CN104638779A - 一种无人机用无线激光充电设备及其充电*** - Google Patents

Abstract

一种无人机用无线激光充电设备及其充电***，所述充电设备包括无线激光发射器基站和太阳能接收器，无线激光发射器基站包括底座、显示屏、按钮、电池槽盖板、旋转电机、支撑板、支架、侧电机、活动板、激光发射器、定位设备、姿态测量设备、光束调节器、光束调节器支架和观瞄器，太阳能接收器包括太阳能电池板和固定架，太阳能电池板通过固定件固定在无人机的底部。无人机用无线激光充电设备用充电***包括激光发射基站和无人机***，激光发射基站和无人机***通过无线网相互控制，本发明通过激光对无人机进行充电，可以有效解决无人机续航时间短的问题，在使用无线激光充电***时无人机无需降落，仅需在激光发射器基站的有效工作范围内巡航飞行即可。

Description

一种无人机用无线激光充电设备及其充电***

技术领域

本发明涉及无人机充电技术领域，特别是涉及一种无人机用无线激光充电设备及其充电***。

背景技术

近年来无人机凭借其自身优势在军事和民用领域迅速普及，在功能日益完善的过程中人们越来越关注无人机的续航能力。目前，绝大多数无人机特别是中小型无人机均使用电池作为能量来源，但受自身载重和电池容量的限制，其面临着续航时间短的缺点，需要定期返航降落进行电池充电或更换，无法适用于对航时要求较高的场合，而且频繁的起降还会增加事故的发生机率。现有技术中通常使用太阳能和基于微波的无线能量传输技术对机载储能电池进行充电，但太阳能技术受气候条件影响且在晚上无法使用；而基于微波的无线能量传输技术通过线圈的电磁感应对电能进行转换，转换效率较低。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种无人机用无线激光充电设备及其充电***，通过该设备可使用激光对无人机进行充电，可以有效解决无人机续航时间短的问题，在使用无线激光充电***时无人机无需降落，仅需在激光发射器基站的有效工作范围内巡航飞行即可，为达此目的，本发明提供一种无人机用无线激光充电设备，包括无线激光发射器基站和太阳能接收器，所述无线激光发射器基站包括底座、显示屏、按钮、电池槽盖板、旋转电机、支撑板、支架、侧电机、活动板、激光发射器、定位设备、姿态测量设备、光束调节器、光束调节器支架和观瞄器，所述底座上有显示屏和按钮，所述底座内有电池槽，所述电池槽开口一侧有电池槽盖板，所述底座上有旋转电机，所述旋转电机转轴上有支撑板，所述支撑板上有一对支架，所述活动板通过转轴安装在支架之间，所述支架外侧有侧电机，所述侧电机的旋转轴与转轴相连，所述激光发射器通过侧支架固定在活动板上，所述姿态测量设备固定在活动板的下表面上，所述激光发射器上有观瞄器和定位设备，所述定位设备在观瞄器一侧，所述姿态测量设备固定在活动板的下表面上，所述激光发射器的镜头的前端有光束调节器，所述光束调节器通过光束调节器支架固定在活动板上，所述太阳能接收器包括太阳能电池板和固定架，所述太阳能电池板一侧有固定架，所述固定架通过固定件固定在无人机的底部。

作为本发明进一步改进，所述底座的四个角各有一个侧支架，所述侧支架通过固定件进行固定，为了便于固定本发明可通过固定件固定在地面或移动载具上。

作为本发明进一步改进，所述支架为升降支架，本发明支架可设计为升降支架，使得无线激光发射器基站活动范围更广。

作为本发明进一步改进，所述观瞄器的镜头两侧各有一个校正器，设置校正器后可便于对激光的方向进行控制。

作为本发明进一步改进，所述无人机为旋翼式无人机或固定翼无人机，本发明固定翼无人机和旋翼式无人机均可使用，适用范围广。

作为本发明进一步改进，所述太阳能电池板为板状太阳能电池板或弧形太阳能电池板，采用板状太阳能电池板成本相对低廉，采用弧形太阳能电池板由于激光与板面随时保持垂直因此发电效率高。

作为本发明进一步改进，所述太阳能电池板上有光强度检测器，在太阳能电池板上设置光强度检测器可随时检测光强度，以便对充电过程进行控制。

作为本发明进一步改进，所述太阳能电池板后侧有冷却风扇，为了防止充电过程产生的大量热量影响光电转换效率，可设置冷却风扇给太阳能电池板随时降温。

作为本发明进一步改进，所述太阳能电池板的材料是非晶硅a-Si或铜铟镓硒CIGS或砷化镓GaAs，采用以上材料后太阳能电池板的光电转换效率为15%-50%，可以实现较高的转换。

本发明一种无人机用无线激光充电设备用充电***，所述充电***包括激光发射基站和无人机***，所述激光发射基站和无人机***通过无线网相互控制：

所述激光发射基站包括无线通讯模块、定位模块、激光发射器、基座转台、观瞄***、激光发射器、姿态测量模块、工控机和电源模块，激光发射基站中：所述无线通讯模块连接工控机；所述定位模块连接工控机；所述激光发射器接工控机并固定在基座转台上；所述目标观瞄***连工控机并固定在激光发射器上，安装时观瞄***和激光发射器的输出光路对齐；基座转台的随动***连接工控机；姿态测量模块连接工控机，安装在转台台面下方提供转台的实时姿态；电源模块与基站其他所有模块连接为其提供电能；

所述激光发射器包括冷却装置、激光发生器和功率控制器，激光发射器中冷却装置接激光发生器，所述功率控制器接激光发生器；

所述无人机***包括无线通讯模块、导航定位模块、航姿测量模块、机电***和无人机控制模块，无人机***中：无线通讯模块、导航定位模块、航姿测量模块、机电***和无人机控制模块相连；充电电池模块为无人机***提供电能；太阳能电池模块连接充电电池模块；地面站和无人机控制模块通过无线通信的方式相连；充电电池模块中，储能电池和电池电压监测模块相连。太阳能电池模块中，冷却装置、光强度检测器、太阳能电池板温度监测模块和太阳能电池板输出监测模块均与太阳能电池板相连。

本发明专利可以有效解决无人机续航时间短的问题，在使用无线激光充电***时无人机无需降落，仅需在激光发射器基站的有效工作范围内巡航飞行即可。无线激光充电技术相比太阳能技术受天气状况的影响较小，相同面积太阳能板上使用激光传输技术接收到的能量更多、更集中；无线激光充电技术相比微波无线能量传输技术，其传输效率更高，设备体积更小。理论上，在激光发射器基站覆盖的范围内可以实现无人机的全天候不间断飞行，本发明无人机固定设备采用弧形太阳能电池板，激光更容易照射至弧形太阳能电池板上充电效率高，可用于固定翼不间断充电，充电设备自由度高，可根据不间断飞机飞行情况进行追踪充电。

附图说明

图1为本发明无人机无线激光充电***的原理示意图；

图2为本发明充电设备激光发射器示意图；

图3为本发明平板形太阳能充电板示意图；

图4为本发明平板形太阳能充电板侧视图；

图5为本发明弧形太阳能充电板示意图；

图示说明:

1、底座；              2、显示屏；            3、按钮；

4、电池槽盖板；        5、侧支架；            6、固定件；

7、旋转电机；          8、支撑板；            9、升降支架；

10、侧电机；           11、活动板；           12、激光发射器；

13、侧支架；           14、定位设备；        15、光束调节器；

16、光束调节器支架；   17、观瞄器；            18、校正器；

19、板状太阳能电池板； 20、光强度检测器；      21、固定件；

22、冷却风扇；         23、弧形太阳能电池板；  24、固定架。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对发明做详细的说明：

本发明提供一种无人机用无线激光充电设备及其充电***，通过该设备可通过激光对无人机进行充电，可以有效解决无人机续航时间短的问题，在使用无线激光充电***时无人机无需降落，仅需在激光发射器基站的有效工作范围内巡航飞行即可。

作为本发明一种实施例，本发明提供一种无人机用无线激光充电设备，包括无线激光发射器基站和太阳能接收器，所述无线激光发射器基站包括底座1、显示屏2、按钮3、电池槽盖板4、旋转电机7、支撑板8、支架、侧电机10、活动板11、激光发射器12、定位设备14、光束调节器15、光束调节器支架16和观瞄器17，所述底座1上有显示屏2和按钮3，所述底座1内有电池槽，所述电池槽开口一侧有电池槽盖板4，所述底座1上有旋转电机7，所述旋转电机7转轴上有支撑板8，所述支撑板8上有一对支架，所述活动板11通过转轴安装在支架之间，所述支架外侧有侧电机10，所述侧电机10的旋转轴与转轴相连，所述激光发射器12通过侧支架13固定在活动板11上，所述激光发射器12上有观瞄器17和定位设备14，所述定位设备14在观瞄器17一侧，所述激光发射器12的镜头的前端有光束调节器15，所述光束调节器15通过光束调节器支架16固定在活动板11上，所述姿态测量设备固定在活动板11的下表面上，所述太阳能接收器包括太阳能电池板和固定架24，所述太阳能电池板一侧有固定架24，所述固定架24通过固定件21固定在无人机的底部。

作为本发明一种最佳具体实施例，本发明提供示意图如图2所示的一种无人机用无线激光充电设备，包括无线激光发射器基站和太阳能接收器，所述无线激光发射器基站包括底座1、显示屏2、按钮3、电池槽盖板4、旋转电机7、支撑板8、支架、侧电机10、活动板11、激光发射器12、定位设备14、光束调节器15、光束调节器支架16和观瞄器17，所述底座1上有显示屏2和按钮3，所述底座1内有电池槽，所述电池槽开口一侧有电池槽盖板4，所述底座1的四个角各有一个侧支架5，所述侧支架5通过固定件6固定在地面上，为了便于固定本发明可通过固定件固定在地面上，所述底座1上有旋转电机7，所述旋转电机7转轴上有支撑板8，所述支撑板8上有一对支架，所述支架为升降支架9，本发明支架可设计为升降支架，使得无线激光发射器基站活动范围更广，所述活动板11通过转轴安装在支架之间，所述支架外侧有侧电机10，所述侧电机10的旋转轴与转轴相连，所述激光发射器12通过侧支架13固定在活动板11上，所述姿态测量设备固定在活动板11，所述激光发射器12上有观瞄器17和定位设备14，所述定位设备14在观瞄器17一侧，所述观瞄器17的镜头两侧各有一个校正器18，设置校正器后可便于对激光的方向进行控制，所述激光发射器12的镜头的前端有光束调节器15，所述光束调节器15通过光束调节器支架16固定在活动板11上，所述太阳能接收器包括太阳能电池板和固定架24，所述太阳能电池板一侧有固定架24，所述固定架24通过固定件21固定在无人机的底部。

本发明所述无人机为旋翼式无人机或固定翼无人机，本发明固定翼无人机和旋翼式无人机均可使用，适用范围广，所述太阳能电池板为板状太阳能电池板19或弧形太阳能电池板23，采用如图3和4所示板状太阳能电池板成本相对低廉，采用如图5所示弧形太阳能电池板由于激光与板面随时保持垂直因此发电效率高，所述太阳能电池板上有光强度检测器20，在太阳能电池板上设置光强度检测器可随时检测光强度，以便对光强度进行检测，所述太阳能电池板后侧有冷却风扇22，为了防止充电过程产生大量热量可设置冷却风扇给太阳能电池板随时降温，所述太阳能电池板的材料是非晶硅a-Si或铜铟镓硒CIGS或砷化镓GaAs，采用以上材料后太阳能电池板的光电转换效率为15%-50%，可以实现高效转换。

本发明所采取如图1所示的充电***方案如下：

一种供无人机使用的无线激光充电***，包括：激光发射基站和无人机***；所述的激光发射基站包括无线通讯模块、定位模块、目标观瞄***、激光发射器、基座转台、工控机和电源模块，所述激光发射器包括光束调节装置、功率控制器和冷却装置，所述基座转台包括随动***和姿态测量模块；所述的无人机***包括无线通讯模块、导航定位模块、航姿测量模块、机电***、充电电池模块、太阳能电池模块和地面控制站，所述充电电池模块包括储能电池和电池电压监测模块，所述太阳能电池模块包括太阳能电池板、冷却装置、光强度检测器、太阳能电池板温度监测模块和太阳能电池板输出监测模块。

激光发射器盒体内封装着激光发生器、功率控制器和冷却装置，激光发射器和目标观瞄***以并行或叠加方式放置，具体采用何种方式视目标观瞄***外观而定，但应使目标观瞄***光路和激光发射器光路保持平行。激光发射器、目标观瞄***和定位模块均固定在基座的活动板上，姿态测量模块固定在活动板的下表面上。无线通讯模块、定位模块、目标观瞄***、激光发射器、基座转台均通过电气连接至工控机，整个激光发射基站由大功率电源模块提供电能。

激光发射基站的定位模块用于获取其自身精确的位置信息，在已知无人机与激光发射基站的距离和机载太阳能电池板的面积后，可通过光束调节装置设置适当的激光光束直径。目标观瞄***用于实现对无人机目标的瞄准和锁定，姿态测量模块用于获得激光发射器的姿态信息，在通过无线通讯模块获取无人机的位置和姿态后，可快速辅助观瞄***对目标进行捕获。激光发射器的激光波长应与太阳能电池板光电转换能效最高的波段相匹配，尽量提高整套充电***的能量转换效率。

无人机***中，无人机通过无线通讯模块与地面激光发射基站进行信息交互。航姿测量***用于实时测量无人机的飞行姿态和航向。太阳能电池板挂载于机腹下方，在太阳能电池板的若干关键点上安置了光强度检测器。光强度检测器用于检测激光强度，并将此信息通过无线通讯模块传送至基站从而形成闭环控制，以实现低能量弱光找寻目标，锁定后增大激光功率进行充电的策略。也可以通过此装置检测光路的完整性，当光路受到外界遮挡时激光强度检测模块的输出会发生相应变化，此时应及时停止激光发射器的工作，保证充电过程的安全性。

太阳能电池板的背面为太阳能电池板温度监测模块和风冷形式的冷却装置。太阳能电池板将激光能量转换成电能，单位面积所接收到的激光能量较大，因此需加入降温装置，当太阳能电池板温度过高时应主动停止充电过程，避免对太阳能电池板或机体其他部件造成损伤。

太阳能电池板输出监测模块与太阳能电池板的输出相连，用于监测输出电压和电流大小。充电电池模块包括储能电池和电池电压监测模块，电池电压监测模块实时将电池电压传送给***，在低电压时通知***充电，在充满电时通知***结束充电。通过电池电压监测模块、太阳能电池板温度监测模块和太阳能电池板输出监测模块对各部分电压进行实时监测，实现充电过程的自动化，确保充电***正常工作，并将相关信息反馈给激光发射基站，用于在不同的充电阶段对激光强度进行调节。

本发明整套***工作过程如下：首先无人机飞行至激光发射器基站的有效工作范围内，并通过无线通信模块将自身位置告知基站，当基站的目标观瞄跟踪***发现无人机后对其进行锁定、跟踪，并指引激光发射器对准无人机下方的太阳能板，随后尝试以小功率激光对太阳能板进行照射。无人机通过光强度检测器以及对充电电流的监测判断太阳能板是否已经接收到激光光束，并将相关信息通过无线传输***回传给基站，从而实现对激光发射器角度的调整。当确认激光光束成功照射在太阳能面板上后，逐步增强激光发射器的输出功率，对无人机的储能电池进行快速充电，充电过程中由相应的监测***对太阳能板温度、太阳能板输出电压电流、储能电池温度、储能电池电压进行监测，避免发生因激光功率过大造成的太阳能板、储能电池温度过高、充电电流过大的情况，保证充电过程的安全以及保护电池寿命。另外若充电过程中光束被其他物体意外遮挡，激光发射器基站应在接收到无人机***的反馈信息后及时关闭或降低激光发射器的发射功率，避免造成意外伤害。充电完成后，监测***将通知基站关闭激光发射器，与此同时无人机可自行飞离，整个过程中由基座转台提供激光发射器对无人机目标的随动。

本发明还可以通过所述的电池电压监测模块、光强度检测器、太阳能电池板温度监测模块和太阳能电池板输出监测模块实现对无人机的自动充电，当电压过低时提醒无人机飞往基站处充电，当电压大于满电阈值时停止充电，当温度过高时自动停止充电，当光路受遮挡时自动停止充电，根据电池电压值对充电过程进行优化。

激光发射器和机载太阳能电池板的对准过程如下：首先基站工控机通过对当前基站位置、激光发射器的姿态、无人机位置和无人机航姿等信息的融合引导观瞄***快速捕捉并跟踪无人机，实现粗对准。接着利用激光发射器发射低功率激光光束照射无人机下方的太阳能电池板，利用光强度检测器检测是否有光束照射，若检测到光束照射，则通知基站增大激光功率开始充电。若光强度检测器没有检测到光束照射，则通知基站对光束发射方向进行调整。

充电光束直径可调整以适应不同面积的太阳能电池板和不同的飞行高度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种无人机用无线激光充电设备，包括无线激光发射器基站和太阳能接收器，其特征在于：所述无线激光发射器基站包括底座（1）、显示屏（2）、按钮（3）、电池槽盖板（4）、旋转电机（7）、支撑板（8）、支架、侧电机（10）、活动板（11）、激光发射器（12）、定位设备（14）、光束调节器（15）、光束调节器支架（16）和观瞄器（17），所述底座（1）上有显示屏（2）和按钮（3），所述底座（1）内有电池槽，所述电池槽开口一侧有电池槽盖板（4），所述底座（1）上有旋转电机（7），所述旋转电机（7）转轴上有支撑板（8），所述支撑板（8）上有一对支架，所述活动板（11）通过转轴安装在支架之间，所述支架外侧有侧电机（10），所述侧电机（10）的旋转轴与转轴相连，所述激光发射器（12）通过侧支架（13）固定在活动板（11）上,所述姿态测量设备固定在活动板（11）的下表面上，所述激光发射器（12）上有观瞄器（17）和定位设备（14），所述定位设备（14）在观瞄器（17）一侧，所述激光发射器（12）的镜头的前端有光束调节器（15），所述光束调节器（15）通过光束调节器支架（16）固定在活动板（11）上，所述太阳能接收器包括太阳能电池板和固定架（24），所述太阳能电池板一侧有固定架（24），所述固定架（24）通过固定件（21）固定在无人机的底部。

2.根据权利要求1所述的一种无人机用无线激光充电设备，其特征在于：所述底座（1）的四个角各有一个侧支架（5），所述侧支架（5）通过固定件（6）进行固定。

3.根据权利要求1所述的一种无人机用无线激光充电设备，其特征在于：所述支架为升降支架。

4.根据权利要求1所述的一种无人机用无线激光充电设备，其特征在于：所述观瞄器（17）的镜头两侧各有一个校正器（18）。

5.根据权利要求1所述的一种无人机用无线激光充电设备，其特征在于：所述无人机为旋翼式无人机或固定翼无人机。

6.根据权利要求1所述的一种无人机用无线激光充电设备，其特征在于：所述太阳能电池板为板状太阳能电池板（19）或弧形太阳能电池板（23）。

7.根据权利要求1所述的一种无人机用无线激光充电设备，其特征在于：所述太阳能电池板上有光强度检测器（20）。

8.根据权利要求1所述的一种无人机用无线激光充电设备，其特征在于：所述太阳能电池板后侧有冷却风扇（22）。

9.根据权利要求1所述的一种无人机用无线激光充电设备，其特征在于：所述太阳能电池板的材料是非晶硅a-Si或铜铟镓硒CIGS或砷化镓GaAs。

10.根据权利要求1所述的一种无人机用无线激光充电设备用充电***，所述充电***包括激光发射基站和无人机***，其特征在于：所述激光发射基站和无人机***通过无线网相互控制；

所述激光发射基站包括无线通讯模块、定位模块、激光发射器、基座转台、观瞄***、激光发射器、姿态测量模块、工控机和电源模块，激光发射基站中：所述无线通讯模块连接工控机；所述定位模块连接工控机；所述激光发射器接工控机并固定在基座转台活动板上；所述目标观瞄***连工控机并固定在激光发射器上，安装时目标观瞄***和激光发射器的输出光路对齐；基座转台的随动***连接工控机；姿态测量模块连接工控机；电源模块与基站其他所有模块连接以提供电能；

所述激光发射器包括冷却装置、激光发生器和功率控制器，激光发射器中冷却装置接激光发生器，所述功率控制器接激光发生器；

所述无人机***包括无线通讯模块、导航定位模块、航姿测量模块、机电***和无人机控制模块，无人机***中：无线通讯模块、导航定位模块、航姿测量模块、机电***和无人机控制模块相连；充电电池模块为无人机***提供电能；太阳能电池模块连接充电电池模块；地面站和无人机控制模块通过无线通信的方式相连；充电电池模块中，储能电池和电池电压监测模块相连；

太阳能电池模块中，冷却装置、光强度检测器、太阳能电池板温度监测模块和太阳能电池板输出监测模块均与太阳能电池板相连。