CN111987780B - 无人机电场耦合机构及无线充电系统、平台与无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无人机无线充电技术领域，具体公开了无人机电场耦合机构及无线充电系统、平台与无人机，耦合机构包括发射端、接收端，发射端包括相距第一预设高度的发射端上圆台和发射端下圆台，接收端包括相距第二预设高度的接收端空心上圆台和接收端空心下圆台；发射端采用实心绝缘材料、外侧面覆盖有第一金属箔，接收端采用轻型绝缘材料、内侧面覆盖有第二金属箔；其中，第一金属箔的外表面或/和第二金属箔的外表面上设置有绝缘隔离层。耦合机构可提高充电系统的抗偏移能力，减小无人机的飞行功耗，成本低，在无人机的移入、移出过程中均不产生过高的电压电流冲击，当耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗。

Description

无人机电场耦合机构及无线充电系统、平台与无人机
技术领域
本发明涉及无人机无线充电技术领域，尤其涉及一种无人机电场耦合机构、一种基于电场耦合的无人机无线充电系统、一种无人机无线充电平台和一种无人机。
背景技术
无人驾驶飞机简称无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主操作。近年来，我国民用无人机市场呈现井喷式发展，无人机在多个领域开始被应用。从现在已经普及的影视航拍、农业植保、基建巡检、安防救援、地理测绘等领域，到未来民用无人机技术将像计算机一样进入各行各业。无人机正在成为各项前沿技术的全新载体，试图扮演越来越重要的角色。
在评估无人机性能好坏的诸项指标中，其中一项重要的指标便是无人机的续航能力，且长航程也是今后无人机的主要发展趋势之一。从能源角度出发，增加无人机续航里程的途径总结起来主要可分为两种：携带更多的电能或者在任务中多次进行电能补给。对于前者，由于目前比较成熟的电池技术已经发展到了瓶颈期，更大的电池容量就意味着更大的电池体积和重量，因而增加电池容量必将影响无人机的机动性能和轻量化，且不利于环保；对于通过多次进行电能补给这种途径，如果是基于传统接触式电能传导方式的充电技术，那么意味着无人机在需要补充电能的时候都需要返回降落到基站或者充电站中，并投入人力为其充电，显然这样的方式在可靠性、灵活性、便捷性等方面有所不足。尤其是在一些荒远地区，人力干预充电还可能遇到极端恶劣天气，威胁人们的生命财产安全。因此，对无人机进行无线充电便成了促进无人机发展的一个重要研究方向。
在无人机无线充电方面，目前国内外学者的研究大都集中在磁场耦合式，虽能实现无线充电，但仍具有以下缺点：1)系统的耦合线圈及磁芯增加了耦合机构的重量，且成本较高；2)在工作状态中，对周围环境的电磁干扰较大；3)当磁场耦合机构之间或周围存在金属导体时，容易引起导体产生涡流损耗。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种无人机电场耦合机构，包括发射端和接收端；
所述发射端包括相距第一预设高度的发射端上圆台和发射端下圆台，所述接收端包括相距第二预设高度的接收端空心上圆台和接收端空心下圆台；
所述发射端采用实心绝缘材料、外侧面覆盖有第一金属箔，所述接收端采用轻型绝缘材料、内侧面覆盖有第二金属箔；其中，所述第一金属箔的外表面或/和所述第二金属箔的外表面上设置有绝缘隔离层；
耦合时所述接收端插合在所述发射端的上方，所述发射端上圆台和所述接收端空心上圆台相对，所述发射端下圆台和所述接收端空心下圆台相对。
本无人机电场耦合机构的有益效果在于：
基于电场耦合的原理设计耦合结构(包括发射端上圆台、发射端下圆台、接收端空心上圆台、接收端空心下圆台)为圆台形状，1)不同于圆筒式耦合机构，“圆台式”耦合机构上小下大，无人机在降落充电时允许一定的偏差，能在降落过程中利用自身重力修正偏差，一定程度上提高了系统的抗偏移能力；2)较平板式或圆环式耦合机构来说，此“圆台式”耦合机构为空心结构，接收端契合于机身，无人机在起飞或降落时的阻力大大减小，一定程度上减小飞行功耗，增强续航能力；3)与磁场耦合式的无线充电耦合机构相比，“圆台式”耦合机构更为轻巧，成本低，更有利于应用于无人机的无线充电；4)配合谐振网络，在无人机的移入、移出过程中均不产生过高的电压电流冲击；5)当耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗。
优选的，所述接收端的内径比所述发射端的内径大3～10mm，所述第一金属箔和所述第二金属箔的厚度可忽略不计；所述第一金属箔和所述第二金属箔为铜箔或铝箔。
优选的，所述第一预设高度与所述第二预设高度相等；所述发射端上圆台与所述接收端空心上圆台高度相等；所述发射端下圆台与所述接收端空心下圆台高度相等。
本发明还提供一种基于电场耦合的无人机无线充电系统，包括发射电路和接收电路，所述发射电路包括顺序连接的供电电源、全桥型逆变器，所述接收电路包括顺序连接的整流器和负载，所述发射电路还包括第一谐振电感、第二谐振电感、第三谐振电感、第一谐振电容、第二谐振电容、第一电能发射极板和第二电能发射极板，所述接收电路还包括第一电能接收极板和第二电能接收极板；
所述第一谐振电感、所述第二谐振电感、所述第二谐振电容顺序连接在所述全桥型逆变器的第一等效电源端和所述第一电能发射极板之间，所述全桥型逆变器的第二等效电源端连接所述第二电能发射极板，所述第一谐振电容连接在所述第一谐振电感与所述第二谐振电感的共同连接端和所述第二电能发射极板之间，所述第三谐振电感连接在所述第二谐振电容与所述第一电能发射极板的共同连接端和所述第二电能发射极板；
所述第一电能接收极板和所述第二电能接收极板分别连接所述整流器的第一整流连接端和第二整流连接端；
当所述第一电能发射极板和所述第一电能接收极板正对，且所述第二电能发射极板和所述第二电能接收极板正对时，在所述全桥型逆变器输出的高频交流电的作用下，所述第一电能发射极板、所述第一电能接收极板、所述第二电能发射极板和所述第二电能接收极板之间形成交互电场，在交互电场的作用下产生位移电流并流向所述负载，实现电能的无线传输。
本无人机无线充电系统通过耦合机构和谐振网络，利用电场耦合的优势，可保证在无人机的移入、移出过程中均不产生过高的电压电流冲击，且当无人机移入后，系统能够高效稳定地为负载提供需要的功率；当无人机移除后，系统能自动进入待机状态并保持低功耗运行。
优选的，所述第一电能发射极板、所述第二电能发射极板、所述第一电能接收极板和所述第二电能接收极板分别为上述无人机电场耦合机构的发射端上圆台、发射端下圆台、接收端空心上圆台、接收端空心下圆台，使得本系统兼具该无人机电场耦合机构的优点。
优选的，所述第一谐振电感的电感值是所述第三谐振电感的k倍，在第三谐振电感和耦合电容共振的情况下，对于该无人机ECPT系统，耦合电容的有效电容值在百pF左右，且系统的工作频率通常在几百千赫到兆赫之间。因此在第三谐振电感通常为数百uH时，k<1有利于减小电感的体积和损耗，提高ECPT系统的功率传输能力。
优选的，所述第一谐振电感的电感值与所述第二谐振电感相等；所述第一电能发射极板、所述第一电能接收极板、所述第二电能发射极板和所述第二电能接收极板之间等效为耦合电容，所述耦合电容的电容值与所述第二谐振电容相等。
优选的，所述第一电能发射极板、所述第一电能接收极板之间等效为第一耦合电容Cs1，所述第二电能发射极板、所述第二电能接收极板之间等效为第二耦合电容Cs2，则所述耦合电容Cs＝Cs1Cs2/(Cs1+Cs2)。
本发明还提供一种无人机无线充电平台，包括上述无人机无线充电系统中的发射电路。
本发明还提供一种无人机，包括上述无人机无线充电系统中的接收电路。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的一种无人机电场耦合机构的结构图；
图2是本发明实施例1提供的图1中接收端2的正视图或左视图；
图3是本发明实施例1提供的图1中接收端2的俯视图；
图4是本发明实施例2提供的一种基于电场耦合的新型无人机无线充电系统的电路拓扑图；
图5是本发明实施例2提供的图4的等效电路图；
图6是本发明实施例2提供的图4所述拓扑在无人机移除前后的等效电路图；
图7是本发明实施例2提供的一种基于电场耦合的新型无人机无线充电系统的参数设计流程图；
图8是本发明实施例2提供的图4所示拓扑的仿真电路模型图；
图9是本发明实施例2提供的图8所示模型逆变输出后的电压电流仿真波形图；
图10是本发明实施例2提供的图8所示模型在无人机移出移入时逆变输出的电流仿真波形图；
图11是本发明实施例2提供的图8所示模型在无人机移出移入时的输出电压、电流仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
相较于磁场耦合式无人机无线充电系统，电场耦合式无人机无线充电系统有以下优点：1)系统的耦合极板简易轻薄且形状易变，成本较低；2)在工作状态中，电场耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；3)当电场耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗。然而，电场耦合式无线电能传输技术在无人机无线充电方面的应用却鲜有研究成果，本实施例则基于电场耦合设计了一种无人机电场耦合机构(实施例1)、一种基于电场耦合的无人机无线充电系统(实施例2)、一种无人机无线充电平台(实施例3)和一种无人机(实施例4)。
实施例1
本发明实施例提供一种无人机电场耦合机构，一种新型“圆台式”耦合机构，其结构如图1所示，包括发射端1和接收端2。其中接收端2的正视图/左视图如图2所示，俯视图如图3所示。
发射端1包括相距第一预设高度的发射端上圆台P2和发射端下圆台P1，接收端2包括相距第二预设高度的接收端空心上圆台P4(其高度为h2，内径为r2～r1)和接收端空心下圆台P3(其高度为h1，其内径为r4～r3)。
发射端1采用实心绝缘材料、外侧面覆盖有第一金属箔，接收端2采用轻型绝缘材料、内侧面覆盖有第二金属箔；其中，第一金属箔的外表面或/和第二金属箔的外表面上设置有绝缘隔离层。
耦合时接收端2插合在发射端1的上方，发射端上圆台P2和接收端空心上圆台P4相对，发射端下圆台P1和接收端空心下圆台P3相对，从而在发射端1所在的发射电路工作时，第一金属箔(导体)、第二金属箔(导体)、绝缘隔离层(绝缘介质)等效为耦合电容，进行电能的传输。
其中，接收端2的内径比发射端1的内径大3～10mm，本实施例则大3mm。发射端1选择实心轻型绝缘材料(本实施例选用木)，用第一金属箔(铜箔或铝箔)将其覆盖，本实施例选用铝箔，其厚度可忽略不计。接收端2的厚度一般不超过2mm，亦选用轻型绝缘材料(本实例选用塑料)，用第二金属箔(铜箔或铝箔)将其覆盖，本实施例选用铝箔，其厚度可忽略不计。
其中，所述第一金属箔的外表面或/和所述第二金属箔的外表面上设置有绝缘隔离层(并未在附图中示出)。绝缘隔离层可采用木、塑料或其他绝缘材质。
为方便生产、计算以及保证良好的耦合效果，在本实施例中，第一预设高度与第二预设高度相等，均为d，发射端上圆台P2与接收端空心上圆台P4高度相等，均为h2，发射端下圆台P1与接收端空心下圆台P3高度相等，均为h1，如此既避免了交叉耦合，又可以在有限的空间内达到最佳耦合效果。在避免交叉耦合的前提下，在其他实施例中，第一预设高度与第二预设高度可不相等，发射端上圆台P2与接收端空心上圆台P4高度也可不相等，发射端下圆台P1与接收端空心下圆台P3高度也可不相等，但耦合效果与本实施例相比则有所折扣。
因发射端1的形状与接收端2形状基本相同(除为实心以外)，本实施例并未用单独的图示进行说明，其正视图/左视图可参考图2，俯视图可参考图3。将接收端2安装在无人机上的状态可参考图1。
在其他实施例中，发射端1和接收端1可采用其他的结构，比如圆柱、棱台等，这均是在本实施例公开的结构设计上做的变换，但抗偏移能力和本实施例相比则有所折扣。
本实施例基于电场耦合的原理设计耦合结构(包括发射端上圆台P2、发射端下圆台P1、接收端空心上圆台P4、接收端空心下圆台P3)为圆台形状，1)不同于圆筒式耦合机构，“圆台式”耦合机构上小下大，无人机在降落充电时允许一定的偏差，能在降落过程中利用自身重力修正偏差，一定程度上提高了系统的抗偏移能力；2)较平板式或圆环式耦合机构来说，此“圆台式”耦合机构为空心结构，接收端契合于机身，无人机在起飞或降落时的阻力大大减小，一定程度上减小飞行功耗，增强续航能力；3)与磁场耦合式的无线充电耦合机构相比，“圆台式”耦合机构更为轻巧，成本低，更有利于应用于无人机的无线充电；4)配合谐振网络，在无人机的移入、移出过程中均不产生过高的电压电流冲击；5)当耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗。
实施例2
目前无人机作为一种续航能力较弱的移动设备，需要频繁充放电，在频繁的移入、移出过程中，可能会导致ECPT电路系统的损坏。本实施例旨在满足无人机充电需求的情况下，提出一种基于电场耦合的新型无人机无线充电系统。该系统选取合适的耦合机构和谐振网络，保证在无人机的移入、移出过程中均不产生过高的电压电流冲击，且当无人机移入后，系统能够高效稳定地为负载提供需要的功率；当无人机移除后，系统能自动进入待机状态并保持低功耗运行。
本实施例提供一种基于电场耦合的无人机无线充电系统(双T型无人机ECPT系统)，包括发射电路和接收电路，发射电路包括顺序连接的供电电源Edc(可以直接是直流电源或者由交流市电整流而得)、全桥型逆变器(由4个MOSFET S1-S4组成)，接收电路包括顺序连接的整流器(全桥整流器，由4个二极管D1-D4组成)和负载(负载电阻RL)。
特别的，发射电路还包括第一谐振电感L1、第二谐振电感L2、第三谐振电感L3、第一谐振电容C1、第二谐振电容C2、第一电能发射极板和第二电能发射极板，接收电路还包括第一电能接收极板和第二电能接收极板。第一电能发射极板、第一电能接收极板之间等效为第一耦合电容Cs1，第二电能发射极板、第二电能接收极板之间等效为第二耦合电容Cs2。
第一谐振电感L1、第二谐振电感L2、第二谐振电容C2顺序连接在全桥型逆变器的第一等效电源端和第一电能发射极板之间，全桥型逆变器的第二等效电源端连接第二电能发射极板，第一谐振电容C1连接在第一谐振电感L1与第二谐振电感L2的共同连接端和第二电能发射极板之间，第三谐振电感L3连接在第二谐振电容C2与第一电能发射极板的共同连接端和第二电能发射极板之间；
第一电能接收极板和第二电能接收极板分别连接整流器的第一整流连接端(D1的正极端/D3的负极端)和第二整流连接端(D2的正极端/D4的负极端)。
当第一电能发射极板和第一电能接收极板正对，且第二电能发射极板和第二电能接收极板正对时，在全桥型逆变器输出的高频交流电的作用下，第一电能发射极板、第一电能接收极板、第二电能发射极板和第二电能接收极板之间形成交互电场，在交互电场的作用下产生位移电流并流向负载，实现电能的无线传输。
从图4可以看出，此结构的接收端没有任何无功补偿元件，需要搭建在无人机机身上的部件只有接收端耦合和整流器件，此种结构在一定程度上减轻了无人机的载荷，更有利于无人机的推广应用。
需要说明的是，本实施例的第一电能发射极板、第二电能发射极板、第一电能接收极板和第二电能接收极板分别采用实施例1所述的发射端上圆台P2、发射端下圆台P1、接收端空心上圆台P4、接收端空心下圆台P3，使得本实施例兼具实施例1的效果。在其他实施例中，可采用其他的电能发射极板和电能接收极板，比如普通的平板结构，但充电效果也会因结构而异。
在其他实施例中，供电电源Edc、全桥型逆变器、整流器可替代为其他具有相同功能的电路。
图5为双T型无人机ECPT系统的等效电路图。Req为整流器和负载共同等效出来的交流阻抗，当在整流器后使用电容滤波时，其等效值为8RL/π2。Cs为耦合机构的等效电容(耦合电容)，可计算为Cs＝Cs1Cs2/(Cs1+Cs2)。假设所有的开关和电源都是理想器件，则逆变输出可等效为脉冲电压源Uin。在图中还可以看到由谐振电感L1、L2和谐振电容C1构成的T-LCL谐振网络，谐振电容C2、谐振电感L3和第三耦合电容Cs构成的T-CLC谐振网络。
在本实施例中，第一谐振电感L1的电感值与第二谐振电感L2相等，即L1＝L2；耦合电容Cs的电容值与第二谐振电容C2相等，即Cs＝C2。
当该无人机处于充电状态时，该系统应处于谐振状态，且具有以下谐振关系：
Figure BDA0002658446210000091
式中ω为系统谐振角频率，Q1为负载品质因数。
根据电路原理，可推导出T-CLC谐振网络和T-LCL谐振网络的输入阻抗为：
Figure BDA0002658446210000092
Figure BDA0002658446210000093
式中ω1为T-CLC谐振网络的工作频率，ω2为T-LCL谐振网络的工作频率，且ω1＝ω2＝ω。
1)无人机移除前后工作特性分析
为了简化稳态分析，此处采用基波近似法，使用傅立叶三角级数公式将逆变输出电压uin展开，可表示为：
Figure BDA0002658446210000101
其中，Edc表示直流供电电压，ω为系统谐振角频率。
Figure BDA0002658446210000102
其中，ufd表示uin的基波组成部分。
图6中给出了无人机移除前后的等效电路图，首先对无人机移除前进行分析，等效电路图如图6(a)所示。结合公式(2)和(3)可以得到：
Zin2＝(ω1 2L1C2)2Req (6)
假设：
L1＝kL3 (7)
将公式(1)和(7)带入(6)中可得到：
Zin2＝k2Req (8)
根据公式(1)和公式(8)可求得系统的功率为：
Figure BDA0002658446210000103
由公式(6)可知，该谐振网络的输入阻抗表现为纯阻性，表明其运行在零相角输入状态，因而具有较高的功率因数。此外，双T型谐振网络的输入阻抗与负载电阻RL成正比的关系，因此可根据负载电阻RL的大小将输入阻抗放大或者缩小。由公式(9)可知，在负载电阻RL和直流电源Edc确定的情况下，可以根据功率需求设置相应的k值。该ECPT系统可根据k的值进行向下或向上的阻抗变换，故可以通过负载情况选择合适的k值，在规定的电源和工作频率下产生所需的功率。已知L3与CS共振，对于该无人机ECPT系统，电容耦合器的有效电容值在百pF左右，且系统的工作频率通常在几百千赫到兆赫之间。因此，L3的值通常为数百个uH，如果k<1，则L1<L3，它有利于减小电感器的体积和损耗，提高ECPT系统的功率传输能力。综合考虑下，此系统将k值设置为0.5。
接下来分析无人机移除后的系统工作特性，无人机移除后的等效电路图如图6(b)所示。由公式(1)可知电容C2和电感L3谐振，且C2与L3串联可等效为短路，电感L2与电容C1共振，L2与C1串联等效为无限大阻抗，所以通过参数的设计使得系统在负载移除后等效为电源与无限大阻抗串联，即：
Zin2＝Rinf (10)
式中Rinf表示无限大阻抗。
由此可知当无人机移除前即无人机充电时可以正常传输功率，移除后系统相当于开路。因此，当无人机飞离时，本实施例所选择的ECPT系统可自动处于待机状态，且在移入移出过程中不会对逆变器的元件产生高电流高电压冲击，保证了系统的安全稳定运行，同时当无人机再次充电时，不需要额外的检测和控制电路，系统能快速恢复到稳定充电状态。
2)系统参数设计
上述理论分析是建立在基波近似法成立的基础之上，因此畸变率必须小于一定值，这样还有利于降低系统的谐波损耗和干扰。在ECPT系统中，总谐波畸变率(TotalHarmonic Distortion，简称THD)可以用来判断逆变输出电流波形是否接近标准正弦波。本实施例采用正弦逼近法来推导理论分析，这意味着建模和分析的准确性取决于输入电流iL1的THD。此处将THD定义为：
Figure BDA0002658446210000111
其中I1和In分别表示输入电流iL1的基波分量和奇次谐波的有效值。
根据对无人机无线充电系统电路的分析，ECPT系统里主要参数设计的流程图如图7所示。在本次设计中，首先根据小型无人机的具体情况确定负载电阻RL的值，根据公式(9)和小型无人机电池的输出功率需求设定Edc和k的值，根据无人机的外观限制设定耦合机构的外形尺寸，再通过Maxwell仿真得到CS的值，根据经验参数设定初始频率f。其他无功元件L1、L2、L3、C1、C2根据公式(1)和(7)计算。电流畸变率的增大会增加系统的谐波损耗和干扰，影响系统的功率传输，因此THD的阈值应设置为较低的值。如果输入电流iL1的THD大于阈值，系统工作频率f可以适当调整。最终得到满足无人机无线充电系统的参数。
3)仿真验证
小型无人机常应用于民用中，使用用途比较广泛，例如巡线、拍照、监测数据等。一般而言，小型无人机充电为了增加续航能力，其载重较轻，携带的电池容量也较小，通常所需充电功率通常在百瓦级左右。以某品牌某款无人机为例，其参数表如下表1所示。
表1.无人机参数
Figure BDA0002658446210000121
如表1中所示，此小型无人机载重为1kg，所需充电功率为45W，额定电压为15.2V。将本实施例提出的基于电场耦合的无人机无线充电系统应用于该无人机，根据该无人机的脚架尺寸及等面积分割原则，可以得出“圆台式”耦合机构的具体尺寸如下表2所示：
表2.耦合机构参数
Figure BDA0002658446210000122
如实施例1的图2、3所示，表2中的参数为发射端P1、P2的尺寸，由于P1、P2为覆盖在木质圆台上的铝箔，其厚度可忽略不计，P3、P4的内径比P1、P2大3mm，其材质为厚度为1mm的铝板。
根据以上耦合机构的数据，利用有限元仿真软件Maxwell可求得CS1＝128.4pF，CS2＝126.8pF，计算出CS＝63.8pF。
再根据图7的设计流程，可确定其他参数如下表3所示：
表3.系统主要参数
Figure BDA0002658446210000131
为了验证该无人机ECPT系统拓扑及其参数设计方法的可行性和有效性，根据图4所示的ECPT系统拓扑在LT-spice仿真平台建立了系统的仿真电路模型，如图8所示。
图9是系统中逆变输出后的电压电流仿真波形，当无人机处于工作状态时，逆变输出的电压相位稍微超前于电流相位，有利于逆变器工作在零电压开关状态。
图10是无人机移出移入时逆变输出的电流仿真波形，当无人机移除后，逆变器输出电流没有出现任何尖峰并快速减小到0.02A以下，系统处于待机状态；当无人机重新移入后，逆变输出电流迅速恢复至负载端移除前的电流值。由于逆变器为电压型全桥谐振变换器，S1～S4共4个MOSFET构成逆变网络，两组开关(S1、S4)与(S2、S3)以互补导通的方式产生方波逆变输出电压。当其中一组开关导通时，另一组开关的两个开关管的端电压均等于供电电压，因此在电能接收端移除移入的过程中不会对逆变器开关管造成过电压冲击。
图11是无人机移出移入时输出电压、电流仿真波形，由图11可以看出，无人机处于充电状态时，输出电压稳定在15.2V，输出电流稳定在3A，输出功率为45.6W，满足无人机电池的充电需求，且在无人机飞离后，电流迅速减小至0.02A，接入后又能迅速达到系统要求的电压值。
由以上仿真结果可知，本实施例提出的这种新型的基于电场耦合的无人机无线充电系统应用于无人机上效果显著，可保证在无人机的移入、移出过程中均不产生过高的电压电流冲击，且当无人机移入后，系统能够高效稳定地为负载提供需要的功率；当无人机移除后，系统能自动进入待机状态并保持低功耗运行。
实施例3
本实施例提供一种无人机无线充电平台，包括实施例2所述的发射电路，同样，本实施例发射电路中的第一电能发射极板和第二电能发射极板采用实施例所示的发射端上圆台P2和发射端下圆台P1。
在其他实施例中，可采用其他的电能发射极板，比如普通的平板结构，但充电效果也会因结构而异。
在其他实施例中，供电电源Edc、全桥型逆变器可替代为其他具有相同功能的电路。
实施例4
本实施例提供一种无人机，包括实施例2所述的接收电路，同样，本实施例接收电路中的第一电能接收极板和第二电能接收极板采用实施例所示的接收端空心上圆台P4和接收端空心下圆台P3。
在其他实施例中，可采用其他的电能接收极板，比如普通的平板结构，但充电效果也会因结构而异。
在其他实施例中，整流器可替代为其他具有相同功能的电路。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.无人机电场耦合机构，其特征在于，包括发射端和接收端；
所述发射端包括相距第一预设高度的发射端上圆台和发射端下圆台，所述接收端包括相距第二预设高度的接收端空心上圆台和接收端空心下圆台；
所述发射端采用实心绝缘材料、外侧面覆盖有第一金属箔，所述接收端采用轻型绝缘材料、内侧面覆盖有第二金属箔；其中，所述第一金属箔的外表面或/和所述第二金属箔的外表面上设置有绝缘隔离层；
所述第一预设高度与所述第二预设高度相等；所述发射端上圆台与所述接收端空心上圆台高度相等；所述发射端下圆台与所述接收端空心下圆台高度相等；
耦合时所述接收端插合在所述发射端的上方，所述发射端上圆台和所述接收端空心上圆台相对，所述发射端下圆台和所述接收端空心下圆台相对，从而在发射端所在的发射电路工作时，第一金属箔、第二金属箔、绝缘隔离层等效为耦合电容，形成交互电场，进行电能的传输。
2.如权利要求1所述的无人机电场耦合机构，其特征在于：所述接收端的内径比所述发射端的内径大3～10mm；所述第一金属箔和所述第二金属箔为铜箔或铝箔。
3.基于电场耦合的无人机无线充电系统，包括发射电路和接收电路，所述发射电路包括顺序连接的供电电源、全桥型逆变器，所述接收电路包括顺序连接的整流器和负载，其特征在于：
所述发射电路还包括第一谐振电感、第二谐振电感、第三谐振电感、第一谐振电容、第二谐振电容、第一电能发射极板和第二电能发射极板，所述接收电路还包括第一电能接收极板和第二电能接收极板；
所述第一谐振电感、所述第二谐振电感、所述第二谐振电容顺序连接在所述全桥型逆变器的第一等效电源端和所述第一电能发射极板之间，所述全桥型逆变器的第二等效电源端连接所述第二电能发射极板，所述第一谐振电容连接在所述第一谐振电感与所述第二谐振电感的共同连接端和所述第二电能发射极板之间，所述第三谐振电感连接在所述第二谐振电容与所述第一电能发射极板的共同连接端和所述第二电能发射极板；
所述第一电能接收极板和所述第二电能接收极板分别连接所述整流器的第一整流连接端和第二整流连接端；
所述第一电能发射极板、所述第二电能发射极板、所述第一电能接收极板和所述第二电能接收极板分别为权利要求1至2任意一项所述的发射端上圆台、发射端下圆台、接收端空心上圆台、接收端空心下圆台；
当所述第一电能发射极板和所述第一电能接收极板正对，且所述第二电能发射极板和所述第二电能接收极板正对时，在所述全桥型逆变器输出的高频交流电的作用下，所述第一电能发射极板、所述第一电能接收极板、所述第二电能发射极板和所述第二电能接收极板之间形成交互电场，在交互电场的作用下产生位移电流并流向所述负载，实现电能的无线传输。
4.如权利要求3所述的基于电场耦合的无人机无线充电系统，其特征在于：所述第一谐振电感的电感值是所述第三谐振电感的k倍，k<1。
5.如权利要求3所述的基于电场耦合的无人机无线充电系统，其特征在于：所述第一谐振电感的电感值与所述第二谐振电感相等；所述第一电能发射极板、所述第一电能接收极板、所述第二电能发射极板和所述第二电能接收极板之间等效为耦合电容，所述耦合电容的电容值与所述第二谐振电容相等。
6.如权利要求5所述的基于电场耦合的无人机无线充电系统，其特征在于：
所述第一电能发射极板、所述第一电能接收极板之间等效为第一耦合电容Cs1，所述第二电能发射极板、所述第二电能接收极板之间等效为第二耦合电容Cs2，则所述耦合电容Cs＝Cs1Cs2/(Cs1+Cs2)。
7.无人机无线充电平台，其特征在于：包括权利要求3至6任意一项所述的发射电路。
8.无人机，其特征在于：包括权利要求3至6任意一项所述的接收电路。
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