CN108973746B - 一种无人机无线充电系统及其充电控制方法 - Google Patents

一种无人机无线充电系统及其充电控制方法 Download PDF

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Abstract

一种无人机无线充电系统及其充电控制方法。系统包括地面平台端和无人机端；地面平台端包括箱体、第一通讯模块、第一控制模块、电能发射线圈、接近传感器、作动机构和屏蔽层；无人机端包括无人机、第二通讯模块、第二控制模块、电能接收线圈、电压检测模块、无人机电池和整流电路；本发明优点：利用电压检测模块实时测定无人机电池电压，并通过第一、第二通讯模块及第一、第二控制模块有效地控制了无人机电池的充放电，可防止无人机电池的过放过充。利用作动机构有效地解决了电能收发线圈的同心耦合问题，进而避免了无人机定位降落不精准的难题，同时提高了线圈的电能传输效率。弹性卡环起到了固定无人机的作用，避免了野外作业时的外力影响。

Description

一种无人机无线充电系统及其充电控制方法
技术领域
本发明属于无线充电技术领域，尤其是涉及一种无人机无线充电系统及其充电控制方法。
背景技术
无人机以其成本低廉、效费比高、生存能力强、机动性能好、使用方便等优点在民用领域已得到越来越广泛的应用。但是，作为无人机的动力之源，其电池续航能力一直是业界亟待解决的问题。由于电池技术水平的限制，续航时间短是当前无人机面临的重大技术问题，无线充电技术很好地解决了这一问题，当前较为成熟的方案是磁耦合无线充电方式，由收发线圈组成，无人机搭载接收线圈，地面基站搭载充电线圈。但当前无人机定位精确等级不高，依靠无人机自主定位降落误差较大，接收线圈与基站发射线圈耦合效果不够理想，无法精准耦合，甚至无法耦合，从而导致充电效率较低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种无人机无线充电系统及其充电控制方法，以解决无线充电收发线圈的同心耦合问题，同时用合理的方法提高无人机的充电效率。
为了达到上述目的，本发明提供的无人机无线充电系统包括地面平台端和无人机端；其中地面平台端包括箱体、第一通讯模块、第一控制模块、电能发射线圈、四个接近传感器、四个作动机构和屏蔽层；所述的箱体为正方体形结构，表面两条对角线的两端部位分别凹陷形成有一条作动机构设置槽；表面中部设有识别涂层；每个作动机构包括驱动电机、弹性卡环、丝杆导轨、直线导轨平台和导轨滑块；其中直线导轨平台为凹字形结构，水平设置；丝杆导轨的两端以转动的方式分别安装在直线导轨平台的两侧壁上；导轨滑块套在丝杆导轨的中部；驱动电机安装在直线导轨平台的外端面上，输出轴与丝杆导轨的一端相连，并且直线导轨平台、丝杆导轨、导轨滑块和驱动电机组合后设置在箱体上任一作动机构设置槽的内部；弹性卡环为水平设置的弧形板，中部下端安装在导轨滑块的顶面上，并且弧形板的开口面向箱体表面的中心方向；相邻两个作动机构之间的箱体表面上分别安装一个接近传感器；电能发射线圈安装于箱体的底面上并且外部由屏蔽层覆盖；第一通讯模块和第一控制模块安装在箱体的内部，并且第一控制模块同时与第一通讯模块、电能发射线圈、接近传感器以及作动机构上的驱动电机电连接；
无人机端包括无人机、第二通讯模块、第二控制模块、电能接收线圈、电压检测模块、无人机电池和整流电路；其中无人机包括无人机机体、摄像头和隔离层；摄像头安装在无人机机体的下部；电能接收线圈下挂在无人机机体的下端，上部覆盖隔离层；电能接收线圈依次与整流电路、无人机电池、电压检测模块、第二控制模块和第二通讯模块电连接并均安装在无人机机体的内部；第二通讯模块与第一通讯模块以无线方式进行通讯。
所述的电能发射线圈和电能接收线圈均为圆环状。
所述的电能发射线圈的圆心与箱体的底面中心相重合。
所述的电能接收线圈与由作动机构上四个弹性卡环组成的圆同心。
所述的弹性卡环对应的圆心角为90°。
本发明提供的无人机无线充电系统的充电控制方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1：在第二控制模块的控制下，利用电压检测模块实时检测无人机电池的电压，然后传送给第二控制模块，第二控制模块根据上述电压信号判断无人机电池的状态；
步骤2：当电压检测模块检测的电压低于预先设定的电压阈值时，第二控制模块将控制无人机返航而进行充电，返航途中无人机将基于卫星导航但不仅限于卫星定位，返航至地面平台端的箱体上方的大致位置时，由摄像头精确识别箱体上的识别涂层并调整降落位置，返航途中第二通讯模块与第一通讯模块以无线方式进行通讯，实时传输无人机电池的电压；
步骤3：在降落过程中，当接近传感器捕获到无人机的信号时，其将传送给第一控制模块；
步骤4：第一控制模块将控制四个作动机构上的驱动电机转动，由此使导轨滑块以及弹性卡环沿丝杆导轨向箱体的表面中心方向移动，在此过程中四块弹性卡环所在的圆半径将逐渐缩小，并推动已降落在箱体表面上的无人机向箱体的表面中心移动，完成电能发射线圈与电能接收线圈的同心耦合，直到最后固定住无人机；
步骤5：第一控制模块根据第一通讯模块传送的电压信号控制电能发射线圈供电；
步骤6：电能通过电能发射线圈无线传输至电能接收线圈，然后经整流电路整流后向无人机电池充电；
步骤7：当电压检测模块检测到无人机电池满电时，第二控制模块将上述电压信号经第二通讯模块与第一通讯模块传送给第一控制模块，第一控制模块控制电能发射线圈断电，然后控制四个作动机构上的驱动电机反转，由此使导轨滑块以及弹性卡环沿丝杆导轨向背离箱体的表面中心方向移动，直到弹性卡环松开无人机；
步骤8：在第二控制模块的控制下无人机起飞，由此完成整个充电过程。
本发明提供的无人机无线充电系统及其控制方法与现有技术相比具有如下优点：
1、本无线充电系统利用电压检测模块实时测定无人机电池电压，并通过第一通讯模块与第二通讯模块以及第一控制模块、第二控制模块有效地控制了无人机电池的充放电，可防止无人机电池的过放过充。
2、利用作动机构有效地解决了电能收发线圈的同心耦合问题，进而避免了无人机定位降落不精准的难题，同时提高了线圈的电能传输效率。
3、弹性卡环起到了固定无人机的作用，避免了野外作业时的外力影响。
4、本系统看各模块自动工作，自主控制，省去了人工频繁操作，有效地提升了无人机的作业效率。
附图说明
图1是本发明提供的无人机无线充电系统电路示意图。
图2是本发明提供的无人机无线充电系统工作流程图。
图3是本发明提供的无人机无线充电系统中无人机结构示意图。
图4是本发明提供的无人机无线充电系统中地面平台端结构示意图。
图5是本发明提供的无人机无线充电系统中作动机构结构示意图。
图6是本发明提供的无人机降落在地面平台端时示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述。
如图1、图3—图6所示，本发明提供的无人机无线充电系统包括地面平台端100和无人机端200；其中地面平台端100包括箱体107、第一通讯模块101、第一控制模块102、电能发射线圈103、四个接近传感器104、四个作动机构105和屏蔽层108；所述的箱体107为正方体形结构，表面两条对角线的两端部位分别凹陷形成有一条作动机构设置槽；表面中部设有识别涂层106；每个作动机构105包括驱动电机1051、弹性卡环1052、丝杆导轨1053、直线导轨平台1054和导轨滑块1055；其中直线导轨平台1054为凹字形结构，水平设置；丝杆导轨1053的两端以转动的方式分别安装在直线导轨平台1054的两侧壁上；导轨滑块1055套在丝杆导轨1053的中部；驱动电机1051安装在直线导轨平台1054的外端面上，输出轴与丝杆导轨1053的一端相连，并且直线导轨平台1054、丝杆导轨1053、导轨滑块1055和驱动电机1051组合后设置在箱体107上任一作动机构设置槽的内部；弹性卡环1052为水平设置的弧形板，中部下端安装在导轨滑块1055的顶面上，并且弧形板的开口面向箱体107表面的中心方向；相邻两个作动机构105之间的箱体107表面上分别安装一个接近传感器104；电能发射线圈103安装于箱体107的底面上并且外部由屏蔽层108覆盖；第一通讯模块101和第一控制模块102安装在箱体107的内部，并且第一控制模块102同时与第一通讯模块101、电能发射线圈103、接近传感器104以及作动机构105上的驱动电机1051电连接；
无人机端200包括无人机21、第二通讯模块201、第二控制模块202、电能接收线圈203、电压检测模块204、无人机电池205和整流电路206；其中无人机21包括无人机机体211、摄像头212和隔离层213；摄像头212安装在无人机机体211的下部；电能接收线圈203下挂在无人机机体211的下端，上部覆盖隔离层213，以避免因电磁干扰而造成无人机飞控；电能接收线圈203依次与整流电路206、无人机电池205、电压检测模块204、第二控制模块202和第二通讯模块201电连接并均安装在无人机机体211的内部；第二通讯模块201与第一通讯模块101以无线方式进行通讯。
所述的电能发射线圈103和电能接收线圈203均为圆环状。
所述的电能发射线圈103的圆心与箱体107的底面中心相重合。
所述的电能接收线圈203与由作动机构105上四个弹性卡环105组成的圆同心，可起到固定无人机机体211的作用。
所述的弹性卡环105对应的圆心角为90°。
如图2所示，本发明提供的利用上述无人机无线充电系统的充电控制方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1：在第二控制模块202的控制下，利用电压检测模块204实时检测无人机电池205的电压，然后传送给第二控制模块202，第二控制模块202根据上述电压信号判断无人机电池205的状态；
步骤2：当电压检测模块204检测的电压低于预先设定的电压阈值时，第二控制模块202将控制无人机21返航而进行充电，返航途中无人机21将基于卫星导航但不仅限于卫星定位，返航至地面平台端100的箱体107上方的大致位置时，由摄像头212精确识别箱体107上的识别涂层106并调整降落位置，返航途中第二通讯模块201与第一通讯模块101以无线方式进行通讯，实时传输无人机电池205的电压；
步骤3：在降落过程中，当接近传感器104捕获到无人机21的信号时，其将传送给第一控制模块102；
步骤4：第一控制模块102将控制四个作动机构105上的驱动电机1051转动，由此使导轨滑块1055以及弹性卡环1052沿丝杆导轨1053向箱体107的表面中心方向移动，在此过程中四块弹性卡环1052所在的圆半径将逐渐缩小，并推动已降落在箱体107表面上的无人机21向箱体107的表面中心移动，完成电能发射线圈103与电能接收线圈203的同心耦合，直到最后固定住无人机21；
步骤5：第一控制模块102根据第一通讯模块101传送的电压信号控制电能发射线圈103供电；
步骤6：电能通过电能发射线圈103无线传输至电能接收线圈203，然后经整流电路206整流后向无人机电池205充电；
步骤7：当电压检测模块204检测到无人机电池205满电时，第二控制模块202将上述电压信号经第二通讯模块201与第一通讯模块101传送给第一控制模块101，第一控制模块101控制电能发射线圈103断电，然后控制四个作动机构105上的驱动电机1051反转，由此使导轨滑块1055以及弹性卡环1052沿丝杆导轨1053向背离箱体107的表面中心方向移动，直到弹性卡环1052松开无人机21；
步骤8：在第二控制模块202的控制下无人机21起飞，由此完成整个充电过程。

Claims (6)

1.一种无人机无线充电系统，其特征在于：所述的无人机无线充电系统包括地面平台端(100)和无人机端(200)；其中地面平台端(100)包括箱体(107)、第一通讯模块(101)、第一控制模块(102)、电能发射线圈(103)、四个接近传感器(104)、四个作动机构(105)和屏蔽层(108)；所述的箱体(107)为正方体形结构，表面两条对角线的两端部位分别凹陷形成有一条作动机构设置槽；表面中部设有识别涂层(106)；每个作动机构(105)包括驱动电机(1051)、弹性卡环(1052)、丝杆导轨(1053)、直线导轨平台(1054)和导轨滑块(1055)；其中直线导轨平台(1054)为凹字形结构，水平设置；丝杆导轨(1053)的两端以转动的方式分别安装在直线导轨平台(1054)的两侧壁上；导轨滑块(1055)套在丝杆导轨(1053)的中部；驱动电机(1051)安装在直线导轨平台(1054)的外端面上，输出轴与丝杆导轨(1053)的一端相连，并且直线导轨平台(1054)、丝杆导轨(1053)、导轨滑块(1055)和驱动电机(1051)组合后设置在箱体(107)上任一作动机构设置槽的内部；弹性卡环(1052)为水平设置的弧形板，中部下端安装在导轨滑块(1055)的顶面上，并且弧形板的开口面向箱体(107)表面的中心方向；相邻两个作动机构(105)之间的箱体(107)表面上分别安装一个接近传感器(104)；电能发射线圈(103)安装于箱体(107)的底面上并且外部由屏蔽层(108)覆盖；第一通讯模块(101)和第一控制模块(102)安装在箱体(107)的内部，并且第一控制模块(102)同时与第一通讯模块(101)、电能发射线圈(103)、接近传感器(104)以及作动机构(105)上的驱动电机(1051)电连接；
无人机端(200)包括无人机(21)、第二通讯模块(201)、第二控制模块(202)、电能接收线圈(203)、电压检测模块(204)、无人机电池(205)和整流电路(206)；其中无人机(21)包括无人机机体(211)、摄像头(212)和隔离层(213)；摄像头(212)安装在无人机机体(211)的下部；电能接收线圈(203)下挂在无人机机体(211)的下端，上部覆盖隔离层(213)；电能接收线圈(203)依次与整流电路(206)、无人机电池(205)、电压检测模块(204)、第二控制模块(202)和第二通讯模块(201)电连接并均安装在无人机机体(211)的内部；第二通讯模块(201)与第一通讯模块(101)以无线方式进行通讯。
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：所述的电能发射线圈(103)和电能接收线圈(203)均为圆环状。
3.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于：所述的电能发射线圈(103)的圆心与箱体(107)的底面中心相重合。
4.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于：所述的电能接收线圈(203)与由作动机构(105)上四个弹性卡环(1052)组成的圆同心。
5.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于：所述的弹性卡环(1052)对应的圆心角为90°。
6.一种利用权利要求1所述的无人机无线充电系统的充电控制方法，其特征在于：所述的充电控制方法包括按顺序进行的下列步骤：
步骤1：在第二控制模块(202)的控制下，利用电压检测模块(204)实时检测无人机电池(205)的电压，然后传送给第二控制模块(202)，第二控制模块(202)根据上述电压信号判断无人机电池(205)的状态；
步骤2：当电压检测模块(204)检测的电压低于预先设定的电压阈值时，第二控制模块(202)将控制无人机(21)返航而进行充电，返航途中无人机(21)将基于卫星导航，返航至地面平台端(100)的箱体(107)上方的大致位置时，由摄像头(212)精确识别箱体(107)上的识别涂层(106)并调整降落位置，返航途中第二通讯模块(201)与第一通讯模块(101)以无线方式进行通讯，实时传输无人机电池(205)的电压；
步骤3：在降落过程中，当接近传感器(104)捕获到无人机(21)的信号时，其将传送给第一控制模块(102)；
步骤4：第一控制模块(102)将控制四个作动机构(105)上的驱动电机(1051)转动，由此使导轨滑块(1055)以及弹性卡环(1052)沿丝杆导轨(1053)向箱体(107)的表面中心方向移动，在此过程中四块弹性卡环(1052)所在的圆半径将逐渐缩小，并推动已降落在箱体(107)表面上的无人机(21)向箱体(107)的表面中心移动，完成电能发射线圈(103)与电能接收线圈(203)的同心耦合，直到最后固定住无人机(21)；
步骤5：第一控制模块(102)根据第一通讯模块(101)传送的电压信号控制电能发射线圈(103)供电；
步骤6：电能通过电能发射线圈(103)无线传输至电能接收线圈(203)，然后经整流电路(206)整流后向无人机电池(205)充电；
步骤7：当电压检测模块(204)检测到无人机电池(205)满电时，第二控制模块(202)将无人机电池(205)的电压信号经第二通讯模块(201)与第一通讯模块(101)传送给第一控制模块(102)，第一控制模块(102)控制电能发射线圈(103)断电，然后控制四个作动机构(105)上的驱动电机(1051)反转，由此使导轨滑块(1055)以及弹性卡环(1052)沿丝杆导轨(1053)向背离箱体(107)的表面中心方向移动，直到弹性卡环(1052)松开无人机(21)；
步骤8：在第二控制模块(202)的控制下无人机(21)起飞，由此完成整个充电过程。
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