CN207074863U - 一种基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置，包括无线充电模块和安装于无人机内的能量接收模块，无线充电模块包括依次连接的整流滤波电路、高频逆变电路、发射线圈和位于得到发射线圈平面内且轴线与发射线圈的轴线重合的中继线圈，能量接收模块包括依次连接的接收线圈、整流稳压电路和供电控制电路，供电控制电路与充电电池连接，中继线圈与接收线圈的尺寸相同，无线充电模块与能量接收模块通过中继线圈与接收线圈之间产生的电磁共振传输能量。本实用新型无需人工手动进行充电，能够使无人机在充电电池不足的情况下自动返航并自动识别寻找无线充电模块、精确降落进行充电，极大地提高了无人机的使用效率和应用领域。

Description

一种基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置

技术领域

本实用新型涉及无人机产品制造技术领域，具体说是一种基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置。

背景技术

自多轴无人器实用新型以来，其便于控制，飞行难度不大，稳定性更强，使用范围更广阔的优点受到了广泛关注，在地质勘探,测绘,航拍,无线自主跟踪,物质运输等方面具有巨大潜力。然而制约于电池技术的发展，其相对于固定翼飞行器留空时间更短的问题十分突出。现有的多旋翼无人机充电技术大多是采用更换电池的方式。由于结构设计等方面原因，充电步骤较为繁琐，频繁对接也容易对系统的可靠性带来影响，比如多次插拔对接操作会引起机械磨损，导致接触松动，不能有效传输电能；如果连接部件出现污物，将会导致接触不良或者电连接失败；若在潮湿或存在导电介质的环境中，也极容易引起电路短路，每次使用完毕都需要手动取出电池充电，严重降低了无人机的使用效率和应用领域。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种以磁耦合谐振式线圈进行无线充电的基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置。

利用两个具有相同谐振频率的线圈在相距一定的距离时，由于磁场耦合产生谐振，从而进行能量传递。一般来说，两个有一定距离的线圈相互之间是弱耦合，但若两者具有相同的谐振频率，则会产生电磁谐振，构成一个电磁谐振系统，如果某一端连接电源不断为该谐振系统提供能量，而另一方消耗能量，则实现了电能的传输，其传输功率可达到几百瓦以上至几千瓦。之所以称其为“磁耦合谐振”，是因为空间进行能量传递的媒介是交变磁场。该技术与感应耦合传输方式相比，其能量传输距离更远（理论上可以达到几十厘米以上至几米），与微波式能量传输相比，其传输效率更高，对生物的影响更小，而且不受环境中一般障碍物的影响。

一种基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置，包括无线充电模块和安装于无人机内的能量接收模块，其特征在于，所述无线充电模块包括依次连接的整流滤波电路、高频逆变电路、发射线圈和位于所述发射线圈平面内且轴线与发射线圈的轴线重合的中继线圈，所述能量接收模块包括依次连接的接收线圈、整流稳压电路和供电控制电路，所述供电控制电路与无人机内的充电电池连接，所述中继线圈与所述接收线圈的尺寸相同，所述无线充电模块与所述能量接收模块通过所述中继线圈与接收线圈之间产生的电磁共振传输能量。

本实用新型进一步的设计方案中，基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置还包括自动充电助降模块，所述自动充电助降模块包括设于所述无线充电模块上的助降标靶和设置于无人机上的摄像头和主控单元，所述主控单元分别与所述摄像头及供电控制电路连接，所述摄像头与所述主控单元连接，所述主控单元通过所述摄像头识别到所述无线充电模块上的助降标靶后控制无人机精确降落至所述无线充电模块处。

本实用新型进一步的设计方案中，还包括无线遥控发射单元、无线遥控接收单元和继电器。所述无线遥控发射单元与所述主控单元连接，所述无线遥控接收单元与所述继电器连接，所述继电器与所述无线充电模块连接，控制无线充电模块的开启和关闭，所述无线遥控接收单元通过接收无线遥控发射单元的无线型号对所述继电器进行控制。

本实用新型进一步的设计方案中，上述助降标靶为H形，设置于所述无线充电模块壳体的上表面。

本实用新型进一步的设计方案中，上述主控单元采用STM32F103单片机，所述摄像头的型号为OV7670，所述摄像头安装于无人机的底面。无线遥控发射单元型号为T630，无线遥控接收单元型号为T631。

本实用新型具有以下突出的有益效果：

本实用新型的基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置通过磁耦合谐振式线圈对无人机进行无线充电，无需人工手动进行充电，本实用新型的基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置还通过设置自动充电助降模块，使得无人机能够在充电电池不足的情况下自动返航并自动识别寻找无线充电模块、精确降落进行充电，极大地提高了无人机的使用效率和应用领域。

附图说明

图1是实施例中基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置的连接结构示意图；

图2是实施例中标识有H形助降标靶的无线充电模块壳体的结构示意图；

图3为实施例中带中继线圈的磁耦合电能传输原理示意图；

图4为实施例中带中继线圈的磁耦合电能传输等效电路图；

图5为实施例中整流稳压电路的电路图。

图中，1-无线充电模块，2-能量接收模块，3-整流滤波电路，4-高频逆变电路，5-发射线圈，6-中继线圈，7-接收线圈，8-整流稳压电路，9-供电控制电路，10-充电电池，11-无线遥控发射单元，12-主控单元，13-摄像头，14-助降标靶，15-无线充电模块壳体，16-无线遥控接收单元；17-继电器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例

一种基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置，包括无线充电模块1、自动充电助降模块、安装于无人机内的能量接收模块2、无线遥控发射单元11、无线遥控接收单元16和继电器17，无线充电模块1包括依次连接的整流滤波电路3、高频逆变电路4、发射线圈5和位于所述发射线圈5平面内且轴线与发射线圈5的轴线重合的中继线圈6，能量接收模块2包括依次连接的接收线圈7、整流稳压电路8和供电控制电路9，供电控制电路9与无人机内的充电电池10连接，中继线圈6与接收线圈7的尺寸相同，自动充电助降模块包括设于无线充电模块1上的助降标靶14和设置于无人机上的摄像头13和主控单元12，主控单元分别与摄像头13及供电控制电路9连接，主控单元12采用STM32F103单片机，摄像头13的型号为OV7670，摄像头13安装于无人机的底面。无线遥控发射单元型号为T630，无线遥控接收单元型号为T631；无线遥控发射单元11与主控单元12连接，无线遥控接收单元16与继电器17连接，继电器17与无线充电模块1连接，控制无线充电模块1的开启和关闭，主控单元12通过无线遥控发射单元11与无线遥控接收单元16之间的无线连接对继电器17进行控制。助降标靶14为H形，设置于无线充电模块壳体15的上表面。主控单元12通过摄像头13识别到无线充电模块1上的助降标靶14后控制无人机精确降落至无线充电模块1处。无线充电模块1与能量接收模块2通过中继线圈6与接收线圈7之间产生的电磁共振传输能量。

本实用新型采用了磁耦合谐振式无线能量传输技术，采用加入中继线圈6的LC串联谐振电路来实现。电路如图3、图4所示。中继线圈6、发射线圈5与接收线圈7均采用串联谐振。L1是能量发射线圈5,C1是能量发射线圈L1的匹配电容,R1是谐振电路的限流电阻,当L1与C1的串联谐振频率与信号的频率相同时,此时电路发生谐振,交变的电流信号流过能量发射线圈L1时产生交变的磁场,从而将电能转换为磁场能量发射出去。增加中继线圈6的方法能更有效地提高系统传输效率，且体积更小。当能量耦合器接收端即接收线圈7的谐振频率与中继线圈6的磁场频率相同时,由发射线圈5发送出来的磁场能量就可以共振的形式被高效地接收到,实现无线传能。

本实用新型中整流稳压电路原理详见附图5，由接收线圈7接收到的能量是一个交流量,通过交直流转换为直流电压后才能给供电控制电路供电,交直流转换电路如图5所示。四个二极管构成全桥整流电路,后级采用复式滤波电路,使滤波输出电源波形更平整。

本实用新型采用“H”形靶标，H形靶标由于存在许多平行的直线，根据图像坐标系与世界坐标系的转换关系，通过相关运算就可以得到飞行器姿态角与“灭影点”之间的关系，由于存在许多“灭影点”，便可以得到一系列的方程组，解出方程组，飞行器的姿态角就可以得到。同时根据H型靶标的其他信息，还可以求出飞行器相对于世界坐标系的位置。这种方法不是采用特征点的对应关系，所以就可以避免特征点的漏检和误检。无人机通过对地面目标“H”形靶标的识别，无人机搭载的主控单元12 MCU（STM32F104）通过视觉算法可以自动调整无人机的降落姿态，从而达到精准降落在无线充电平台上的目的。

本实用新型的基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置的工作过程如下：

第一步：开启充电程序。可以通过自动和手动两种方式启动充电程序，自动方式为：无人机可通过电池管理模块监测电池电压，当侦测到电压低于预设阀值时启动自动降落充电模式；手动方式为，遥控器启动方式：通过无人机操纵端判定电量状态，手动切换至充电模式。

第二步：无人机自主降落至无线充电模块壳体15上。利用“H”形助降靶标标示无线充电模块壳体15。H形助降靶标由于存在许多平行的直线，根据图像坐标系与世界坐标系的转换关系，通过相关运算就可以得到飞行器姿态角与“灭影点”之间的关系。再利用视觉导航技术实现自主降落。

H型助降靶标通过使用平行位置的计算机视觉技术，避免使用复杂和耗时的单一的图像运动分析。通过利用固定大小的平行线，只有一些必须的解析公式计算，通过简化分析提高计算速度。视觉灭点的信息为计算提供信息，同时也简化了硬件成本，只需要一个摄像头13配合对应的算法，即可得到无人机相对无线充电模块1的实时位置，使得无人机能准确降落在中继线圈6上，从而获得较高的充电效率。

第三步：非接触无线充电。当无人机降落到无线充电模块1的充电范围内，主控单元12计算得到无人机与发射源距离小于设定阈值，关闭无人机电机电源，进行无线充电；此时，无人机的接收线圈7接收到无线充电模块1中继线圈6传递的能量，经过整流稳压电路8可直接供给充电电池10充电；无线充电装置的无线遥控接收单元16接收到无线遥控发射单元11的信号，打开继电器17，使无线充电模块1进入充电工作模式，使发射线圈5产生谐振，并在发射线圈5周围形成交变磁场。中继线圈6感应发射线圈5的交变磁场，进而与之形成共振，形成更强大的交变磁场。这样，能量通过发射线圈5传送到中继线圈6，再由中继线圈6传递出去。由于无人机降落存在一定偏差，所以放置在地面的发射线圈5尺寸要尽可能大，而能量接收模块2在无人机底部的自身底盘直径较小，造成发射线圈5、接收线圈7比例失调，因此传输的效率和功率较低。为了降低比例失调和线圈偏移对无线充电性能的影响，本实用新型在发射线圈5的平面内加入了一个中继线圈6，其轴线与发射线圈5重合，一起置于无线充电模块1内。接收线圈7安放在飞行器底盘，直接连接负载。由于引入了中继线圈6，其谐振频率与发射线圈5的频率相同产生谐振，继而强了磁场强度，扩大了磁场作用范围，从而使能量传输得到显著提升。

能量接收模块2由接收线圈7、整流稳压电路8和供电控制电路9组成。其中，接收线圈7用于接收中继线圈6传输过来的磁场能量，接收频率与中继单元的发射频率相同产生共振，振荡过程中产生的交变磁场形成谐振电流，再经过整流稳压电路8输出稳定电压，供无人机搭载的充电电池10充电。供电控制电路9用来监测电池的电压状态，检测无人机何时需要充电，何时电已充满，控制电池充电时间。本实用新型中的发射线圈5、中继线圈6和接收线圈7均采用裸铜线绕制，通过实际测量和近似计算获取线圈电感、匹配电容数据。

待供电控制电路9检测到电已充满时，恢复无人机电机电源，切换到手动或自动控制的飞行模式，无线充电完成。

以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置，包括无线充电模块（1）和安装于无人机内的能量接收模块（2），其特征在于，所述无线充电模块（1）包括依次连接的整流滤波电路（3）、高频逆变电路（4）、发射线圈（5）和位于所述发射线圈（5）平面内且轴线与发射线圈（5）的轴线重合的中继线圈（6），所述能量接收模块（2）包括依次连接的接收线圈（7）、整流稳压电路（8）和供电控制电路（9），所述供电控制电路（9）与无人机内的充电电池（10）连接，所述中继线圈（6）与所述接收线圈（7）的尺寸相同，所述无线充电模块（1）与所述能量接收模块（2）通过所述中继线圈（6）与接收线圈（7）之间产生的电磁共振传输能量。

2.根据权利要求1所述的基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置，其特征在于，还包括自动充电助降模块，所述自动充电助降模块包括设于所述无线充电模块（1）上的助降标靶（14）和设置于无人机上的摄像头（13）和主控单元（12），所述主控单元分别与所述摄像头（13）及供电控制电路（9）连接，所述主控单元（12）通过所述摄像头（13）识别到所述无线充电模块（1）上的助降标靶（14）后控制无人机精确降落至所述无线充电模块（1）处。

3.根据权利要求2所述的基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置，其特征在于，还包括无线遥控发射单元（11）、无线遥控接收单元（16）和继电器（17），所述无线遥控发射单元（11）与所述主控单元（12）连接，所述无线遥控接收单元（16）与所述继电器（17）连接，所述继电器（17）与所述无线充电模块（1）连接，控制无线充电模块（1）的开启和关闭，所述主控单元（12）通过所述无线遥控发射单元（11）与所述无线遥控接收单元（16）之间的无线连接对所述继电器（17）进行控制。

4.根据权利要求2所述的基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置，其特征在于，所述助降标靶（14）为H形，设置于所述无线充电模块壳体（15）的上表面。

5.根据权利要求2-4任一所述的基于磁耦合无线输电技术的无人机充电装置，其特征在于，所述主控单元（12）采用STM32F103单片机，所述摄像头（13）的型号为OV7670，所述摄像头（13）安装于无人机的底面。