CN113422442B - 一种5g空中输电无人机及其输电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种5G空中输电无人机及其输电方法，所述5G空中输电无人机包括遥控模块、视频拍摄模块、无线充电模块和5G通信模块；所述遥控模块用于接收地面终端的控制指令，控制所述5G空中输电无人机飞行到目标设备所在位置；所述视频拍摄模块用于实时拍摄所述目标设备的视频图像，并通过所述5G通信模块传输给所述地面终端，以供所述地面终端确定所述目标设备的准确位置；所述遥控模块还用于控制所述无线充电模块与所述目标设备对接；所述无线充电模块用于通过无线充电模式对所述目标设备进行充电。本发明能够解决高空及远距离作业机器的充电问题。

Description

一种5G空中输电无人机及其输电方法

技术领域

本发明涉及无人机空中输电技术领域，特别涉及一种5G空中输电无人机及其输电方法。

背景技术

空中作业机器传统加电模式是直接将充电线连接在设备的充电口，从而达到充电的目的。对于有线充电而言，存在一定的安全隐患。首先，存在小几率漏电的问题；其次，由于有线充电需要人进行接触操作，所以使用充电器或者使用不当的时候会有一定的几率触电。此外，在时下的各种快充、大电流充电情况下，有线充电的发热备受考验，由于快充和大电流充电对于线材有一定的技术要求，导致出现了发热的问题。相比而言，无线充电不存在上述安全隐患。无线充电无需线材进行连接，不存在直接接触，无触电几率，也不存在类似的发热问题。

目前使用的民用无人机基本以人为控制为主，即采用Wi-Fi或蓝牙的方式，实现遥控器和无人机之间的数据传输，属于点对点通信。然而，Wi-Fi或蓝牙的通讯距离非常有限。Wi-Fi的有效控制距离通常仅能达到200-500米的视距范围，蓝牙的传输距离更加有限。传输距离的限制很大程度上约束了无人机的飞行范围，飞行过远很可能会导致无人机坠毁；且在当前网络和蓝牙技术的限制下，通过Wi-Fi和蓝牙传输有明显延迟，控制精度无法保证。

网联无人机是基于上述问题提出的一种全新无人机通信方式，即利用蜂窝通信网络、利用移动信号基站来联网和控制无人机。相较于Wi-Fi和蓝牙，蜂窝基站拥有更广阔的覆盖范围，将使无人机的通讯更加灵活、可靠。目前网联无人机难以普及主要受限于目前的4G LTE蜂窝通信技术。无人机与地面的通信，主要有三种目的：图传、数传和遥控。4G网联无人机的图传能力主要在720p(分辨率1280×720)左右。由于无人机在高空作业时拍摄距离较远，这样的分辨率无法满足目标识别、航拍等需求；在定位方面，现有4G网络在空域定位精度约为几十米(如果采用GPS定位，精度大约在米级)，精度较低；同时，4G网络只能覆盖空域120米以下的范围应用，在120米以上的区域作业时极易发生失联。

随着5G技术的发展，现有的网联无人机的问题将得到解决。5G的超带宽平均速率可达1Gbps以上，是4G LTE的十余倍，这样的速率可以支持4K甚至8K的超高清视频传输，若安装全景摄像头可以实现全域的目标识别；5G网络具有超低时延的特性，可提供低于20ms的传输时延(4G LTE在50ms以上)，使无人机更精确地响应地面命令；5G可以提供的厘米级定位精度，远超LTE的十米级和GPS的米级，满足在城区等复杂地形环境的飞行需求；此外，5G的数据传输过程更加安全可靠，无线信道不容易被干扰或入侵。

同时，5G网联无人机可应用物联网环境下强大的云平台支撑。将无人机产生的数据通过5G网络实时传输给云计算平台，实现更复杂的计算和更大容量的数据存储，如AI路径规划等；5G所提供D2D(Device to Device)通信能力，可以让无人机与无人机之间实现直接通信，更好地服务于自动驾驶和机群协同。基于种种优点，5G将成为未来无人机发展的必经之路。

利用无人机和相关无线传输技术进行节点间的能量交换或信息交互，对于各领域的未来发展具有重要的指导意义，国内外已有一些学者对无人机与其他产业的交互进行研究。

等人将无人机与无线传感器网络(WSN)结合，从部署在海洋中的环境感应浮标收集数据；C.-M.Cheng等人考虑了使用一个或多个无人机在两个遥远的地面节点之间中继消息的方法；Sharma等人提出了将无人机作为可移动的LoRaWAN GW形成智能交通系统的一部分；Orsino等人研究了任务关键型机器通信中机动性和使用无人机辅助通信的影响。

由于无线充电无需通过物理接触的方式即可实现能量的传输，具有高可行性和强适应性的优势，而无人机往往需要较为灵活地完成空中作业，因此二者的结合得到了广泛研究。目前有关无人机和无线充电技术的结合大部分集中于利用无线传输技术为无人机本身进行充电，以弥补其短时运行的局限性。李修乾等人分析了无人机激光充电系统的组成、工作过程和工作原理；金星等人对无人机飞秒激光等离子通道无线传能技术的概念进行了探索；Gómez-Tornero等人使用基于射频(RF)的WPT为微型无人机充电；Yong等人提出了为基于RF的WPT分配指定频段以给UAV充电的可能性；刘帼巾等人提出一种双LCL变补偿参数的磁耦合谐振式无线充电系统，只需对部分补偿元件进行投切操作即可实现恒压或恒流特性。

然而，目前市场上对于采用无人机为目标设备、传感器等进行能量传输的研究较少。如Chen等人在现场对用于将能量从无人机转移到传感器的实际解决方案进行了仪器化和评估；He等人研究了基于无人驾驶飞机的无线功率和信息传输的解决方案。但已有研究大多停留在概念阶段，且未能解决对目标的精准识别和无线充电时的稳定性问题，这些也成为无人机加电难以普及的主要原因。因此，本发明着力于实现无人机充电时的可靠性和稳定性，为空中需电设备提供可靠的加电方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种5G空中输电无人机及其输电方法，解决高空及远距离作业机器的充电问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

一方面，提供了一种5G空中输电无人机，包括遥控模块、视频拍摄模块、无线充电模块和5G通信模块；

所述遥控模块用于接收地面终端的控制指令，控制所述5G空中输电无人机飞行到目标设备所在位置；

所述视频拍摄模块用于实时拍摄所述目标设备的视频图像，并通过所述5G通信模块传输给所述地面终端，以供所述地面终端确定所述目标设备的准确位置；

所述遥控模块还用于控制所述无线充电模块与所述目标设备对接；

所述无线充电模块用于通过无线充电模式对所述目标设备进行充电。

优选地，所述视频拍摄模块包括分辨率不低于1280×720的摄像头。

优选地，所述无线充电模块包括安装有磁吸头的输电线，所述输电线在输电时从储存口放出，使所述磁吸头与目标设备的转接电池磁吸相接，进行无线充电工作。

优选地，所述无线充电模块还包括驱动板、驱动线圈、发射线圈和处理器；

所述驱动板用于将无人机电池提供的直流电压转换为交流电压后施加到所述驱动线圈；

所述驱动线圈用于产生交变磁场，并通过电感耦合驱动所述发射线圈；

所述发射线圈用于与所述目标设备的接收线圈共振并在预定距离内耦合，所述接收线圈用于驱动负载线圈，将电压输出给转接电池；

所述处理器用于实时监测输出电压。

优选地，所述发射线圈与所述接收线圈的谐振频率一致，且所述发射线圈与所述接收线圈的品质因数不低于预设值。

一方面，提供了一种基于上述5G空中输电无人机的输电方法，包括以下步骤：

遥控模块接收地面终端的控制指令，控制所述5G空中输电无人机飞行到目标设备所在位置；

视频拍摄模块实时拍摄所述目标设备的视频图像，并通过5G通信模块传输给所述地面终端，以供所述地面终端确定所述目标设备的准确位置；

所述遥控模块还用于控制无线充电模块与所述目标设备对接；

所述无线充电模块用于通过无线充电模式对所述目标设备进行充电。

优选地，所述无线充电模块包括安装有磁吸头的输电线，所述输电方法还包括：

输电时，所述输电线从储存口放出，所述磁吸头与目标设备的转接电池磁吸相接，进行无线充电工作。

优选地，所述无线充电模块还包括驱动板、驱动线圈、发射线圈和处理器，所述输电方法还包括：

所述驱动板将无人机电池提供的直流电压转换为交流电压后施加到所述驱动线圈；

所述驱动线圈产生交变磁场，并通过电感耦合驱动所述发射线圈；

所述发射线圈与所述目标设备的接收线圈共振并在预定距离内耦合，所述接收线圈驱动负载线圈，将电压输出给转接电池；

所述处理器实时监测输出电压。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的5G空中输电无人机，通过5G通信模块获取空中目标设备的实时视频，采用无线电磁吸附与目标设备对接，运用电磁共振技术对目标设备进行充电。基于强耦合磁共振进行的无线电力传递，使得无人机可以实现高效无线充电、减少能量损失且屏蔽空中信号干扰。凭借5G的超带宽和超低延时的特性，为通过视频精确控制无人机对接目标提供了保障。所述5G空中输电无人机的应用，能够极大程度地解决高远作业设备存在的充电过程繁琐、危险性高等问题，为高远作业设备提供了一种全新的加电方案，并适配未来需电产品的发展需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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1是本发明实施例提供的5G空中输电无人机的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明的实施例提供了一种5G空中输电无人机，如图1所示，所述5G空中输电无人机包括遥控模块、视频拍摄模块、无线充电模块和5G通信模块；

其中，遥控模块用于接收地面终端的控制指令，控制5G空中输电无人机飞行到目标设备所在位置；

视频拍摄模块用于实时拍摄目标设备的视频图像，并通过5G通信模块传输给地面终端，以供地面终端确定目标设备的准确位置；

遥控模块还用于控制无线充电模块与目标设备对接；

无线充电模块用于通过无线充电模式对所述目标设备进行充电。

进一步地，本实施例中的视频拍摄模块包括分辨率不低于1280×720的摄像头，配合5G通讯模块，能够实现对输电目标的高精度、低延时的准确定位。

进一步地，本实施例中的无线充电模块包括安装有磁吸头的输电线，当需要输电时，输电线从无人机的储存口放出，使磁吸头与目标设备的转接电池磁吸相接，进行无线充电工作。

进一步地，本实施例中的无线充电模块还包括驱动板、驱动线圈、发射线圈和处理器；其中，驱动板用于将无人机电池提供的直流电压转换为交流电压后施加到驱动线圈；驱动线圈用于产生交变磁场，并通过电感耦合驱动发射线圈；发射线圈用于与目标设备的接收线圈共振并在预定距离内耦合，接收线圈用于驱动负载线圈，将电压输出给转接电池；处理器用于实时监测输出电压。

进一步地，本发明实施例中，发射线圈与接收线圈的谐振频率一致，且发射线圈与接收线圈的品质因数不低于预设值。这样，通过控制发射线圈与接收线圈的谐振频率相似、提升线圈的品质因数来提高谐振线圈性能，能够有效减少能量损失。输出的电压由处理器监测，确保最终输出给目标设备的电压大小合适且稳定。

相应地，本发明的实施例还提供了一种基于上述5G空中输电无人机的输电方法，包括以下步骤：

遥控模块接收地面终端的控制指令，控制5G空中输电无人机飞行到目标设备所在位置；

视频拍摄模块实时拍摄目标设备的视频图像，并通过5G通信模块传输给地面终端，以供地面终端确定目标设备的准确位置；

遥控模块还用于控制无线充电模块与目标设备对接；

无线充电模块用于通过无线充电模式对目标设备进行充电。

进一步地，无线充电模块包括安装有磁吸头的输电线，所述输电方法还包括：

输电时，输电线从储存口放出，磁吸头与目标设备的转接电池磁吸相接，进行无线充电工作。

进一步地，无线充电模块还包括驱动板、驱动线圈、发射线圈和处理器，所述输电方法还包括：

驱动板将无人机电池提供的直流电压转换为交流电压后施加到驱动线圈；

驱动线圈产生交变磁场，并通过电感耦合驱动发射线圈；

发射线圈与目标设备的接收线圈共振并在预定距离内耦合，接收线圈驱动负载线圈，将电压输出给转接电池；

处理器实时监测输出电压。

具体地，以对高空作业机器输电为例，本发明实施例提供的5G空中输电无人机的详细工作流程如下：

无人机通过遥控模块的控制飞行到高空，由搭载的摄像头获取视频信息，从而控制无人机飞行到空中作业机器附近，精确定位后，输电线从储存口放出，连接的磁吸头与安装在高空作业机器上的无线信号接收器即转接电池磁吸相接，进行无线充电工作。

具体充电流程如下：

A.无人机的电池提供直流电，驱动板将其转换为交流电压后施加到驱动线圈。

B.驱动线圈产生交变磁场，通过标准电感耦合驱动相邻的Tx线圈。

C.从Tx线圈产生的磁场与目标平台的Rx线圈共振并在一定距离内耦合。

D.负载线圈受Rx线圈驱动，并将电压传递给接收板。

E.接收板通过内置二极管对来自负载线圈的高压交流电源进行整流(通常为50V)，转化成约为100V的直流电压，然后通过宽输入电压集成稳压器将这种可变电压转换为稳定的电源，输出给转接电池。

本发明实施例中，利用5G技术实现信号的超速传播，并与物联网融合，在智能终端应用感知数据时实现无延迟操作，从而保证无人机控制的精准度以及信号传播的速度和质量，提升无人机图传、数传和遥控等方面的性能。采用强耦合磁共振技术实现无人机对目标的能量传输，通过控制Tx线圈和Rx线圈谐振频率相同，控制线圈的品质因数来保证能量传输效率；采用原边反馈+副边反馈的模式控制充电流程，实现恒流/恒压闭环充电控制。两种技术的结合与协调可以在实现高效能量传输的前提下，保证充电过程的稳定与安全。

本发明以无人机本身为电源，先将磁吸头中的电输入到配有的磁吸转接电池，再由该电池将电输送给作业机器，可以解决高空及地处偏僻、充电困难的地区的作业机器的供电问题，降低了携带发电机、燃料等的运输成本，提高了施工效率。同时也降低了长电线充电所带来的安全隐患，提高了充电的安全性。此外，利用模块化的电池充电大大延长了作业机器的使用寿命，避免仅由于电池问题而导致的机器报废。本发明为空中无线加电行业提供了一种全新的加电方案，能够适配并满足未来需电产品的发展需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种5G空中输电无人机，其特征在于，包括遥控模块、视频拍摄模块、无线充电模块和5G通信模块；

所述遥控模块用于接收地面终端的控制指令，控制所述5G空中输电无人机飞行到目标设备所在位置；

所述视频拍摄模块用于实时拍摄所述目标设备的视频图像，并通过所述5G通信模块传输给所述地面终端，以供所述地面终端确定所述目标设备的准确位置；

所述遥控模块还用于控制所述无线充电模块与所述目标设备对接；

所述无线充电模块用于通过无线充电模式对所述目标设备进行充电；

所述无线充电模块包括安装有磁吸头的输电线，所述输电线在输电时从储存口放出，使所述磁吸头与目标设备的转接电池磁吸相接，进行无线充电工作；

所述无线充电模块还包括驱动板、驱动线圈、发射线圈和处理器；

所述驱动板用于将无人机电池提供的直流电压转换为交流电压后施加到所述驱动线圈；

所述驱动线圈用于产生交变磁场，并通过电感耦合驱动所述发射线圈；

所述发射线圈用于与所述目标设备的接收线圈共振并在预定距离内耦合，所述接收线圈用于驱动负载线圈，将电压输出给转接电池；

所述处理器用于实时监测输出电压；

所述发射线圈与所述接收线圈的谐振频率一致，且所述发射线圈与所述接收线圈的品质因数不低于预设值；

具体地，对高空作业机器输电的工作流程如下：

无人机通过遥控模块的控制飞行到高空，由搭载的摄像头获取视频信息，从而控制无人机飞行到空中作业机器附近，精确定位后，输电线从储存口放出，连接的磁吸头与安装在高空作业机器上的无线信号接收器即转接电池磁吸相接，进行无线充电工作；

具体充电流程如下：

A.无人机的电池提供直流电，驱动板将其转换为交流电压后施加到驱动线圈；

B.驱动线圈产生交变磁场，通过标准电感耦合驱动相邻的Tx线圈；

C.从Tx线圈产生的磁场与目标平台的Rx线圈共振并在一定距离内耦合；

D.负载线圈受Rx线圈驱动，并将电压传递给接收板；

E.接收板通过内置二极管对来自负载线圈的高压交流电源进行整流，将50V高压交流电转化成为100V的直流电压，然后通过宽输入电压集成稳压器将这种可变电压转换为稳定的电源，输出给转接电池。

2.根据权利要求1所述的5G空中输电无人机，其特征在于，所述视频拍摄模块包括分辨率不低于1280×720的摄像头。

3.一种基于权利要求1-2中任一项所述的5G空中输电无人机的输电方法，其特征在于，包括以下步骤：

遥控模块接收地面终端的控制指令，控制所述5G空中输电无人机飞行到目标设备所在位置；

视频拍摄模块实时拍摄所述目标设备的视频图像，并通过5G通信模块传输给所述地面终端，以供所述地面终端确定所述目标设备的准确位置；

所述遥控模块还用于控制无线充电模块与所述目标设备对接；

所述无线充电模块用于通过无线充电模式对所述目标设备进行充电；

所述无线充电模块包括安装有磁吸头的输电线，所述输电方法还包括：

输电时，所述输电线从储存口放出，所述磁吸头与目标设备的转接电池磁吸相接，进行无线充电工作；

所述无线充电模块还包括驱动板、驱动线圈、发射线圈和处理器，所述输电方法还包括：

所述驱动板将无人机电池提供的直流电压转换为交流电压后施加到所述驱动线圈；

所述驱动线圈产生交变磁场，并通过电感耦合驱动所述发射线圈；

所述发射线圈与所述目标设备的接收线圈共振并在预定距离内耦合，所述接收线圈驱动负载线圈，将电压输出给转接电池；

所述处理器实时监测输出电压；

所述发射线圈与所述接收线圈的谐振频率一致，且所述发射线圈与所述接收线圈的品质因数不低于预设值；

具体地，对高空作业机器输电的工作流程如下：

无人机通过遥控模块的控制飞行到高空，由搭载的摄像头获取视频信息，从而控制无人机飞行到空中作业机器附近，精确定位后，输电线从储存口放出，连接的磁吸头与安装在高空作业机器上的无线信号接收器即转接电池磁吸相接，进行无线充电工作；

具体充电流程如下：

A.无人机的电池提供直流电，驱动板将其转换为交流电压后施加到驱动线圈；

B.驱动线圈产生交变磁场，通过标准电感耦合驱动相邻的Tx线圈；

C.从Tx线圈产生的磁场与目标平台的Rx线圈共振并在一定距离内耦合；

D.负载线圈受Rx线圈驱动，并将电压传递给接收板；

E.接收板通过内置二极管对来自负载线圈的高压交流电源进行整流，将50V高压交流电转化成为100V的直流电压，然后通过宽输入电压集成稳压器将这种可变电压转换为稳定的电源，输出给转接电池。

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