CN112109575A - 一种无人机的充电方法、装置和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种无人机的充电方法、装置和系统，其中，该方法包括：当接收到无人机发送的充电请求时，对所述无人机进行身份认证；如果身份认证通过，则根据所述无人机充电需求的相关因素，确定所述无人机的充电优先级；其中，所述相关因素包括所述无人机当前执行的任务信息、荷电状态和到充电范围的距离；确定所述充电优先级对应的目标充电轨道，并为所述无人机发送对应的充电飞行路径；如果检测到所述无人机按照所述充电飞行路径进入所述目标充电轨道，则控制发射天线阵列发送微波信号，以对所述无人机进行充电。通过采用上述技术方案，解决了无人机充电排队的问题，提升了充电效率。

Description

一种无人机的充电方法、装置和系统
技术领域
本发明实施例涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人机的充电方法、装置和系统。
背景技术
随着高新技术广泛应用于无人机，其在情报侦察、边境巡航、通信中继和信息对抗等方面的作用日渐突出。但由于电池容量的限制，无人机的续航时间、续航里程都不足以支撑无人机长时间、远距离执行任务。要想广泛应用无人机就需要利用能源供给技术，建立高效便捷的能源补充配套设施。
目前，无人机的充电技术包括有线充电、磁耦合充电和微波充电等。其中，有线充电不但操作麻烦，需要人员手动连接充电线路，不能解放人力，并且由于有线的连接，在户外长期作业时线缆有破损的风险，有极大的安全隐患。磁耦合式充电，尽管取消了线缆的束缚，但由于磁耦合式充电距离近，用这种充电方式需要无人机频繁起降，降低了工作效率，同时对于固定翼的无人机来说降落和起飞的跑道还对充电场地提出了新的要求，极为不便。微波式无线充电可以对无人机进行远距离输电，无人机在空中即可充电，无需降落。同时由于微波无线输能的技术特点，可以同时给多个无人机充电。但在充电平台数量有限的前提下，无人机充电需排队进行，影响了无人机的充电效率。
发明内容
本发明实施例公开一种无人机的充电方法、装置和系统，解决了无人机充电排队的问题，提升了充电效率。
第一方面，本发明实施例公开了一种无人机的充电方法，应用于发射控制端，该方法包括：
当接收到无人机发送的充电请求时，对所述无人机进行身份认证；
如果身份认证通过，则根据所述无人机充电需求的相关因素，确定所述无人机的充电优先级；其中，所述相关因素包括所述无人机当前执行的任务信息、荷电状态和到充电范围的距离；
确定所述充电优先级对应的目标充电轨道，并为所述无人机发送对应的充电飞行路径；
如果检测到所述无人机按照所述充电飞行路径进入所述目标充电轨道，则控制发射天线阵列发送微波信号，以对所述无人机进行充电；
其中，充电轨道为多级轨道，不同级别的充电轨道对应的天线子阵列的数量不同。
可选的，根据所述无人机充电需求的相关因素，确定所述无人机的充电优先级，包括：
对于任意一种相关因素，确定该相关因素相对于其他相关因素的相对优先级；
根据所述相对优先级对应的权重值，确定所述无人机的充电优先级。
可选的，对于任意一种相关因素，该相关因素包括分类后的多个子因素；
可选的，对于任意一个子因素，确定该子因素相对于其他子因素的相对优先级，所述相对优先级利用预设数字大小进行表示；
基于多个相对优先级，构建权重矩阵，所述权重矩阵中第i行与j列的元素为对应子因素的相对优先级之比；
相应的，根据相对优先级对应的权重值，确定所述无人机的充电优先级，包括：
确定所述权重矩阵的特征向量，并将所述特征向量中的元素作为各个子因素对应的权重值；
根据所述子因素对应的权重值，确定所述无人机的充电优先级。
可选的，在检测到所述无人机按照所述充电飞行路径进入所述目标充电轨道之前，所述方法还包括：
如果检到目标充电轨道中正在充电的无人机的数目达到了预设数目阈值，且当前待充电的无人机的优先级高于正在充电的无人机的优先级，则将该目标充电轨道上正在充电的无人机根据其优先级的大小进行充电轨道调整。
可选的，所述方法还包括：
确定无人机的位置，并根据所述位置调整微波发射方向。
可选的，所述方法还包括：
如果检测到充电异常，则根据充电异常状态从预设故障树中查找对应的故障原因；
其中，所述预设故障树是通过对不同故障进行分类后得到的。
对每台无人机的当前电量、充电巡航速度和微波发射功率进行显示。
第二方面，本发明实施例还提供了一种无人机的充电控制装置，该装置包括：
身份认证模块，被配置为当接收到无人机发送的充电请求时，对所述无人机进行身份认证；
充电优先级确定模块，被配置为如果身份认证通过，则根据所述无人机充电需求的相关因素，确定所述无人机的充电优先级；其中，所述相关因素包括所述无人机当前执行的任务信息、荷电状态和到充电范围的距离；
充电飞行路径发送模块，被配置为确定所述充电优先级对应的目标充电轨道，并为所述无人机发送对应的充电飞行路径；
充电模块，被配置为如果检测到所述无人机按照所述充电飞行路径进入所述目标充电轨道，则控制发射天线阵列发送微波信号，以对所述无人机进行充电；
其中，充电轨道为多级轨道，不同级别的充电轨道对应的天线子阵列的数量不同。
可选的，所述充电优先级确定模块，包括：
相对优先级确定单元，被配置为对于任意一种相关因素，确定该相关因素相对于其他相关因素的相对优先级；
充电优先级确定单元，被配置为根据所述相对优先级对应的权重值，确定所述无人机的充电优先级。
可选的，对于任意一种相关因素，该相关因素包括分类后的多个子因素；
相应的，所述相对优先级确定单元，具体被配置为：
对于任意一个子因素，确定该子因素相对于其他子因素的相对优先级，所述相对优先级利用预设数字大小进行表示；
基于多个相对优先级，构建权重矩阵，所述权重矩阵中第i行与j列的元素为对应子因素的相对优先级之比；
相应的，所述充电优先级确定单元，具体被配置为：
确定所述权重矩阵的特征向量，并将所述特征向量中的元素作为各个子因素对应的权重值；
根据所述子因素对应的权重值，确定所述无人机的充电优先级。
可选的，所述装置还包括：
充电轨道调整模块，被配置为在检测到所述无人机按照所述充电飞行路径进入所述目标充电轨道之前，如果检到目标充电轨道中正在充电的无人机的数目达到了预设数目阈值，且当前待充电的无人机的优先级高于正在充电的无人机的优先级，则将该目标充电轨道上正在充电的无人机根据其优先级的大小进行充电轨道调整。
可选的，所述装置还包括：
微波方向调整模块，被配置为：确定无人机的位置，并根据所述位置调整微波发射方向。
可选的，所述装置还包括：
故障检测模块，被配置为：如果检测到充电异常，则根据充电异常状态从预设故障树中查找对应的故障原因；
其中，所述预设故障树是通过对不同故障进行分类后得到的。
可选的，所述装置还包括：
显示模块，被配置为对每台无人机的当前电量、充电巡航速度和微波发射功率进行显示。
第三方面，本发明实施例还公开了一种无人机的充电系统，该系统包括：
地面充电平台和空中受电设备，其中，地面控制平台包括微波发射端和发射控制端，所述空中受电设备包括无人机和微波接收端；其中，
所述无人机，用于在检测到当前电量低于设定的电量时，向发射控制端发送充电请求和充电相关信息，所述充电相关信息包括身份信息、位置信息、电量信息和任务信息；
所述发射控制端，用于在接收到无人机发送的充电请求时，根据所述身份信息对所述无人机进行身份认证；如果身份认证通过，则根据所述无人机充电需求的相关因素，确定所述无人机的充电优先级，并根据所述充电优先级为所述无人机选择对应的充电飞行路径和目标充电轨道；
所述无人机，用于按照所述充电飞行路径进入所述目标充电轨道；
所述发射控制端，如果检测到所述无人机进入所述目标充电轨道，则根据所述充电优先级控制微波发射端中的发射天线阵列发送微波信号；
所述无人机，在所述目标充电轨道上，通过微波接收端中的接收天线，接收所述微波信号，以进行充电；
其中，充电轨道为多级轨道，不同级别的充电轨道对应的天线子阵列的数量不同。
本发明实施例提供的技术方案，通过根据无人机当前执行的任务信息、荷电状态和到充电范围的距离，可确定无人机的充电优先级，从而可为该无人机选择与其充电优先级对应的目标充电轨道，解决了无人机充电排队的问题，提高了无人机的充电效率。
本发明的发明点包括：
1、通过根据无人机当前执行的任务信息、荷电状态和到充电范围的距离，可确定无人机的充电优先级，从而可为该无人机选择与其充电优先级对应的目标充电轨道，解决了无人机充电排队的问题，提高了无人机的充电效率，是本发明的发明点之一。
2、将充电轨道设计为多级轨道，不同级别的充电轨道对应的天线子阵列的数量不同，从而导致不同级别的充电轨道的充电速度不同，使得优先级高的无人机能够得到快速充电，是本发明的发明点之一。
3、当检测到无人机进入目标充电轨道时，根据无人机的飞行位置控制发射天线阵列定向发射微波，以聚焦到每一架无人机的接收天线上，并根据无人机位置的移动调整微波发射方向，从而保证无人机全程处于高效充电状态，进一步提高了无人机的充电效率，是本发明的发明点之一。
4、通过微波发射功率与接收功率的效率与给定公式来检测无人机在充电过程中效率是否过低，并及时调整无人机的飞行轨道，解决了无人机充电效率低的问题，是本发明的发明点之一。
5、在充电过程中，可根据电池的温度、荷电状态和健康状态所对应的充电能力计算出当前电池可接受的最大充电功率，从而可根据该最大充电功率调整发射天线的发射功率，以防止发射功率过大或过小，从而使充电效率达到最优，是本发明的发明点之一。
6、将发射端天线设计为半32面体，每一面均由方向回溯天线构成，从而可360°无死角对无人机进行远距离无线充电，改善微波无线充电的动态追踪和充电范围小的问题，是本发明的发明点之一。
7、发射天线采用双馈微带双极化天线作为天线单元，每个天线单元的两个馈电端口互为收发端口，收发极化正交，采用差分馈电技术提高天线的隔离度。此外，天线单元由4个同轴馈电端口，四个半波长谐振器以及一个开槽辐射贴片构成天线每两个相对的端口连接一个180°移相功分器，功分器的端口为天线实际上的馈电端口。这样设置，当从一个未知的目标接收到无人机的位置信号后，天线能自动转发一束电磁波对准无人机的位置，而不需要提前知道无人机的位置信息，是本发明的发明点之一。
8、发射端天线采用多角度聚焦阵列天线设计，使用时频高效适量调制技术对发射天线进行设计，可以将多个天线单元发射的微波聚焦在一点，以达到改变充电功率的目的，解决了无线充电时只能用一种功率充电，无法改变充电功率的大小的问题，是本发明的发明点之一。
9、接收天线选用低剖面接近平面天线的柱面微带贴片阵列天线，以贴片的形式共形于机翼下，形成紧密排列，解决了接收天线带来的无人机气阻大负载压力大的问题，是本发明的发明点之一。
10、提供了一种可视化的操作展示界面，展示了无人机的充电情况、每台无人机的当前电量、充电巡航速度和微波发射功率，并可以采集存储微波发射功率的数据和采样频率，以对无人机的充电状态进行实时监控，是本发明的发明点之一。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为本发明实施例提供的一种无人机的充电方法的流程示意图；
图1b为本发明实施例提供的一种微波无线充电示意图；
图1c为本发明实施例提供的一种发射天线的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种无人机的充电方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种无人机的充电方法的流程示意图；
图4a为本发明实施例提供的一种无人机的充电方法的流程示意图；
图4b为本发明实施例提供的一种无人机无线充电系统结构框图；
图5为本发明实施例一种无人机的充电装置的结构框图；
图6a为本发明实施例提供的一种无人机的充电系统的结构框图；
图6b为本发明实施例提供的一种发射端充电流程图；
图6c为本发明实施例提供的一种无人机充电流程图；
图6d为本发明实施例提供的无线充电系统显示界面示意图；
图6e为本发明实施例提供的一种故障树模型示意图。
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。
需要说明的是，本发明实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
请参阅图1a，图1a是本发明实施例提供的一种无人机的充电方法的流程示意图。该方法应用于无人机领域，可由无人机的充电装置来执行，该装置可通过软件和/或硬件的方式实现，一般可集成在无人机的发射控制端中。如图1a所示，本实施例提供的方法具体包括：
110、当接收到无人机发送的充电请求时，对无人机进行身份认证。
示例性的，无人机在执行任务过程中，当检测到当前电量低于设定的电量时，可通过通讯系统向发射控制端发送充电请求，并同时发送自身的ID号、位置信息、电量信息和任务信息等。发射控制端在接收到上述信息后，可根据无人机的ID号对无人机进行身份认证，例如，可在预设数据库中对该无人机的ID号进行检索，如果预设数据库中存在该ID号，则确认该无人机身份认证通过。
120、如果身份认证通过，则根据无人机充电需求的相关因素，确定无人机的充电优先级。
其中，相关因素包括无人机当前执行的任务信息、荷电状态和到充电范围的距离。其中，无人机当前执行的任务信息可按任务类型分为救援类任务，侦查、搜查类任务和巡逻类任务等。不同相关因素对应的充电优先级不同，例如救援类任务的优先级高于巡逻类任务的优先级；荷电状态是20％的无人机的充电优先级，高于荷电状态是50％的无人机的充电优先级；到充电范围的距离是6千米的无人机的充电优先级，低于到充电范围的距离是3千米的无人机的充电优先级。本实施例通过确定无人机的充电优先级，可为该无人机选择与其充电优先级对应的目标充电轨道，解决了无人机充电排队的问题，提高了无人机的充电效率，是本发明的发明点之一。
130、确定充电优先级对应的目标充电轨道，并为所述无人机发送对应的充电飞行路径。
本实施例中，充电轨道为多级轨道，不同级别的充电轨道对应的天线子阵列的数量不同，从而导致不同级别的充电轨道的充电速度不同，这样设置，可使得优先级高的无人机能够得到快速充电，是本发明的发明点之一。
示例性的，充电轨道的设计可根据充电距离、发射天线大小和无人机数量来调节。具体请参阅图1b，图1b为本发明实施例提供的一种微波无线充电示意图，如图1b所示，本实施例中，将充电轨道设计为快速充电轨道、中速充电轨道和高速充电轨道。其中，快速充电轨道飞行周期最短、距离发射天线最近，其距离为500米。无人机飞行在该轨道上充电时，可接收到的天线阵列块数最多、面积最大，同时微波在空间中的损耗也最小，因此无人机在该轨道充电最快。以此类推，中速充电轨道充电速度中等，距离微波发射天线的距离为750米。慢速充电轨道充电最慢，距离微波发射天线的距离最远，为1000米。本实施例中，可将充电优先级划分为三类，分别对应高速充电轨道、中速充电轨道和低速充电轨道。
本实施例中，在确定无人机的充电优先级之后，可为其选择相应的充电飞行路径，并将路径信息发送给无人机。无人机可按照该路径信息飞向目标充电轨道。在飞行过程中，无人机可以固定速度巡航并向发射控制端实时发送位置信息。
140、如果检测到无人机进入目标充电轨道，则控制发射天线阵列发送微波信号，以对无人机进行充电。
需要说明的是，当无人机根据充电飞行路径飞向目标充电轨道时，如果检测到目标充电轨道中正在充电的无人机的数目达到了预设数目阈值，且当前待充电的无人机的优先级高于正在充电的无人机的优先级，则将该目标充电轨道上正在充电的无人机根据其优先级的大小进行轨道调整，以使当前无人机在无需排队的情况下能够进入目标充电轨道进行充电，是本发明的发明点之一。例如，在当前无人机A对应的目标充电轨道a上，如果正在充电的无人机B的优先级小于当前无人机A的优先级，则将无人机B的充电轨道调整为比目标充电轨道a充电速率低一级的充电轨道b，例如，如果无人机A对应的目标充电轨道是高速充电轨道，则将无人机B的目标充电轨道调整为中速充电轨道。
还需要说明的是，如果当前无人机对应的目标充电轨道为低速充电轨道，且该低速充电轨道上正在充电的无人机的数目达到了预设数目阈值，且当前待充电的无人机的优先级高于正在充电的无人机的优先级，则控制该目标充电轨道上正在充电的无人机根据其优先级的大小飞离轨道进行排队，以使优先级高的当前待充电的无人机在无需排队的情况下能够进入目标充电轨道进行充电，是本发明的发明点之一。
本实施例中，当发射控制端检测到无人机进入与其优先级对应的目标充电飞行轨道时，根据无人机在目标充电轨道上的位置启动对应的天线阵列为无人机充电，从而可以使充电优先级高的无人机更快完成充电，以继续执行任务。此外，无人机在目标充电轨道巡航充电时，每隔一定周期可向发射控制端发送自身的电量信息和位置信息，辅助其无线充电，当检测到自身电量满足要求时，脱离充电轨道继续执行任务，是本发明的发明点之一。
具体的，在检测到无人机进入目标充电轨道时，可根据无人机的飞行位置控制发射天线阵列定向发射微波，以聚焦到每一架无人机的接收天线上，并根据无人机位置的移动调整微波发射方向，从而保证无人机全程处于高效充电状态，进一步提高了无人机的充电效率，是本发明的发明点之一。
优选的，图1c为本发明实施例提供的一种发射天线的结构示意图。如图1c所示，发射天线采用半三十二面体结构，每一面均由方向回溯天线构成，可360°无死角对无人机进行远距离无线充电，改善微波无线充电的动态追踪和充电范围小的问题。此外，该发射天线外安装有非金属保护壳，可以保护发射天线在户外使用免遭环境侵蚀，同时不会影响微波无线充电的效率，是本发明的发明点之一。
此外，发射天线采用双馈微带双极化天线作为天线单元。每个单元的两个馈电端口互为收发端口，收发极化正交。天线单元由四个同轴馈电端口，四个半波长谐振器以及一个开槽辐射贴片构成，天线单元每两个相对的端口连接一个180°移相功分器，功分器的端口为天线实际上的馈电端口。
进一步的，在天线单元设计的基础上，天线可采用阵列形式，例如，可选用16*16的阵列，按照1:2:1阵列分布进行设计构成发射天线阵列。
本实施例采用上述设计方式的好处在于，当从一个未知的目标接收到信号后，天线能自动转发一束电磁波对准来波方向，而不需要提前知道来波的位置信息，即无需提前知道无人机的位置信息，是本发明的发明点之一。此外，本实施例通过采用多角度聚焦阵列天线设计，使用时频高效适量调制技术对发射天线进行设计，可以将多个天线单元发射的微波聚焦在一点，以达到改变充电功率的目的，解决了无线充电时只能用一种功率充电，无法改变充电功率的大小的问题，是本发明的发明点之一。
本实施例提供的技术方案，通过根据无人机当前执行的任务信息、荷电状态和到充电范围的距离，可确定无人机的充电优先级，从而可为该无人机选择与其充电优先级对应的目标充电轨道，解决了无人机充电排队的问题，提高了无人机的充电效率。此外，通过将发射端天线设计为半32面体，每一面均由方向回溯天线构成，可360°无死角对无人机进行远距离无线充电，改善微波无线充电的动态追踪和充电范围小的问题。
实施例二
请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种无人机的充电方法的流程示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对无人机充电优先级的确定步骤进行了优化。如图2所示，该方法包括：
210、当接收到无人机发送的充电请求时，对无人机进行身份认证。
220、如果身份认证通过，则对于任意一种无人机充电需求的相关因素，确定该相关因素相对于其他相关因素的相对优先级。
其中，无人机充电需求的相关因素包括：无人机当前执行的任务信息、荷电状态和到充电范围的距离。将三种因素中的不同情况进行两两比较，可根据每种情况的相对优先级制定出相应的权重，即无人机的充电优先级将按照上述三中因素综合判断，来计算充电优先级大小。
示例性的，对于任意一种相关因素，该相关因素包括分类后的多个子因素。例如，无人机的任务信息按任务类型分为三类，第一类为救援类任务，第二类为侦查、搜查类任务，第三类为巡逻类；无人机的荷电状态以20％和50％作为分界线分为三类，分别是0-20％，20％-50％，50％-100％；无人机距充电范围的距离分为小于5km和大于5km划分为两类。
本实施例中，对于任意一种相关因素，确定该相关因素相对于其他相关因素的相对优先级，可包括：
对于任意一个子因素，确定该子因素相对于其他子因素的相对优先级，该相对优先级利用预设数字大小进行表示；基于多个相对优先级，构建权重矩阵，该权重矩阵中第i行与j列的元素为对应子因素的相对优先级之比，是本发明的发明点之一。
具体的，可根据实际应用需求规定每个子因素与其他子因素相比的相对优先级，即重要程度，例如，可用数字1-5来表示，并根据数字大小来规定重要程度。其中，1表示两种条件同等重要，5表示前者相较于后者重要，由此构建出一个8*8的权重矩阵，矩阵中的元素aij为i行与j列对应子因素的重要程度之比，具体请参见下表1。
Figure BDA0002676313490000101
表1权重矩阵表
Figure BDA0002676313490000102
230、根据相对优先级对应的权重值，确定无人机的充电优先级。
示例性的，在得到权重矩阵后，可确定权重矩阵的特征向量，并将特征向量中的元素作为各个子因素对应的权重值；根据权重值，可确定无人机的充电优先级。
具体的，可将矩阵各行向量
Figure BDA0002676313490000103
进行几何平均，然后进行归一化，即得到各个子因素所代表的权重和特征向量Wi，向量W即为矩阵的特征向量，其元素为对应的权重，具体公式如下：
Figure BDA0002676313490000111
Figure BDA0002676313490000112
Figure BDA0002676313490000113
具体的，如上表1所示的权重矩阵，其特征向量为W＝(0.4022，0.1238，0.0784，0.1838，0.0784，0.0508，0.0490，0.0337)T，其中的元素分别对应每个相关因素的权重大小。在实际应用中可根据实际情况更改其不同条件之间的重要程度，得到不同导向的充电优先级。
240、确定充电优先级对应的目标充电轨道，并为无人机发送对应的充电飞行路径。
250、如果检测到无人机进入目标充电轨道，则控制发射天线阵列发送微波信号，以对无人机进行充电。
本实施例在上述实施例的基础上，对无人机充电优先级的确定步骤进行了优化，通过将任务信息、荷电状态和到充电范围的距离这三种因素中的不同情况进行两两比较，可根据每种情况的相对优先级制定出相应的权重，从而确定无人机的充电优先级，解决了现有技术由于无法根据无人机的剩余电量、执行任务的重要程度进行充电优先级的判断，而导致排队充电的问题。
实施例三
请参阅图3，图3为本发明实施例提供的一种无人机的充电方法的流程示意图。本实施例在上述实施例的基础上进行了优化，如图3所示，该方法包括：
310、当接收到无人机发送的充电请求时，对无人机进行身份认证；
320、如果身份认证通过，则根据无人机充电需求的相关因素，确定无人机的充电优先级。
其中，相关因素包括无人机当前执行的任务信息、荷电状态和到充电范围的距离。
330、确定充电优先级对应的目标充电轨道，并为无人机发送对应的充电飞行路径。
340、如果检测到无人机按照充电飞行路径进入目标充电轨道，则控制发射天线阵列发送微波信号，以对无人机进行充电。
350、在充电过程中，确定无人机的位置，并根据该位置调整微波发射方向。
示例性的，无人机位置的确定可通过如下方式来实现：
将无人机在充电轨道上都设计成统一的续航速度，发射控制端即可根据无人机进入轨道时的位置信息推断其后续的位置，从而可以预设充电微波发射程序让天线发射微波跟随无人机。此外，发射控制端还可根据无人机发送的位置信息中的坐标进行定位。通过采用上述两种方式可得到无人机的准确位置，从而控制发射天线发射微波的方向，让发射天线发射的微波能更精确的动态追踪无人机，是本发明的发明点之一。
在确定无人机的位置后，发射控制端根据无人机的位置信息可控制发射天线阵列定向发射微波，聚焦到每一架无人机的接收天线上，并根据无人机位置的移动调整微波发射方向，从而保证无人机全程处于高效充电状态中，是本发明的发明点之一。
进一步的，在充电过程中，发射控制端可接收无人机发送的最大充电功率，并根据该最大充电功率调整发射天线的发射功率，以防止发射功率过大或过小，从而使充电效率达到最优。其中，最大充电功率可由无人机根据电池的温度、荷电状态和健康状态所对应的充电能力计算得到，是本发明的发明点之一。
进一步的，在充电过程中，如果检测到充电异常，则根据充电异常状态从预设故障树中查找对应的故障原因；其中，预设故障树是通过对不同故障进行分类后得到的，是本发明的发明点之一。
进一步的，在充电过程中，可对每台无人机的当前电量、充电巡航速度和微波发射功率进行显示，以实现对充电过程的实施监控，是本发明的发明点之一。
本实施例在上述实施例的基础上，通过根据无人机位置的移动调整微波发射方向，从而保证无人机全程处于高效充电状态中。此外，通过根据最大充电功率来调整发射天线的发射功率，可以防止发射功率过大或过小，从而使充电效率达到最优。
实施例四
请参阅图4a，图4a为本发明实施例提供的一种无人机的充电方法的流程示意图。该方法应用于无人机领域，可由无人机的充电装置来执行，该装置可通过软件和/或硬件的方式实现，一般可集成在无人机中。如图4a所示，本实施例提供的方法具体包括：
410、当检测到当前电量低于设定的电量时，向发射控制端发送充电请求和充电相关信息。
其中，充电相关信息包括身份信息、位置信息、电量信息和任务信息。
420、按照发射控制端发送的充电飞行路径进入目标充电轨道。
其中，目标充电轨道与无人机的充电优先级相对应，充电优先级是在无人机身份认证通过后，根据无人机充电需求的相关因素确定的，其具体确定方式可参见上述实施例，此处不再赘述。
430、在目标充电轨道上，通过接收天线，接收发射天线阵列所发送的微波信号，以进行充电。
其中，接收天线为柱面微带贴片阵列天线。接收天线内表面为接地板，外表面为金属贴片与馈电网络，中间为介质板。该接收天线的阵列单元是切槽后的矩形贴片，该天线通过微带线进行馈电，由功率器将能量等分于四个单元上，四个单元为一组将贴片共性与机翼的下表面。该接收天线有效口径可以为2平方米。上述设置，解决了接收天线带来的无人机气阻大负载压力大的问题，是本发明的发明点之一。
进一步的，在无人机充电期间，每隔一定周期向发射控制端发送位置信息和电量信息，如果无人机检测到电量过低，则继续在充电轨道飞行充电。如果无人机检测到电量已充到设定阈值，则返航继续执行任务。
进一步的，在无人机充电过程中，无人机端可根据其接收功率与发射端的发射功率，计算微波信号的实际传输效率，如果确定出实际传输效率与理想传输效率之间的差异大于预设差异阈值，则对无人机的飞行轨道进行校正，是本发明的发明点之一。
具体的，可按照如下公式确定微波信号的实际传输效率和理想传输效率：
Figure BDA0002676313490000131
其中，η1为微波信号的实际传输效率；η2为微波信号的理想传输效率；Pt为发射天线的发射功率；Pr为无人机的接收功率；Gt为发射天线增益；Aer为接收天线的有效口径；r为无人机与发射天线的距离。
本实施例中，如果实际传输效率与理想传输效率之间的差异大于预设差异阈值，则说明实际充电时发射天线的增益过低，说明此时接收天线与发射天线并未对准，则立刻检测无人机是否处于正确的飞行轨道上。
具体的，微波发射天线与高速充电轨道的距离为500米、与中速充电轨道的距离750米，与低速充电轨道的距离为1000米。发射天线总增益为52dB，接收天线有效口径为2平方米。根据上述理想传输效率公式，可得出：对于在高速充电轨道上的第一架无人机，微波信号的理想传输效率为10.1％，对于在中速充电轨道上的第二架无人机，微波信号的理想传输效率为4.5％，对于在低速充电轨道上的第三架无人机，微波信号的理想传输效率为2.5％。
此外，当第一架无人机根据自身电池情况所需求的充电功率为400瓦，第二架无人机根据自身电池情况所需求的充电功率为360瓦，第三架无人机根据自身电池情况所需求的充电功率为300瓦时，上述实际传输效率公式中，发射端对第一架无人机发射的功率为3960瓦、对第二架无人机的发射功率为8000瓦，对第三架无人机的发射功率为12000瓦，而第一架无人机检测到的充电功率为375瓦，第二架无人机检测到的充电功率为320瓦，第三架无人机检测到的充电功率为120瓦。根据上述实际传输效率公式，可得出：对于第一架无人机，微波信号的实际传输效率为9.5％，对于第二架无人机，微波信号的实际传输效率为4％，对于第三架无人机，微波信号的实际传输效率为1％。对于上述三架无人机，通过分别计算器微波信号的实际传输效率与理想传输效率之差，可得出：第三架无人机对应的实际传输效率与理想传输效率之间的差异大于预设差异阈值(一般为1％)，此时，说明该第三架无人机需要进行飞行轨道校正。
图4b为本发明实施例提供的一种无人机无线充电系统结构框图，如图4b所示，在天线发射端接入接市电后，经微波功率发生器将电信号转变为微波信号，并通过发射天线向外辐射。待充电设备的接收天线接收微波信号，并通过阻抗匹配和整流稳压模块将微波信号转换为电压信号，对电池充电。
在充电过程中，电池管理系统可采集电池的温度T、电流I和电压U，并可将电池的温度、荷电状态(State of charge，SOC)和健康状态(State Of Health，SOH)所对应的充电能力发送给无人机的飞行控制系统，飞行控制系统可根据电池管理系统发送的电池的温度、荷电状态和充电能力，确定无人机的最大充电功率，即图4b中的需求发射功率，也即上述公式中的Pr。在计算出最大充电功率后，飞行控制系统可将该最大充电功率发送给发射控制端，发射控制端通过微波功率控制器来调整发射天线的发射功率，以防止发射功率过大或过小，从而使充电效率达到最优，是本发明的发明点之一。其中，电池的温度、荷电状态、健康状态与充电能力的关系曲线由电池本身所决定，可由电池厂家测得给出。
本实施例提供的技术方案，当检测到当前电量低于设定的电量时，向发射控制端发送充电请求和充电相关信息，如果接收到发射控制端发送的充电飞行路径，则可按照该充电飞行路径进入目标充电轨道。由于该目标充电轨道与无人机的充电优先级相对应，且该充电优先级根据无人机充电需求的相关因素确定的，因此，对于优先级较高的无人机可在对应的目标充电轨道上得到快速充电，解决了无人机充电排队的问题，提高了充电效率。此外，无人机可通过微波发射功率与接收功率的给定公式来检测无人机在充电过程中效率是否过低，并及时调整无人机的飞行轨道，解决了无人机充电效率低的问题。
实施例五
图5为本发明实施例一种无人机的充电装置的结构框图，如图5所示，该装置包括：身份认证模块510、充电优先级确定模块520、充电飞行路径发送模块530和充电模块540，其中，
身份认证模块510，被配置为当接收到无人机发送的充电请求时，对所述无人机进行身份认证；
充电优先级确定模块520，被配置为如果身份认证通过，则根据所述无人机充电需求的相关因素，确定所述无人机的充电优先级；其中，所述相关因素包括所述无人机当前执行的任务信息、荷电状态和到充电范围的距离；
充电飞行路径发送模块530，被配置为确定所述充电优先级对应的目标充电轨道，并为所述无人机发送对应的充电飞行路径；
充电模块540，被配置为如果检测到所述无人机按照所述充电飞行路径进入所述目标充电轨道，则控制发射天线阵列发送微波信号，以对所述无人机进行充电。
可选的，所述充电优先级确定模块，包括：
相对优先级确定单元，被配置为对于任意一种相关因素，确定该相关因素相对于其他相关因素的相对优先级；
充电优先级确定单元，被配置为根据所述相对优先级对应的权重值，确定所述无人机的充电优先级。
可选的，对于任意一种相关因素，该相关因素包括分类后的多个子因素；
相应的，所述相对优先级确定单元，具体被配置为：
对于任意一个子因素，确定该子因素相对于其他子因素的相对优先级，所述相对优先级利用预设数字大小进行表示；
基于多个相对优先级，构建权重矩阵，所述权重矩阵中第i行与j列的元素为对应子因素的相对优先级之比；
相应的，所述充电优先级确定单元，具体被配置为：
确定所述权重矩阵的特征向量，并将所述特征向量中的元素作为各个子因素对应的权重值；
根据所述子因素对应的权重值，确定所述无人机的充电优先级。
可选的，所述装置还包括：
充电轨道调整模块，被配置为在检测到所述无人机按照所述充电飞行路径进入所述目标充电轨道之前，如果检到目标充电轨道中正在充电的无人机的数目达到了预设数目阈值，且当前待充电的无人机的优先级高于正在充电的无人机的优先级，则将该目标充电轨道上正在充电的无人机根据其优先级的大小进行充电轨道调整。
可选的，所述装置还包括：
最大充电功率确定模块，被配置为根据无人机发送的电池的温度、荷电状态和充电能力，确定无人机的最大充电功率；
发射功率调整模块，被配置为根据所述最大充电功率调整发射天线的发射功率。
可选的，所述装置还包括：
实际传输效率确定模块，被配置为在充电过程中，根据无人机的接收功率与发射端发射的功率，计算微波信号的实际传输效率；
飞行轨道校正模块，被配置为确定所述实际传输效率与理想传输效率之间的差异；如果所述差异大于预设差异阈值，则对所述无人机的飞行轨道进行校正。
可选的，按照如下公式确定微波信号的实际传输效率和理想传输效率：
Figure BDA0002676313490000161
其中，η1为微波信号的实际传输效率；η2为微波信号的理想传输效率；Pt为发射天线的功率；Pr为微波信号的接收功率；Gt为发射天线增益；Aer为接收天线的有效口径；r为无人机与发射天线的距离。
本发明实施例所提供的无人机的充电装置可执行本发明任意实施例所提供的无人机的充电方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在上述实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例所提供的无人机的充电方法。
实施例六
图6a为本发明实施例提供的一种无人机的充电系统的结构框图。如图6a所示，该系统包括地面充电平台610和空中受电设备620；其中，地面控制平台610包括微波发射端611和发射控制端612，空中受电设备620包括无人机621和微波接收端622；其中，
无人机621，用于在检测到当前电量低于设定的电量时，向发射控制端612发送充电请求和充电相关信息，该充电相关信息包括身份信息、位置信息、电量信息和任务信息；
发射控制端612，用于在接收到无人机发送的充电请求时，根据无人机的身份信息对无人机进行身份认证；如果身份认证通过，则根据无人机充电需求的相关因素，确定无人机的充电优先级，并根据充电优先级为无人机选择对应的充电飞行路径和目标充电轨道；
无人机621，用于按照充电飞行路径进入目标充电轨道；
发射控制端612，如果检测到无人机进入目标充电轨道，则根据充电优先级控制微波发射端中的发射天线阵列发送微波信号；
无人机621，在目标充电轨道上，通过微波接收端中的接收天线，接收微波信号，以进行充电。
本实施例中，发射天线和接收天线的具体设计结构可参照上述实施例的说明，本实施例不再赘述。
具体的，图6b为本发明实施例提供的一种发射端充电流程图，图6c为本发明实施例提供的一种无人机充电流程图。如图6b所示，从发射端总控平台来看，当其识别无人机身份正确后，收到无人机的充电请求后，根据无人机所发送的位置信息、电量信息、任务信息判断其充电优先等级，然后根据当前无人机充电数量，为无人机规划充电巡航路径，之后无人机按照指示进入到充电轨道后，为其充电。每隔一定周期，发射端总控平台会收到无人机发送过来的位置和电量信息对自身微波发射方向进行校正，并根据无人机电量进行判断，若无人机电量未达到充电完成标准则继续充电，若达到了充电标准，则停止充电。如图6c所示，当无人机执行任务中检测到电量过低，向发射端发送ID号和充电请求，并发送位置信息、任务信息、电量信息，之后按照发射端总控平台给出的充电飞行轨道进行匀速巡航充电，充电期间每隔一定周期向发射端总控平台发送位置信息和电量信息的同时，检测自身电量是否满足结束充电标准，若不满足则继续巡航充电，满足则脱离充电轨道执行任务。
进一步的，发射控制端612包括显示界面，图6d为本发明实施例提供的无线充电系统显示界面示意图，如图6d所示，该显示界面用于对正在充电的无人机数量、每台无人机的当前电量、剩余电量、充电巡航速度和微波发射功率进行显示，以对无人机的充电情况进行实时监控。并且，也可以采集存储微波发射功率的数据和采样频率进行显示，是本发明的发明点之一。
进一步的，本实施例中，发射控制段还具有故障诊断和故障监控功能，具体可通过如下方式来实现：
当系统发现电池无法充电时，系统自动记录故障状态，然后选取具有即时的特征参数Mi，再基于构建好的故障树模型对故障进行自动分类选择，以及时找出故障的原因，即故障类型Xi，从而实现充电故障的快速诊断，是本发明的发明点之一。其中，故障树模型是通过对不同故障进行分类后得到的。
具体的，图6e为本发明实施例提供的一种故障树模型示意图，如图6e所示，当判断出电池无法充电时，可从如图6e所示的故障树模型中确定故障状态是微波传输异常，还是接收单元异常，或者是电池异常；如果是微波传输异常，在得到特征参数M1后，则可进一步确定是无人机偏离轨道还是波束追踪延迟。
本实施例提供的无人机充电系统，包括微波发射端、发射控制端、无人机和微波接收端。其中，发射控制端根据无人机当前执行的任务信息、荷电状态和到充电范围的距离，可确定无人机的充电优先级，从而可为该无人机选择与其充电优先级对应的目标充电轨道。无人机按照充电飞行路径进入目标充电轨道后，可通过微波接收端中的接收天线接收微波信号，已进行充电。本实施例这样设置解决了无人机充电排队的问题，提高了无人机的充电效率。此外，本实施例提供的发射控制端中的可视化的操作展示界面，展示了无人机的充电情况、每台无人机的当前电量、充电巡航速度、微波发射功率以及充电平台的实时监控，可以采集存储微波发射功率的数据和采样频率。
在本发明的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
在本发明所提供的实施例中，应理解，“与A相应的B”表示B与A相关联，根据A可以确定B。但还应理解，根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其他信息确定B。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
上述集成的单元若以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可获取的存储器中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或者部分，可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干请求用以使得一台计算机设备(可以为个人计算机、服务器或者网络设备等，具体可以是计算机设备中的处理器)执行本发明的各个实施例上述方法的部分或全部步骤。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存储器(Random Access Memory，RAM)、可编程只读存储器(Programmable Read-only Memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM)、一次可编程只读存储器(One-time Programmable Read-Only Memory，OTPROM)、电子抹除式可复写只读存储器(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)、只读光盘(CompactDisc Read-Only Memory，CD-ROM)或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他介质。
以上对本发明实施例公开的一种无人机的充电方法、装置和系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种无人机的充电方法，应用于发射控制端，其特征在于，包括：
当接收到无人机发送的充电请求时，对所述无人机进行身份认证；
如果身份认证通过，则根据所述无人机充电需求的相关因素，确定所述无人机的充电优先级；其中，所述相关因素包括所述无人机当前执行的任务信息、荷电状态和到充电范围的距离；
确定所述充电优先级对应的目标充电轨道，并为所述无人机发送对应的充电飞行路径；
如果检测到所述无人机按照所述充电飞行路径进入所述目标充电轨道，则控制发射天线阵列发送微波信号，以对所述无人机进行充电；
其中，充电轨道为多级轨道，不同级别的充电轨道对应的天线子阵列的数量不同。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述无人机充电需求的相关因素，确定所述无人机的充电优先级，包括：
对于任意一种相关因素，确定该相关因素相对于其他相关因素的相对优先级；
根据所述相对优先级对应的权重值，确定所述无人机的充电优先级。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对于任意一种相关因素，该相关因素包括分类后的多个子因素；
相应的，对于任意一种相关因素，确定该相关因素相对于其他相关因素的相对优先级，包括：
对于任意一个子因素，确定该子因素相对于其他子因素的相对优先级，所述相对优先级利用预设数字大小进行表示；
基于多个相对优先级，构建权重矩阵，所述权重矩阵中第i行与j列的元素为对应子因素的相对优先级之比；
相应的，根据相对优先级对应的权重值，确定所述无人机的充电优先级，包括：
确定所述权重矩阵的特征向量，并将所述特征向量中的元素作为各个子因素对应的权重值；
根据所述子因素对应的权重值，确定所述无人机的充电优先级。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，在检测到所述无人机按照所述充电飞行路径进入所述目标充电轨道之前，所述方法还包括：
如果检到目标充电轨道中正在充电的无人机的数目达到了预设数目阈值，且当前待充电的无人机的优先级高于正在充电的无人机的优先级，则将该目标充电轨道上正在充电的无人机根据其优先级的大小进行充电轨道调整。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
确定无人机的位置，并根据所述位置调整微波发射方向。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
如果检测到充电异常，则根据充电异常状态从预设故障树中查找对应的故障原因；
其中，所述预设故障树是通过对不同故障进行分类后得到的。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对每台无人机的当前电量、充电巡航速度和微波发射功率进行显示。
8.一种无人机的充电控制装置，其特征在于，包括：
身份认证模块，被配置为当接收到无人机发送的充电请求时，对所述无人机进行身份认证；
充电优先级确定模块，被配置为如果身份认证通过，则根据所述无人机充电需求的相关因素，确定所述无人机的充电优先级；其中，所述相关因素包括所述无人机当前执行的任务信息、荷电状态和到充电范围的距离；
充电飞行路径发送模块，被配置为确定所述充电优先级对应的目标充电轨道，并为所述无人机发送对应的充电飞行路径；
充电模块，被配置为如果检测到所述无人机按照所述充电飞行路径进入所述目标充电轨道，则控制发射天线阵列发送微波信号，以对所述无人机进行充电；
其中，充电轨道为多级轨道，不同级别的充电轨道对应的天线子阵列的数量不同。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述充电优先级确定模块，包括：
相对优先级确定单元，被配置为对于任意一种相关因素，确定该相关因素相对于其他相关因素的相对优先级；
充电优先级确定单元，被配置为根据所述相对优先级对应的权重值，确定所述无人机的充电优先级。
10.一种无人机的充电系统，其特征在于，包括：地面充电平台和空中受电设备，其中，地面控制平台包括微波发射端和发射控制端，所述空中受电设备包括无人机和微波接收端；其中，
所述无人机，用于在检测到当前电量低于设定的电量时，向发射控制端发送充电请求和充电相关信息，所述充电相关信息包括身份信息、位置信息、电量信息和任务信息；
所述发射控制端，用于在接收到无人机发送的充电请求时，根据所述身份信息对所述无人机进行身份认证；如果身份认证通过，则根据所述无人机充电需求的相关因素，确定所述无人机的充电优先级，并根据所述充电优先级为所述无人机选择对应的充电飞行路径和目标充电轨道；
所述无人机，用于按照所述充电飞行路径进入所述目标充电轨道；
所述发射控制端，如果检测到所述无人机进入所述目标充电轨道，则根据所述充电优先级控制微波发射端中的发射天线阵列发送微波信号；
所述无人机，在所述目标充电轨道上，通过微波接收端中的接收天线，接收所述微波信号，以进行充电；
其中，充电轨道为多级轨道，不同级别的充电轨道对应的天线子阵列的数量不同。
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