CN113619412B - 用于无人机无线充电平台的能量发射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于无人机无线充电平台的能量发射装置，包括：基板；布置在所述基板上的多组单元线圈，所述多组单元线圈在所述基板上并列排布，每组所述单元线圈均用于接收交流电并感应生成磁场；所述多组单元线圈相互串联组成发射线圈回路。本发明提高了无人机无线充电的抗偏移能力，减少了无人机校准降落的时间，进而提高无人机的充电效率。

Description

用于无人机无线充电平台的能量发射装置
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种用于无人机无线充电平台的能量发射装置、无人机充电平台及充电方法。
背景技术
传统无人机充电过程，一般采用人工插拔插头充电方式或更换电池方式，将极其耗费人力物力。将无线充电技术应用于无人机，可以提高充电过程的自动化程度，并为降低人力成本，提高充电效率，但无线充电对充电位置对准要求较高，如果位置对准稍微有偏差严重影响充电效率。因此，无人机充电时因位置偏差造成的充电效率低的问题是目前业界亟待解决的重要课题。
发明内容
本发明提供一种用于无人机无线充电平台的能量发射装置，用以解决现有技术中无人机充电时位置容易出现偏差的缺陷，实现无人机充电效率的提高。
本发明提供一种用于无人机无线充电平台的能量发射装置，包括：
基板；
布置在所述基板上的多组单元线圈，所述多组单元线圈在所述基板上并列排布，每组所述单元线圈均用于接收交流电并感应生成磁场；
所述多组单元线圈相互串联组成发射线圈回路。
根据本发明提供的一种用于无人机无线充电平台的能量发射装置，多个开关，分别与所述多组单元线圈并联；
所述单元线圈包括相互串联的发射线圈和补偿电容。
本发明还提供一种无人机无线充电平台，包括：
供电装置，用于输出交流电；
上述任一所述的能量发射装置，与所述供电装置电连接，用于与无人机之间传输充电电流；
其中，所述能量发射装置的发射线圈用于接收交流电并向无人机发送电磁信号，以实现为无人机充电。
根据本发明提供的一种无人机无线充电平台，所述供电装置包括：依次连接的整流模块和逆变模块，所述整流模块与电源连接，所述逆变模块的输出端与所述发射线圈回路连接；
所述整流模块，用于将电源输出的交流电转化为直流电，并为所述能量发射装置的单片机供电；
所述逆变模块，用于接收所述整流模块输出的直流电转化为交流电对所述发射线圈回路供电。
根据本发明提供的一种无人机无线充电平台，所述能量发射装置还包括：相互电连接的控制模块、驱动模块，以及与所述控制模块连接的通信模块；
所述控制模块，用于在充电过程中控制所述驱动模块，使所述发射线圈回路与所述逆变模块导通；在充电完成后，所述控制模块控制所述驱动模块，使所述发射线圈回路与所述逆变模块断开；
所述驱动模块，用于接收并执行所述控制模块输出的控制指令；
所述通信模块，用于向所述控制模块发送信号，以及接收所述控制模块发送的信号，以使所述控制模块发出不同的指令实现电路的导通或断开。
根据本发明提供的一种无人机无线充电平台，所述逆变模块包括：全桥逆变电路和控制电路；
所述全桥逆变电路，用于将直流电转化为交流电输入至所述发射线圈；
所述控制电路，用于采集发射线圈回路的电压和电流信息，使所述全桥逆变电路工作时处于准谐振状态。
根据本发明提供的一种无人机无线充电平台，所述控制电路包括依次连接的鉴相器、PI运算器以及压控振荡器；
所述鉴相器，与所述发射线圈回路的输出端连接，用于确定所述发射线圈回路输出的电流和电压的相位差；
所述PI运算器，用于将所述相位差转化为模拟信号；
所述压控振荡器，用于控制所述模拟信号的输出频率。
根据本发明提供的一种无人机无线充电平台，所述全桥逆变电路为降压式变换电路。
本发明还提供一种无人机充电方法，包括：
发射线圈接收交流电，发送电磁信号；
检测各个发射线圈是否发生磁场变化；
将没有发生磁场变化的发射线圈断电，发生磁场变化的发射线圈通电，通过所述发射线圈向无人机发送电磁信号，以实现为无人机充电；
当检测到无人机的电压达到预设阈值，对通电的发射线圈断电。
根据本发明提供的一种无人机充电方法，还包括：
将接收端检测到的感应电压通过整流电路将交流电压转化直流电压；
所述当检测到无人机的电压达到预设阈值，对通电的发射线圈断电，包括：
经过整流电路的直流电压达到预设阈值，对通电的发射线圈断电。
本发明提供的用于无人机无线充电平台的能量发射装置，当无人机降落时，无人机和其位置对应的发射线圈之间产生电磁感应，激活该发射线圈便可实现对无人机的无线充电。由于设置多组单元线圈，因此无人机降落在基板上的任何位置时，都能够进行无线充电，从而提高了无人机无线充电的抗偏移能力，减少了无人机校准降落的时间，进而提高无人机的充电效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的用于无人机无线充电平台的能量发射装置的结构示意图之一；
图2是本发明提供的用于无人机无线充电平台的能量发射装置的电路图；
图3是本发明提供的用于无人机无线充电平台的能量发射装置的结构示意图之二；
图4是本发明提供的无人机无线充电平台的结构框图之一；
图5是本发明提供的无人机无线充电平台的结构框图之二；
图6是本发明提供的无人机无线充电平台的结构框图之三；
图7是本发明提供的无人机无线充电平台的逆变电路的电路图；
图8是本发明提供的无人机无线充电平台的结构框图之四；
图9是本发明提供的无人机无线充电平台的结构框图之五；
图10是本发明提供的无人机无线充电方法的流程图；
图11是本发明提供的无人机无线充电方法的电路图。
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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
下面结合图1-图3描述本发明提供的用于无人机无线充电平台的能量发射装置。
参照图1，本发明提供的用于无人机无线充电平台的能量发射装置包括：基板11；
布置在所述基板上的多组单元线圈12，所述多组单元线圈12在所述基板11上并列排布，每组所述单元线圈12均用于接收交流电并感应生成磁场；
所述多组单元线圈12相互串联组成发射线圈回路。
具体地，基板11是整个能量发射装置的载体，可选用POM塑料材料，可设置为方形立体结构。多组单元线圈12并列排布在基板11上，本实施例中可选用5组，每组包括5个单元线圈。25个单元线圈12在基板11上呈矩形阵列状排布。基板11上可设置多个容纳单元线圈12的放置区，每个放置区均与单元线圈12一一对应。
当无人机降落在基板上时，无人机和其位置对应的发射线圈之间产生电磁感应，激活该发射线圈并将其接入电路中，便可实现对无人机的无线充电。由于设置多组单元线圈，因此无人机降落在基板上的任何位置时，都能够进行无线充电，从而提高了无人机无线充电的抗偏移能力，减少了无人机校准降落的时间，进而提高无人机的充电效率。
参照图2和图3，可选的，用于无人机无线充电平台的能量发射装置还包括：
多个开关，分别与所述多组单元线圈并联；
所述单元线圈包括相互串联的发射线圈和补偿电容。
每个单元线圈均与开关并联，开关闭合时，对应的单元线圈处于短路状态。当无人机降落在该单元线圈的放置区时，便可调整开关，使该单元线圈接入电路中，以实现对无人机的充电。
每个单元线圈均由发射线圈和补偿电容组成，单元线圈接入电路中便相当于一个谐振单元。其中，本实施例中的发射线圈31采用铜线进行绕制，盘绕匝数为10匝；补偿电容可选用聚丙烯电容。
下面结合图4-图9描述本发明提供的无人机无线充电平台。
参照图4，本发明提供的无人机充电平台包括：
供电装置41，用于输出交流电；
上述任一所述的能量发射装置42，与所述供电装置41电连接，用于与无人机之间传输充电电流；
其中，所述能量发射装置42的发射线圈用于接收交流电并向无人机发送电磁信号，以实现为无人机充电。
参照图5，所述供电装置包括：依次连接的整流模块51和逆变模块52，所述整流模块51与电源连接，所述逆变模块52的输出端与所述发射线圈回路连接；
所述整流模块51，用于将电源输出的交流电转化为直流电，并为所述能量发射装置的单片机供电；
所述逆变模块52，用于接收所述整流模块输出的直流电转化为交流电对所述发射线圈回路供电。
本实施例中，整流模块51的输入端为市电，即工频交流电。整流模块51将输入的工频交流电转化为直流电为能量发射装置的单片机进行供电。
由于日常生活中使用的市电，其频率较低，无法满足能量传输的需求。因此需要将市电经过整流模块51输出直流电，再经过逆变模块52转化为交流电，为发射线圈回路进行供电。
参照图6，可选的，所述能量发射装置还包括：相互电连接的控制模块61、驱动模块62，以及与所述控制模块61连接的通信模块63；
所述控制模块61，用于在充电过程中控制所述驱动模块62，使所述发射线圈回路与所述逆变模块导通；在充电完成后，所述控制模块61控制所述驱动模块，使所述发射线圈回路与所述逆变模块断开；
所述驱动模块62，用于接收并执行所述控制模块61输出的控制指令；
所述通信模块63，用于向所述控制模块61发送信号，以及接收所述控制模块61发送的信号，以使所述控制模块61发出不同的指令实现电路的导通或断开。
其中，控制模块61可选用STM32系列单片机，具体型号为STM32F446RETx。驱动模块62由ULN2003芯片和HF115F-1ZS3型继电器构成。通信模块63选用型号为LRF215C_PA的无线通讯模块。
整流模块由IB1205和AMS1117-3.3的芯片构成，旨在实现降压和稳压，以满足单片机和通信单元的3.3V用电需求。
可选的，所述逆变模块包括：全桥逆变电路和控制电路；
所述全桥逆变电路，用于将直流电转化为交流电输入至所述发射线圈；
所述控制电路，用于采集发射线圈回路的电压和电流信息，使所述全桥逆变电路工作时处于准谐振状态；
所述全桥逆变电路为降压式变换电路。
具体地，本实施例采用全桥逆变电路将直流电逆变生成高频交流电，再输入到发射线圈回路。全桥逆变电路的输入为直流电，其电压幅值为Vi。
参照图7，全桥逆变电路共计有四个桥臂，两两一组。在控制电路的驱动下，同组的MOS管将同时导通，且两组MOS管将交替导通。因此，将在发射线圈回路的两端得到峰峰值为2Vi的交流电。在控制电路的作用下，使得其工作在略偏感性的准谐振状态。
降压式变换电路即Buck电路，通过调节其输出电压，从而达到稳定发射线圈励磁电流的作用。
参照图8，所述控制电路包括依次连接的鉴相器81、PI运算器82以及压控振荡器83；
所述鉴相器81，与所述发射线圈回路的输出端连接，用于确定所述发射线圈回路输出的电流和电压的相位差；
所述PI运算器82，用于将所述相位差转化为模拟信号；
所述压控振荡器83，用于控制所述模拟信号的输出频率。
具体地，控制电路将从发射线圈回路的两端采集电压U和电流I信息，通过鉴相器81确定两者的相位差。将鉴相器81的输出结果输入PI运算器，得到一个模拟信号。将该模拟信号输入压控振荡器83控制其输出的PWM信号的频率，进而确保全桥逆变电路处于略偏感性的准谐振工作状态。此外，针对控制电路中的压控振荡器引入了电压反馈，旨在实现过压保护功能。
参照图9，控制电路包括依次连接的发射线圈回路91、整流滤波电路92、电流反馈PI调节电路93、电压反馈PI调节电路94、压控振荡器95、驱动电路96、Buck电路97，其中Buck电路97的输出端与发射线圈回路91连接。
具体地，首先采用电流传感器实时反馈逆变电路的输出电流If，经整流滤波后变换成直流电流信号Idf，与输出电流给定信号Ig共同输入外环电流反馈PI调节电路。外环电流反馈电路的输出信号Ug，将作为内环Buck电路输出电压反馈PI调节电路的电压给定值。发射线圈回路两端的电压将作为反馈信号Uf传输至内环电压反馈PI调节电路。该电路输出的电压信号UPM将传输到压控振荡器，对其输出的PWM信号的脉冲波形宽度进行调节。
参照图10，本发明提供一种无人机充电方法，包括以下步骤：
步骤101：发射线圈接收交流电，发送电磁信号；
步骤102：检测各个发射线圈是否发生磁场变化；
步骤103：将没有发生磁场变化的发射线圈断电，发生磁场变化的发射线圈通电，通过所述发射线圈向无人机发送电磁信号，以实现为无人机充电；
步骤104：当检测到无人机的电压达到预设阈值，对通电的发射线圈断电。
具体地，无人机降落后，能量发射装置的25个发射线圈将依次被接入全桥逆变电路。同时根据无人机接收端电压的高低判断接收线圈是否处于当前发射线圈的作用范围内，并且此判断结果将采用无线通信方式传输回发射端的处理单元。在依次遍历完所有发射线圈后，即可实现对接收线圈的定位，并在后续充电程序中激活无人机下方对应的发射线圈。
进一步地，无人机充电方法还包括：
步骤105：将接收端检测到的感应电压通过整流电路将交流电压转化直流电压；
所述当检测到无人机的电压达到预设阈值，对通电的发射线圈断电，包括：
步骤106：经过整流电路的直流电压达到预设阈值，对通电的发射线圈断电。
参照图11，用于无人机充电方法的电路包括：接收端单片机111、发射端单片机112、驱动单元113、逆变电路114、发射线圈回路115以及接收回路116。
其中，接收端单片机111与发射端单片机112无线连接，发射端单片机112与驱动单元113连接，驱动单元113通过多个支路与各单元线圈并联的开关连接，逆变电路114的输出端与发射线圈回路115连接，发射线圈回路115中的任一单元线圈均可与接收回路116无线连接，用于产生电磁信号对无人机进行充电。
发射端单片机112通过驱动单元113依次控制各个开关短时间断开。本实施例中驱动单元113可选用电流放大器。
接收端检测到感应电压后，通过二极管整流电路将其转化为较稳定的直流电。将此直流电压与事先设置好的阈值进行比较。若检测到的电压值高于此阈值，则判定为当前激活的发射线圈处于接收线圈的有效接收范围内。若低于阈值，则判定接收线圈不在发射线圈的有效范围内。接收端单片机将判定结果以无线通信方式传输给能量发射装置，能量发射装置接收到判定结果之后实现发射线圈回路的切断和导通，从而实现无人机的无线充电的开始和停止。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于无人机无线充电平台的能量发射装置，其特征在于，包括：
基板；
布置在所述基板上的多组单元线圈，所述多组单元线圈在所述基板上并列排布，每组所述单元线圈均用于接收交流电并感应生成磁场；
所述多组单元线圈相互串联组成发射线圈回路；
还包括：
多个开关，分别与所述多组单元线圈并联；以实现充电平台对每个发射线圈的控制；
所述单元线圈包括相互串联的发射线圈和补偿电容；
所述开关闭合时，对应的单元线圈处于短路状态；当无人机降落在该单元线圈的放置区时，调整所述单元线圈对应的开关，使所述单元线圈接入电路中，以实现对无人机的充电；
所述发射线圈采用铜线进行绕制，分内外两层，每层5匝，共计10匝，所述补偿电容为聚丙烯电容，每个所述单元线圈均由发射线圈和补偿电容组成，所述单元线圈接入电路中构成谐振补偿电路，通过所述开关控制，实现单个所述发射线圈独立工作。
2.一种无人机无线充电平台，其特征在于，包括：
供电装置，用于输出交流电；
权利要求1所述的能量发射装置，与所述供电装置电连接，用于与无人机之间传输充电电流；
其中，所述能量发射装置的发射线圈用于接收交流电并向无人机发送电磁信号，以实现为无人机充电。
3.根据权利要求2所述的无人机无线充电平台，其特征在于，所述供电装置包括：依次连接的整流模块和逆变模块，所述整流模块与电源连接，所述逆变模块的输出端与所述发射线圈回路连接；
所述整流模块，用于将电源输出的交流电转化为直流电，并为所述能量发射装置的单片机供电；
所述逆变模块，用于接收所述整流模块输出的直流电转化为交流电对所述发射线圈回路供电。
4.根据权利要求3所述的无人机无线充电平台，其特征在于，
所述能量发射装置还包括：相互电连接的控制模块、驱动模块，以及与所述控制模块连接的通信模块；
所述控制模块，用于在充电过程中控制所述驱动模块，使所述发射线圈回路与所述逆变模块导通；在充电完成后，所述控制模块控制所述驱动模块，使所述发射线圈回路与所述逆变模块断开；
所述驱动模块，用于接收并执行所述控制模块输出的控制指令；
所述通信模块，用于向所述控制模块发送信号，以及接收所述控制模块发送的信号，以使所述控制模块发出不同的指令实现电路的导通或断开。
5.根据权利要求3所述的无人机无线充电平台，其特征在于，
所述逆变模块包括：全桥逆变电路和控制电路；
所述全桥逆变电路，用于将直流电转化为交流电输入至所述发射线圈；
所述控制电路，用于采集发射线圈回路的电压和电流信息，使所述全桥逆变电路工作时处于准谐振状态。
6.根据权利要求5所述的无人机无线充电平台，其特征在于，所述控制电路包括依次连接的鉴相器、PI运算器以及压控振荡器；
所述鉴相器，与所述发射线圈回路的输出端连接，用于确定所述发射线圈回路输出的电流和电压的相位差；
所述PI运算器，用于将所述相位差转化为模拟信号；
所述压控振荡器，用于控制所述模拟信号的输出频率。
7.根据权利要求5所述的无人机无线充电平台，其特征在于，
所述全桥逆变电路为降压式变换电路。
8.一种基于权利要求2-7任一项所述的无人机无线充电平台实现的无人机充电方法，其特征在于，包括：
发射线圈接收交流电，发送电磁信号；
检测各个发射线圈是否发生磁场变化；
将没有发生磁场变化的发射线圈断电，发生磁场变化的发射线圈通电，通过所述发射线圈向无人机发送电磁信号，以实现为无人机充电；
当检测到无人机的电压达到预设阈值，对通电的发射线圈断电。
9.根据权利要求8所述的无人机充电方法，其特征在于，还包括：
将接收端检测到的感应电压通过整流电路将交流电压转化直流电压；
所述当检测到无人机的电压达到预设阈值，对通电的发射线圈断电，包括：
经过整流电路的直流电压达到预设阈值，对通电的发射线圈断电。
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