CN115158050A - 一种无线充电耦合机构、无人机及无人机通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人机电力线路巡检技术领域，具体涉及一种无线充电耦合机构、无人机及无人机通信方法。无线充电耦合机构包括能量耦合机构和信号耦合机构；能量耦合机构包括能量发射线圈和能量接收线圈，能量发射线圈安装在无人机充电设备上，能量接收线圈安装在无人机上；信号耦合机构包括信号发射线圈和信号接收线圈，一对信号发射线圈和信号接收线圈分别安装在无人机充电设备上和无人机上，另一对信号发射线圈和信号接收线圈分别安装在无人机上和无人机充电设备上；本发明实现了基于巡检无人机的无公网地区监测数据收集与回传，大大提高了无公网地区参考站校正数据的有效作用距离和精度。

Description

一种无线充电耦合机构、无人机及无人机通信方法

技术领域

本发明属于无人机电力线路巡检技术领域，具体涉及一种无线充电耦合机构、无人机及无人机通信方法。

背景技术

无人机电力巡检解决了快速获取、降低采集成本和提高生产效率的问题，但所带来的海量巡检影像、视频、及其与空间位置中的电气设备对象位置关系、缺陷等信息，一直缺乏有效的管理支撑。基于电力线路自身特有的安全运行需要，为有效监控电力线路的运行状态，及时、准确的发现设备缺陷，往往需要获取电力线路走廊的海量高精度高分辨率航空数码影像及其拍摄位置信息等多源数据内容。而将上述多种来源海量的以图片为主的数据信息进行有效集成、管理，并支撑后续的半自动化、智能化查询、分析、统计及展示，将为长期巡检的大数据分析提供技术支撑。在无公网地区，无人机及无线充电平台的信息无法有效传输，因此更有必要研究无公网地区通信技术。

目前关于无人机定位及通信的实时RTK(Real—time kinematic)技术方案就是利用全国北斗地基增强各个参考站的观测信息，以基准站网网络体系结构为基础，建立精确的差分信息解算模型，解算出高精度的差分数据，然后通过网络通信数据链路将各种差分改正数发送给用户。实时RTK技术集Internet技术、无线通信技术、计算机网络管理技术和卫星定位技术于一体，是基准站网网络服务系统的核心支持技术和解决方案。但RTK技术在应用中遇到的最大问题就是参考站校正数据的有效作用距离和精度很低，因此需要一种更高精度更高范围的无人机无公网地区通信技术。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种无线充电耦合机构、无人机及无人机通信方法，解决了背景技术中指出的在无公网地区参考站校正数据的有效作用距离和精度很低的问题。具体技术方案如下：

一种无线充电耦合机构，包括能量耦合机构和信号耦合机构；

所述能量耦合机构包括能量发射线圈和能量接收线圈，所述能量发射线圈安装在无人机充电设备上，所述能量接收线圈安装在无人机上；

所述信号耦合机构包括信号发射线圈和信号接收线圈，一对所述信号发射线圈和所述信号接收线圈分别安装在所述无人机充电设备上和所述无人机上，另一对所述信号发射线圈和所述信号接收线圈分别安装在所述无人机上和所述无人机充电设备上；

所述无人机充电设备上的所述能量发射线圈和所述无人机上的所述能量接收线圈耦合时，两对所述信号发射线圈和所述信号接收线圈也将同时彼此耦合，实现所述无人机的无线充电以及所述无人机和所述无人机充电设备间的信号互传。

优选地，所述能量发射线圈和所述能量接收线圈均是中部镂空的回形线圈。

优选地，其中一对所述信号发射线圈和所述信号接收线圈均是水平横向DD线圈。

优选地，另一对所述信号发射线圈和所述信号接收线圈均是水平纵向DD线圈。

优选地，所述能量耦合机构和所述信号耦合机构中彼此耦合的线圈完全对称。

优选地，所述能量耦合机构的线圈的边长大于所述信号耦合机构的线圈边长。

一种无人机，包括接收装置和发射装置，所述接收装置包括所述的能量接收线圈和信号接收线圈；所述发射装置包括所述信号发射线圈；所述能量接收线圈、所述信号接收线圈和所述信号发射线圈重叠安装在无人机上；所述能量接收线圈、所述信号接收线圈和所述信号发射线圈分别与无人机充电设备上的能量发射线圈、信号发射线圈和信号接收线圈耦合，实现所述无人机的无线充电以及所述无人机和所述无人机充电设备间的信号互传。

优选地，所述无人机加装有北斗短报文模块，支持4G、低频5G通信。

优选地，所述无人机加装有RTK差分信息接口。

一种无人机通信方法，应用于所述的无人机，包括以下步骤：

S1：互联网控制中心通过北斗短报文通信技术向无人机下达巡线控制指令，同时给巡检线路上的无人机机库下达预先设定好的延迟开舱门和充电指令；

S2：所述无人机接收所述互联网控制中心下达的指令后开始按预期设定的航线时间飞达所述无人机机库上空；

S3：当北斗下发的延迟开舱门命令的时间满足后所述无人机机库打开舱门，所述无人机降落至所述无人机机库上，随后所述舱门关闭；

S4：所述无人机机库通过所述的能量耦合机构和信号耦合机构给所述无人机传递监测数据和电能，直至充电和数据收集完成；

S5：所述无人机完成充电和数据收集后，所述无人机飞至下一个无人机机库，并重复执行S3、S4步骤；

S6：当无人机飞至与互联网控制中心通过光纤连接的公网无人机机库后，所述公网无人机机库给所述无人机充电，所述无人机将通过所述的另一个信号发射线圈传输收集到的所有监测数据至所述另一个信号发射线圈在所述无人机机库上对应的信号接收线圈；

S7：所述无人机机库将接收到的所有监测数据解调后通过光纤传输给互联网控制中心

S8：巡检完成。

本发明的有益效果为：

本发明基于解耦线圈耦合机构的能量信号并行传输和北斗通信相结合的中继式无公网通信技术，实现基于巡检无人机的无公网地区监测数据收集与回传，大大提高了无公网地区参考站校正数据的有效作用距离和精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明一种无线充电耦合机构线圈示意图；

图2是本发明一种无人机的通信过程示意图；

图3是本发明一种无人机的电力巡检布署示意图；

图4是本发明一种无人机的通信流程图。

附图标记

L11-能量发射线圈；L12-能量接收线圈；L21-机库信号发射线圈；L22-无人机信号接收线圈；L31-无人机信号发射线圈；L32-机库信号接收线圈；磁芯1。

具体实施方式

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。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和 “包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

实施例1：

本实施例提供了一种无线充电耦合机构，如图1（a）和图1（b）所示，包括能量耦合机构和信号耦合机构；

能量耦合机构包括能量发射线圈L11和能量接收线圈L12，能量发射线圈L11安装在无人机机库上，能量接收线圈L12安装在无人机上。当无人机降落在无人机机库上后，无人机机库上的能量发射线圈L11和无人机上的能量接收线圈L12产生耦合并通过这对能量耦合机构的彼此耦合作用对无人机持续充电。

本实施例中，信号耦合机构包括信号发射线圈和信号接收线圈。信号发射线圈包括机库信号发射线圈L21和无人机信号发射线圈L31，机库信号发射线圈L21安装在无人机机库上与安装在无人机上的无人机信号接收线圈L22耦合并持续产生信号将数据（包括无人机机库检测到的环境监测数据、气象站数据、摄像头数据等数据）传输给无人机；

信号接收线圈包括无人机信号接收线圈L22和机库信号接收线圈L32，机库信号接收线圈L32安装在无人机机库上与安装在无人机上的无人机信号发射线圈L31耦合并持续产生信号接收无人机传递过来的数据（包括无人机收集到的环境监测数据、气象站数据、摄像头数据等数据）。

本实施例中，能量发射线圈L11和能量接收线圈L12均是设计成中部镂空的单极回形(Q)线圈且两个线圈的尺寸大小完全相同，用于无人机机库给无人机传输能量。

本实施例中，机库信号发射线圈L21和无人机信号接收线圈L22均是设计成水平横向双极DD线圈且两个线圈的尺寸大小完全相同，用于无人机机库对无人机传输数据。

本实施例中，无人机信号发射线圈L31和机库信号接收线圈L32均是设计成水平纵向双极DD线圈且两个线圈的尺寸大小完全相同，用于无人机对无人机机库传输数据。

本实施例中，能量耦合机构和信号耦合机构中彼此耦合的线圈完全对称。

本实施例中，磁芯1、能量发射线圈L11、机库信号发射线圈L21、机库信号接收线圈L32从下到上依次重叠放置，无人机信号发射线圈L31、无人机信号接收线圈L22、能量接收线圈L12和磁芯1从下到上依次重叠放置，形成无人机机库侧和无人机侧对称的无线充电耦合机构。

本实施例中，具有数据传输功能的机库信号发射线圈L21、无人机信号接收线圈L22、无人机信号发射线圈L31和机库信号接收线圈L32的边长被有意设计成小于能量发射线圈L11和能量接收线圈L12的边长，这样使得在特定的四象限失准区域，能量和数据传输通道之间的串扰干扰几乎可以忽略，因此数据处理电路的设计会更加简单。

正因本实施例提供的这种带有三个传输通道的无线充电耦合机构的关系使得无人机和无人机机库之间能够实现能量和信号的并行传输，同时无人机和无人机机库之间的数据可以达到双向传输的效果，这种特性适用于无公网地区无人机的巡检工作，利用无人机的机动性扩宽巡检范围、收集和传输数据从而确保了数据的准确性提高了整个巡检工作的精度。

实施例2：

本实施例提供了一种无人机，包括如图1（c）所述的接收装置和发射装置，接收装置包括如实施例一所指的能量接收线圈L12和无人机信号接收线圈L22，发射装置包括如实施例一所指的无人机信号发射线圈L31。

本实施例中，能量接收线圈L12、无人机信号接收线圈L22和无人机信号发射线圈L31并分别与如实施例一所指的无人机机库上的能量发射线圈L11、机库信号发射线圈L21和机库信号接收线圈L32耦合，实现无人机的无线充电以及无人机和无人机机库间的信号互传。

本实施例中，磁芯1、能量发射线圈L11、机库信号发射线圈L21、机库信号接收线圈L32从下到上依次重叠放置，无人机信号发射线圈L31、无人机信号接收线圈L22、能量接收线圈L12和磁芯1从下到上依次重叠放置，形成无人机机库侧和无人机侧对称的无线充电耦合机构。

本实施例中，具有数据传输功能的机库信号发射线圈L21、无人机信号接收线圈L22、无人机信号发射线圈L31和机库信号接收线圈L32的边长被有意设计成小于能量发射线圈L11和能量接收线圈L12的边长，这样使得在特定的四象限失准区域，能量和数据传输通道之间的串扰干扰几乎可以忽略，因此数据处理电路的设计会更加简单。

正因本实施例提供的这种带有三个传输通道的无线充电耦合机构的关系使得无人机和无人机机库之间能够实现能量和信号的并行传输，同时无人机和无人机机库之间的数据可以达到双向传输的效果，这种特性适用于无公网地区无人机的巡检工作，利用无人机的机动性扩宽巡检范围、收集和传输数据从而确保了数据的准确性提高了整个巡检工作的精度。

如图2所示，本实施例中的无人机的通信过程整体采用中继式通信策略，无人机加装北斗短报文模块和RTK差分信息接口，支持4G、低频5G通信。无人机与互联网控制中心之间的通信采用北斗卫星短报文通信技术，互联网控制中心通过“北斗”卫星与无公网地区的无人机建立通信申请的链接，类似互联网通信的链路层，只不过北斗通信是通过卫星无线互连，北斗通信由于其全域覆盖范围，主要用于互联网控制中心与无人机的控制指令传递。之所以不直接使用北斗短报文通信技术回传无公网地区机库监测数据，是因为北斗短报文通信技术由于其发送短报文的长度和频率导致了其在较大规模数据通信领域应用的局限性。无人机和机库则通过上述相互解耦的线圈实现信息的全双工双向传输。

实施例3：

如图3所示，适用于无公网地区无人机电力巡检，具体的巡检布署如图3所示，包括互联网控制中心、如实施例二所指的无人机机库（包括左机库、中间机库、右机库）、如实施例二所指的无人机，其中巡检线路上的最后一个机库（即右机库）与互联网控制中心通过光纤进行连接，用于将接收的巡检数据解调后上传。互联网控制中心与无人机以及各机库间均具备北斗短报文通信技术连接，用于实时控制指令及预警信息的传输。

如图4所示，本实施例提供了一种无人机通信方法，应用于所述的无人机，包括以下步骤：

S1：互联网控制中心通过北斗短报文通信技术给无人机下达巡线控制指令，同时给巡检线路上的无人机机库下达预先设定好的延迟开舱门和充电指令。

S2：无人机接收互联网控制中心下达的指令后开始按预期设定的航线时间飞达左机库上空。

S3：当北斗下发的延迟开舱门命令的时间满足后无人机机库打开舱门，无人机降落至机库上，随后舱门关闭。

S4：机库将电能通过单极（Q）能量发射线圈L11传输给无人机；同时，机库将调制后的监测数据通过双极（DD）能量接收线圈L12传输给无人机直至充电和收集完成。

S5：无人机完成充电和数据收集后，无人机飞至下一个无人机机库，并重复执行S3、S4步骤。

S6：在收集完巡检上所有机库的监测信息后，无人机飞至与互联网控制中心通过光纤连接的公网无人机机库（即右机库），机库给无人机充电，同时无人机通过双极（DD）信号发射线圈L31将所收集的所有监测数据传输给机库（即右机库）。

S7：机库在解调过所有的监测数据后通过光纤将解调数据传输给互联网控制中心。

S8：巡检完成。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种无线充电耦合机构，其特征在于，包括能量耦合机构和信号耦合机构；

所述能量耦合机构包括能量发射线圈和能量接收线圈，所述能量发射线圈安装在无人机充电设备上，所述能量接收线圈安装在无人机上；

所述信号耦合机构包括信号发射线圈和信号接收线圈，一对所述信号发射线圈和所述信号接收线圈分别安装在所述无人机充电设备上和所述无人机上，另一对所述信号发射线圈和所述信号接收线圈分别安装在所述无人机上和所述无人机充电设备上；

所述无人机充电设备上的所述能量发射线圈和所述无人机上的所述能量接收线圈耦合时，两对所述信号发射线圈和所述信号接收线圈也将同时彼此耦合，实现所述无人机的无线充电以及所述无人机和所述无人机充电设备间的信号互传。

2.根据权利要求1所述的一种无线充电耦合机构，其特征在于，所述能量发射线圈和所述能量接收线圈均是中部镂空的回形线圈。

3.根据权利要求2所述的一种无线充电耦合机构，其特征在于，其中一对所述信号发射线圈和所述信号接收线圈均是水平横向DD线圈。

4.根据权利要求3所述的一种无线充电耦合机构，其特征在于，另一对所述信号发射线圈和所述信号接收线圈均是水平纵向DD线圈。

5.根据权利要求4所述的一种无线充电耦合机构，其特征在于，所述能量耦合机构和所述信号耦合机构中彼此耦合的线圈完全对称。

6.根据权利要求6所述的一种无线充电耦合机构，其特征在于，所述能量耦合机构的线圈的边长大于所述信号耦合机构的线圈边长。

7.一种无人机，其特征在于，包括接收装置和发射装置，所述接收装置包括权利要求1-6任一所述的能量接收线圈和信号接收线圈；所述发射装置包括权利要求1-6任一所述信号发射线圈；所述能量接收线圈、所述信号接收线圈和所述信号发射线圈重叠安装在无人机上；所述能量接收线圈、所述信号接收线圈和所述信号发射线圈分别与无人机充电设备上的能量发射线圈、信号发射线圈和信号接收线圈耦合，实现所述无人机的无线充电以及所述无人机和所述无人机充电设备间的信号互传。

8.根据权利要求7所述的一种无人机，其特征在于，所述无人机加装有北斗短报文模块，支持4G、低频5G通信。

9.根据权利要求8所述的一种无人机，其特征在于，所述无人机加装有RTK差分信息接口。

10.一种无人机通信方法，其特征在于，应用于权利要求7-9任一所述的无人机，包括以下步骤：

S1：互联网控制中心通过北斗短报文通信技术向无人机下达巡线控制指令，同时给巡检线路上的无人机机库下达预先设定好的延迟开舱门和充电指令；

S2：所述无人机接收所述互联网控制中心下达的指令后开始按预期设定的航线时间飞达所述无人机机库上空；

S3：当北斗下发的延迟开舱门命令的时间满足后所述无人机机库打开舱门，所述无人机降落至所述无人机机库上，随后所述舱门关闭；

S4：所述无人机机库通过如权利要求1-6任一项所述的能量耦合机构和信号耦合机构给所述无人机传递监测数据和电能，直至充电和数据收集完成；

S5：所述无人机完成充电和数据收集后，所述无人机飞至下一个无人机机库，并重复执行S3、S4步骤；

S6：当无人机飞至与互联网控制中心通过光纤连接的公网无人机机库后，所述公网无人机机库给所述无人机充电，所述无人机将通过如权利要求1-6任一项所述的另一个信号发射线圈传输收集到的所有监测数据至所述另一个信号发射线圈在所述无人机机库上对应的信号接收线圈；

S7：所述无人机机库将接收到的所有监测数据解调后通过光纤传输给互联网控制中心

S8：巡检完成。

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