全文摘要
本发明供了一种无人机充电系统及无人机充电方法，该无人机充电系统包括无线充电接收装置、地面无线充电平台以及定位装置，无线充电接收装置设置在无人机上；地面无线充电平台设置在地面上；定位装置用于确定无人机与地面无线充电平台的相对位置以引导无人机降落到地面无线充电平台上；地面无线充电平台用于在无人机降落到地面无线充电平台上时通过无线充电接收装置为无人机充电。从而能够根据多旋翼无人机的剩余电量对其进行充电，保证多旋翼无人机持续进行作业，同时能够携带较大功率的有效载荷，扩展多旋翼无人机的应用范围。解决了现有技术中的多旋翼无人机电能储存不足从而不能长时间作业且不能携带大功率有效载荷的问题。
主设计要求
1.一种无人机充电系统，其特征在于，包括：无线充电接收装置(10)，设置在无人机(20)上；地面无线充电平台(30)，设置在地面上；定位装置(40)；其中，所述定位装置(40)用于确定所述无人机(20)与所述地面无线充电平台(30)的相对位置以引导所述无人机(20)降落到所述地面无线充电平台(30)上；所述地面无线充电平台(30)用于在所述无人机(20)降落到所述地面无线充电平台(30)上时通过所述无线充电接收装置(10)为所述无人机(20)充电。
设计方案
1.一种无人机充电系统，其特征在于，包括：
无线充电接收装置(10)，设置在无人机(20)上；
地面无线充电平台(30)，设置在地面上；
定位装置(40)；
其中，所述定位装置(40)用于确定所述无人机(20)与所述地面无线充电平台(30)的相对位置以引导所述无人机(20)降落到所述地面无线充电平台(30)上；所述地面无线充电平台(30)用于在所述无人机(20)降落到所述地面无线充电平台(30)上时通过所述无线充电接收装置(10)为所述无人机(20)充电。
2.根据权利要求1所述的无人机充电系统，其特征在于，所述无人机(20)包括动力电池组(50)以及与所述动力电池组(50)连接的电源管理单元(60)，所述无线充电接收装置(10)包括：
无线充电接收天线(11)和整流变换电路(12)，所述无线充电接收天线(11)通过所述整流变换电路(12)与所述电源管理单元(60)连接；
其中，所述地面无线充电平台(30)包括供电电源(31)、逆变电路(32)和无线充电发射天线(33)，所述供电电源(31)通过所述逆变电路(32)与所述无线充电发射天线(33)连接以将直流电转换为高频交流电并加载在所述无线充电发射天线(33)以产生交变电磁场；
所述定位装置(40)还用于在引导所述无人机(20)降落在所述地面无线充电平台(30)上时，使所述无线充电接收天线(11)与所述无线充电发射天线(33)相互对准以使所述无线充电接收天线(11)耦合到所述交变电磁场产生一定强度的交流电并通过所述整流变换电路(12)整流后为所述动力电池组(50)充电。
3.根据权利要求2所述的无人机充电系统，其特征在于，所述地面无线充电平台(30)还包括：
无线充电控制单元(34)，所述无线充电控制单元(34)与所述供电电源(31)和所述逆变电路(32)连接以对所述供电电源(31)和所述逆变电路(32)进行控制；
地面通信单元(35)，与所述无线充电控制单元(34)连接；
其中，所述无人机充电系统还包括设置在所述无人机(20)上的无人机主控单元(70)和无人机通信单元(80)，所述无人机主控单元(70)与所述电源管理单元(60)连接以监测所述动力电池组(50)的电量并对所述动力电池组(50)的充电过程进行控制；
所述无人机主控单元(70)通过所述无人机通信单元(80)与所述地面通信单元(35)建立通信连接，以在所述动力电池组(50)的电量充满时向所述无线充电控制单元(34)发送终止充电指令，所述无线充电控制单元(34)根据所述终止充电指令切断所述供电电源(31)以停止向所述动力电池组(50)充电。
4.根据权利要求3所述的无人机充电系统，其特征在于，所述定位装置(40)包括：
GPS定位单元(41)，设置在所述无人机(20)上，所述GPS定位单元(41)用于获取所述无人机(20)的经度、纬度以及飞行速度信息；
传感器单元(42)，设置在所述无人机(20)上，所述传感器单元(42)用于获取所述无人机(20)三个轴向的比力加速度值、三个轴向的角速度值、三个轴向的磁场强度值以及高度值。
5.根据权利要求4所述的无人机充电系统，其特征在于，所述定位装置(40)还包括：
超声波发生器(43)，设置在所述无人机(20)上并与所述无人机主控单元(70)连接；
超声波接收器(44)，所述超声波接收器(44)为多个，多个所述超声波接收器(44)沿预设直线方向间隔设置在所述地面无线充电平台(30)上；
其中，所述超声波发生器(43)用于发射超声波信号，各个所述超声波接收器(44)用于接收所述超声波信号；
所述无线充电控制单元(34)用于根据各个所述超声波接收器(44)接收超声波信号与所述超声波发生器(43)发射超声波信号的时间差计算出所述超声波发生器(43)与各个所述超声波接收器(44)之间的距离；
所述无人机主控单元(70)用于根据所述超声波发生器(43)与各个所述超声波接收器(44)之间的距离对所述无人机(20)与所述地面无线充电平台(30)的相对位置进行调整；并在所述超声波发生器(43)与各个所述超声波接收器(44)之间的距离满足预设条件时，控制所述无人机(20)降落到所述地面无线充电平台(30)上以使所述无线充电接收天线(11)与所述无线充电发射天线(33)相互对准。
6.一种无人机充电方法，所述无人机充电方法应用于权利要求1至5中任一项所述的无人机充电系统，其特征在于，所述充电方法包括：
确定无人机(20)与地面无线充电平台(30)的相对位置并引导所述无人机(20)降落到所述地面无线充电平台(30)上；
由所述地面无线充电平台(30)通过搭载在所述无人机(20)上的无线充电接收装置(10)以电磁耦合的方式向所述无人机(20)充电。
7.根据权利要求6所述的无人机充电方法，其特征在于，所述确定无人机(20)与地面无线充电平台(30)的相对位置并引导所述无人机(20)降落到所述地面无线充电平台(30)上包括：
通过搭载在所述无人机(20)上的GPS定位单元(41)和传感器单元(42)获取所述无人机(20)的位置信息和飞行状态信息；
由搭载在所述无人机(20)上的无人机主控单元(70)与所述地面无线充电平台(30)上的无线充电控制单元(34)建立通信连接；
由所述无人机主控单元(70)和所述地面无线充电平台(30)根据所述无人机(20)的位置信息和飞行状态信息以及所述地面无线充电平台(30)的位置信息控制所述无人机(20)飞行至所述地面无线充电平台(30)的上空附近；
其中，所述无人机(20)的位置信息和飞行状态信息包括以下至少之一：经度、纬度、飞行速度、三个轴向的比力加速度值、三个轴向的角速度值、三个轴向的磁场强度值以及高度值。
8.根据权利要求7所述的无人机充电方法，其特征在于，所述确定无人机(20)与地面无线充电平台(30)的相对位置并引导所述无人机(20)降落到所述地面无线充电平台(30)上还包括：
通过搭载在所述无人机(20)上的超声波发生器(43)向设置在所述地面无线充电平台(30)上的多个超声波接收器(44)发射超声波信号；
由所述无线充电控制单元(34)根据各个所述超声波接收器(44)接收到所述超声波信号与所述超声波发生器(43)发出所述超声波信号的时间差计算出所述超声波发生器(43)与各个所述超声波接收器(44)之间的距离；
当所述超声波发生器(43)与各个所述超声波接收器(44)之间的距离满足预设条件时，由所述无人机主控单元(70)控制所述无人机(20)降落到所述地面无线充电平台(30)上以使搭载在所述无人机(20)上的无线充电接收天线(11)与设置在所述地面无线充电平台(30)上的无线充电发射天线(33)相互对准以电磁耦合的方式向所述无人机(20)充电；
其中，各个所述超声波接收器(44)沿预设直线方向间隔设置在所述地面无线充电平台(30)上。
9.根据权利要求8所述的无人机充电方法，其特征在于，所述超声波接收器(44)为三个，位于中间的一个所述超声波接收器(44)与位于两侧的两个所述超声波接收器(44)之间的距离相等；
当所述超声波发生器(43)和位于中间的一个所述超声波接收器(44)之间的距离与所述无人机(20)的高度值相等且所述超声波发生器(43)与位于两侧的两个所述超声波接收器(44)之间的距离相等时控制所述无人机(20)降落到所述地面无线充电平台(30)上以使所述无线充电接收天线(11)与所述无线充电发射天线(33)相互对准；
其中，所述超声波发生器(43)安装在所述无线充电接收天线(11)的中心点或中心点的轴向延长线上；位于中间的所述超声波接收器(44)安装在所述无线充电发射天线(33)的中心点上。
10.根据权利要求6所述的无人机充电方法，其特征在于，由所述地面无线充电平台(30)通过所述无线充电接收装置(10)以电磁耦合的方式向所述无人机(20)充电包括：
通过逆变电路将直流电转换为高频交流电并加载在所述地面无线充电平台(30)的无线充电发射天线(33)上以产生交变电磁场；
由所述无线充电接收装置(10)的无线充电接收天线(11)耦合到所述交变电磁场产生一定强度的交流电并通过所述无线充电接收装置(10)的整流变换电路(12)整流后向所述无人机(20)充电。
设计说明书
技术领域
本发明涉及一种无人机充电系统及无人机充电方法。
背景技术
多旋翼无人机具有操控简单、可以垂直起降、升空高度相对较高、起飞后可在空中长时间悬停等特点。目前已经广泛应用于救灾抢险、环境监测、边境巡视、基地安保、景区监测、地质勘测、野外作业、森林防火、应急通信、公安反恐、交通监管、新闻广播、工程监控、影视拍摄、物联网、科学研究、国防军事等领域。
然而现有的多旋翼无人机能量来源一般是自身携带的锂电池，要靠这有限的能量不仅要供无人机飞行，同时要对机上其他载荷或电子设备供电。现有的多旋翼无人机很多只能飞行一两个小时，而且不能携带较大功率的有效载荷，从而极大地限制了多旋翼无人机的应用范围。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种无人机充电系统及无人机充电方法，以解决现有技术中的多旋翼无人机电能储存不足从而不能长时间作业且不能携带大功率有效载荷的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供了一种无人机充电系统，包括：无线充电接收装置，设置在无人机上；地面无线充电平台，设置在地面上；定位装置；其中，定位装置用于确定无人机与地面无线充电平台的相对位置以引导无人机降落到地面无线充电平台上；地面无线充电平台用于在无人机降落到地面无线充电平台上时通过无线充电接收装置为无人机充电。
进一步地，无人机包括动力电池组以及与动力电池组连接的电源管理单元，无线充电接收装置包括：无线充电接收天线和整流变换电路，无线充电接收天线通过整流变换电路与电源管理单元连接；其中，地面无线充电平台包括供电电源、逆变电路和无线充电发射天线，供电电源通过逆变电路与无线充电发射天线连接以将直流电转换为高频交流电并加载在无线充电发射天线以产生交变电磁场；定位装置还用于在引导无人机降落在地面无线充电平台上时，使无线充电接收天线与无线充电发射天线相互对准以使无线充电接收天线耦合到交变电磁场产生一定强度的交流电并通过整流变换电路整流后为动力电池组充电。
进一步地，地面无线充电平台还包括：无线充电控制单元，无线充电控制单元与供电电源和逆变电路连接以对供电电源和逆变电路进行控制；地面通信单元，与无线充电控制单元连接；其中，无人机充电系统还包括设置在无人机上的无人机主控单元和无人机通信单元，无人机主控单元与电源管理单元连接以监测动力电池组的电量并对动力电池组的充电过程进行控制；无人机主控单元通过无人机通信单元与地面通信单元建立通信连接，以在动力电池组的电量充满时向无线充电控制单元发送终止充电指令，无线充电控制单元根据终止充电指令切断供电电源以停止向动力电池组充电。
进一步地，定位装置包括：GPS定位单元，设置在无人机上，GPS定位单元用于获取无人机的经度、纬度以及飞行速度信息；传感器单元，设置在无人机上，传感器单元用于获取无人机三个轴向的比力加速度值、三个轴向的角速度值、三个轴向的磁场强度值以及高度值。
进一步地，定位装置还包括：超声波发生器，设置在无人机上并与无人机主控单元连接；超声波接收器，超声波接收器为多个，多个超声波接收器沿预设直线方向间隔设置在地面无线充电平台上；其中，超声波发生器用于发射超声波信号，各个超声波接收器用于接收超声波信号；无线充电控制单元用于根据各个超声波接收器接收超声波信号与超声波发生器发射超声波信号的时间差计算出超声波发生器与各个超声波接收器之间的距离；无人机主控单元用于根据超声波发生器与各个超声波接收器之间的距离对无人机与地面无线充电平台的相对位置进行调整；并在超声波发生器与各个超声波接收器之间的距离满足预设条件时，控制无人机降落到地面无线充电平台上以使无线充电接收天线与无线充电发射天线相互对准。
根据本发明的第二个方面，提供了一种无人机充电方法，无人机充电方法应用于上述内容的无人机充电系统，充电方法包括：确定无人机与地面无线充电平台的相对位置并引导无人机降落到地面无线充电平台上；由地面无线充电平台通过搭载在无人机上的无线充电接收装置以电磁耦合的方式向无人机充电。
进一步地，确定无人机与地面无线充电平台的相对位置并引导无人机降落到地面无线充电平台上包括：通过搭载在无人机上的GPS定位单元和传感器单元获取无人机的位置信息和飞行状态信息；由搭载在无人机上的无人机主控单元与地面无线充电平台上的无线充电控制单元建立通信连接；
由无人机主控单元和地面无线充电平台根据无人机的位置信息和飞行状态信息以及地面无线充电平台的位置信息控制无人机飞行至地面无线充电平台的上空附近；
其中，无人机的位置信息和飞行状态信息包括以下至少之一：经度、纬度、飞行速度、三个轴向的比力加速度值、三个轴向的角速度值、三个轴向的磁场强度值以及高度值。
进一步地，确定无人机与地面无线充电平台的相对位置并引导无人机降落到地面无线充电平台上还包括：通过搭载在无人机上的超声波发生器向设置在地面无线充电平台上的多个超声波接收器发射超声波信号；由无线充电控制单元根据各个超声波接收器接收到超声波信号与超声波发生器发出超声波信号的时间差计算出超声波发生器与各个超声波接收器之间的距离；当超声波发生器与各个超声波接收器之间的距离满足预设条件时，由无人机主控单元控制无人机降落到地面无线充电平台上以使搭载在无人机上的无线充电接收天线与设置在地面无线充电平台上的无线充电发射天线相互对准以电磁耦合的方式向无人机充电；其中，各个超声波接收器沿预设直线方向间隔设置在地面无线充电平台上。
进一步地，超声波接收器为三个，位于中间的一个超声波接收器与位于两侧的两个超声波接收器之间的距离相等；当超声波发生器和位于中间的一个超声波接收器之间的距离与无人机的高度值相等且超声波发生器与位于两侧的两个超声波接收器之间的距离相等时控制无人机降落到地面无线充电平台上以使无线充电接收天线与无线充电发射天线相互对准；其中，超声波发生器安装在无线充电接收天线的中心点或中心点的轴向延长线上；位于中间的超声波接收器安装在无线充电发射天线的中心点上。
进一步地，由地面无线充电平台通过无线充电接收装置以电磁耦合的方式向无人机充电包括：通过逆变电路将直流电转换为高频交流电并加载在地面无线充电平台的无线充电发射天线上以产生交变电磁场；由无线充电接收装置的无线充电接收天线耦合到交变电磁场产生一定强度的交流电并通过无线充电接收装置的整流变换电路整流后向无人机充电。
应用本发明技术方案的无人机充电系统，包括无线充电接收装置、地面无线充电平台以及定位装置，无线充电接收装置设置在无人机上；地面无线充电平台设置在地面上；定位装置用于确定无人机与地面无线充电平台的相对位置以引导无人机降落到地面无线充电平台上；地面无线充电平台用于在无人机降落到地面无线充电平台上时通过无线充电接收装置为无人机充电。从而在多旋翼无人机进行作业过程中，能够根据多旋翼无人机的剩余电量对其进行充电，保证多旋翼无人机持续进行作业，同时能够携带较大功率的有效载荷，扩展多旋翼无人机的应用范围。解决了现有技术中的多旋翼无人机电能储存不足从而不能长时间作业且不能携带大功率有效载荷的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例可选的一种无人机充电系统的结构框图；
图2是根据本发明实施例可选的一种无人机充电系统所应用的无人机的结构示意图；以及
图3是根据本发明实施例可选的一种无人机充电系统为无人机充电时的定位原理示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、无线充电接收装置；11、无线充电接收天线；12、整流变换电路；20、无人机；30、地面无线充电平台；31、供电电源；32、逆变电路；33、无线充电发射天线；34、无线充电控制单元；35、地面通信单元；40、定位装置；41、GPS定位单元；42、传感器单元；43、超声波发生器；44、超声波接收器；50、动力电池组；60、电源管理单元；70、无人机主控单元；80、无人机通信单元；90、太阳能光伏电池组；91、直流变换电路。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
根据本发明实施例的无人机充电系统，如图1所示，包括无线充电接收装置10、地面无线充电平台30以及定位装置40，无线充电接收装置10设置在无人机20上；地面无线充电平台30设置在地面上；定位装置40用于确定无人机20与地面无线充电平台30的相对位置以引导无人机20降落到地面无线充电平台30上；地面无线充电平台30用于在无人机20降落到地面无线充电平台30上时通过无线充电接收装置10为无人机20充电。从而在多旋翼无人机进行作业过程中，能够根据多旋翼无人机的剩余电量对其进行充电，保证多旋翼无人机持续进行作业，同时能够携带较大功率的有效载荷，扩展多旋翼无人机的应用范围。解决了现有技术中的多旋翼无人机电能储存不足从而不能长时间作业且不能携带大功率有效载荷的问题。
具体实施时，无人机20包括动力电池组50、电源管理单元60、无人机主控单元70以及无人机通信单元80，动力电池组50与电源管理单元60，无人机主控单元70与电源管理单元60以及无人机通信单元80均连接；无人机主控单元70与电源管理单元60连接用于监测动力电池组50的电量并对动力电池组50的充电过程进行控制。无线充电接收装置10包括无线充电接收天线11和整流变换电路12，无线充电接收天线11通过整流变换电路12与电源管理单元60连接。
地面无线充电平台30包括供电电源31、逆变电路32、无线充电发射天线33、无线充电控制单元34以及地面通信单元35，供电电源31为直流电源，供电电源31通过逆变电路32与无线充电发射天线33连接以将直流电转换为高频交流电并加载在无线充电发射天线33上以产生交变电磁场，无线充电控制单元34与供电电源31和逆变电路32连接以对供电电源31和逆变电路32进行控制；无人机20降落在地面无线充电平台30上时，使无线充电接收天线11与无线充电发射天线33相互对准以使无线充电接收天线11耦合到交变电磁场产生一定强度的交流电并通过整流变换电路12整流后为动力电池组50充电。
地面通信单元35与无线充电控制单元34连接，无人机主控单元70通过无人机通信单元80与地面通信单元35建立通信连接，当无人机主控单元70监测到动力电池组50的电量充满时通过无人机通信单元80和地面通信单元35进行通信从而向无线充电控制单元34发送终止充电指令，无线充电控制单元34根据终止充电指令切断供电电源31以停止向动力电池组50充电。
进一步地，定位装置40包括GPS定位单元41和传感器单元42，GPS定位单元41和传感器单元42均设置在无人机20上，GPS定位单元41用于获取无人机20的经度、纬度以及飞行速度信息；传感器单元42包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和气压计，三轴加速度计用于获取无人机20三个轴向的比力加速度值，三轴陀螺仪用于获取无人机20三个轴向的角速度值，三轴磁力计用于获取无人机20三个轴向的磁场强度值，通过气压计获得无人机20所处高度的气压值可以计算得到无人机20的高度值。
通过GPS定位单元41和传感器单元42的配合可以使无人机20飞行至地面无线充电平台30上空附近实现大致的定位，但是该定位精度无法满足使无线充电接收天线11与无线充电发射天线33相互对准进行充电的要求。
进一步地，定位装置40还包括超声波发生器43和超声波接收器44，超声波发生器43设置在无人机20上并与无人机主控单元70连接；超声波接收器44为多个，多个超声波接收器44沿预设直线方向间隔设置在地面无线充电平台30上；具体地，超声波接收器44为三个，位于中间的一个超声波接收器44与位于两侧的两个超声波接收器44之间的距离相等；超声波发生器43安装在无线充电接收天线11的中心点或中心点的轴向延长线上；位于中间的超声波接收器44安装在无线充电发射天线33的中心点上。
超声波发生器43用于发射超声波信号，各个超声波接收器44用于接收超声波信号；无线充电控制单元34用于根据各个超声波接收器44接收超声波信号与超声波发生器43发射超声波信号的时间差计算出超声波发生器43与各个超声波接收器44之间的距离；无人机主控单元70用于根据超声波发生器43与各个超声波接收器44之间的距离对无人机20与地面无线充电平台30的相对位置进行调整，当超声波发生器43和位于中间的一个超声波接收器44之间的距离与无人机20的高度值相等且超声波发生器43与位于两侧的两个超声波接收器44之间的距离相等时，无人机主控单元70控制无人机20降落到地面无线充电平台30上以使无线充电接收天线11与无线充电发射天线33相互对准，以使无线充电接收天线11耦合到无线充电发射天线33产生的交变电磁场中，从而产生一定强度的交流电并通过整流变换电路12整流后为动力电池组50充电。
根据本发明的第二个方面，提供了一种无人机充电方法，该无人机充电方法应用于上述实施例的无人机充电系统，该充电方法包括：确定无人机20与地面无线充电平台30的相对位置并引导无人机20降落到地面无线充电平台30上；由地面无线充电平台30通过搭载在无人机20上的无线充电接收装置10以电磁耦合的方式向无人机20充电。
具体地，确定无人机20与地面无线充电平台30的相对位置并引导无人机20降落到地面无线充电平台30上包括：通过搭载在无人机20上的GPS定位单元41和传感器单元42获取无人机20的位置信息和飞行状态信息，无人机20的位置信息和飞行状态信息包括以下至少之一：经度、纬度、飞行速度、三个轴向的比力加速度值、三个轴向的角速度值、三个轴向的磁场强度值以及高度值；由搭载在无人机20上的无人机主控单元70与地面无线充电平台30上的无线充电控制单元34建立通信连接；由无人机主控单元70和地面无线充电平台30根据无人机20的位置信息和飞行状态信息以及地面无线充电平台30的位置信息控制无人机20飞行至地面无线充电平台30的上空附近以实现大概定位。
为了实现无人机20与地面无线充电平台30的精确定位，从而使无线充电接收天线11与无线充电发射天线33相互对准，进一步地，确定无人机20与地面无线充电平台30的相对位置并引导无人机20降落到地面无线充电平台30上还包括：通过搭载在无人机20上的超声波发生器43向设置在地面无线充电平台30上的多个超声波接收器44发射超声波信号；由无线充电控制单元34根据各个超声波接收器44接收到超声波信号与超声波发生器43发出超声波信号的时间差计算出超声波发生器43与各个超声波接收器44之间的距离；具体地，超声波接收器44为三个，位于中间的一个超声波接收器44与位于两侧的两个超声波接收器44之间的距离相等；超声波发生器43安装在无线充电接收天线11的中心点或中心点的轴向延长线上；位于中间的超声波接收器44安装在无线充电发射天线33的中心点上；当超声波发生器43和位于中间的一个超声波接收器44之间的距离与无人机20的高度值相等且超声波发生器43与位于两侧的两个超声波接收器44之间的距离相等时由无人机主控单元70控制无人机20降落到地面无线充电平台30上以使搭载在无人机20上的无线充电接收天线11与设置在地面无线充电平台30上的无线充电发射天线33相互对准以电磁耦合的方式向无人机20充电。
在实际应用时，本发明的无人机充电系统既可以由上述实施例的无线充电接收装置10和地面无线充电平台30配合对无人机20进行充电，同时，如图1和图2所示，也可以利用太阳能光伏电池组90为无人机20进行充电。无人机20飞行过程中表面可被太阳照射到的部分设计太阳能光伏电池组90，太阳能光伏电池组90通过直流变换电路91连接到动力电池组50的充电端口上从而将太阳能转换为电能为无人机20充电。太阳能光伏电池组90可以由多晶硅电池、单晶硅电池、异质结电池、薄膜电池、钙钛矿电池、染料敏化电池、砷化镓电池等太阳能电池的一种或几种组成，太阳能光伏电池组90按照无人机20的动力电池组50额定的充电电压通过串联和并联组合成一个电池组。
动力电池组50可由可充电的锂电池等组成，动力电池组50充电输入端口与无线充电接收装置10的整流变换电路12连接，动力电池组50输出端口与电源管理单元60连接，电源管理单元60包括多个升压或降压的DC\/DC转换电路、稳压电路、输出均衡电路和输出切换电路组成，其输出受无人机主控单元70控制。动力电池组50的输出经电源管理单元60的转换后连接到无人机20的驱动电机、其它设备载荷、GPS定位单元41、传感器单元42、超声波发生器43以及无人机主控单元70，为上述设备供电。
无线充电接收装置10的无线充电接收天线11安装在无人机20载荷的底部，通过一个非金属材料制作的托架结构与无人机20本体连接。地面无线充电平台30一般安装在移动车辆上，地面无线充电平台30的供电电源31可由地面车辆车载电源、后备电池组、地面太阳能发电系统或其它后备电源形式从供电端口输入，设计为直流供电。
在无人机20飞行过程中，无人机主控单元70会实时监测无人机20的动力电池组50的剩余电量和无人机20的实时坐标信息，计算返回最近的地面无线充电平台30的飞行时间和所需电池电量，当动力电池组50的剩余电量和太阳能电池组当前能稳定提供的电量之和接近返回最近的地面无线充电平台30所需的电量时，无人机主控单元70与地面无线充电平台30的无线充电控制单元34建立无线通信连接并开始返航，无人机20通过定位装置40以及与无线充电控制单元34的通信连接确定自身位置以及地面无线充电平台30的无线充电发射天线33的位置，并引导无人机20返回到地面无线充电平台30，并将无线充电接收天线11的线圈对准地面无线充电平台30的无线充电发射天线33的线圈后降落。
具体地，定位装置40包括搭载在无人机20上的GPS定位单元41、传感器单元42和超声波发生器43以及设置在地面无线充电平台30上的超声波接收器44，超声波接收器44配套有相应的A\/D转换电路和滤波电路。
当无人机20返航需要充电时，无人机主控单元70与地面无线充电平台30的无线充电控制单元34通过通信网络建立无线通信连接，利用GPS定位单元41和传感器单元42的组合导航实现初步定位，其中，GPS定位单元41可采用高精度的差分GPS定位单元，其精度可以达到厘米级，但还不能完全满足无线充电精确定位的需要。当无人机20通过GPS定位单元41和传感器单元42组合定位飞行至地面无线充电平台30上空附近，并按照GPS定位单元41和传感器单元42组合所能实现的精度完成空中定位后，无人机20开始利用超声波发生器43和超声波接收器44进入高精度定位模式。其中，超声波发生器43安装在无线充电接收天线11的线圈中心点或中心点轴向延长线上；超声波接收器44为多个，在本实施例中，超声波接收器44为三个，三个超声波接收器44安装在一条直线上，如图3所示，例如三个超声波接收器44分别为接收器A、接收器B和接收器C，接收器B安装在中间并与无线充电发射天线33的线圈的中心点重合，接收器A和接收器C分列两端，接收器B和接收器A之间的距离与接收器B和接收器C之间的距离相等。
定位实施时调整无人机20的各个驱动电机的转速使得无人机20悬停在空中G点处，距离地面高度为a，其中，无人机20的高度可以通过传感器单元42中的气压计的测量数据计算得出。无人机20在定位时利用超声波发生器43发射出超声波信号，并以接收器B为中心围绕接收器B不断搜索，最终使各个超声波接收器44均能接收到超声波发生器43发出的超声波信号，超声波接收器44接收到的超声波信号后经过滤波电路和A\/D转换电路转换后送到地地面无线充电平台30的无线充电控制单元34的模拟量输入接口。由于GPS定位单元41和传感器单元42定位精度范围的限制，无人机20可能停留在偏离接收器B一定距离的某个位置上。以各个超声波接收器44接收到的超声波信号的时间和超声波发生器43发射超声波的时间差计为T，可由d＝CT(C为超声波在空气中的传播速度)计算出超声波发生器43与各个超声波接收器44之间的距离r1、r2和r3，无人机20在保持高度的同时继续调整位置，当无人机20更加靠近接收器B时，r1、r2和r3的长度会不断缩短，当超声波发生器43与接收器B的距离r2＝a，且r1＝r3时，即是无人机20停留在接收器B之上，无线充电发射天线33和无线充电接收天线11的线圈中心点正对，此时，无人机20可进入着陆模式，可以开始缓慢降低飞行高度，当检测到高度小于无人机可停机降落的阈值时，无人机20的驱动电机停止转动，无人机20垂直降落在地面无线充电平台30上并使无线充电接收天线11与无线充电发射天线33相互对准，从而完成了天线之间的精确定位。
超声波发生器43发送的超声波有一定的波束角，以使各个超声波接收器44在定位时都能接收到超声波信号。当无人机20停留在高度a且超声波发生器43中心点正对接收器B时，超声波发生器43发射的超声波的波束角设计时应大于以超声波发生器43中心点G为顶点的夹角∠AGC。
无人机20在进行无线充电时，供电电源31输出的直流电通过逆变电路32转换成高频交流电加载在无线充电发射天线33的线圈上产生交变电磁场，无人机20的无线充电接收天线11耦合到交变磁场后产生一定强度的交流电流，交流电流经过整流变换电路12转换为直流电从充电端口输入到无人机20的动力电池组50，从而为无人机20自动充电。在整个充电过程中，无人机主控单元70会持续监测动力电池组50的电量，当动力电池组50充满电后，无人机主控单元70通过通信发送停止充电命令给地面无线充电平台30的无线充电控制单元34，终止充电过程。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201910583399.3
申请日:2019-07-01
公开号:CN110182090A
公开日:2019-08-30
国家:CN
国家/省市:11(北京)
授权编号:授权时间:主分类号:B60L 53/38
专利分类号:B60L53/38;B60L53/36;B60L53/62;B60L53/66;B60L58/12
范畴分类:32B;37C;
申请人:北京有感科技有限责任公司
第一申请人:北京有感科技有限责任公司
申请人地址:100085 北京市海淀区上地三街9号D座412室
发明人:王哲;陆钧;贺凡波;葛俊杰;马俊超
第一发明人:王哲
当前权利人:北京有感科技有限责任公司
代理人:叶树明
代理机构:11265
代理机构编号:北京挺立专利事务所（普通合伙）
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计