CN110865656A - 基于互感检测的无人机对中系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于互感检测的无人机对中系统及其控制方法，在无人机启停台上设置有多个无线充电发射线圈，在无人机机架上设置无线充电接收线圈，多个无线充电发射线圈相对于水平面由内向外依次扩散分布，在无人机启停台上设置有第一控制电路，该第一控制电路用于控制所述多个无线充电发射线圈分别通电且实现每一个无线充电发射线圈与所述无线充电接收线圈之间的互感检测，在无人机机架上还设置有第二控制电路，通过多个无线充电发射线圈和一个无线充电接收线圈，基于各个线圈之间的互感值可以有效确定无人机的当前位置，从而通过第二控制电路控制无人机移动引导无人机准确对中，实现无人机无线充电时的自动停靠，确保充电效率。

Description

基于互感检测的无人机对中系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体而言涉及一种基于互感检测的无人机对中系统及其控制方法。

背景技术

随着无线充电技术的发展，其应用越来越广泛，基于无人机的续航能力不足的问题，目前已经有人提出将无线充电技术用于无人机领域的技术方案。

如中国专利201910092639.X公开的一种无人机充电系统及其方法，通过在无人机上设置接收线圈，在无人机保护箱中设置无线发射线圈，并且通过升降装置和校准装置调节无线发射线圈的位置，从而确保无线充电系统高效稳定传输。

但是其缺陷是：

无人机停靠时难以确保准确对中，从而导致无线充电发射线圈和无线充电接收线圈位置出现偏差，导致无线能量信号耦合效率低。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于互感检测的无人机对中系统及其控制方法，通过对无线充电发射线圈的布置方式和电路结构进行改进，从而满足无人机停靠时的对中控制，确保无人机无线充电效率。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种基于互感检测的无人机对中系统，所述基于互感检测的无人机对中系统包括第一控制电路、第二控制电路、无线充电接收线圈和多个无线充电发射线圈；

所述多个无线充电发射线圈设置在无人机启停台上，相对于水平面由内向外依次扩散分布；

所述无线充电接收线圈设置在无人机机架上，可与所述多个无线充电发射线圈相耦合；

所述第一控制电路与若干个无线充电发射线圈耦合连接，用于控制所述多个无线充电发射线圈分别通电且实现每一个无线充电发射线圈与所述无线充电接收线圈之间的互感检测；

所述第二控制电路通过无线网络与所述第一控制电路进行数据交互，所述第二控制电路根据所述第一控制电路的互感检测值控制无人机的飞行方向实现无人机对中停靠，当无人机正对所述无人机启停台停靠时，所述无线充电接收线圈正对最内层的无线充电发射线圈；

所述第二控制电路根据所述第一控制电路的互感检测值控制无人机的飞行方向实现无人机对中停靠是指：

所述第一控制电路由外向内依次控制每个无线充电发射线圈通电，所述第二控制电路基于每个无线充电发射线圈与无线充电接收线圈的互感值确认无人机与对应无线充电发射线圈的相对位置关系，根据预设的移动策略控制无人机逐层向内移动，直至无人机移至最内层的无线充电发射线圈内部。

进一步的实施例中，所述多个无线充电发射线圈分布在同一水平面上。

进一步的实施例中，所述无线充电发射线圈呈矩形或圆形。

基于前述无人机对中系统，本发明还提及一种基于互感检测的无人机对中系统的控制方法，所述控制方法包括：

S1、检测是否有无人机靠近无人机启停台；

S2、当有无人机靠近无人机启停台时，设j=1，j∈i，i=1,2,…,m，m是无线充电发射线圈总数，i取值越大，对应的无线充电发射线圈L_pi越靠内层；

S3、按照第一功率模式控制无线充电发射线圈L_pj工作，根据无线充电发射线圈L_pj与无线充电接收线圈的互感检测值判断无线充电接收线圈是否位于无线充电发射线圈L_pj内部，如果是，进入步骤S5，否则，进入步骤S4；

S4、根据预设的移动策略控制无人机向内移动，直至无人机移至无线充电发射线圈L_pj内部，进入步骤S5；

S5、判断无线充电发射线圈L_pj是否为最内一层的无线充电发射线圈L_pm，如果是，按照第二功率模式控制最内一层无线充电发射线圈L_pm实现无线充电，结束流程，否则，j加1后，返回步骤S3。

进一步的实施例中，所述第一功率模式的发射功率低于第二功率模式的发射功率。

进一步的实施例中，步骤S4中，所述根据预设的移动策略控制无人机向内移动包括以下步骤：

S41、控制无人机沿x轴正向飞行距离d，d为预设的最小移动距离；

S42、判断无线充电发射线圈L_pj与无线充电接收线圈的互感检测值是否增大，如果互感检测值增大，则控制无人机继续沿x轴正向飞行距离d，如果互感检测值减小，则控制无人机沿x轴反向飞行距离3d；

S43、根据当前互感检测值判断无线充电接收线圈是否位于对应无线充电发射线圈L_pj内部，如果已到达对应无线充电发射线圈L_pj内部，进入步骤S45，否则，控制无人机沿y轴正向飞行距离d，进入步骤S44；

S44、判断无线充电发射线圈L_pj与无线充电接收线圈的互感检测值是否增大，如果互感检测值增大，则控制无人机继续沿y轴正向飞行距离d，如果互感检测值减小，则控制无人机沿y轴反向飞行距离3d；

S45、结束本轮移动过程。

进一步的实施例中，所述d为相邻两层无线充电发射线圈之间间隙宽度的一半。

进一步的实施例中，所述d根据j的取值作动态变化。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于，

（1）通过对无线充电发射线圈的布置方式和电路结构进行改进，从而满足无人机停靠时的对中控制，确保无人机无线充电效率。

（2）使无人机完成精确停靠的同时进行持续充电，确保无人机具有更加优秀的续航能力，减轻工作人员还需额外给无人机充电的工作负担。

（3）每个线圈采用较低的发射功率辅助无人机对中停靠，停靠完成后采用最内层无线充电发射线圈以较高的发射功率进行充电，减少电能损耗，提高了整个对中过程和停靠过程中的充电率。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为本发明提出的基于互感检测的无人机对中系统耦合结构示意图。

图2为无人机第一偏离状态下系统耦合结构分布图。

图3为无人机第二偏离状态下系统耦合结构分布图。

图4为本发明提出的基于互感检测的无人机对中系统等效电路图。

图5为本发明具体实施例中原边线圈L_p1工作时的互感变化曲线。

图6为本发明具体实施例中原边线圈L_p2工作时的互感变化曲线。

图7为本发明具体实施例中原边线圈L_p3工作时的互感变化曲线。

图8为本发明具体实施例中原边线圈L_p4工作时的互感变化曲线。

图9为本发明具体实施例中原边线圈L_p5工作时的互感变化曲线。

图10为本发明具体实施例中的无人机移动控制模型图。

图11为本发明具体实施例中的基于互感检测的无人机对中系统的控制方法的流程图。

图12为本发明具体实施例中的移动策略示意图。

图中标注：1-无线充电发射线圈，2-无线充电接收线圈。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

如图1、图2、图3所示，本发明提出一种基于互感检测的无人机对中系统，在无人机启停台上设置有多个无线充电发射线圈1，在无人机机架上设置有可与所述多个无线充电发射线圈1相耦合的无线充电接收线圈2。

无线充电发射线圈的形状不限，不同的线圈形状对应不同的移动策略，优选的，以对称规则的图形为佳，例如矩形或者圆形等。在本实施例中无线充电发射线圈1设置有5个，呈矩形分布，5个无线充电发射线圈相对于水平面由内向外依次扩散分布。

作为优选，5个发射线圈可以设置在同一平面上，并且呈等间距分布，设5个无线充电发射线圈外径分别为1m、0.8m、0.6m、0.4m、0.2m，无线充电接收线圈的外径为0.2m，线圈结构均为单层、均匀多匝结构，下层由外到内依次为发射线圈L_p1、L_p2、L_p3、L_p4、L_p5，将其构成无线充电系统，对应的等效电路为图4所示，无人机启停台的控制电路对应为原边电路，无人机机架上的控制电路为副边电路，无线充电接收线圈可在多个无线充电发射线圈所在的区域自由移动。对应如图2和图3所示，当无人机正对所述无人机启停台停靠时，所述无线充电接收线圈正对最内层的无线充电发射线圈，从而可以通过控制无线充电接收线圈的位置实现无人机停靠时的准确对中。

为了便于控制，在所述无人机启停台上设置有第一控制电路，该第一控制电路用于控制所述多个无线充电发射线圈分别通电且实现每一个无线充电发射线圈与所述无线充电接收线圈之间的互感检测，在所述无人机机架上还设置有与所述第一控制电路无线通信的第二控制电路，所述第二控制电路根据所述第一控制电路的互感检测值控制无人机的飞行方向实现无人机对中停靠。

无线充电控制电路也可以按照原边电路和副边电路来划分，通过图4可以看出，具体实施时，原、副边均采用S型拓扑结构，原边由五组LC谐振补偿网络并联构成，但电路工作时，每次只开通一条支路，与副边线圈的互感分别为M₁、M₂、M₃、M₄、M₅。

为了进一步了解无线充电接收线圈位置变换对互感造成的影响，本实施例基于COMOSL软件的参数化扫描功能，分别仿真单个线圈供电情况下，副边线圈在各个原边线圈内部区域从左到右移动时互感变化情况，仿真结果如图5-图9所示，可以看出：

原边线圈L_p1工作时，原副边互感M₁随距离变化情况如图5所示，因此当原边线圈L_p1工作时，若检测到互感大于1.9uH，即可确定副边线圈在原边线圈1内部区域。

原边线圈L_p2工作时，原副边互感M₂随距离变化情况如图6所示，因此当原边线圈L_p2工作时，若检测到互感大于3uH，即可确定副边线圈在原边线圈2内部区域。

原边线圈L_p3工作时，原副边互感M₃随距离变化情况如图7所示，因此当原边线圈L_p3工作时，若检测到互感大于4.6uH，即可确定副边线圈在原边线圈3内部区域。

原边线圈L_p4工作时，原副边互感M₄随距离变化情况如图8所示，因此当原边线圈L_p4工作时，若检测到互感大于6uH，即可确定副边线圈在原边线圈4内部区域。

原边线圈L_p5工作时，原副边互感M₅距离变化情况如图9所示，因此当原边线圈L_p5工作时，若检测到互感大于4uH，即可确定副边线圈定位到中心区域。

基于上述描述，本实施例还提出一种基于互感检测的无人机对中系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、通过第一控制电路检测是否有无人机靠近。

S2、当有无人机靠近时，无人机启停台按照第一功率模式由外向内依次控制无线充电发射线圈工作。

S3、根据互感检测值判断无线充电接收线圈是否位于对应一层无线充电发射线圈内部，如果不位于其内部，则传输控制信号至第二控制电路控制无人机移动，直至无人机移动至最内一层无线充电发射线圈内部。

S4、无人机降落，第一控制电路按照第二功率模式控制最内一层无线充电发射线圈实现无线充电。

而为了实现无人机的移动控制，当无人机不在某一层无线充电发射线圈内部而需要移动时，第二控制电路控制无人机先沿x轴正向飞行距离d；如果对应互感值增大，则继续沿x轴正向飞行距离d；如果互感减小，则沿x轴反向飞行距离3d；如果互感值还未到达进入其内部的标准，则沿y轴正向飞行距离d，如果对应互感值增大，则继续沿y轴正向飞行距离d，如果互感减小，则沿y轴反向飞行距离3d，直至无人机移动至最内一层无线充电发射线圈内部，d为预设单位距离。如果原边线圈采用等间隔分别，d可以设为相邻两层无线充电发射线圈之间间隙宽度的一半。

以图10所示原边为4线圈结构为例，其控制流程如图11和图12所示，可以看出，首先接通原边线圈L_p1所在支路，并检测互感M₁，根据互感值判断无人机是否在原边线圈L_p1内部，若在，则开通原边线圈L_p2所在支路，并检测互感M₂，根据互感值判断无人机是否在原边线圈L_p2内部，若在，则继续上述步骤，逐步缩小副边线圈的所在范围，若不在，则无人机先向x轴正方向移动10cm，并检测互感变化，若互感增大，则继续沿x轴正向移动10cm，若互感减小则反向移动30cm，并检测互感，判断无人机是否进入原边线圈L_p2内部，若还不在，则移动方向有误，因此，无人机再向y轴正方向移动10cm，并检测互感变化，若互感增大，则继续沿y轴正向移动10cm，若互感减小则反向移动30cm，并检测互感，判断无人机是否在原边线圈L_p2内部，（因为原边线圈等间距分布，且外径相差20cm，因此只要向着互感增大的方向移动20cm，无人机一定会出现在下一个原边线圈内部），若进入L_p2内部，则原边线圈L_p3工作。直至无人机位置出现在最内侧的原边线圈L_p4内部，此时开通对应互感最大的原边线圈支路，并开始给无人机供能。

优选的，d还可以根据对应的无线充电发射线圈所对应的层数做动态调整，例如，如果本次移动对应的是最外层线圈时，可将d的取值适当增大，减少移动次数。

在对中过程中可以采用低功率传输，减少能量损耗，因此，所述第一功率模式的发射功率低于第二功率模式的发射功率。

基于上述描述，本实施例提供的一种基于互感检测的无人机对中系统及其控制方法，通过对耦合结构中原边线圈（即无线充电发射线圈）的结构做调整，在电路参数确定的条件下，结合互感检测技术，可以准确实现无人机的对中控制，减少无人机与无人机启停台之间的位置偏移，确保无人机自动停靠进行无线充电时，无线充电接收线圈能够与无线充电发射线圈准确对应，确保无线充电效率。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种基于互感检测的无人机对中系统，其特征在于，所述基于互感检测的无人机对中系统包括第一控制电路、第二控制电路、无线充电接收线圈和多个无线充电发射线圈；

所述多个无线充电发射线圈设置在无人机启停台上，相对于水平面由内向外依次扩散分布；

所述无线充电接收线圈设置在无人机机架上，可与所述多个无线充电发射线圈相耦合；

所述第一控制电路与若干个无线充电发射线圈耦合连接，用于控制所述多个无线充电发射线圈分别通电且实现每一个无线充电发射线圈与所述无线充电接收线圈之间的互感检测；

所述第二控制电路通过无线网络与所述第一控制电路进行数据交互，所述第二控制电路根据所述第一控制电路的互感检测值控制无人机的飞行方向实现无人机对中停靠，当无人机正对所述无人机启停台停靠时，所述无线充电接收线圈正对最内层的无线充电发射线圈；

所述第二控制电路根据所述第一控制电路的互感检测值控制无人机的飞行方向实现无人机对中停靠是指：

所述第一控制电路由外向内依次控制每个无线充电发射线圈通电，所述第二控制电路基于每个无线充电发射线圈与无线充电接收线圈的互感值确认无人机与对应无线充电发射线圈的相对位置关系，根据预设的移动策略控制无人机逐层向内移动，直至无人机移至最内层的无线充电发射线圈内部。

2.根据权利要求1所述的基于互感检测的无人机对中系统，其特征在于，所述多个无线充电发射线圈分布在同一水平面上。

3.根据权利要求1所述的基于互感检测的无人机对中系统，其特征在于，所述无线充电发射线圈呈矩形或圆形。

4.一种基于权利要求1所述无人机对中系统的基于互感检测的无人机对中系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

S1、检测是否有无人机靠近无人机启停台；

S2、当有无人机靠近无人机启停台时，设j=1，j∈i，i=1,2,…,m，m是无线充电发射线圈总数，i取值越大，对应的无线充电发射线圈L_pi越靠内层；

S3、按照第一功率模式控制无线充电发射线圈L_pj工作，根据无线充电发射线圈L_pj与无线充电接收线圈的互感检测值判断无线充电接收线圈是否位于无线充电发射线圈L_pj内部，如果是，进入步骤S5，否则，进入步骤S4；

S4、根据预设的移动策略控制无人机向内移动，直至无人机移至无线充电发射线圈L_pj内部，进入步骤S5；

S5、判断无线充电发射线圈L_pj是否为最内一层的无线充电发射线圈L_pm，如果是，按照第二功率模式控制最内一层无线充电发射线圈L_pm实现无线充电，结束流程，否则，j加1后，返回步骤S3。

5.根据权利要求4所述的基于互感检测的无人机对中系统的控制方法，其特征在于，所述第一功率模式的发射功率低于第二功率模式的发射功率。

6.根据权利要求4所述的基于互感检测的无人机对中系统的控制方法，其特征在于，步骤S4中，所述根据预设的移动策略控制无人机向内移动包括以下步骤：

S41、控制无人机沿x轴正向飞行距离d，d为预设的最小移动距离；

S42、判断无线充电发射线圈L_pj与无线充电接收线圈的互感检测值是否增大，如果互感检测值增大，则控制无人机继续沿x轴正向飞行距离d，如果互感检测值减小，则控制无人机沿x轴反向飞行距离3d；

S43、根据当前互感检测值判断无线充电接收线圈是否位于对应无线充电发射线圈L_pj内部，如果已到达对应无线充电发射线圈L_pj内部，进入步骤S45，否则，控制无人机沿y轴正向飞行距离d，进入步骤S44；

S44、判断无线充电发射线圈L_pj与无线充电接收线圈的互感检测值是否增大，如果互感检测值增大，则控制无人机继续沿y轴正向飞行距离d，如果互感检测值减小，则控制无人机沿y轴反向飞行距离3d；

S45、结束本轮移动过程。

7.根据权利要求4所述的基于互感检测的无人机对中系统的控制方法，其特征在于，所述d为相邻两层无线充电发射线圈之间间隙宽度的一半。

8.根据权利要求4所述的基于互感检测的无人机对中系统的控制方法，其特征在于，所述d根据j的取值作动态变化。

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