CN112104091A - 一种基于无人机自动巡航的可移动无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于无人机自动巡航的可移动无线充电系统，采用具有自主规划路径功能的无人机作为无线充电设备的移动手段，为大规模布置无线传感器网络的应用场合的内置电池进行充电；系统包括无人机控制模块、机载定位模块、机载无线充电装置、无人机启停无线充电平台、通信模块、平台内置控制中枢、云端服务器；应用本技术方案可实现自主规划路径，携带无线充电设备定位到指定位置，为无线传感网络节点的内置电池进行充电。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电领域，具体是指一种基于无人机自动巡航的可移动无 线充电系统。
背景技术
无线传感器网络采集节点通常依靠传统的电池来提供能量，如镍氢电池、 锂聚合物电池等，然而化学电池寿命有限且携带的电能较小，一旦电池用尽， 这些节点就会失效，而这些繁多的传感器节点往往布置在比较复杂恶劣的环境 中，人工实时地更换电池费用昂贵。因此，研究人员提出自供电方式(太阳能 发电、风能发电、振动能发电等)，能从周围环境吸收能量，转化为电能为无 线传感器网络内置电池充电或替代电池供电。但是太阳能、风能的能量输出大 小及收集效率受天气、体积等因素的限制；而振动能量收集也主要依赖于周围 环境的振动，这些自供电的方式受环境限制过大，无法得到一个稳定高效的能量供给。而主动供能方式受环境的限制较小，能够自主稳定可控地提供能源供 给。
主动供能的无线充电技术按照使用的电磁波的频段进行划分，总体上可以 分为两大类:基于非辐射电磁场(近场频段)，如电磁感应式、磁场共振式、电 场耦合式和无线电波式；基于辐射性的电磁场(远场频段)：如基于光伏效应的 激光充电。其中近场频段的无线充电方式传输距离较短，不在极近的范围内就 无法进行有效的充电(比如电磁感应式充电距离一般不超过10cm)。远场频段 中的基于光伏效应的激光充电方式虽然能有效地进行远距离输电，但是这种充 电方式也存在一些缺陷，其一是传输的方向固定，是“点对点”式，为大规模 的无线传感器网络节点充电时效率过低；二是在实际的应用环境中，无线传感器节点往往放置在高空等复杂的空间结构中，从地面发射的无线充电源往往无 法精确对准无线传感器节点上的无线能量接收装置；三是激光束的能量场强度 高，汇聚能量强，接收端会产生很大的热量，存在安全隐患。这些无线充电方 式的不足导致无线传感器节点的主动供能领域的实际应用受到了限制。因而对 能兼顾大规模传感器网络节点的非接触式供电技术提出了要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无人机自动巡航的可移动无线充电系统， 可自主规划路径，携带无线充电设备定位到指定位置，为无线传感网络节点的 内置电池进行充电。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于无人机自动巡航的可移动 无线充电系统，其特征在于：采用具有自主规划路径功能的无人机作为无线充 电设备的移动手段，为大规模布置无线传感器网络的应用场合的内置电池进行 充电；系统包括无人机控制模块、机载定位模块、机载无线充电装置、无人机 启停无线充电平台、通信模块、平台内置控制中枢、云端服务器；所述无人机 控制模块、机载定位模块以及机载无线充电装置均设置于无人机上；
所述通信模块内置于所述无人机启停无线充电平台，所述通讯模块接收到 所述通讯模块的信号覆盖范围内无线传感器网络节点的低电量报警信号，所述 平台内置控制中枢根据接收到的无线传感器网络节点的数量和空间坐标，规划 无人机工作路径，将生成无人机工作路径的地图发送到所述无人机控制模块 中，接收到命令的无人机根据无人机工作路径从无人机启停无线充电平台起 飞；无人机从所述机载定位模块接收飞行动作调整指令，根据飞行动作调整指 令控制各个电机的转动速度，对无人机的航线进行实时校正，飞到发出低电量 报警信号的无线传感器网络节点处，所述机载无线充电装置对搭载了无线能量 接收装置的无线传感器节点进行充电；当发出低电量报警信号的无线传感器网络节点依次完成充电任务后，无人机返回无人机启停无线充电平台。
在一较佳的实施例中：无人机在充电期间电量不足时，先返回平台充电， 再继续执行任务。
在一较佳的实施例中：发出低电量报警信号的无线传感器网络节点的状态 数据和无人机飞行路径、无人机实时状态数据均由平台内置控制中枢上传所述 云端服务器。
在一较佳的实施例中：所述无人机具体为旋翼无人机。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
1.本发明优点之一是相对于人工更换无线传感网络节点电池的方式，避免 了人工更换存在的效率低、经济成本高、维护人员高空坠落和近距离接触极端 环境的安全隐患等问题。
2.本发明优点之二是相比太阳能发电，风能发电和振动能发电的被动供电 方式，在有太阳照射、起风或振动产生的时候才会提供电能，受环境限制较大， 而本发明中的可移动无线充电方式，是一种主动供电方式，这种方式受环境的 限制较小，能够自主稳定可控地提供能源供给。
3.本发明优点之三是相对无线充电发射端固定的方式，搭载于无人机上的 可移动无线充电装置，避免了非辐射式无线充电对充电距离的苛刻要求和辐射 式无线充电无法适应实际无线传感器网络布置的复杂空间结构的缺陷，该方式 可适应多场景进行高效率、远距离、智能化无线电能传输。
4.本发明优点之四相比于利用移动充电车(WCV)对节点进行巡游充电的 方法，利用无人机充电能够覆盖的范围更广，速度更快，避免小车受限于地形 结构而在一些场合无法应用的缺陷，能够快速准确实现对三维布置的传感器网 络节点充电。
5.本发明优点之五相对于人工操作无人机方式，避免了单纯依赖飞控手的 专业操作，无人机实现自动化作业，现场无需人为干涉，降低人工成本。只需 在云端监控数据，对系统进行定期维护即可。
附图说明
图1为本发明优选实施例中基于无人机自动巡航的可移动无线充电系统的 系统示意图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
结合图1所示，本发明提供一种基于无人机自动巡航的可移动无线充电系 统，包括无人机控制模块、机载定位模块、机载无线充电装置、无人机启停无 线充电平台、通信模块、平台内置控制中枢、云端服务器；所述无人机控制模 块、机载定位模块以及机载无线充电装置均设置于无人机上。
所述通信模块内置于所述无人机启停无线充电平台，所述通讯模块接收到 所述通讯模块的信号覆盖范围内无线传感器网络节点的低电量报警信号，平台 内置控制中枢根据接收到的无线传感器网络节点的数量和空间坐标，智能规划 无人机工作路径，将生成无人机工作路径的地图发送到无人机控制模块中，接 收到命令的无人机根据无人机工作路径从无人机启停无线充电平台起飞，无人 机从所述机载定位模块接收飞行动作调整指令，根据飞行动作调整指令控制各 个电机的转动速度，对无人机的航线进行实时校正，飞到发出低电量报警信号 的无线传感器网络节点处，机载无线充电装置对搭载了无线能量接收装置的无 线传感器节点进行充电，当发出低电量报警信号的无线传感器网络节点数依次 完成充电任务后，无人机返回无人机启停无线充电平台。或者中途无人机电量 不足可先返回平台充电，再继续执行任务，报警节点的状态数据、无人机飞行 路径、无人机实时状态等数据均由控制中枢上传云端服务器，维护人员可在云 端查看系统的工作状态，方便对系统进行定期维护。
具体来说，所述无人机无论是无人机种类不限，本实施例中为旋翼无人机。 所述无人机数量不限,本实施例中为三个，每个分配120°扇形工作空间。
具体来说，所述无人机控制模块硬件组成类型不限，本实施例中无人机控 制模块功能包括电源模块、微处理单元及电机控制模块，由电源模块为微处理 单元及电机控制模块提供工作电压，微处理单元按照工作路径和接收飞行动作 调整指令，来驱动电机控制模块。所述机载无线充电装置可以是其它具有非接 触特性的充电技术，本实施例中为共振磁耦合方式。
所述无人机启停无线充电平台结构不限，本实施例中为具有天窗遮挡结 构、无线充电功能和覆盖太阳能板的无人机启停平台。所述通信模块类型不限， 本实施例中为4G/GPRS模块。所述平台内置控制中枢硬件电路类型不限，本实 施例中为基于ARM芯片的嵌入式系统。所述云端服务器实现方式不限，本实施 例中为基于Java开发的云端服务器。所述机载定位模块硬件电路类型不限， 本实施例中为基于SKM66GPS模块的嵌入式系统。
综上所述，本发明提出的基于无人机自动巡航的可移动无线充电系统能适 应多场景进行高效率、远距离、智能化无线电能传输，现场无需人为干涉，避 免了维护人员直面极端环境和高空作业的危险，供能受周围环境的限制较小， 可以稳定高效地为无线传感器网络的内置电池进行远距离和智能化充电。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此 构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (4)
1.一种基于无人机自动巡航的可移动无线充电系统，其特征在于：采用具有自主规划路径功能的无人机作为无线充电设备的移动手段，为大规模布置无线传感器网络的应用场合的内置电池进行充电；系统包括无人机控制模块、机载定位模块、机载无线充电装置、无人机启停无线充电平台、通信模块、平台内置控制中枢、云端服务器；所述无人机控制模块、机载定位模块以及机载无线充电装置均设置于无人机上；
所述通信模块内置于所述无人机启停无线充电平台，所述通讯模块接收到所述通讯模块的信号覆盖范围内无线传感器网络节点的低电量报警信号，所述平台内置控制中枢根据接收到的无线传感器网络节点的数量和空间坐标，规划无人机工作路径，将生成无人机工作路径的地图发送到所述无人机控制模块中，接收到命令的无人机根据无人机工作路径从无人机启停无线充电平台起飞；无人机从所述机载定位模块接收飞行动作调整指令，根据飞行动作调整指令控制各个电机的转动速度，对无人机的航线进行实时校正，飞到发出低电量报警信号的无线传感器网络节点处，所述机载无线充电装置对搭载了无线能量接收装置的无线传感器节点进行充电；当发出低电量报警信号的无线传感器网络节点依次完成充电任务后，无人机返回无人机启停无线充电平台。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机自动巡航的可移动无线充电系统，其特征在于：无人机在充电期间电量不足时，先返回平台充电，再继续执行任务。
3.根据权利要求2所述的一种基于无人机自动巡航的可移动无线充电系统，其特征在于：发出低电量报警信号的无线传感器网络节点的状态数据和无人机飞行路径、无人机实时状态数据均由平台内置控制中枢上传所述云端服务器。
4.根据权利要求1所述的一种基于无人机自动巡航的可移动无线充电系统，其特征在于：所述无人机具体为旋翼无人机。
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