CN111169298A - 管式发射无人机无线供电系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种管式发射无人机无线供电系统，包括：监测与控制装置，安装在发射筒上的高频电能发射装置，和安装在无人机上与所述高频电能发射装置进行电能的无线传输的高频电能接收装置；所述监测与控制装置包括电流监测电路和控制电路；所述高频电能发射装置包括依次连接的整流逆变电路、发射端储能电路和发射端线圈；所述高频电能接收装置包括依次连接的接收端线圈、接收端储能电路和接收端整流模块。本发明在不破坏管式无人机发射筒完整性的条件下，可稳定可靠的为存储状态下的无人机进行供电，并且能支持机筒随时分离的需求，无人机发射后，无线供电系统可自动关断。

Description

管式发射无人机无线供电系统
技术领域
本发明涉及管式发射无人机无线供电系统。
背景技术
近年来，无人机技术得到了快速发展。其中管式发射无人机，由于具有起飞速度快、发射密度大、模块化设计和可随时发射等特点，广泛应用于灾情侦察、地理测绘和军事用途。
但管式发射无人机目前仍存在着各种技术问题。无人机发射前，通常会经历较长时间的运输和存储，为保证无人机发射时电能充足，在发射前必须向无人机补充电能，使无人机处于最佳状态；同时，为满足管式无人机可随时执行发射任务的需求，在充电状态下，无人机与发射筒应能迅速分离。有线供电必须有线缆连接，显然无法满足机筒迅速分离的需求。接触式供电容易产生电火花，在无人机的运输和存储过程中具有安全隐患。无线供电由于具有安全可靠和无需物理连接的特点，可满足管式无人机长期存储与迅速分离的需求，非常适用于解决管式发射无人机的供电问题。
发明内容
本发明提供一种管式发射无人机无线供电系统，实现对存储状态下的管式发射无人机进行可靠供电。基于磁耦合共振的无线输电技术，能够与存储状态下的无人机在无物理接触条件下进行实时的无线供电，并能随时进行机筒分离，满足管式发射无人机可随时发射的需求。
根据本发明实施例的一方面，一种管式发射无人机无线供电系统，包括：监测与控制装置，安装在发射筒上的高频电能发射装置，和安装在无人机上与所述高频电能发射装置进行电能的无线传输的高频电能接收装置；所述监测与控制装置包括电流监测电路和控制电路；所述高频电能发射装置包括依次连接的整流逆变电路、发射端储能电路和发射端线圈；所述高频电能接收装置包括依次连接的接收端线圈、接收端储能电路和接收端整流模块。
在上述的管式发射无人机无线供电系统，所述电流监测电路监测到无人机发射完毕时关断所述无线供电系统。
本发明中监测与控制装置可监测高频电能发射装置中，整流逆变电路输出电压和电流大小，并可通过控制逆变器的占空比控制输出电压与电流；高频电能发射装置从供电电源获取直流/交流电能，通过整流逆变电路将直流/交流电转变成高频交流电，高频交流电通过发射端储能电路和发射端线圈把能量用无线的方式发送到高频电能接收装置，高频电能接收装置接收到能量后用整流电路将其转换成直流电，从而为无人机供电。本发明在不破坏管式无人机发射筒完整性的条件下，可稳定可靠的为存储状态下的无人机进行供电，并且能支持机筒随时分离的需求，无人机发射后，无线供电系统可自动关断。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1示出了管式发射无人机无线供电系统的框图。
图2示出了管式发射无人机无线供电系统的电路原理图。
图3示出了图2所示的风能和电场能采集装置Q处的放大图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的储能装置的系统框图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一个实施例的管式发射无人机无线供电系统的框图。如图1，管式发射无人机无线供电系统包括：监测与控制装置，安装在发射筒上的高频电能发射装置，和安装在无人机上与所述高频电能发射装置进行电能的无线传输的高频电能接收装置；所述监测与控制装置包括电压电流监测电路和控制电路；所述高频电能发射装置包括依次连接的整流逆变电路、发射端储能电路和发射端线圈；所述高频电能接收装置包括依次连接的接收端线圈、接收端储能电路和接收端整流模块。
所述控制电路包含微处理器单元(MCU)和高频信号发生器。所述微处理器单元可采用意法半导体的32位MCU STM32F103RBT6。所述微处理器单元接收所述电压电流监测电路的信号，控制所述高频信号发生器启动和关闭，控制所述高频信号发生器输出高频信号的频率和占空比。当检测到发射端线圈电流显著增大，就表示无人机已分离，此时应该控制高频信号发生器关闭。所述高频信号发生器可为AD9850 DDS信号发生器。所述高频信号发生器为逆变器(全桥逆变电路)提供驱动信号。
所述电压电流监测电路包含电压监测电路与电流监测电路。逆变器输出电流采用霍尔传感器LA55P进行监测，LA55P输出信号为模拟电压，根据模拟电压的输出范围，经过运算放大器隔离和放大后转换输出范围为0～5V，再将0～5V的模拟电压输入AD转换器，AD转换器将转换后的数字电压信号输入所述控制电路的MCU。所述运算放大器可为OP07，所述AD转换器可为TLC1543。另外，采用电阻分压的方法，将所述逆变器的输出电压分压为0～5V的模拟电压，再将0～5V的模拟电压输入AD转换器，AD转换器将转换后的数字电压信号输入所述控制电路的MCU。
如图2所示，所述发射端储能电路1与所述发射端线圈3串联组成能量发射电路。所述发射端储能电路1为电容阵列，所述发射端线圈3为利兹线绕制的高频线圈。所述整流逆变电路作为所述高频电能发射装置的高频电源，从外界电源获取直流/交流电能，并将获得的电能转换为高频电能，然后向所述能量发射电路供能。所述整流逆变电路为两级结构，前级为全桥整流电路，后级为全桥逆变电路，可由直流/交流电源供能。所述全桥逆变电路的驱动信号由所述监测与控制装置的信号发生器提供。
继续参考图2，所述接收端储能电路2与所述接收端线圈4串联组成能量接收电路。所述接收端储能电路2为电容阵列，所述接收端线圈4为利兹线绕制的高频线圈。所述整流稳压电路将能量接收电路接受到的高频电能整流为直流电能，并通过稳压电路按负载的需求电压进行稳压输出。
如图3，所述接收端线圈4环绕安装于无人机机身中部适当位置，所述接收端储能电路2与整流稳压电路安装于机身内部适当处，整流稳压电路与无人机电池相连，给无人机电池充电。所述发射端储能电路1环绕安装于发射筒筒身，无人机置于发射筒内时，所述发射端储能电路1正对无人机上的所述接收端线圈4。所述发射端储能电路1和整流逆变电路安装于发射筒适当位置。所述监测与控制装置安装于发射筒适当位置。
本发明在高频电能发射装置和高频电能接收装置加入储能电路，使得发射端与接收端的谐振频率一致。当系统正常工作时，所述高频电源向系统提供高频电能，当所述高频电源工作频率与谐振频率一致时，所述接收端线圈4与所述发射端线圈3发生磁共振，从而实现无线能量传输。
所述高频电源可以等效为一个交流电压源UAC，该电压源的内阻相对较小，因此在数学分析中可忽略，可将其近似为理想电压源。由于系统工作在高频状态下，所述发射端线圈3LP和所述接收端线圈4LS寄生电容不能忽略，为了简化模型，可以将其合并到补偿电容CP和CS中。对于补偿电容，在高频状态下产生的寄生电感要远小于线圈的电感，因此在分析计算中可忽略不计。同时线圈和补偿电容中的寄生电阻可简化合并为一个电阻来考虑，即RP和RS。为简化模型，令负载为阻性负载RL，等效电路如图4所示。
在图4中，M为电路中的互感，根据经典电路理论模型可建立系统的频域方程。
在发射端中有：
Figure BDA0002379037670000041
其中，j是数学中的序数，w是数学中的角频率。
在接收端有：
Figure BDA0002379037670000042
设发射端电流为IP，接收端电流为IS，根据基尔霍夫定理(KVL)和磁耦合理论，可得发射端和接收端中的回路方程：
UAC＝IP·ZP+IS·jM (3)
IS·ZS+IP·jM＝0 (4)
由公式(3)、(4)联立可得：
Figure BDA0002379037670000043
Figure BDA0002379037670000044
又有：
P＝UI＝I2R (7)
则根据所求得的电流IP和IS，设发射端中功率为PP，接收端中功率为PS，
根据公式(5)、(6)和(7)可得：
Figure BDA0002379037670000051
Figure BDA0002379037670000052
由公式(8)和(9)可得系统传输效率有：
Figure BDA0002379037670000053
当无人机发射完成后，无人机与发射筒处于机筒分离状态，此时在无线供电系统中，接收端的回路消失。此时由公式(5)可得：
Figure BDA0002379037670000054
又有高频电源工作频率与谐振频率一致，此时有
Figure BDA0002379037670000055
因此由公式(1)可得：
ZP＝RP (12)
将公式(12)带入(11)可得：
Figure BDA0002379037670000056
RP为发射端回路的寄生电阻，因此此时发射端的回路电流远远大于给无人机充电时的回路电流。
当监测与控制装置的电流监测电路监测到整流逆变电路的输出电流突然增大且远大于给无人机充电时的最大回路电流时，即可判断出无人机已经机筒分离发射完毕。
本发明管式发射无人机无线供电系统可由交流/直流电源供能，并对存储状态下的无人机进行无线供电。本系统可监测无人机的发射状态，若发现无人机已发射完毕，可自动执行控制程序关断无线供电系统。

Claims (2)

1.一种管式发射无人机无线供电系统，其特征在于，包括：监测与控制装置，安装在发射筒上的高频电能发射装置，和安装在无人机上与所述高频电能发射装置进行电能的无线传输的高频电能接收装置；所述监测与控制装置包括电流监测电路和控制电路；所述高频电能发射装置包括依次连接的整流逆变电路、发射端储能电路和发射端线圈；所述高频电能接收装置包括依次连接的接收端线圈、接收端储能电路和接收端整流模块。
2.根据权利要求1所述的管式发射无人机无线供电系统，其特征在于，所述电流监测电路监测到无人机发射完毕时关断所述无线供电系统。
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