过无线充电的方式自主进行电能补给，充满电后继续执行任务，让无人机真正做到完全无人自主飞行。

Description

无人机无线充电系统及无人机

技术领域

本发明涉及充电技术领域，具体涉及一种无人机无线充电系统及无人机。

背景技术

无人机具有高灵活性的优点，已经在侦查、勘测、农用、巡检等领域展现出巨大的应用前景。但由于自身负重能力和体积有限，所搭载的电池容量受到限制，通常无人机的续航时间很短(一般是30分钟左右)，在使用过程中无人机需要不断地落到地面进行充电。目前，采用的一般做法是，当无人机返航后，人为的对无人机进行电能补给(插拔插头或更换电池)。上述方法需要有人在无人机使用过程中持续在旁边辅助，无法实现无人值守的目标，同时降低了无人机的工作效率。

现有的无线电能传输的应用对象主要集中在大功率的电动汽车无线供电领域，以及小功率电动牙刷、手机等电器的无线充电领域，由于无人机自身特点，这些领域的研究成果无法直接应用到无人机上。无人机自身负重能力差，而且增加负重也会引起续航能力下降的问题，设计无人机的无线充电装置时必须考虑尽可能减少搭载在无人机上电能接收装置的重量。充电功率决定了充电时间，为了缩短充电时间，提高无人机的工作效率，无人机的无线充电装置需要有较大的功率。无人机的降落有一定的精度，应用于无人机的无线充电耦合装置必须有相应的非对准容错能力，保证在对准情况不好的情况下仍能充电。无人机上搭载有各种电子设备，尤其是云台和电池部分一般位于无人机机身下方，设计无人机的无线充电耦合装置时必须防止交变磁场对机身上其他电子设备的影响，以及云台和电池等机身设备对无线充电质量的影响。

现有的对无人机进行无线电能传输的方法有：围绕机身绕制空心接收线圈，这种方法无法避免无线电能传输过程中的交变磁场对机身电子设备的影响；在无人机起落架底部装备一个小的接收装置作为电能接收端，这样可以解决上述无人机的电子设备和无线充电系统之间相互干扰的问题，但是受接收线圈装配位置的影响，接收线圈较小，传输功率受限。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种充电速度快、充电效果好的无人机无线充电系统及无人机。

为达到上述目的，一方面，本发明采用以下技术方案：

一种无人机无线充电系统，包括设置在无人机上的接收装置和设置在降落面上的发射装置，所述接收装置包括接收线圈；

所述发射装置包括至少一个发射单元，所述发射单元包括并排设置的两个发射线圈，所述两个发射线圈中相邻的部分中的电流的方向相同，以在所述相邻的部分所在的区域形成发射区域；所述接收线圈的轴线与所述发射线圈的轴线之间具有不为零的夹角；

当所述无人机落在所述发射装置的发射区域时，所述发射装置对所述无人机充电。

优选地，所述无人机包括起落架，所述起落架包括两个支架，至少一个所述支架上设置有所述接收线圈，所述接收线圈设置在所述支架的下部。

优选地，所述支架包括框架结构，所述接收线圈绕设在所述框架结构的内部。

优选地，所述至少一个发射单元包括第一发射单元和第二发射单元，

所述发射线圈包括依次并排设置的第一发射线圈、第二发射线圈和第三发射线圈，所述第一发射线圈与所述第二发射线圈形成所述第一发射单元，所述第二发射线圈与所述第三发射线圈形成所述第二发射单元；

所述两个支架上均设置有所述接收线圈，所述第一发射线圈和所述第二发射线圈中相邻的部分所在的区域形成供所述两个支架中的一个降落的第一发射区域，所述第二发射线圈和所述第三发射线圈中相邻的部分所在的区域形成供所述两个支架中的另一个降落的第二发射区域。

优选地，所述第三发射线圈的匝数与所述第一发射线圈的匝数相同为N1，所述第二发射线圈的匝数为N2，所述N2大于或等于N1。

优选地，在所述发射区域中，在相邻的所述发射线圈中相邻的部分的下方设置有软磁体，所述软磁体为长形，所述软磁体的长度方向沿横向延伸，所述发射线圈中相邻的部分与所述软磁体在水平面上的投影相互垂直。

优选地，在所述发射区域中并排设置有至少一个所述软磁体。

优选地，所述发射线圈呈由径向内侧向径向外侧延伸的多圈螺旋结构，每圈的形状为方形。

优选地，所述发射线圈的最内圈为矩形框，所述无人机的支架的底边长度为W2；

在所述无人机进行充电时，所述矩形框的长边与所述无人机的支架的底边相平行，所述矩形框的长边的长度为W1；

所述W1大于所述W2。

为达上述目的，另一方面，本发明采用以下技术方案：

一种无人机，所述无人机的起落架上设置有如上所述的无人机无线充电系统中的接收装置，所述无人机采用如上所述的无人机无线充电系统进行充电。

本申请中的无人机无线充电系统的发射区域范围较宽，充电范围更广，对无人降落精度要求低。当无人机返航后自动降落到发射区域上，通过无线充电的方式自主进行电能补给，充满电后继续执行任务，让无人机真正做到完全无人自主飞行。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出本发明具体实施方式提供的发射装置的俯视图；

图2示出本发明具体实施方式提供的发射装置的仰视图；

图3示出本发明具体实施方式提供的无人机结构示意图；

图4示出本发明具体实施方式提供的起落架的支架的结构示意图；

图5示出本发明具体实施方式提供的发射区域的示意图；

图6本发明具体实施方式提供的无人机进行充电时的示意图。

图中，

1、接收装置；11、接收线圈；

2、发射装置；21、发射单元；211、第一发射单元；212、第二发射单元；22、发射线圈；221、第一发射线圈；2211、第一单元；222、第二发射线圈；2221、第二单元；2222、第三单元；223、第三发射线圈；2231、第四单元；23、发射区域；231、第一发射区域；232、第二发射区域；24、软磁体；

3、无人机；31、起落架；32、支架；321、框架结构；3211、支撑杆；3212、连接杆；33、主体。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

本申请提供了一种无人机无线充电系统，包括设置在无人机3上的接收装置1和设置在降落面上的发射装置2，所述接收装置1包括接收线圈11，所述发射装置2包括至少一个发射单元211，所述发射单元211包括并排设置的两个发射线圈22，所述两个发射线圈22中相邻的部分中的电流的方向相同，以在所述相邻的部分所在的区域形成发射区域23。当所述无人机3落在所述发射装置2的发射区域23时，所述发射装置2对所述无人机3进行充电。其中，所述无人机3包括起落架31，所述起落架31包括两个支架32，至少一个所述支架32上设置有所述接收线圈11，所述接收线圈11设置在所述支架32的下部。

在一个具体的实施例中，如图1至图6所示，所述无人机3的起落架31包括相对设置的两个支架32，两个所述支架32上均设置有所述接收线圈11。优选地，所述支架32包括框架结构321，所述框架结构321包括大致沿竖向设置的连接杆3212和与沿横向设置的用于落在所述发射区域23进行无线充电的支撑杆3211，所述支撑杆3211与所述连接杆3212的第一端圆滑过渡连接，所述连接杆3212的第二端与所述无人机3的主体33固定连接。如图3、图4所示，进一步地，所述接收线圈11绕设在所述框架结构321的内部，所述接收线圈11具有并排设置的且相互贴紧的多层线圈。所述接收线圈11呈矩形框架结构，所述矩形框架结构的长度与所述支撑杆3211的长度相等，为W2；所述矩形框架结构的宽度方向沿所述连接杆3212所在方向延伸，为H。所述矩形框架的宽度的尺寸不宜过大或过小，如果宽度的尺寸过小，则会影响发射单元21和接收线圈11之间的耦合能力，进而影响充电效果。如果矩形框架的宽度过大，则会增加无人机的负重，影响无人机的飞行。优选地，H的数值约为0.3L4至0.7L4，其中，L4为所述起落架31的两个支架32的最低端之间的距离。更加优选地，H＝0.5L4，将矩形框架的宽度设置为上述尺寸时，既能够降低无人机3的负重，又能够保证充电效果。

如图1至图3所示，在一个优选的实施例中，所述发射装置2包括两个发射单元21，分别为第一发射单元211和第二发射单元212。所述发射线圈22包括依次并排设置的第一发射线圈221、第二发射线圈222和第三发射线圈223，所述第一发射线圈221与所述第二发射线圈222形成所述第一发射单元211，所述第二发射线圈222与所述第三发射线圈223形成所述第二发射单元212。第一发射线圈221、第二发射线圈222和第三发射线圈223之间采用串联或并联的方式连接在一起，比如可以是第一发射线圈221、第二发射线圈222、第三发射线圈223依次串联，也可以是第一发射线圈221、第二发射线圈222、第三发射线圈223依次并联，还可以是第一发射线圈221、第二发射线圈222并联后与第三发射线圈223串联。当然，可以理解的是，无论第一发射线圈221、第二发射线圈222、第三发射线圈223之间采用任何连接方式，只要能够保证相邻的所述发射单元21中并排设置的两个发射线圈22的相邻的部分中的电流的方向相同即可。上述无人机的起落架31的两个支架32上均设置有所述接收线圈11，所述第一发射线圈221和所述第二发射线圈222中相邻的部分所在的区域形成供所述两个支架32中的一个降落的第一发射区域231，所述第二发射线圈222和所述第三发射线圈223中相邻的部分所在的区域形成供所述两个支架32中的另一个降落的第二发射区域232。

在一个优选的实施例中，如图1所示，第一发射线圈221中的电流走向为顺时针方向，第二发射线圈222中的电流走向为逆时针方向，第三发射线圈223中的电流走向为顺时针方向，第一发射线圈221和第二发射线圈222共同构成第一发射单元211，也即第一双极性发射结构；第二发射线圈222和第三发射线圈223共同构成第二发射单元212，也即第二双极性发射结构。上述电流走向能够使得发射单元21中两个发射线圈22上相邻的部分中的磁力线方向相反，第二发射线圈222发出的大多数磁力线会经由第一发射区域231和第二发射区域232的上方进入到第一发射线圈221和第三发射线圈223中。具体的，所述第一发射线圈221中的电流为顺时针方向，则所述第一发射线圈221的第一单元2211中的电流向下。所述第二发射线圈222中的电流为逆时针方向，则所述第二发射线圈222的第二单元2221中的电流向下，所述第二发射线圈222的第三单元2222中的电流向上。所述第三发射线圈223中的电流为顺时针方向，则所述第三发射线圈223的第四单元2231中的电流向上。所述第一单元2211和所述第二单元2221中的电流方向都向下，两者共同构成所述第一发射区域231，所述第三单元2222和所述第四发射单元2231中的电流方向都向上，两者共同构成所述第二发射区域232，都由上述可知，任意相邻的两个所述发射线圈22上的相邻的部分中的电流的方向相同，比如所述第一单元2211和所述第二单元2221相邻，所述第三单元2222和所述第四单元2231相邻。而相邻的发射区域23中的电流方向相反，比如上述相邻的第一发射区域231和第二发射区域232中的电流方向相反。从而使得，第一发射区域231和第二发射区域232的上方产生很强的交变磁场，以使得接收线圈11和发射线圈22通过磁场进行耦合，发射装置2把电能通过无线方式传输给接收装置1。

在所述发射区域23中，在相邻的所述发射线圈22中相邻的部分的下方设置有软磁体24，所述软磁体24为长形，所述软磁体24的长度方向沿横向延伸，所述软磁体24与所述发射线圈22中相邻的部分在水平面上的投影相互垂直。在所述发射区域23中并排设置有至少一个所述软磁体。在一个具体的实施例中，如图2所示，所述第一发射线圈221和第二发射线圈222相邻的部分形成第一发射区域231，第二发射线圈222与第三发射线圈223相邻的部分形成第二发射区域232，在第一发射区域231下方设置有三个软磁体24，在所述第二发射区域232的下方设置有3个软磁体24，优选地，所述软磁体24为软磁体条。位于同一发射区域23中的软磁体24并排设置，相邻的两个软磁体24之间留有一定的间隙。

进一步地，所述接收线圈11的轴线与所述发射线圈22的轴线之间具有不为零的夹角，进一步优选为相互垂直。本申请中的发射装置2和接收装置1相互交叉设置，能够增强所述发射装置2与所述接收装置1之间的磁场的耦合能力，从而增强电能传输能力。由于接收线圈11是设置在所述起落架31中的，所述接收线圈11与所述起落架31相互平行，因此所述接收线圈11的轴线与所述发射线圈22的轴线之间的夹角的大小，由所述起落架31与所述降落面之间的夹角确定。本申请中的接收装置结构简单、轻便，不影响无人机的外形，几乎不增加无人机的负重。

为了保证充电效果，优选地，所述第三发射线圈223的匝数与所述第一发射线圈221的匝数相同为N1，所述第二发射线圈222的匝数为N2，所述N2大于或等于N1。更加优选地，所述N2与N1之间的关系为N2＝2N1。

所述发射线圈22呈由径向内侧向径向外侧延伸的多圈螺旋结构，每圈的形状为方形。所述发射线圈22的最内圈为矩形框，所述无人机的支架32的底边长度为W2，也即所述接收线圈11的所述矩形框架结构的长度为W2，在所述无人机进行充电时，所述矩形框的长边与所述无人机的支架32的底边相平行，所述矩形框的长边的长度为W1，所述W1大于所述W2。所述发射线圈22的最内圈的矩形框的宽度为L，在一个具体的实施例中，如图1所示，第一发射线圈221的最内圈的矩形框的宽度为L1，第二发射线圈222的最内圈的矩形框的宽度L2，第三发射线圈223的最内圈的矩形框的宽度L3，优选地，L1＝L3，L2大于L1和L3。更加优选地，L2＝2L1＝2L3。

本申请中的无人机无线充电系统中用于供无人机降落的区域较大，对无人机降落准确性要求低，更利于对无人机进行充电，不易出现无人机降落后因降落位置精度差而无法充电的问题。由于本申请中的充电系统的发射装置和接收装置之间的耦合能力更强，可实现较大功率的传输，因此，有效缩短的充电时间，提高了充电效率。

另外，由于双极性发射线圈具有收敛磁力线的能力，在充电时，无人机云台和无人机的电池所在的位置的磁场很弱，使得交变磁场对无人机云台和电池等电子设备的影响很小，同时，无人机云台和电池也不易影响无人机充电效果。

如图3和图6所示，本申请还提供了一种无人机3，无人机包括本体33，本体33的底部设置有起落架31，所述起落架31上设置无人机无线充电系统中的接收装置1，所述无人机3采用如上所述的无人机无线充电系统进行充电。

本申请中的无人机结构简单、自重轻、外观美观，与无人机无线充电系统配合使用，能够实现无线充电，提高用户的使用体验。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无人机无线充电系统，其特征在于，包括设置在无人机上的接收装置和设置在降落面上的发射装置，所述接收装置包括接收线圈；

所述发射装置包括至少一个发射单元，所述发射单元包括并排设置的两个发射线圈，所述两个发射线圈中相邻的部分中的电流的方向相同，以在所述相邻的部分所在的区域形成发射区域；所述接收线圈的轴线与所述发射线圈的轴线之间具有不为零的夹角；

当所述无人机落在所述发射装置的发射区域时，所述发射装置对所述无人机充电；

在所述发射区域中，在相邻的所述发射线圈中相邻的部分的下方设置有软磁体，所述软磁体为长形，所述软磁体的长度方向沿横向延伸，所述发射线圈中相邻的部分与所述软磁体在水平面上的投影相互垂直。

2.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于，所述无人机包括起落架，所述起落架包括两个支架，至少一个所述支架上设置有所述接收线圈，所述接收线圈设置在所述支架的下部。

3.根据权利要求2所述的无人机无线充电系统，其特征在于，所述支架包括框架结构，所述接收线圈绕设在所述框架结构的内部。

4.根据权利要求2所述的无人机无线充电系统，其特征在于，所述至少一个发射单元包括第一发射单元和第二发射单元，

所述发射线圈包括依次并排设置的第一发射线圈、第二发射线圈和第三发射线圈，所述第一发射线圈与所述第二发射线圈形成所述第一发射单元，所述第二发射线圈与所述第三发射线圈形成所述第二发射单元；

所述两个支架上均设置有所述接收线圈，所述第一发射线圈和所述第二发射线圈中相邻的部分所在的区域形成供所述两个支架中的一个降落的第一发射区域，所述第二发射线圈和所述第三发射线圈中相邻的部分所在的区域形成供所述两个支架中的另一个降落的第二发射区域。

5.根据权利要求4所述的无人机无线充电系统，其特征在于，所述第三发射线圈的匝数与所述第一发射线圈的匝数相同为N1，所述第二发射线圈的匝数为N2，所述N2大于或等于N1。

6.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于，在所述发射区域中并排设置有至少一个所述软磁体。

7.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于，所述发射线圈呈由径向内侧向径向外侧延伸的多圈螺旋结构，每圈的形状为方形。

8.根据权利要求7所述的无人机无线充电系统，其特征在于，所述发射线圈的最内圈为矩形框，所述无人机的支架的底边长度为W2；

在所述无人机进行充电时，所述矩形框的长边与所述无人机的支架的底边相平行，所述矩形框的长边的长度为W1；

所述W1大于所述W2。

9.一种无人机，其特征在于，所述无人机的起落架上设置有如权利要求1至8之一所述的无人机无线充电系统中的接收装置，所述无人机采用如权利要求1至8之一所述的无人机无线充电系统进行充电。