CN206401916U - 一种用于无人机的无线供电系统 - Google Patents

Abstract

一种用于无人机的无线供电系统，包括：地面端和设置在无人机上的无人机端，其中，地面端包括：无线供电单元、地面检测系统，地面检测系统包括用于收发信息的地面无线通信模块。无人机端包括：依次相连的电磁场接收单元、机载储能模块、驱动模块、飞行控制系统，其中，电磁场接收单元用于接受来自无线供电单元传输的电能，飞行控制系统包括：用于与地面无线通信模块交互的机载无线通信模块，并且飞行控制系统能够实现对无人机的定位和飞行姿态调整。本实用新型实现了无人机的自主无线充电，延长了工作时间，减少了自重，极大的解决了人力。

Description

一种用于无人机的无线供电系统

技术领域

本实用新型涉及无线供电领域，特别是一种用于无人机的无线供电系统。

背景技术

无人驾驶飞机是一种通过无线电实时遥控或者自身事先存储好的程序来控制的、具有携带多种功能设备执行各种任务的能力的、并且能够多次利用的航空器，简称无人机。

在评估无人机性能的诸项指标中，其中一项重要指标是无人机的续航能力，对于无人机而言，更长的续航能力就意味着能够更加高效、可持续地完成任务，特别是在争分夺秒的未来战争中，长续航里程就可以起到持续地获取战场信息，避免情报“盲区”等重要作用。

从能源角度出发，增加无人机续航里程的途径总结起来主要可分为两种：一是携带更多的电能；二是在任务中多次进行电能补给。对于前者，由于目前蓄电池技术的限制，更大的蓄电池容量就意味着更大的蓄电池体积和重量，增加蓄电池容量必将影响无人机的机动性能和轻量化，因此不可能在飞行器上携带过大容量蓄电池。对于后者，如果是基于传统接触式电能传导方式的充电技术，那么意味着无人机在需要补充电能的时候都需要返回降落到基站或者母港中，并投入人力为其充电，在紧急起飞时可能存在断电、拔掉插头等一系列操作，会降低无人机紧急起飞的效率。并且插拔方式充电在恶劣环境中(潮湿、下雨等)容易漏电，导致安全事故，并且接头长时间的插拔，会导致接口的松动，影响充电效率，最终影响无人机的飞行等。显然这样的方式在可靠性、灵活性、便捷性等方面有所不足，而基于该方式的悬停充电形式安全性低，对无人机的各项技术性能都有很高的要求，实现难度大。

因此，设计一种可以使无人机在任务中灵活、便捷地进行充电的方案并对实现该方案的技术进行研究迫切需要的。

实用新型内容

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种用于无人机的无线供电系统。

一种用于无人机的无线供电系统，包括：地面端和设置在无人机上的无人机端，其中，地面端包括：无线供电单元、地面检测系统，地面检测系统包括用于收发信息的地面无线通信模块；

无人机端包括：依次相连的电磁场接收单元、机载储能模块、驱动模块、飞行控制系统，其中，电磁场接收单元用于接收来自无线供电单元传输的电能，飞行控制系统包括：用于与地面无线通信模块交互的机载无线通信模块，并且飞行控制系统能够实现对无人机的定位和飞行姿态调整。

进一步的，无线供电单元包括：依次相连的供电站、功率变换模块、电磁场发射单元，电磁场发射单元能够向电磁场接收单元传输电能。

进一步的，功率变换模块包括：整流滤波模块和功率震荡模块。

进一步的，电磁场发射单元采用谐振磁耦合结构向电磁场接收单元传输电能。

进一步的，地面检测系统还包括：相连的地面数据处理模块和地面指令控制模块，并且地面数据处理模块和地面指令控制模均与地面无线通信模块相连。

进一步的，地面无线通信模块与机载无线通信模块通过WIFI或移动数据网络实现信息交互。

进一步的，飞行控制系统还包括：机载数据处理模块、姿态控制模块、图像采集模块、定位模块，其中，姿态控制模块、图像采集模块、定位模块均与机载数据处理模块，姿态控制模块还与驱动模块相连。

进一步的，图像采集模块包括摄像头，摄像头与机载数据处理模块相连。

进一步的，定位模块为GPS卫星定位模块或北斗卫星定位模块。

进一步的，还包括：超声波传感器和/或红外传感器，并且姿态控制模块利用超声波传感器和/或红外传感器调整无人机的姿态模式。

进一步的，机载储能模块包括：相连的超电容模组和蓄电池组，电磁场接收单元与超电容模组相连。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型克服了传统有线充电的弊端，避免了充电插头在插拔过程中存在着发热、电火花、漏电等安全隐患。

2、本实用新型可在无人机降落后及时进行充电，无人机在充电的过程中随时可以起飞，保障无人机的电量供给，提高了无人机的便捷性和安全性。

3、机载储能模块结合了超电容充电时间短和传统蓄电池能量存储大的优点，先对超电容模组进行快速充电，再由超电容模组对蓄电池组进行慢速充电，使短时充电的无人机连续工作成为可能。

4、本实用新型施工方便，电磁辐射影响小，无有害气体排放，符合目前社会所提倡的环保要求。

附图说明

图1为本实用新型的系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1所示的一种用于无人机的无线供电系统，包括：地面端和设置在无人机上的无人机端，其中，地面端包括：无线供电单元、地面检测系统，地面检测系统包括用于收发信息的地面无线通信模块。无人机端包括：依次相连的电磁场接收单元、机载储能模块、驱动模块、飞行控制系统，其中，电磁场接收单元用于接受来自无线供电单元传输的电能，飞行控制系统包括：用于与地面无线通信模块交互的机载无线通信模块，并且飞行控制系统能够实现对无人机的定位和飞行姿态调整。

无线供电单元包括：依次相连的供电站、功率变换模块、电磁场发射单元，电磁场发射单元能够向电磁场接收单元传输电能。供电站设于无人机飞行路段上的固定点。通过无线供电站能够在无人机飞行间歇的过程中及时提供电力补给，提高无人机的续航能力，使无人机能在规定时间内完成相应的任务。供电站用于为供电系统提供输入功率，本实施例中预设供电站的输入电压为电网直接供电电压380V，该输入电压可依照实际需求做出调整。

功率变换模块包括：整流滤波模块和功率震荡模块。其中，整流滤波的作用是通过整流用来将供电站输出的工频交流电整流为直流电，再通过滤波消除整流输出直流电中的高次谐波，从而输出恒定电压直流电，功率震荡模块将整流滤波后的恒定电压直流电转换为适应负载频率要求的高频交变电流。本实施例中功率震荡模块输出交变电流的频率为100kHz，可依照实际需求调整输出交变电流的频率。

电磁场发射单元采用谐振磁耦合结构向电磁场接收单元传输电能。电磁场发射单元用来发射调谐电路产生的交变电磁场。为实现本实用新型装置的高效谐振磁耦合式无线传能，要求电能发送侧和电能接收侧这两部分工作在同一频率。可采用下述方法保持电能发送侧的一致性：测定发射线圈的谐振频率，通过串联或并联电容的方式来调整该线圈的谐振频率，同理，接收线圈也可以通过串联或并联电容的方式来调整出一致的谐振频率。为有效降低电磁辐射影响，本实用新型中可使线圈调整后的谐振频率达到kHz级别，kHz级别频率为较低频率级别，可有效降低电磁辐射影响。

地面检测系统还包括：相连的地面数据处理模块和地面指令控制模块，并且地面数据处理模块和地面指令控制模均与地面无线通信模块相连。

地面无线通信模块与机载无线通信模块通过WIFI或移动数据网络实现信息交互。

飞行控制系统还包括：机载数据处理模块、姿态控制模块、图像采集模块、定位模块，其中，姿态控制模块、图像采集模块、定位模块均与机载数据处理模块，机载数据处理用于对与其相连的模块传送的信息进行处理。指令控制模块可以对无人机发送飞行姿态指令，包括设定飞行航线、飞行高度、飞行速度、改变无人机飞行任务等；定位模块用于获取无人机的位置信息；地面监测系统通过通信模块获得无人机的飞行状态与位置信息；数据处理模块与其他各个模块相连，起到信息处理作用，姿态控制模块还与驱动模块相连，起到对无人机的精准调整。

图像采集模块包括摄像头，摄像头与机载数据处理模块相连，机载数据处理模块用于对采集到的图像进行处理。

还包括：超声波传感器和/或红外传感器，并且姿态控制模块利用超声波传感器和/或红外传感器调整无人机的姿态模式。

机载储能模块包括：相连的超电容模组和蓄电池组，充电时先对超电容模组进行快速充电，再由超电容模组对蓄电池组进行慢速充电，使短时充电的无人机连续工作成为可能。

本实用新型的详细工作流程如下：

地面端设于无人机飞行路段上的固定点，可以在飞行段每个一定距离设置一个地面端，在无人机飞行间歇的过程中及时提供电力补给，提高无人机的续航能力。

功率变换模块包括整流滤波模块和功率震荡模块两个部分，工频交流电通过功率变换模块输出适应负载频率要求的高频交变电流。

电磁场发射单元位于供电站顶部，方便定位与供电，其作用是发射调谐电路与电磁场接收端间产生的交变电磁场，实现无线输电。

飞行控制系统安置于无人机上，该系统集成了定位模块、姿态控制模块，机载无线通信模块。通常情况下，无人机都自带有超声波传感器或红外线传感器，姿态控制模块利用无人机的机载传感器采集的数据与地面监测系统的遥控指令比较得出控制量，再利用PID运算控制原理控制驱动模块以确保无人机高精度姿态模式。机载无线通信模块实现了无人机的信息与地面监测系统中的通信模块通信。

驱动模块用于接收控制命令，并驱动、调整无人机飞行。

地面监测系统包括地面指令控制模块、地面无线通信模块、地面数据处理模块。地面指令控制模块可以对无人机发送飞行姿态指令，然后由姿态控制模块控制驱动模块实现对无人机高精度的姿态控制；定位模块用于获取无人机的位置信息，优选的，定位模块可以采用比较成熟的GPS卫星定位或北斗卫星定位，实现对无人机的精准定位；地面通信模块用于获得无人机传递的飞行状态与位置信息，也用于向无人机发送控制指令；地面数据处理模块与地面指令控制模块、地面通信模块相连，起到信息处理作用。

当地面监测系统的地面无线通信模块接收到无人机请求充电的信息时，地面数据处理模块根据定位模块提供的无人机当前坐标，规划出最近的地面端，通过地面指令控制模块向无人机发送最优地面端的坐标。

无人机接收到指令后，根据定位模块的导航飞向目标充电站。当无人机接近目标充电站时，启动无人机端的图像采集模块，该模块的内置摄像头安装于无人机底部，经机载数据处理模块分析后无人机进行精确识别电磁场发射单元，进一步搜索位于地面端顶部的电磁场发射单元，并启动无人机自带的超声波测距传感器探测无人机与栖息点的精确高度，通过WiFi或者4G网络把图像信息和超声波测到的信息送到地面监测系统的地面无线通信模块。

地面监测系统的地面数据处理模块实时地处理无人机反馈回来的位置信息并结合无人机的实时坐标，同时由指令控制模块发出控制信号，有驱动模块控制无人机底部的电磁场接收单元精准降落到电磁场发射单元上。

在无人机底部的电磁场接收单元与电磁场发射单元间的距离发生变化时，地面监测系统的地面数据处理模块根据电磁场接收单元与电磁场发射单元的距离，控制电磁场发射单元与功率变换模块间继电器开关的闭合与断开。具体为：当无人机端与地面端顶部的电磁场发射单元的距离达到第一阈值时，控制电磁场发射单元与功率变换模块间继电器开关的闭合；当无人机端与地面端顶部的电磁场发射单元的距离大于第二阈值时，控制电磁场发射单元与功率变换模块间继电器开关的断开。上述第一阈值和第二阈值并非常数，需根据不同类型的无人机飞行速度和定位速度进行设定。

电磁场接收单元内置于无人机的底部，当电磁场发射单元与功率变换模块间继电器开关闭合时，充电开始。电能由电磁场发射单元传至电磁场接收单元，最后存储于机载储能模块供无人机使用。

Claims (10)

1.一种用于无人机的无线供电系统，其特征在于，包括：地面端和设置在无人机上的无人机端，其中，地面端包括：无线供电单元、地面检测系统，地面检测系统包括用于收发信息的地面无线通信模块；

无人机端包括：依次相连的电磁场接收单元、机载储能模块、驱动模块、飞行控制系统，其中，电磁场接收单元用于接受来自无线供电单元传输的电能，飞行控制系统包括：用于与地面无线通信模块交互的机载无线通信模块，并且飞行控制系统能够实现对无人机的定位和飞行姿态调整。

2.根据权利要求1所述的一种用于无人机的无线供电系统，其特征在于，无线供电单元包括：依次相连的供电站、功率变换模块、电磁场发射单元，电磁场发射单元能够向电磁场接收单元传输电能。

3.根据权利要求2所述的一种用于无人机的无线供电系统，其特征在于，功率变换模块包括：整流滤波模块和功率震荡模块。

4.根据权利要求2所述的一种用于无人机的无线供电系统，其特征在于，电磁场发射单元采用谐振磁耦合结构向电磁场接收单元传输电能。

5.根据权利要求1所述的一种用于无人机的无线供电系统，其特征在于，地面检测系统还包括：相连的地面数据处理模块和地面指令控制模块，并且地面数据处理模块和地面指令控制模均与地面无线通信模块相连。

6.根据权利要求5所述的一种用于无人机的无线供电系统，其特征在于，地面无线通信模块与机载无线通信模块通过WIFI或移动数据网络实现信息交互。

7.根据权利要求1所述的一种用于无人机的无线供电系统，其特征在于，飞行控制系统还包括：机载数据处理模块、姿态控制模块、图像采集模块、定位模块，其中，姿态控制模块、图像采集模块、定位模块均与机载数据处理模块，姿态控制模块还与驱动模块相连。

8.根据权利要求7所述的一种用于无人机的无线供电系统，其特征在于，图像采集模块包括摄像头，摄像头与机载数据处理模块相连。

9.根据权利要求7所述的一种用于无人机的无线供电系统，其特征在于，还包括：超声波传感器和/或红外传感器，并且姿态控制模块利用超声波传感器和/或红外传感器调整无人机的姿态模式。

10.根据权利要求1所述的一种用于无人机的无线供电系统，其特征在于，机载储能模块包括：相连的超电容模组和蓄电池组，电磁场接收单元与超电容模组相连。