本發(fā)明涉及無人飛行器產(chǎn)品制造技術(shù)領(lǐng)域，具體說是一種基于磁耦合無線輸電技術(shù)的無人機(jī)充電裝置。

背景技術(shù)：

自多軸無人器發(fā)明以來，其便于控制，飛行難度不大，穩(wěn)定性更強(qiáng)，使用范圍更廣闊的優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注，在地質(zhì)勘探,測(cè)繪,航拍,無線自主跟蹤,物質(zhì)運(yùn)輸?shù)确矫婢哂芯薮鬂摿?。然而制約于電池技術(shù)的發(fā)展，其相對(duì)于固定翼飛行器留空時(shí)間更短的問題十分突出?，F(xiàn)有的多旋翼無人機(jī)充電技術(shù)大多是采用更換電池的方式。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面原因，充電步驟較為繁瑣，頻繁對(duì)接也容易對(duì)系統(tǒng)的可靠性帶來影響，比如多次插拔對(duì)接操作會(huì)引起機(jī)械磨損，導(dǎo)致接觸松動(dòng)，不能有效傳輸電能；如果連接部件出現(xiàn)污物，將會(huì)導(dǎo)致接觸不良或者電連接失敗；若在潮濕或存在導(dǎo)電介質(zhì)的環(huán)境中，也極容易引起電路短路，每次使用完畢都需要手動(dòng)取出電池充電，嚴(yán)重降低了無人飛行器的使用效率和應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種以磁耦合諧振式線圈進(jìn)行無線充電的基于磁耦合無線輸電技術(shù)的無人機(jī)充電裝置。

利用兩個(gè)具有相同諧振頻率的線圈在相距一定的距離時(shí)，由于磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生諧振，從而進(jìn)行能量傳遞。一般來說，兩個(gè)有一定距離的線圈相互之間是弱耦合，但若兩者具有相同的諧振頻率，則會(huì)產(chǎn)生電磁諧振，構(gòu)成一個(gè)電磁諧振系統(tǒng)，如果某一端連接電源不斷為該諧振系統(tǒng)提供能量，而另一方消耗能量，則實(shí)現(xiàn)了電能的傳輸，其傳輸功率可達(dá)到幾百瓦以上至幾千瓦。之所以稱其為“磁耦合諧振”，是因?yàn)榭臻g進(jìn)行能量傳遞的媒介是交變磁場(chǎng)。該技術(shù)與感應(yīng)耦合傳輸方式相比，其能量傳輸距離更遠(yuǎn)（理論上可以達(dá)到幾十厘米以上至幾米），與微波式能量傳輸相比，其傳輸效率更高，對(duì)生物的影響更小，而且不受環(huán)境中一般障礙物的影響。

本發(fā)明進(jìn)一步的設(shè)計(jì)方案中，基于磁耦合無線輸電技術(shù)的無人機(jī)充電裝置還包括自動(dòng)充電助降模塊，所述自動(dòng)充電助降模塊包括設(shè)于所述無線充電模塊上的助降標(biāo)靶和設(shè)置于無人飛行器上的攝像頭和主控單元，所述主控模塊分別與所述攝像頭及供電控制電路連接，所述攝像頭與所述主控單元連接，所述主控單元通過所述攝像頭識(shí)別到所述無線充電模塊上的助降標(biāo)靶后控制無人飛行器精確降落至所述無線充電模塊處。

本發(fā)明進(jìn)一步的設(shè)計(jì)方案中，還包括無線發(fā)射單元、無線接收單元和繼電器。所述無線發(fā)射單元與所述主控單元連接，所述無線接收單元與所述繼電器連接，所述繼電器與所述無線充電模塊連接，控制無線充電模塊的開啟和關(guān)閉，所述無線接收單元通過接收無線發(fā)射單元的無線型號(hào)對(duì)所述繼電器進(jìn)行控制。

本發(fā)明進(jìn)一步的設(shè)計(jì)方案中，上述助降標(biāo)靶為h形，設(shè)置于所述無線充電模塊殼體的上表面。

本發(fā)明進(jìn)一步的設(shè)計(jì)方案中，上述主控單元采用stm32f103單片機(jī)，所述攝像頭的型號(hào)為ov7670，所述攝像頭安裝于無人飛行器的底面。無線發(fā)射單元型號(hào)為t630，無線接收單元型號(hào)為t631。

本發(fā)明具有以下突出的有益效果：

本發(fā)明的基于磁耦合無線輸電技術(shù)的無人機(jī)充電裝置通過磁耦合諧振式線圈對(duì)無人飛行器進(jìn)行無線充電，無需人工手動(dòng)進(jìn)行充電，本發(fā)明的基于磁耦合無線輸電技術(shù)的無人機(jī)充電裝置還通過設(shè)置自動(dòng)充電助降模塊，使得無人機(jī)能夠在充電電池不足的情況下自動(dòng)返航并自動(dòng)識(shí)別尋找無線充電模塊、精確降落進(jìn)行充電，極大地提高了無人飛行器的使用效率和應(yīng)用領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是實(shí)施例中基于磁耦合無線輸電技術(shù)的無人機(jī)充電裝置的連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是實(shí)施例中標(biāo)識(shí)有h形助降標(biāo)靶的無線充電模塊殼體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實(shí)施例中帶中繼線圈的磁耦合電能傳輸原理示意圖；

圖4為實(shí)施例中帶中繼線圈的磁耦合電能傳輸?shù)刃щ娐穲D；

圖5為實(shí)施例中整流穩(wěn)壓電路的電路圖。

圖中，1-無線充電模塊，2-能量接收模塊，3-整流濾波電路，4-高頻逆變電路，5-發(fā)射線圈，6-中繼線圈，7-接收線圈，8-整流穩(wěn)壓電路，9-供電控制電路，10-可充電電池，11-無線遙控發(fā)射單元，12-主控單元，13-攝像頭，14-助降標(biāo)靶，15-無線充電模塊殼體，16-無線遙控接收單元；17-繼電器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例

一種基于磁耦合無線輸電技術(shù)的無人機(jī)充電裝置，包括無線充電模塊1、自動(dòng)充電助降模塊、安裝于無人飛行器內(nèi)的能量接收模塊2、無線遙控發(fā)射單元11、無線遙控接收單元16和繼電器17，無線充電模塊1包括依次連接的整流濾波電路3、高頻逆變電路4、發(fā)射線圈5和位于得到發(fā)射線圈5平面內(nèi)且軸線與發(fā)射線圈5的軸線重合的中繼線圈6，能量接收模塊2包括依次連接的接收線圈7、整流穩(wěn)壓電路8和供電控制電路9，供電控制電路9與可充電電池10連接，中繼線圈6與接收線圈7的尺寸相同，自動(dòng)充電助降模塊包括設(shè)于無線充電模塊1上的助降標(biāo)靶14和設(shè)置于無人飛行器上的攝像頭13和主控單元12，主控模塊分別與攝像頭13及供電控制電路9連接，主控單元12采用stm32f103單片機(jī)，攝像頭13的型號(hào)為ov7670，攝像頭13安裝于無人飛行器的底面。無線發(fā)射單元型號(hào)為t630，無線接收單元型號(hào)為t631；無線遙控發(fā)射單元11與主控單元12連接，無線遙控接收單元16與繼電器17連接，繼電器17與無線充電模塊1連接，控制無線充電模塊1的開啟和關(guān)閉，主控單元12通過無線遙控發(fā)射單元11與無線遙控接收單元16之間的無線連接對(duì)繼電器17進(jìn)行控制。助降標(biāo)靶14為h形，設(shè)置于無線充電模塊殼體15的上表面。主控單元12通過攝像頭13識(shí)別到無線充電模塊1上的助降標(biāo)靶14后控制無人飛行器精確降落至無線充電模塊1處。無線充電模塊1與能量接收模塊2通過中繼線圈6與接收線圈7之間產(chǎn)生的電磁共振傳輸能量。

本發(fā)明采用了磁耦合諧振式無線能量傳輸技術(shù)，采用加入中繼線圈6的lc串聯(lián)諧振電路來實(shí)現(xiàn)。電路如圖3、圖4所示。中繼線圈6、發(fā)射線圈5與接收線圈7均采用串聯(lián)諧振。l1是能量發(fā)射線圈5,c1是能量發(fā)射線圈l1的匹配電容,r1是諧振電路的限流電阻,當(dāng)l1與c1的串聯(lián)諧振頻率與信號(hào)的頻率相同時(shí),此時(shí)電路發(fā)生諧振,交變的電流信號(hào)流過能量發(fā)射線圈l1時(shí)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng),從而將電能轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)能量發(fā)射出去。增加中繼線圈6的方法能更有效地提高系統(tǒng)傳輸效率，且體積更小。當(dāng)能量耦合器接收端即接收線圈7的諧振頻率與中繼線圈6的磁場(chǎng)頻率相同時(shí),由發(fā)射線圈5發(fā)送出來的磁場(chǎng)能量就可以共振的形式被高效地接收到,實(shí)現(xiàn)無線傳能。

本發(fā)明中整流穩(wěn)壓電路原理詳見附圖5，由接收線圈7接收到的能量是一個(gè)交流量,通過交直流轉(zhuǎn)換為直流電壓后才能給供電控制電路供電,交直流轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。四個(gè)二極管構(gòu)成全橋整流電路,后級(jí)采用復(fù)式濾波電路,使濾波輸出電源波形更平整。

本發(fā)明采用“h”形靶標(biāo)，h形靶標(biāo)由于存在許多平行的直線，根據(jù)圖像坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過相關(guān)運(yùn)算就可以得到飛行器姿態(tài)角與“滅影點(diǎn)”之間的關(guān)系，由于存在許多“滅影點(diǎn)”，便可以得到一系列的方程組，解出方程組，飛行器的姿態(tài)角就可以得到。同時(shí)根據(jù)h型靶標(biāo)的其他信息，還可以求出飛行器相對(duì)于世界坐標(biāo)系的位置。這種方法不是采用特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以就可以避免特征點(diǎn)的漏檢和誤檢。無人機(jī)通過對(duì)地面目標(biāo)“h”形靶標(biāo)的識(shí)別，無人機(jī)搭載的主控單元12mcu（stm32f104）通過視覺算法可以自動(dòng)調(diào)整無人機(jī)的降落姿態(tài)，從而達(dá)到精準(zhǔn)降落在無線充電平臺(tái)上的目的。

本發(fā)明的基于磁耦合無線輸電技術(shù)的無人機(jī)充電裝置的工作過程如下：

第一步：開啟充電程序。可以通過自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式啟動(dòng)充電程序，自動(dòng)方式為：無人機(jī)可通過電池管理模塊監(jiān)測(cè)電池電壓，當(dāng)偵測(cè)到電壓低于預(yù)設(shè)閥值時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)降落充電模式；手動(dòng)方式為，遙控器啟動(dòng)方式：通過無人機(jī)操縱端判定電量狀態(tài)，手動(dòng)切換至充電模式。

第二步：無人機(jī)自主降落至無線充電模塊殼體15上。利用“h”形助降靶標(biāo)標(biāo)示無線充電模塊殼體15。h形助降靶標(biāo)由于存在許多平行的直線，根據(jù)圖像坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過相關(guān)運(yùn)算就可以得到飛行器姿態(tài)角與“滅影點(diǎn)”之間的關(guān)系。再利用視覺導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主降落。

h型助降靶標(biāo)通過使用平行位置的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，避免使用復(fù)雜和耗時(shí)的單一的圖像運(yùn)動(dòng)分析。通過利用固定大小的平行線，只有一些必須的解析公式計(jì)算，通過簡(jiǎn)化分析提高計(jì)算速度。視覺滅點(diǎn)的信息為計(jì)算提供信息，同時(shí)也簡(jiǎn)化了硬件成本，只需要一個(gè)攝像頭13配合對(duì)應(yīng)的算法，即可得到無人機(jī)相對(duì)無線充電模塊1的實(shí)時(shí)位置，使得無人機(jī)能準(zhǔn)確降落在中繼線圈6上，從而獲得較高的充電效率。

第三步：非接觸無線充電。當(dāng)無人機(jī)降落到無線充電模塊1的充電范圍內(nèi)，主控單元12計(jì)算得到無人機(jī)與發(fā)射源距離小于設(shè)定閾值，關(guān)閉無人機(jī)電機(jī)電源，進(jìn)行無線充電；此時(shí)，無人機(jī)的接收線圈7接收到無線充電模塊1中繼線圈6傳遞的能量，經(jīng)過整流穩(wěn)壓電路8可直接供給可充電電池10充電；無線充電裝置的發(fā)射頻接收單元16接收到無線射頻單元11的信號(hào)，打開繼電器17，使無線充電模塊1進(jìn)入充電工作模式，使發(fā)射線圈5產(chǎn)生諧振，并在發(fā)射線圈5周圍形成交變磁場(chǎng)。中繼線圈6感應(yīng)發(fā)射線圈5的交變磁場(chǎng)，進(jìn)而與之形成共振，形成更強(qiáng)大的交變磁場(chǎng)。這樣，能量通過發(fā)射線圈5傳送到中繼線圈6，再由中繼線圈6傳遞出去。由于無人飛行器降落存在一定偏差，所以放置在地面的發(fā)射線圈5尺寸要盡可能大，而能量接收模塊2在無人機(jī)底部的自身底盤直徑較小，造成發(fā)射線圈5、接收線圈7比例失調(diào)，因此傳輸?shù)男屎凸β瘦^低。為了降低比例失調(diào)和線圈偏移對(duì)無線充電性能的影響，本發(fā)明在發(fā)射線圈5的平面內(nèi)加入了一個(gè)中繼線圈6，其軸線與發(fā)射線圈5重合，一起置于無線充電模塊1內(nèi)。接收線圈7安放在飛行器底盤，直接連接負(fù)載。由于引入了中繼線圈6，其諧振頻率與發(fā)射線圈5的頻率相同產(chǎn)生諧振，繼而強(qiáng)了磁場(chǎng)強(qiáng)度，擴(kuò)大了磁場(chǎng)作用范圍，從而使能量傳輸?shù)玫斤@著提升。

能量接收模塊2由接收線圈7、整流穩(wěn)壓電路8和供電控制電路9組成。其中，接收線圈7用于接收中繼線圈6傳輸過來的磁場(chǎng)能量，接收頻率與中繼單元的發(fā)射頻率相同產(chǎn)生共振，振蕩過程中產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)形成諧振電流，再經(jīng)過整流穩(wěn)壓電路8輸出穩(wěn)定電壓，供無人機(jī)搭載的可充電電池10充電。供電控制電路9用來監(jiān)測(cè)電池的電壓狀態(tài)，檢測(cè)無人機(jī)何時(shí)需要充電，何時(shí)電已充滿，控制電池充電時(shí)間。本發(fā)明中的發(fā)射線圈5、中繼線圈6和接收線圈7均采用裸銅線繞制，通過實(shí)際測(cè)量和近似計(jì)算獲取線圈電感、匹配電容數(shù)據(jù)。

待供電控制電路9檢測(cè)到電已充滿時(shí)，恢復(fù)無人機(jī)電機(jī)電源，切換到手動(dòng)或自動(dòng)控制的飛行模式，無線充電完成。

以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。