CN212604546U - 无人机无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无人机无线充电系统，包括无人机和充电平台，在无人机上安装有无线充电的接收模组，充电平台具有承载无人机的承载面，在承载面上安装有无线充电的发射模组；接收模组包括：接收端极板、接收端控制电路、接收端通信器和电池组；发射模组包括：发射端极板、发射端控制电路和发射端通信器；在无线充电过程中，接收端极板和发射端极板处于形成电容的工作范围内。接收端极板制作的制作简易，而且重量轻，无人机停泊在充电平台上，极板之间的间隙很小，对周围环境的电磁干扰很小，当接收端极板与发射端极板之间或周围存在金属导体时，也不会因为导体产生涡流效应而引起损耗和发热，非常适合无人机的充电应用。

Description

无人机无线充电系统

技术领域

本实用新型涉及无线充电领域，尤其涉及无人机无线充电系统。

背景技术

无线能量传输目前常用的分为两种方式——基于磁场耦合的方式，以及基于电场耦合的方式。其中磁场耦合方式已经在消费电子、AGV机器人 (Automated GuidedVehicle)和电动汽车等领域得到了广泛应用和关注。磁场耦合所采用的耦合机构一般由利兹线圈、铁氧体、屏蔽层等多层结构组成，存在成本高、重量重等问题，磁场耦合方式在无线传输的过程中也会产生一些磁场、泄漏和电磁干扰，在传输空间中如有金属异物不能被识别时，会因为涡流效应导致异物温度升高，甚至可能会点燃易燃物而引起火灾，在无人机充电等无人值守场合仍存在着一些安全隐患问题需要克服。

实用新型内容

本实用新型提供一种无人机无线充电系统，具有低成本、低重量的优势，同时能够降低金属异物带来的安全隐患。

本实用新型的无人机无线充电系统，包括无人机和充电平台，在所述无人机上安装有无线充电的接收模组，所述充电平台具有承载所述无人机的承载面，在所述承载面上安装有无线充电的发射模组；所述接收模组包括：接收端极板、接收端控制电路、接收端通信器和电池组；所述发射模组包括：发射端极板、发射端控制电路和发射端通信器；在无线充电过程中，所述接收端极板和所述发射端极板处于工作范围内，所述工作范围是指所述接收端极板和所述发射端极板能够形成电容的范围。

优选的，所述承载面覆盖所述发射端极板，且至少在所述发射端极板所在区域内的所述承载面为绝缘电介质层。

优选的，所述接收端极板设置在所述无人机的着陆架底部，朝向所述充电平台的方向设置；所述接收端极板外覆盖有绝缘电介质层。

优选的，接收端极板和所述发射端极板均呈圆筒形，其中一个套设在另一个之中，且靠内的圆筒形的外壁与靠外的圆筒形的内壁之间有间隔。

优选的，接收端极板和所述发射端极板均由多块极板阵列组成。

优选的，接收端极板分为两部分，分别是第一中心部，和环绕所述第一中心部设置的第一外环部；发射端极板分为两部分，分别是第二中心部，和环绕所述第二中心部设置的第二外环部；在无线充电过程中，所述第一中心部和所述第二中心部处于形成电容的工作范围内；所述第一外环部和所述第二外环部处于形成电容的工作范围内。

所述接收端控制电路包括：接收端补偿电路、接收端整流电路、接收端滤波电路和接收端控制器。

优选的，所述发射端控制电路包括:发射端补偿电路、发射端逆变电路和发射端控制器；所述发射端控制电路与供电电源连通。

优选的，所述发射端控制电路还包括:发射端整流电路和发射端滤波电路。

优选的，发射端极板具有多组，并且通过控制开关有选择地使至少一组所述发射端极板工作。

本实用新型无人机无线充电系统工作时，接收端极板制作的制作简易，而而且重量轻，其形状也不受限制，不会使无人机更多地增加额外的载荷负担，其整体的成本与磁耦合线圈相比也是非常小的量级。无人机停泊在充电平台上，极板之间的间隙很小，无线充电时绝大部分的交变电场分布于极板之间，对周围环境的电磁干扰很小。特别是当接收端极板与发射端极板之间或周围存在金属导体时，也不会因为导体产生涡流效应而引起损耗和发热，非常适合无人机的充电应用。

附图说明

图1为本实用新型无人机无线充电系统的整体结构示意图。

图2为本实用新型无人机无线充电系统中接收模组和发射模组的示意图。

图3为本实用新型无人机无线充电系统中接收端极板和发射端极板一种实施例示意图。

图4为本实用新型无人机无线充电系统中接收端极板和发射端极板另一种实施例示意图。

图5为本实用新型无人机无线充电系统中控制开关的示意图。

图6为本实用新型无人机无线充电系统中无人机侧部分电路结构。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本实用新型的无人机无线充电系统，包括无人机4和充电平台3两部分。充电平台3一方面能够为无人提供无线充电，同时还能作为无人机4 的停放平台。下面主要针对无线充电进行说明。

需要注意，既然是无线充电系统，那么显然需要无人机4和充电平台 3两个部分都需要支持无线充电功能。参见图1，在无人机4上安装有无线充电的接收模组1，对应的，在承载平台上应该具有无线充电的发射模组2，具体的，因为充电平台3还有承载无人机4的功能，因此，充电平台3上具有承载面31，以支承无人机4用，将无线充电的发射模组2安装在承载面31上就更易于无线充电的工作。

结合,图1和图2，接收模组1，其包括接收端极板11、接收端控制电路12、接收端通信器13和电池组14。发射模组2包括发射端极板21、发射端控制电路22和发射端通信器23。

在一些优选实施例中，接收端控制电路12包括：接收端补偿电路、接收端整流电路、接收端滤波电路和接收端控制器。发射端控制电路22包括: 发射端补偿电路、发射端逆变电路和发射端控制器；发射端控制电路22与供电电源连通。需要注意的是，接收端补偿电路和发射端补偿电路可以同时设置，也可以只设置一个。一般来说，双端补偿比较常见(双端补偿即同时设置接收端补偿电路和发射端补偿电路)，因为可以获得更好的传输特性。但是，只设置接收端补偿电路或者只设置发射端补偿电路同样可以用于本申请。也就是说，射模组2和接收模组1至少一侧包含补偿电路即可。下文为了方便说明，将接收端补偿电路和发射端补偿电路统称为补偿电路。

接收端极板11和发射端极板21构成了无线充电时的两个基本器件，需要充电时，二者需要处于合适的工作范围，该工作范围中，接收端极板 11和发射端极板21可以形成电容，并以电容的特性，实现电能的无线传递。该工作范围的具体数值，需要根据接收端极板11和发射端极板21的材料、尺寸等特性差异化设置，一般可以满足无人机4停放到充电平台3 时，能够满足工作距离即可。

一般的，充电平台3的承载面31覆盖发射端极板21，也就是一般不会使发射端极板21直接暴露在外，且至少在发射端极板21所在区域内的承载面31为绝缘电介质层。即，至少在发射端极板21上覆盖有电介质层，可以是承载平台本身，也可可以是额外设置的电介质层。

接收端极板11设置在无人机4上，并且是朝向充电平台3方向设置的，其设置的初衷就是为了能够和发射端极板21在工作范围内形成电容，保证无线充电工作的进行。优选的，该接收端极板11设置在着陆架41底部，朝向充电平台3的方向设置。当然，接收端极板11直接设置在无人机 4本体的底部也可以的，只要不影响和发射端极板21的形成电容即可。同时，接收端极板11外覆盖有绝缘的电介质层。

在接收端极板11和发射端极板21之间的电介质层可有效增大耦合电容值，并保持接收端极板11和发射端极板21之间的良好绝缘，提高系统电能传递的能力。作为一种实施例，可以将电介质层可以直接粘接或涂覆在接收端极板11和发射端极板21相面对的一面上。电介质层可以为：玻璃、陶瓷叠层、钛酸钡、锆钛酸铅和二氧化钛中的一种或者组合。

上述在无人机4本体底部或者着陆架41上设置接收端极板11，以及在充电平台3的承载面31设置发射端极板21，是优选的方案，其他能够实现让接收端极板11和发射端极板21形成电容的设置位置，同样可以适用于本申请。例如在无人机4四周设置环形接收端极板11，承载面31四周也设置对应的环形发射端极板21。甚至，充电平台3做成“箱型”结构，即具有多个外壁，多个外壁形成内部容纳空间，该容纳空间用于容纳无人机4，承载面31作为容纳空间的底面，此时，多个外壁都可以作为发射端极板21使用，无人机4上的接收端极板11可以设置在任何位置，都能够有对应的发射端极板21与之配合。

下面再说明几种接收端极板11和发射端极板21的可选设置形式。例如，接收端极板11和发射端极板21均呈圆筒形，如图3所示，其中一个套设在另一个之中，且靠内的圆筒形的外壁与靠外的圆筒形的内壁之间有间隔。该方式可以适用上述“无人机4四周设置环形接收端极板11，承载面31四周也设置对应的环形发射端极板21”的形式，也可以是接收端极板11设置在无人机4本体底部或着陆架41上，发射端极板21设置在承载面 31上。无人机4停放到承载面31时，接收端极板11和发射端极板21以“嵌套”的方式配合，接收端极板11伸入到发射端极板21内。

又或者，如图4所示，接收端极板11和所述发射端极板21均由多块极板阵列组成。发射端极板21覆盖面积可以是整个承载面31的范围，无人机4停放时对于放置位置的精度要求就会降低，只要停放即可满足工作范围的要求。图3示出的接收端极板11和所述发射端极板21呈“蜂窝形”，并且，接收端极板11的数量可以小于发射端极板21的数量。

再一种可选的设置方式为，接收端极板11分为两部分，分别是第一中心部，和环绕所述第一中心部设置的第一外环部；发射端极板21分为两部分，分别是第二中心部，和环绕所述第二中心部设置的第二外环部；在无线充电过程中，所述第一中心部和所述第二中心部处于形成电容的工作范围内；所述第一外环部和所述第二外环部处于形成电容的工作范围内。

以上对于接收端极板11和发射端极板21的说明仅是优选的实施例，并不用于限制本申请，其他形式也可以用于本申请，例如最基本的结构就是，接收端极板11和发射端极板21均为呈板型的极板，处于工作范围内就可以形成电容。

作为一种举例说明，发射端极板21和接收端极板11可以采用轻薄的铜箔、铝箔等金属材料，或者采用碳素材料、金属氧化物及水合物、导电聚合物等制作薄膜电极，发射端极板21和接收端极板11的形式可以是圆环式、平板式、圆柱式、球式、层叠式和阵列式等形式中的一种或组合。当极板为阵列式时，即上述的接收端极板1和发射端极板21均由多块极板阵列组成。此时发射端极板21的多块极板和接收端极板11的多块极板耦合构成多个电容，这些电容按串并联的关系等效为一组耦合电容。

在一些实施例中，发射端极板21可以为多组，如图5所示，这些发射端极板21连接控制开关5，当无人机的接收端极板11与其中一组或多组发射端极板21对准时，发射控制器接通连接对应发射端极板21的控制开关5，以与接收端极板11形成耦合的电容，这种方式可以根据无人机对准的发射端极板21进行切换，方便无人机对准。例如以图5所示，接收端极板11与中间的两个发射端极板21位置对应，形成电容，此时中间的两个控制开关5闭合，使对应的两个发射端极板21可以工作，即能够与接收端极板11形成电容完成无线充电的需要。

需要注意，发射端极板21和接收端极板11形成电容，并实现无线充电时，一般分别需要两个极板工作，以形成闭合的电路。本申请在没有特别说数量时，可以理解为上述发射端极板21可以是通过两块极板形成，对应的，接收端极板11也是通过两块极板形成的。无人机4无线充电系统中的无人机4，除了上述的接收模组1外，还会包括机体结构、动力系统、导航系统、飞行控制系统、任务载荷及云台等。动力系统系统包括电机42、驱动电机42工作的驱动电路43等等。

接收模具1与电池组14的充电输入端口连接。接收端控制电路12中的充电控制器可以独立设置，也可以是飞行控制系统或无人机4的其它控制器的一部分。接收端通信器13也可以是独立的部分，不光可以用于无线充电过程的通信，还可以用于无人机4整体的通信，例如与操作者之间的通信。

无人机4在飞行过程中，当飞行中的电池组14的电量下降到安全阈值以下时，无人机4在导航系统中的GPS、传感器或视觉系统的引导下返航，自动降落在地面充电平台3上，开始通过无线充电补充电量。电池组14一方面通过无线充电实现电能的存储，另一方面也向动力系统等其他多个部分供电。上述接收模块1包括电池组14并不限制电池组14只能为接收模块1工作。

供电电源可以是交流供电，也可以是直流供电，当采用交流供电时，发射模组2还需要增加具有整流功能和滤波功能的电路——发射端整流电路和发射端滤波电路。

接收端极板11和发射端极板21一般均分为有两组，无线充电时两组发射端极板21和两组接收端极板11之间分别对准，耦合构成两个电容。当发射端极板21直接安装在充电平台3的承载面31上时，接收端极板11 可以安装在无人机底部或者分开安装在无人机4的着陆架41下方，当无人机4停泊在充电平台3上时，接收端极板11能够在无人机4飞行控制系统的操纵下与发射端极板21对准。接收端极板11也可以安装在无人机4的其它位置，当需要充电时通过转动机构翻转到底部，与发射端极板21对准。

接收端极板11还可以安装在无人机4的侧面、顶部等位置，相应的发射端极板21就安装在与平台垂直或平行的另一面，上述安装方式仅是举例说明，对于接收端极板11的安装位置并没有严格的要求，只要在充电时两组发射端极板21和接收端极板11之间能够分别对准，并使极板之间的间距满足充电要求即可。

无人机4无线充电的供电电源是交流电时，供电电源输出的交流电通过发射端整流电路、发射端滤波电路转换为直流电。供电电源是直流电时输出的直流电，或者供电电源是交流电时交流电转换成的直流电，都送入到发射端逆变电路转换成高频交流电，然后经发射端补偿电路施加到发射端极板21上。

发射端极板21与接收端极板11间通过发射端极板21和接收端极板 11的对准而形成了一个耦合的电容，两组发射端极板21和两组接收端极板11形成的两个耦合的电容使发射电路和接收电路连通构成了一个回路。在高频高压交流电作用下，高频交流电通过耦合的电容传输到接收模块的接收端整流电路上，高频交流电经过接收端整流电路转换为直流电，再经过接收端滤波电路滤除杂散波形后，从充电端口输入到无人机4的电池组 14，从而为无人机无线充电。

这两个补偿电路中均至少包括了一个补偿电感，补偿电感和极板构成的耦合电容以串联、并联的形式之一构成谐振网络。也可以通过多个电感和/或电容的组合，形成复合补偿电路，再与耦合的电容(发射端极板21与接收端极板11形成的电容)构成谐振网络。

通过设置补偿电路，补偿电感和耦合的电容构成谐振网络，可以工作在谐振状态，以提高耦合电容上的电压，在耦合电容间产生较大位移电流，从而实现能量的传递。补偿电路还可以补偿电力电路中的无功功率，提高系统充电的工作效率。

但由于发射端极板21与接收端极板11形成的电容一般电容值较小，为获得较高的传输功率和传输效率，通常在配置补偿电路时，需要使用较大的补偿电感或工作在较高的工作频率，而工作频率过高，功率开关管损耗以及系统的电磁干扰必然会增大，也增加了系统的控制难度；而增加补偿电感会增加系统的体积和重量。当补偿电路设置在接收模块中(即接收端补偿电路)，或双侧同时设置时，和采用磁耦合无线充电的线圈一样，同样会额外增加无人机4的载荷，这使得无线充电系统在无人机中的应用受到限制。为了解决该问题，可以将无人机动力系统中的电机42作为补偿电感集成到补偿电路中，提高了器件利用率，降低系统成本。

如图6示出的是无人机4一侧的部分电路结构，以无人机选用外转子直流无刷电机为例，电机42线圈绕组为三角形连接方式。无人机一个电机的绕组连接了2个切换开关，图中分别以K1和K2示出，在无人机飞行过程中，第一切换开关K1接通，第二切换开关K2断开，电池组14为电机转动提供动力，飞行控制系统通过驱动电路43调节电机42速度、切换转动方向和启停等操作，以操纵无人机完成飞行任务。在无人机充电过程中，第一切换开关K1断开，第二切换开关K2接通，发射端极板21与接收端极板11之间形成的电容与电机线圈绕组相连接，电机42线圈绕组之间串并联等效为一个电感，电机等效电感与发射端极板21与接收端极板11之间形成的电容串联形成一个串联谐振网络，发射模块2输出高频交流电。

除此以外，多旋翼无人机的多个电机之间可以通过串并联组合而获得构成谐振网络更适合的电感值，发射端极板21与接收端极板11之间形成的电容和电机等效电感之间除串联谐振外，可以是并联谐振，或者再与若干个电感、电容串并联构成复合谐振电路。

在整个充电过程中，无人机的充电控制器通过无线通信向充电平台3 的发射端控制器持续发送充电需求，包括电流、电压等信号，并会采集充电电流、电压，监测电池电量。充电平台3根据充电需求调节供电电源的输出，并控制高频交流电的频率、相位等参数，使耦合的电容与补偿电路处于谐振状态。当无人机充电完成后，接收端控制器发送停止充电命令给充电平台3的发射端控制器，终止充电过程。

充电平台3和无人机数据间的无线通信可以通过各自内置的通信模块进行。除此之外，作为一种举例说明，可以将需要通信的信号以调制载波的形式加载于无线传输的高频交流电波中，并在接收电路中增加解调电路，从高频交流电中解调出所传输的数据信号，以实现能量和信号的并行传输。

本实用新型中，当通过电场耦合实现无线充电时，接收模组1的接收端极板11制作非常简单而且轻薄，其形状也不受限制，不会使无人机更多地增加额外的载荷负担，其整体的成本与磁耦合线圈相比也是非常小的量级。无人机停泊在充电平台3上，极板之间的间隙很小，无线充电时绝大部分的交变电场分布于极板之间，对周围环境的电磁干扰很小。特别是当电场极板之间或周围存在金属导体时，也不会因为导体产生涡流效应而引起损耗和发热，非常适合无人机的充电应用。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本实用新型的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，但本实用新型不以图面所示限定实施范围，凡是依照本实用新型的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无人机无线充电系统，包括无人机(4)和充电平台(3)，其特征在于，

在所述无人机(4)上安装有无线充电的接收模组(1)，所述充电平台(3)具有用来承载所述无人机(4)的承载面(31)，在所述承载面(31)上安装有无线充电的发射模组(2)；

所述接收模组(1)包括：接收端极板(11)、接收端控制电路(12)、接收端通信器(13)和电池组(14)；

所述发射模组(2)包括：发射端极板(21)、发射端控制电路(22)和发射端通信器(23)；

在无线充电过程中，所述接收端极板(11)和所述发射端极板(21)处于工作范围内，所述工作范围是指所述接收端极板(11)和所述发射端极板(21)能够形成电容的范围。

2.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于，

所述承载面(31)覆盖所述发射端极板(21)，且至少在所述发射端极板(21)所在区域内的所述承载面(31)为绝缘电介质层。

3.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于，

所述接收端极板(11)设置在所述无人机(4)的着陆架(41)底部，朝向所述充电平台(3)的方向设置；

所述接收端极板(11)外覆盖有绝缘电介质层。

4.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于，

接收端极板(11)和所述发射端极板(21)均呈圆筒形，其中一个套设在另一个之中，且靠内的圆筒形的外壁与靠外的圆筒形的内壁之间有间隔。

5.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于，

上述接收端极板(11)和所述发射端极板(21)均由多块极板阵列组成。

6.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于，

接收端极板(11)分为两部分，分别是第一中心部，和环绕所述第一中心部设置的第一外环部；

发射端极板(21)分为两部分，分别是第二中心部，和环绕所述第二中心部设置的第二外环部；

在无线充电过程中，所述第一中心部和所述第二中心部处于形成电容的工作范围内；所述第一外环部和所述第二外环部处于形成电容的工作范围内。

7.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于，

所述接收端控制电路(12)包括：接收端补偿电路(121)、接收端整流电路(122)、接收端滤波电路(123)和接收端控制器(124)。

8.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于，

所述发射端控制电路(22)包括:发射端补偿电路(221)、发射端逆变电路(222)和发射端控制器(223)；

所述发射端控制电路(22)与供电电源连通。

9.根据权利要求8所述的无人机无线充电系统，其特征在于，

所述发射端控制电路(22)还包括:发射端整流电路(224)和发射端滤波电路(225)。

10.根据权利要求1所述的无人机无线充电系统，其特征在于，

发射端极板(21)具有多组，并且通过控制开关(5)有选择地使至少一组所述发射端极板(21)工作。

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