CN114844239A - 一种基于线上取电的激光无线电力传输装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于线上取电的激光无线电力传输装置和方法，所述装置包括安装在输电线上的电能发射端和电能接收端，所述电能发射端包括线上感应取电模块、半导体激光器、通信模块、二维云台、光束整形模块、控制单元、视频图像模块和IMU模块；所述电能接收端包括四象限光电池板、DCDC模块、无线监测模块和电池。本发明解决了极端条件下杆塔上的在线监测装置无法获得太阳能供电的问题，可以在夜间和连续阴雨天为杆塔设备供电，无电力安全隐患，当有人员上塔时半导体激光器立刻停止出光，保障人员安全；可实现按需供电，装置轻巧方便，容易调节，成本低；瞄准更精确和容易。

Description

一种基于线上取电的激光无线电力传输装置和方法
技术领域
本发明属于输电设备技术领域，涉及一种基于线上取电的激光无线电力传输装置和方法。
背景技术
架空输电线在线监测是实时保障输电线工作正常运行的重要手段，在架空输电线中，大部分在线监测装置都安装在杆塔上，采用太阳能和储蓄电池进行供电。实际工作中，由于长时间连续阴雨天气，或设备本身功耗较高，会导致供电系统长期得不到太阳能充电，导致系统缺电关机，在一些重要的在线监测场景，将会导致严重的问题，例如，高危区域的防外破可视化监拍装置，基于激光雷达的防外破装置等。目前，CT在线取电技术趋于成熟，安装在架空输电线缆上的装置可以通过CT 取电获得持续供能，但考虑到绝缘安全要求，线上CT取电不能为杆塔上的装置直接有线供电，目前有一些新型绝缘子产品可以线上取电并从内部向杆塔供电，但这种产品普及率还比较低，绝大多数线路目前无法实现。
现有技术文件1（CN108667160A）公开了一种用于共享杆塔的超导激光无线供电装置，包括：激光发射器、激光矩阵以及光伏板，其中：所述激光矩阵设置有激光通道，所述激光发射器的激光输出端与所述激光矩阵的激光通道入口固定连接，所述激光矩阵的激光通道的出口正对所述光伏板接受激光光信号的一面。现有技术文件1通过将激光发射器直接与超特高压输电线连接，将电能转化为光能，激光发射器中产生的激光，再通过激光矩阵进行分散，将激光发射至光伏板上，光伏板将光能转为电能，激光具有单色性好、亮度高、相干性好等其它光源没有的特性，通过光伏板将光能转化为电能的效率高，从而实现为加挂在电力杆塔上的其它行业的装置进行无线供电。其不足之处在于激光发射器直接与超特高压输电线连接，利用超导储能器、超导电子约束器和自由电子激光发生器产生激光，这种激光系统实际实现难度大，市面上未见成熟商业产品，成本高，转化效率不确定，而且在对光伏板的瞄准方面没有进行设计，安装使用过程中存在问题。
现有技术文件2（CN206293958U）公开了一种用于风向风速监测站的激光光伏供电装置，其特征是，包括激光发射模块、光伏供电模块，其中：所述激光发射模块包括激光器、瞄准器、光束准直定向装置、光束定向平台，激光器、瞄准器、光束准直定向装置依次相连，安装在光束定向平台上；所述光伏供电模块包括激光光伏电池、整流稳压电路、蓄电池，激光光伏电池接收激光发射模块发出的激光光束并转换为电能，与整流稳压电路、蓄电池依次相连。其不足之处在于，现有技术文件2采用220V市电供电，是一种移动供电装置，主要为了满足一些装置的临时供电需求，无法满足输电线杆塔在线装置的紧急供电需求，不能解决线上供电问题；此外，现有技术文件2采用激光准直输出，光斑大小不可调节；采用二极管泵浦固体激光器，电光转换效率低；瞄准时整个激光器需要转动，更复杂而且不可靠。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于线上取电的激光无线电力传输装置和方法，解决安装于杆塔上的在线监测装置或其它装置在极端天气或其它极端情况下无法获得太阳能供电的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种基于线上取电的激光无线电力传输装置，所述装置包括电能发射端和电能接收端；
所述电能发射端挂接在输电线上，包括线上感应取电模块、半导体激光器、通信模块、二维云台、光束整形模块、控制单元；
感应取电模块固定在输电线上进行感应取电，为电能发射端供电，半导体激光器通过光纤耦合从光纤输出头和光束整形模块向电能接收端的四象限光电池板发射激光束，光纤输出头和光束整形模块固定设置在二维云台上，光束整形模块上固定设有视频图像模块和IMU模块，控制单元与线上感应取电模块、半导体激光器、通信模块、二维云台、光束整形模块、视频图像模块和IMU模块连接，实现激光无线电力传输控制；
所述电能接收端安装在杆塔上，包括四象限光电池板、DCDC模块、无线监测模块和杆塔端电池；
所述四象限光电池板电源输出端通过DCDC模块与电池的输入端相连，电池的输出端连接至用电设备；
所述无线监测模块，用于实时监测杆塔端电池输出电压和四象限光电池板的各象限输出电流。
优选地，所述光束整形模块光学镜片组成，且所述光束整形模块上还设有安全管理模块；
所述安全管理模块在半导体激光器开启时，对包含激光光束的区域进行监控，当检测到有人员进入防护区域时，发出报警，控制单元控制半导体激光器停止出光，直到人员退出防护区域后，允许继续出光充电。
优选地，所述半导体激光器工作状态的控制方式包括：
1）人为控制半导体激光器开启或关闭；
2）控制单元基于无线监测模块的实时监测数据或预设的充电供电时间信息，自动控制半导体激光器开启或关闭；
3）控制单元通过安全管理模块监测外部环境安全情况，根据外部环境安全情况自动控制半导体激光器开启或关闭。
优选地，所述视频图像模块的内部光轴与半导体激光器的输出光轴平行，图像视野中心具有十字或其它标记，且视频图像模块通过信号线连接到控制单元；
所述IMU模块安装固定在光束整形模块的输出口旁，通过信号线连接到控制单元，用于测量记录装置组件的空间运动和位置。
优选地，所述四象限光电池板，由四块光电池板按四个象限的位置拼接组成，四个象限的电流单独输出到DCDC模块；且所述四象限光电池板中心线上标记有实际长度的坐标刻度。
本发明还提供基于线上取电的激光无线电力传输方法，包括以下步骤：
步骤1：手动控制二维云台转动，使视频图像视野中心对准四象限光电池板上设定位置；
步骤2：调节光束整形模块内部镜片的位置，改变接收端的光斑尺寸，将光斑调节放大到覆盖四象限光电池板；
步骤3：控制单元根据PID算法实时计算四象限光电池板各象限输出电流差值，并调整二维云台转向角度，使得激光光斑中心照射在四象限光电池板中心，并记录装置组件此时的空间位置信息；
步骤4：完成步骤1-3的预调节后，装置进入常规状态，关闭半导体激光器，其他装置组件处于开启状态，当满足供电条件时，开启半导体激光器进行无线供电。
优选地，步骤1中，安装所述装置，人工远程连接到发射端，开启半导体激光器和其他装置组件，获取当前视频图像模块采集的视频图像，手动控制二维云台转动，使表示图像视野中心的十字标记对准四象限光电池板上1、2象限中间的线上的刻度d，d代表视频图像模块光轴与半导体激光器的输出光轴之间的实际距离。
优选地，步骤2中，光斑调节的具体方式包括：
方式一、根据理论仿真计算的镜片位置和人工测量的接收端与发射端之间的距离L进行自动调节；接收端与发射端之间的距离L是指被二维云台带动的半导体激光器转动中心的位置与四象限光电池板中心的距离；
方式二、通过视频图像模块观测红外光斑，手动调节调节光束整形模块内部镜片的位置，改变接收端的光斑尺寸，将光斑调节放大到覆盖四象限光电池板；
上述方式一和方式二任选其一即可实现光斑调节。
优选地，步骤3中，开启半导体激光器，半导体激光器发射激光束，通过光纤耦合后从光纤输出头射入光束整形模块，经光束整形后照射到四象限光电池板上；
四象限光电池板受到激光照射后四个象限开始输出电流，将1-4四个象限的输出电流分别记为I1，I2，I3，I4；
无线监测模块监测I1，I2，I3，I4，并实时传送至发射端的控制单元，控制单元采用PID算法实时计算四象限光电池板各象限输出电流差值，实时调节二维云台转向，通过调节二维云台转向，带动光束整形模块转动，改变激光照射方向，使激光光斑中心处于四象限光电池板中心，IMU记录此时组件的空间位置信息。
优选地，步骤3中，二维云台转向的调节过程具体包括：
步骤3.1：计算调节参数k：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，P表示半导体激光器激光功率最大值；
I的含义及确定方法为：
在输电线稳定情况下，通过视频图像人工定位瞄准四象限光电池板中心，调解光束整形模块，使光斑覆盖四象限光电池板，并把半导体激光器激光功率调至最大值P，测量出此时的四象限光电池板的总输出电流I；
步骤3.2：当激光光斑中心照射在四象限光电池板中心时，基于PID算法，比较计算
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
的值，当
Figure DEST_PATH_IMAGE003
>0时，向左，即向第一象限转动，反之，向右，即向第二象限转动；
当发射端发生移动，需跟踪瞄准四象限光电池板中心时，根据理论转动角度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
与电流差值
Figure DEST_PATH_IMAGE005
之间的关系
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
，采用PID算法，逐步调整二维云台转动角度，减小
Figure DEST_PATH_IMAGE007
的值，当
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
，认为1象限和2象限的照射面积相等，激光照射面积左右方向保持一致；
其中L为被二维云台带动的半导体激光器转动中心的位置与四象限光电池板中心的距离；
步骤3.3：当激光光斑中心照射在四象限光电池板中心时，比较计算
Figure DEST_PATH_IMAGE009
的值，当
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
>0时，向上转动，反之，向下转动；
当发射端发生移动，需跟踪瞄准四象限光电池板中心时，根据理论转动角度
Figure DEST_PATH_IMAGE011
与电流差值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
之间的关系
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，采用PID算法，逐步调整二维云台转动角度，减小
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
的值，当
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，认为3象限和2象限的照射面积相等，激光照射面积上下方向保持一致，实现四象限光电池板中心跟踪瞄准。
优选地，步骤4所述的满足供电条件是指：
条件一、装置通过安全管理模块监测到外部环境安全，且人为控制半导体激光器开启；
条件二、装置通过安全管理模块监测到外部环境安全，且监测到电池电压和四象限光电池板电池电流低于用户设定值或处于设定充电供电期间；
上述条件一或条件二任一成立，则表示满足供电条件。
优选地，步骤4中，半导体激光器开启后，半导体激光器发射激光束，并通过光纤耦合后从光纤输出头向四象限光电池板中心方向照射激光；
四象限光电池板接收激光并输出电流，DCDC模块对四象限光电池板的输出电进行整流升压或降压，保证稳压输出到电池充电，电池存储电能并为用电设备供电；
无线监测模块实时监测杆塔端电池电压和四象限光电池板电流；
当不再满足供电条件时关闭半导体激光器。
优选地，步骤4中，半导体激光器开启时，当输电线舞动或风偏带动发射端移动，导致激光光斑移动或偏出四象限光电池板，影响激光功能甚至发生激光危险时，返回步骤3，使激光光斑中心始终处于四象限光电池板中心，实现动态跟踪照射；
半导体激光器关闭时，自动跟踪照射功能因失去四象限光电池板实时输出电流数据而停止，当需要再次跟踪时，调取通过IMU记录的激光光斑中心处于四象限光电池板中心时组件的空间位置信息，计算出四象限光电池板的空间位置，通过二维云台转动可再次捕捉到四象限光电池板，重复步骤3即可再次实现跟踪瞄准。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
本申请解决了极端条件下杆塔上的在线监测装置无法获得太阳能供电的问题；通过CT在线取电，激光无线传输电能，无电力安全隐患；设置安全管控模块监测防护，当有人员上塔时立刻停止出光，保障人员安全；采用视频图像实现人工观察和预瞄准；通过无线监测模块实时监测四象限光电池板供电系统状态，按需供电；采用光纤耦合半导体激光器和光纤头，使得发射头更轻巧方便，更容易调节，成本低；采用四象限光电池板方案，瞄准更精确和容易，而且实现了动态跟踪瞄准，避免了因风偏和舞动导致的瞄准偏离。本申请还可以由用户自行设置定时开启半导体激光器进行充电供电，例如在夜间用电低谷期进行充电供电以节省成本。
本发明相对于现有技术文件1的改进之处在于：采用光纤耦合半导体激光器，激光发射头为光纤头，采用视频图像实现人工预瞄准，采用四象限光电池板实现瞄准和跟踪瞄准，具有实际可行性，转化效率高，成本低，体积小重量轻，安装瞄准简单灵活、精确，采用IMU实现空间位置的记录，在重捕获时提供位置参考。
本发明相对于现有技术文件2的改进之处在于：采用高压输电线CT取电供能，可以直接利用输电线的能量为激光器供电，通过激光将能量无线传输到杆塔上；采用光纤耦合半导体激光器，通过光纤输出发射，发射部分更轻巧，方便调节；采用可调节光斑的光束整形模块，可以调节照射到四象限光电池板上的面积大小，适用于不同距离和光电池尺寸，可充分利用光电池；采用视频图像实现人工预瞄准，采用四象限光电池板方案，瞄准更方便精确，实现了舞动和风偏状态下的自动跟踪瞄准。
附图说明
图1是本发明基于线上取电的激光无线电力传输装置的结构示意图；
图2是本发明四象限光电池板中心线上标记有实际长度的坐标刻度示意图；
图3是手动控制二维云台转动，使表示图像视野中心的十字标记对准四象限光电池板上1、2象限中间的线上的刻度d的示意图；
图4是实施例中根据理论仿真计算的镜片位置和人工测量的接收端与发射端之间的距离L自动调节接收端的光斑示意图；
图5是本发明1-4四个象限的方位图；
附图1中的标记说明：101-感应取电模块、102-半导体激光器、103-通信模块、104-二维云台、105-光束整形模块、106-控制单元、107-安全管理模块、108-视频图像模块、109-IMU模块；201-四象限光电池板、202-DCDC模块、203-电池、204-用电设备、205-无线监测模块、206-输电线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的实施例1提供了一种基于线上取电的激光无线电力传输装置，所述装置包括电能发射端和电能接收端，在本发明优选但非限制性的实施方式中，所述电能发射端挂接在输电线206上，包括线上感应取电模块101、半导体激光器102、通信模块103、二维云台104、光束整形模块105、控制单元106；
感应取电模块101固定在输电线206上进行感应取电，为电能发射端供电，半导体激光器102通过光纤耦合从光纤输出头和光束整形模块105向电能接收端的四象限光电池板201发射激光束，光纤输出头和光束整形模块105固定设置在二维云台104上，光束整形模块105上固定设有视频图像模块108和IMU模块109，控制单元106与线上感应取电模块101、半导体激光器102、通信模块103、二维云台104、光束整形模块105、视频图像模块108和IMU模块109连接，实现激光无线电力传输控制，包括远程人机交互、数据信息和命令的处理、控制半导体激光器102开启或关闭，以及调节二维云台104转向、调节光束整形模块、使激光实时自动跟踪对准照射四象限光电池板201等。
所述电能接收端安装在杆塔上，包括四象限光电池板201、DCDC模块202、无线监测模块205和杆塔端电池203；
所述四象限光电池板201电源输出端通过DCDC模块202与电池203的输入端相连，电池203的输出端连接至用电设备204；
所述无线监测模块205，用于实时监测杆塔端电池203输出电压和四象限光电池板201的各象限输出电流；
进一步优选地，所述线上感应取电模块101为安装在输电线206上的CT感应取电装置，且CT感应取电装置夹持固定在输电导线上，通过电磁感应获取电能；
所述半导体激光器102采用近红外半导体激光器，且通过机械夹具固定在输电线206上；
所述光纤输出头集成在导光光纤的末端，其输出端与光束整形模块105的输入端固定连接。
所述半导体激光器102工作状态的控制方式包括：
1）人为控制半导体激光器102开启或关闭；
2）控制单元106基于无线监测模块205的实时监测数据或预设的充电供电时间信息，自动控制半导体激光器102开启或关闭；
3）控制单元通过安全管理模块107监测外部环境安全情况，根据外部环境安全情况自动控制半导体激光器102开启或关闭。
所述视频图像模块的内部光轴与半导体激光器102的输出光轴平行，图像视野中心具有十字或其它标记，且视频图像模块通过信号线连接到控制单元；
所述IMU模块安装固定在光束整形模块的输出口附近，通过信号线连接到控制单元，用于测量记录装置组件的空间运动和位置。
所述光束整形模块105，由5片光学镜片组成，实现对光纤头输出的激光进行整形，可调整激光光束发散角，使之能够充分照射到四象限光电池板201上并使四象限光电池板201输出最大电流。
所述光束整形模块105上还设有安全管理模块107；
所述安全管理模块107在半导体激光器102开启时，对包含激光光束的区域进行监控，当检测到有人员进入防护区域时，发出报警，控制单元106控制半导体激光器102停止出光，直到人员退出防护区域后，允许继续出光充电。
所述安全管理模块107采用人体红外感应传感、视频图像监测或微波雷达监测方式对包含激光光束的区域进行监控，检测是否有人员进入防护区域。
所述二维云台104，是一种轻型高速二维云台104，用于带动光束整形模块和固定于其上的组件转动，改变激光照射方向。
所述通信模块，为装置提供无线通信功能，可采用wifi、蓝牙、zigbee、NB-ioT等通信方式。
所述四象限光电池板201，由四块光电池板按四个象限的位置拼接组成，四个象限的电流单独输出到DCDC模块，由DCDC模块稳压后给电池充电，以用于为用电设备供电；
所述四象限光电池板201中心线上标记有实际长度的坐标刻度，如图2所示。
所述DCDC模块对四象限光电池板201的输出电进行整流升压或降压，以实现稳压输出到电池充电；
所述电池存储DCDC模块输出电能并为用电设备供电。
所述四象限光电池板201采用单晶硅、多晶硅或三结点砷化镓聚光电池。
本发明基于所述激光无线电力传输装置实现的基于线上取电的激光无线电力传输方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：手动控制二维云台104转动，使视频图像视野中心对准四象限光电池板201上设定位置，具体的：
安装所述装置，人工远程连接到发射端，开启半导体激光器和其他装置组件，获取当前视频图像模块采集的视频图像，手动控制二维云台104转动，使表示图像视野中心的十字标记对准四象限光电池板201上1、2象限中间的线上的刻度d，d代表视频图像模块光轴与半导体激光器102的输出光轴之间的实际距离，具体如图3所示。图3中，相机和激光的光轴平行输出，两个光轴的距离为d，在相机的显示屏幕上用十字光标标记相机的光轴中心，将十字光标(相机光轴中心）对准四象限中心刻度d (图3中40mm)的位置，就可以将不可见的激光对准四象限中心了。
步骤2：调节光束整形模块内部镜片的位置，改变接收端的光斑尺寸，将光斑调节放大到基本覆盖四象限光电池板201；
光斑调节的具体方式包括：
方式一、根据理论仿真计算的镜片位置和人工测量的接收端与发射端之间的距离L进行自动调节；接收端与发射端之间的距离L是指被二维云台104带动的半导体激光器102转动中心的位置与四象限光电池板201中心的距离；
如图4所示，具体光路的实现方式多种多样，可根据不同的工程场景需求调整。
方式二、通过视频图像模块108观测红外光斑，手动调节调节光束整形模块内部镜片的位置，改变接收端的光斑尺寸，将光斑调节放大到覆盖四象限光电池板201；
上述方式一和方式二任选其一即可实现光斑调节。
步骤3：控制单元根据PID算法实时计算四象限光电池板201各象限输出电流差值，并调整二维云台104转向角度，使得激光光斑中心照射在四象限光电池板201中心，并记录装置组件此时的空间位置信息，所述二维是指上下、左右两个维度转动。
具体的：
开启半导体激光器，半导体激光器发射激光束，通过光纤耦合后从光纤输出头射入光束整形模块，经光束整形后照射到四象限光电池板201上；
四象限光电池板201受到激光照射后四个象限开始输出电流，将1-4四个象限的输出电流分别记为I1，I2，I3，I4；1-4四个象限的方位应该是约定俗成的，如图5所示。
无线监测模块监测I1，I2，I3，I4，并实时传送至发射端的控制单元，控制单元采用PID算法实时计算四象限光电池板201各象限输出电流差值，实时调节二维云台104转向，通过调节二维云台104转向，带动光束整形模块转动，改变激光照射方向，使激光光斑中心处于四象限光电池板201中心，IMU记录此时组件的空间位置信息。
步骤3具体包括：
步骤3.1：计算调节参数k：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；
其中，P表示半导体激光器激光功率最大值；
I的含义及确定方法为：
在输电线206稳定情况下，通过视频图像人工定位瞄准四象限光电池板201中心，调解光束整形模块，使光斑覆盖四象限光电池板201（即执行步骤2），并把半导体激光器激光功率调至最大值P，测量出此时的四象限光电池板201的总输出电流I；
上述计算原理为：
在系统运行前，对四象限光电池板201的光电转换特性进行试验标定。
对于四象限光电池板201的输出电流I（单位A），激光辐照功率密度
Figure DEST_PATH_IMAGE017
（单位W/cm2），激光辐照四象限光电池板201的面积S，有如下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
Figure DEST_PATH_IMAGE019
是一个系数，代表激光辐照功率密度一定的条件下，单位面积的四象限光电池板201输出的电流值。
Figure DEST_PATH_IMAGE020
Figure 238303DEST_PATH_IMAGE019
值可以通过实验测得，因此可以认为是一个已知量，当把1cm2作为最小计算单位时，可以粗略地认为光斑在四象限光电池板201上每变化1cm，电流变化
Figure 497246DEST_PATH_IMAGE019
（A）。
又因为功率密度
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE022
；
因此，在装置安装好以后，在输电线206稳定情况下，通过视频图像人工定位瞄准四象限光电池板201中心，调解光束整形模块，使光斑覆盖四象限光电池板201，并把半导体激光器激光功率调至最大，测量出此时的四象限光电池板201的输出电流I。
通过视频图像模块108（如ccd传感器）监测光斑视频图像，然后可图像测算出激光覆盖面积S，本发明具体实施时，根据
Figure DEST_PATH_IMAGE023
即可计算出k，因而可不计算S。
根据I值，激光功率最大值P，可计算出
Figure DEST_PATH_IMAGE024
。
步骤3.2：当激光光斑中心照射在四象限光电池板201中心时，基于PID算法，比较计算
Figure DEST_PATH_IMAGE025
的值，当
Figure DEST_PATH_IMAGE026
>0时，向左转动（每次转动一个小角度即可，基于PID算法不断地转动、检查、调整），反之，向右转动；即I1是左侧第一象限的电流，I2是右侧第二象限的电流，如果I1比I2大，说明右侧光照多，所以光束向左边移动，反之向右边移动；
当发射端发生移动，需跟踪瞄准四象限光电池板201中心时，为保证精确的转动实现电流的平衡，根据理论转动角度
Figure 907368DEST_PATH_IMAGE004
与电流差值
Figure DEST_PATH_IMAGE027
之间的关系
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，采用PID算法，逐步调整二维云台104转动角度，减小
Figure 706696DEST_PATH_IMAGE027
的值，当
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，也即1、2象限输出电流差值所代表的激光光斑照射面积小于1cm2时，认为1象限和2象限的照射面积基本相等，激光照射面积已经比较精准地在左右方向保持一致。实际设计实现的过程中，根据二维云台104、激光器等组件的指标，可以将精度提的更高。
其中L为激光发射端转动中心（即被二维云台104带动的半导体激光器102转动中心的位置）与四象限光电池板201中心的距离；
步骤3.3：当激光光斑中心照射在四象限光电池板201中心时，比较计算
Figure DEST_PATH_IMAGE030
的值，当
Figure DEST_PATH_IMAGE031
>0时，向上转动，反之，向下转动；
当发射端发生移动，需跟踪瞄准四象限光电池板201中心时，为保证精确的转动实现电流的平衡，根据理论转动角度
Figure DEST_PATH_IMAGE032
与电流差值
Figure DEST_PATH_IMAGE033
之间的关系
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，为保证精确的转动实现电流的平衡，采用PID算法，逐步调整二维云台104转动角度（即调整二维云台104向上下左右方向的转动角度
Figure DEST_PATH_IMAGE035
），减小
Figure DEST_PATH_IMAGE036
的值，当
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，也即3、2象限输出电流差值所代表的激光光斑照射面积小于1cm2时，认为象限3和象限2的照射面积基本相等，激光照射面积已经比较精准地在上下方向保持一致。实际设计实现的过程中，根据二维云台104、激光器等组件的指标，可以将精度提的更高。根据上述内容可知，步骤3.2和步骤3.3可以不用4象限输出电流。
经过步骤2后光斑中心基本上就是照射在四象限光电池板201中心的，执行步骤3的目的是1）更精确对准中心，以及2）发射端发生移动，跟踪瞄准四象限光电池板201中心；
以步骤3.2为例：
步骤3.2：
当激光光斑中心照射在四象限光电池板201中心时，比较计算
Figure DEST_PATH_IMAGE038
的值，当
Figure DEST_PATH_IMAGE039
>0时，向左转动，反之，向右转动；--对应于上述1）；
当发射端发生移动，需跟踪瞄准四象限光电池板201中心时，根据理论转动角度
Figure 491068DEST_PATH_IMAGE011
与电流差值
Figure DEST_PATH_IMAGE040
之间的关系
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，采用PID算法，逐步调整转动角度，减小
Figure DEST_PATH_IMAGE042
的值，当
Figure DEST_PATH_IMAGE043
，认为1象限和2象限的照射面积相等，激光照射面积左右方向保持一致；--对应于上述2）。
步骤4：完成步骤1-3的预调节后，装置进入常规状态，关闭半导体激光器，其他装置组件处于开启状态，当满足供电条件时，开启半导体激光器进行无线供电；
所述的满足供电条件是指：
条件一、装置通过安全管理模块107监测到外部环境安全，且人为控制半导体激光器102开启；
条件二、装置通过安全管理模块107监测到外部环境安全，且监测到电池203电压和四象限光电池板201电池电流低于用户设定值或处于设定充电供电期间；
上述条件一或条件二任一成立，则表示满足供电条件。
步骤4中，半导体激光器开启后，半导体激光器102发射激光束，并通过光纤耦合后从光纤输出头向四象限光电池板201中心方向照射激光；
四象限光电池板201接收激光并输出电流，DCDC模块对四象限光电池板201的输出电进行整流升压或降压，保证稳压输出到电池充电，电池203存储电能并为用电设备204供电；
无线监测模块205实时监测杆塔端电池203电压和四象限光电池板201电流；
当不再满足供电条件（即外部环境不安全、人为控制半导体激光器102关闭、无线监测模块205监测到电池203充满或四象限光电池板201电流恢复到用户设定值以上、或处于设定非充电供电期间时）时关闭半导体激光器102。
步骤4中，半导体激光器开启时，当输电线206舞动或风偏带动发射端移动，导致激光光斑移动或偏出四象限光电池板201，影响激光功能甚至发生激光危险时，返回步骤3，使激光光斑中心始终处于四象限光电池板201中心，实现动态跟踪照射；
半导体激光器关闭时，自动跟踪照射功能因失去四象限光电池板201实时输出电流数据而停止，当需要再次跟踪时，调取通过IMU记录的激光光斑中心处于四象限光电池板201中心时组件的空间位置信息，计算出四象限光电池板201的空间位置，通过二维云台104转动可再次捕捉到四象限光电池板201，重复步骤3即可再次实现跟踪瞄准。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
本申请解决了极端条件下杆塔上的在线监测装置无法获得太阳能供电的问题；通过CT在线取电，激光无线传输电能，无电力安全隐患；设置安全管控模块监测防护，当有人员上塔时立刻停止出光，保障人员安全；采用视频图像实现人工观察和预瞄准；通过无线监测模块实时监测四象限光电池板供电系统状态，按需供电；采用光纤耦合半导体激光器和光纤头，使得发射头更轻巧方便，更容易调节，成本低；采用四象限光电池板方案，瞄准更精确和容易，而且实现了动态跟踪瞄准，避免了因风偏和舞动导致的瞄准偏离。本申请还可以由用户自行设置定时开启半导体激光器进行充电供电，例如在夜间用电低谷期进行充电供电以节省成本。
本发明相对于现有技术文件1的改进之处在于：采用光纤耦合半导体激光器，激光发射头为光纤头，采用视频图像实现人工预瞄准，采用四象限光电池板实现瞄准和跟踪瞄准，具有实际可行性，转化效率高，成本低，体积小重量轻，安装瞄准简单灵活、精确，采用IMU实现空间位置的记录，在重捕获时提供位置参考。
本发明相对于现有技术文件2的改进之处在于：采用高压输电线CT取电供能，可以直接利用输电线的能量为激光器供电，通过激光将能量无线传输到杆塔上；采用光纤耦合半导体激光器，通过光纤输出发射，发射部分更轻巧，方便调节；采用可调节光斑的光束整形模块，可以调节照射到四象限光电池板上的面积大小，适用于不同距离和光电池尺寸，可充分利用光电池；采用视频图像实现人工预瞄准，采用四象限光电池板方案，瞄准更方便精确，实现了舞动和风偏状态下的自动跟踪瞄准。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种基于线上取电的激光无线电力传输装置，所述装置包括电能发射端和电能接收端，其特征在于：
所述电能发射端挂接在输电线（206）上，包括线上感应取电模块（101）、半导体激光器（102）、通信模块（103）、二维云台（104）、光束整形模块（105）、控制单元（106）；
感应取电模块（101）固定在输电线（206）上进行感应取电，为电能发射端供电，半导体激光器（102）通过光纤耦合从光纤输出头和光束整形模块（105）向电能接收端的四象限光电池板（201）发射激光束，光纤输出头和光束整形模块（105）固定设置在二维云台（104）上，光束整形模块（105）上固定设有视频图像模块（108）和IMU模块（109），控制单元（106）与线上感应取电模块（101）、半导体激光器（102）、通信模块（103）、二维云台（104）、光束整形模块（105）、视频图像模块（108）和IMU模块（109）连接，实现激光无线电力传输控制；
所述电能接收端安装在杆塔上，包括四象限光电池板（201）、DCDC模块（202）、无线监测模块（205）和杆塔端电池（203）；
所述四象限光电池板（201）电源输出端通过DCDC模块（202）与电池（203）的输入端相连，电池（203）的输出端连接至用电设备（204）；
所述无线监测模块（205），用于实时监测杆塔端电池（203）输出电压和四象限光电池板（201）的各象限输出电流。
2.根据权利要求1所述的一种基于线上取电的激光无线电力传输装置，其特征在于：
所述光束整形模块（105）光学镜片组成，且所述光束整形模块（105）上还设有安全管理模块（107）；
所述安全管理模块（107）在半导体激光器（102）开启时，对包含激光光束的区域进行监控，当检测到有人员进入防护区域时，发出报警，控制单元（106）控制半导体激光器（102）停止出光，直到人员退出防护区域后，允许继续出光充电。
3.根据权利要求2所述的一种基于线上取电的激光无线电力传输装置，其特征在于：
所述半导体激光器（102）工作状态的控制方式包括：
1）人为控制半导体激光器（102）开启或关闭；
2）控制单元（106）基于无线监测模块（205）的实时监测数据或预设的充电供电时间信息，自动控制半导体激光器（102）开启或关闭；
3）控制单元通过安全管理模块（107）监测外部环境安全情况，根据外部环境安全情况自动控制半导体激光器（102）开启或关闭。
4.根据权利要求1所述的一种基于线上取电的激光无线电力传输装置，其特征在于：
所述视频图像模块的内部光轴与半导体激光器（102）的输出光轴平行，图像视野中心具有十字或其它标记，且视频图像模块通过信号线连接到控制单元；
所述IMU模块安装固定在光束整形模块的输出口旁，通过信号线连接到控制单元，用于测量记录装置组件的空间运动和位置。
5.根据权利要求1所述的一种基于线上取电的激光无线电力传输装置，其特征在于：
所述四象限光电池板（201），由四块光电池板按四个象限的位置拼接组成，四个象限的电流单独输出到DCDC模块；且所述四象限光电池板（201）中心线上标记有实际长度的坐标刻度。
6.一种基于权利要求1-5任意一项所述激光无线电力传输装置实现的基于线上取电的激光无线电力传输方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
步骤1：手动控制二维云台（104）转动，使视频图像视野中心对准四象限光电池板（201）上设定位置；
步骤2：调节光束整形模块内部镜片的位置，改变接收端的光斑尺寸，将光斑调节放大到覆盖四象限光电池板（201）；
步骤3：控制单元根据PID算法实时计算四象限光电池板（201）各象限输出电流差值，并调整二维云台（104）转向角度，使得激光光斑中心照射在四象限光电池板（201）中心，并记录装置组件此时的空间位置信息；
步骤4：完成步骤1-3的预调节后，装置进入常规状态，关闭半导体激光器，其他装置组件处于开启状态，当满足供电条件时，开启半导体激光器进行无线供电。
7.根据权利要求6所述的基于线上取电的激光无线电力传输方法，其特征在于：
步骤1中，安装所述装置，人工远程连接到发射端，开启半导体激光器和其他装置组件，获取当前视频图像模块采集的视频图像，手动控制二维云台（104）转动，使表示图像视野中心的十字标记对准四象限光电池板（201）上1、2象限中间的线上的刻度d，d代表视频图像模块光轴与半导体激光器（102）的输出光轴之间的实际距离。
8.根据权利要求6所述的基于线上取电的激光无线电力传输方法，其特征在于：
步骤2中，光斑调节的具体方式包括：
方式一、根据理论仿真计算的镜片位置和人工测量的接收端与发射端之间的距离L进行自动调节；接收端与发射端之间的距离L是指被二维云台（104）带动的半导体激光器（102）转动中心的位置与四象限光电池板（201）中心的距离；
方式二、通过视频图像模块（108）观测红外光斑，手动调节调节光束整形模块内部镜片的位置，改变接收端的光斑尺寸，将光斑调节放大到覆盖四象限光电池板（201）；
上述方式一和方式二任选其一即可实现光斑调节。
9.根据权利要求6所述的基于线上取电的激光无线电力传输方法，其特征在于：
步骤3中，开启半导体激光器，半导体激光器发射激光束，通过光纤耦合后从光纤输出头射入光束整形模块，经光束整形后照射到四象限光电池板（201）上；
四象限光电池板（201）受到激光照射后四个象限开始输出电流，将1-4四个象限的输出电流分别记为I1，I2，I3，I4；
无线监测模块监测I1，I2，I3，I4，并实时传送至发射端的控制单元，控制单元采用PID算法实时计算四象限光电池板（201）各象限输出电流差值，实时调节二维云台（104）转向，通过调节二维云台（104）转向，带动光束整形模块转动，改变激光照射方向，使激光光斑中心处于四象限光电池板（201）中心，IMU记录此时组件的空间位置信息。
10.根据权利要求9所述的基于线上取电的激光无线电力传输方法，其特征在于：
步骤3中，二维云台（104）转向的调节过程具体包括：
步骤3.1：计算调节参数k：
Figure 356625DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，P表示半导体激光器激光功率最大值；
I的含义及确定方法为：
在输电线（206）稳定情况下，通过视频图像人工定位瞄准四象限光电池板（201）中心，调解光束整形模块，使光斑覆盖四象限光电池板（201），并把半导体激光器激光功率调至最大值P，测量出此时的四象限光电池板（201）的总输出电流I；
步骤3.2：当激光光斑中心照射在四象限光电池板（201）中心时，基于PID算法，比较计算
Figure DEST_PATH_IMAGE002
的值，当
Figure 70503DEST_PATH_IMAGE003
>0时，向左，即向第一象限转动，反之，向右，即向第二象限转动；
当发射端发生移动，需跟踪瞄准四象限光电池板（201）中心时，根据理论转动角度
Figure DEST_PATH_IMAGE004
与电流差值
Figure 646978DEST_PATH_IMAGE005
之间的关系
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，采用PID算法，逐步调整二维云台（104）转动角度，减小
Figure 838925DEST_PATH_IMAGE007
的值，当
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，认为1象限和2象限的照射面积相等，激光照射面积左右方向保持一致；
其中L为被二维云台（104）带动的半导体激光器（102）转动中心的位置与四象限光电池板（201）中心的距离；
步骤3.3：当激光光斑中心照射在四象限光电池板（201）中心时，比较计算
Figure 450035DEST_PATH_IMAGE009
的值，当
Figure DEST_PATH_IMAGE010
>0时，向上，即向第二象限转动，反之，向下，即向第三象限转动；
当发射端发生移动，需跟踪瞄准四象限光电池板（201）中心时，根据理论转动角度
Figure 80953DEST_PATH_IMAGE011
与电流差值
Figure DEST_PATH_IMAGE012
之间的关系
Figure 144724DEST_PATH_IMAGE013
，采用PID算法，逐步调整二维云台（104）转动角度，减小
Figure DEST_PATH_IMAGE014
的值，当
Figure 874783DEST_PATH_IMAGE015
，认为3象限和2象限的照射面积相等，激光照射面积上下方向保持一致，实现四象限光电池板（201）中心跟踪瞄准。
11.根据权利要求6所述的基于线上取电的激光无线电力传输方法，其特征在于：
步骤4所述的满足供电条件是指：
条件一、装置通过安全管理模块（107）监测到外部环境安全，且人为控制半导体激光器（102）开启；
条件二、装置通过安全管理模块（107）监测到外部环境安全，且监测到电池（203）电压和四象限光电池板（201）电池电流低于用户设定值或处于设定充电供电期间；
上述条件一或条件二任一成立，则表示满足供电条件。
12.根据权利要求6所述的基于线上取电的激光无线电力传输方法，其特征在于：
步骤4中，半导体激光器开启后，半导体激光器（102）发射激光束，并通过光纤耦合后从光纤输出头向四象限光电池板（201）中心方向照射激光；
四象限光电池板（201）接收激光并输出电流，DCDC模块对四象限光电池板（201）的输出电进行整流升压或降压，保证稳压输出到电池充电，电池（203）存储电能并为用电设备（204）供电；
无线监测模块（205）实时监测杆塔端电池（203）电压和四象限光电池板（201）电流；
当不再满足供电条件时关闭半导体激光器（102）。
13.根据权利要求12所述的基于线上取电的激光无线电力传输方法，其特征在于：
步骤4中，半导体激光器开启时，当输电线（206）舞动或风偏带动发射端移动，导致激光光斑移动或偏出四象限光电池板（201），影响激光功能甚至发生激光危险时，返回步骤3，使激光光斑中心始终处于四象限光电池板（201）中心，实现动态跟踪照射；
半导体激光器关闭时，自动跟踪照射功能因失去四象限光电池板（201）实时输出电流数据而停止，当需要再次跟踪时，调取通过IMU记录的激光光斑中心处于四象限光电池板（201）中心时组件的空间位置信息，计算出四象限光电池板（201）的空间位置，通过二维云台（104）转动可再次捕捉到四象限光电池板（201），重复步骤3即可再次实现跟踪瞄准。
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