CN112290697B - 适用于长航时无人机的激光充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于长航时无人机的激光充电方法，根据无人机长航时的电能需求，设置固定激光充电基站和移动激光充电基站。当无人机需要充电时，根据其GPS提供的坐标位置，自动匹配适合的充电基站。当无人机飞临基站时，无人机通过RFID与基站建立通讯链路，基站发射的激光束对准无人机机载太阳能电池板，无人机上电池板所固连的云台来配合进行光束对准，激光束垂直的照射到电池板产生电能进而充电。本发明可以进行无线的远距离的给无人机实时充电，通过对无人机工作区域网格化坐标设置，动态规划无人机充电策略，进而提高无人机续航时间。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术，具体涉及一种适用于长航时无人机的激光充电方法。
背景技术
目前，长航时无人机续航的能源补充主要通过三种方式：系留电缆、氢能发电、太阳能发电。其中系留电缆顾名思义就是通过一根直通地面的电缆连接无人机上。系留电缆中含有电力导线，缆中电力导线从地面设施向无人机提供电能。这种方式的优缺点都很明显：优点是简单、高效；缺点是限制多，无人机飞行距离、高度都受限；还有雷击的危险。氢能发电就是氢燃料电池。装备燃料电池的无人机一般采用氢气作为能源，将氢气的化学能转化为电能为无人机动力系统提供功率。航空用燃料电池具有转换效率高、功重比高、能量密度大等特点。但是氢燃料电池也存在续航能力的问题，且存储氢气的气瓶也增加了飞行的载荷。
太阳能发电用太阳辐射作为能量来源,通过太阳能电池将太阳能转换为电能，配合储能为无人机提供动力。传统的太阳能光伏系统，采用大面积的电池阵可以更有效的吸收太阳能的辐照,但是会大大增加无人机的体积与载荷。这里利用激光方向性好，能量集中等特点，用激光照射太阳能电池板，大量光能可集中在一极小空间范围被接收。因此激光充电的输电方法具有传输距离远、传输效率高、接收装置小、适合小型电子设备使用等优点，对微型飞行器、微小卫星、航天器等进行远程电力传输具有独特的应用价值。
考虑到无人机需要在一个较大的范围内的应用，特设置了固定式、移动式两种激光充电基站。根据无人机工作情况以及现场地理条件，实时选择不同的基站进行电能补充，从而做到无人机的长航时飞行。
中国专利201811229530.8公开了《一种长航时无人机及应用方法》，这种设计是前面提到的采用系留电缆的方式给无人机补能。虽然实现起来非常便捷但是由于电缆的长度只有十几米，大大限制了无人机的使用。
中国专利201711326659.6公开了《一种长航时无人机及其工作方法》，该设计是无人机内设有发动机和控制模块，以及与该控制模块电性连接的风力传感器、速度传感器；所述控制模块适于通过风力传感器和速度传感器判断无人机处于顺风飞行状态或者逆风飞行状态，即在顺风时，所述控制模块适于将发动机输出的多余电能发送至蓄电池进行存储，进而起到回收能量的作用，以延长无人机飞行航时的目的。这其实是对风能的一种利用。但是无人机在高空飞行时情况很复杂，利用风力的变化来调节无人机发动机的能量输出只是理论可行。况且航时提高也是有限的，只是回收节约能源并不能额外补充能源。
中国专利201711419530.X公开了《一种中空长航时无人机任务规划系统》，该设计是一种无人机任务的规划。就是根据数据库里工作任务区域的地理信息、任务类别以及无人机遥感数据等，自动规划无人机航路、载荷等。这种系统实现起来难度很大，因为任务区域往往是动态变化的，其地理、气象信息数据量极大，无人机各项性能参数在这个系统里是固化的，这样一旦模型建立，受外界条件(大风、地面观测动态需求)影响下的无人机性能无法完成任务要求时，则整个系统就无法有效运行。且系统也没有补充能源的考虑，因此局限性很大。
中国专利201721275533.6公开了《一种长航时太阳能无人机》，无人机机翼上覆盖太阳能电池板，能源控制系统由时钟电路、复位电路、光照检测电路、单片机和用于控制太阳能电池板向储能电池充电的开关控制电路组成，太阳能电池板分两路输出，一路输出至动力执行单元，另一路输出至储能电池，储能电池向动力执行单元供电。这种无人机完全依靠太阳辐射作为能量来源，因此对太阳能电池板面积有较高的要求，无人机尺寸需做的很大。而且低空飞行时由于存在云系遮挡问题，这种无人机只适用于高空飞行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于长航时无人机的激光充电方法，根据无人机电能需求及空中位置，设置一组地面激光充电基站，地面激光充电基站发射激光束对准空中无人机机载太阳能电池板，激光束照射电池板产生电能进而充电。
实现本发明目的的技术解决方案为：一个适用于长航时无人机的激光充电方法，方法步骤如下：
步骤1、搭建长航时无人机的激光充电基站：
所述激光充电基站采用固定激光充电基站和移动激光充电基站，激光充电基站包括激光器、第一聚焦透镜、扩束透镜、光阑、振镜、激光器云台；第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、光阑共光轴设置，并将它们固定在激光器云台上的燕尾槽中，振镜设置在光阑的出光光路上，且激光器和振镜均固定在激光器云台上，通过调节振镜倾角以调节激光光路方向；
步骤2、在振镜、激光器云台、无人机云台控制下，将激光器发射出的光束通过聚焦、扩束对准太阳能电池阵；
步骤3、当无人机运动时，无人机上的太阳能电池阵随之一起运动，充电时振镜、激光器云台、无人机云台共同作用对无人机上的太阳能电池阵进行跟瞄；
步骤4、通过GPS记录激光充电基站的坐标位置(x,y)，将无人机工作区域进行网格化划分，获得网格化地图；
步骤5、无人机起飞工作，当电压低于设定阈值时，通过网格化地图，计算此刻无人机坐标(x,y)到最近的某个固定激光充电基站坐标(xi,yi)的直线距离，若剩余电量能够满足飞行距离要求则径直去往该固定激光充电基站处；若无人机剩余电量不能满足飞行到最近固定激光充电基站要求时，则启动移动激光充电基站，设无人机实时坐标为(xa,ya)，移动激光充电基站坐标为(xb,yb)，最佳充电位置为(xi,yi)，转入步骤6；
步骤6、确定最佳充电位置(xi,yi)：
ta为无人机到达充电位置(xi,yi)的时间，tb为移动激光充电基站到达充电位置(xi,yi)的时间，va为无人机的平均速度，vb为移动激光充电基站的平均速度，设定有效充电范围为Rc；
最佳充电位置有以下三种情况：
1)ta＝tb，即无人机与移动激光充电基站同时到达充电位置，这是最佳的充电位置；
2)ta＞tb，即移动激光充电基站先于无人机到达充电位置，移动激光充电基站需要在该位置停留等待无人机到达，这也是两者最佳的充电位置；
3)ta＜tb，即无人机先于移动激光充电基站到达，此时由于无人机不能停顿，那么两者将不能进行充电，需要重新设定最临近的某一节点作为新的充电位置坐标(xi±1,yi±1)，遍历网格化地图上所有可能的坐标点，确定新的最佳充电位置坐标，无人机和移动激光充电基站前往该新的最佳充电位置坐标处，转入步骤7；
步骤7、移动激光充电基站上的RFID天线读取到无人机上的RFID卡，进而建立通讯，开始充电；等无人机充电完毕，无人机飞离开移动激光充电基站，恢复之前的巡航任务，移动激光充电基站上的RFID天线读取不到无人机上的RFID卡，进而关闭移动激光充电基站。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)利用激光光束照射太阳能电池板获得电能，能量通过无线方式进行传输，使用便捷；
(2)采用固定激光充电基站和移动激光充电基站，可以应对无人机不同位置、电量下的充电需求，设计的充电算法可以让无人机减少等待时间，提高了充电效率。
附图说明
图1是本发明所述的激光充电基站的原理示意图。
图2是本发明适用于长航时无人机的激光充电方法流程图。
图3是本发明适用于长航时无人机的网格化地图。
图4为本发明适用于长航时无人机的激光充电位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图2，本发明所述一种适用于长航时无人机的激光充电方法，实施步骤如下：
步骤1、搭建长航时无人机的激光充电系统(如图1所示)：
所述激光充电基站采用固定激光充电基站和移动激光充电基站，激光充电基站包括激光器1、第一聚焦透镜2、扩束透镜3、可调光阑4、振镜5、激光器云台6；第一聚焦透镜2、第二聚焦透镜3、光阑4共光轴设置，并将它们固定在激光器云台6上的燕尾槽中，振镜5设置在光阑4的出光光路上，且激光器1和振镜5均固定在激光器云台6上，通过调节振镜5倾角以调节激光光路方向。太阳能电池阵7固定在位于激光器云台6外的无人机云台上，无人机云台固定在无人机上。
激光器1采用波长为1060～1080nm的连续作用激光，其输出能量0～200W可调；第一聚焦透镜2焦距为10mm，第二聚焦透镜3焦距为250mm，光阑4直径1.5mm；第一聚焦透镜2接收由连续作用激光器1射入的连续激光；第二聚焦透镜3对经过第一聚焦透镜2的激光束进行扩束；再由可调光阑4对激光束进行调节，将光斑直径调整到1.5mm。这个在应用中可以根据激光器1到太阳能电池阵7的实际距离进行调节。本例中激光器1经过可调光阑4、振镜5到达太阳能电池阵7的距离为10米左右。连续作用的激光器1、第一聚焦透镜2、扩束透镜3、可调光阑4采用螺栓的方式连接在激光器云台6的燕尾槽内，且处于同一直线，振镜5安装在激光器云台上且位于可调光阑4出光光路上。激光器云台6有两部步进电机控制，分别可以做围绕激光器1出射光处为原点的水平方向的圆周运动，以及竖直方向的圆周运动，运动角度分别为±45°和±15°。安装时注意使调节各光学元件，确保所有光路元件在一条直线上，光斑在太阳能电池阵上均匀分布。无人机云台有两部步进电机控制，分别可以做围绕光斑中心为原点的水平方向的圆周运动，以及竖直方向的圆周运动，运动角度分别为±85°和±85°，确保光束与太阳能电池阵7垂直。
步骤2、在振镜5及激光器云台6、无人机云台控制下，将激光器1发射出的光束通过扩束和云台的姿态调整均匀且垂直的辐照在太阳能电池阵7上。
步骤3、当无人机运动时，无人机上的太阳能电池阵7随之一起运动，充电时基站的振镜5和激光器云台6、无人机云台共同作用对无人机上的太阳能电池阵7进行跟瞄。
步骤4、通过GPS记录激光充电基站的坐标位置(x,y)，将无人机工作区域进行网格化划分，获得网格化地图，如图3所示。
步骤5、无人机起飞工作，当电压低于设定阈值时。通过图3的网格化地图，计算此刻无人机坐标(x,y)到最近的某个固定激光充电基站坐标(xi,yi)的直线距离，若剩余电量能够满足飞行距离要求则径直去往该充电基站处；若无人机剩余电量不能满足飞行到最近固定激光充电基站要求时，则需启动移动激光充电基站，设无人机实时坐标为(xa,ya)，移动激光充电基站坐标为(xb,yb)，最佳充电位置为(xi,yi)，转入步骤6。
步骤6、确定最佳充电位置(xi,yi)，计算下列公式：
ta为无人机到达充电位置(xi,yi)的时间，tb为移动激光充电基站到达充电位置(xi,yi)的时间，va为无人机的平均速度，vb为移动激光充电基站的平均速度，设定有效充电范围为Rc。
结合图4，最佳充电位置有以下三种情况：
1)ta＝tb，这意味着无人机与充电站同时到达充电位置，这是最佳的充电位置。
2)ta＞tb，这意味着移动激光充电基站先于无人机到达充电位置，移动激光充电基站需要在该位置停留等待无人机到达，这也是两者最佳的充电位置。
3)ta＜tb，这意味着无人机先于充电站到达，此时由于无人机不能停顿，那么两者将不能进行充电，需要重新设定最临近的某一节点作为新的充电位置坐标(xi±1,yi±1)。遍历网格化地图上所有可能的坐标点，就确定了新的最佳充电位置坐标，无人机和移动激光充电基站前往该最佳充电位置坐标处，转入步骤7。
步骤7、移动激光充电基站上的RFID天线读取到无人机上的RFID卡，进而建立通讯，开始充电；等无人机充电完毕，无人机飞离开移动激光充电基站，恢复之前的巡航任务，移动激光充电基站上的RFID天线读取不到无人机上的RFID卡，进而关闭移动激光充电基站。
进一步地，上述步骤5中无人机最低电量必须保证空中悬停5分钟以上。
进一步地，移动激光充电基站为设置在可移动的载体上的激光充电基站。
进一步地，步骤5和步骤6中，无人机飞到激光充电基站坐标处充电，为距激光束出光位置3～5米处。
Claims (4)
1.一个适用于长航时无人机的激光充电方法，其特征在于，无人机云台上设有太阳能电池阵(7)，方法步骤如下：
步骤1、搭建长航时无人机的激光充电基站：
所述激光充电基站采用固定激光充电基站和移动激光充电基站，激光充电基站包括激光器(1)、第一聚焦透镜(2)、扩束透镜(3)、可调光阑(4)、振镜(5)、激光器云台(6)；第一聚焦透镜(2)、第二聚焦透镜(3)、光阑(4)共光轴设置，并将它们固定在激光器云台(6)上的燕尾槽中，振镜(5)设置在光阑(4)的出光光路上，且激光器(1)和振镜(5)均固定在激光器云台(6)上，通过调节振镜(5)倾角以调节激光光路方向；
步骤2、在振镜(5)、激光器云台(6)、无人机云台控制下，将激光器(1)发射出的光束通过聚焦、扩束对准太阳能电池阵(7)；
步骤3、当无人机运动时，无人机上的太阳能电池阵(7)随之一起运动，充电时振镜(5)、激光器云台(6)、无人机云台共同作用对无人机上的太阳能电池阵(7)进行跟瞄；
步骤4、通过GPS记录激光充电基站的坐标位置(x,y)，将无人机工作区域进行网格化划分，获得网格化地图；
步骤5、无人机起飞工作，当电压低于设定阈值时，通过网格化地图，计算此刻无人机坐标(x,y)到最近的某个固定激光充电基站坐标(xi,yi)的直线距离，若剩余电量能够满足飞行距离要求则径直去往该固定激光充电基站处；若无人机剩余电量不能满足飞行到最近固定激光充电基站要求时，则启动移动激光充电基站，设无人机实时坐标为(xa,ya)，移动激光充电基站坐标为(xb,yb)，最佳充电位置为(xi,yi)，转入步骤6；
步骤6、确定最佳充电位置(xi,yi)：
ta为无人机到达充电位置(xi,yi)的时间，tb为移动激光充电基站到达充电位置(xi,yi)的时间，va为无人机的平均速度，vb为移动激光充电基站的平均速度，设定有效充电范围为Rc；
最佳充电位置有以下三种情况：
1)ta＝tb，即无人机与移动激光充电基站同时到达充电位置，这是最佳的充电位置；
2)ta＞tb，即移动激光充电基站先于无人机到达充电位置，移动激光充电基站需要在该位置停留等待无人机到达，这也是两者最佳的充电位置；
3)ta＜tb，即无人机先于移动激光充电基站到达，此时由于无人机不能停顿，那么两者将不能进行充电，需要重新设定最临近的某一节点作为新的充电位置坐标(xi±1,yi±1)，遍历网格化地图上所有可能的坐标点，确定新的最佳充电位置坐标，无人机和移动激光充电基站前往该新的最佳充电位置坐标处，转入步骤7；
步骤7、移动激光充电基站上的RFID天线读取到无人机上的RFID卡，进而建立通讯，开始充电；等无人机充电完毕，无人机飞离开移动激光充电基站，恢复之前的巡航任务，移动激光充电基站上的RFID天线读取不到无人机上的RFID卡，进而关闭移动激光充电基站。
2.根据权利要求1所述的适用于长航时无人机的激光充电方法，其特征在于：上述步骤5中无人机最低电量必须保证空中悬停5分钟以上。
3.根据权利要求1所述的适用于长航时无人机的激光充电方法，其特征在于：所述移动激光充电基站为设置在可移动的载体上的激光充电基站。
4.根据权利要求1所述的适用于长航时无人机的激光充电方法，其特征在于：步骤5和步骤6中，无人机飞到激光充电基站坐标处充电，为距激光束出光位置3～5米处。
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