CN109066930A - 多通道无人机非接触式无线宽频充电装置及其充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道无人机非接触式无线宽频充电装置及其充电方法。该充电装置由充电台发射端和无人机接收端组成；主电源转换分流模块将供电电流转换成直流电，放大器将该直流电转换成可控高频交流电，然后经发射线圈转换成宽频电磁波，再通过充电台智能调整模组和无人机智能调整模组选取传输效率最佳的发射线圈和接收线圈；接收线圈接收宽频电磁波并转化为可控高频交流电，经整流模块及转换分流模块整流稳压后为无人机电池充电；充电过程中，充电台无线通信模块与无人机无线通信模块进行无线通信，联通无人机与充电台；智能电池芯片监测电池电量及充电状况，合理控制充电电压，有效提高充电效率，缩短充电时间。

Description

多通道无人机非接触式无线宽频充电装置及其充电方法

技术领域

本发明属于无人机无线充电技术领域，涉及一种多通道无人机非接触式无线宽频充电装置及其充电方法。

背景技术

近些年来，无线充电设备有了突飞猛进的发展，无人机这种全方位移动设备的无线充电分为接触式充电和非接触式充电两种。无人机接触式充电方式，劣势比较明显，受环境制约影响比较大，室外环境影响也比较严峻。

非接触式充电方式，分为水平移动式的无线充电以及垂直移动式的无线充电。水平式的无线充电可以适用于无人机升降台充电。水平移动式的无线充电设备，现有的技术通常是在地面上或以下埋设发射板，发射板一般为多个圆形或矩形线圈排布的线圈阵列；然后在水平移动设备上设置接收板，当水平移动设备经过时，对接匹配发送板与接收板位置，发送板就会给接收板传输能量，这种充电方式属于窄带充电技术。窄带充电技术需要进行精准位置对接匹配，位置对接匹配难度较大、影响因素较多，很难达到预期效果，会使接收到的能量不稳定且能量传输损耗严重，导致充电效率低、充电时间长。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供一种多通道无人机非接触式无线宽频充电装置及其充电方法，以解决现有无人机无线充电需要进行精准位置对接匹配，传输能量不稳定，充电效率低、充电时间长的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，多通道无人机非接触式无线宽频充电装置，由多个充电台的充电台发射端与无人机的无人机接收端组成；

每个所述充电台发射端包括：

主电源转换分流模块，用于将供电电流转换成放大器所需的直流电，并为充电台微控制器及与充电台微控制器连接的各部件提供工作电压；

充电台微控制器，用于监测并控制与其连接的充电台无线通信模块、放大器、充电台智能调整模组、充电台感应器及充电台监测模块，使得电能传输高效安全；

充电台无线通信模块，用于与无人机接收端的无人机无线通信模块进行无线通信；

放大器，用于将直流电转换成所需可控高频交流电，为逆变放大器；

充电台智能调整模组，用于配合充电台微控制器和充电台无线通信模块，提高充电效率；当单架无人机进行充电时，调整充电台发射端阻抗，选取电能发射效率最佳的发射线圈，提高充电效率；当多架无人机共同充电时，依据每个无人机电池电量，调整无人机的充电次序和充电台发射端充电功率，提高充电效率；

发射线圈，用于将可控高频交流电转化为宽频电磁波；发射线圈以方形或圆形成形，同时优化其线路规格、盘旋间隔、弯转角度、整体的长宽物理规格，考量发射线圈电路板材质的特性以及应用距离，使之可以在有效传输范围内获得最强电磁共鸣耦合和极高的传输效率，以便在各种应用场景工作；

充电台感应器，用于检测充电台发射端内部所有电流和电压值，使充电台微控制器在非正常工作的情况下做出正确指示；

充电台监测模块，用于检测主电源转换分流模块输送给放大器的直流电电压电流及放大器进行DC-AC变换之后的交流电电压电流；

每个所述无人机接收端包括：

无人机微控制器，用于监测并控制与其连接的无人机无线通信模块、无人机感应器、无人机智能调整模组、稳压转换分流模块、智能电池芯片及无人机监测模块，保证能量传输高效安全；

无人机无线通信模块，用于与充电台发射端的充电台无线通信模块进行通信；

无人机感应器，用于探测充电台与无人机的水平和垂直距离，由红外感应器及非接触磁性开关组成；

接收线圈，用于将接收的宽频电磁波转化为可控高频交流电；

无人机智能调整模组，用于配合无人机微控制器和无人机无线通信模块，提高充电效率；当无人机进行充电时，对无人机接收端进行阻抗优化，选取电能接收效率最佳的接收线圈，提高充电效率；

整流模块，用于将可控高频交流电转变为所需直流电；

稳压转换分流模块，用于对整流后的直流电进行稳压处理，为无人机的电池充电，并为无人机微控制器及与无人机微控制器连接的各部件提供工作电压；

智能电池芯片，用于监测电池的电量及充电状况，并根据电池的电量及充电状况发出指示信号；

无人机监测模块，用于检测整流模块输出的直流电电压电流值，并传输检测值至无人机微控制器。

进一步的，所述整流模块内部电路为单向桥式整流电路；

所述单向桥式整流电路包括交流电输入端，交流电输入端正极连接电感L1及并联电容C1、C2一端，并联电容C1、C2另一端连接交流电输入端负极；电感L1另一端连接整流元件D1的输出端，整流元件D1的输出端连接整流元件D2的输入端，整流元件D1及整流元件D3的输入端接地，交流电输入端负极连接整流元件D3的输出端，整流元件D3的输出端连接整流元件D4的输入端；整流元件D2及整流元件D4的输出端连接电感L2一端；电感L2另一端连接并联电容C3、C4一端，并联电容C3、C4另一端接地。

进一步的，所述稳压转换分流模块内部包含稳压电路；

所述稳压电路包括DC-DC电源开关，整流模块的电感L2连接并联电容C3、C4的一端连接稳压转换模块的DC-DC电源开关的1#引脚，该DC-DC电源开关的1#引脚经电阻R1串联发光二极管D5后接地， 2#及4#引脚接地，3#引脚输出稳压后的直流电至DC OUTPUT端。

进一步的，所述接收线圈的数量、形状及布局取决于发射线圈的形状及布局。

进一步的，所述充电台外围设有电磁屏蔽片、膜或涂层。

进一步的，所述多个充电台形成充电台阵列。

本发明所采用的另一技术方案是，多通道无人机非接触式无线宽频充电方法，具体步骤如下：

步骤一、智能电池芯片检测无人机电池的电量并反馈给无人机微控制器，无人机电池电量低于设定值时，选择距离最近的充电台为目标去充电；

步骤二、无人机无线通信模块发出连接信号，建立与充电台无线通信模块的无线通信；

步骤三、充电台无线通信模块发送允许降落或悬停待机完成后降落信号至待充电无人机，待充电无人机的无人机无线通信模块接收该信号并反馈无人机微控制器，控制待充电无人机进行降落或悬停待机完成后降落；

步骤四、无人机降落前，通过无人机无线通信模块和充电台无线通信模块的RSSI信号确定无人机与充电台的相对位置，使无人机到达充电台10米对空半径范围内，当RSSI信号强度指示到达2米范围内时，切换红外感应器超声波探测无人机位置，最后充电台使用非接触磁性开关判定无人机是否到达最优位置；如未到达，微调无人机姿态并重新检测，以使其到达最优位置；无人机到达最优位置后开始降落，并通过无人机无线通信模块发送最优位置认可信号和降落确认信号至充电台微控制器；

步骤五、主电源转换分流模块将供电电压转换成放大器所需直流电，该直流电经放大器转换为可控高频交流电后，经发射线圈转化为宽频电磁波；充电台感应器检测充电台发射端内部所有电流和电压值，使充电台微控制器在非正常工作的情况下做出正确指示；充电台监测模块检测主电源转换分流模块输送给放大器的直流电电压电流及放大器转换的交流电电压电流是否符合需求；然后，充电台智能调整模组配合充电台微控制器和充电台无线通信模块，调整充电台发射端阻抗，多个发射线圈尝试微调匹配，选择传输效率最佳的发射线圈，发射相应宽频电磁波；无人机智能调整模组配合无人机微控制器和无人机无线通信模块，调整无人机接收端阻抗，多个接收线圈尝试微调匹配，选择传输效率最佳的接收线圈；接着，该接收线圈接收选择的传输效率最佳的发射线圈发射的宽频电磁波，并将其转化为可控高频交流电，经整流模块将该可控高频交流电转变为所需直流电，并利用无人机监测模块检测该直流电的电压电流值是否符合需求；最后，稳压转换分流模块对所需直流电做稳压处理，并对无人机进行充电；无人机充电过程中，智能电池芯片持续监测电池电量及充电状况，合理控制为电池充电的直流电压；当有各种紧急事态发生时，智能电池芯片发送中断信号至无人机微控制器，无人机微控制器通知充电台微控制器中断电能发射，如无意外，则无人机充电直至所需电量；

步骤六、无人机充电完成后，智能电池芯片反馈信息至无人机微控制器，无人机微控制器通知充电台中断电能发射，充电台中断电能发射，并发送电能传输中断信号，使无人机飞离充电台，继续飞行工作。

进一步的，所述步骤三中，充电台无线通信模块发送至待充电无人机的允许降落或悬停待机完成后降落信号，依据充电台状态确定；当充电台有无人机充电，充电台无线通信模块发送悬停待机完成后降落信号至待充电无人机；当充电台无无人机充电，充电台无线通信模块发送允许降落信号至待充电无人机；

所述待充电无人机为多台时，即当多台无人机同时来充电时，充电台智能调整模组依据充电台微控制器提供的各无人机的电池电量，调整待充电无人机的充电次序，优先安排电池电量小的无人机降落充电，通过充电台微控制器合理分配各待充电无人机的待机时长，并不断调整充电台充电功率，进行快充与慢充的转换，保持最优传输效率。

进一步的，所述步骤四中的最优位置依据发射线圈的形状确定；若发射线圈为圆形，该最优位置是以发射线圈中心为圆心，以其半径为半径的半球体空间范围；若发射线圈为方形，该最优位置是以发射线圈中心为圆心，以其对角线为半径的半球体空间范围。

进一步的，所述充电台无线通信模块与无人机无线通信模块的通信，采用GSM，3G，4G，LTE，H+，Wi-Fi，蓝牙，ZigBee国际通用协议中的任意一种。

本发明的有益效果是，多通道无人机非接触式无线宽频充电装置及其充电方法，利用宽频率线圈提高电能传输效率和稳定性，采用智能化控制系统提高了整体传输效率，在不稳定的状况下通过整流稳压提供稳定输出，实现非对准情况高效率传输，进而提高充电效率，有效缩短充电时间；在无人机移动一定距离的情况下，整体电能传输比例仍然高于80%，无需发射线圈与接收线圈精准位置对接匹配，且对其他电子通信频道低干扰；有效解决了现有无人机无线充电需要进行精准位置对接匹配、传输能量不稳定、充电效率低、充电时间长的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是多通道无人机非接触式无线宽频充电装置结构示意图。

图2是无人机水平移动过程中充电效率变化图。

图3是充电过程中无人机和充电台的信息和控制数据传输过程示意图。

图4是数种无人机的接收线圈和充电台的发射线圈示意图。

图5是整流模块和稳压转换分流模块内部电路图。

图中，1.主电源转换分流模块，2.充电台微控制器，3.充电台无线通信模块，4.放大器，5.充电台智能调整模组，6.发射线圈，7.充电台感应器，8.充电台监测模块，9.无人机微控制器，10.无人机无线通信模块，11.无人机感应器，12.接收线圈，13.无人机智能调整模组，14.整流模块，15.稳压转换分流模块，16.智能电池芯片，17.电池，18.无人机监测模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

无人机一般的工作模块包括有主机、电池、感应器、驱动和马达，这些东西一般都集成在无人机中心的基盘内部。主机里有无人机的各种飞行程序，电池存有电能以驱动马达来转动轮子以让无人机进行预先载入的飞行工作。而无人机充电系统则一般是包含电源转换、整流、稳压、监控和反馈。无线充电则添加了高频放大和线圈取代原有的有线系统。无线充电的特征在于可以被设计成在无人手动操作的情况下，自动完成充电。

多通道无人机非接触式无线宽频充电装置，如图1所示，由多个充电台的充电台发射端与无人机的无人机接收端组成。

每个所述充电台发射端，由主电源转换分流模块1、充电台微控制器2、充电台无线通信模块3、放大器4、充电台智能调整模组5、发射线圈6、充电台感应器7及充电台监测模块8组成。

主电源转换分流模块1，用于将供电电源的240V/120V交流电转换成放大器4所需的直流电，并为充电台微控制器2及与充电台微控制器2连接的各部件提供工作电压。

充电台微控制器2，用于监测并控制与其连接的充电台无线通信模块3、放大器4、充电台智能调整模组5、充电台感应器7及充电台监测模块8，以保证能量传输达到高效安全的标准。根据性能需求，充电台微控制器2可以是微处理器、单片机等计算机芯片组成的中心智能模块；充电台微控制器2从充电台感应器7和充电台无线通信模块3读取内容，以应变如传讯、调校、充电、待机或冬眠等各种情况。

充电台无线通信模块3，用于与无人机接收端的无人机无线通信模块10进行无线通信；一般采用GSM，3G，4G，LTE，H+，Wi-Fi，蓝牙，ZigBee等的国际通用协议。

放大器4，用于将直流电转换成所需可控高频交流电，此模块多为逆变放大器。

充电台智能调整模组5，用于配合充电台微控制器2和充电台无线通信模块3，提高充电效率；单架无人机进行充电时，调整充电台发射端阻抗，多个发射线圈6尝试微调匹配，充电台微控制器2从充电台监测模块8和无人机微控制器9获得充电台发射端与无人机接收端的电压电流，并反馈充至电台智能调整模组5，充电台智能调整模组5依据该电压电流，得知无人机与充电台的失配程度，选择传输效率最佳的发射线圈6，提高充电效率；多架无人机共同充电时，充电台智能调整模组5依据从充电台微控制器2获得的每个无人机的电池17的电量，调整无人机的充电次序和充电台发射端充电功率，使得电量小的无人机优先降落进行充电，提高充电效率。

发射线圈6，用于将可控高频交流能量转化为宽频电磁波；发射线圈6以方形或圆形成形，再同时优化其线路规格、盘旋间隔、弯转角度、整体的长宽等物理规格，考量发射线圈6电路板材质的特性以及应用距离，使之可以在有效传输范围内获得最强电磁共鸣耦合和极高的传输效率。

充电台感应器7，检测充电台发射端内部所有电流和电压值，使发射端微控制器2在非正常工作的情况下做出正确指示。

充电台监测模块8，用于检测主电源转换分流模块1输送给放大器4的直流电电压电流及放大器4进行DC-AC变换之后的交流电电压电流。

每个所述无人机接收端，由无人机微控制器9、无人机无线通信模块10、无人机感应器11、接收线圈12、无人机智能调整模组13、整流模块14、稳压转换分流模块15、智能电池芯片16、电池17及无人机监测模块18组成。

无人机微控制器9，用于监测并控制与其连接的无人机无线通信模块10、无人机感应器11、无人机智能调整模组13、稳压转换分流模块15、智能电池芯片16及无人机监测模块18，保证能量传输高效安全。

无人机无线通信模块10，用于与充电台发射端的充电台无线通信模块3进行通信。

无人机感应器11，用于探测飞行物体及检测距离，由红外感应器及非接触磁性开关组成，用RSSI来知晓无人机是否在停机坪十米对空半径范围内，若指示强度到达1米以内，切换红外感应器或其他近距离感应器探测无人机位置，最后在10公分以内时，使用非接触磁性开关判定无人机是否到达最优位置。

接收线圈12，用于将接收的发射线圈6发送的宽频电磁波高效率转化为可控高频交流电。

无人机智能调整模组13，用于配合无人机微控制器9和无人机无线通信模块10，提高充电效率；对无人机接收端进行阻抗优化，多个接收线圈12尝试微调匹配，依据无人机微控制器9从无人机监测模块18和充电台微控制器2获得的无人机接收端与充电台发射端的电压电流，得知无人机与充电台的失配程度，选取接收效率最佳的接收线圈12，提高充电效率。

整流模块14，用于将接收线圈12转换的可控高频交流电转变为所需直流电。

如图5所示，整流模块14内部电路为单向桥式整流电路，利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替变化的正弦交流电压变换成单方向的脉动直流电压。所述单向桥式整流电路包括交流电输入端，交流电输入端正极连接电感L1及并联电容C1、C2一端，并联电容C1、C2另一端连接交流电输入端负极；电感L1另一端连接整流元件D1的输出端，整流元件D1的输出端连接整流元件D2的输入端，整流元件D1及整流元件D3的输入端接地，整流元件D3的输出端连接整流元件D4的输入端，交流电输入端负极连接整流元件D3的输出端；整流元件D2及整流元件D4的输出端连接电感L2一端；电感L2另一端连接并联电容C3、C4一端，并联电容C3、C4另一端接地；

由于整流电路中含有大量的直流和交流成分，因此，在整流电路后加接滤波电路，以减小输出电压中交流分量，使之接近于理想的直流电压。滤波电路电容C1~C4和电感L1~L2的参数通过计算得出，其尽可能地将单向脉动直流电压中的脉动部分(交流分量)减小，使输出电压成为比较平滑的直流电压。

稳压转换分流模块15，用于对整流后的直流电进行稳压处理，为无人机的电池17充电，并为无人机微控制器9及与无人机微控制器9连接的各部件提供工作电压；其稳压电路通常采用DC-DC电源开关，使输出的直流电压电源发生波动或负载变化时保持稳定，其输出电压可以调整，输出还具有过流保护和防静电等功能。

如图5所示，稳压转换分流模块15内部的稳压电路包含DC-DC电源开关，整流模块14的电感L2连接并联电容C3、C4的一端连接稳压转换分流模块15的DC-DC电源开关的1#引脚，DC-DC电源开关的1#引脚经电阻R1串联发光二极管D5后接地，2#及4#引脚接地，3#引脚输出稳压后的直流电至DC OUTPUT端，对整流后的直流电进行稳压处理。当AC INPUT输入的高频交流电为正半周时，经电感L1及并联电容C1、C2滤波后，整流元件D3及D2导通，并经电感L2及并联电容C3、C4滤波后输出直流电；当AC INPUT输入的高频交流电为负半周时，经电感L1及并联电容C1、C2滤波后，整流元件D4及D1导通，并经电感L2及并联电容C3、C4滤波后输出直流电；该直流电经稳压转换分流模块15中的DC/DC电源开关稳压后输出无人机充电所需直流电；电阻R1用于限流，二极管D5用于显示DC/DC电源开关的输入引脚1是否存在输入电压，如存在输入电压，则二极管D5为亮；无人机充电所需直流电经DC/DC电源开关的引脚3输出至DC OUTPUT，经DC OUTPUT分流为无人机接收端各部件所需工作电压，并为无人机充电。

智能电池芯片16，是电池17的充电电源和电池17之间的桥梁，用于监测电池17的电量及充电状况，并根据电池17的电量及充电状况发出指示信号。

无人机监测模块18，用于检测整流模块14输出的直流电电压电流值，并传输检测值至无人机微控制器9。

本发明接收线圈12的数量、形状及布局取决于发射线圈6，如图4(a)~图4(d)所示，发射线圈6构成是平板式，则接收线圈12为平板式；如发射端线圈6构成是立体式，在上述接收线圈12的基础上，还需设置为平板或立体式线圈的侧面电能接收线圈12。图4(a)无人机和停机坪下端各有一个平板式线圈或天线，分别作为发射线圈6及接收线圈12，进行无线电能传输；平板式线圈或天线，一般可盘于磁芯板或蚀刻于电子板上面。图4(b)发射线圈6构成是立体式，无人机下端有数个接收线圈12，用于接收停机坪上立体发射端的电磁能量，侧面电能传输用平板或立体式线圈；立体式线圈有弹簧状线圈，或电感元器件外观状的线圈。图4(c)和图4(d)发射线圈6为管环状线圈，围住无人机四面八方，无人机机体安装全方位传输用的环状接收线圈12，此环状接收线圈12可以盘成一束金属环，也可整齐地蚀刻在一叠多层电子板上，用于接收管环状发射线圈6的电磁能量，高效率传输能量。图4(e)是无线充电台延展并接形成更大的充电台来支持大型无人机或者无人机群的充电需求，只要无人机机体上有相应的接收线圈12即可实现该功能。还可以在充电台外围加上电磁屏蔽片、膜或涂层，进一步减少充电平台对外的电磁辐射。

多通道无人机非接触式无线宽频充电方法，如图3所示，具体步骤如下：

步骤一、智能电池芯片16检测无人机电池17的电量并反馈给无人机控制器9，无人机电池17电量低于设定值时，选择距离最近的充电台为目标去充电；

步骤二、无人机无线通信模块10发出连接信号，建立与充电台无线通信模块3的无线通信；

步骤三、电台无线通信模块3发送允许降落或悬停待机完成后降落信号，无人机无线通信模块10接收并反馈无人机控制器9，控制无人机进行降落或悬停待机完成后降落；

步骤四、无人机降落前，通过无人机无线通信模块10和充电台无线通信模块3的RSSI信号确定无人机与充电台的相对位置，使无人机到达充电台10米对空半径范围内，当RSSI信号强度指示到达2米范围内时，切换红外感应器超声波探测无人机位置，最后充电台使用非接触磁性开关判定无人机是否到达最优位置；如未到达，微调无人机姿态并重新检测，以使其到达该最优位置；无人机到达最优位置后开始降落，并通过无人机无线通信模块10发送最优位置认可信号和降落确认信号至充电台微控制器2；

步骤五、主电源转换分流模块1将供电电压转换成放大器4所需直流电，该直流电经放大器4转换为可控高频交流电后，经发射线圈6转化为宽频电磁波；充电台感应器7检测充电台发射端内部所有电流和电压值，使充电台微控制器2在非正常工作的情况下做出正确指示；充电台监测模块8检测主电源转换分流模块1输送给放大器4的直流电电压电流及放大器4转换的交流电电压电流是否符合需求；然后，充电台智能调整模组5配合充电台微控制器2和充电台无线通信模块3，调整充电台发射端阻抗，多个发射线圈6尝试微调匹配，选择传输效率最佳的发射线圈6，发射相应宽频电磁波；无人机智能调整模组13配合无人机微控制器9和无人机无线通信模块10，调整无人机接收端阻抗，进行多个接收线圈12尝试微调匹配，选择传输效率最佳的接收线圈12；然后，该接收线圈12接收选择的传输效率最佳的发射线圈6发射的宽频电磁波，并将其转化为可控高频交流电，经整流模块14将该可控高频交流电转变为所需直流电，并利用无人机监测模块18检测该直流电的电压电流值是否符合需求；最后，稳压转换分流模块15对所需直流电做稳压处理，并对无人机进行充电；无人机充电过程中，智能电池芯片16持续监测电池17电量及充电状况，合理控制为电池17充电的直流电压；当有各种紧急事态发生时，智能电池芯片16发射中断信号至无人机微控制器9，无人机微控制器9通知充电台微控制器2中断电能发射，如无意外，则无人机充电直至所需电量；

步骤六、无人机充电完成后，智能电池芯片16反馈信息至无人机微控制器9，无人机微控制器9通知充电台中断电能发射，充电台中断电能发射，并发送电能传输中断信号，使无人机飞离充电台，继续飞行工作。

充电台无线通信模块3发送的允许降落或悬停待机完成后降落信号，依据充电台状态确定；当充电台有无人机充电，充电台无线通信模块3发送悬停待机完成后降落信号至待充电无人机；当充电台无无人机充电，充电台无线通信模块3发送允许降落信号至待充电无人机；

所述待充电无人机为多台时，即当多台无人机同时来充电时，充电台智能调整模组5依据充电台微控制器2提供的各无人机的电池17电量，调整待充电无人机的充电次序，优先安排电池17电量小的无人机降落充电，通过充电台微控制器2合理分配各待充电无人机的待机时长，并不断调整充电台充电功率，进行快充与慢充的转换，保持最优传输效率。

无人机降落的最优位置依据发射线圈6的形状确定；若发射线圈6为圆形，该最优位置是以发射线圈6中心为圆心，以其半径为半径的半球体空间范围；若发射线圈6为方形，该最优位置是以发射线圈6中心为圆心，以其对角线为半径的半球体空间范围。

本发明监测电池17状况然后反馈给无人机微控制器9，有效转换慢充和快充模式，缩短充电时间以及延长电池17寿命。运用数种对空、以及近距离物体探测感应器，增加了系统伸缩性、安全性以及可靠性。通过智能调整模组，让容易降落失准的无人机具备更加稳定和可靠的无线充电功能。智能调整模组调配多路匹配线路，基于微控制器的处理能力，该智能调整功能可对充电台及无人机进行智能匹配、调频。在不完美降落和感应器有误差的情况之下，微控制器能从充电台监测模块8和无人机监测模块18获得相应的电压电流，得知无人机与充电台失配程度，然后根据已有的程式程序进行多传输线路尝试微调，通过高速控制，检测对比选择可以到达最佳传输效率的传输通道。

本发明的多通道无人机非接触式无线宽频充电装置基于磁共振原理，利用逆向放大器将直流电转成高频率磁场，磁场频率一般在kHz频谱至MHz频谱，无人机充电频率为6.78MHz；当两个能够产生同频段磁场的线圈互相进入对方的近场距离内，会发生很强的相互耦合现象，能量高效率地从一方传向另一方。

图2是无人机进行水平移动后中心错开的距离，该距离越远充电效率就越低，这是一般的物理现象。在本发明中，在相同设定下，通过各系统的工作以上各距离充电效率有较大提高，在无人机移动一定距离的情况下（0-40CM），整体电能传输比例仍然高于80%，对比现有有线充电和无线充电技术，本发明对于无人机的移动充电和自主自动充电有巨大优势。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.多通道无人机非接触式无线宽频充电装置，其特征在于，由多个充电台的充电台发射端与无人机的无人机接收端组成；

每个所述充电台发射端包括：

主电源转换分流模块（1），用于将供电电流转换成放大器（4）所需的直流电，并为充电台微控制器（2）及与充电台微控制器（2）连接的各部件提供工作电压；

充电台微控制器（2），用于监测并控制与其连接的充电台无线通信模块（3）、放大器（4）、充电台智能调整模组（5）、充电台感应器（7）及充电台监测模块（8），使得电能传输高效安全；

充电台无线通信模块（3），用于与无人机接收端的无人机无线通信模块（10）进行无线通信；

放大器（4），用于将直流电转换成所需可控高频交流电，为逆变放大器；

充电台智能调整模组（5），用于配合充电台微控制器（2）和充电台无线通信模块（3），提高充电效率；当单架无人机进行充电时，调整充电台发射端阻抗，选取电能发射效率最佳的发射线圈（6），提高充电效率；当多架无人机共同充电时，依据每个无人机电池（17）电量，调整无人机的充电次序和充电台发射端充电功率，提高充电效率；

发射线圈（6），用于将可控高频交流电转化为宽频电磁波；发射线圈（6）以方形或圆形成形，同时优化其线路规格、盘旋间隔、弯转角度、整体的长宽物理规格，考量发射线圈（6）电路板材质的特性以及应用距离，使之可以在有效传输范围内获得最强电磁共鸣耦合和极高的传输效率，以便在各种应用场景工作；

充电台感应器（7），用于检测充电台发射端内部所有电流和电压值，使充电台微控制器（2）在非正常工作的情况下做出正确指示；

充电台监测模块（8），用于检测主电源转换分流模块（1）输送给放大器（4）的直流电电压电流及放大器（4）进行DC-AC变换之后的交流电电压电流；

每个所述无人机接收端包括：

无人机微控制器（9），用于监测并控制与其连接的无人机无线通信模块（10）、无人机感应器（11）、无人机智能调整模组（13）、稳压转换分流模块（15）、智能电池芯片（16）及无人机监测模块（18），保证能量传输高效安全；

无人机无线通信模块（10），用于与充电台发射端的充电台无线通信模块（3）进行通信；

无人机感应器（11），用于探测充电台与无人机的水平和垂直距离，由红外感应器及非接触磁性开关组成；

接收线圈（12），用于将接收的宽频电磁波转化为可控高频交流电；

无人机智能调整模组（13），用于配合无人机微控制器（9）和无人机无线通信模块（10），提高充电效率；当无人机进行充电时，对无人机接收端进行阻抗优化，选取电能接收效率最佳的接收线圈（12），提高充电效率；

整流模块（14），用于将可控高频交流电转变为所需直流电；

稳压转换分流模块（15），用于对整流后的直流电进行稳压处理，为无人机的电池（17）充电，并为无人机微控制器（9）及与无人机微控制器（9）连接的各部件提供工作电压；

智能电池芯片（16），用于监测电池（17）的电量及充电状况，并根据电池（17）的电量及充电状况发出指示信号；

无人机监测模块（18），用于检测整流模块（14）输出的直流电电压电流值，并传输检测值至无人机微控制器（9）。

2.根据权利要求1所述的多通道无人机非接触式无线宽频充电装置，其特征在于，所述整流模块（14）内部电路为单向桥式整流电路；

所述单向桥式整流电路包括交流电输入端，交流电输入端正极连接电感L1及并联电容C1、C2一端，并联电容C1、C2另一端连接交流电输入端负极；电感L1另一端连接整流元件D1的输出端，整流元件D1的输出端连接整流元件D2的输入端，整流元件D1及整流元件D3的输入端接地，交流电输入端负极连接整流元件D3的输出端，整流元件D3的输出端连接整流元件D4的输入端；整流元件D2及整流元件D4的输出端连接电感L2一端；电感L2另一端连接并联电容C3、C4一端，并联电容C3、C4另一端接地。

3.根据权利要求1所述的多通道无人机非接触式无线宽频充电装置，其特征在于，所述稳压转换分流模块（15）内部包含稳压电路；

所述稳压电路包括DC-DC电源开关，整流模块（14）的电感L2连接并联电容C3、C4的一端连接稳压转换模块（15）的DC-DC电源开关的1#引脚，该DC-DC电源开关的1#引脚经电阻R1串联发光二极管D5后接地， 2#及4#引脚接地，3#引脚输出稳压后的直流电至DC OUTPUT端。

4.根据权利要求1所述的多通道无人机非接触式无线宽频充电装置，其特征在于，所述接收线圈（12）的数量、形状及布局取决于发射线圈（6）的形状及布局。

5.根据权利要求1所述的多通道无人机非接触式无线宽频充电装置，其特征在于，所述充电台外围设有电磁屏蔽片、膜或涂层。

6.根据权利要求5所述的多通道无人机非接触式无线宽频充电装置，其特征在于，所述多个充电台形成充电台阵列。

7.多通道无人机非接触式无线宽频充电方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、智能电池芯片（16）检测无人机电池（17）的电量并反馈给无人机微控制器（9），无人机电池（17）电量低于设定值时，选择距离最近的充电台为目标去充电；

步骤二、无人机无线通信模块（10）发出连接信号，建立与充电台无线通信模块（3）的无线通信；

步骤三、充电台无线通信模块（3）发送允许降落信号或悬停待机完成后降落信号至待充电无人机，待充电无人机的无人机无线通信模块（10）接收该信号并反馈无人机微控制器（9），控制待充电无人机进行降落或悬停待机完成后降落；

步骤四、无人机降落前，通过无人机无线通信模块（10）和充电台无线通信模块（3）的RSSI信号确定无人机与充电台的相对位置，使无人机到达充电台10米对空半径范围内，当RSSI信号强度指示到达2米范围内时，切换红外感应器超声波探测无人机位置，最后充电台使用非接触磁性开关判定无人机是否到达最优位置；如未到达，微调无人机姿态并重新检测，以使其到达最优位置；无人机到达最优位置后开始降落，并通过无人机无线通信模块（10）发送最优位置认可信号和降落确认信号至充电台微控制器（2）；

步骤五、主电源转换分流模块（1）将供电电压转换成放大器（4）所需直流电，该直流电经放大器（4）转换为可控高频交流电后，经发射线圈（6）转化为宽频电磁波；充电台感应器（7）检测充电台发射端内部所有电流和电压值，使充电台微控制器（2）在非正常工作的情况下做出正确指示；充电台监测模块（8）检测主电源转换分流模块（1）输送给放大器（4）的直流电电压电流及放大器（4）转换的交流电电压电流是否符合需求；然后，充电台智能调整模组（5）配合充电台微控制器（2）和充电台无线通信模块（3），调整充电台发射端阻抗，多个发射线圈（6）尝试微调匹配，选择传输效率最佳的发射线圈（6），发射相应宽频电磁波；无人机智能调整模组（13）配合无人机微控制器（9）和无人机无线通信模块（10），调整无人机接收端阻抗，多个接收线圈（12）尝试微调匹配，选择传输效率最佳的接收线圈（12）；接着，该接收线圈（12）接收选择的传输效率最佳的发射线圈（6）发射的宽频电磁波，并将其转化为可控高频交流电，经整流模块（14）将该可控高频交流电转变为所需直流电，并利用无人机监测模块（18）检测该直流电的电压电流值是否符合需求；最后，稳压转换分流模块（15）对所需直流电做稳压处理，并对无人机进行充电；无人机充电过程中，智能电池芯片（16）持续监测电池（17）电量及充电状况，合理控制为电池（17）充电的直流电压；当有各种紧急事态发生时，智能电池芯片（16）发送中断信号至无人机微控制器（9），无人机微控制器（9）通知充电台微控制器（2）中断电能发射，如无意外，则无人机充电直至所需电量；

步骤六、无人机充电完成后，智能电池芯片（16）反馈信息至无人机微控制器（9），无人机微控制器（9）通知充电台中断电能发射，充电台中断电能发射，并发送电能传输中断信号，使无人机飞离充电台，继续飞行工作。

8.根据权利要求7所述的多通道无人机非接触式无线宽频充电方法，其特征在于，所述步骤三中，充电台无线通信模块（3）发送至待充电无人机的允许降落或悬停待机完成后降落信号，依据充电台状态确定；当充电台有无人机充电，充电台无线通信模块（3）发送悬停待机完成后降落信号至待充电无人机；当充电台无无人机充电，充电台无线通信模块（3）发送允许降落信号至待充电无人机；

所述待充电无人机为多台时，即当多台无人机同时来充电时，充电台智能调整模组（5）依据充电台微控制器（2）提供的各无人机的电池（17）电量，调整待充电无人机的充电次序，优先安排电池（17）电量小的无人机降落充电，通过充电台微控制器（2）合理分配各待充电无人机的待机时长，并不断调整充电台充电功率，进行快充与慢充的转换，保持最优传输效率。

9.根据权利要求7所述的多通道无人机非接触式无线宽频充电方法，其特征在于，所述步骤四中的最优位置依据发射线圈（6）的形状确定；若发射线圈（6）为圆形，该最优位置是以发射线圈（6）中心为圆心，以其半径为半径的半球体空间范围；若发射线圈（6）为方形，该最优位置是以发射线圈（6）中心为圆心，以其对角线为半径的半球体空间范围。

10.根据权利要求7所述的多通道无人机非接触式无线宽频充电方法，其特征在于，所述充电台无线通信模块（3）与无人机无线通信模块（10）的通信，采用GSM，3G，4G，LTE，H+，Wi-Fi，蓝牙，ZigBee国际通用协议中的任意一种。