一种激光补给无人机跟踪装置论文和设计-袁建华

全文摘要

一种激光补给无人机跟踪装置，包括无人机端以及地面控制端，无人机端包括无人机姿态调整模块、无人机上激光接收端，地面控制端包括地面激光发射端、地面激光发射端姿态调整模块，无人机端与地面控制端之间以无线通信的方式进行信号交互传输，无人机上激光接收端包括第一追踪\/跟踪模块、光伏电池板模块、与光伏电池板模块电能输入端连接的能量接收装置、与光伏电池板模块数据端连接的检测电路，能量接收装置包括能量接受天线，地面激光发射端包括第二追踪\/跟踪模块、激光器、与激光器的激光发射端配合的激光能量发射装置。本实用新型的目的主要是为了解决在使用用于无人机上的激光无线能量传输系统给无人机充能时，在距离过远的情况下，激光的光斑不能准确照射在无人机上光伏电池板中心位置以达到对能量最大利用的技术问题。

主设计要求

1.一种激光补给无人机跟踪装置，包括无人机端以及地面控制端，无人机端包括无人机姿态调整模块、无人机上激光接收端（1），地面控制端包括地面激光发射端（2）、地面激光发射端姿态调整模块，无人机端与地面控制端之间以无线通信的方式进行信号交互传输，其特征在于：所述无人机上激光接收端（1）包括第一追踪\/跟踪模块（3）、光伏电池板模块（4）、与光伏电池板模块（4）电能输入端连接的能量接收装置（5）、与光伏电池板模块（4）数据端连接的检测电路（6），能量接收装置（5）包括能量接受天线，地面激光发射端（2）包括第二追踪\/跟踪模块（7）、激光器（8）、与激光器（8）的激光发射端配合的激光能量发射装置（9），激光能量发射装置（9）包括激光发射天线；所述光伏电池板模块（4）包括光伏电池板组件（10），检测电路（6）包括多路信号采集模块（11）、与多路信号采集模块（11）输出端连接的电压比较模块（12）、与电压比较模块（12）输出端连接的控制器（13），光伏电池板组件（10）的数据端与多路信号采集模块（11）的输入端连接，控制器（13）的数据端与无人机姿态调整模块的数据端连接用于调整无人机的飞行姿态，同时控制器（13）将控制信号传输给地面激光发射端姿态调整模块用于调整地面激光发射端（2）的发射放向。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种激光补给无人机跟踪装置，其特征在于：所述电池板组件（10）包括若干光照传感器，若干光照传感器以十字形排列在光伏电池板组件（10）上，以十字形中心为起点朝四个方位延伸且在距离十字形中心等距的位置设有第一光照传感器，继续从第一光照传感器的安装位置朝外延伸设有第二光照传感器，将电池板组件的面板分为上、下、左、右四个方位，第一光照传感器按照上、下、左、右的方位分为第一光照传感器上侧传感器（14）、第一光照传感器下侧传感器（15）、第一光照传感器左侧传感器（16）以及第一光照传感器右侧传感器（17），第二光照传感器按照上、下、左、右的方位分为第二光照传感器上侧传感器（18）、第二光照传感器下侧传感器（19）、第二光照传感器左侧传感器（20）、第二光照传感器右侧传感器（21）。

3.根据权利要求2所述的一种激光补给无人机跟踪装置，其特征在于：所述光照传感器为光敏电阻，随着光照强度的增加，光敏电阻阻值减小。

4.根据权利要求1或3所述的一种激光补给无人机跟踪装置，其特征在于：所述地面激光发射端姿态调整模块包括追踪\/跟踪模块和激光发射天线,追踪\/跟踪模块主要包括安装在跟踪转台上的方位和俯仰电机、DSP控制与通信模块，DSP控制与通信模块是实现整个系统数据实时处理的核心，追踪\/跟踪模块根据检测电路反馈的信息计算出天线指向的坐标变换和方位角俯仰角公式，进而控制电机使转台进行跟踪。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于无人机及其附属设备领域，具体涉及一种激光补给无人机跟踪装置。

背景技术

无人机(UAV)因其体积小、重量轻、载荷比高、便于操作、隐蔽性好等优点，在军事和民用等各方面得到广泛应用。从无人机目前的应用需求与发展现状来看，无人机将主要向更加小型化、高生存率、长航时与多用途发展，这就对无人机的能源供给提出了更高的要求。

电动无人机需要面对机载蓄电池容量有限、续航时间短、充电繁杂的问题，极大地限制其功能的发挥，因此如何延长电动无人机续航的时间就变得格外重要。续航能力是无人机的一项重要性能参数，续航时间短是无人机的主要缺点之一。

《激光杂志》2013年第34卷第4期公开了李修乾发表的一篇名为无人机激光充电技术研究的文章，该类激光充能技术在给无人机充电过程中，关键技术是激光无线能量传输系统的跟踪瞄准。当需要充电时，无人机主动返回预定空域充电，地面激光发射装置与无人机距离适中方便充能。现有的激光无线能量传输系统的协作目标跟踪瞄准方法大部分是依靠角反射镜、LED与CCD组合来实现精确瞄准，但这样无疑会降低无人机的有效载荷。当无人机遭遇特殊情况，补给站不方便移动时，就需要通过激光超远距离来对无人机进行充电。此时可能导致激光光斑的大小完全覆盖光伏电池板的情况。

实用新型内容

本实用新型的目的主要是为了解决在使用用于无人机上的激光无线能量传输系统给无人机充能时，在距离过远的情况下，激光的光斑不能准确照射在无人机上光伏电池板中心位置以达到对能量最大利用的技术问题。

实用新型的目的是这样实现的：

一种激光补给无人机跟踪装置，包括无人机端以及地面控制端，无人机端包括无人机姿态调整模块、无人机上激光接收端，地面控制端包括地面激光发射端、地面激光发射端姿态调整模块，无人机端与地面控制端之间以无线通信的方式进行信号交互传输，无人机上激光接收端包括第一追踪\/跟踪模块、光伏电池板模块、与光伏电池板模块电能输入端连接的能量接收装置、与光伏电池板模块数据端连接的检测电路，能量接收装置包括能量接受天线，地面激光发射端包括第二追踪\/跟踪模块、激光器、与激光器的激光发射端配合的激光能量发射装置，激光能量发射装置包括激光发射天线；所述光伏电池板模块包括光伏电池板组件，检测电路包括多路信号采集模块、与多路信号采集模块输出端连接的电压比较模块、与电压比较模块输出端连接的控制器，光伏电池板组件的数据端与多路信号采集模块的输入端连接，控制器的数据端与无人机姿态调整模块的数据端连接用于调整无人机的飞行姿态，同时控制器将控制信号传输给地面激光发射端姿态调整模块用于调整地面激光发射端的发射放向。

上述电池板组件包括若干光照传感器，若干光照传感器以十字形排列在光伏电池板上，以十字形中心为起点朝四个方位延伸且在距离十字形中心等距的位置设有第一光照传感器，继续从第一光照传感器的安装位置朝外延伸设有第二光照传感器，将电池板组件的面板分为上、下、左、右四个方位，第一光照传感器按照上、下、左、右的方位分为第一光照传感器上侧传感器、第一光照传感器下侧传感器、第一光照传感器左侧传感器以及第一光照传感器右侧传感器，第二光照传感器按照上、下、左、右的方位分为第二光照传感器上侧传感器、第二光照传感器下侧传感器、第二光照传感器左侧传感器、第二光照传感器右侧传感器。

上述光照传感器为光敏电阻，随着光照强度的增加，光敏电阻阻值减小。

所述地面激光发射端姿态调整模块包括追踪\/跟踪模块和激光发射天线，追踪\/跟踪模块主要包括安装在跟踪转台上的方位和俯仰电机、DSP控制与通信模块，DSP控制与通信模块是实现整个系统数据实时处理的核心。追踪\/跟踪模块根据检测电路反馈的信息计算出天线指向的坐标变换和方位角俯仰角公式，进而控制电机使转台进行跟踪。

采用上述技术方案，能带来以下技术效果：

本实用新型提出一种新的激光补给无人机跟踪装置，用来解决当因为距离过远激光光斑完全覆盖光伏电池板的这种情况。利用八颗特性相近且校正过的光敏电阻两个一组分成为四组安装在光伏电池板四个方向负责侦测激光光源强度，来确保光斑中心位于电池板中心位置。通过传感器的电压值来更加精确的对光斑中心的定位追踪。当光斑中心可以和光伏电池板中心重合时，根据高斯光斑的特性，此时四个对称放置并校正过的传感器输出电压相等，则可求出光斑中心相对于光伏电池板中心东西、南北的偏移量Δ_{W-E<\/sub>、Δ_{N-S<\/sub>。这样可以让光伏电池板位于光斑中心位置以达到能量的最大利用。}}

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1是本实用新型的无人机远程激光充电系统图；

图2是本实用新型的检测电路原理图。

图3激光入射的偏转角度

图4是本实用新型的系统捕捉瞄准跟踪流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种激光补给无人机跟踪装置，包括无人机端以及地面控制端，无人机端包括无人机姿态调整模块、无人机上激光接收端1，地面控制端包括地面激光发射端2、地面激光发射端姿态调整模块，无人机端与地面控制端之间以无线通信的方式进行信号交互传输，所述无人机上激光接收端1包括第一追踪\/跟踪模块3、光伏电池板模块4、与光伏电池板模块4电能输入端连接的能量接收装置5、与光伏电池板模块4数据端连接的检测电路6，能量接收装置5包括能量接受天线，地面激光发射端2包括第二追踪\/跟踪模块7、激光器8、与激光器8的激光发射端配合的激光能量发射装置9，激光能量发射装置9包括激光发射天线；所述光伏电池板模块4包括光伏电池板组件10。

如图2所述，检测电路6包括多路信号采集模块11、与多路信号采集模块11输出端连接的电压比较模块12、与电压比较模块12输出端连接的控制器13，光伏电池板组件10的数据端与多路信号采集模块11的输入端连接，控制器13的数据端与无人机姿态调整模块的数据端连接用于调整无人机的飞行姿态，同时控制器13将控制信号传输给地面激光发射端姿态调整模块用于调整地面激光发射端2的发射放向。

所述电池板组件10包括若干光照传感器，若干光照传感器以十字形排列在光伏电池板10上，以十字形中心为起点朝四个方位延伸且在距离十字形中心等距的位置设有第一光照传感器，继续从第一光照传感器的安装位置朝外延伸设有第二光照传感器，将电池板组件的面板分为上、下、左、右四个方位，第一光照传感器按照上、下、左、右的方位分为第一光照传感器上侧传感器14、第一光照传感器下侧传感器15、第一光照传感器左侧传感器16以及第一光照传感器右侧传感器17，第二光照传感器按照上、下、左、右的方位分为第二光照传感器上侧传感器18、第二光照传感器下侧传感器19、第二光照传感器左侧传感器20、第二光照传感器右侧传感器21。

所述光照传感器为光敏电阻，随着光照强度的增加，光敏电阻阻值减小。

在使用时采用以下步骤：

1)建立起地面控制端与无人机端之间的链接，第一追踪\/跟踪模块3以及第二追踪\/跟踪模块7包括GPS模块，无人机端设备根据自身GPS坐标以及地面端设备GPS坐标，结合自身的姿态信息，得出初始指向；

2)建立起链接后，打开激光器，让光斑照射到光伏电池板上；

3)利用无人机上激光接收端1的检测电路6反馈的光伏电池板对称位置光敏传感器的电压信息来判断激光光斑中心的位置；

4)确定了光斑中心的大致位置后，通过检测电路6回馈，控制器13通过多路信号采集模块11、电压比较模块12的配合收集各个光照传感器电压的变化，从而输出控制信号，对无人机的飞行姿态以及地面激光发射端姿态进行调整，以使激光光斑的中心与光伏电池板中心重合。

步骤2)中打开激光器，使得激光光斑完全覆盖住光伏电池板上所以的光照度传感器。

在步骤3)中，通过电池板组件10面板上十字形上两条相互垂直直线上的光敏电阻上的电压值的大小判断激光光斑所在的位置。

在具体的型号选择上，DSP控制与通信模块选择的型号为TMS320F28335，控制与通信模块以DSP芯片为核心，实时采集光电探测单元输出信号并将相关数据发送至上位机，进行相关控制算法计算，输出电机驱动器控制信号。

在姿态调整中，俯仰驱动电机选择型号为J75LYX03的力矩电机，电机峰值堵转力矩为1.4N·m，连续堵转力矩为0.6N·m，电机外径为75mm，空载转速为650r\/min。方位驱动电机选择型号为J92LYX04的力矩电机，电机峰值堵转力矩为1.5N·m，连续堵转力矩为0.8N·m，电机外径为92mm，空载转速为500r\/min。

光敏电阻的型号选用3DU11，GPS模块选择的型号为UBLOX M8030，其特点是双模高精度定位，适用于无人机领域，尺寸为28×28×8.6mm，激光器选择DPSSLs二极管泵浦固体激光器，光伏电池板选择GaAs太阳能电池板，多路信号采集模块11可选用八路模拟信号采集模块，电压比较模块12可选用电压比较器，控制器13可选型号为AT89C51的单片机。

具体的，在实际操作时，如图2所示，将八颗特性相近且校正过的光敏电阻两个一组分成为四组安装在光伏电池板四个方向负责侦测激光光源强度。八个传感器分为四组，一组是A和a两个光敏电阻做为北方向的传感器，用以比较激光光斑强度的差异。当A和a两个传感器接受到的光源强度不一致时，系统会依据两传感器输出电压得到信号。光源强度增加，光敏电阻阻值减小，随之电压下降。若UA＞Ua，根据光敏电阻的特性可以判断光斑中心位于A和a两个传感器下方；若UA＜Ua，则可以判断光斑中心位于A和a两个传感器上方，此时驱动地面转台向下移动，直到输出电压UA＞Ua为止。一组是D和d两个光敏电阻做为南方向的传感器，若UD＞Ud，根据光敏电阻的特性可以判断光斑中心位于D和d两个传感器上方；若UD＜Ud，则可以判断光斑中心位于D和d两个传感器下方，此时驱动地面转台向上移动，直到输出电压UD＞Ud。利用同样的原理使UC＞Uc、Ub＜UB。

为了确保光斑中心可以和光伏电池板中心重合，追踪达到最优状态所需要的条件如下：

在通过光照传感器a，光照传感器b，光照传感器c，光照传感器d的电压值来更加精确的对光斑中心的定位追踪。当光斑中心可以和光伏电池板中心重合时，根据高斯光斑的特性，此时a，b，c，d四个对称放置并校正过的传感器输出电压相等，则光斑中心相对于光伏电池板中心东西、南北的偏移量Δ_{W-E<\/sub>、Δ_{N-S<\/sub>近似为：}}

K为东西、南北方向上的检测灵敏度，由光斑在沿东西和南北向的偏移量和输出电压值获得。通过检测东西和南北向的输出电压得到电池板在光斑中的偏移量。

如图3所示，若激光以角θ射在电池板时，我们还需要调整方位使用、激光垂直照射来提高充电效率。

在Δθ在XOZ平面和YOZ平面上的分量Δθ_{x<\/sub>和Δθ_{y<\/sub>为：}}

f为光学系统的焦距，经过结算后的角分量转换为模拟信号驱动地面发射装置进行调整发射角度。

在整个捕捉瞄准跟踪APT过程中，能量供给端与能量接收端的转台同时偏转来减少跟踪瞄准误差，且若某环节无法实现跟踪瞄准目标则返回第一步，APT流程图如图4所示。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

设计图

一种激光补给无人机跟踪装置论文和设计

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主设计要求

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