FR3012923A1

FR3012923A1 - Dispositif de transfert d'energie a distance par ondes acoustiques sur un objet en mouvement

Info

Publication number: FR3012923A1
Application number: FR1360761A
Authority: FR
Inventors: Nicolas Colin; Didier Simonet
Original assignee: European Aeronautic Defence and Space Company EADS France
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2015-05-08
Anticipated expiration: 2033-11-04
Also published as: EP3066745A1; US10020690B2; FR3012923B1; CN105917547A; WO2015063223A1; CN105917547B; US20160276863A1

Abstract

L'invention consiste en un système permettant le transfert à distance et sans fil d'énergie depuis une station de base (11) vers un objet mobile (12), de type drone notamment, évoluant dans une zone de l'espace donnée autour de ladite station de base. Le système comporte des moyens (16) pour réaliser le pistage (13) de l'objet mobile (12) de façon à déterminer à tout instant la position de l'objet mobile (12) par rapport à la station de base (11), des moyens (13) pour émettre une onde acoustique synthétique (14) focalisée dans la direction de l'objet mobile (12), ces deux moyens étant localisés au niveau de la station de base (11) et alimentés par cette dernière et des moyens de réception acoustique (15), localisés au niveau de l'objet mobile (12), pour recevoir l'onde acoustique (14) émise par la station de base (11) et pour convertir l'onde acoustique reçue en signal électrique puis en tension d'alimentation d'une batterie.

Description

Dispositif de transfert d'énergie à distance par ondes acoustiques sur un objet en mouvement L'invention se rapporte au domaine général des moyens de transfert d'énergie d'une source productrice vers un receveur. Elle se rapporte plus 5 particulièrement au domaine des moyens de recharge de batteries à distance. 10 L'utilisation de dispositifs mobiles autonomes alimentés en énergie électrique par des batteries tend de nos jours à se généraliser. Il reste cependant, dans ce domaine, des problèmes importants d'autonomie à solutionner. En effet compte tenu des dimensions de l'objet considéré et de sa consommation en énergie électrique, la mise en place d'une batterie 15 conférant à cet objet une autonomie énergétique suffisante est parfois difficile à réaliser, l'autonomie désirée requérant une batterie dont les dimensions ne sont pas compatibles avec celles de l'objet. Par suite, quand on conçoit de tels objets on est généralement obligé de réaliser un compromis entre l'autonomie souhaitée et les dimensions de 20 l'objet ou encore sa masse. Ce compromis impose que l'objet considéré puisse être en mesure de trouver une source d'alimentation dans la zone où il évolue, faute de quoi l'objet devient hors service. Il faut en outre que cette source soient capable d'effectuer le rechargement de la batterie alimentant l'objet en un temps qui soit compatible des conditions d'utilisation de cet 25 objet. Pour résoudre ce problème une solution connue consiste à mettre à disposition des utilisateurs des points d'échanges de batteries largement déployés sur la zone d'évolution des objets et disposant d'une grande variété de batteries pour répondre à la grande variété des tensions d'alimentations 30 de ces objets (voltage, nature continue ou alternative du courant).

Une solution alternative consiste à mettre à disposition des utilisateurs des bornes de rechargement adaptées aux objets considérés et à leur usage, téléphones mobiles, ordinateurs portables ou véhicules automobiles notamment. Cependant du fait du caractère mobile de ces objets et de la grande variété des tensions d'alimentations de ces objets on est contraint de multiplier les bornes de rechargement ou à défaut de mettre en place des borne de rechargement "universelles" capable de recharger une grande variété d'objets dans des temps compatibles de leurs conditions d'utilisation.

Une autre solution alternative consiste à équiper l'objet considéré d'un moyen de rechargement portable ou transportable, un chargeur, selon les cas permettant à l'utilisateur de recharger la batterie de l'objet à partir d'une source d'alimentation électrique standard telle que la tension secteur, de sorte que la tension secteur étant largement distribuée on n'a pas besoin de mettre en place de borne de rechargement adaptées. Cependant, une telle solution impose à l'utilisateur de transporter le chargeur de l'objet. Elle impose également que le courant secteur soit suffisamment important pour permettre un rechargement rapide.

Outre les contraintes décrites précédemment, les trois solutions décrites dans les paragraphes précédents imposent en outre généralement à l'utilisateur de placer l'objet considéré à proximité de la source d'alimentation. En effet le rechargement est généralement réalisé au moyen d'un câble électrique, qui doit nécessairement être de longueur limitée, ou alternativement au moyen d'un dispositif de transfert par induction qui nécessite que l'objet soit placé en regard d'un élément inducteur lui-même placé à proximité de la source à laquelle il est relié. L'objet mobile se retrouve ainsi immobilisé pendant la durée du rechargement.

Un but de l'invention est de proposer une solution permettant de recharger en énergie électrique un objet mobile évoluant dans une zone donnée sans que cet objet ait besoin de se trouver à proximité immédiate d'une source électrique de rechargement et de d'y rester le temps nécessaire au rechargement. A cet effet l'invention a pour objet un système pour le transfert à 5 distance et sans fil d'énergie depuis une station de base vers un objet mobile évoluant dans une zone de l'espace donnée autour de ladite station de base, qui comporte: - des moyens pour émettre une onde acoustique synthétique focalisée dans une direction donnée, localisés au niveau de la station 10 de base et alimentés par cette dernière; - des moyens de réception acoustique localisés au niveau de l'objet mobile, pour recevoir l'onde acoustique émise par la station de base et pour convertir l'onde acoustique en signal électrique. le système comporte en outre des moyens pour réaliser le pistage de 15 l'objet mobile de façon à déterminer la position de l'objet mobile par rapport à la station de base. Selon la forme de réalisation envisagée le dispositif selon l'invention peut présenter diverses caractéristiques techniques telles que celles citées 20 ci-après, ces caractéristique pouvant être considérées séparément ou en combinaison. Ainsi: Selon une caractéristique technique de l'invention, les moyens d'émission de l'onde acoustique sont constitués par un ensemble de 25 transducteurs piézoélectriques élémentaires, chaque transducteur étant excité par un signal électrique référencé en phase par rapport à une phase de référence. Les phases des signaux appliqués aux différents transducteurs piézoélectriques sont déterminées en temps réel, en fonction de la position de l'objet mobile relativement à la station de base, de façon à ce que les 30 ondes acoustiques émises par les différents transducteurs se combinent dans l'espace pour former une onde acoustique focalisée dans la direction de l'objet mobile.

Selon une autre caractéristique technique de l'invention, les moyens de réception acoustique sont constitués par un transducteur acoustique localisé.

Selon une forme de réalisation de l'invention, les moyens de pistage mettent en oeuvre un système de détection optique ou radioélectrique. Selon une autre caractéristique technique de l'invention, l'objet mobile comporte des moyens pour convertir le signal électrique délivré par les moyens de réception acoustique en une tension continue permettant 10 d'alimenter une batterie logée dans ledit objet mobile. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, les moyens de pistage sont constitués par un récepteur GPS localisé dans l'objet mobile, et des moyens de communication lui permettant de transmettre sa position 15 GPS à la station de base. Selon une autre forme de réalisation de l'invention' le dispositif comporte des moyens de communication permettant à la station de base de guider l'objet mobile vers une zone de l'espace permettant d'initialiser le 20 pistage de l'objet mobile. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux 25 appréciés grâce à la description qui suit, description qui s'appuie sur la figure 1 annexée qui présente une illustration d'un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention pour réaliser le rechargement d'un objet mobile volant, un drone par exemple, par une base terrestre mobile. 30 La présente description présente, à titre non limitatif, un exemple d'application du dispositif selon l'invention qui permet de mettre en évidence les caractéristiques techniques avantageuses de celui-ci. La configuration 3012 923 5 présentée permet de mettre en oeuvre le dispositif selon l'invention sur un ou plusieurs objets mobiles autonomes. La configuration présentée ici consiste en une station de base mobile 11 montée sur un véhicule de taille appropriée réalisant des taches diverses, 5 associée à un objet volant automatique 12, un drone, effectuant des tâches en liaison plus ou moins directe avec celles effectuées par la station de base. La station de base 11 peut ainsi par exemple consister en un ou plusieurs véhicules chargés de l'exécution de certaines tâches au sol en différents points d'une zone géographique donnée, alors que le drone 12 a 10 pour fonction d'explorer la zone au dessus du sol afin de repérer les lieux d'exécution desdites tâches et de transmettre les coordonnées de ces lieux à la station de base 11 ou encore afin de réaliser de manière autonome certaines tâches en des lieux situés en hauteur par rapport au sol. Dans sa forme la plus générale destinée à des applications telles que 15 celle illustrée par la figure 1, le dispositif selon l'invention comporte principalement une station de base, une station mobile 11 montée sur un véhicule par exemple, produisant un signal acoustique énergétique à partir d'une source d'alimentation électrique et émettant le signal acoustique produit sous forme d'une onde acoustique focalisée 14 dans un secteur 20 donné de l'espace. A cet effet le véhicule est équipé de moyens autonomes de production d'électricité (non illustrés sur la figure), un groupe électrogène par exemple. Il comporte également un récepteur acoustique 15 localisé dans l'objet mobile volant 12, le drone, qui transforme l'onde acoustique 14 reçue en un 25 signal électrique, et des moyens capables de convertir ce signal électrique en une tension électrique destinée principalement à recharger une batterie également localisée dans le drone 12. Selon l'invention l'onde acoustique émise par l'émetteur acoustique du 30 dispositif est une onde dirigée en permanence sur l'objet mobile 12 pendant toute la durée de l'opération de rechargement en énergie de ce dernier. A cet effet cet émetteur comporte une antenne 13 (i.e. un projecteur acoustique) configurée pour rayonner une onde focalisée 14. Une telle antenne peut de manière connue prendre différentes formes. 35 Cependant, dans un mode de réalisation préféré l'antenne utilisée est une 3012 923 6 antenne acoustique synthétique, constituée par exemple par un transducteur multiéléments (E) composé de pastilles piézoélectriques réparties selon une matrice à deux dimensions et formant autant de transducteurs piézoélectriques élémentaires. Dans ce cas l'émetteur acoustique comporte 5 également des moyens pour générer les signaux électriques d'excitation des transducteurs élémentaires, chacun de ces signaux correspondant à un signal issu d'un signal de référence, obtenu en appliquant à cette référence un déphasage donné. De manière connue le déphasage appliqué pour chacun des transducteurs, ou de loi de phase, est déterminé de telle façon que les ondes acoustiques émises par les différents transducteurs se combinent dans l'espace pour former une onde acoustique 14 focalisée dans la direction de l'objet mobile 12, comme illustré par la figure 1. Selon l'invention, le récepteur acoustique 15 localisé au niveau de l'objet mobile 12, du drone, est, quant à lui, un transducteur acoustique simple capable de convertir l'onde acoustique qu'il reçoit en signal électrique. Ce peut être, par exemple, un élément localisé de type microphone piézoélectrique, sans directivité particulière.

L'onde acoustique 14 émise par la station de base 11, est une onde sinusoïdale continue ou, alternativement, un train d'impulsions sinusoïdales dont la fréquence est préférentiellement située dans une plage variant de quelques kHz à quelques centaines de kHz (jusqu'au MHz). La puissance acoustique émise est par ailleurs définie en tenant compte de l'étendue de la zone de l'espace dans laquelle on souhaite rendre possible la recharge des batteries alimentant l'objet mobile 12, un drone dans le cas de la figure 1. Cependant il est à noter que dans la mesure où on ne réalise pas l'alimentation directe du drone au moyen du signal électrique obtenu à partir de l'onde acoustique 14, c'est l'énergie transmise plus que la puissance qui représente le facteur dimensionnant l'onde acoustique émise (puissance max, forme d'onde,..). Avantageusement la focalisation de l'onde 14 dans la direction précise du drone 12 permet d'optimiser le transfert d'énergie et par voie de conséquence l'horizon de la zone dans laquelle le rechargement de la batterie du drone 12 est possible. Cette zone s'étend typiquement de quelques mètres à quelques centaines de mètres autour de la station de base portée par le véhicule 11. Dans la mesure où l'émission acoustique 14 est une émission 5 focalisée, afin de rendre possible, dans une certaine mesure, le rechargement de l'objet mobile 12 en énergie alors que ce dernier, de même que la station de base 11 éventuellement, est en mouvement, le dispositif selon l'invention comporte des moyens 16 de localisation et de pistage. Ces moyens permettent d'une part de localiser l'objet mobile 12 et de déterminer 10 si celui-ci est localisé dans la zone utile de rechargement et d'autre part de suivre les mouvements relatifs de l'objet mobile 12 et de la station de base 11. Ils permettent ainsi de déterminer en temps réel la position de l'objet mobile 12 par rapport à l'émetteur acoustique 13 de la station de base 11, de façon à maintenir l'onde acoustique 14 émise focalisée dans la direction de 15 l'objet mobile 12. On appelle ici zone utile de rechargement la zone de l'espace à l'intérieur de laquelle, en tenant compte des masques pouvant éventuellement empêcher la propagation de l'onde acoustique, l'énergie transmise par l'onde acoustique 14 est suffisante pour être détectée par le 20 transducteur 15 équipant l'objet mobile 12. Le pistage est ici réalisé par tous moyens 16 connus, des moyens optiques (caméra, pointage laser) ou électromagnétiques (pointage radar) par exemple. Alternativement il peut être réalisé, de même que la localisation, à 25 partir des mesures de position fournies par un récepteur GPS incorporé à l'objet mobile 12, ces coordonnées étant transmises à la station de base 11 par des moyens radios (non représentés sur la figure) reliant l'objet mobile à la station de base par exemple. Ainsi, le dispositif selon l'invention est en mesure à tout moment de 30 déterminer la position de l'objet mobile 12 par rapport à la station de base 11 et, dans la mesure où la position de ce dernier est contenue dans la zone utile de rechargement (zone utile), de focaliser l'onde acoustique 14 de rechargement dans la direction précise de l'objet mobile 12. La focalisation dans la direction de l'objet mobile 12 est obtenue simplement en appliquant 35 au signal électrique d'excitation qui pilote chacun des transducteurs élémentaires de l'antenne acoustique d'émission 13, la loi de phase appropriée. Selon l'invention, la fonction de rechargement de l'objet mobile 12 peut 5 s'exercer de façon permanente pour autant qu'il évolue en permanence dans la zone utile, ou bien par intermittence lorsqu'il évolue à l'intérieur de cette zone. Dans ce dernier cas, si l'objet mobile 12 est amené, pour des raisons opérationnelles, à quitter la zone utile, l'opération de rechargement est 10 interrompue et ne reprend que lorsque, compte tenu de la position de l'objet mobile 12, le pistage et la focalisation 17 de l'onde acoustique sur ce dernier redeviennent possibles et/ou que sa distance à la station de base 11 soit compatible d'un transfert d'énergie satisfaisant. C'est en particulier le cas lorsque le véhicule portant la station de base 15 11 et l'objet mobile 12 sont deux éléments d'un système de contrôle d'intégrité de vastes et hautes structures, des immeubles, des ponts ou autres ouvrages d'art par exemple, pour lesquelles on réalise simultanément un control depuis le sol pour les parties basses et un contrôle au moyen d'un engin volant 12 pour les parties élevées. Dans un tel contexte il est en effet 20 possible qu'à un moment donné de l'opération de contrôle la zone d'évolution de l'objet mobile 12 qui constitue l'élément de contrôle des parties en hauteur ne soit pas incluse dans la zone utile de rechargement ou bien que, du fait de la forme de la structure contrôlée, le récepteur acoustique 15 de l'objet mobile 12 ne puisse plus recevoir l'onde acoustique 14 émise par la station 25 de base 11. Il est à noter que, dans le cas notamment où la station de base 11 montée dans son véhicule et l'objet mobile 12 constituent un ensemble d'équipements destinés à remplir des tâches complémentaires sur une 30 même zone géographique, il peut être avantageux, dans la mesure où les dimensions et les configurations respectives des deux éléments s'y prêtent, de prévoir, comme illustré sur la figure 1, la mise en place sur le véhicule de la station de base d'une zone de stationnement 18 pour l'objet mobile 12, zone que ce dernier peut occuper lorsque les deux éléments ne sont pas en 35 fonctionnement opérationnel.

Dans une telle configuration, l'émetteur acoustique 13 du dispositif selon l'invention peut alors être configuré de telle façon que, lorsque l'objet mobile 12 est placé sur sa zone de stationnement 18, l'onde acoustique 14 soit émise de manière plus large et qu'elle atteigne l'emplacement de 5 stationnement 18 de l'objet mobile 18 sur le véhicule. Il suffit pour cela d'appliquer aux différents transducteurs élémentaires formant l'antenne acoustique d'émission 13 une loi de phase appropriée. La perte de puissance consécutive à la défocalisation est compensée par la faible distance qui sépare l'émetteur acoustique localisé de la station de base 11 et 10 le récepteur acoustique 15 localisé sur l'objet mobile 12, de sorte que la recharge de la batterie de l'objet mobile peut s'effectuer alors que celui-ci n'est pas en fonctionnement opérationnel et que sa consommation en énergie est faible.

15 Il est à noter également que si dans la forme de mise en oeuvre décrite précédemment, le dispositif selon l'invention comporte une seule station de base mobile 11, il peut cependant dans d'autres formes de mise en oeuvre comporter plusieurs stations de base 11 fixes ou mobiles produisant chacune un signal acoustique énergétique et émettant une onde 20 acoustique focalisée 14 sur un même objet mobile 12. De la sorte tout en disposant d'une énergie transférée relativement faible pour chaque station de base il est néanmoins possible de transférer à l'objet mobile 12 une énergie suffisante pour lui permettre de recharger sa batterie.

25 Il est à noter encore que, dans sa forme la plus simple destinée par exemple au transfert d'énergie depuis une station de base fixe vers un objet mobile transporté par un individu (un téléphone mobile par exemple), le dispositif selon l'invention peut consister simplement en une station de base fixe produisant un signal acoustique énergétique à partir d'un signal 30 électrique et d'émission du signal acoustique produit sous forme d'une onde acoustique focalisée dans un secteur donné de l'espace, et en un récepteur acoustique localisé dans l'objet mobile considéré et capable de transformer l'onde acoustique reçue en une tension électrique destinée principalement à recharger une batterie également localisée dans l'objet mobile. Dans ce cas, l'alimentation électrique de la station de base peut être fournie par le réseau de distribution d'électricité général. Par suite le rechargement de la batterie peut être réalisé simplement, l'utilisateur de l'objet ayant juste à identifier la présence d'une station de base 5 et à placer l'objet à recharger dans la zone de propagation de l'onde acoustique, zone connue par principe ou clairement identifiée. Le positionnement correct de l'objet mobile par rapport à la source de l'émission acoustique étant réalisé par l'opérateur lui-même, le dispositif ne nécessite alors aucun moyen automatique de pistage ou de communication 10 entre la station de base et l'objet mobile.

Claims

REVENDICATIONS1. Système pour le transfert à distance et sans fil d'énergie depuis une station de base (11) vers un objet mobile (12) évoluant dans une zone de l'espace donnée autour de ladite station de base, caractérisé en ce qu'il comporte: - des moyens (13) pour émettre une onde acoustique synthétique (14) focalisée dans une direction donnée, localisés au niveau de la station de base et alimentés par cette dernière; - des moyens de réception acoustique (15), localisés au niveau de l'objet mobile (12), pour recevoir l'onde acoustique (14) émise par la station de base et pour convertir l'onde acoustique en signal électrique; le système comportant en outre des moyens (16) pour réaliser le pistage (13) de l'objet mobile (12) de façon à déterminer la position de l'objet mobile (12) par rapport à la station de base (11).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'émission de l'onde acoustique (14) sont constitués par un ensemble de transducteurs piézoélectriques élémentaires, chaque transducteur étant excité par un signal électrique référencé en phase par rapport à une phase de référence; les phases des signaux appliqués aux différents transducteurs piézoélectriques étant déterminées en temps réel, en fonction de la position de l'objet mobile (12) relativement à la station de base (11), de façon à ce que les ondes acoustiques émises par les différents transducteurs se combinent dans l'espace pour former une onde acoustique (14) focalisée dans la direction de l'objet mobile (12).
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de réception acoustique (15) sont constitués par un transducteur acoustique localisé.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de pistage (16) mettent en oeuvre un système de détection optique ou radioélectrique.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de pistage (16) sont constitués par un récepteur GPS localisé dans l'objet mobile (12), et des moyens de communication lui permettant de transmettre sa position GPS à la station de base (11).
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'objet mobile (12) comporte des moyens pour convertir le signal électrique délivré par les moyens de réception acoustique (15) en une tension continue permettant d'alimenter une batterie logée dans ledit objet mobile (12).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de communication permettant à la station de base (11) de guider l'objet mobile vers une zone de l'espace permettant d'initialiser le pistage (17) de l'objet mobile (12).