CN113340158A - 基于可见光传输的无线传能装置与方法 - Google Patents

基于可见光传输的无线传能装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于可见光传输的无线传能装置，包括：发送模块和接收模块，通过发送模块发出可见光光源，照射在接收模块，接收模块将其转化为电能给弹链式武器功能。本发明还提供了一种基于可见光传输的无线传能方法。本发明基于可见光的无线传能，给弹链式武器供能，从而弹链式武器接收模块完成无线传能，很好地解决了接触式电连接器传能方式限制弹链式武器装填数量及快速、高频次发射的问题。

Description

基于可见光传输的无线传能装置与方法
技术领域
本发明涉及无线传能技术领域，具体地，涉及一种基于可见光传输的无线传能装置与方法。
背景技术
电连接器指电子电源信号连接桥梁，所有用在电子信号与电源上的连接元件及其附属配件均称为连接器。通过机械连接的方法产生的电性连接，电连接器除了满足基本的电信号连接之外，特别重要的是电连接器必须达到接触良好，其连接的可靠直接影响到弹链式武器的正常发射任务。在传统弹链式武器中，设计地面设备与武器的电连接器用量很大，随着弹链式武器的武器容量扩充，以及发射频次激增，导致了这种传统接触式连接器不仅数量增多，插拔次数增加，导致了电连接器寿命指数下降，从而影响了弹链式武器的发射可靠性及安全性。
光波作为一种特定频率的电磁波，其颜色与频率有关。可见光通常指波长范围为390nm-780nm的电磁波。人眼可见范围为312nm-1050nm的电磁波。470nm波段为蓝色可见光；710波段为红色可见光；太阳能光伏板主要吸收300nm-1100nm的光。而光的能量95％都集中在290nm-1500nm波长中，其它范围的波长基本只能少量发热，不能引起光生伏特效用。
由于随着弹链式武器挂弹量及发射频次激增，导致了以往人工机械接触式插拔电连接器愈来愈不能满足使用要求，更会降低地面设备与弹链武器间连接的可靠性，采用接触式连接器传能的方式无法满足弹链武器快速传能、快速发射的问题。
经过检索，专利文献CN110858728A公开了一种无线传能系统及无线传能控制方法，包括n个线圈模组，n个所述线圈模组中的至少一个与其余的所述线圈模组之间以规定的谐振频率基于磁耦合谐振形成一个无线传能通路，若用F123..n表示所述无线传能通路的传能系数，则存在下述关系：通过控制至少一个线圈模组中的动态阻抗变换器，来调节该至少一个线圈模组中的等效电阻(R)，使得所述F123..n最大，当所述F123..n最大时，所述无线传能通路的综合传能效率最高。该现有技术是基于磁耦合谐振形成一个无线传能通路，但是不足之处在于采用线圈模组没有采用可见光进行无线传能更节能。
因此，亟需研发设计一种能实现弹链式武器非接触无线传能，解决了弹链式武器容量及发射频次激增的使用要求的无线传能方法和装置。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于可见光传输的无线传能装置与方法，实现了弹链式武器非接触无线传能，解决了弹链式武器容量及发射频次激增的使用要求。
根据本发明提供的一种基于可见光传输的无线传能装置，包括：发送模块和接收模块，通过发送模块发出可见光光源，照射在接收模块，接收模块将其转化为电能给弹链式武器功能。
优选地，发送模块包括分光子模块，接收模块包括光能接收子模块，光能接收子模块接收经过分光子模块发出可见光光源。
优选地，发送模块还包括光源控制子模块，光源控制子模块用于调节可见光源的功率。
优选地，光源控制子模块包括驱动器，驱动器通过GPIO控制可见光光源的开启和关闭。
优选地，分光子模块包括透镜和透光蜂窝窗，透镜的透光率为95％，可见光光源经透镜射出穿过透光蜂窝窗照射在光能接收子模块。
优选地，接收模块还包括电磁屏蔽栅，电磁屏蔽栅包裹设置在接收模块的外部。
优选地，光能接收子模块还包括三结砷化镓电池板，三结砷化镓电池板用于将光能转换为电能。
优选地，发送模块选用470nm、710nm和1100nm三种波段的可见光光源作为混合光源。
优选地，混合光源分别激发所述三结砷化镓电池板的3个PN结。
根据本发明提供的一种基于可见光传输的无线传能方法，包括如下步骤：
步骤S1：可见光光源经过透镜聚焦混合；
步骤S2：经过透镜聚焦混合的可见光光源由透光蜂窝窗发出覆盖整个接收模块；
步骤S3：接收模块中的三结砷化镓电池板接收混合的可见光光源转化成电能；
步骤S4：转化成电能之后依次经过储能电容与过压泄放回路、微功耗DC/DC模块进行欠压锁定。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明基于可见光传输的无线传能，解决了弹链式武器与地面设备之间，由于武器容量及发射频次激增，导致传统的接触式插拔电连接器传能方式，极大限制了武器扩容的发展，且高频次、快速发射会带来机械式插拔电连接器的传能可靠性和安全性问题，最终实现了地面设备与弹链式武器的无线传能。
2、本发明采用可见光光源，在无需光通信期间，可以关闭光源以减少发热、延长灯的寿命。
3、本发明采用三结砷化镓材料，是转换效率最高的太阳能板材料；采用微功耗DC/DC电源芯片具有欠压锁定功能，保证系统的安全与稳定性。
4、本发明中的发送模块和接收模块之间的光电转换效能能够达到100mW，使得光传输及电能转化稳定可靠。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中基于可见光传输的无线传能装置的整体结构示意图；
图2为本发明中基于可见光传输的无线传能装置的发送模块内部结构示意图；
图3为本发明中基于可见光传输的无线传能装置的接收模块内部结构示意图；
图4为本发明中基于可见光传输的无线传能装置的发送模块外部结构示意图；
图5为本发明中基于可见光传输的无线传能装置的发送模块外部结构剖面示意图；
图6为本发明中基于可见光传输的无线传能装置的接收模块外部结构示意图；
图7为本发明中基于可见光传输的无线传能装置的接收模块外部结构剖面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于可见光传输的无线传能装置，包括：发送模块和接收模块，通过发送模块发出可见光光源，照射在接收模块，接收模块将其转化为电能给弹链式武器功能。
如图2-图7所示，发送模块选用了470nm、710nm、1100nm三种波段的光源混合作为光源，从光谱能力匹配方面分析，接收模块表面的三种波段的光强应几近相同的情况下，才能确保最大能量匹配接收的效果。其中，发送模块的电路包括隔离电源/稳压电路、驱动器电路和LED阵列(光源)电路；发送模块的光路包括可调功率光源控制子模块、透镜和透光蜂窝窗。其中，LED灯组选型均为3535封装LED，LED阵列(光源)分别由一片可见光LED灯(470nm)、一片近红外LED灯(710nm)和两片串联的远红外LED灯(1100nm)串联组成。驱动器电路模组支持MCU可以通过GPIO控制LED灯亮/灭，在无需光通信期间，可以关闭光源以减少发热、延长灯的寿命。
接收模块包括三结砷化镓电池板、储能电容和过压泄放回路与微功耗DC/DC模块，选用三结砷化镓电池板属于转换效率最高的太阳能板材料，上述三种波段的混合光源分别激发三结砷化镓电池板的3个PN结，从而实现能量的无线传递，微功耗DC/DC电源芯片具有欠压锁定功能，保证基于可见光传输的无线传能装置的安全与稳定性。
本发明提供了一种基于可见光传输的无线传能方法，包括如下步骤：
步骤S1：可见光光源经过透镜聚焦混合。LED发出的能量光源经过非球面凸透镜的聚焦混合，是接受模块在10cm范围内稳定可靠接收到较强光束，提高三结砷化镓电池板的光能转换效率以满足接收模块负载要求。
步骤S2：经过透镜聚焦混合的可见光光源由透光蜂窝窗发出覆盖整个接收模块。
步骤S3：接收模块中的三结砷化镓电池板接收混合的可见光光源转化成电能；三种波段的光源均选型为对于三种型号的LED的排布拓扑，综合考虑各波段功率均衡、LED的额定电流参数、LED的表面积以及串并联的特性。LED灯组分别由一片可见光LED灯(470nm)、一片近红外LED灯(810nm)和两片串联的远红外LED灯(1100nm)串联组成。三种型号LED分别消耗电能7.08W、3.6W和1.8W，所以总LED阵列电额定功率12.48W。LED电能转化为光能的效率40％，光学效率系数为80％，凸透镜透光率95％，因此，接收模块可实际输出100mW功率。从发送模块窗口出去的光能为3.8W。按照光斑40mm圆孔，能够覆盖整个接收模块，接收模块表面光强为0.3W/cm2，大于接收模块获得100mW功率所需的0.25W/cm2光能。
步骤S4：转化成电能之后依次经过储能电容与过压泄放回路、微功耗DC/DC模块进行欠压锁定。为了节省功耗，整个接收模块的电路处于低功耗模式：采用2.7V低压供电，此时光源照射电池板，整个电路正处于等待储能环节充电状态，所有芯片被强制处于休眠状态，单片机耗电约0.98uA，储存器100uA，电源损耗为1.17mW，电阻损耗1.3mW，功耗一约为3mW，其计算公式如下：2.7V×(0.98uA+100uA)+1.17mW+1.3mW＝2.74mW。
本发明的基于可见光传输的无线传能方法能够稳定可靠的输出弹链武器所需电能，该发明解决了传统接触式插拔连接器传能带来的限制弹链式武器容量及高频次快速发射的限制，避免因多次、高频插拔导致电连接器带来的可靠性问题。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于可见光传输的无线传能装置，其特征在于，包括：发送模块和接收模块，通过所述发送模块发出可见光光源，照射在所述接收模块，所述接收模块将其转化为电能给弹链式武器功能。
2.根据权利要求1所述的基于可见光传输的无线传能装置，其特征在于，所述发送模块包括分光子模块，所述接收模块包括光能接收子模块，所述光能接收子模块接收经过所述分光子模块发出所述可见光光源。
3.根据权利要求1所述的基于可见光传输的无线传能装置，其特征在于，所述发送模块还包括光源控制子模块，所述光源控制子模块用于调节可见光源的功率。
4.根据权利要求3所述的基于可见光传输的无线传能装置，其特征在于，所述光源控制子模块包括驱动器，所述驱动器通过GPIO控制可见光光源的开启和关闭。
5.根据权利要求2所述的基于可见光传输的无线传能装置，其特征在于，所述分光子模块包括透镜和透光蜂窝窗，所述透镜的透光率为95％，可见光光源经透镜射出穿过透光蜂窝窗照射在光能接收子模块。
6.根据权利要求1所述的基于可见光传输的无线传能装置，其特征在于，所述接收模块还包括电磁屏蔽栅，所述电磁屏蔽栅包裹设置在所述接收模块的外部。
7.根据权利要求1所述的基于可见光传输的无线传能装置，其特征在于，所述光能接收子模块还包括三结砷化镓电池板，所述三结砷化镓电池板用于将光能转换为电能。
8.根据权利要求1所述的基于可见光传输的无线传能装置，其特征在于，所述发送模块选用470nm、710nm和1100nm三种波段的可见光光源作为混合光源。
9.根据权利要求8所述的基于可见光传输的无线传能装置，其特征在于，所述混合光源分别激发所述三结砷化镓电池板的3个PN结。
10.一种基于可见光传输的无线传能方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：可见光光源经过透镜聚焦混合；
步骤S2：经过透镜聚焦混合的可见光光源由透光蜂窝窗发出覆盖整个接收模块；
步骤S3：接收模块中的三结砷化镓电池板接收混合的可见光光源转化成电能；
步骤S4：转化成电能之后依次经过储能电容与过压泄放回路、微功耗DC/DC模块进行欠压锁定。
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