CN115703372A - 无人机的无线电源接收器设计 - Google Patents

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Abstract

无线电源接收器线圈连接到无人机的起落架。连接到无人机起落架的无线电源接收器线圈，其中当所述起落架处于缩回位置时，所述无线电源接收器线圈更靠近所述无人机，并且当所述起落架位于伸出位置时，则更远离所述无人机。当起落架处于缩回位置和伸出位置时，无线电源接收器线圈的长度可相同。当起落架处于缩回位置时，无线电源接收器线圈可以处于第一方向，并且当起落架位于伸出位置时，无线电源接收器线圈可处于不同方向。当起落架处于缩回位置时，无线电源接收器线圈可具有第一形状，并且当起落架位于伸出位置时，可具有第二形状。

Description

无人机的无线电源接收器设计
相关申请的交叉引用
本申请主张2021 8月3日提交的第63/228661号美国临时申请的利益，该申请通过引用合并，如同完全陈述一样。
技术领域
本发明一般涉及无线电源传输系统，更具体地说，涉及无人机的无线电源接收器。
背景技术
大多数无人机由电池供电，并且运行时间有限，很大程度上取决于其可充电电池容量。为了提供较长的操作时间，无人机操作员需要为无人机电池充电或更换为充电电池。充电操作通常需要操作员手动干预，将电池或无人机连接到专用充电器。
发明内容
无线电源接收器线圈连接到无人机的起落架。连接到无人机起落架的无线电源接收器线圈，其中当所述起落架处于缩回位置时，所述无线电源接收器线圈更靠近所述无人机，并且当所述起落架位于伸出位置时，则更远离所述无人机。当起落架处于缩回位置和伸出位置时，无线电源接收器线圈的长度可相同。当起落架处于缩回位置时，无线电源接收器线圈可以处于第一方向，并且当起落架位于伸出位置时，无线电源接收器线圈可处于不同方向。当起落架处于缩回位置时，无线电源接收器线圈可以具有第一形状，并且当起落架位于伸出位置时，无线电源接收器线圈可能具有第二形状。当起落架在缩回位置和伸出位置之间移动时，无线电源接收器线圈长度可具有相同的形状。无线电源接收器线圈可被配置为，当起落架处于伸出位置且起落架位于着陆台上时，接收器功率感应来自所述起落架中的无线电源发射器线圈。着陆台可以升高。无线电源接收器线圈可连接到所述起落架的起落架支脚的可伸缩元件。当所述起落架处于伸出位置时，所述可伸缩元件伸出，并且当所述起落架位于缩回位置时，所述可伸缩元件缩回到所述起落架支脚中。当所述起落架处于伸出位置时，所述无线电源接收器线圈的长度可较长，并且当所述起落架位于缩回位置时，长度可较短。当所述起落架从伸出位置移动到缩回位置时，所述无线电源接收器线圈可被配置为围绕车轮缩回。当所述起落架从伸出位置移动到缩回位置时，所述无线电源接收器线圈可被配置为分离。当所述起落架从缩回位置移动到伸出位置时，所述无线电源接收器线圈可被配置为在两个位置连接在一起。所述无线电源接收器线圈可由柔性导管包围。所述无线电源接收器线圈可缠绕在所述无人机的着陆腿。所述无线电源接收器线圈可连接到车轮元件。当所述着陆腿在折叠和未折叠位置之间移动时，所述车轮元件可沿所述着陆腿移动。
附图说明
在说明书结束时，在权利要求中特别指出并明确要求保护主题。从以下结合附图的详细描述中可以明显看出本文实施例的上述和其他特征以及优点，其中：
图1示出了在着陆位置连接到无人机的示例无线电源接收器线圈；
图2示出了在飞行位置连接到无人机的示例无线电源接收器线圈；
图3示出了处于连接状态的示例无线电源接收器线圈导线；
图4示出了处于分离状态的示例无线电源接收器线圈导线；
图5示出了具有可折叠起落架且在着陆位置具有无线电源接收线圈的示例无人机；
图6显示了图5中处于飞行位置的无人机；
图7A示出了处于着陆位置的示例无人机，其无线电源接收器线圈被管包围；
图7B示出了处于着陆位置的示例无人机，其无线电源接收器线圈被管包围；
图8A示出了处于飞行位置的示例无人机，其无线电源接收器线圈被管包围；
图8B示出了处于飞行位置的示例无人机，其无线电源接收器线圈被管包围；
图9A示出了在着陆位置具有无线电源接收器线圈的示例无人机；
图9B示出了在着陆位置具有无线电源接收器线圈的示例无人机；
图9C示出了在着陆位置具有无线电源接收器线圈的示例无人机；
图10A示出了在飞行位置具有无线电源接收器线圈的示例无人机；
图10B示出了在飞行位置具有无线电源接收器线圈的示例无人机；
图11A示出了在着陆位置具有无线电源接收器线圈的示例无人机；
图11B示出了在着陆位置具有无线电源接收器线圈的示例无人机；
图12A示出了在飞行位置具有无线电源接收器线圈的示例无人机；
图12B示出了在飞行位置具有无线电源接收器线圈的示例无人机；
图12C示出了在飞行位置具有无线电源接收器线圈的示例无人机；和
图13示出了在具有无线电源发射器线圈的着陆台上具有无线电源接收器线圈的示例无人机。
具体实施方式
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不意在限制。如本文所用，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”也旨在包括复数形式。将进一步理解，术语“包含”和/或“包括”，当在本文中使用时，指定所述特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数，步骤、操作，元素组件和/或其组的存在或添加。
一些系统允许通过机械连接到电池引线的机器人机制对无人机电池进行自动充电。其他系统包括无线电源系统，该系统使用安装在着陆台上或下方的发射器线圈和安装在无人机上的接收器线圈，并通过专用电路连接，为无人机电池提供整流和可能的充电控制。
为了实现有效的功率传输，接收器线圈必须具有一些最小的电感。电感与线圈的尺寸及其包含的导线回路数有关。在许多无线电源传输应用中，重要的是避免在传输功率的磁场中存在金属物体。金属物体可能会影响线圈的参数，包括电感和电阻，从而完全阻止无线电源传输。如果金属物体在携带能量的磁场附近，它们可能会加热。出于许多原因，最好使金属物体远离用于无线电源传输的部件以及现场本身。发射器垫下或无人机周围的金属物体之间的建议距离的准确值取决于许多参数，并因系统而异。然而，在大多数无线电源传输系统中，建议金属物体远离磁场和相关部件。
为了实现合理的无线电源接收器线圈尺寸，无线电源接收器线圈(在本文中可称为接收器线圈或线圈)通常安装在无人机着陆腿周围或螺旋桨固定杆周围。现有系统的接收器线圈是固定的。因此，接收器线圈给无人机操作带来了复杂性，因为它在飞行过程中增加了阻力，增加了无人机坠毁或失稳以及与路径中物体碰撞的风险。
在一些无线电源传输系统中，优选使无线电源发射器线圈感应到接收器线圈上的磁场远离金属部件，例如无人机机身或无人机摄像头。本文提供的解决方案保持了这样的优势，即在无线电源传输活跃时将感应线圈定位在离无人机金属体更远的位置，并减少充电场和无人机上其他敏感元件之间可能的干扰，同时允许在飞行期间对无人机的干扰最小。
一些更先进的无人机使用某种形式的折叠起落架。这通过减少飞行过程中的阻力和减少碰撞风险来提高无人机的飞行性能。它还可以减少对无人机摄像机视野的干扰。
可折叠起落架的使用可由可折叠无线电源接收线圈补充，以实现更有效的无线电源传输到无人机电池，同时避免接收线圈的问题影响。
出于机械目的，使用多个接收线圈可更容易。例如，线圈可以缠绕在起落架的每条腿上。如果使用多个接收器线圈，发射器需要合适的匹配发射器线圈以实现最佳功率传输，并允许无人机相对自由着陆精度。本发明的重点是在发射器(Tx)和接收器(Rx)中都具有单线圈。在Tx和Rx中使用单线圈更简单、更具成本效益。
可折叠起落架可通过一个或多个元件(如高度传感器或控制应用程序)触发打开或关闭。
在本发明中，术语“关闭”、“缩回”、“飞行位置”或“非充电位置”可指靠近无人机机身用于飞行的起落架和接收器线圈。术语“打开”、“伸出”、“着陆位置”或“充电位置”可指远离无人机机身的起落架和接收器线圈，用于着陆和/或为无人机电池充电。天线可能是指接收线圈。接收线圈可以由导线或任何其他导电元件组成。线圈可以由一个或多个线圈或绕组组成。
可折叠天线或接收线圈的实施例基于保持导线和单线圈回路的总长度相同的思想，用于打开位置和关闭位置。线圈可以固定在多个点上，例如四个角上，固定在无人机机身或起落架的可移动元件上。这些锚点的打开和关闭位置可以分别形成两个形状(例如，两个多边形)，其具有相同或基本上接近相同的长度(例如，周长或周长)。打开位置可以有一个形状或方向，关闭位置可以有第二形状或位置。在锚点从关闭位置移动到打开位置以及从打开位置移动到关闭位置的过程中，固定长度可以保持相同或基本相同。
可以选择闭合位置，使得接收器线圈位于这样的位置：它将阻力降至最低，减少与飞行路径上的物体发生碰撞的机会，并消除对摄像机视图的障碍，而处于开放位置的接收器线圈提供了大的线圈面积，以最大限度地提高功率传输效率，并改善与无线电源发射器线圈的耦合。
图1显示了在着陆/充电位置(即起落架伸出或打开)连接到无人机的无线电源接收器线圈的示例。图2显示了在飞行/非充电位置(起落架缩回或关闭)连接到无人机的无线电源接收器线圈的示例。
在图1中，无人机(100)包括可折叠起落架。可折叠起落架显示在打开位置(即伸展/着陆/充电位置)。配置成与表面(例如地面或着陆垫)收缩的着陆杆(102)包括可伸缩元件(103)。可伸缩元件(103)被配置为移入和移出着陆杆(102)。线圈(104)(例如，无线电源接收器线圈)可以缠绕或连接到可伸缩元件(103)的端部。着陆杆(102)可以通过例如连接杆(105)连接到无人机机身(101)，连接杆(105)可以通过铰链(106)和连接杆(105)和无人机机身(101)之间连接的活塞(107)连接到无人机机身(101)，可将着陆杆(102)提升至飞行位置(即关闭/缩回/非充电位置)，或将着陆杆(102)降低或向下折叠(即打开/伸展/充电位置)，以进行着陆/充电。
着陆杆(102)的可伸缩元件(103)可连接至活塞(106)或具有单独的折叠/移动机构。由于着陆杆(102)具有可伸缩元件(103)，无论起落架处于飞行的闭合位置、着陆的打开位置以及在用于无线电源传输的充电垫上时，线圈的总长度(即圆周或周长)相同或基本相同。例如，图2显示了图1中起落架处于关闭位置的无人机。如图2所示，接收器线圈的形状或方向在闭合位置与图1的打开位置不同，但长度(即周长或周长)相同或基本相同。接收器线圈导线在关闭位置更靠近无人机机身，在打开位置更远离无人机机身。
在一个实施例中，锚点的变化可减少安装线圈的形状的长度(圆周或周长)。多余的线圈导线可缩回至例如无人机机身下方的导线滚轮组。导线辊可以包括弹簧，该弹簧可以在螺旋导线上提供收缩压力。当起落架处于打开或着陆位置时，起落架活塞或其他折叠元件可在线圈上提供位置力，使其能够从滚轮拔出。当起落架关闭或处于飞行位置时，由于滚柱中的回位弹簧施加的压力，额外的导线卷进。
对于上述实施例，线圈导线的锚点允许线圈导线沿平行于线圈导线的方向在锚点上滑动，因此可以改变其长度以适合由锚点创建的形状，但它可以防止其滑出位置和脱落(即，它限制在垂直于线圈导线方向的方向上的移动)。在一个实施例中，这可以通过具有圆角的锚点来实现，这些圆角具有光滑的表面和内部曲率，允许线圈沿着弯曲区域移动，而不垂直于线圈的方向向外移动和离开。
在一个实施例中，锚点可以包括带盖的轮。线圈可以在轮上滚动，并可以通过轮罩保持在位。
在一个实施例中，接收器线圈可以由合适的导体制成，例如litz线，该导体可以沿着起落架的某个固定元件部分嵌入。接收器线圈可配置为分离。在收缩可需要的分离点处，可以暴露适当的电流连接，以便在着陆时，电流连接可以接触并将接收器线圈的两个或多个部分连接在一起。
图3示出了处于连接状态的示例无线电源接收器线圈导线。图4示出了处于分离状态的示例无线电源接收器线圈导线。
图3示出了在无人机机身(301)下方具有铰链(302)的无人机机身(301)。铰链(302)可以连接到连接杆(305)。连接杆可以连接到固定的矩形或方形框架(303)，该框架包括形成接收器线圈的导体。在位置(304)处，固定框架(303)可以被分开，从而将框架(303a、303b)的两半分开。连接杆(305)可以被配置成沿相反方向移动，从而将框架移动到开放配置中，如图4所示，其中接收器线圈绕组未连接。连接杆(305)可以被配置成朝着彼此的相同方向移动，从而将框架移动到闭合配置中，如图3所示，其中线圈导体被电连接，从而闭合接收器线圈的回路，使得可以发生无线电源传输。在连接点(304)，可以使用不同的方法来确保接收器线圈导体两侧之间的正确电气连接(例如，基于磁铁的连接器或pogo引脚)。
图4示出了机架处于打开位置的无人机(401)。如有必要，框架的两半(403a和403b)可进一步提升并移动至更靠近无人机机身的位置，以进一步减少无人机飞行和操作期间的干扰。
在实施例中，当处于着陆或充电位置时，接收线圈将靠近着陆台并且发射线圈位于着陆台中。在飞行模式下，接收线圈将被拉向无人机机身，从而减少上述不希望出现的复杂情况。
图5显示了具有可折叠起落架的无人机，在着陆/充电位置具有无线电源接收线圈。图6显示了图5中处于飞行/非充电位置的无人机。
在图5中，无人机(500)处于起落架伸出的着陆位置。无人机(500)包括两个控制的车轮元件(502)，被配置为移动以折叠和展开着陆腿(503)。尽管图5显示了两个着陆腿(503)和两个车轮元件(502)，但可以使用不同数量的着陆腿和车轮元件。车轮元件的数量可等于着陆腿的数量。框架(504)可围绕可包括接收器线圈(506)的绕组的着陆腿(503)。框架(504)可以安装在车轮(505)上，以允许框架(504)沿着着陆腿(503)上下移动。在打开位置，框架(504)及其内部的接收器线圈(506)将靠近着陆台，并远离无人机机身。
在图6中，无人机(500)以飞行模式示出。在飞行模式中，着陆腿(503)处于折叠位置，并折叠到靠近无人机机身的位置(即，比图5中着陆模式时更靠近)。在折叠位置，框架(504)对无人机的飞行影响较小。
在一个实施例中，接收器线圈导线可以由一个或多个管(例如柔性导管)包围，但角落处除外，该角落允许接收器线圈围绕其角落折叠，而无需拖动接收器线圈本身。
图7A-7B显示了在着陆位置(即充电或扩展位置)具有无线电源接收器线圈的无人机。图8A-8B显示了无线电源接收器线圈处于飞行位置(即非充电或收缩位置)的无人机。接收器线圈由管或导管(703)包围，角落除外。腿(702)在两个位置连接到接收器线圈(703)。腿(702)可以连接到接收器线圈本身，或者接收线圈可以封装在管(例如柔性导管)中，并且腿(702)可以连接到管。腿(702)的另一端连接到无人机机身(701)。结构(704)(例如棒或管)可以对角地连接在管(703)的两个点上。该结构(704)可包括活塞(705)，被配置成当起落架从伸出位置改变到缩回位置时移动，反之亦然。在扩展模式下，如图7A和7B所示，接收器线圈(703)比在缩回模式下更远离无人机机身，如图8A和8B所示。
当无人机从如图7A和7B所示的扩展(着陆/充电)模式更改至如图8A和8B所示的缩回(飞行)模式时，结构(704)变得更短，活塞(705)缩回，管(703)和接收器线圈更靠近无人机机身(701)，并且形状也改变(例如，从矩形形状变为菱形)，并且连接到接收器线圈(703)的腿(702)的末端被推出并向上移动到无人机机身并彼此远离。接收器线圈(703)的长度保持不变。接收器线圈(703)在缩回或飞行模式下更靠近无人机机身，因此针对飞行进行了优化，而不会产生本文提到的负面影响。可以以最小化飞行阻力的方式规划菱形线圈的方向。
当无人机从如图8A和8B所示的缩回(飞行)模式改变至如图7A和7B所示的扩展(着陆/充电)模式时，结构(704)变得更长，活塞(705)延伸，管(703)和接收器线圈远离无人机机身(701)，并且形状也发生变化(例如，从菱形变为矩形)，并且连接到接收器线圈(703)的腿(702)的端部从无人机机身向下移动并相互靠近。随着接收器线圈从无人机机身延伸得更远，其针对无线电源传输进行了优化，而不会产生本文提到的负面影响。
图9A-9C显示了在着陆位置(即充电或扩展位置)具有无线电源接收器线圈的无人机(900)并且图10A-10B显示了无人机(900)在飞行中带有无线电源接收器线圈(即，非充电或收缩位置)。接收器线圈(903)可以被一个或多个管(例如柔性导管)包围。结构支架(904)连接在接收器线圈(903)的两点之间。腿(902)连接在无人机机身(901)和结构支架(904)之间。结构支架(904)可以具有一个或多个开口或通道(905)，其中腿(902)连接到结构支架(904)，其中腿(902)被配置为沿结构支架(904)的长度滑动或移动。腿(902)连接到无人机机身(901)上的结构支架(906)，如图9B所示。结构支架(906)可以具有一个或多个开口或通道(907)，其中腿(902)连接到结构支架(90 6)，其中腿(902)被配置为沿结构支架(906)的长度滑动或移动。腿(902)以剪刀状运动操作。
当无人机从如图9A-9C所示的扩展(着陆/充电)模式更改至如图10A-10B所示的缩回(飞行)模式时，连接到结构支架(904)的腿(902)的末端被配置成沿结构支架(904)的长度在彼此远离的方向上移动，这使接收器线圈(903)更靠近无人机机身(901)。连接到无人机机身(901)的结构支架(906)的腿(902)的末端也被配置为在彼此远离的方向上移动。接收器线圈(903)不改变形状或方向，但拉近无人机机身(901)。接收器线圈(903)在缩回或飞行模式下更靠近无人机机身(901)，因此针对飞行进行了优化，而不会产生本文提到的负面影响。
当无人机从如图10A-10B所示的缩回(飞行)模式改变至如图9A-9C所示的扩展(着陆/充电)模式时，连接到结构支架(904)的腿(902)的端部被配置为沿着结构支架(904)的长度在彼此朝向的方向上移动，这将接收器线圈(903)从无人机机身(901)移开。连接到无人机机身(901)的结构支架(906)的腿(902)的末端也被配置为朝着彼此的方向移动。接收器线圈(903)不改变形状或方向，但从无人机机身(901)移开。当接收器线圈(903)从无人机机身(901)进一步延伸时，其优化用于无线电源传输，而不会产生本文提到的负面影响。
图11A-11B显示了在着陆位置(即充电或扩展位置)具有无线电源接收器线圈的无人机(1100)。图12A-12C显示了无人机(1100)，无线电源接收器线圈处于飞行位置(即非充电或收缩位置)。结构支架(1105)连接在接收器线圈(1103)的两点之间。结构支架(1105)连接到腿(1102)的一端。腿(1102)具有曲线形状。腿(1102)在具有一些轴向自由度的弯曲部分处连接到无人机主体(1101)。砝码(1104)连接到腿(1102)的另一端。当无人机处于缩回(飞行)模式时，如图12A-12C所示，砝码(1104)比接收器线圈(1103)重，将接收器线圈(1103)拉向无人机机身(1101)。当无人机处于扩展(着陆)模式时，砝码(1104)将首先接触着陆台，当无人机向着陆台降低其高度时，操纵杆将围绕连接点(1106)转动，以便接收器线圈(1103)向着陆台下降。
图13示出了在扩展/着陆位置具有无线电源接收器线圈(1301)的无人机(1300)(与本文公开的任何实施例一致)。无人机(1300)位于具有无线电源发射器线圈(1303)的着陆台(1302)上，该无线电源发射器盘管被配置为将功率从发射器线圈感应转移到接收器线圈，以对无人机电池充电。着陆台可以升高。着陆台的高度可有助于减少对地面或地板表面金属材料的任何干扰。着陆台可有传感器，可以确定无人机何时着陆以及无人机何时在平台上，然后可以启动无线电源传输。无人机可不需要位于着陆台上的精确位置，因为着陆台可有大的发射器线圈或多个发射器线圈。无人机可有传感器，可以确定何时接近着陆台，然后可以自动部署起落架和无线接收器线圈。着陆台可被配置为向无人机发送命令，例如当无人机在平台范围内部署起落架时。
本文中的各种实施例的描述是为了说明的目的而提供的，但并不旨在穷举或限于所公开的实施例。在不脱离所描述实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。选择本文使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、实际应用或相对于市场上发现的技术的技术改进，或者是为了使本领域的其他普通技术人员能够理解本文公开的实施例。

Claims (15)

1.装置，包括：
连接到无人机起落架的无线电源接收器线圈，其中当所述起落架处于缩回位置时，所述无线电源接收器线圈更靠近所述无人机，并且当所述起落架位于伸出位置时，则更远离所述无人机。
2.权利要求1所述的装置，其中当所述起落架处于缩回位置和伸出位置时，所述无线电源接收器线圈的长度相同。
3.权利要求1所述的装置，其中当所述起落架处于缩回位置时，所述无线电源接收器线圈处于第一方向，并且其中当所述起落架处于伸出位置时，所述无线电源接收器线圈处于不同的方向。
4.权利要求1所述的装置，其中当所述起落架处于缩回位置时，所述无线电源接收器线圈具有第一形状，并且当所述起落架位于伸出位置时，所述无线电源接收器线圈有第二形状。
5.权利要求4所述的装置，其中当所述起落架在缩回位置和伸出位置之间移动时，所述无线电源接收器线圈长度保持不变。
6.权利要求1所述的装置，其中所述无线电源接收器线圈被配置为，当所述起落架处于伸出位置且所述起落架位于着陆台上时，接收器功率感应来自所述起落架中的无线电源发射器线圈。
7.权利要求6所述的装置，其中所述着陆台升高。
8.权利要求1所述的装置，其中所述无线电源接收器线圈连接到所述起落架的起落架支脚的可伸缩元件。
9.权利要求8所述的装置，其中当所述起落架处于伸出位置时，所述可伸缩元件伸出，并且当所述起落架位于缩回位置时，所述可伸缩元件缩回到所述起落架支脚中。
10.权利要求1所述的装置，其中当所述起落架处于伸出位置时，所述无线电源接收器线圈的长度较长，并且当所述起落架位于缩回位置时，长度较短。
11.权利要求10所述的装置，其中当所述起落架从伸出位置移动到缩回位置时，所述无线电源接收器线圈被配置为围绕车轮缩回。
12.权利要求1所述的装置，其中当所述起落架从伸出位置移动到缩回位置时，所述无线电源接收器线圈被配置为分离。
13.权利要求1所述的装置，其中当所述起落架从缩回位置移动到伸出位置时，所述无线电源接收器线圈被配置为在两个位置连接在一起。
14.权利要求1所述的装置，其中所述无线电源接收器线圈由柔性导管包围。
15.权利要求1所述的装置，其中所述无线电源接收器线圈缠绕在所述无人机的着陆腿，其中所述无线电源接收器线圈连接到车轮元件，其中当所述着陆腿在折叠和未折叠位置之间移动时，所述车轮元件沿所述着陆腿移动。
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