CN114455062B - 一种应用于球型无人机的磁吸式自适应充电系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种球形无人机、磁吸式自适应充电系统与方法，磁吸式自适应充电系统包括球形无人机和无人机充电舱；当无人机动力模块供电不足时，无人机主控模块通过无人机充电舱发送来的定位信息控制无人机自驾仪模块和无人机动力模块，以将无人机导航至无人机充电舱位置并将其停稳至圆形升降可扩展化底座上，当无人机充电舱感应到无人机降落在圆形升降可扩展化底座后，微控制器将控制底座下降到自镇定式无人机充电舱中的对应位置，随之舱盖关闭，随后圆形升降可扩展化底座的下降到磁吸式充电装置对应位置，此时磁吸式充电装置与磁吸式充电感应装置位置相互对应开始，本发明充电过程具有较高的抗干扰性和安全性，可以实现较高的充电效率。

Description

一种应用于球型无人机的磁吸式自适应充电系统与方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种应用于球型无人机的磁吸式自适应充电系统与方法。
背景技术
球形无人机有别于常规飞机的总体布局，它没有机翼、平尾和垂尾，其最大的特点是无人机所有系统都被一个类似于灯笼骨架的碳纤维球形外骨架包裹起来，即使无人机撞上地面或是空中固定装置，对无人机也毫无影响，能很好地抵抗外界不利环境和不必要的坠撞，体现了很好的自我保护能力。
无人机、无人艇作为机动性强、灵活性高、应用范围广泛的两类无人航行器，无论是在监测、监控、巡航等民用，还是在反潜、探雷等军用领域均得到了广泛应用和长足发展。但面对越来越复杂多变的水上交通环境，无人艇从任务执行维度上面临越来越大的挑战，因此，有必要结合无人机空域优势和无人艇水域优势构建无人机-艇协同系统，以充分结合和发挥双方优势，实现最大的任务执行效能。然而当前无人机-艇协同系统中的核心关键问题，即无人机如何有效降落于晃动的无人艇上，以及如何提升无人机-艇协同作业的续航能力，是亟需解决的问题。
目前球形无人机尚未有合适且高效的充电方式，更没有一种可以实现在不稳定晃动移动充电平台进行准确高效的充电方法。市场上有一类无人机采用插电充电方式对电池进行充电，但采用插电充电方式对电池进行充电，需要用户额外执行充电线插入的操作，且在充电完成后用户需要将充电线拔出，过程较为繁琐，难以实现无人机值守自动化；另一类无人机采用传统无线充电的方式对电池进行充电，但采用传统无线充电方式无法解决无人机有效降落于不稳定晃动中的充电装置。在现有的充电方式中，受无人机有线充电的繁琐对接充电感应过程、传统无线充电的适用性低等限制，球形无人机无法实现智能化、自动化、高效化充电，限制了球形无人机的应用领域与应用环境。
发明内容
本发明提供一种应用于球型无人机的磁吸式自适应充电系统与方法，用以解决现有技术充电过程中平台不稳定和较为复杂的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
第一方面提供了一种球形无人机，包括：碳纤维球形外骨架、无人机本体、碳纤维球形外骨架-无人机连接装置以及磁吸式充电感应装置；
其中，所述碳纤维球形外骨架为一个网状碳纤维球形的保护壳；所述磁吸式充电感应装置为圆环状，固定在所述碳纤维球形外骨架的中轴环上；所述磁吸式充电装置为环形磁吸式接口，磁吸式充电感应装置上设有磁吸式充电接收电路；
所述无人机本体通过碳纤维球形外骨架-无人机连接装置与碳纤维球形外骨架，无人机本体包括：无人机主控模块以及与无人机主控模块电连接的无人机动力模块、无人机通信模块、无人机磁吸式充电模块、无人机导航模块以及无人机自驾仪模块，所述无人机通信模块用于与无人机充电舱进行通信，获取无人机充电舱的位置信息，实现球形无人机与无人机充电舱间的信息交互，所述无人机磁吸式充电模块用于接收无人机充电舱的电能并给人机动力模块充电，无人机动力模块用于给无人机提供动能，所述无人机导航模块用于无人机的定位；所述无人机自驾仪模块用于获取无人机的运动信息，由无人机主控模块根据无人机导航模块的定位信息、自驾仪模块的运动信息以及无人机充电舱的位置信息，将球形无人机导航至无人机充电舱位置。
在一种实施方式中，所述无人机本体采用四旋翼无人机。
在一种实施方式中，还包括减震缓冲装置，设置于碳纤维球形外骨架上。
基于同样的发明构思，本发明第二方面提供了一种磁吸式自适应充电系统，包括第一方面所述的球形无人机，还包括无人机充电舱，其中，无人机充电舱包括圆形升降可扩展化底座、柔性纤维防撞壁舱、起降落感应组件、磁吸式充电装置、升降滑杆、平台压力传感器、主轴调节电机、副轴调节电机以及微控制器；
其中，所述平台压力传感器设置于所述圆形升降可扩展化底座的表面，圆形升降可扩展化底座与设置在下方的升降滑杆连接，主轴调节电机与升降滑杆连接，微控制器与上方的主轴调节电机连接，微控制器与侧向的副轴调节电机相连接，柔性纤维防撞壁舱的底部装有起降落感应组件，柔性纤维防撞壁舱的内部侧表面装有磁吸式充电装置，所述微控制器与平台压力传感器连接，微控制器用于根据平台压力传感器获取的压力信息、无人机的位置信息和运动信息进行姿态自适应PID解算，并根据PID解算结果使得无人机充电舱与正上方的无人机达到相对静止状态。
在一种实施方式中，所述柔性纤维防撞壁舱上设有可调节舱盖。
在一种实施方式中，所述微控制器包括通信装置、导航定位装置，其中通信装置用于与无人机通信模块进行通信，导航定位装置用于获取无人机充电舱的位置。
在一种实施方式中，所述磁吸式充电装置与所述无人机磁吸式充电感应装置分别设置有相互吸引的磁力发生装置。
基于同样的发明构思，本发明第三方面提供了一种磁吸式自适应充电方法，基于第二方面所述的系统实现，该方法包括：
通过无人机导航模块获取无人机的位置信息、无人机自驾仪模块获取无人机的运动信息，通过无人机充电舱的导航定位装置获取无人机充电舱的位置信息，通过无人机充电舱的通信装置将无人机充电舱的位置信息发送给无人机的通信模块，无人机通信模块将无人机的位置信息和运动信息发送给无人机充电舱的通信装置；
当无人机动力模块的剩余电量少于第一预设值时，无人机动力模块向无人机主控模块发送电量不足的电信号，无人机主控模块根据无人机动力模块发送的电量不足的电信号以及无人机充电舱的位置信息判断是否回航充电；
当进行回航充电时，无人机主控模块根据无人机导航模块提供的定位信息、自驾仪模块提供的运动信息以及无人机充电舱的位置信息，控制自驾仪模块和无人机动力模块将球形无人机导航至无人机充电舱的位置；
球形无人机达到无人机充电舱上空，当无人机接近舱体时，无人机充电舱内的微控制器与无人机进行实时信号连接，微控制器控制无人机充电舱的舱盖打开，当导航定位装置确定无人机到达底座的上方后，通过平台压力传感器获取八方位压力信息，无人机充电舱内的微控制器将根据八方位压力信息、无人机的位置信息和运动信息进行姿态自适应PID解算，并根据PID解算结果使得无人机充电舱与正上方的无人机达到相对静止状态；
无人机主控模块控制无人机动力使无人机竖直降落，当圆形升降可扩展化底座下的重力感受器判断无人机降落后，主轴调节电机通过升降滑杆使圆形升降可扩展化底座下降到对应位置，微控制器控制舱盖关闭；
通过圆形升降可扩展化底座将球形无人机传送至磁吸式充电装置所在位置，磁吸式充电感应装置受到磁吸式充电装置的吸引与磁吸式充电装置位置对应并锁紧，当所述磁吸式充电装置与所述磁吸式充电感应装置位置相互对应并磁吸固定后开始充电；
当无人机动力模块的剩余电量大于或等于第二预设值时，无人机动力模块向无人机主控模块发送电量已满的电信号，无人机主控模块根据无人机动力模块发送的电量已满的电信号判断球形无人机充电完成，当充电完成时，主控模块向微控制器传送信号，微控制器控制磁吸式充电装置与球形无人机断开连接，无人机充电舱将通过副轴调节器进行平衡调控，同时微控制器将控制主轴调节电机推动升降滑杆使底座上升到无人机充电舱中的对应无人机起飞位置。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
(1)本发明的球形无人机配合无人机充电舱使用形成了一套新型球形无人机的磁吸式自适应充电系统与方法，可以实现球形无人机可以克服充电平台的不稳定晃动状态完成无人机准确降落、充电接口对接与固定，相较于其他充电方式本发明能够实现球形无人机在不稳定晃动平台充电端自动充电，充电过程具有较高的抗干扰性。
（2）本发明设计出了更方便进行充电的一种新型球形无人机，创新性的将磁吸式充电感应装置设置在碳纤维球形外骨架中轴环上，能依据磁吸充电装置的位置进行自适应调节，也能更好地固定新型球形无人机，能够实现球形无人机在移动充电端充电，相较于在机体底部设置充电感应装置还减少了对于充电感应装置的磨损，更好的延长了新型球形无人机的使用寿命。
（3）本发明根据新型球形无人机的特点设计出了一套适用于本新型球形无人机的磁吸式自适应充电系统与方法，本发明可以有效提升球形无人机的充电自动化程度；相比于插拔式充电系统，很大程度上的降低了球形无人机充电对接充电感应的难度，以解决现有球形无人机在无人值守情况下的充电便利性不足的问题，实现球形无人机值守自动化。
（4）本发明采用磁吸式自适应充电系统与方法，利用新型球形无人机的特点设计出了一种智能化、高效率的充电模式，在整个充电流程中将通过智能算法进行自动调整以保证最佳执行效果，提高了新型球形无人机的值机能力。
（5）本发明的充电方法可以直接对新型球形无人机进行充电，减少了对新型球形无人机结构的装卸次数，进而减少了对新型球形无人机结构的磨损，节约了新型球形无人机的保养成本。
附图说明
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，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为本发明实施例提供的无人机充电舱结构示意简图；
图2 为本发明实施例提供的球形无人机内部结构示意简图；
图3 为本发明实施例提供的一种磁吸式自适应充电系统的整体结构示意图；
图4 为本发明实施例提供的无人机无线充电系统的无线充电电路结构示意图；
图5为本发明实施例提供的磁吸式自适应充电方法的流程示意图；
图6为本发明实施例提供的自镇定式无人机充电舱姿态自适应算法流程图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种新型球形无人机、磁吸式自适应充电系统与方法，可以实现球形无人机克服充电平台的不稳定晃动状态完成无人机准确降落、充电接口对接与固定；提出的磁吸式自适应充电方法为舱式充电方式，可以减少充电装置的相对磨损情况以及保护充电整个流程不受外界干扰。本发明设计了一种更方便进行充电与固定的新型球形无人机，创新性地将磁吸式充电感应装置设置在碳纤维球形外骨架中轴环上，更好的保护了新型球形无人机，新型球形无人机配合可以辅助无人机在晃动平台平稳降落的自镇定式无人机充电舱使用形成了一套新型球形无人机的磁吸式自适应充电系统与方法，可以更精准的自动对接充电接口，相较于现有技术中其他充电方式本发明能够实现球形无人机自动回航、在不稳定晃动平台充电端（如晃动的船艇上）自动充电与自动回到任务地点，充电过程具有较高的抗干扰性和安全性，且本发明可以在实现较高充电效率的情况下，降低了球形无人机进行自动充电时对接接口的难度，实现了球形无人机自适应充电，提高了无人机高效率值守自动化，有利于无人机与无人艇或无人机与其他工具协同工作系统研究的进一步发展。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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做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。
实施例一
本发明实施例提供了一种球形无人机，包括：碳纤维球形外骨架、无人机本体、碳纤维球形外骨架-无人机连接装置以及磁吸式充电感应装置；
其中，所述碳纤维球形外骨架为一个网状碳纤维球形的保护壳；所述磁吸式充电感应装置为圆环状，固定在所述碳纤维球形外骨架的中轴环上；所述磁吸式充电装置为环形磁吸式接口，磁吸式充电感应装置上设有磁吸式充电接收电路；
所述无人机本体通过碳纤维球形外骨架-无人机连接装置与碳纤维球形外骨架，无人机本体包括：无人机主控模块以及与无人机主控模块电连接的无人机动力模块、无人机通信模块、无人机磁吸式充电模块、无人机导航模块以及无人机自驾仪模块，所述无人机通信模块用于与无人机充电舱进行通信，获取无人机充电舱的位置信息，实现球形无人机与无人机充电舱间的信息交互，所述无人机磁吸式充电模块用于接收无人机充电舱的电能并给人机动力模块充电，无人机动力模块用于给无人机提供动能，所述无人机导航模块用于无人机的定位；所述无人机自驾仪模块用于获取无人机的运动信息，由无人机主控模块根据无人机导航模块的定位信息、自驾仪模块的运动信息以及无人机充电舱的位置信息，将球形无人机导航至无人机充电舱位置。
请参见图2 ，为本发明实施例提供的球形无人机内部结构示意简图，其中，包括碳纤维球形外骨架10、无人机本体11、碳纤维球形外骨架-无人机连接装12以及磁吸式充电感应装置13。
碳纤维球形外骨架-无人机连接装置13是连接球形无人机与磁吸式充电感应装置的传电装置。
具体来说，由碳纤维球形外骨架与磁吸式充电感应装置构成的整个外骨架具有类似于陀螺仪的角运动守恒特性，可以旋转自稳以保持平衡。
无人机导航模块为RTK-GPS导航模块，无人机通信模块用于与自镇定式无人机充电舱进行基于4G/5G的近海通信，实现球形无人机与自镇定式无人机充电舱间的无人机回航情况、底座位置、无人机电量等信息的交互。
无人机自驾仪模块包括陀螺仪和多个传感器，用于检测球形无人机的运动信息，包括航向信息、空间位置、速度信息、飞行姿态、飞行位置及飞行方向。
无人机主控模块为中央控制单元，接收其他模块发送的信号，并控制无人机的运行状态。具体包括：无人机主控模块向主控模块发送电信号，主控模块通过该电信号可以实现无人机电量的实时监测。当电量不足时，则可以进行后续的回航控制。
无人机导航模块对无人机位置进行定位，并接收无人机充电舱通信装置发送的无人机充电舱的位置信息。无人机主控模块控制无人机自驾仪模块和无人机动力模块将球形无人机导航至自镇定式无人机充电舱位置上方，并向微控制器发送无人机的位置信息以及运动数据，将球形无人机停稳至圆形升降可扩展化底座上，自镇定式无人机充电舱通过姿势辅助将球形无人机停稳至圆形升降可扩展化底座上。
磁吸式充电感应装置内置在球形无人机内，用于产生感应电流对球形无人机进行磁吸式充电，碳纤维球形外骨架-无人机连接装置用于连接固定碳纤维球形外骨架与无人机，球形无人机的磁吸式充电接收电路设置在磁吸式充电感应装置上，磁吸式充电感应装置用于接收磁吸式充电装置的电能并给无人机的电池充电，磁吸式充电感应装置固定于碳纤维球形外骨架环。
在一种实施方式中，所述无人机本体采用四旋翼无人机。
在一种实施方式中，还包括减震缓冲装置，设置于碳纤维球形外骨架上。
实施例二
基于与实施例一同样的发明构思，本实施例公开了一种应用于球型无人机的磁吸式自适应充电系统，包括实施例一所述的球形无人机，还包括无人机充电舱，其中，无人机充电舱包括圆形升降可扩展化底座、柔性纤维防撞壁舱、起降落感应组件、磁吸式充电装置、升降滑杆、平台压力传感器、主轴调节电机、副轴调节电机以及微控制器；
其中，所述平台压力传感器设置于所述圆形升降可扩展化底座的表面，圆形升降可扩展化底座与设置在下方的升降滑杆连接，主轴调节电机与升降滑杆连接，微控制器与上方的主轴调节电机连接，微控制器与侧向的副轴调节电机相连接，柔性纤维防撞壁舱的底部装有起降落感应组件，柔性纤维防撞壁舱的内部侧表面装有磁吸式充电装置，所述微控制器与平台压力传感器连接，微控制器用于根据平台压力传感器获取的压力信息、无人机的位置信息和运动信息进行姿态自适应PID解算，并根据PID解算结果使得无人机充电舱与正上方的无人机达到相对静止状态。
请参见图1，为本发明实施例提供的无人机充电舱结构示意简图，包括圆形升降可扩展化底座1、柔性纤维防撞壁舱2、起降落感应组件3、磁吸式充电装置4、升降滑杆5、平台压力传感器6、主轴调节电机7、副轴调节电机8、微控制器9。
请参见图3， 为本发明实施例提供的一种磁吸式自适应充电系统的整体结构示意图。
圆形升降可扩展化底座表面装有平台压力传感器，用于感知八方位压力信息，圆形升降可扩展化底座与其下方的升降滑杆直接相连，主轴调节电机与升降滑杆相连，微控制器与上方的主轴调节电机、侧向的副轴调节电机相连，并与磁吸式充电装置，控制其开启与关闭。柔性纤维防撞壁舱的底部装有起降落感应组件，用于感应无人机的起飞和降落，柔性纤维防撞壁舱的内部侧表面装有磁吸式充电装置，微控制器内置通信装置、导航定位装置，柔性纤维防撞壁舱的上部装有可调节舱盖以保证舱体内部免受外界干扰，微控制器与平台压力传感器相连，微控制器将通过结合平台压力传感器收集的舱体波动数据和球形无人机分享的位置数据及运动信息来进行姿态自适应PID解算。磁吸式充电装置用于给新型球形无人机进行磁吸式充电。
具体实施过程中，当球形无人机开始进行磁吸式充电时，球形无人机需平稳停置在圆形升降可扩展化底座上，当起降落感应组件观测到无人机降落在圆形升降可扩展化底座后，微控制器将控制主轴调节电机推动升降滑杆使底座下降到自镇定式无人机充电舱中的对应位置，随之舱盖关闭，随后圆形升降可扩展化底座的下降到自镇定式无人机充电舱的对应位置，此时磁吸式充电装置与磁吸式充电感应装置位置相互对应开始充电。
请参见图6，为本发明实施例提供的自镇定式无人机充电舱姿态自适应算法流程图。加速度计信息和陀螺仪信息即无人机的运动信息，由球形无人机的无人机自驾仪模块提供。
在一种实施方式中，所述柔性纤维防撞壁舱上设有可调节舱盖。
当圆形升降可扩展化底座运载无人机至指定高度时舱盖打开后可以形成较大的起飞平台。
在一种实施方式中，所述微控制器包括通信装置、导航定位装置，其中通信装置用于与无人机通信模块进行通信，导航定位装置用于获取无人机充电舱的位置。
在一种实施方式中，所述磁吸式充电装置与所述无人机磁吸式充电感应装置分别设置有相互吸引的磁力发生装置。
本实施例提供的磁吸式自适应充电系统基于电磁感应原理实现，磁吸式充电感应装置会在磁吸作用下连接至无人机充电舱的磁吸式充电装置位置。
实施例三
基于与实施例二同样的发明构思，本实施例公开了一种应用于球型无人机的磁吸式自适应充电方法，基于实施例二所述系统的实现，该方法包括：
通过无人机导航模块获取无人机的位置信息、无人机自驾仪模块获取无人机的运动信息，通过无人机充电舱的导航定位装置获取无人机充电舱的位置信息，通过无人机充电舱的通信装置将无人机充电舱的位置信息发送给无人机的通信模块，无人机通信模块将无人机的位置信息和运动信息发送给无人机充电舱的通信装置；
当无人机动力模块的剩余电量少于第一预设值时，无人机动力模块向无人机主控模块发送电量不足的电信号，无人机主控模块根据无人机动力模块发送的电量不足的电信号以及无人机充电舱的位置信息判断是否回航充电；
当进行回航充电时，无人机主控模块根据无人机导航模块提供的定位信息、自驾仪模块提供的运动信息以及无人机充电舱的位置信息，控制自驾仪模块和无人机动力模块将球形无人机导航至无人机充电舱的位置；
球形无人机达到无人机充电舱上空，当无人机接近舱体时，无人机充电舱内的微控制器与无人机进行实时信号连接，微控制器控制无人机充电舱的舱盖打开，当导航定位装置确定无人机到达底座的上方后，通过平台压力传感器获取八方位压力信息，无人机充电舱内的微控制器将根据八方位压力信息、无人机的位置信息和运动信息进行姿态自适应PID解算，并根据PID解算结果使得无人机充电舱与正上方的无人机达到相对静止状态；
无人机主控模块控制无人机动力使无人机竖直降落，当圆形升降可扩展化底座下的重力感受器判断无人机降落后，主轴调节电机通过升降滑杆使圆形升降可扩展化底座下降到对应位置，微控制器控制舱盖关闭；
通过圆形升降可扩展化底座将球形无人机传送至磁吸式充电装置所在位置，磁吸式充电感应装置受到磁吸式充电装置的吸引与磁吸式充电装置位置对应并锁紧，当所述磁吸式充电装置与所述磁吸式充电感应装置位置相互对应并磁吸固定后开始充电；
当无人机动力模块的剩余电量大于或等于第二预设值时，无人机动力模块向无人机主控模块发送电量已满的电信号，无人机主控模块根据无人机动力模块发送的电量已满的电信号判断球形无人机充电完成，当充电完成时，主控模块向微控制器传送信号，微控制器控制磁吸式充电装置与球形无人机断开连接，无人机充电舱将通过副轴调节器进行平衡调控，同时微控制器将控制主轴调节电机推动升降滑杆使底座上升到无人机充电舱中的对应无人机起飞位置。
具体来说，当无人机动力模块的剩余电量少于第一预设值（为一个低电量的临界值，可以根据经验设置，例如将满电的10%、15%作为第一预设值）时，表示球形无人机动力模块供电不足，此时无人机动力模块向无人机主控模块发送电量不足的电信号，无人机主控模块根据无人机动力模块发送的电量不足的电信号以及无人机充电舱的位置信息判断是否回航充电。
当球形无人机动力模块供电不足时，无人机主控模块接收无人机动力模块传递的电量不足的电信号，并将电信号传递给导航模块，以便在电量不足时获取充电舱的位置信息，准备回航充电，无人机导航模块与自镇定式无人机充电舱导航定位装置建立通信连接；微控制器内的导航装置对自镇定式无人机充电舱进行定位，同时将定位信息传递给无人机主控模块；无人机主控模块控制自驾仪模块和动力模块，以将球形无人机导航至自镇定式无人机充电舱位置并将新型球形无人机停稳至圆形升降可扩展化底座。
球形无人机需平稳停置在圆形升降可扩展化底座上，当起降落感应组件观测到无人机降落在圆形升降可扩展化底座后，微控制器将控制主轴调节电机推动升降滑杆使底座下降到自镇定式无人机充电舱中的对应位置，随之舱盖关闭，随后圆形升降可扩展化底座的下降到自镇定式无人机充电舱的对应位置，此时磁吸式充电装置与磁吸式充电感应装置位置相互对应开始充电。
当无人机动力模块的剩余电量大于或等于第二预设值（为一个高电量的临界值，可以根据经验设置，例如将满电的90%、100%作为第二预设值）时，无人机动力模块向无人机主控模块发送电量已满的电信号，无人机主控模块根据无人机动力模块发送的电量已满的电信号判断球形无人机充电完成。
请参见图4，为本发明实施例提供的无人机无线充电系统的无线充电电路结构示意图。在本实施例中，磁吸式充电装置3用于给球形无人机进行磁吸式充电，磁吸式充电装置3包括PWM波生成电路、E类功放型逆变电路和发射电路，E类功放型逆变电路设有MOS管，PWM波生成电路产生PWM波驱动MOS管，将自镇定式无人机充电舱储能直流电流变成高频交流电，发射电路设有原边线圈，原边线圈通过电磁感应原理产生感应电流。
本实施例的磁吸式充电的方式为：当接收到微控制器指令后，磁吸式充电装置开启磁力发生装置并产生一定频率的PWM波，使得MOS管的开关频率与该PWM波的频率一致，然后电流经过E类功放型逆变电路后，由直流电变成高频交流电，然后根据电磁感应原理，接收线圈也产生高频交流电，再经整流电路变成直流电，最后经过BUCK降压电路将电压降至球形无人机所需电压范围，最终达到充电的目的。在系统检测到电池充满电后，磁吸式充电装置控制停止产生PWM波、关闭磁力发生装置，同时输出低电平信号并关闭MOS管，以停止充电。
如图5所示，本实施例还提供一种新型球形无人机磁吸式充电方法，主要包括下述步骤：
S1：新型球形无人机的无人机动力模块实时监测电池剩余电量，根据剩余电量选择向无人机主控模块发送对应的电信号，无人机主控模块根据无人机动力模块发送的电量不足的信号，以控制导航模块获取无人机的位置信息，并通过通信模块获取无人机充电舱的位置信息，主控模块根据电量不足的信号，以及无人机位置信息与无人机充电舱的位置信息确定无人机与自镇定式无人机充电舱的距离，以判断是否回航充电；
S2：当进行回航充电时，新型球形无人机根据所述无人机导航RTK-GPS装置飞达自镇定式无人机充电舱上空，当无人机接近船体时，自镇定式无人机充电舱内的微控制器可与无人机进行实时信号连接，当确定无人机到达自镇定式无人机充电舱的正上方后，自镇定式无人机充电舱内的微控制器将控制自镇定式无人机充电舱进行姿态自适应解算，使自镇定式无人机充电舱与正上方的无人机达到相对静止状态；
S3：自镇定式无人机充电舱的舱盖打开，随之无人机缓缓的竖直降落，当圆形升降可扩展化底座下的重力感受器判断无人机降落后，主轴调节电机将通过升降滑杆使圆形升降可扩展化底座下降到对应位置，随之舱盖关闭；
S4：圆形升降可扩展化底座将新型球形无人机传送至磁吸式充电装置所在位置后，磁吸式充电感应装置受到磁吸式充电装置的吸引与磁吸式充电装置位置对应并锁紧，当所述磁吸式充电装置与所述磁吸式充电感应装置位置相互对应并磁吸固定后开始充电；
S5：新型球形无人机充满电后磁吸式充电装置自动断开连接，自镇定式无人机充电舱将通过副轴调节器进行平衡调控，同时微控制器将控制主轴调节电机推动升降滑杆使底座上升到自镇定式无人机充电舱中的对应无人机起飞位置；
在本实施例中，无人机的主控模块和磁吸式充电装置的MCU主控均采用pcduino，球形无人机的定位模块和接受平台分别采用ZED-F9P和u-blox F9，无人机本体采用朗宇V2216-KV650作为适配电机，并搭配型号为APC1147的螺旋桨，球形无人机的动力系统电源采用达普DUPU 6200mAH 25c 4s型号电池，在本实施例中，漆包线可选用0.8-1.0mm线径、匝数15-18匝、线圈外径12-13cm。
在本实施例中，自镇定式无人机充电舱采用一套RTK结合IMU的无人机位置姿态解析系统来实现充电舱对无人机的姿态自适应。在RTK基础上，结合误差闭环算法对自身位置和信息进一步修正，从而达到提高定位精度和姿态精度的目的。
总体来说，本发明提供了一种球形无人机、磁吸式自适应充电系统与方法，用于对球形无人机进行磁吸式自动充电。磁吸式自适应充电系统包括球形无人机与自镇定式无人机充电舱。在球形无人机中轴外环设置有磁吸式充电感应装置，自镇定式无人机充电舱包括圆形升降可扩展化底座、磁吸式充电装置和其他装置，当无人机动力装置无人机动力模块供电不足时，无人机主控模块通过自镇定式无人机充电舱发送来的定位信息控制无人机自驾仪系统和无人机动力模块，以将无人机导航至自镇定式无人机充电舱位置并将其停稳至圆形升降可扩展化底座上，当自镇定式无人机充电舱感应到无人机降落在圆形升降可扩展化底座后，微控制器将控制底座下降到自镇定式无人机充电舱中的对应位置，随之舱盖关闭，随后圆形升降可扩展化底座的下降到磁吸式充电装置对应位置，此时磁吸式充电装置与磁吸式充电感应装置位置相互对应开始充电.
最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。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 (7)

1.一种应用于球型无人机的磁吸式自适应充电系统，其特征在于，包括球形无人机，球形无人机包括：碳纤维球形外骨架、无人机本体、碳纤维球形外骨架-无人机连接装置以及磁吸式充电感应装置；
磁吸式自适应充电系统还包括无人机充电舱，其中，无人机充电舱包括圆形升降可扩展化底座、柔性纤维防撞壁舱、起降落感应组件、磁吸式充电装置、升降滑杆、平台压力传感器、主轴调节电机、副轴调节电机以及微控制器；
其中，所述碳纤维球形外骨架为一个网状碳纤维球形的保护壳；所述磁吸式充电感应装置为圆环状，固定在所述碳纤维球形外骨架的中轴环上；所述磁吸式充电装置为环形磁吸式接口，磁吸式充电感应装置上设有磁吸式充电接收电路；
所述无人机本体通过碳纤维球形外骨架-无人机连接装置与碳纤维球形外骨架，无人机本体包括：无人机主控模块以及与无人机主控模块电连接的无人机动力模块、无人机通信模块、无人机磁吸式充电模块、无人机导航模块以及无人机自驾仪模块，所述无人机通信模块用于与无人机充电舱进行通信，获取无人机充电舱的位置信息，实现球形无人机与无人机充电舱间的信息交互，所述无人机磁吸式充电模块用于接收无人机充电舱的电能并给人机动力模块充电，无人机动力模块用于给无人机提供动能，所述无人机导航模块用于无人机的定位；所述无人机自驾仪模块用于获取无人机的运动信息，由无人机主控模块根据无人机导航模块的定位信息、自驾仪模块的运动信息以及无人机充电舱的位置信息，将球形无人机导航至无人机充电舱位置；
其中，所述平台压力传感器设置于所述圆形升降可扩展化底座的表面，圆形升降可扩展化底座与设置在下方的升降滑杆连接，主轴调节电机与升降滑杆连接，微控制器与上方的主轴调节电机连接，微控制器与侧向的副轴调节电机相连接，柔性纤维防撞壁舱的底部装有起降落感应组件，柔性纤维防撞壁舱的内部侧表面装有磁吸式充电装置，所述微控制器与平台压力传感器连接，微控制器用于根据平台压力传感器获取的压力信息、无人机的位置信息和运动信息进行姿态自适应PID解算，并根据PID解算结果使得无人机充电舱与正上方的无人机达到相对静止状态。
2.如权利要求1所述的应用于球型无人机的磁吸式自适应充电系统，其特征在于，所述无人机本体采用四旋翼无人机。
3.如权利要求1所述的应用于球型无人机的磁吸式自适应充电系统，其特征在于，还包括减震缓冲装置，设置于碳纤维球形外骨架上。
4.如权利要求1所述的应用于球型无人机的磁吸式自适应充电系统，其特征在于，所述柔性纤维防撞壁舱上设有可调节舱盖。
5.如权利要求1所述的应用于球型无人机的磁吸式自适应充电系统，其特征在于，所述微控制器包括通信装置、导航定位装置，其中通信装置用于与无人机通信模块进行通信，导航定位装置用于获取无人机充电舱的位置。
6.如权利要求1所述的应用于球型无人机的磁吸式自适应充电系统，其特征在于，所述磁吸式充电装置与所述无人机磁吸式充电感应装置分别设置有相互吸引的磁力发生装置。
7.一种应用于球型无人机的磁吸式自适应充电方法，基于权利要求1至6任一项权利要求所述的系统实现，其特征在于，包括：
通过无人机导航模块获取无人机的位置信息、无人机自驾仪模块获取无人机的运动信息，通过无人机充电舱的导航定位装置获取无人机充电舱的位置信息，通过无人机充电舱的通信装置将无人机充电舱的位置信息发送给无人机的通信模块，无人机通信模块将无人机的位置信息和运动信息发送给无人机充电舱的通信装置；
当无人机动力模块的剩余电量少于第一预设值时，无人机动力模块向无人机主控模块发送电量不足的电信号，无人机主控模块根据无人机动力模块发送的电量不足的电信号以及无人机充电舱的位置信息判断是否回航充电；
当进行回航充电时，无人机主控模块根据无人机导航模块提供的定位信息、自驾仪模块提供的运动信息以及无人机充电舱的位置信息，控制自驾仪模块和无人机动力模块将球形无人机导航至无人机充电舱的位置；
球形无人机达到无人机充电舱上空，当无人机接近舱体时，无人机充电舱内的微控制器与无人机进行实时信号连接，微控制器控制无人机充电舱的舱盖打开，当导航定位装置确定无人机到达底座的上方后，通过平台压力传感器获取八方位压力信息，无人机充电舱内的微控制器将根据八方位压力信息、无人机的位置信息和运动信息进行姿态自适应PID解算，并根据PID解算结果使得无人机充电舱与正上方的无人机达到相对静止状态；
无人机主控模块控制无人机动力使无人机竖直降落，当圆形升降可扩展化底座下的重力感受器判断无人机降落后，主轴调节电机通过升降滑杆使圆形升降可扩展化底座下降到对应位置，微控制器控制舱盖关闭；
通过圆形升降可扩展化底座将球形无人机传送至磁吸式充电装置所在位置，磁吸式充电感应装置受到磁吸式充电装置的吸引与磁吸式充电装置位置对应并锁紧，当所述磁吸式充电装置与所述磁吸式充电感应装置位置相互对应并磁吸固定后开始充电；
当无人机动力模块的剩余电量大于或等于第二预设值时，无人机动力模块向无人机主控模块发送电量已满的电信号，无人机主控模块根据无人机动力模块发送的电量已满的电信号判断球形无人机充电完成，当充电完成时，主控模块向微控制器传送信号，微控制器控制磁吸式充电装置与球形无人机断开连接，无人机充电舱将通过副轴调节器进行平衡调控，同时微控制器将控制主轴调节电机推动升降滑杆使底座上升到无人机充电舱中的对应无人机起飞位置。
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