CN111786470A - 一种无人机集群无线充电电路拓扑及功率流控制方法 - Google Patents

一种无人机集群无线充电电路拓扑及功率流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种无人机集群无线充电电路拓扑及功率流控制方法，属于无人机无线充电领域。所述无线充电电路拓扑包括电力电子装置和若干充电电路，所述若干充电电路均并联在所述电力电子装置上，每个充电电路包括发射端和接收端。本发明采用多个逆变器和多套独立补偿拓扑分别对应多个接收端的方式，通过控制各逆变器的导通与关闭即可实现各充电平台工作状态的切换，以实现对无人机集群的“一对多”无线电能补给。降低了设备的建造成本，而且提高了无人机集群充电的效率和智能化程度；本发明提出的无人机无线充电控制与管理中心的能量发射端，此功能是通过功率控制与功率分配控制器的控制策略实现的，可提高无人机集群无线充电系统能量补给灵活性。

Description

一种无人机集群无线充电电路拓扑及功率流控制方法
技术领域
本发明涉及基于一种无人机集群无线充电电路拓扑及功率流控制方法，属于无人机无线充电领域。
背景技术
无人机作为尖端科技成果，具有建造及使用成本低、地勤保障要求简单、风险系数小等突出优势，在植保、森林消防、电力布线、公安反恐等领域得到了广泛的应用。其在有效降低运行风险和成本的同时提高作业效率，使相关行动的开展方式发生根本性变化。
随着应用领域的不断拓展，无人机运行的环境、条件和执行任务要求也越来越复杂。由于单架无人机所能携带的任务载荷相对单一，其执行复杂任务的能力受限，导致无法满足一些特殊场景下的应用需求。而通过多架无人机的能力互补和行动协调，可实现整个系统效能的倍增，无人机应用样式逐步从单平台向集群方向发展。无人机集群由多架在任务上相互关联的无人机组成，可执行更为复杂任务，将成为未来军民用领域中无人机使用的一种重要样式，目前已在货物递送、环境保护、灾难响应、农林作业、森林防火、安防巡逻、目标搜索与追踪等领域得到应用。
无人机的续航能力受制于电池容量，无人机节点的电能补给成为无人机集群亟待解决的问题。现有技术多是采用各架无人机分别配备一套专用充电设备的方式进行单架无人机充电。这种“专属专用”的无人机充电方式不仅增加了设备的建造成本，而且很大程度上使无人机集群编队及其电能补给的灵活性受到限制。
发明内容
本发明的目的是提出一种无人机集群无线充电电路拓扑及功率流控制方法，以改善现有的无人机集群中，每个无人机都需要配备一套独立完整的专用充电设备，从而增加了建造成本、使无人机集群及其电能补给的灵活性受到限制的问题。
一种无人机集群无线充电电路拓扑，所述无线充电电路拓扑包括电力电子装置和若干充电电路，所述若干充电电路均并联在所述电力电子装置上，每个充电电路包括发射端和接收端，其中，
所述电力电子装置，包括直流电源、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和电容Co，所述二极管D1和二极管D4串联，所述二极管D2和二极管D3串联，所述直流电源的两端分别连接所述二极管D1的阳极和二极管D3的阴极，所述二极管D1与二极管D4构成的桥臂、二极管D2与二极管D3构成的桥臂和电容Co并联，
所述发射端，包括发射端控制电路、发射端谐振补偿网络、发射线圈和发射端无线通信单元，其中，
所述发射端控制电路，包括开关管M1、开关管M2、开关管M3和开关管M4，所述开关管M1和开关管M2串联，所述开关管M3和开关管M4串联，所述开关管M1与开关管M2构成的桥臂、所述开关管M3与开关管M4构成的桥臂和电容Co并联，
所述发射端谐振补偿网络，包括电感Lf1、电容Cf1和电容Cp，所述电感Lf1的一端同时连接所述开关管M1的发射极和开关管M2的集电极，所述电感Lf1的另一端同时连接所述电容Cf1的一端和电容Cp的一端，所述电容Cf1的另一端同时连接所述开关管M3的发射极和开关管M4的集电极，
所述发射线圈为线圈Lp，所述线圈Lp的一端连接所述电容Cp的另一端，所述线圈Lp的另一端同时连接所述电容Cf1的另一端、开关管M3的发射极和开关管M4的集电极，
所述发射端无线通信单元与所述发射端控制电路连接；
所述接收端，包括接收线圈、接收端控制电路、接收端谐振补偿网络、电容C、等效负载和接收端无线通信单元，其中，
所述接收端控制电路，包括开关管M5、开关管M6、开关管M7和开关管M8，所述开关管M5和开关管M6串联，所述开关管M7和开关管M8串联，所述开关管M5和开关管M6构成的桥臂、所述开关管M7和开关管M8构成的桥臂、电容C均并联在所述等效负载上；
所述接收端谐振补偿网络，包括电容Cs，所述电容Cs的一端同时连接所述开关管M5的发射极和开关管M6的集电极；
所述接收线圈为线圈Ls，所述线圈Ls的一端连接所述电容Cs的另一端，所述线圈Ls的另一端同时连接所述开关管M7的发射极和开关管M8的集电极；
所述接收端无线通信单元与所述接收端控制电路连接，且和所述发射端无线通信单元无线连接。
进一步的，所述发射端无线通信单元包括LoRa模块、PI控制器和上位机，
其中，所述LoRa模块，用于接收接收端无线通信单元发出的接收端的参数信息反馈，并上传至所述上位机；
所述上位机，用于通过所述接收端无线通信单元的参数信息反馈，向所述PI控制器发送控制命令；
所述PI控制器，用于接收所述上位机的控制命令控制所述发射端控制电路，调节原边输出电压。
一种无人机集群无线充电电路拓扑的功率流控制方法，应用于上述的一种无人机集群无线充电电路拓扑，所述功率流控制方法包括以下步骤：
S100、无人机节点的能量管理系统实时对无人机剩余电量进行检测，当检测到无人机剩余电量低于预设电量阈值后，进入能量补给程序；
S200、无人机通过接收端无线通信单元发送能量补给请求到所在区域内的无线充电控制与管理中心；
S300、所在区域内的无线充电控制与管理中心收到能量补给请求后，根据相应充电平台的能量补给节点占有情况以及电气与机械规格，确定该中心的可用充电平台；
S400、无线充电控制与管理中心将可用充电平台及其位置信息通过发射端无线通信单元发送到所述无人机节点；
S500、无人机根据任务周期时间与路径最优原则，选择一个充电平台；
S600、无人机飞行到达目标充电平台并自主降落后，准备进入无线充电过程；
S700、控制中心根据无人机功率需求以及电压、电流等参数，通过其发射端控制电路，对相应无人机进行无线充电；
S800、无人机在能量补给结束后，向控制中心发送结束充电消息，并继续进入任务执行程序；
S900、控制中心收到充电结束消息后，通过发射端控制电路关闭该充电节点电力电子装置，以达到节约能源的目的。
进一步的，在S700中，无人机接收端的调谐调负载流程具体包括以下步骤：
S711、初始化无人机系统参数，并启动LoRa模块；
S712、根据无人机系统参数，计算最佳负载；
S713、测量输出电流和输出电压及其相位差，计算实际负载；
S714、计算等效电阻和等效电抗；
S715、计算接收端可控整流的调制比、调制波和接收端线圈交流电压相位差；
S716、判断充电是否完成，若是，则结束充电；否则，返回S713。
进一步的，在S700中，充电平台发射端的功率控制流程具体包括以下步骤：
S721、初始化充电平台；
S722、启动LoRa建立与预充电无人机的连接；
S723、软启动发射端的充电电路；
S724、发射端的LoRa模块接收接收端无线通信单元发出的接收端的参数信息反馈，并上传至发射端的上位机，上位机向所述PI控制器发送控制命令，PI控制器接收上位机的控制命令控制发射端控制电路，调节原边输出电压；
S725、判断是否充电完成，若是，则结束充电；否则，返回S724。
本发明的主要优点是：
1、本发明提出的无人机集群无线充电系统的发射端采用多个逆变器和多套独立补偿拓扑分别对应多个接收端的方式，通过控制各逆变器的导通与关闭即可实现各充电平台工作状态的切换，以实现对无人机集群的“一对多”无线电能补给。相比于一般的每架无人机配备对应充电装置的“专属专用”方式，本发明的充电方式不仅降低了设备的建造成本，而且提高了无人机集群充电的效率和智能化程度，使无人机集群编队灵活性大大提升。
2、本发明提出的无人机无线充电控制与管理中心的能量发射端，可在一定范围内兼容不同功率等级的无人机充电需求，此功能是通过功率控制与功率分配控制器的控制策略实现的，可提高无人机集群无线充电系统能量补给灵活性。
附图说明
图1为本发明的一种无人机集群无线充电电路拓扑的电路结构图；
图2为本发明的一种无人机集群无线充电电路拓扑的原副边控制框图；
图3为本发明的一种无人机集群无线充电电路拓扑的功率流控制方法的副边调谐调负载流程图；
图4为无人机集群无线充电系统应用场景图；
图5为实施例中的卷积神经网络模型架构图。
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。
参照图1所示，本发明提出了一种无人机集群无线充电电路拓扑，所述无线充电电路拓扑包括电力电子装置和若干充电电路，所述若干充电电路均并联在所述电力电子装置上，每个充电电路包括发射端和接收端，其中，
所述电力电子装置，包括直流电源、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和电容Co，所述二极管D1和二极管D4串联，所述二极管D2和二极管D3串联，所述直流电源的两端分别连接所述二极管D1的阳极和二极管D3的阴极，所述二极管D1与二极管D4构成的桥臂、二极管D2与二极管D3构成的桥臂和电容Co并联，
所述发射端，包括发射端控制电路、发射端谐振补偿网络、发射线圈和发射端无线通信单元，其中，
所述发射端控制电路，包括开关管M1、开关管M2、开关管M3和开关管M4，所述开关管M1和开关管M2串联，所述开关管M3和开关管M4串联，所述开关管M1与开关管M2构成的桥臂、所述开关管M3与开关管M4构成的桥臂和电容Co并联，
所述发射端谐振补偿网络，包括电感Lf1、电容Cf1和电容Cp，所述电感Lf1的一端同时连接所述开关管M1的发射极和开关管M2的集电极，所述电感Lf1的另一端同时连接所述电容Cf1的一端和电容Cp的一端，所述电容Cf1的另一端同时连接所述开关管M3的发射极和开关管M4的集电极，
所述发射线圈为线圈Lp，所述线圈Lp的一端连接所述电容Cp的另一端，所述线圈Lp的另一端同时连接所述电容Cf1的另一端、开关管M3的发射极和开关管M4的集电极，
所述发射端无线通信单元与所述发射端控制电路连接；
所述接收端，包括接收线圈、接收端控制电路、接收端谐振补偿网络、电容C、等效负载和接收端无线通信单元，其中，
所述接收端控制电路，包括开关管M5、开关管M6、开关管M7和开关管M8，所述开关管M5和开关管M6串联，所述开关管M7和开关管M8串联，所述开关管M5和开关管M6构成的桥臂、所述开关管M7和开关管M8构成的桥臂、电容C均并联在所述等效负载上；
所述接收端谐振补偿网络，包括电容Cs，所述电容Cs的一端同时连接所述开关管M5的发射极和开关管M6的集电极；
所述接收线圈为线圈Ls，所述线圈Ls的一端连接所述电容Cs的另一端，所述线圈Ls的另一端同时连接所述开关管M7的发射极和开关管M8的集电极；
所述接收端无线通信单元与所述接收端控制电路连接，且和所述发射端无线通信单元无线连接。
具体的，图1示出了本发明的电路结构图。参照图1所示，发射端采用多个逆变器和多套独立的补偿拓扑分别对应多个接收端。系统为直流母线结构，通过控制相应逆变器的导通与关闭即可实现不同电路的切换，因此不需要切换开关，每一路控制相对简单，系统效率相对更高。另外，采用多个逆变器并联结构驱动不同发射线圈可实现多无人机负载同时充电，提高系统功率分配的灵活性以及系统的容错性。参照图2所示，本发明采用原边移相控制通过调节原边逆变器的移相角控制逆变器输出电压脉宽的幅度，以调节不同发射线圈的电流来调节输出功率。当逆变器移相角为α为π时输出电压为0，因此控制逆变器移相角α从0到180°变化即可实现系统大范围内输出功率控制。解决无人机集群中各无人机由于型号、荷电状态等不同所导致的功率请求不同的问题。
参照图1所示，本发明原边采用LCC补偿拓扑，其谐振时的工作状态与耦合系数无关，且该补偿拓扑对元器件参数偏差不敏感，并且易于实现ZVS软开关，因而在获得恒定电压输出时具有较高效率。对于系统副边补偿拓扑，考虑到副边耦合机构及电路均在安装在无人机上，从系统的结构及重量方面的考虑，采用串联补偿拓扑。系统采用的LCC-S补偿拓扑结合了串联补偿和LCC拓扑的优势，只需控制发射线圈的电流即可实现功率的调节，为无人机负载充电，更适合无人机无线充电的需求。
参照图1、图2所示，本发明接收端采用可控整流，省去一级BUCK电路结构，提高了系统的效率。同时，可控整流实现阻抗匹配和最大效率下的最佳负载，并实现最大效率跟踪。参照图2所示，为了实现在一定功率条件下最佳效率运行状态，引入了三个自由度的控制参数，分别为原边逆变器移相脉冲宽度ɑ，副边PWM整流的调制比m和调制波与副边线圈交流电压相位差
Figure BDA0002561134170000071
其中调节原边移相ɑ调节逆变器输出电压基波幅值进而调节副边电压；调制波与副边线圈交流电压相位差
Figure BDA0002561134170000073
表示副边的谐振情况，
Figure BDA0002561134170000072
表示系统完全谐振，
Figure BDA0002561134170000074
表示系统由于副边线圈相互交叉耦合或元件变化导致系统偏离谐振状态，
Figure BDA0002561134170000075
越大表示偏离越严重，系统偏斜导致无功功率在器件上增加损耗，使系统偏离最佳效率工作点，且系统的功率容量相应地减小；副边PWM整流的调制比m可调节副边系统等效负载，使维持在最佳负载状态，使系统效率最大。
进一步的，所述发射端无线通信单元包括LoRa模块、PI控制器和上位机，
其中，所述LoRa模块，用于接收接收端无线通信单元发出的接收端的参数信息反馈，并上传至所述上位机；
所述上位机，用于通过所述接收端无线通信单元的参数信息反馈，向所述PI控制器发送控制命令；
所述PI控制器，用于接收所述上位机的控制命令控制所述发射端控制电路，调节原边输出电压。
具体的，副边可控整流控制实现副边调谐和最佳负载匹配功能，系统副边接收功率或输出电压的调节由原边控制实现，即需要副边将实际接收的电压、电流等功率信息通过LoRa发送到原边控制器实现闭环控制。LoRa的数据传输距离较远，为千米级。可进行无人机集群中各无人机节点的组网，来完成各无人机节点之间的无线通信，使得无线充电系统智能化程度提高。
在无人机上安装无线通信模块LoRa，将接收端部分的参数(Vo、Io、电池电量、温度等)发送至原边。原边通过LoRa接收到的数据进行运算，驱动PI控制器从而调节发射端逆变器。
一种无人机集群无线充电电路拓扑的功率流控制方法，应用于上述的一种无人机集群无线充电电路拓扑，所述功率流控制方法包括以下步骤：
S100、无人机节点的能量管理系统实时对无人机剩余电量进行检测，当检测到无人机剩余电量低于预设电量阈值后，进入能量补给程序；
S200、无人机通过接收端无线通信单元发送能量补给请求到所在区域内的无线充电控制与管理中心；
S300、所在区域内的无线充电控制与管理中心收到能量补给请求后，根据相应充电平台的能量补给节点占有情况以及电气与机械规格，确定该中心的可用充电平台；
S400、无线充电控制与管理中心将可用充电平台及其位置信息通过发射端无线通信单元发送到所述无人机节点；
S500、无人机根据任务周期时间与路径最优原则，选择一个充电平台；
S600、无人机飞行到达目标充电平台并自主降落后，准备进入无线充电过程；
S700、控制中心根据无人机功率需求以及电压、电流等参数，通过其发射端控制电路，对相应无人机进行无线充电；
S800、无人机在能量补给结束后，向控制中心发送结束充电消息，并继续进入任务执行程序；
S900、控制中心收到充电结束消息后，通过发射端控制电路关闭该充电节点电力电子装置，以达到节约能源的目的。
参照图3所示，进一步的，在S700中，无人机接收端的调谐调负载流程具体包括以下步骤：
S711、初始化无人机系统参数，并启动LoRa模块；
S712、根据无人机系统参数，计算最佳负载，具体的，最佳负载根据如下公式进行计算：
Figure BDA0002561134170000091
其中，r1为原边谐振线圈内阻，r2为副边谐振线圈内阻，M为互感，ω为角频率；
S713、测量输出电流和输出电压及其相位差，计算实际负载；
S714、计算等效电阻和等效电抗；
S715、计算接收端可控整流的调制比、调制波和接收端线圈交流电压相位差；
S716、判断充电是否完成，若是，则结束充电；否则，返回S713。
参照图4，进一步的，在S700中，充电平台发射端的功率控制流程具体包括以下步骤：
S721、初始化充电平台；
S722、启动LoRa建立与预充电无人机的连接；
S723、软启动发射端的充电电路；
S724、发射端的LoRa模块接收接收端无线通信单元发出的接收端的参数信息反馈，并上传至发射端的上位机，上位机向所述PI控制器发送控制命令，PI控制器接收上位机的控制命令控制发射端控制电路，调节原边输出电压；
S725、判断是否充电完成，若是，则结束充电；否则，返回S724。
图5示出了无人机集群无线充电系统应用场景图，整个无人机集群无线充电系统可包含若干个无线充电控制与管理中心，该中心包含一个以上的能量发射端及其控制装置，以及若干阵列发射线圈，作为无人机集群的能量补给平台，在实际应用中提升了无人机集群能量补给的灵活性。

Claims (5)

1.一种无人机集群无线充电电路拓扑，其特征在于，所述无线充电电路拓扑包括电力电子装置和若干充电电路，所述若干充电电路均并联在所述电力电子装置上，每个充电电路包括发射端和接收端，其中，
所述电力电子装置，包括直流电源、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和电容Co，所述二极管D1和二极管D4串联，所述二极管D2和二极管D3串联，所述直流电源的两端分别连接所述二极管D1的阳极和二极管D3的阴极，所述二极管D1与二极管D4构成的桥臂、二极管D2与二极管D3构成的桥臂和电容Co并联，
所述发射端，包括发射端控制电路、发射端谐振补偿网络、发射线圈和发射端无线通信单元，其中，
所述发射端控制电路，包括开关管M1、开关管M2、开关管M3和开关管M4，所述开关管M1和开关管M2串联，所述开关管M3和开关管M4串联，所述开关管M1与开关管M2构成的桥臂、所述开关管M3与开关管M4构成的桥臂和电容Co并联，
所述发射端谐振补偿网络，包括电感Lf1、电容Cf1和电容Cp，所述电感Lf1的一端同时连接所述开关管M1的发射极和开关管M2的集电极，所述电感Lf1的另一端同时连接所述电容Cf1的一端和电容Cp的一端，所述电容Cf1的另一端同时连接所述开关管M3的发射极和开关管M4的集电极，
所述发射线圈为线圈Lp，所述线圈Lp的一端连接所述电容Cp的另一端，所述线圈Lp的另一端同时连接所述电容Cf1的另一端、开关管M3的发射极和开关管M4的集电极，
所述发射端无线通信单元与所述发射端控制电路连接；
所述接收端，包括接收线圈、接收端控制电路、接收端谐振补偿网络、电容C、等效负载和接收端无线通信单元，其中，
所述接收端控制电路，包括开关管M5、开关管M6、开关管M7和开关管M8，所述开关管M5和开关管M6串联，所述开关管M7和开关管M8串联，所述开关管M5和开关管M6构成的桥臂、所述开关管M7和开关管M8构成的桥臂、电容C均并联在所述等效负载上；
所述接收端谐振补偿网络，包括电容Cs，所述电容Cs的一端同时连接所述开关管M5的发射极和开关管M6的集电极；
所述接收线圈为线圈Ls，所述线圈Ls的一端连接所述电容Cs的另一端，所述线圈Ls的另一端同时连接所述开关管M7的发射极和开关管M8的集电极；
所述接收端无线通信单元与所述接收端控制电路连接，且和所述发射端无线通信单元无线连接。
2.根据权利要求1所述的一种无人机集群无线充电电路拓扑，其特征在于，所述发射端无线通信单元包括LoRa模块、PI控制器和上位机，
其中，所述LoRa模块，用于接收接收端无线通信单元发出的接收端的参数信息反馈，并上传至所述上位机；
所述上位机，用于通过所述接收端无线通信单元的参数信息反馈，向所述PI控制器发送控制命令；
所述PI控制器，用于接收所述上位机的控制命令控制所述发射端控制电路，调节原边输出电压。
3.一种无人机集群无线充电电路拓扑的功率流控制方法，应用于权利要求1-2任一项所述的一种无人机集群无线充电电路拓扑，其特征在于，所述功率流控制方法包括以下步骤：
S100、无人机节点的能量管理系统实时对无人机剩余电量进行检测，当检测到无人机剩余电量低于预设电量阈值后，进入能量补给程序；
S200、无人机通过接收端无线通信单元发送能量补给请求到所在区域内的无线充电控制与管理中心；
S300、所在区域内的无线充电控制与管理中心收到能量补给请求后，根据相应充电平台的能量补给节点占有情况以及电气与机械规格，确定该中心的可用充电平台；
S400、无线充电控制与管理中心将可用充电平台及其位置信息通过发射端无线通信单元发送到所述无人机节点；
S500、无人机根据任务周期时间与路径最优原则，选择一个充电平台；
S600、无人机飞行到达目标充电平台并自主降落后，准备进入无线充电过程；
S700、控制中心根据无人机功率需求以及电压、电流等参数，通过其发射端控制电路，对相应无人机进行无线充电；
S800、无人机在能量补给结束后，向控制中心发送结束充电消息，并继续进入任务执行程序；
S900、控制中心收到充电结束消息后，通过发射端控制电路关闭该充电节点电力电子装置，以达到节约能源的目的。
4.根据权利要求3所述的一种无人机集群无线充电电路拓扑的功率流控制方法，其特征在于，在S700中，无人机接收端的调谐调负载流程具体包括以下步骤：
S711、初始化无人机系统参数，并启动LoRa模块；
S712、根据无人机系统参数，计算最佳负载；
S713、测量输出电流和输出电压及其相位差，计算实际负载；
S714、计算等效电阻和等效电抗；
S715、计算接收端可控整流的调制比、调制波和接收端线圈交流电压相位差；
S716、判断充电是否完成，若是，则结束充电；否则，返回S713。
5.根据权利要求3所述的一种无人机集群无线充电电路拓扑的功率流控制方法，其特征在于，在S700中，充电平台发射端的功率控制流程具体包括以下步骤：
S721、初始化充电平台；
S722、启动LoRa建立与预充电无人机的连接；
S723、软启动发射端的充电电路；
S724、发射端的LoRa模块接收接收端无线通信单元发出的接收端的参数信息反馈，并上传至发射端的上位机，上位机向所述PI控制器发送控制命令，PI控制器接收上位机的控制命令控制发射端控制电路，调节原边输出电压；
S725、判断是否充电完成，若是，则结束充电；否则，返回S724。
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