CN111697710B - 具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统 - Google Patents

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Abstract

一种具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，属于无线电能传输技术领域。本发明针对现有无线电能传输中，初级线圈和次级线圈之间的耦合系数会随着二者之间的位置偏移发生改变，影响电能传输效率的问题。包括：全桥逆变电路的输入端与输入电源连接，全桥逆变电路的输出端经原边补偿拓扑与松耦合变压器的原边线圈连接，松耦合变压器的副边线圈经副边补偿拓扑与整流与滤波电路连接，整流与滤波电路的输出端连接无人机充电负载；电流采样电路用于采集全桥逆变电路的输入端电流并传递至DSP控制器；DSP控制器为全桥逆变电路提供驱动信号并控制原边线圈的开关切换。本发明用于无人机负载充电。

Description

具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统
技术领域
本发明涉及具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，属于无线电能传输技术领域。
背景技术
由于目前蓄电池技术的限制，在要求灵活性与小型化的无人机上，不可能携带过大容量蓄电池。而传统接触式的有线充电方式又存在操作繁复，使用寿命短的缺陷，并且在室外使用时还存在安全隐患。
无线电能传输技术不需要使用金属电缆等介质就可以传输电能，具有电气隔离、方便安全等优点，其有效解决了有线电能传输存在的种种问题。目前，无线电能传输技术已经被广泛的应用于电动汽车大功率无线充电、植入式医疗、水下探测器无线供电以及机器人关节电能信号同步传输等领域。
传统无线电能传输系统技术中，松耦合变压器耦合系数较低。由于初级线圈和次级线圈之间的耦合系数及系统产生的漏磁通由线圈的形状、大小和材料决定；因此，随着初级线圈和次级线圈之间的偏移，耦合系数会大幅减小，进而导致系统的传输效率大幅降低。
发明内容
针对现有无线电能传输中，初级线圈和次级线圈之间的耦合系数会随着二者之间的位置偏移发生改变，影响电能传输效率的问题，本发明提供一种具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统。
本发明的一种具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，包括全桥逆变电路、原边补偿拓扑、松耦合变压器、副边补偿拓扑、整流与滤波电路、驱动电路、电流采样电路及DSP控制器；
所述全桥逆变电路的输入端与输入电源连接，全桥逆变电路的输出端经原边补偿拓扑与松耦合变压器的原边线圈连接，松耦合变压器的副边线圈经副边补偿拓扑与整流与滤波电路连接，整流与滤波电路的输出端连接无人机充电负载；
所述松耦合变压器的原边线圈包括分层排布的多个六边形线圈，多个六边形线圈相并联，并分别通过一个开关与原边补偿拓扑连接；
所述电流采样电路用于采集全桥逆变电路的输入端电流并传递至DSP控制器；
所述DSP控制器一方面用于控制驱动电路输出驱动信号给全桥逆变电路；另一方面用于在所述无线充电系统启动的初始阶段控制多个六边形线圈分别对应的开关依次闭合，同时通过电流采样电路对应采集的电流确定将接入电路的目标六边形线圈，再控制目标六边形线圈对应的开关闭合。
根据本发明的具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，所述六边形线圈包括7个，分三层排布；第一层包括一个六边形线圈，第二层与第三层各包括三个六边形线圈；第二层与第三层中的三个六边形线圈分别借助其120°顶角形成圆周向的无缝拼接。
根据本发明的具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，所述第二层旋转180°后与第三层的位置重合；第一层、第二层与第三层的中心点重合。
根据本发明的具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，三层原边线圈排布后的叠加外轮廓为边长为所述六边形线圈边长二倍的六边形。
根据本发明的具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，还包括A/D转换电路，所述电流采样电路输出的电流信号经A/D转换电路转换为数字信号后输入至DSP控制器。
根据本发明的具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，所述驱动电路输出的驱动信号设置延时。
根据本发明的具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，所述DSP控制器控制多个六边形线圈分别对应的开关依次闭合时，分别设置延时。
根据本发明的具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，所述原边补偿拓扑包括电感Lf1、电容C1和电容Cf1，
所述全桥逆变电路的两个输出端之间依次串联电感Lf1和电容Cf1，电容C1与松耦合变压器的原边线圈串联后与电容Cf1并联。
根据本发明的具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，所述副边补偿拓扑包括电容C2，松耦合变压器的副边线圈与电容C2串联后，连接在整流与滤波电路的输入端之间。
本发明的有益效果：本发明以对无人机无线充电的方式代替现有的有线充电方式。本发明通过电流采样结果可以判断松耦合变压器的原边线圈与副边线圈的相对位置关系，从而具有位置识别功能。再进一步通过线圈切换控制方法来切换接入电路中的原边线圈，达到无人机降落在平台的不同位置时仍能获得较大传输功率及传输效率。
本发明所述无线充电系统在使用中，只需将松耦合变压器的副边线圈及整流与滤波电路安装在无人机中，并不会大幅增加无人机重量，仍能保证无人机的灵活性和小型化。本发明由于采用无线充电方式，相比于有线触电式充电系统，在室外环境中可降低安全隐患及意外风险。
附图说明
图1是本发明所述具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统的电路原理图；
图2是平面直角坐标系下松耦合变压器的原边线圈结构简化示意图；
图3是松耦合变压器的原边线圈整体排布示意图；
图4是原边线圈的第一层线圈的示意图；
图5是原边线圈的第二层线圈的示意图；
图6是原边线圈的第三层线圈的示意图；
图7是松耦合变压器中单个六边形线圈与副边线圈耦合时的互感计算模型图；
图8是本发明系统电能无线传输的流程图；
图9是DSP控制器对松耦合变压器的原边线圈进行切换控制的流程图；
图10是载流直导线与闭合导体共面且处于真空中的示意图。
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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1所示，本发明提供了一种具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，包括全桥逆变电路、原边补偿拓扑、松耦合变压器、副边补偿拓扑、整流与滤波电路、驱动电路、电流采样电路及DSP控制器；
所述全桥逆变电路的输入端与输入电源连接，全桥逆变电路的输出端经原边补偿拓扑与松耦合变压器的原边线圈连接，松耦合变压器的副边线圈经副边补偿拓扑与整流与滤波电路连接，整流与滤波电路的输出端连接无人机充电负载；
所述松耦合变压器的原边线圈包括分层排布的多个六边形线圈，多个六边形线圈相并联，并分别通过一个开关与原边补偿拓扑连接；
所述电流采样电路用于采集全桥逆变电路的输入端电流并传递至DSP控制器；
所述DSP控制器一方面用于控制驱动电路输出驱动信号给全桥逆变电路；另一方面用于在所述无线充电系统启动的初始阶段控制多个六边形线圈分别对应的开关依次闭合，同时通过电流采样电路对应采集的电流确定将接入电路的目标六边形线圈，再控制目标六边形线圈对应的开关闭合。
本实施方式中，原边补偿拓扑与副边补偿拓扑共同构成LCC/S补偿拓扑。
图1中，输入电源为Uin；所述全桥逆变电路包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4；全桥逆变电路输出端的两个端点分别为A点和B点，UAB为A点和B点之间的电压；ILf1为全桥逆变电路的输出电流；I1表示原边电流。
进一步，结合图1至图6所示，所述六边形线圈包括7个，分三层排布；第一层包括一个六边形线圈，第二层与第三层各包括三个六边形线圈；第二层与第三层中的三个六边形线圈分别借助其120°顶角形成圆周向的无缝拼接。
本实施方式中分别选用可以实现无缝拼接的三个六边形线圈构成原边线圈的第二层和第三层，更有利于安装平台的安装。
在正多边形中，只有正三角形、正方形、正六边形可以实现无缝拼接，其内角分别为30°、90°、120°，而线圈的绕制角度越大越好，尤其以圆形最为常见，本实施方式选择的六边形线圈既能满足绕制需要，还可以实现拼接，故选择正六边形线圈。
所述原边线圈通过三层不同设置形式的线圈进行拼接，是为了能够在拼接后使其外轮廓尽量覆盖平台；而为了达到最大程度的覆盖，至少需要设置第二层和第三层形式的线圈；另外通过仿真实验发现，在加装第一层线圈之后，对二三层的屏蔽作用没有特别大，还能大大提高无人机降落在平台中心附近时的电能传输效率，故最终选择三层线圈结构作为原边线圈。
图1中，L1a表示原边的第一个六边形线圈，L1b表示原边的第二个六边形线圈，L1c表示原边的第三个六边形线圈，L1d表示原边的第四个六边形线圈，L1e表示原边的第五个六边形线圈，L1f表示原边的第六个六边形线圈，L1g表示原边的第七个六边形线圈；与七个六边形线圈对应的开关依次为S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6；M表示松耦合变压器。
L2表示副边线圈；I2表示副波电流；图1中点a表示整流与滤波电路输入端的一个连接端，点b表示整流与滤波电路输入端的另一个连接端，Uab为a点和b点之间的电压；D1、D2、D3和D4为整流与滤波电路中的四个整流二极管，C0为整流与滤波电路中的滤波电容；RL表示无人机充电负载。
再进一步，结合图2至图6所示，所述第二层旋转180°后与第三层的位置重合；第一层、第二层与第三层的中心点重合。
本实施方式中原边线圈的设置形式能够尽可能覆盖整个无人机平台，从而达到无人机降落在平台任何位置均能获得较高传输效率。
再进一步，结合图3所示，三层原边线圈排布后的叠加外轮廓为边长为所述六边形线圈边长二倍的六边形。
本实施方式中，原边线圈的排布能达到叠加后外轮廓对无人机平台的最大程度覆盖。
所述三层原边线圈通过DSP控制器进行切换控制。具体控制过程为：
当无人机降落在平台的某位置时，DSP控制器首先控制驱动电路向全桥逆变电路发送驱动信号；然后先控制开关S0闭合，从而将L1a线圈接入原边电路中，测量获得全桥逆变电路的输入端电流；断开开关S0；再控制开关S1闭合，从而将L1b线圈接入原边电路中，测量获得全桥逆变电路的输入端电流；断开开关S1；……；最后控制开关S6闭合，从而将L1g线圈接入原边电路中，测量获得全桥逆变电路的输入端电流；断开开关S6；比较7次电流测量结果，取电流最大时对应闭合的六边形线圈作为目标六边形线圈，最后将目标六边形线圈接入原边电路，对无人机负载进行充电。此过程相当于通过对原边线圈的电流采样确定无人机位置。将位置信息(电流采样结果)发送给DSP控制器，在DSP控制器的控制下实现原边线圈的切换，从而保证整个系统的传输功率及效率。
结合图3所示，变压器原边的7个六边形线圈交叉排布。使得在任一时刻，只有一个六边形线圈与副边线圈耦合，当无人机携带的副边线圈变换在不同位置时，控制对应的六边形线圈接通，从而达到更好的功率和效率。
工作原理：
根据电磁学理论可知，两个感应耦合线圈之间的互感M可以定义为磁通Φ与电流I的比值：
Figure BDA0002535881190000051
其中Φ为载流六边形线圈与副边圆形线圈相互交链的磁通，对于两个平行放置的线圈，磁通定义为载流六边形线圈所产生的磁感应强度B在副边圆形线圈表面的积分，即：
Φ＝∫∫Bsds
当忽略高频情况下线圈电流分布对互感的影响时，线圈之间的互感和线圈几何参数、导线形状、线圈之间的相对位置有关。
根据法拉第电磁感应定律可知，当一个闭合回路被放置于高频载流直导线附近时，闭合回路中将产生感应电流。
如图10所示，设匝数为N的闭合矩形导线与高频载流直导线共面且处于真空中，在坐标系中取面元
Figure BDA0002535881190000061
则：
Figure BDA0002535881190000062
由比奥-萨法尔定理可得高频载流直导线在点P处的磁通密度为：
Figure BDA0002535881190000063
式中u0是高频载流直导线的两端电压，θ1和θ2分别为点P对于直导线上任意两点P1和P2的夹角，r0为点P到直导线的距离。图10中，d1为矩形线圈与直导线的距离，d2为矩形线圈的宽度，d3为矩形线圈的长度。
根据式(1)选择六边形发射线圈中的一条直导线，如图7互感计算模型所示，以六边形线圈BC边为例进行分析计算，且BC为有限长直导线，其中B点的坐标为(b,c,0)，C点的坐标为(-b,c,0)。
进一步计算可得长直导线BC端点与任意点P的夹角为：
Figure BDA0002535881190000064
Figure BDA0002535881190000065
将算式(2)和(3)代入(1)可得导线BC在空间任意点P(x,y,z)的磁通密度：
Figure BDA0002535881190000066
磁通密度的z轴分量Bz＝cosθ，其中θ为磁通密度B与六边形线圈所围平面所在的法线之间的夹角，其角度满足如下公式：
Figure BDA0002535881190000067
从而可得长直导线BC在任意点P沿z轴的磁通密度为：
Figure BDA0002535881190000068
当六边形线圈中除BC外的其他边与坐标轴存在不定夹角时，磁通密度的计算较为复杂。为了简化计算，将坐标轴进行转换求得六边形其他边在任意点P产生的磁场强度，相应的坐标轴旋转变换公式算为：
Figure BDA0002535881190000071
其中
Figure BDA0002535881190000072
从而可以推导出六边形线圈六条边的磁通密度分别为：
Figure BDA0002535881190000073
其中
Figure BDA0002535881190000074
由此可知，原边线圈中第i匝线圈在任意点P(x,y,z)沿z轴方向的磁通密度为：
Figure BDA0002535881190000075
综合上述分析可以得到六边形原边线圈在任意点P(x,y,z)沿z轴方向的总磁通密度为：
Figure BDA0002535881190000076
式中N1为线圈匝数，即六边形线圈的匝数。
可求得第i匝原边六边形线圈载流后的磁感强度在第j匝副边圆形线圈中产生的磁通量为：
Figure BDA0002535881190000077
其中副边线圈所在平面的函数为Sj：
Figure BDA0002535881190000078
(x0,y0)为副边线圈发生位置偏移时x轴和y轴的偏移量。
所以原边线圈载流在副边线圈产生的总磁通量为：
Figure BDA0002535881190000079
可求出原副边线圈的互感为：
Figure BDA00025358811900000710
其中I1为原边线圈的电流。
线圈切换控制策略原理：
无线电能传输的传输效率将在由发射端线圈构成的工作区域内随线圈偏移距离的增大而减小。为了解决因位置偏移导致传输效率下降的问题，应当选择与接收线圈正对的发射端线圈工作。而在LCC/S补偿中，原边回路的电流I1不仅与系统的输入电压Uin有关，还与原边阻抗Z1及副边阻抗Z2及互感M有关。
其中原边回路的阻抗Z1取决于原边的内阻R1、感抗jωL1以及容抗
Figure BDA0002535881190000081
副边阻抗Z2取决于副边的内阻R2、感抗jωL2以及容抗
Figure BDA0002535881190000082
当原边线圈与副边线圈均合理补偿，即达到谐振状态，原边线圈回路的阻抗Z1与副边线圈的阻抗Z2显纯阻性。
系统工作角频率ω为：
Figure BDA0002535881190000083
当无线电能传输系统的输入电压队Uin、系统工作角频率ω、结构等参数(R1、R2、L1、L2)固定时，原边电流I1仅与互感M有关。根据互感的定义，线圈的形状和几何尺寸、导体和周围介质磁导率以及各个线圈回路的相对位置将对线圈之间的互感产生影响。在线圈的形状和几何尺寸、导体和周围介质磁导率确定的条件下，影响线圈回路之间互感的因素仅有原边线圈与副边线圈的相对位置。
无线电能传输发射端的电流与线圈偏移的关系如式(15)所示。
Figure BDA0002535881190000084
原边线圈的回路电流将在构成发射端的区域内随线圈偏移距离的增加而增加。因此对流经母线的电流进行检测即可识别原边线圈与副边线圈之间的相对位置，使得无线电能在传输发射端的各工作区域更有效的工作。这种位置识别方法可以对原边线圈与副边线圈之间的相对位置进行连续地识别，即对于任意一个检测到的电流值即对应了一个发射端与接收端之间的相对位置信息。在理想情况下，任意一个电流值即对应了一个原边线圈相对副边线圈的具体位置。
线圈切换控制策略的实现流程可结合图8所示，由图1可知，本发明的核心控制器为DSP。DSP首先生成四路驱动信号至驱动电路，再由驱动电路放大生成四路逆变器开关管控制信号。然后由电流采样与A/D转换电路对不同线圈组工作状态下的母线电流信号进行采样，DSP对采样信号进行处理，即可判断出原边线圈与副边线圈的位置信息。DSP根据位置信息再生成最终的继电器控制信号，以实现对不同原边线圈构成的工作区域的自适应切换控制，最终达到提高线圈偏移容忍度的目的。
系统控制主程序设计如下：无线电能传输系统的主程序流程图如图8所示，主要包含逆变器控制子程序与线圈工作区域切换控制子程序。逆变器控制子程序的功能为生成开关管驱动信号并经驱动电路放大至开关管所需的导通电压。线圈工作区域切换控制子程序的功能为生成继电器开关的控制信号。
再进一步，结合图1所示，本实施方式还包括A/D转换电路，所述电流采样电路输出的电流信号经A/D转换电路转换为数字信号后输入至DSP控制器。
再进一步，结合图9所示，所述驱动电路输出的驱动信号设置延时。
再进一步，结合图9所示，所述DSP控制器控制多个六边形线圈分别对应的开关依次闭合时，分别设置延时。
在线圈工作区域切换控制的子程序中，为了避免实际应用中，由于某一瞬间的不可预知的干扰对位置识别的结果产生影响，必须设置去干扰子程序对电流采样的结果进行处理以提高位置识别的可靠性。
由于DSP控制器的主频率以及继电器的反应速度相差较多，以及PWM关断后原边线圈需要一定的续流时间。所以在线圈切换控制的子程序中，为了避免实际应用中出现无线电能传输系统失效，在PWM驱动信号关闭和打开以及继电器开通和关断时都设置有不同时间的延时，如图9所示。
再进一步，结合图1所示，所述原边补偿拓扑包括电感Lf1、电容C1和电容Cf1，
所述全桥逆变电路的两个输出端之间依次串联电感Lf1和电容Cf1，电容C1与松耦合变压器的原边线圈串联后与电容Cf1并联。
再进一步，结合图1所示，所述副边补偿拓扑包括电容C2，松耦合变压器的副边线圈与电容C2串联后，连接在整流与滤波电路的输入端之间。
具体实施例：为了验证本发明的可行性和正确性，搭建包括全桥逆变器、无线电能传输线圈，整流器的无线电能传输系统的实验样机。松耦合变压器参数表如下：
表松耦合变压器参数表
Figure BDA0002535881190000101
经实验验证，在实验进行中，整体样机已具备基本设计要求，能够对无人机位置即副边线圈位置进行捕捉并对原边线圈的开通进行切换。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (9)

1.一种具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，其特征在于，包括全桥逆变电路、原边补偿拓扑、松耦合变压器、副边补偿拓扑、整流与滤波电路、驱动电路、电流采样电路及DSP控制器；
所述全桥逆变电路的输入端与输入电源连接，全桥逆变电路的输出端经原边补偿拓扑与松耦合变压器的原边线圈连接，松耦合变压器的副边线圈经副边补偿拓扑与整流与滤波电路连接，整流与滤波电路的输出端连接无人机充电负载；
所述松耦合变压器的原边线圈包括分层排布的多个六边形线圈，多个六边形线圈相并联，并分别通过一个开关与原边补偿拓扑连接；
所述电流采样电路用于采集全桥逆变电路的输入端电流并传递至DSP控制器；
所述DSP控制器一方面用于控制驱动电路输出驱动信号给全桥逆变电路；另一方面用于在所述无线充电系统启动的初始阶段控制多个六边形线圈分别对应的开关依次闭合，同时通过电流采样电路对应采集的电流确定将接入电路的目标六边形线圈，再控制目标六边形线圈对应的开关闭合；
将松耦合变压器的副边线圈及整流与滤波电路安装在无人机中，通过全桥逆变电路的输入端电流采样结果判断松耦合变压器的原边线圈与副边线圈的相对位置关系，再进一步通过线圈切换控制方法切换接入电路中的原边线圈，对无人机充电负载进行充电。
2.根据权利要求1所述的具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，其特征在于，所述六边形线圈包括7个，分三层排布；第一层包括一个六边形线圈，第二层与第三层各包括三个六边形线圈；第二层与第三层中的三个六边形线圈分别借助其120°顶角形成圆周向的无缝拼接。
3.根据权利要求2所述的具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，其特征在于，所述第二层旋转180°后与第三层的位置重合；第一层、第二层与第三层的中心点重合。
4.根据权利要求3所述的具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，其特征在于，
三层原边线圈排布后的叠加外轮廓为边长为所述六边形线圈边长二倍的六边形。
5.根据权利要求1所述的具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，其特征在于，还包括A/D转换电路，所述电流采样电路输出的电流信号经A/D转换电路转换为数字信号后输入至DSP控制器。
6.根据权利要求1所述的具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，其特征在于，
所述驱动电路输出的驱动信号设置延时。
7.根据权利要求4所述的具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，其特征在于，
所述DSP控制器控制多个六边形线圈分别对应的开关依次闭合时，分别设置延时。
8.根据权利要求1所述的具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，其特征在于，
所述原边补偿拓扑包括电感Lf1、电容C1和电容Cf1，
所述全桥逆变电路的两个输出端之间依次串联电感Lf1和电容Cf1，电容C1与松耦合变压器的原边线圈串联后与电容Cf1并联。
9.根据权利要求1所述的具有位置捕捉功能的无人机无线充电系统，其特征在于，
所述副边补偿拓扑包括电容C2，松耦合变压器的副边线圈与电容C2串联后，连接在整流与滤波电路的输入端之间。
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