CN112959902A - 阵列式磁耦合发射装置、系统及无人机充电方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种阵列式磁耦合发射装置、系统及无人机充电方法。所述阵列式磁耦合发射装置包括阵列式平面供电网、磁芯和原边控制器，所述阵列式平面供电网的两个平面分别为充电面和底面，所述磁芯布设在所述底面，所述充电面用于承载待充电无人机；所述阵列式平面供电网主要由阵列式正六边形磁耦合发射线圈构成，两个或两个以上磁耦合发射线圈可构成一个多相的单体发射单元。本申请拓展了阵列式磁耦合发射装置充电区域，通过采用若干个磁耦合线圈灵活组合的方式构成的平面供电网，大大提高了系统容错位能力。

Description

阵列式磁耦合发射装置、系统及无人机充电方法

技术领域

本申请涉及充电技术领域，尤其涉及一种阵列式磁耦合发射装置、系统及无人机充电方法。

背景技术

无人机被广泛用于遥感监测、植物保护作业、巡检、应急救灾等方面，具有重要的经济和科学价值。无人机的飞行时间是衡量性能的一个重要指标，飞行时间能决定飞行的范围、获取的信息量、执行任务的数量与质量等。延长无人机的飞行时间目前有两种方式，一是增加锂电池的容量；二是及时地对无人机进行充电。无线充电可以通过非物理直接接触实现能量的无线传输，具有高安全性、强可靠性和易于实现充电过程自动化的优势。无人机的高效自主无线充电可以弥补其短时运行的局限性，提高工作效率。

目前，为了实现无人机全自动化的目标，通常需要对磁耦合装置进行容错位性能设计。容错位性能设计存在实现复杂、影响磁耦合装置稳定性等问题。基于此，现有技术中通过拓展磁耦合装置的充电区域，提高系统的容错位性能。由于受无人机降落精度的限制，无人机不可能精准地降落在充电平台上特定的单体磁耦合发射端，这必然会导致单体磁耦合发射端与接收端发生一定程度的错位。所以需要检测接收端的具体位置进行无线充电。目前的一些检测方法需要大量昂贵的传感器，增加系统成本和复杂性。因此，如何设计磁耦合装置结构，而且不增加定位传感器进行位置自检测，来实现选择出最优的单体磁耦合发射端与接收装端间进行无线电能传输，从而保证无人机在充电平台的任何位置都能最高效率正常充电，实现无人机全自动化，亟待研究。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种阵列式磁耦合发射装置、系统及无人机充电方法。

第一方面，本申请提供了一种阵列式磁耦合发射装置，所述阵列式磁耦合发射装置包括阵列式平面供电网、磁芯和原边控制器，所述阵列式平面供电网的两个平面分别为充电面和底面，所述磁芯布设在所述底面，所述充电面用于承载待充电无人机；所述阵列式平面供电网主要由阵列式正六边形磁耦合发射线圈构成，两个或两个以上磁耦合发射线圈可构成一个多相的单体发射单元；所述原边控制器包括存储单元、处理单元和存储在所述存储单元上并可在所述处理单元上运行的计算机程序；所述计算机程序被所述处理单元执行时实现如下步骤：在所述阵列式平面供电网中匹配出最优单体发射单元；控制最优单体发射单元对待充电无人机的磁耦合接收装置传递电能。

第二方面，本申请提供了一种阵列式磁耦合系统，所述阵列式磁耦合系统包括如上任意一项所述的阵列式磁耦合发射装置和磁耦合接收装置，所述磁耦合接收装置包括两个接收线圈和副边控制器；两个接收线圈分别设置在无人机的两个起落架上。

第三方面，本申请提供了一种无人机充电方法，所述无人机充电方法包括：阵列式磁耦合发射装置在所述阵列式平面供电网中匹配出最优单体发射单元；控制最优单体发射单元对待充电无人机的磁耦合接收装置传递电能。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请各实施例通过设计阵列式磁耦合发射装置，拓展了充电区域，通过采用若干个磁耦合耦合线圈组成阵列式磁耦合发射装置的平面供电网，从而可根据接收线圈位置的不同灵活地进行重新组合，形成不同的单体发射单元，大大提高了系统容错位能力。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请各个实施例提供的平面供电网的一种示意图；

图2为本申请各个实施例提供的一种发射单元示意图；

图3为本申请各个实施例提供的阵列式磁耦合发射装置的电路原理示意图；

图4为本申请各个实施例提供的平面供电网的另一种示意图；

图5为本申请各个实施例提供的一接收线圈处于某两个磁耦合发射线圈的交界示意图；

图6为本申请各个实施例提供的一接收线圈处于充电盲区的示意图；

图7为本申请各个实施例的无人机充电效果图；

图8为本申请各个实施例提供的磁耦合接收装置示意图；

图9为本申请各个实施例提供的无人机充电方法的流程图。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

实施例一

本发明实施例提供一种阵列式磁耦合发射装置，如图1-图8所示，所述阵列式磁耦合发射装置包括阵列式平面供电网、磁芯和原边控制器，所述阵列式平面供电网的两个平面分别为充电面和底面，所述磁芯布设在所述底面，所述充电面用于承载待充电无人机；所述阵列式平面供电网主要由阵列式正六边形磁耦合发射线圈构成，两个或两个以上磁耦合发射线圈可构成一个多相的单体发射单元(简称发射单元)；所述原边控制器包括存储单元、处理单元和存储在所述存储单元上并可在所述处理单元上运行的计算机程序；所述计算机程序被所述处理单元执行时实现如下步骤：在所述阵列式平面供电网中匹配出最优单体发射单元；控制最优单体发射单元对待充电无人机的磁耦合接收装置传递电能。

其中多相的单体发射单元包括两相、三相、四相单体发射单元。磁芯还可以由三块铁氧体条拼接成Y形磁芯或正三角形磁芯。

详细的，所述平面供电网由多个(至少7个)外形为正六边形的磁耦合发射线圈(简称发射线圈)和平铺在下方的磁芯(平面磁芯)构成。该平面供电网具有的特点是：可以任意拓展、磁场分布均匀、任意三个相邻磁耦合发射线圈能构成一个三项单体发射单元，还可由两个或四个发射线圈组成，线圈可相邻也可不相邻，分别记为两相单体发射单元和四相单体发射单元，每项单体发射单元在大多数情况下依靠空间旋转磁场传能，其余情况下依靠方向不断反向的磁场传能。每次充电时有一组或两组发射单元被开启。由于旋转磁场、均匀磁场分布及发射线圈可灵活组合的特点，所述发射平面可以满足多无人机任意方向、任意位置降落同时充电的需求。

所述磁耦合接收装置主要由接收线圈、软磁芯和副边控制器构成，接收线圈绕起落架框架绕制，软磁芯为长条形或者倒U型，软磁芯放置在接收线圈的下边沿。接收线圈有且仅有两个，两个接收线圈分布装在无人机两个起落架底端，与平面供电网垂直，用于配合所述原边控制器进行所述无人机位置检测，并接收所述平面供电网传递的电能，叠加后对所述无人机进行无线充电。两组接收线圈的能量叠加后输送到无人机内部。该磁耦合接收装置的优势是：接收侧磁通拾取能力强、接收线圈的漏感小且能最大化减少充电盲区。

其中，接收线圈为矩形线圈，并在靠近所述无人机起落架底部的边的上边沿添加磁芯以增强耦合能力；根据所述接收线圈之间的距离设计正六边形磁耦合发射线圈的尺寸，可使得两个接收线圈不会同时位于所述平面供电网上接收不到电能的区域，且两者之间不存在明显的相互影响，因此可以独立地检测两个接收线圈在所述平面供电网上的位置。

组成平面供电网的正六边形磁耦合发射线圈的尺寸由无人机两个起落架之间的距离决定，该距离即为两个接收线圈之间的距离。在大多数情况下，使用三相发射单元对无人机进行充电，两相和四相发射单元只针对少数特殊情况，且利用三相发射单元说明正六边形发射线圈的边长L₀和两个接收线圈之间的距离H的数值关系，相邻三个磁耦合发射线圈的中心构成的三角形的高由预设比例系数和无人机的磁耦合接收装置的两个接收线圈的距离决定。如图2所示，正六边形边长为L₀，两个接收线圈之间的距离为H；连接三个互相相邻正六边形中心点组成的三角形S，其边长

其高

以三个线圈交点处为圆心O，一个发射单元有效监测范围是，以点O为圆心，以R_C＝2.5*L₀为半径的圆形区域。当接收线圈位于某些位置(盲区)时，会出现能量不能由原边传递到副边的情况，这些位置由一系列矩形组成，其中单个矩形以三角形S的某一条边为中心线，长为L_S，宽L_K≤2*0.1*L_S。一个发射单元的有效充电区域是，以

为边长的三角形区域，当某一个接收线圈的中心点O’位于该区域内时，能量传输功率和效率较高。当三角形的高h＝H/k时(其中k为比例系数，k＝1.4～1.6，典型值k＝1.5)，可保证两个接收线线圈不会同时位于盲区上，同时，两个接收线圈整流输出电压之和随接收线圈位置变化而变化的范围小。此时可根据等式h＝H/k得上述变量的计算式，以下是结果整理：

(1)

(2)L₀＝(2*H)/(3*k)；

(3)R_C＝(5*H)/(3*k)；

(4)

(5)

阵列式平面供电网线圈可分为A、B、C三组，三组的线圈个数不一定相等。三组线圈的分组方案以A、B、C线圈间隔排列的原则；以从左上角排列的方案举例说明：令左上角第一个线圈为A₁，A₁左下方为B₁，右下方为C₁，右上方为B₂。按照此原则依次向下命名，所以线圈被分为A、B、C三组；具体实施时，先将线圈从左上角第一行第一个开始编号，记为1相，第一行第二个记为2相，第一行第三个记为3相……然后再根据上述方式分为A、B、C三组。

在一些实施方式中，发射线圈的组数由可同时进行充电的无人机数量决定。其中，阵列式磁耦合发射装置可同时对多个无人机进行无线充电，且阵列式磁耦合发射装置可以是一个移动平台，可以装载于汽车、轮船等，具有很强的灵活性和可移动性。

平面供电网主要完成接收线圈位置检测、发射单元选择及发射线圈激励方式选择和为无人机的锂电池充电三个功能。磁耦合发射线圈构成发射端。原边控制器和副边控制器相互配合完成接收线圈位置检测、发射单元选择及发射线圈激励方式选择和为无人机的锂电池充电三个功能。

在一些实施方式中，所述在所述阵列式平面供电网中匹配出最优单体发射单元，包括：在位置检测模式下，根据所述阵列式平面供电网中距离所述磁耦合接收装置最近的三相单体发射单元，匹配出最优单体发射单元。

可选的，所述根据所述阵列式平面供电网中距离所述磁耦合接收装置最近的三相单体发射单元，匹配出最优单体发射单元之前，包括：

从所述磁耦合接收装置的副边控制器接收到位置检测信号时，触发电源向所述平面供电网输入位置检测电压；接收所述副边控制器反馈的电压感应信息；根据所述电压感应信息确定距离所述磁耦合接收装置最近的三相单体发射单元。

具体的，本发明实施方式提供一种无人机位置检测方法。所述位置检测方法主要由原边控制器实现的，具体的，原边控制器具体用于根据所述无人机的降落位置从所述阵列式平面供电网中选取最优单体发射单元，通过控制所述最优单体发射单元对所述无人机的磁耦合接收装置传递电能。

其中，位置检测分为两步，第一步粗略地确定接收线圈的位置，第二步精准地确定接收线圈的位置；对接收线圈进行位置检测时，先检测其中一个，之后再检测另一个；对一个接收线圈进行第一步位置检测时，原边控制器依次开通各组第一预设区域内三相单体磁耦合发射单元，并根据磁耦合接收装置反馈的电压感应信息，粗略地确定接收线圈较近的三相单体发射单元。进行第二步位置检测时，以第一步确定的三相单体磁耦合发射单元为中心，配合其周边相邻发射线圈，打乱组合重新组成新的三相单体发射单元；原边控制器依次开通各组新三相单体发射单元，并根据磁耦合接收装置反馈的电压感应信息，精准地确定接收线圈最近的三相单体发射单元；若在第一步位置检测中未能找到接收线圈的大概位置，则在第二预设区域内重新执行所述两步接收线圈位置检测。

在进行第二步位置检测时，以第一步确定的三相单体发射单元为中心，配合其周边相邻发射线圈，打乱组合重新组成新的三相单体发射单元，之后原边控制器依次开通新的三相单体发射单元，根据副边控制器反馈的第二最大电压感应信息，精准地确定接收线圈目标三相单体发射单元。若在第一步中未能找到接收线圈的大概位置，则在第二预设区域内重新执行两步接收线圈位置检测。

在进行接收线圈位置检测时，接收线圈接收三相单体磁耦合发射单元传递的电能，将与接收线圈相连的整流电路输出电压信息作为电压感应信息通过副边控制器发送原边控制器，原边控制器根据电压感应信息确定接收线圈目标三相单体发射单元。

也就是说，所述接收所述副边控制器反馈的电压感应信息；根据所述电压感应信息确定距离所述磁耦合接收装置最近的三相单体发射单元，包括：

依次开通所述平面供电网中各个第一预设区域的三项单体发射单元；接收所述副边控制器反馈的目标接收线圈感应的第一最大电压感应信息；所述目标接收线圈为两个接收线圈中的第一线圈或第二线圈；当所述第一最大电压感应信息大于预设阈值时，确定出与所述第一最大电压感应信息对应的第一三相单体发射单元；当所述第一最大电压感应信息不大于所述阈值时，依次开通所述平面供电网的各个第二预设区域中的三项单体发射单元；相邻两个第一预设区域间隙设置一第二预设区域；接收所述副边控制器反馈的目标接收线圈感应的第二最大电压感应信息；当所述第二最大电压感应信息大于预设阈值时，确定出与所述第二最大电压感应信息对应的第二三相单体发射单元；当所述第二最大电压感应信息不大于预设阈值时，所述目标接收线圈位于一充电盲区；将目标三相单体发射单元中的一个或两个磁耦合发射线圈作为中心，分别与所述目标三相单体发射单元相邻的磁耦合发射线圈重新组成多个三相单体发射单元，依次开通多个三相单体发射单元；所述目标三相单体发射单元为第一三相单体发射单元或第二三相单体发射单元；接收所述副边控制器反馈的目标接收线圈感应的第三最大电压感应信息；将与所述第三最大电压感应信息对应的第四三相单体发射单元作为距离所述目标接收线圈最近的三相单体发射单元。

详细的，平面供电网主要完成接收线圈位置检测、发射单元选择及发射线圈激励方式选择和为无人机的锂电池充电三个功能。阵列式磁耦合发射装置有A、B、C三组发射端，每组发射端共有N个磁耦合发射线圈。其中，如图3所示，以A相为例，补偿电路(A)和控制开关(S₁₁-S_1N)串联，补偿电路(A’)和控制开关(S_11’-S_1N’)串联，这两部分结构参数完全相同且并联，补偿电路端与逆变电路(A)相连，控制开关端与对应发射线圈(A₁相-A_N相)相连，其中，补偿电路(A’)分别与逆变电路A、B和C之间连接控制开关S_A’1、S_A’2和S_A’3，且所述控制开关均为双刀单掷开关。B、C两相与A相连接方式完全相同。控制开关S₁₁-S_1N(或S_11’-S_1N’)的实现方式为，系统控制部分通过控制信号来控制N个开关的开通与关断，从而实现发射线圈的切换。其余两相的控制开关S₂₁-S_2N(或S_21’-S_2N’)和S₃₁-S_3N(或S_31’-S_3N’)同样如此。在进行接收线圈位置检测和发射单元选择及发射线圈激励方式选择时，保持S_A’1-S_A’3、S_B’1-S_B’3和S_C’1-S_C’3断开，即只有补偿电路(A、B和C)和控制开关(S₁₁-S_1N、S₂₁-S_2N和S₃₁-S_3N)连入电路中，且保持控制开关(S_11’-S_1N’、S_21’-S_2N’和S_31’-S_3N’)断开。为无人机锂电池充电时，根据接收线圈位置检测和发射单元选择及发射线圈激励方式选择的结果，决定S_A’1-S_A’3、S_B’1-S_B’3和S_C’1-S_C’3是否闭合，并且这三组双刀单掷开关，每一组中至多有一个开关闭合。例如，若上述结果为使用发射线圈A_i、B_j和C_k组成一组三相发射单元(励磁电流相位差为120°)，A_m、B_n和C_o组成另一组三相发射单元(励磁电流相位差为120°)，则闭合开关S_A’1、S_B’1、S_C’1、S_1i、S_1j、S_1k、S_1m’、S_1n’和S_1o’；若上述结果为使用发射线圈A_i、B_j和C_k组成一组三相发射单元(励磁电流相位差为120°)，A_m、B_n和C_k组成另一组三相发射单元(即两组三相发射单元共用发射线圈C_k且励磁电流相位差为120°)，则闭合开关S_A’1、S_B’1、S_1i、S_1j、S_1k、S_1m’和S_1n’；若上述结果为使用发射线圈A_i、B_j和C_k组成一组三相发射单元(B_j和C_k励磁电流相位相同，但A_i和B_j励磁电流相位差180°)，B_j、C_k、B_n和C_o组成一组四相发射单元(B_j和C_k励磁电流相位相同，B_n和C_o励磁电流相位相同，但B_j和B_n励磁电流相位差180°)，则闭合开关S_B’2、S_C’2、S_1i、S_1j、S_1k、S_1n’和S_1o’；对于两相发射单元以同样的方式处理；若接收线圈位置检测和发射单元选择及发射线圈激励方式选择的结果为只开启一组发射单元，则保持开关S_A’1-S_A’3、S_B’1-S_B’3和S_C’1-S_C’3断开，使用补偿电路(A、B和C)和控制开关(S₁₁-S_1N、S₂₁-S_2N和S₃₁-S_3N)将相应的发射线圈接入电路。

接收线圈位置检测使用三相发射单元，其三个发射线圈中通入相位互差120°的电流。平面供电网中预先设置9个区域，这9个区域记为第一预设区域，9个区域可以均匀设置，每个区域对应一个发射单元，相邻的发射单元在水平和竖直方向上相隔一个正六边形，最大化利用一个发射单元的有效监测范围但又不造成有效监测范围的重叠，如图1所示的X₁～X₉；第一预设区域的间隙内，设置Y₁～Y₄共4个区域，对应4个发射单元，这个4个区域记为第二预设区域。

当无人机降落在充电平台上时，阵列式磁耦合发射装置的第一预设区域X₁的三相耦合线圈A₁、B₁、C₁的开关S₁₁、S₂₁、S₃₁为开启状态，直流电源先切换一个较小的检测输入电压值(即位置检测电压)U_in0，原边控制器依次开通其他预设区域对应的S₁₂-S₁₉、S₂₂-S₂₉和S₃₂-S₃₉，并关断上一组在同一相的控制开关，保证每组只有相邻的三相磁耦合发射线圈构成单体发射单元，在接收线圈感应出感应电压，排除已知常量，副边一组整流电路输出端的电压值(电压感应信息)的大小仅与原副边(即发射端与某一个接收端)之间互感有关，而原副边之间互感的大小又取决于发射端与某一个接收端之间的位置(副边一组整流电路输出端的电压值会随着发射端与接收端之间距离的缩短而增大)，因此可以将该电压值作为评估接收端位置检测的参数。两个接收线圈各自连接一个整流桥，且在整流桥之后串联，检测每一个整流桥的输出电压，记为U_L1和U_L2。根据两个接收线圈之间的距离确定正六边形发射线圈的尺寸，可使得两个接收线圈之间不存在明显的相互影响，因此可以独立地检测两个接收线圈的位置。设U_L00为这样的一个电压值：若U_Lj≤U_L00，j＝1,2，则可认为此时没有检测到接收端位置。首先在第一预设区域内进行接收线圈R₁的第一步位置检测，比较这9组整流输出电压U_L1的大小，设U_L1最大的一组为X_i，i＝1～9，记此时的U_L1＝U_{LX_1}。根据U_{LX_1}与U_L00的关系，共有两种情况：

1.U_{LX_1}>U_L00。关闭对接收线圈R₂整流输出电压U_L2的检测，只检测接收线圈R₁对应的整流输出电压U_L1，进行接收线圈R₁的第二步位置检测，依次开启发射单元X_i相邻的发射线圈，使其与X_i中与之相邻的某两个或者某一个组成新的三相发射单元，检测并记录流输出电压U_L1的大小,开启U_L1为最大值时对应的控制开关，从而找到离接收线圈R₁最近的三相发射线圈，完成接收线圈R₁的位置检测。

2.U_{LX_1}≤U_L00。此种情况说明接收线圈R₁的位置不在X组任何一个发射单元的有效监测范围内，或者是处在盲区。关闭X₁～X₉区域对应的控制开关，依次打开Y₁～Y₄区域对应的控制开关，在第二预设区域内执行两步接收线圈位置检测过程，检测并比较接收线圈R₁对应的整流输出电压U_L1，记U_L1最大的一组发射单元为Y_k，k＝1,2,3,4，记此时U_L1＝U_{L1_max}。如果U_{L1_max}>U_L00，说明R₁在Y组发射线圈的检测范围内，依次开启与发射单元Y_k相邻的发射线圈，使其与Y_k中与之相邻的某两个或者某一个组成新的三相发射单元，检测并记录输出电压U_L1的大小；选出U_L1最大的情况，开通对应的发射单元的三相控制开关，从而找到离接收线圈最近的三相发射单元，完成接收线圈R₁的位置检测。如果U_{L1_max}≤U_L00，则说明接收线圈R₁位于盲区，此时不使用接收线圈R₁，利用接收线圈R₂进行电能传输。U_L00为预设阈值。

完成对接收线圈R₁的位置检测后，进行接收线圈R₂的位置检测，此时不再记录与接收线圈R₁相连整流桥的输出电压，只记录与接收线圈R₂相连的整流桥输出电压U_L2。过程接收线圈R₁的位置检测一致，由于正六边形发射线圈的尺寸根据两个接收线圈之间的距离设计，两个接收线圈不会同时位于盲区，即不会出现U_{L1_max}≤U_L00和U_{L2_max}≤U_L00同时成立的情况。至此，完成了接收线圈位置检测。

在一些实施方式中，精准确定所述两个接收线圈位置后，根据接收线圈位置的不同，灵活选择不同的单体磁耦合发射装置及发射线圈的激励方式，以实现更优的电能传输。

详细的，所述通过匹配的发射线圈激励方式控制所述最优单体发射单元对所述磁耦合接收装置传递电能，包括：在所述最优单体发射单元为两相单体发射单元时，匹配励磁电流相位互差180°的发射线圈激励方式；在所述最优单体发射单元为三相单体磁耦合发射单元时，匹配相位互差120°或者其中两个发射线圈励磁电流同相位且与剩余一个发射线圈励磁电流相位相差180°的发射线圈激励方式；在所述最优单体发射单元为四相单体磁耦合发射单元时，匹配其中两个发射线圈的励磁电流相位相同，另两个发射线圈的励磁电流也相同，但这两组的励磁电流相位差180°的发射线圈激励方式；根据匹配的发射线圈激励方式控制所述最优单体发射单元对所述磁耦合接收装置传递电能。

在进行不同的发射单元选择及其对应的发射线圈激励方式选择时，还可以确定出在位置检测过程中未被找到位置的接收线圈，位于充电盲区。充电盲区包括一些矩形区域，以相邻三个发射线圈中心点为顶点组成的三角形的某一条边作为长边中位线，所述接收线圈位于这些区域时，不能接收到所述单体磁耦合发射装置传递的电能；由于所述两个接收线圈不会同时位于这些区域。此时根据另一个接收线圈的位置，开启不同的单体磁耦合发射装置，可确定此接收线圈的位置。设阵列式平面供电网中每一行均有f个发射线圈。根据两个接收线圈在阵列式平面供电网中的位置不同，如图4所示(为便于观察，发射线圈下方的磁芯未画出)，可分为三种情况：

1.两个接收线圈中有一个位于盲区(由于正六边形发射线圈的尺寸根据两个接收线圈的距离设计，因此至多只有一个接收线圈会位于盲区)；设位置检测过程中，接收线圈R₁被确定位置，而接收线圈R₂未被确定位置，即R₂处于盲区，R₁对应一组三相发射单元，该发射单元无论处于任何位置，总会有两个磁耦合发射线圈位于同一行，剩余一个磁耦合发射线圈独自位于一行，根据位于独自一行磁耦合发射线圈所在行数row_₁与位于同一行两个线圈的行数row_₂的大小，可分为两种情形：row_₁<row_₂和row_₁>row_₂，设独自位于一行的磁耦合发射线圈为i相，位于同一行的两个相邻线圈为j相和k相，则所述两种情形分别对应图4的情形A和情形B。首先分析情形A，接收线圈R₁的中心点O₁位于发射线圈i相、j相和k相中心点围成的三角形S₁内时，由于R₁和R₂之间的距离是定值，因此若R₂处于盲区，则R₂的位置只可能在图4情形A中R_{2_3}、R_{2_4}或者R_{2_7}所示位置，其中，R_{2_3}和R_{2_4}对应R₁的位置为R_{1_3}和R_{1_4}，R_{2_7}对应R₁的位置未表示出；且R₂中心点O₂位于线段eg内，如果R₂中心点O₂位于线段de或gh内，此时R₂对应R₁的中心点将会位于以j-2f相、i-1相和i相中心点或k相、i+2f相和i+2f+1相中心点围成的三角形内；同样的道理，当R₂中心点O₂位于线圈ab或bc上时，此时R₂对应R₁的中心点将会位于以i-1相、i相和j相中心点或i相、i+1相和k相中心点围成的三角形内。综合以上分析，说明了接收线圈R₁的中心点O₁位于三角形S₁内时，处在盲区上的接收线圈R₂的位置只可能在R_{2_3}、R_{2_4}或者R_{2_7}所示位置，且其中心点O₂处于线段mn、eg或者pq内。若R₂处在R_{2_3}所示位置，i-1相发射线圈无法对R₂进行电能传递，则开启发射线圈j-2f-1相、i-2相、i相和j相组成四相发射单元对R₂进行电能传递，其中j-2f-1相和i-2相励磁电流同相位，i相和j相励磁电流同相位，但是j-2f-1相和i相励磁电流相位差180°(如果不存在j-2f-1相和i-2相发射线圈，即R₂所在盲区位于整个阵列式平面供电网的边界上，则不额外开启发射线圈对R₂进行电能传递)，再开启k相和i相、j相组成三相发射单元对进行R₁电能传递，其中，k相励磁电流相位与i相相差180°。若R₂处在R_{2_4}所示位置，i+1相发射线圈无法对R₂进行电能传递，则开启发射线圈k-2f+1相、i+2相、i相和k相组成四相发射单元对R₂进行电能传递，其中k-2f+1相和i+2相励磁电流同相位，i相和k相励磁电流同相位，但是k-2f+1相和i相励磁电流相位差180°(如果不存在k-2f+1相和i+2相发射线圈，即R₂所在盲区位于整个阵列式平面供电网的边界上，则不额外开启发射线圈对R₂进行电能传递)，再开启j相和i相、k相组成三相发射单元对进行R₁电能传递，其中，j相励磁电流相位与i相相差180°；若R₂处在R_{2_7}所示位置，i+2f相发射线圈无法对R₂进行电能传递，则开启发射线圈j+2f相、k+2f相、j相和k相组成四相发射单元对R₂进行电能传递，其中j+2f相和k+2f相励磁电流同相位，j相和k相励磁电流同相位，但是j+2f相和j相励磁电流相位差180°(如果不存在j+2f相和k+2f相发射线圈，即R₂所在盲区位于整个阵列式平面供电网的边界上，则不对R₂进行电能传递)，再开启i相和j相、k相组成三相发射单元对进行R₁电能传递，其中，i相励磁电流相位与j相相差180°。

对于情形B，处理方式在原理上相同，区别仅在于开启的发射线圈不同，例如，若R₂处在R_{2_1}所示位置，i-2f相发射线圈无法对R₂进行电能传递，则开启发射线圈j-2f相、k-2f相、j相和k相组成四相发射单元对R₂进行电能传递，其中j-2f相和k-2f相励磁电流同相位，j相和k相励磁电流同相位，但是j-2f相和j相励磁电流相位差180°(如果不存在j-2f相和k-2f相发射线圈，即R₂所在盲区位于整个阵列式平面供电网的边界上，则不对R₂进行电能传递)，再开启i相和j相、k相组成三相发射单元对进行R₁电能传递，其中，i相励磁电流相位与j相相差180°。

2.两个接收线圈均未位于盲区，但其中一个接收线圈位于两个发射线圈交界处(由于正六边形发射线圈的尺寸根据两个接收线圈的距离设计，因此至多只有一个接收线圈会位于两个发射线圈交界处)，如图5所示，即接收线圈R₁处在某两个发射线圈(图4中的i相和j相)的交线上，此时k相发射线圈几乎无法将能量传递给R₁，因此，开启i相、j相、j+1相、k+1相和k+2相发射线圈对应的控制开关，其中，i相、j+1相和k+2相发射线圈的励磁电流同相位，j相和k+1相发射线圈的励磁电流同相位，但i相和j相发射线圈的励磁电流相位相差180°，此时接收线圈R₁主要由i相和j相发射线圈组成两相发射单元进行能量传递，线圈激励方式为i相和j相发射线圈励磁电流相位相差180°，而R₂主要由j相、j+1相、k+1相和k+2相发射线圈组成四相发射单元进行能量传递，j+1相和k+2相发射线圈的励磁电流同相位，j相和k+1相发射线圈的励磁电流同相位，但j相和j+1相发射线圈的励磁电流相位相差180°。

3.前两种情况出现的概率均比较小，在绝大多数情形下，两个接收线圈位置不属于上述两种情况，此时使用三相发射单元，通入相位互差120°的励磁电流，进行无人机无线充电。

综合以上三种情况，所述阵列式平面供电网不拘泥于使用三个发射线圈，可使用两个、三个或四个发射线圈，即发射线圈匹配；也不拘泥于发射线圈励磁电流相序恒为互差120°，还可以同相或者差180°，即发射线圈励磁电流相位匹配；通过使用接收线圈、发射线圈匹配和发射线圈励磁电流相位匹配，消除了位于所述阵列式平面供电网内部的充电盲区，进一步扩大了有效充电区域，同时由于可灵活地进行发射线圈匹配和发射线圈励磁电流相位匹配，使得有效充电区域内充电电压更均匀分布。

接收线圈位置检测完成后，进行发射单元匹配及其对应的发射线圈激励方法匹配。分为两种情况：

1.若两个接收线圈均未处于盲区，则进行情况2(图5所示)检测，先对接收线圈R₁位置的i相、j相和k相进行处理，依次关闭一相发射线圈，使另外两相发射线圈的励磁电流相位相差180°，检测并记录整流输出电压U_L11，若U_L11<U_L1m-1V(U_L1m为接收线圈位置检测时U_L1的最大值)，则R₁不处在两个发射线圈的交线处，之后按照同样的步骤进行R₂的发射单元匹配及发射线圈励磁电流相位匹配；若U_L11≥U_L1m-1V，则R₁处在两个发射线圈的交线处(此时关闭的那相发射线圈记为e相)，由于正六边形发射线圈的尺寸根据两个接收线圈的距离设计，至多有一个接收线圈位于该位置，因此R₂不会处在两个发射线圈的交线处。如果有一个接收线圈位于两个发射线圈的交线处，则关闭对应的e相发射线圈，开启另两相发射线圈组成两相发射单元(例如图5中的i相和j相)，其发射线圈激励方式为这两相发射线圈的励磁电流相位差180°；同时开启另一个接收线圈对应的三个发射线圈(例如图5中j相、j+1相和k+2相)，位于两个接收线圈之间的发射线圈的励磁电流同相(例如图5中的j相和k+1相)，其余线圈励磁电流均与位于两个接收线圈之间的发射线圈的励磁电流相位相差180°(例如图5中i相、j+1相和k+2相)此时，这个接收线圈由位于其两侧且距离最近的四个发射线圈组成四相发射单元(例如图5j相、j+1相、k+1相和k+2相，其中，j相和k+1相的励磁电流同相位，j+1相和k+2相的励磁电流同相位，但j相和j+1相励磁电流相位相差180°)；如果两个接收线圈均不位于两个发射线圈的交线处，则按照接收线圈位置检测的结果开启发射线圈进行能量传输。

2.如果有一个接收线圈(记为R₁)在接收线圈位置检测过程中被精准地确定位置，即R₁未处于盲区，且对应一组三相发射单元，而另一个接收线圈(记为R₂)在接收线圈位置检测过程中未能确定位置，即R₂处于盲区，对R₁对应三相发射单元的发射线圈进行处理，使得位于同一行的两个线圈记为j相和k相，独自位于一行的线圈记为i相；利用这三个发射线圈组成三相发射单元，线圈励磁方式为使其中两个发射线圈励磁电流同相位，另外一相与之差180°。比较i相所在行数row_1与j相、k相所在行数row_2的大小；若row_₁<row_₂，例如，图4情形A，则依次开启新的发射线圈i-2相和j-2f-f相、k-2f+1相和i+2相、j+2f相和k+2f相，分别与原先R₁的发射线圈i相和j相、i相和k相、j相和k相组成四相发射单元，其中，新开启发射线圈励磁电流同相位，原先R₁的发射线圈励磁电流同相位，但这两组发射线圈励磁电流相位差180°，对于R₁来说，分别对应k相与i相j相、j相与i相k相、i相与j相k相的励磁电流相位差180°；检测并记录上述三种情况下接收线圈R₁和R₂的整流输出电压U_L11和U_L22，选取最大的U_L22，对应的四相发射单元就可以确定位于盲区的R₂的位置；如果新开启的两个发射线圈不存在，说明R₂位于边界上的盲区，此时不再开启发射线圈对接收线圈R₂进行能量传输，比较U_L11与U_L1m的大小，如果U_L11>U_L1m，则按照U_L11对应的发射线圈励磁电流相位关系，进行发射线圈到接收线圈的能量传递，如果U_L11≤U_L1m，则按照U_L1m对应的发射线圈励磁电流相位关系，进行发射线圈到接收线圈的能量传递。若row_₁>row_₂，例如，图4情形B，则依次开启新的发射线圈j-2f相和k-2f相、i+2相和k+2f+1相、i-2相和j+2f+1相，分别与原先R₁的发射线圈j相和k相、i相和k相、i相和j相组成四相发射单元，其中，新开启发射线圈励磁电流同相位，原先R₁的发射线圈励磁电流同相位，但这两组发射线圈励磁电流相位差180°，对于R₁来说，分别对应i相与j相k相、j相与i相k相、k相与i相j相的励磁电流相位差180°；之后的处理步骤与情形A一致。

也就是说，所述根据所述阵列式平面供电网中距离所述磁耦合接收装置最近的三相单体发射单元，匹配出最优单体发射单元，包括：

当所述目标接收线圈不位于充电盲区，并且不位于距离所述目标接收线圈最近的三相单体发射单元的任意两个磁耦合发射线圈的交界处时，匹配出的最优单体反射单元为距离第一接收线圈最近的三相单体发射单元和距离第二接收线圈最近的三相单体发射单元；

当第一接收线圈位于距离所述第一接收线圈最近的三相单体发射单元的任意两个磁耦合发射线圈的交界处时，匹配出的最优单体反射单元为距离第一接收线圈最近的二相单体发射单元和距离第二接收线圈最近的四相单体发射单元，该最近的四相单体发射单元的四个磁耦合发射线圈分别位于第二接收线圈的两侧；

当第二接收线圈位于一充电盲区，且第二接收线圈位于所述阵列式平面供电网的边界时，匹配出的最优单体反射单元为距离第一接收线圈最近的三相单体发射单元；

当第二接收线圈位于一充电盲区，且第二接收线圈不位于所述阵列式平面供电网的边界时，将距离所述第一接收线圈最近的三相单体发射单元中每两个磁耦合发射线圈作为中心，分别与该最近的三相单体发射单元的相邻磁耦合发射线圈重新组成多个四相单体发射单元，从多个四相单体发射单元中确定出距离所述第二接收线圈最近的四相单体发射单元；匹配出的最优单体反射单元为距离第一接收线圈最近的三相单体发射单元和距离所述第二接收线圈最近的四相单体发射单元。

与发射单元固定的阵列式平面供电网相比，即发射单元预先设置并且固定不变，不可随接收线圈位置不同而拆分重新组合成新的发射单元，该阵列式平面供电网的发射单元可拆分后重新组合，以适应接收线圈的位置变化。例如，在图6中，当某一个接收线圈处在发射单元X₅的有效充电区域内时，开启A₅相、B₅相和C₅相的控制开关组成三相发射单元进行能量传输；若接收线圈位于a处，则以X₅中B₅相、C₅相和与之相邻的A₅₁相组成新的三相发射单元X₅₁进行能量传输，若接收线圈位于b处，则以X₅中A₅相和与之相邻的B₅₂相、C₅₂相组成新的三相发射单元X₅₂进行能量传输；若某一个接收线圈位于盲区且该盲区不在边界上，即该盲区位于图6中点划线所围区域内部，不位于点划线上，此时可开启四相发射单元对此接收线圈进行电能传输；若某一个接收线圈位于两个发射线圈交接处，可开启两相发射单元对此接收线圈进行电能传输；与发射单元固定的阵列式平面供电网的有效充电区域(图6中实线三角形代表区域，注，该区域并未表示完整)相比，所述阵列式平面供电网的有效充电区域(图6中点划线所围区域)扩大了约4倍。

本发明各实施例通过设计阵列式磁耦合发射装置，拓展了充电区域，通过采用若干个磁耦合耦合线圈组成阵列式磁耦合发射装置的平面供电网，从而可根据接收线圈位置的不同灵活地进行重新组合，形成不同的单体发射单元，大大提高了系统容错位能力。本发明各实施例使用两组接收装置，通过两个接收线圈之间的距离设计正六边形磁耦合发射线圈的尺寸，能够使两个接收线圈不会同时位于充电盲区，可实现能量的均匀传输，并且尽可能地消除充电盲区，在整个供电平面中，都可以实现正常的无线充电；同时针对如何最优选择阵列式磁耦合发射装置中的单体磁耦合发射装置与接收装置进行无线电能传输的问题，本发明实施例采用在原副边进行无线通信，通过实时检测副边整流输出电压(即感应电压)的大小进行精确的位置检测，通过两步接收线圈位置检测实现精准地选择单体磁耦合发射装置，即确定接收线圈的位置，之后进行发射线圈励磁电流相位匹配，找到最优的单体磁耦合发射装置及发射线圈激励方法与接收装置间进行无线电能传输；与发射线圈组合固定的阵列式平面供电平台相比，本发明各个实施例大大拓展了无人机的充电区域，灵活性强，提高了系统的容错位性能和电能传输效率，消除了充电平台内部的充电盲区；并且不需要大量昂贵的传感器，有效降低系统成本和复杂性。

实施例二

本发明实施例提供一种阵列式磁耦合系统，所述阵列式磁耦合系统包括如实施例一中任意一项所述的阵列式磁耦合发射装置和磁耦合接收装置，所述磁耦合接收装置包括两个接收线圈和副边控制器；两个接收线圈分别设置在无人机的两个起落架上。

本发明实施例在具体实现过程中可以参与实施例一，具有相应的技术效果。

实施例三

本实施例提供一种无人机充电方法，需要在原副边控制器中编写相应程序，并配合无线通信模块传递相应信号，比较副边整流电路输出端的电压值的大小，实现阵列式磁耦合发射装置接收线圈位置检测功能并选择最优的发射单元及其线圈激励方法，即需要检测无人机降落在充电平台上的位置，开通离某一个接收线圈最近的一些发射线圈以构成一组单体磁耦合装置，配合最优的线圈激励方法为无人机充电，此方法在不需要增加定位传感器的条件下，通过检测其自身的物理量即可精确检测接收线圈的位置，并且可以实现位置的快速检测，大大减小了搜索的时间和系统的复杂程度，提高了系统的实用性。所述无人机充电方法包括阵列式磁耦合发射装置在所述阵列式平面供电网中匹配出最优单体发射单元；控制最优单体发射单元对待充电无人机的磁耦合接收装置传递电能。

无人机无线充电副边电能处理电路可以分为两种模式：当S₁一直断开时，电路处于位置检测和发射单元匹配及发射线圈励磁电流相位匹配模式，检测离接收线圈最近的发射线圈组，开启最优的发射单元及匹配最优的发射线圈励磁电流相位；当S₁闭合时，电路处于充电模式，DC-DC变换电路通过调节S₁的占空比来调节充电电压和充电电流，从而满足锂电池充电要求。即是说，所述单体磁耦合发射装置具体用于根据所述充电电压对所述无人机充电。

其中，当处于位置检测模式和发射单元匹配及发射线圈励磁电流相位匹配时，原边控制器主要负责发送和接收无线通信信号以及驱动逆变和3N个控制开关(S₁₁-S_1N，S₂₁-S_2N，S₃₁-S_3N)，同时保持开关S_A’1-S_A’3、S_B’1-S_B’3、S_C’1-S_C’3、S_11’-S_1N’、S_21’-S_2N’和S_31’-S_3N’断开，副边控制器主要负责发送和接收无线通信信号、接收电压采样信号(即电压感应信息)以及驱动控制开关S₁；完成位置检测和发射单元匹配及发射线圈励磁电流相位匹配后，原边控制器根据其结果，控制开关S_A’1-S_A’3、S_B’1-S_B’3、S_C’1-S_C’3、S₁₁-S_1N、S₂₁-S_2N、S₃₁-S_3N、S_11’-S_1N’、S_21’-S_2N’和S_31’-S_3N’的开通关断将相应发射线圈接入电路，进入无人机锂电池充电模式。其中无线通信主要传递开通和关断电源信号、位置检测信号以及位置检测和线圈激励完成信号等信号。

图7为所述无人机充电效果图，图8为长条形和倒U形两种接收端磁芯样式；图9为一种无人机充电方法的流程图，实现了阵列式磁耦合发射装置接收线圈位置检测功能、选择最优的发射单元及其线圈激励方法和对无人机充电功能，其基本步骤和原理为：

1.无人机降落在阵列式磁耦合发射装置充电平台上，副边控制器通过无线通信模块向原边控制器发送开通电源信号。

2.原边控制器接收到开通电源信号，直流电源输入大小切换为预设的位置检测电压U_in0，并向副边控制器发送确认电源开通信号。

3.副边控制器接收确认电源开通信号，并发送位置检测信号。

4.原边控制器接收位置检测信号，由于两个接收线圈之间不存在明显的相互影响，因此可以独立地进行位置检测；开始进行接收线圈R₁位置检测，首先执行接收线圈位置检测的第一步，原边控制器依次开通第一预设区域内三相发射单元的控制开关S₁₂-S₁₉、S₂₂-S₂₉和S₃₂-S₃₉，并关断上一组在同一相的控制开关。

5.副边控制器通过检测并比较这9组整流输出电压U_L1的大小，选出U_L1最大的一组，确定出这9组三相发射单元中哪一组距离接收线圈最近，并以这一组三相发射单元为中心，执行接收线圈位置检测的第二步，在其周围依次开通相邻的发射线圈，使这些发射线圈与在第一步接收线圈位置检测过程中确定的三相发射单元中与之相邻的某一个或者某两个组成新的三相发射单元，利用新的三相发射单元检测并比较流输出电压U_L1的大小，选出U_L1最大的一组，如果在第一步的接收线圈位置检测过程中，未能确定接收线圈R₁的大概位置，则在第二预设区域内执行两步接收线圈位置检测，确定R₁的精确位置；之后进行接收线圈R₂的位置检测，过程与R₁的一致；至此完成接收线圈位置检测。

6.原边控制器在接收线圈位置检测结果的基础上进行发射单元匹配和发射线圈励磁电流相位匹配。

7.原边控制器发送位置检测和线圈激励完成信号，副边控制器闭合S₁。

8.平面供电网转换为无人机锂电池充电模式，直流电源切换到正常充电时的输入电压值。

9.副边控制器可检测电池负载端的电压电流值，充电完成时，副边控制器断开S₁，实现无人机由充电模式切换为位置检测模式，并发送充电完成信号。

10.原边控制器接收到充电完成信号，闭合S₁₁、S₂₁和S₃₁并断开离接收线圈最近的两组发射线圈，并关断电源，以还原到初始状态，为下一次无人机充电做好准备。

如图9所示本发明实施例提供的充电方法包括：

S101、检测无人机降落到充电平台上，副边控制器发送开通电源信号。

也就是说，当无人机检测电量不足需要充电时，无人机降落在阵列式磁耦合发射装置充电平台上，副边控制器通过无线通信模块向原边控制器发送开通电源信号。

可选的，无人机可以根据GPS定位寻找阵列式磁耦合发射装置充电平台，可以通过无线通信模块和红外检测模块确定无人机降落在阵列式磁耦合发射装置充电平台上。

S012、原边控制器接收到开通电源信号，切换位置检测输入电压(即位置检测电压)U_in0，并发送确认电源开通信号。即，原边控制器通过无线通信模块接收到由副边控制器发送的开通电源信号，直流电源输入大小切换为位置检测输入电压U_in0，并向副边控制器发送确认电源开通信号。

其中，位置检测和线圈激励方式选择不需要很大的输入电压，优选地，在进行位置检测和线圈激励方式选择时可以使直流电源输入大小切换一个较小的输入电压值U_in0，待位置检测和线圈激励方式选择完毕后再切换正常充电时的输入电压值。

其中，如图1由阵列式磁耦合发射装置组成无线充电系统的平面供电网结构，为了避免电源开通后逆变电路仅与补偿电路相连而出现的短路现象，优选地，必须保证在开通电源之前先投入一组发射装置，这里先认为S₁₁、S₂₁和S₃₁在电源开通之前是闭合的，即阵列式磁耦合发射装置第一预设区域内X₁的三相耦合线圈A₁、B₁、C₁为开启状态，。

S103、副边控制器接收到确认电源开通信号，并发送位置检测信号。也就是说，副边控制器接收到由原边控制器发送的确认电源开通信号，并向原边控制器发送位置检测信号。

S104、原边控制器接收到位置检测信号，开始进行位置检测。首先进行位置检测的第一步，即，所述原边控制器根据所述位置检测信号，触发向所述平面供电网输入位置检测电压，并依次开通所述平面供电网的第一预设区域中的三相磁耦合发射线圈；详细的，原边控制器接收到副边控制器发送的位置检测信号，开始进行位置检测，先进行第一个接收线圈的位置检测，原边控制器依次开通S₁₂-S₁₉、S₂₂-S₂₉和S₃₂-S₃₉，并关断上一组在同一相的控制开关，保证每组只有相邻的三相发射装置，使对应的三相发射装置依次开通运行。

为了避免逆变电路发生短路，优选地每组发射线圈必须保证先开通这一组的控制开关再关断上一组的控制开关。

其中，由于每组只有相邻的原边三相发射线圈中通有电流，使得每组均可构成单体磁耦合发射单元，并在接收端感应出感应电压。排除已知常量，一个副边整流电路输出端的电压值U_Lj，j＝1,2的大小仅与原副边之间互感有关，而原副边之间互感的大小又取决于发射端与接收端之间的位置，可以说U_Lj是反映发射端与接收端之间位置的重要参数，U_Lj会随着发射端与接收端之间距离的缩短而增大，因此可以将U_Lj作为评估接收端位置检测的参数。

S105、原边控制器依次开通S₁₂-S₁₉、S₂₂-S₂₉和S₃₂-S₃₉，同时保持开关S_A’、S_B’、S_C’、S_11’-S_1N’、S_21’-S_2N’和S_31’-S_3N’断开，副边控制器记录整流输出电压。具体的，所述副边控制器感应第一预设区域中多组三相磁耦合发射线圈的电压感应信息，并将其发送给所述原边控制器。

S106-S144、两个接收线圈各自连接一个整流桥，且在整流桥之后串联，检测每一个整流桥的输出电压，记为U_L1和U_L2。根据两个接收线圈之间的距离确定正六边形发射线圈的尺寸，可使得两个接收线圈之间不存在明显的相互影响，因此可以独立地检测两个接收线圈的位置。设U_L00为这样的一个电压值：若U_Lj≤U_L00，j＝1,2，则可认为此时没有检测到接收端位置。首先在第一预设区域内进行接收线圈R₁的第一步位置检测，比较这9组整流输出电压U_L1的大小，设U_L1最大的一组为X_i，i＝1～9，记此时的U_L1＝U_{LX_1}。根据U_{LX_1}与U_L00的关系，共有两种情况：

1.U_{LX_1}>U_L00。关闭对接收线圈R₂整流输出电压U_L2的检测，只检测接收线圈R₁对应的整流输出电压U_L1，进行接收线圈R₁的第二步位置检测，依次开启发射单元X_i相邻的发射线圈，使其与X_i中与之相邻的某两个或者某一个组成新的三相发射单元，检测并记录流输出电压U_L1的大小,开启U_L1为最大值时对应的控制开关，从而找到离接收线圈R₁最近的三相发射线圈，完成接收线圈R₁的位置检测。

2.U_{LX_1}≤U_L00。此种情况说明接收线圈R₁的位置不在X组任何一个发射单元的有效监测范围内，或者是处在盲区。关闭X1～X9区域对应的控制开关，依次打开Y1～Y4区域对应的控制开关，在第二预设区域内执行两步接收线圈位置检测过程，检测并比较接收线圈R₁对应的整流输出电压U_L1，记U_L1最大的一组发射单元为Y_k，k＝1,2,3,4，记此时U_L1＝U_{L1_max}。如果U_{L1_max}>U_L00，说明R₁在Y组发射线圈的检测范围内，依次开启与发射单元Y_k相邻的发射线圈，使其与Y_k中与之相邻的某两个或者某一个组成新的三相发射单元，检测并记录输出电压U_L1的大小；选出U_L1最大的情况，开通对应的发射单元的三相控制开关，从而找到离接收线圈最近的三相发射线圈，完成接收线圈R₁的位置检测。如果U_{L1_max}≤U_L00，则说明接收线圈R₁位于盲区，此时不使用接收线圈R₁，利用接收线圈R₂进行电能传输。

完成对接收线圈R₁的位置检测后，进行接收线圈R₂的位置检测，此时不再记录与接收线圈R₁相连整流桥的输出电压，只记录与接收线圈R₂相连的整流桥输出电压U_L2。过程接收线圈R₁的位置检测一致，由于正六边形发射线圈的尺寸根据两个接收线圈之间的距离设计，两个接收线圈不会同时位于盲区，即不会出现U_{L1_max}≤U_L00和U_{L2_max}≤U_L00同时成立的情况。至此，完成了接收线圈位置检测。

S145、副边控制器闭合S₁，切换充电模式，并发送位置检测和线圈激励方式选择完成信号。

S146、原边控制器接收到位置检测和线圈激励方式选择完成信号，开启最大U_L1和U_L2对应的发射单元的控制开关。

优选地，无人机接收装置可选用垂直于充电平台发射端发射侧耦合装置的线圈，采用的正交式磁耦合结构，具有易安装、重量轻、耦合能力强和可传递功率大的优点。

其中，在接收线圈底部的上方位置增加软磁芯可以增强磁场并减少漏磁，从而提高磁耦合装置的耦合能力和磁约束效能。

S147、原边控制器切换充电输入电压U_in，开始为无人机充电。也就是说，此时平面供电网转换为无人机锂电池充电模式，直流电源可以切换到正常充电时的输入电压值。即，所述原边控制器根据所述发射端位置信息，从所述平面供电网中选取与所述发射端位置信息对应的单体磁耦合发射装置；触发向所述单体磁耦合发射装置输入充电电压；

S148、充电完成，副边控制器断开S₁，切换位置检测模式，发送充电完成信号，即，所述接收线圈感应所述充电电压，以进行充电。在无人机充电过程中，副边控制器可检测电池负载端的电压电流值，当电池负载的电压值达到了充满电时的标准电压值时，充电完成，副边控制器断开S₁，实现无人机由充电模式切换为位置检测模式，并向原边控制器发送充电完成信号。

S149、原边控制器接收到充电完成信号，闭合S₁₁、S₂₁和S₃₁并断开离接收线圈最近的发射线圈组，并关断电源,以还原到初始状态，为下一次无人机充电做好准备。

本发明实施例提供的充电方法包括阵列式磁耦合发射装置发射端端位置检测，采用原副边通过无线通信的方式进行位置检测，而不直接在原边进行位置检测，因为原边检测的电压或电流信号均为高频信号，可靠性较低，不易实现。与在原边检测信号相比，采用在原副边无线通信的方式增加了通信模块，但是无人机降落在充电平台上需要用原副边通信来控制电源的开断，因此并没有增加额外的部件，并且原副边通信的方式可以检测副边的直流电压或电流信号，可靠性更高，易于实现。此方法在不需要增加定位传感器的条件下，通过检测其自身的物理量即可精确检测接收线圈的位置，并且可以实现位置的快速检测，大大减小了搜索的时间和系统的复杂程度，提高了系统的实用性。

在此需要说明的是，实施例一和实施例二实现原理相同，在具体实现过程中，可以互相参考。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种阵列式磁耦合发射装置，其特征在于，所述阵列式磁耦合发射装置包括阵列式平面供电网、磁芯和原边控制器，所述阵列式平面供电网的两个平面分别为充电面和底面，所述磁芯布设在所述底面，所述充电面用于承载待充电无人机；所述阵列式平面供电网主要由阵列式正六边形磁耦合发射线圈构成，两个或两个以上磁耦合发射线圈可构成一个多相的单体发射单元；所述原边控制器包括存储单元、处理单元和存储在所述存储单元上并可在所述处理单元上运行的计算机程序；所述计算机程序被所述处理单元执行时实现如下步骤：

在所述阵列式平面供电网中匹配出最优单体发射单元；

控制最优单体发射单元对待充电无人机的磁耦合接收装置传递电能。

2.根据权利要求1所述的阵列式磁耦合发射装置，其特征在于，所述磁耦合接收装置中设置两个接收线圈；相邻三个磁耦合发射线圈的中心构成的三角形的高由预设比例系数和两个接收线圈的距离决定。

3.根据权利要求1所述的阵列式磁耦合发射装置，其特征在于，所述在所述阵列式平面供电网中匹配出最优单体发射单元，包括：

在位置检测模式下，根据所述阵列式平面供电网中距离所述磁耦合接收装置最近的三相单体发射单元，匹配出最优单体发射单元。

4.根据权利要求3所述的阵列式磁耦合发射装置，其特征在于，所述根据所述阵列式平面供电网中距离所述磁耦合接收装置最近的三相单体发射单元，匹配出最优单体发射单元之前，包括：

从所述磁耦合接收装置的副边控制器接收到位置检测信号时，触发电源向所述平面供电网输入位置检测电压；

接收所述副边控制器反馈的电压感应信息；

根据所述电压感应信息确定距离所述磁耦合接收装置最近的三相单体发射单元。

5.根据权利要求4所述的阵列式磁耦合发射装置，其特征在于，所述磁耦合接收装置中设置两个接收线圈；所述接收所述副边控制器反馈的电压感应信息；根据所述电压感应信息确定距离所述磁耦合接收装置最近的三相单体发射单元，包括：

依次开通所述平面供电网中各个第一预设区域的三项单体发射单元；

接收所述副边控制器反馈的目标接收线圈感应的第一最大电压感应信息；所述目标接收线圈为两个接收线圈中的第一线圈或第二线圈；

当所述第一最大电压感应信息大于预设阈值时，确定出与所述第一最大电压感应信息对应的第一三相单体发射单元；

当所述第一最大电压感应信息不大于所述阈值时，依次开通所述平面供电网的各个第二预设区域中的三项单体发射单元；相邻两个第一预设区域间隙设置一第二预设区域；

接收所述副边控制器反馈的目标接收线圈感应的第二最大电压感应信息；

当所述第二最大电压感应信息大于预设阈值时，确定出与所述第二最大电压感应信息对应的第二三相单体发射单元；

当所述第二最大电压感应信息不大于预设阈值时，所述目标接收线圈位于一充电盲区；

将目标三相单体发射单元中的一个或两个磁耦合发射线圈作为中心，分别与所述目标三相单体发射单元相邻的磁耦合发射线圈重新组成多个三相单体发射单元，依次开通多个三相单体发射单元；所述目标三相单体发射单元为第一三相单体发射单元或第二三相单体发射单元；

接收所述副边控制器反馈的目标接收线圈感应的第三最大电压感应信息；

将与所述第三最大电压感应信息对应的第四三相单体发射单元作为距离所述目标接收线圈最近的三相单体发射单元。

6.根据权利要求5所述的阵列式磁耦合发射装置，其特征在于，所述根据所述阵列式平面供电网中距离所述磁耦合接收装置最近的三相单体发射单元，匹配出最优单体发射单元，包括：

当所述目标接收线圈不位于充电盲区，并且不位于距离所述目标接收线圈最近的三相单体发射单元的任意两个磁耦合发射线圈的交界处时，匹配出的最优单体反射单元为距离第一接收线圈最近的三相单体发射单元和距离第二接收线圈最近的三相单体发射单元；

当第一接收线圈位于距离所述第一接收线圈最近的三相单体发射单元的任意两个磁耦合发射线圈的交界处时，匹配出的最优单体反射单元为距离第一接收线圈最近的二相单体发射单元和距离第二接收线圈最近的四相单体发射单元，该最近的四相单体发射单元的四个磁耦合发射线圈分别位于第二接收线圈的两侧；

当第二接收线圈位于一充电盲区，且第二接收线圈位于所述阵列式平面供电网的边界时，匹配出的最优单体反射单元为距离第一接收线圈最近的三相单体发射单元；

当第二接收线圈位于一充电盲区，且第二接收线圈不位于所述阵列式平面供电网的边界时，将距离所述第一接收线圈最近的三相单体发射单元中每两个磁耦合发射线圈作为中心，分别与该最近的三相单体发射单元的相邻磁耦合发射线圈重新组成多个四相单体发射单元，从多个四相单体发射单元中确定出距离所述第二接收线圈最近的四相单体发射单元；匹配出的最优单体反射单元为距离第一接收线圈最近的三相单体发射单元和距离所述第二接收线圈最近的四相单体发射单元。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的阵列式磁耦合发射装置，其特征在于，所述控制最优单体发射单元对待充电无人机的磁耦合接收装置传递电能，包括：

在充电模式下，通过匹配的发射线圈激励方式控制所述最优单体发射单元对所述磁耦合接收装置传递电能。

8.根据权利要求7所述的阵列式磁耦合发射装置，其特征在于，所述通过匹配的发射线圈激励方式控制所述最优单体发射单元对所述磁耦合接收装置传递电能，包括：

在所述最优单体发射单元为两相单体发射单元时，匹配励磁电流相位互差180°的发射线圈激励方式；在所述最优单体发射单元为三相单体发射单元时，匹配励磁电流相位互差120°或者其中两个磁耦合发射线圈励磁电流同相位且与剩余磁耦合发射线圈励磁电流相位相差180°的发射线圈激励方式；在所述最优单体发射单元为四相单体发射单元时，匹配其中两个磁耦合发射线圈的励磁电流相位相同，另两个磁耦合发射线圈的励磁电流相同，两组的励磁电流相位差180°的发射线圈激励方式；

根据匹配的发射线圈激励方式控制所述最优单体发射单元对所述磁耦合接收装置传递电能。

9.一种阵列式磁耦合系统，其特征在于，所述阵列式磁耦合系统包括如权利要求1-8中任意一项所述的阵列式磁耦合发射装置和磁耦合接收装置，所述磁耦合接收装置包括两个接收线圈和副边控制器；两个接收线圈分别设置在无人机的两个起落架上。

10.一种无人机充电方法，其特征在于，所述无人机充电方法包括：

阵列式磁耦合发射装置在所述阵列式平面供电网中匹配出最优单体发射单元；控制最优单体发射单元对待充电无人机的磁耦合接收装置传递电能。

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