CN105917547A - 用于通过声波向移动对象远程传递能量的设备 - Google Patents

用于通过声波向移动对象远程传递能量的设备 Download PDF

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Abstract

本发明包括使得能够将能量从基站(11)远程无线传递至在基站周围的给定区域中移动的移动对象(12)的***。特别地，移动对象是无人机。该***包括用于追踪(13)移动对象(12)以确定移动对象(12)在任意时间相对于基站(11)的位置的装置(16)；用于发送沿移动对象(12)的方向汇聚的合成声波(14)的装置(13)，这两个装置位于基站(11)处并且由所述基站供电；以及声接收装置(15)，其位于移动对象(12)上，用于接收由基站(11)发送的声波(14)，并且将所接收的声波转换成电信号并且然后转换成电池的电源电压。

Description

用于通过声波向移动对象远程传递能量的设备
技术领域
本发明总体上涉及用于从产生源向接收器传递能量的装置的领域。本发明更具体地涉及用于对电池进行远程充电的装置的领域。
背景技术
当今广泛使用通过电池供应电力的自主移动设备。然而，该领域仍存在有关于自主性的待解决的重大问题。具体地，考虑到所讨论的对象的尺寸及其电力消耗，有时难以实现给予该对象足够的能量自主性的电池，期望的自主性所需要的电池的尺寸与对象的尺寸不兼容。
因此，当设计这样的对象时，通常需要在期望的自主性与对象的尺寸或质量之间达成折衷。该折衷要求所讨论的对象能够在其移动的区域中找到电源，如果不能找到电源，则该对象就无法得到服务。此外，该电源必须能够以与该对象的使用条件兼容的时间尺度对给对象供电的电池进行充电。
为了解决这个问题，已知的解决方案在于使电池交换站可供用户使用，这些电池交换站在对象的整个移动区域内广泛分布并且具有可用的各种各样的电池以满足这些对象的各种各样的供电电压(DC或AC)。
替选解决方案在于使充电点可供用户使用，这些充电点适用于所讨论的对象及其使用，特别是移动电话、笔记本电脑或机动车辆。然而，由于这些对象的移动特性和这些对象的各种各样的供电电压，所以必须使充电点加倍，或者如果不能使充电点加倍，则必须实现能够以与各种各样的对象的使用条件兼容的时间尺度对对象进行充电的“通用”充电点。
根据该情况，另一替选解决方案在于使所讨论的对象配备有便携式或可运输式充电装置—充电器，使得用户能够从标准电力供应源(如电源电压)对对象的电池进行充电，使得由于电源电压的广泛分布而不必须实施定制的充电点。然而，这样的解决方案要求用户运输对象的充电器。它还要求电源电压足够高以使得能够快速充电。
除了上述约束之外，前段中所描述的三种解决方案还通常要求用户将所讨论的对象放置在电力供应源附近。具体地，通常借助于必要地具有有限长度的电缆进行充电，或者可替选地借助于要求面向感应元件放置对象的感应传递设备进行充电，所述感应元件本身被放置在其所连接的电源附近。因此，在充电期间内移动对象是固定不动的。
发明内容
本发明的目的是提出以下解决方案，该解决方案使得在给定区域中移动的移动对象能够在不必紧邻充电电源定位的情况下用电力进行充电并且能够在所要求的充电时间内停留在此。
为此，本发明的主题是一种用于将能量从基站远程无线传递至在所述基站周围的给定空间区域中移动的移动对象的***，包括：
-用于发射沿给定方向汇聚的合成声波的装置，该装置位于基站的水平处并且由基站供电；
-声接收装置，其位于移动对象的水平处，用于接收由基站发射的声波并且用于将声波转换成电信号。
该***另外包括用于追踪移动对象以确定移动对象相对于基站的位置的装置。
根据设想的实施方式，根据本发明的设备可以具有各种技术特征，例如下面提到的那些技术特征，这些特征能够被单独考虑或组合考虑。因此：
根据本发明的一个技术特征，用于发射声波的装置包括初级压电换能器的组件，每个换能器通过相对于基准相位来参考定相的电信号激发。以如下方式根据移动对象相对于基站的位置来实时确定施加于各个压电换能器的信号的相位，该方式使得由各个换能器发射的声波在空间中组合以形成沿移动对象的方向汇聚的声波。
根据本发明的另一技术特征，声接收装置包括本地声换能器。
根据本发明的一个实施方式，追踪装置实现为光学或无线电检测***。
根据本发明的另一实施方式，移动对象包括用于将由声接收装置发送的电信号转换成连续电压的装置，从而能够给容置在所述移动对象中的电池供电。
根据本发明的另一技术特征，追踪装置包括：位于移动对象中的GPS接收器以及使得移动对象能够将其GPS位置发送至基站的通信装置。
根据本发明的另一实施方式，该设备包括下述通信装置，该通信装置使得基站能够朝向使得移动对象的追踪能够初始化的空间区域引导移动对象。
附图说明
将借助于下面的描述更好地理解本发明的特征和优点，该描述由附图1支持，图1给出了根据本发明的方法的示例性实现方式的图示，该方法用于经由移动陆地基站对飞行移动对象(例如无人机)进行充电。
具体实施方式
本说明书以非限制性的方式呈现了根据本发明的设备的示例性应用，使得能够突出其有利的技术特征。所呈现的配置使得根据本发明的设备能够在一个或更多个自主移动对象上实施。
在此所呈现的配置包括被安装在适当大小的车辆上的移动基站11，该移动基站11执行与自动飞行对象12—无人机—相关联的各种任务，自动飞行对象12执行的任务或多或少与由基站执行的那些任务有直接联系。
因此，基站11可以例如包括负责在给定地理区域中的不同点处在地面上执行某些任务的一个或更多个车辆，而无人机12的功能是勘察地面上方的区域，以便识别要执行所述任务的地点并且将这些地点的坐标发送至基站11，或者甚至在相对于地面位于某高度处的地点中自主执行某些任务。
在意在用于如图1所示的应用的最一般的形式中，根据本发明的设备主要包括基站，例如车载移动台11，该车载移动台11从电力供应源产生声能信号并且以在给定扇区空间中汇聚的声波14的形式发射所产生的声信号。为此，车辆配备有用于发电的自主装置(图中未示出)，例如引擎发电机。
该设备还包括：位于飞行移动对象12—无人机—中的声接收器15，其将所接收的声波14转换成电信号；以及能够将该电信号转换成电压的装置，该电压主要意在用于对也位于无人机12中的电池进行充电。
根据本发明，由该设备的声发射器发射的声波是在用电力对移动对象12进行充电的整个操作中一直指向移动对象12的波。为此，该发射器包括被配置成辐射汇聚波14的天线13(即，声发射器)。
这样的天线可以以已知方式采取各种形式。然而，在一种优选实施方式中，所使用的天线是例如包括多元换能器(E)的合成声天线，该多元换能器(E)包括根据二维矩阵分布并且形成相同数量的初级压电换能器的压电芯片。在这种情况下，声发射器还包括生成用于激发初级换能器的电信号的装置，这些信号中的每一个与源自基准信号的、通过将给定的相移应用于该基准而获得的信号对应。如图1所示，以已知方式，以如下方式确定相律或给每个换能器应用的相移，该方式使得由各个换能器发射的声波在空间组合以形成沿移动对象12的方向汇聚的声波14。
根据本发明，位于移动对象12—无人机—的水平处的声接收器15就其自身而言是能够将其接收的声波转换成电信号的单个声换能器。声接收器15可以是没有任何特定的方向性的例如压电传声器类型的本地元件。
由基站11发射的声波14是连续正弦波，或者可替选地是频率优选地处于从几kHz变化至几百kHz(高达MHz)的范围中的正弦脉冲序列。此外通过考虑期望在其中可以对给移动对象12(图1的情况下的无人机)供电的电池进行充电的空间区域的范围来限定所发射的声功率。然而，应当注意，就不直接给无人机供电而是借助于从声波14获得的电信号而言，表示决定所发射的声波的大小的因素(最大功率、波形等)是传输能量而不是功率。有利地，沿无人机12的确切方向汇聚波14使得能够传递能量并且从而使得能够对在其中可以对无人机12的电池进行充电的区域的水平线进行优化。该区域通常在由车辆11运载的基站周围从几米扩展到几百米。
就声发射14是汇聚发射的情况而言，为了能够在一定程度上在移动对象12以及可能地在基站11处于运动中时用电力给移动对象12充电，根据本发明的设备包括定位与追踪装置16。一方面，这些装置使得移动对象12能够被定位并且能够确定移动对象12是否位于有效充电区域中，并且另一方面，这些装置使得能够跟随移动对象12和基站11的相对运动。因此，它们使得能够实时确定移动对象12相对于基站11的声发射器13的位置，从而使得所发射的声波14保持沿移动对象12的方向汇聚。
在此，术语“有效充电区域”表示下述的空间区域，在该空间区域内，考虑到会潜在地阻止声波的传播的任何遮蔽物，通过声波14传输的能量足以被移动对象12所配备的换能器15检测到。
在此，通过任意已知装置16，例如光学(相机、激光瞄准)或电磁(雷达瞄准)装置，来执行追踪。
可替选地，对于定位而言，可以根据由被结合到移动对象12中的GPS接收器提供的位置测量来执行追踪，这些坐标通过例如将移动对象与基站联系起来的无线电装置(图中未示出)被发送至基站11。
因此，根据本发明的设备能够在任意给定时刻确定移动对象12相对于基站11的位置，并且就基站11的位置在有效充电区域(有效区域)内而言，根据本发明的设备能够使声充电波14沿移动对象12的确切方向汇聚。通过将适当的相律应用于对声发射天线13的每个初级换能器进行控制的激发电信号来简单地实现沿移动对象12的方向的汇聚。
根据本发明，只要移动对象12一直在有效区域中移动，则可以持续地执行对移动对象12进行充电的功能，或者以间歇的方式在移动对象12在该区域内移动的时候来执行对移动对象12进行充电的功能。
在后一种情况下，出于操作原因，如果移动对象12有理由离开有效区域，则充电操作被中断并且仅当以下情况时重新开始：考虑到移动对象12的位置，可以再次对移动对象12进行追踪以及使声波再次在移动对象12上汇聚17以及/或者移动对象12离基站11的距离与令人满意的能量传递相适合。
当移动对象12和支承基站11的车辆是用于监控例如高大的结构、建筑、桥梁或其他民用工程结构的完整性的***中的两个要素时尤其如此，对于这些高大的结构、建筑、桥梁或其他民用工程结构，从地面针对下部部分以及借助于飞行器12针对上部部分来同时执行监控。在这种背景下，确实可行的是，在监控操作中的给定时刻，移动对象12的移动区域(构成用于监控较高部分的要素)没有包括在有效充电区域内，或者由于要被监控的结构的形式，移动对象12的声接收器15不再能够接收由基站11发射的声波14。
应当注意，尤其在基站11被安装在其车辆中并且移动对象12构成意在用于在同一个地理区域中实现另外的任务的设备的组件的情况下，在这两个要素各自的尺寸和配置允许的范围内，如图1所示为基站车辆上的移动对象12提供进机区域(docking area)18是有利的，当这两个要素不操作时，移动对象12可以占据该进机区域18。
在这样的配置中，根据本发明的设备的声发射器13可以随之以如下方式配置：当移动对象12被放置在其进机区域18上时，更宽广地发射声波14，并且声波到达车辆上的移动对象12的进机空间18。为此，足以将适当的相律应用于形成声发射天线13的各个初级换能器。由散焦引起的功率损失通过将位于基站11上的声发射器与位于移动对象12上的声接收器15分离的小距离来抵消，使得可以在移动对象12不操作并且其功耗低时对移动对象的电池进行充电。
还应当注意，虽然在上述实施方式中根据本发明的设备包括单个移动基站11，但是尽管如此，在其他实施方式中，根据本发明的设备可以包括多个固定的或移动的基站11，每个基站产生声能信号并且发射汇聚于同一个移动对象12上的声波14。以这种方式，虽然每个基站传递相对低水平的能量，不过，仍能够将足够的能量传递至移动对象12以使得移动对象12能够对其电池进行充电。
还应当注意，在根据本发明的设备的最简单的形式中，例如意在用于从固定基站向通过个体运输的移动对象(例如，移动电话)传递能量，根据本发明的设备可以简单地由固定基站和声接收器构成，所述固定基站根据电信号产生声能信号，并且以汇聚于给定扇区空间的声波的形式发射所产生的声信号，所述声接收器位于所讨论的移动对象中，并且能够将所接收的声波转换成电压，此主要意在用于对也位于移动对象中的电池进行充电。在这种情况下，可以通过通用配电网来提供对基站的电力供给。
因此，可以以简单的方式执行对电池的充电，对象的用户仅需要确认基站的存在并且将要被充电的对象放置在本身已知或被清楚地标记的声波传播区域中。
当通过操作者自身来执行移动对象相对于声发射源的正确定位时，则该设备不需要用于追踪移动对象或在基站与移动对象之间进行通信的自动化装置。

Claims (7)

1.一种用于将能量从基站(11)远程无线传递至在所述基站周围的给定空间区域中移动的移动对象(12)的***，其特征在于，所述***包括：
-用于发射沿给定方向汇聚的合成声波(14)的装置(13)，所述装置位于所述基站的水平处并且由所述基站供电；
-声接收装置(15)，所述声接收装置(15)位于所述移动对象(12)的水平处，用于接收由所述基站发射的所述声波(14)并且用于将所述声波转换成电信号；
-所述***另外包括用于追踪(13)所述移动对象(12)以确定所述移动对象(12)相对于所述基站(11)的位置的装置(16)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，用于发射所述声波(14)的所述装置包括初级压电换能器的组件，每个换能器通过相对于基准相位来参考定相的电信号激发；施加于各个压电换能器的信号的相位根据所述移动对象(12)相对于所述基站(11)的位置以如下方式来实时确定，所述方式使得由所述各个换能器发射的所述声波在空间中组合以形成沿所述移动对象(12)的方向汇聚的声波(14)。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的设备，其特征在于，所述声接收装置(15)包括本地声换能器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述追踪装置(16)实现为光学或无线电检测***。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述追踪装置(16)包括：位于所述移动对象(12)中的GPS接收器以及使得所述移动对象(12)能够将其GPS位置发送至所述基站(11)的通信装置。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述移动对象(12)包括用于将由所述声接收装置(15)发送的所述电信号转换成连续电压的装置，所述连续电压使得能够给容置在所述移动对象(12)中的电池供电。
7.根据任一前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述设备包括下述通信装置，该通信装置使得所述基站(11)能够朝向使得所述移动对象(12)的追踪(17)能够初始化的空间区域引导所述移动对象。
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