CN110789369A - 一种基于无线充电的无人机充电平台及充电方法 - Google Patents

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蔡得志
韩振
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李伟
李凡
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Abstract

本发明属于无人机充电技术领域，公开了一种基于无线充电的无人机充电平台及充电方法，对充电平台无线电能传输中弱耦合，动态负载及动态互感特征进行分析；对充电线圈的互感耦合理论进行分析，建立耦合机构的互感模型，增加电容进行补偿，使整个耦合机构在谐振的状态下工作；归纳无人机无线充电展示的电压和电流特征。本发明提供的基于无线充电的无人机充电平台及充电方法，安全性高，充电过程简单，可以实现电能在更远的距离内进行更高效的传递。本发明有效解决了无人机电池的充电步骤繁琐，影响工作效率、有线充电存在充电设备易磨损、易产生火花等问题。

Description

一种基于无线充电的无人机充电平台及充电方法
技术领域
本发明属于无人机充电技术领域，尤其涉及一种基于无线充电的无人机充电平台及充电方法。
背景技术
目前，最接近的现有技术：随着科技的进步及经济的迅猛发展，已有的航空遥感技术跟不上经济发展的需求，以无人机为航空遥感的技术正在蓬勃发展。由于无人机的体积有限，严重限制了电池的容量，影响了续航，而无人机电池的充电步骤又比较繁琐，影响了工作效率。
近年来，无人机在人们生活中越来越普及。目前无人机的充电方式分为有线充电和无线充电，有线充电存在充电设备易磨损、易产生火花等问题。而无线充电可以实现动态充电，灵活性高，能够减少对电网的冲击，稳定性高，并且无线充电还解决了有线充电在安全维护方面的问题。同时，一个无线充电装置可以对接多个用电装置，实现了充电设施的兼容性，省去了多个充电设备的成本。因此，亟需一种无人机的充电平台及充电方法。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)无人机的体积有限，严重限制了电池的容量，影响了续航，而无人机电池的充电步骤又比较繁琐，影响了工作效率。
(2)有线充电存在充电设备易磨损、易产生火花等问题。
(3)蓄电池技术已经发展到瓶颈期，更大的蓄电池容量就意味着更大的蓄电池体积和重量，因而增加蓄电池容量必将影响无人机的机动性能和轻量化。
解决上述技术问题的难度：
(1)无人机在充电过程中存在潜在的短路危险。
(2)对系统的电磁兼容性要求极高。
(3)能否轻易脱离电缆并在落地之前再次起飞也是不确定的。
解决上述技术问题的意义：
无人机自1917年问世以来，就不断受到越来越多的国家的重视。随着技术发展逐渐成熟，现今的无人机已经被广泛地应用于诸多领域，尤其是在军事领域里，无人机已经逐渐成为现代战争中一股不可或缺的重要力量，各个国家都在积极地发展着新型无人机，在全世界范围内掀起了无人机研究热潮。其中，长航时则是未来无人机发展的主要方向之一。目前，无人机的续航能力主要受限于蓄电池性能和传统充电方法。本发明将无线电能传输技术结合到无人机充电技术中，提出一种基于无线电能传输模式的无人机悬停无线充电技术，使无人机能够通过高压线缆灵活的进行电能补给，从而增加无人机的续航能力，具有研究意义和实用价值。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于无线充电的无人机充电平台及充电方法。
本发明是这样实现的，一种基于无线充电的无人机充电方法，包括以下步骤：
步骤一，对充电平台无线电能传输中弱耦合，动态负载及动态互感特征进行分析。
步骤二，对充电线圈的互感耦合理论进行分析，建立耦合机构的互感模型，增加电容进行补偿，使整个耦合机构在谐振的状态下工作。
步骤三，进行无人机无线充电的电压和电流特征展示。
进一步，步骤一中，所述无人机充电时，会不停调整自己的姿态和位置来使自己和能量发射线圈的位置相对固定，以便自动悬停在能量发射线圈的正上方。无人机悬停充电时电路会表现出如下特征：
(1)动态负载。由于在空中无人机无法保持完全静止，因此必须进行姿态调整，以保持能量接受与发射装置相对位置静止。此时，系统负载的电动机的输出功率会发生改变，对于基于无线电能传输技术的充电系统则等效为负载发生变化，即是一个具有动态负载特性的系统。
(2)动态互感。悬停情况下的无人机拾取电能的时候，即使会不断进行姿态调整，但由于自身的环境因素的影响，很难保持完全静止，会与能量发射装置产生位移，这种位移可能是垂直或者水平方向的，也可能由于无人机的倾斜导致。无论是哪种位移，耦合机构的相对位移将不可避免。这将直接导致耦合机构间的互感发生变化，使系统具有动态互感特性。
(3)耦合机构弱耦合。K一般用来表示两个线圈的耦合程度，即耦合系数，它由原级线圈自感系数LP、次级线圈自感系数Ls以及原级初级间的互感系数M共同决定，K的表达式为：
进一步，步骤二中，所述耦合机构的互感模型中，Lp是原级线圈，Ls是次级线圈，Ip和Is是原级及次级线圈中的电流值，M是原级和次级线圈的互感。当原级线圈通入频率为ω的高频交流电时，线圈周围会形成高频的电磁场。当次级线圈感应到原级线圈发出的电磁场后，便会产生高频感应电压，这个电压由Ip决定，大小等于jωMIp。同理，原级线圈的电压由Is决定，大小等于-jωMIs。通过改变输入高频电流的频率可以提高传输电压及效率。
进一步，步骤二中，所述谐振补偿方式有两种，分别是并联补偿谐振和串联补偿谐振。当原级和次级线圈采用这两种补偿方式时，将可以构成四种耦合基本拓扑：SS、SP、PS、PP。其中，第一个S(Series)代表初级串联补偿，第一个P(Parallel)代表初级并联补偿；第二个S(Series)代表次级串联补偿，第二个P(Parallel)代表次级并联补偿。
所述带反射阻抗的原级电路主要包含原边串联谐振和原边并联谐振两种，其中次级作用在原级上面的等效阻抗，即反射阻抗，通常用Zr表示。
反射阻抗Zr是由原级线圈中交流电压的角频率和原级线圈与次级线圈之间的互感M共同决定的，它们之间的关系式为：
Figure BDA0002270140430000031
其中，Zs是次级线圈的等效阻抗，可根据式(2)计算得出。
Figure BDA0002270140430000032
将式(2)代入式(1)，可以得到反射阻抗Zr的实部Re Zr和虚部Im Zr分别为：
进一步，步骤二中，所述反射阻抗的实部反映了原级线圈传递到次级线圈的有功功率，虚部反映了原级线圈传递到次级线圈的无功功率。当角频率为
Figure BDA0002270140430000035
时，次级线圈的等效阻抗Zs为纯阻性，初级传递到次级线圈的能量均为有功功率。
进一步，所述无人机充电方法基于磁耦合谐振式无线充电技术，基本原理是利用两个具有相同频率的物体作为介质实现高效的能量交换。
所述充电方法是无线充电装置先给无人机自备电池充电，再由电池向无人机提供电能。电池充电过程，先以恒流模式充电，当电压达到阈值时，再由恒压模式充电，电流降低至相应阈值时，充电过程完成。所述无线充电装置必须具备恒流和恒压输出能力。
进一步，步骤二中，所述磁耦合谐振式无线充电的工作电路拓扑结构由两个LCL电路组成不仅具备单LCL结构恒压恒流特性和电压电流增益灵活可调的特点，在一定参数配置下，还可实现恒频、功率因数为1等特点。
电路拓扑结构中，Uin为输入电压，Iin为输入电流，Uout为输出电压，Iout为输出电压，UP为原边输出电压，IP为原边输出电流，IS为副边输入电流，CP、L1、LP为原边补偿元件，CS、L2、LS为副边补偿元件，Rac为负载电阻。
进一步，步骤三包括：根据有限元仿真方法对磁耦合谐振式无线充电的工作电路进行仿真得出输出电压和电流的情况，具体包括：
(1)首先建立电路原边侧的二端口网络模型：
Figure BDA0002270140430000041
式中，Z11、Z12、Z21、Z22为原边侧二端口的Z参数；Zeq为副边侧等效到原边侧的等效阻抗，且有：
Figure BDA0002270140430000042
对式(6)进行求解可以得到：
Figure BDA0002270140430000043
Figure BDA0002270140430000044
Figure BDA0002270140430000045
式中，Z1为电路总等效阻抗，且：
A＝1-ω2CPLP，B＝ωCPZeq
由式(8)可以得知，当分母实部为0时，原边侧的电流与负载无关。此时的谐振频率为：
Figure BDA0002270140430000046
原边电流为：
令λP＝L1/LP，当λP＝1时，电路的总等效阻抗为纯阻性，功率因数为1。
(2)电路副边侧的二端口网络模型为：
Figure BDA0002270140430000048
式中，Z′11、Z′12、Z′21、Z′22为副边侧二端口的Z参数；US为副边侧的感应电压，且有：
US＝jωMIP (14)
对式(13)进行求解可以得到：
Figure BDA0002270140430000051
Figure BDA0002270140430000052
Figure BDA0002270140430000053
式中，Z2为副边侧的等效阻抗，且：
C＝1-ω2CSL2，D＝ωCSRac
由式(15)可以得知，当分母实部为0时，副边侧的电流与负载无关。此时的谐振频率为：
Figure BDA0002270140430000054
原边电流为：
Figure BDA0002270140430000055
令λP＝LS/L2，当λS＝1时，副边侧等效阻抗为纯阻性。又由式(16)可以得知，当分母的虚部为0时，输出电压与负载无关。此时谐振频率为：
输出电压为：
Figure BDA0002270140430000057
此时副边侧的等效阻抗为：
Figure BDA0002270140430000058
在恒压的情况时，电路副边侧的等效阻抗始终呈现出阻感性。将其等效到原边的等效阻抗为：
Figure BDA0002270140430000059
把电路原边侧作为研究对象时，由式(12)可以得知，电路原边侧的输出电流IP与L1有关。当频率和输入电压一定时，IP与L1成反比关系。当电路副边侧在恒流配置下时，电感LS的传输特性与电路原边侧恒流配置时的电感L1的传输特性相同。在副边输入电压US及f不变的情况下，LS值越小，Iout越大。LS值关系到耦合机构的设计，该值过小会致使耦合系数过小，能量传输容量及效率降低。
由式(21)可以得知，当电路副边侧恒压配置，且副边侧的输入电压US一定时，λS与Uout成反比关系。由式(12)、式(14)和式(21)，可以得知，在电路原边侧恒流，副边恒压时，输入电压与输出电压关系为：
Figure BDA0002270140430000061
由式(12)、式(14)和式(19)，可以得知，在电路原边侧恒流，副边恒压时，输入电压与输出电流关系为：
Figure BDA0002270140430000062
对式(24)和式(25)进行分析可以得知，恒压恒流输出的电压电流值直接和高频电源的输出值有关。通过调节高频电源的输出电压即可控制恒压恒流输出电压和电流值的大小，从而实现多电压电流等级的充电目标。
进一步，所述单匝线圈的电磁场计算包括：
选螺旋线圈中轴线与z轴重合，t＝0时刻初级侧线圈电流方向和轴正向呈右手螺旋关系
Figure BDA0002270140430000066
建立线圈柱面坐标系，电流的时域表达式为
Figure BDA0002270140430000067
假设通电线圈处于线性均匀的无限介质中，ε，μ，σ分别表示介质的介电常数、磁导率和电导率。
设线圈的半径为a，原点O到任意一点
Figure BDA0002270140430000068
的间距为r。通电线圈处于Γ(z＝h)平面上，规定z<h的区域为area1，z>h的区域为area2，即在area1和2内没有电流源的分布，电流源仅分布在area1和2的边界处。
空间中任意一点处电场强度
Figure BDA00022701404300000610
为：
Figure BDA0002270140430000063
式中，
Figure BDA0002270140430000064
J1为一阶贝塞尔函数。
由电场强度E和磁场强度H的关系，可得Q(ρ，φ，z)处磁场强度H(ρ，φ，z)为：
Figure BDA0002270140430000065
式中，
Figure BDA0002270140430000071
进一步，所述N匝螺旋线圈的电磁场计算包括：
N匝螺旋线圈可看作单匝线圈沿z轴方向平移(N-1)次得到，单次平移间距为s，螺旋线圈可以分解成N个单匝线圈。N和a分别表示通电线圈的匝数以及半径，Q(ρ，φ，z)表示柱面坐标系中任意一点，r表示坐标原点O到Q点的距离。根据单匝线圈产生的电场强度公式(21)，可以推导出灰色单匝线圈沿z轴平移(N-1)s之后，在Q(ρ，φ，z)处产生的电磁场解析表达式，将多匝线圈产生的电场强度和磁场强度做矢量叠加，可以得到N匝螺旋线圈在Q(ρ，φ，z)产生的电场强度E(ρ，φ，z)和磁场强度H(ρ，φ，z)解析表达式为：
Figure BDA0002270140430000072
Figure BDA0002270140430000073
本发明的另一目的在于提供一种基于无线充电的无人机充电平台，包括：电能变换装置、能量发射线圈和高压线缆；
电能变换装置直接从高压线缆取电，先将发电机的交流电用整流器变成直流电向蓄电池充电，再将直流电用逆变器变换成电压和频率稳定的交流电输出，并通过能量发射线圈与无人机负载进行姿态和位置调整后，向无人机负载供电。
本发明的另一目的在于提供一种终端，所述终端搭载实现所述基于无线充电的无人机充电方法的控制器。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于无线充电的无人机充电方法。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于无线充电的无人机充电方法的无人机。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明提供的一种基于无线充电的无人机充电平台及充电方法，安全性高，充电过程简单，可以实现电能在更远的距离内进行更高效的传递。
本发明有效解决了无人机电池的充电步骤繁琐，影响工作效率、有线充电存在充电设备易磨损、易产生火花等问题。
本发明提供的实物图如图11所示，图11(a)是发射端电路实物图；图11(b)是调谐支路实物图；图11(c)是耦合机构实物图；图11(d)是拾取端电路实物图；图11(e)是AC-DC-AC电路实物图。
仿真结果如图12-图13所示，图12为负载为10欧姆时的仿真波形，图13为负载为2欧姆时的仿真波形。实验数据表如表1所示。
表1实验参数表
Figure BDA0002270140430000081
实验结果如图14-图18所示，图14是无控制时的实验波形，图15是加入软开关的实验波形，图16是加入动态调谐控制的实验波形，图17是调谐支路实验波形，图18是拾取端实验波形。
实验证明，本发明基于无线充电的基于无线充电的无人机充电方法具有良好的实用性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于无线充电的基于无线充电的无人机充电方法流程图。
图2是本发明实施例1提供的耦合机构的互感模型示意图。
图3是本发明实施例1提供的耦合机构的互感模型电路示意图。
图4是本发明实施例1提供的四种耦合基本拓扑结构示意图；
图中：图(a)是SS拓扑结构示意图；图(b)是SP拓扑结构示意图；图(c)是PS拓扑结构示意图；图(d)是PP拓扑结构示意图。
图5是本发明实施例1提供的带反射阻抗原级电路示意图。
图6是本发明实施例2提供的磁耦合谐振式无线充电系统简图。
图7是本发明实施例2提供的电路拓扑图。
图8是本发明实施例2提供的多匝线圈结构示意图；
图中：图(a)是螺旋线圈结构示意图；图(b)是平面线圈结构示意图。
图9是本发明实施例2提供的单匝通电线圈柱面坐标系示意图。
图10是本发明实施例2提供的螺旋线圈柱面坐标系示意图。
图11是本发明实施例提供的实物图；
图中：图(a)是发射端电路实物图；图(b)是调谐支路实物图；图(c)是耦合机构实物图；图(d)是拾取端电路实物图；图(e)是AC-DC-AC电路实物图。
图12是本发明实施例提供的负载为10欧姆时的仿真波形示意图。
图13是本发明实施例提供的负载为2欧姆时的仿真波形示意图。
图14是本发明实施例提供的无控制时的实验波形示意图。
图15是本发明实施例提供的加入软开关的实验波形示意图。
图16是本发明实施例提供的加入动态调谐控制的实验波形示意图。
图17是本发明实施例提供的调谐支路实验波形示意图。
图18是本发明实施例提供的拾取端实验波形示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术中，无人机的体积有限，严重限制了电池的容量，影响了续航，而无人机电池的充电步骤又比较繁琐，影响了工作效率。有线充电存在充电设备易磨损、易产生火花等问题。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于无线充电的无人机充电平台及充电方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于无线充电的基于无线充电方法包括以下步骤：
S101：对比三种无线充电方案，并对充电平台进行无线电能传输所表现出的弱耦合，动态负载及动态互感特征进行分析。
S102：对充电线圈的互感耦合理论进行分析，建立耦合机构的互感模型，增加电容进行补偿，让整个耦合机构在谐振的状态下工作。
S103：最后归纳无人机无线充电所展示出来的特征。
本发明实施例提供一种基于无线充电的无人机充电平台，包括：电能变换装置、能量发射线圈和高压线缆。
电能变换装置直接从高压线缆取电，先将发电机的交流电用整流器变成直流电向蓄电池充电，再将直流电用逆变器变换成电压和频率稳定的交流电输出，并通过能量发射线圈与无人机负载进行姿态和位置调整后，向无人机负载供电。
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
本发明提出的一种无人机的充电平台，对于无人机悬停的无线充电系统进行了针对性的设计，结合了系统负载时无人机的性能特点和悬停状态下拾取使用电能的独特性，有关无线电能传输的系统特征也被证实在该系统中存在。
本发明通过对各种充电方案特征的对比分析，建立了充电平台的模型，对线圈也进行了仿真分析，从多方面验证该方案的可行性。具体包括以下内容：
1、无线充电技术
1.1电磁辐射式无线充电技术
目前，这类技术通常采用微波功率传输(MPT)和激光功率传输(LPT)两种方式实现，可以以较小功率进行远距离传输电能。然而，这类技术具有很强的传输方向性在运行过程中需要一个复杂的跟踪定位系统，在传输路径中找不到障碍物。显然，该技术的局限性较大，应用面较小。
1.2电磁共振式无线充电技术
电磁场耦合无线电能传输技术包含了电磁共振式无线充电技术，相比于感应式无线电能传输技术，增加了两个共振线圈，它们的自身品质因数Q值很高，并且相互耦合。通过这两个Q值极高共振线圈，在空间中可以形成更高强度的磁场，以便电能在更远的距离内进行更高效的传递。这种技术方向性不明显，传输距离大于电磁感应式，在中距离长度下理论能实现千瓦级别的电能输送，且能穿过非金属物质传输电能，对人类的影响相对较小，十分可靠和安全。
1.3电磁感应式无线充电技术
该技术基于电磁感应定律，通过形成于原级和次级线圈之间互相耦合的电磁场来进行无线电能的传输，是一种属于电磁场近场耦合的无线电能传输技术。该技术可加入高导磁材料在空气磁路中，以便提高传输效率、增大传输功率。但是，该技术的传输距离较短，只能应用于原级和次级线圈距离小于10cm且位置相对固定的情况，因此只能适用于小型家电及便携电子设备的充电。
2、无线充电平台
2.1无线充电系统特征分析
目前，无线充电技术已经应用于众多场合，如电子产品，纯电动汽车，家用小电器等，这些产品充电时都需要保持充电原级和次级线圈的相对静止。而无人机由于自身重量较轻，还会受到环境因素、人为因素的制约，因此很难保持与电能发射线圈的相对静止。相比于已经存在的无线充电系统，无人机无线充电系统的设计需要考虑无人机自身的特征，进行有针对性的设计，并对无人机悬停情况下的无线电能传输进行重点分析。
2.2无线充电平台模型
本发明所述无线充电平台主要由三部分组成：电能变换装置、能量发射线圈和高压线缆。电能变换装置直接从高压线缆取电，先将发电机的交流电用整流器变成直流电向蓄电池充电，再将直流电用逆变器变换成电压和频率稳定的交流电输出供给负载使用，如图2所示。
无人机充电时，会不停调整自己的姿态和位置来使自己和能量发射线圈的位置相对固定，以便自动悬停在能量发射线圈的正上方。无人机悬停充电时电路会表现出如下特征：
(1)动态负载。由于在空中无人机无法保持完全静止，因此必须进行姿态调整，以保持能量接受与发射装置相对位置静止。此时，系统负载的电动机的输出功率会发生改变，对于基于无线电能传输技术的充电系统则等效为负载发生变化，即是一个具有动态负载特性的系统。
(2)动态互感。悬停情况下的无人机拾取电能的时候，即使会不断进行姿态调整，但由于自身的环境因素的影响，很难保持完全静止，会与能量发射装置产生位移，这种位移可能是垂直或者水平方向的，也可能由于无人机的倾斜导致。无论是哪种位移，耦合机构的相对位移将不可避免。这将直接导致耦合机构间的互感发生变化，使系统具有动态互感特性。
(3)耦合机构弱耦合。K一般用来表示两个线圈的耦合程度，即耦合系数，它由原级线圈自感系数LP、次级线圈自感系数Ls以及原级初级间的互感系数M共同决定，K的表达式为：
Figure BDA0002270140430000111
考虑到系统的可靠性与便捷性，本发明无人机悬停充电时，其与能量发射线圈的距离越大越好。然而，随着距离变大，耦合机构间的互感系数将会变小，当距离等于耦合机构尺寸的若干倍时，耦合机构间的互感系数会变得十分小，导致线圈间的耦合程度十分弱，即基于无线充电的无人机充电平台是一个具有弱耦合特性的无线电能传输系统。
3、互感耦合理论
3.1互感现象
电磁感应定律中，感应电动势会随着穿过线圈的磁力线的变化而产生。某一交链线圈的磁通会随着自身电流的变化而改变，从而在线圈中产生自感电动势，若两个线圈相距很近，前一线圈的磁力线会穿过另一个线圈。当电流改变时，相邻线圈中的磁力线也会跟着改变，从而在该线圈中形成感应电动势，这种现象被称为互感现象。
图3为耦合机构的互感模型，其中Lp是原级线圈，Ls是次级线圈，Ip和Is是原级及次级线圈中的电流值，M是原级和次级线圈的互感。当原级线圈通入频率为ω的高频交流电时，线圈周围会形成高频的电磁场。当次级线圈感应到原级线圈发出的电磁场后，便会产生高频感应电压，这个电压由Ip决定，大小等于jωMIp。同理，原级线圈的电压由Is决定，大小等于-jωMIs。通过改变输入高频电流的频率可以提高传输电压及效率。
3.2谐振补偿方式
由于角频率会随着线圈的阻抗的增加的增加，这会增加线圈的无功损耗，无功损耗的又会影响传输功率。为了降低无功损耗，增大传输功率，需要增加电容进行补偿，让整个耦合机构在谐振的状态下工作。经常使用的谐振补偿方式有两种，分别是并联补偿谐振和串联补偿谐振。当原级和次级线圈采用这两种补偿方式时，将可以构成四种耦合基本拓扑：SS、SP、PS、PP，如图4所示。
带反射阻抗的原级电路主要包含原边串联谐振和原边并联谐振两种，如图5所示，其中次级作用在原级上面的等效阻抗，即反射阻抗，通常用Zr表示。
反射阻抗Zr是由原级线圈中交流电压的角频率和原级线圈与次级线圈之间的互感M共同决定的，它们之间的关系式为：
Figure BDA0002270140430000112
其中，Zs是次级线圈的等效阻抗，可根据式2计算得出。
Figure BDA0002270140430000121
将式2代入式1，可以得到反射阻抗Zr的实部Re Zr和虚部Im Zr分别为：
Figure BDA0002270140430000122
Figure BDA0002270140430000123
反射阻抗的实部反映了原级线圈传递到次级线圈的有功功率，虚部反映了原级线圈传递到次级线圈的无功功率。当角频率为
Figure BDA0002270140430000124
时，次级线圈的等效阻抗Zs为纯阻性，初级传递到次级线圈的能量均为有功功率。
4、出于简化无人机充电模式的目的，本发明提出了一种无人机无线充电平台。首先对比了三种无线充电方案，并对充电平台进行了特征分析，发现了无线电能传输所表现出的三个特征：弱耦合，动态负载及动态互感，最后对充电线圈的互感耦合理论进行了重点分析，归纳了无人机无线充电所展示出来的特征。
实施例2：基于无线充电的无人机充电方法，具体包括以下内容：
1、无线充电方式
无线充电的方式主要有三种，分别是谐振耦合式、电磁感应耦合式和微波辐射式。另外还有利用电场耦合、超声波、激光等新起的方式，但目前都还处于初级的的研究阶段。
1.1电磁感应耦合式
电磁感应耦合式无线充电技术是基于变化的磁场产生感应电流的理论提出来的，其工作原理类似于变压器的电能转换，在该无线充电系统中，发射端和接收端的线圈的耦合对方向性要求很高，相互垂直的情况下几乎不会耦合，此外，对距离限制很大，通常只能在很短的距离供电，其优点是结构简单，制造成本低。
1.2微波辐射式
微波辐射式无线充电技术的工作原理是首先将电能转变为微波形式，通过天线发射，经过自由空间的传播，由接收端接收信号，再经过整流电路转变成为直流电对负载进行供电，其传输距离远远大于传输装置的几何尺寸，其缺点就是传输功率较小，传输效率较低。
1.3磁耦合谐振式
磁耦合谐振式无线充电技术主要是基于非辐射近场谐振强耦合理论而成立的，其基本原理是利用两个具有相同频率的物体作为介质实现高效的能量交换。它的显著特点是在其工作电路拓扑结构中具有调谐网络，能够实现漏感补偿和频率调谐，加大传输的距离，且当充电路径中存在障碍物或离线圈距离较远时，不会对无线充电效率产生显著影响。这种技术的供电方案一般是无线充电装置先给无人机自备电池充电，再由电池向无人机提供电能。电池充电过程，先以恒流模式充电，当电压达到阈值时，再由恒压模式充电，电流降低至相应阈值时，充电过程完成。为了给电池安全高效地充电，无线充电装置必须具备恒流和恒压输出能力。系统的结构简图如图6所示。
2、电路拓扑结构及分析
工作电路拓扑结构由两个LCL电路组成不仅具备单LCL结构恒压恒流特性和电压电流增益灵活可调的特点，在一定参数配置下，还可实现恒频、功率因数为1等特点。具体结构如图7所示。
图2中，Uin为输入电压，Iin为输入电流，Uout为输出电压，Iout为输出电压，UP为原边输出电压，IP为原边输出电流，IS为副边输入电流，CP、L1、LP为原边补偿元件，CS、L2、LS为副边补偿元件，Rac为负载电阻。
首先建立电路原边侧的二端口网络模型：
Figure BDA0002270140430000131
式中，Z11、Z12、Z21、Z22为原边侧二端口的Z参数；Zeq为副边侧等效到原边侧的等效阻抗，且有：
Figure BDA0002270140430000132
对式(1)进行求解可以得到：
Figure BDA0002270140430000133
Figure BDA0002270140430000134
Figure BDA0002270140430000135
式中，Z1为电路总等效阻抗，且：
A＝1-ω2CPLP，B＝ωCPZeq
由式(8)可以得知，当分母实部为0时，原边侧的电流与负载无关。此时的谐振频率为：
Figure BDA0002270140430000136
原边电流为：
Figure BDA0002270140430000141
令λP＝L1/LP，当λP＝1时，电路的总等效阻抗为纯阻性，功率因数为1。
电路副边侧的二端口网络模型为：
Figure BDA0002270140430000142
式中，Z′11、Z′12、Z′21、Z′22为副边侧二端口的Z参数；US为副边侧的感应电压，且有：
US＝jωMIP (14)
对式(13)进行求解可以得到：
Figure BDA0002270140430000143
Figure BDA0002270140430000145
式中，Z2为副边侧的等效阻抗，且：
C＝1-ω2CSL2，D＝ωCSRac
由式(15)可以得知，当分母实部为0时，副边侧的电流与负载无关。此时的谐振频率为：
Figure BDA0002270140430000146
原边电流为：
Figure BDA0002270140430000147
令λP＝LS/L2，当λS＝1时，副边侧等效阻抗为纯阻性。又由式(16)可以得知，当分母的虚部为0时，输出电压与负载无关。此时谐振频率为：
输出电压为：
Figure BDA0002270140430000151
此时副边侧的等效阻抗为：
Figure BDA0002270140430000152
在恒压的情况时，电路副边侧的等效阻抗始终呈现出阻感性。将其等效到原边的等效阻抗为：
Figure BDA0002270140430000153
把电路原边侧作为对象时，由式(12)可以得知，电路原边侧的输出电流IP与L1有关。当频率和输入电压一定时，IP与L1成反比关系。当电路副边侧在恒流配置下时，电感LS的传输特性与电路原边侧恒流配置时的电感L1的传输特性相同。在副边输入电压US及f不变的情况下，LS值越小，Iout越大。LS值关系到耦合机构的设计，该值过小会致使耦合系数过小，能量传输容量及效率降低。
由式(21)可以得知，当电路副边侧恒压配置，且副边侧的输入电压US一定时，λS与Uout成反比关系。由式(12)、式(14)和式(21)，可以得知，在电路原边侧恒流，副边恒压时，输入电压与输出电压关系为
Figure BDA0002270140430000154
由式(12)、式(14)和式(19)，可以得知，在电路原边侧恒流，副边恒压时，输入电压与输出电流关系为
Figure BDA0002270140430000155
对式(20)和式(25)进行分析可以得知，恒压恒流输出的电压电流值直接和高频电源的输出值有关。通过调节高频电源的输出电压即可控制恒压恒流输出电压和电流值的大小，从而实现多电压电流等级的充电目标。
3、电磁场计算
一般而言，线圈采用的结构可分为螺旋线圈结构和平面线圈结构，多匝线圈的结构如图8所示，线圈半径为a。
空间中平面线圈和螺旋线圈是轴对称的，其产生的电磁场在空间中也具有对称性，可以由单匝线圈产生的电磁场的解析表达式，来研究多匝线圈在空间产生的电磁场分布状况。因螺旋线圈与平面线圈解析表达式的推导方式基本相同，本发明仅推导螺旋线圈在空间中产生电磁场的解析表达式，然后建立相应的仿真模型，搭建实验系统，验证计算结果的正确性。
3.1单匝线圈
如图9所示，选螺旋线圈中轴线与z轴重合，t＝0时刻初级侧线圈电流方向和轴正向呈右手螺旋关系建立线圈柱面坐标系，电流的时域表达式为
Figure BDA0002270140430000162
假设通电线圈处于线性均匀的无限介质中，ε，μ，σ分别表示介质的介电常数、磁导率和电导率。
图9中线圈的半径为a，原点O到任意一点
Figure BDA0002270140430000169
的间距为r。通电线圈处于Γ(z＝h)平面上，规定z<h的区域为area1，z>h的区域为area2，即在area1和2内没有电流源的分布，电流源仅分布在area1和2的边界处。
空间中任意一点
Figure BDA00022701404300001610
处电场强度
Figure BDA0002270140430000163
为：
Figure BDA0002270140430000164
式中，
Figure BDA0002270140430000165
J1为一阶贝塞尔函数。
由电场强度E和磁场强度H的关系，可得Q(ρ，φ，z)处磁场强度H(ρ，φ，z)为：
Figure BDA0002270140430000166
式中，
Figure BDA0002270140430000167
3.2N匝螺旋线圈
N匝螺旋线圈可以看作图10中灰色单匝线圈沿z轴方向平移(N-1)次得到，单次平移间距为s，螺旋线圈可以分解成N个单匝线圈。N和a分别表示通电线圈的匝数以及半径，Q(ρ，φ，z)表示柱面坐标系中任意一点，r表示坐标原点O到Q点的距离。根据单匝线圈产生的电场强度公式(21)，可以推导出灰色单匝线圈沿z轴平移(N-1)s之后，在Q(ρ，φ，z)处产生的电磁场解析表达式，将多匝线圈产生的电场强度和磁场强度做矢量叠加，可以得到N匝螺旋线圈在Q(ρ，φ，z)产生的电场强度E(ρ，φ，z)和磁场强度H(ρ，φ，z)解析表达式为：
Figure BDA0002270140430000168
Figure BDA0002270140430000171
下面结合仿真结果对本发明作进一步描述。
实物图如图11所示，图11(a)是发射端电路实物图；图11(b)是调谐支路实物图；图11(c)是耦合机构实物图；图11(d)是拾取端电路实物图；图11(e)是AC-DC-AC电路实物图。
仿真结果如图12-图13所示，图12为负载为10欧姆时的仿真波形，图13为负载为2欧姆时的仿真波形。实验数据表如表1所示。
表1实验参数表
Figure BDA0002270140430000172
实验结果如图14-图18所示，图14是无控制时的实验波形，图15是加入软开关的实验波形，图16是加入动态调谐控制的实验波形，图17是调谐支路实验波形，图18是拾取端实验波形。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无线充电的无人机充电方法，其特征在于，所述基于无线充电的无人机充电方法包括以下步骤：
步骤一，对充电平台无线电能传输中弱耦合，动态负载及动态互感特征进行分析；
步骤二，对充电线圈的互感耦合理论进行分析，建立耦合机构的互感模型，增加电容进行补偿，使整个耦合机构在谐振的状态下工作；
步骤三，进行无人机无线充电的电压和电流特征展示。
2.如权利要求1所述的基于无线充电的无人机充电方法，其特征在于，步骤一中，所述无人机充电时，不停调整本身的姿态和位置和能量发射线圈的位置相对固定，自动悬停在能量发射线圈的正上方；无人机悬停充电时进行如下特征分析：
(1)动态负载：无人机在空中必须进行姿态调整，保持能量接受与发射装置相对位置静止；系统负载的电动机的输出功率发生改变，对于基于无线电能传输技术的充电系统等效为负载发生变化的具有动态负载特性的系统；
(2)动态互感：悬停情况下的无人机拾取电能时与能量发射装置产生位移，使耦合机构间的互感发生变化，使系统具有动态互感特性；
(3)耦合机构弱耦合：K表示两个线圈的耦合程度，为耦合系数，由原级线圈自感系数LP、次级线圈自感系数Ls以及原级初级间的互感系数M共同决定，K的表达式为：
Figure FDA0002270140420000011
3.如权利要求1所述的基于无线充电的无人机充电方法，其特征在于，步骤二中，所述耦合机构的互感模型中，Lp是原级线圈，Ls是次级线圈，Ip和Is是原级及次级线圈中的电流值，M是原级和次级线圈的互感；当原级线圈通入频率为ω的高频交流电时，线圈周围形成高频的电磁场；当次级线圈感应到原级线圈发出的电磁场后，产生高频感应电压，电压由Ip决定，大小等于jωMIp；原级线圈的电压由Is决定，大小等于-jωMIs；通过改变输入高频电流的频率提高传输电压及效率。
4.如权利要求1所述的基于无线充电的无人机充电方法，其特征在于，步骤二增加电容进行补偿中，包括并联补偿谐振和串联补偿谐振；原级和次级线圈构成四种耦合基本拓扑：SS、SP、PS、PP；其中，第一个S代表初级串联补偿，第一个P代表初级并联补偿；第二个S代表次级串联补偿，第二个P代表次级并联补偿；
带反射阻抗的原级电路包含原边串联谐振和原边并联谐振，次级作用在原级上面的反射阻抗，用Zr表示；
反射阻抗Zr由原级线圈中交流电压的角频率和原级线圈与次级线圈之间的互感M共同决定，关系式为：
Figure FDA0002270140420000021
其中，Zs是次级线圈的等效阻抗，计算得出；
Figure FDA0002270140420000022
将反射阻抗Zr式代入K的表达式，得到反射阻抗Zr的实部Re Zr和虚部Im Zr分别为：
Figure FDA0002270140420000023
Figure FDA0002270140420000024
反射阻抗的实部反映原级线圈传递到次级线圈的有功功率，虚部反映原级线圈传递到次级线圈的无功功率；当角频率为时，次级线圈的等效阻抗Zs为纯阻性，初级传递到次级线圈的能量均为有功功率。
5.如权利要求1所述的基于无线充电的无人机充电方法，其特征在于，步骤二，耦合机构的互感模型包括耦合谐振式无线充电的工作电路拓扑结构，由两个LCL电路组成，在一定参数配置下，实现恒频、功率因数为1；
LCL电路中，Uin为输入电压，Iin为输入电流，Uout为输出电压，Iout为输出电压，UP为原边输出电压，IP为原边输出电流，IS为副边输入电流，CP、L1、LP为原边补偿元件，CS、L2、LS为副边补偿元件，Rac为负载电阻。
6.如权利要求5所述的基于无线充电的无人机充电方法，其特征在于，步骤三中，根据有限元仿真方法对磁耦合谐振式无线充电的工作电路进行仿真得出输出电压和电流的情况，具体包括：
(1)建立电路原边侧的二端口网络模型：
Figure FDA0002270140420000031
式中，Z11、Z12、Z21、Z22为原边侧二端口的Z参数；Zeq为副边侧等效到原边侧的等效阻抗，且有：
Figure FDA0002270140420000032
对电路原边侧的二端口网络模型进行求解得到：
式中，Z1为电路总等效阻抗，且：
A＝1-ω2CPLP，B＝ωCPZeq；
式
Figure FDA0002270140420000041
分母实部为0时，原边侧的电流与负载无关；此时的谐振频率为：
原边电流为：
Figure FDA0002270140420000043
令λP＝L1/LP，当λP＝1时，电路的总等效阻抗为纯阻性，功率因数为1；
(2)电路副边侧的二端口网络模型为：
Figure FDA0002270140420000044
式中，Z′11、Z′12、Z'21、Z'22为副边侧二端口的Z参数；US为副边侧的感应电压，且有：
US＝jωMIP；
对电路副边侧的二端口网络模型式进行求解得到：
Figure FDA0002270140420000045
Figure FDA0002270140420000046
Figure FDA0002270140420000047
式中，Z2为副边侧的等效阻抗，且：
C＝1-ω2CSL2，D＝ωCSRac；
式分母实部为0时，副边侧的电流与负载无关；此时的谐振频率为：
Figure FDA0002270140420000052
原边电流为：
Figure FDA0002270140420000053
令λP＝LS/L2，当λS＝1时，副边侧等效阻抗为纯阻性；式
Figure FDA0002270140420000054
分母的虚部为0时，输出电压与负载无关；此时谐振频率为：
Figure FDA0002270140420000055
输出电压为：
Figure FDA0002270140420000056
此时副边侧的等效阻抗为：
在恒压的情况时，电路副边侧的等效阻抗始终呈现出阻感性；等效到原边的等效阻抗为：
Figure FDA0002270140420000058
把电路原边侧作为对象时，电路原边侧的输出电流IP与L1有关；当频率和输入电压一定时，IP与L1成反比关系；当电路副边侧在恒流配置下时，电感LS的传输特性与电路原边侧恒流配置时的电感L1的传输特性相同；在副边输入电压US及f不变的情况下，LS值越小，Iout越大；LS值关系到耦合机构的设计，该值过小会致使耦合系数过小，能量传输容量及效率降低；
当电路副边侧恒压配置，且副边侧的输入电压US一定时，λS与Uout成反比关系；在电路原边侧恒流，副边恒压时，输入电压与输出电压关系为：
Figure FDA0002270140420000061
在电路原边侧恒流，副边恒压时，输入电压与输出电流关系为：
Figure FDA0002270140420000062
恒压恒流输出的电压电流值直接和高频电源的输出值有关；通过调节高频电源的输出电压控制恒压恒流输出电压和电流值的大小，实现多电压电流等级的充电目标；
步骤三进行无人机无线充电的电压和电流特征展示中，单匝线圈的电磁场计算包括：
选螺旋线圈中轴线与z轴重合，t＝0时刻初级侧线圈电流方向和轴正向呈右手螺旋关系
Figure FDA0002270140420000063
建立线圈柱面坐标系，电流的时域表达式为
Figure FDA0002270140420000064
假设通电线圈处于线性均匀的无限介质中，ε，μ，σ分别表示介质的介电常数、磁导率和电导率；
线圈的半径为a，原点O到任意一点
Figure FDA0002270140420000065
的间距为r；通电线圈处于Γ(z＝h)平面上，规定z<h的区域为area1，z>h的区域为area2，即在area1和2内没有电流源的分布，电流源仅分布在area1和2的边界处；
空间中任意一点
Figure FDA0002270140420000066
处电场强度
Figure FDA0002270140420000067
为：
式中，J1为一阶贝塞尔函数；
由电场强度E和磁场强度H的关系，可得Q(ρ，φ，z)处磁场强度H(ρ，φ，z)为：
Figure FDA0002270140420000071
式中，
Figure FDA0002270140420000072
所述N匝螺旋线圈的电磁场计算包括：
N匝螺旋线圈看作单匝线圈沿z轴方向平移(N-1)次得到，单次平移间距为s，螺旋线圈可以分解成N个单匝线圈；N和a分别表示通电线圈的匝数以及半径，Q(ρ，φ，z)表示柱面坐标系中任意一点，r表示坐标原点O到Q点的距离；根据单匝线圈产生的电场强度公式，推导出灰色单匝线圈沿z轴平移(N-1)s之后，在Q(ρ，φ，z)处产生的电磁场解析表达式，将多匝线圈产生的电场强度和磁场强度做矢量叠加，得到N匝螺旋线圈在Q(ρ，φ，z)产生的电场强度E(ρ，φ，z)和磁场强度H(ρ，φ，z)解析表达式为：
Figure FDA0002270140420000073
Figure FDA0002270140420000074
7.一种基于无线充电的无人机充电平台，其特征在于，所述基于无线充电的无人机充电平台包括：电能变换装置、能量发射线圈和高压线缆；
电能变换装置直接从高压线缆取电，先将发电机的交流电用整流器变成直流电向蓄电池充电，再将直流电用逆变器变换成电压和频率稳定的交流电输出，并通过能量发射线圈与无人机负载进行姿态和位置调整后，向无人机负载供电。
8.一种终端，其特征在于，所述终端搭载实现权利要求1～6任意一项所述基于无线充电的无人机充电方法的控制器。
9.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1～6任意一项所述的基于无线充电的无人机充电方法。
10.一种实现权利要求1～6任意一项所述基于无线充电的无人机充电方法的无人机。
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