CN105958656A - 多旋翼飞行器无线充电设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线供电领域，尤其涉及多旋翼飞行器无线充电设备及方法。多旋翼飞行器无线充电设备包括位于停机坪上的无线电能发射装置、位于多旋翼飞行器上的无线电能接收装置，所述无线电能发射装置包括无线电能发射电路、与无线电能发射电路电连接的无线电能发射线圈；所述无线电能接收装置包括无线电能接收线圈、与无线电能接收线圈电连接的无线电能转化电路；无线电能发射线圈与无线电能接收线圈之间通过电磁波无线连接。发射线圈和接收线圈之间通过电磁能进行电能传输，在充电过程中利用恒流恒压充电方式进行充电。本发明通过无线电能传输的方式为多旋翼飞行器电池进行充电，为多旋翼飞行器持续作业解决了充电上的难题。

Description

多旋翼飞行器无线充电设备及方法

技术领域

本发明属于无线电能传输领域，尤其涉及多旋翼飞行器无线充电设备及方法。

背景技术

多旋翼飞行器是在一个飞行器上同时具有多个正迎角旋翼来产生升力，并按照不同方向转动来克服反扭力的飞行器。常见的有三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼等多旋翼飞行器。比如四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。四旋翼飞行器是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。

多旋翼飞行器配有无线电遥控***，具有易操作、自由切换多种飞行模式、方向灵活控制等特点，因此随着多旋翼飞行器技术的发展，多旋翼飞行器的应用领域不断扩宽，被用来录制空中视频、农业监测、植物保护、安防巡逻等应用上，但受到电池技术和充电技术的限制，多旋翼飞行器持续工作时间极短，尤其是在农业监测、植物保护、安防巡逻等全自动巡航工作的领域应用上受到了大大的制约。

目前对于多旋翼飞行器的电池充电一般采用取下电池，把电池***电池充电器，这样操作较为麻烦。无线供电技术的不断发展和完善，如今已经可以获得小至5W，大至10kW以上的传输功率，这在无人飞行器的应用上，是一大助力。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供的多旋翼飞行器无线充电设备及方法，通过无线充电的方法，大大地提高了多旋翼飞行器充电的便利性。

为解决上述技术问题，本发明提供多旋翼飞行器无线充电设备，其特殊之处在于：

包括位于停机坪T的无线电能发射装置A、位于多旋翼飞行器P上的无线电能接收装置F，所述无线电能发射装置A包括无线电能发射电路E、与无线电能发射电路E电连接的无线电能发射线圈B；所述无线电能接收装置F包括无线电能接收线圈C、与无线电能接收线圈C电连接的无线电能转化电路D；无线电能发射线圈B与无线电能接收线圈C之间通过电磁波无线连接。

进一步地，无线电能发射电路E位于停机坪内部，无线电能发射线圈B平行于停机坪T表面安装。

进一步地，无线电能发射电路E包括与整流滤波I输出端电连接的DC-DC调压、控制器I、通信模块I，所述控制器I的输出端分别与DC-DC调压的输入端、通信模块I的输入端、PWM生成器的输入端相连，PWM生成器的输出端和DC-DC调压的输出端之间依次设置有功率管驱动、功率管放大电路，并且功率管放大电路的输出端与无线电能发射线圈B相连。

进一步地，无线电能接收线圈C安装于多旋翼飞行器P的机身外，无线电能转化电路D安装于多旋翼飞行器P的机体内部。

进一步地，无线电能转化电路D包括整流滤波II、控制器II、通信模块II、开关，其中整流滤波II的输入端与无线电能接收线圈C相连，整流滤波II的输出端与开关输入端相连，控制器II的输出端分别连接通信模块II的输入端及开关的输入端，开关的输出端与多旋翼飞行器P内的电池电连接，电池还与控制器II的输入端相连。

进一步地，无线电能接收线圈C围绕多旋翼飞行器P的电机悬臂安装或围绕多旋翼飞行器P的旋翼***安装。

进一步地，所述外设电源为交流市电、发电机、低压直流电源中的一种。

本发明还提供多旋翼飞行器无线充电方法，其特殊之处在于：多旋翼飞行器进入无线充电停机坪，按照以下步骤进行多旋翼飞行器的降落停靠判断，实现对多旋翼飞行器的无线充电：

步骤1、多旋翼飞行器P向停机坪T上的无线电能发射装置A发送充电请求，无线电能发射装置A接收到充电请求，通过无线电能发射线圈B发送低于正常充电电能的电磁能，同时检测无线电能发射电路E的供电电压U1、供电电流I1；

步骤2、多旋翼飞行器P的无线电能接收装置F接收来自步骤1的电能后，检测无线电能转化电路D的充电电压U2和充电电流I2，并通过无线电能转化电路D内的通信模块II反馈给无线电能发射装置A；

步骤3、无线电能发射装置A根据U1*I1得出的供电功率P1，以及无线电能转化电路D反馈获得的U2*I2得出的充电功率P2，比较P1、P2得出发射与接收间的传输效率K=P1/P2，若K的值大于设定的阈值，判定飞行器停靠在正确的位置，则继续进行充电。

进一步地，在步骤1中，无线电能发射装置A则根据需求发射相应的电磁波能量给无线电能接收装置F，具体过程为：

无线电能发射电路E对接收的电能在整流滤波I内进行处理，通过DC-DC调压供电给连接有无线电能发射线圈B的功率管放大电路，控制器I通过通信模块I收发无线电能接收装置D的信息，根据无线电能接收装置D的信息控制PWM生成器的PWM占空比，以及DC-DC输出的电压，以调节功率管放大电路的波形幅度与占空比，最终控制无线电能发射线圈发出的电磁波能量大小；

进一步地，在步骤2中，无线电能转化电路D经通信模块II反馈给无线电能发射装置A，具体过程为：

控制器II通过通信模块II发送充电请求给无线电能发射装置A，无线电能接收线圈C接收的电能发送至整流滤波II，控制器II根据电池状态控制开关给电池充电、控制电池的充电电压U2及充电电流I2，由控制器II检测后通过通信模块II持续发送给无线电能发射装置A，并根据电池的实时状态改变发送的充电请求。

本发明与现有技术相比，其有益之处在于：本发明通过无线电能传输的方式为多旋翼飞行器电池进行充电，为多旋翼飞行器持续作业解决了充电上的难题。在停机坪范围内铺设无线电能发射装置，将无线电能接收装置安装在多旋翼飞行器上，在无线电能发射装置和无线电能接收装置的配合下，发射线圈和接收线圈之间通过电磁能进行电能传输，配合相应的电路连接，实现对多旋翼飞行器电池进行充电的工作。在结构上，无需将电池取下单独进行充电工作，只需多旋翼飞行器位于停机坪范围内，即可便利得为电池提供电能。根据本发明提供的装置，解决充电困难，为多旋翼飞行器在多领域应用提供便利。

附图说明

图1是本发明的无线电能发射装置安装示意图；

图2是本发明的无线电能接收装置安装示意图一；

图3是本发明的无线电能接收装置安装示意图二；

图4是本发明的多旋翼飞行器无线充电设备示意图；

图5是本发明的多旋翼飞行器无线充电原理示意图；

图6是本发明的无线电能发射装置拓扑结构图；

图7是本发明的无线电能接收装置拓扑结构图。

标记说明：A、无线电能发射装置，B、无线电能发射线圈，C、无线电能接收线圈，D、无线电能转化电路，E、无线电能发射电路，F、无线电能接收装置，P、多旋翼飞行器，T、停机坪。

具体实施方式

以下参照附图1至附图7，给出本发明的具体实施方式，用来对本发明做进一步说明。

实施例1：

本实施例中采用四旋翼飞行器为例进行说明，关于四旋翼飞行器的结构为本领域的现有技术，在本实施例中不再详细说明，仅借助四旋翼飞行器对本发明的无线充电设备进行解释。

在附图1、附图4中，本实施例的停机坪T上安装有无线电能发射装置A，其中，无线电能发射装置A包括无线电能发射电路E、与无线电能发射电路E电连接的无线电能发射线圈B；无线电能发射电路E安装在停机坪T的内部，在附图中为给出具体布局标示；无线电能发射线圈B平行于停机坪T表面安装。无线电能发射线圈B围绕停机坪T的***轮廓设置，可通过支架将无线电能发射线圈B固定在停机坪T上表面。

无线电能发射电路E通过与外设电源电连接，获取电能；外设电源可以是交流市电、发电机、低压直流电源等，根据选用的电源类型不同，无线电能发射电路E整流和放大部分需要做相应调整，相应的调整也不属于本发明要描述的重点，此处不再展开说明。

在附图2至附图4中，四旋翼飞行器P的上安装有无线电能接收装置F，其中，无线电能接收装置F包括无线电能接收线圈C、与无线电能接收线圈C电连接的无线电能转化电路D；无线电能发射线圈B与无线电能接收线圈C之间通过电磁波无线连接，无线电能转化电路D与多旋翼飞行器P内的电池电连接，电池未在结构图中示出。

在本实施例中，四旋翼飞行器P的控制电路、电池等安装在机体的中心，本实施例仅借助四旋翼飞行器P的结构来描述无线充电设备。多旋翼飞行器的控制电路一般安装于四旋翼飞行器机体中心部位，在设计中，需要减少无线电能接收线圈C接收电磁波的过程中产生的谐振对四旋翼飞行器控制电路的影响，无线电能接收线圈C的电导体需离四旋翼飞行器机体中心相对位置较远；如附图2，在本实例中无线电能接收线圈C安装于四旋翼飞行器电机悬臂上，无线电能接收线圈C绕四个电机的悬臂围接成环形状。

根据附图5，四旋翼飞行器充电时，无线电能发射电路E把外设电源的电能转换为高频交变电流，通过无线电能发射线圈B转化为电磁波，无线电能接收线圈C接收到电磁波并输出高频交变电流，通过无线电能转化电路D的整流滤波II后供给多旋翼飞行器电池充电。

本实施例中多旋翼飞行器进入无线充电停机坪，按照以下步骤进行多旋翼飞行器的降落停靠判断，实现对多旋翼飞行器的无线充电：

按照以下步骤实现多旋翼飞行器的充电过程：

步骤1、多旋翼飞行器P向停机坪T上的无线电能发射装置A发送充电请求，无线电能发射装置A接收到充电请求，通过无线电能发射线圈B发送正常充电电能10%的电磁能，同时检测无线电能发射电路E的供电电压U1、供电电流I1；

步骤2、多旋翼飞行器P的无线电能接收装置F接收来自步骤1的电能后，检测无线电能转化电路D的充电电压U2和充电电流I2，并通过无线电能转化电路D内的通信模块II反馈给无线电能发射装置A；

步骤3、无线电能发射装置A根据U1*I1得出的供电功率P1，以及无线电能转化电路D反馈获得的U2*I2得出的充电功率P2，比较P1、P2得出发射与接收间的传输效率K=P1/P2，若K的值大于1/2，判定飞行器停靠在正确的位置，则继续进行充电。

在本实施例中，对电池初始充电时，无线电能发射线圈B发送正常充电电能10%的电磁能，10%为电磁能的最低发射值，也可选取15%、20%等大于10%的电磁能，而关于K的值，预先有设定阈值，当K的值大于预先设定的阈值时，判定继续充电，在本实施例中K的阈值选取1/2。

在步骤3中，当确保传输效率足够高时，根据多旋翼飞行器的动力电池充电特性，无线电能转化电路D可采取所需的充电策略，对充电过程中的电能需求，无线电能转化电路D经无线通信模块反馈给无线电能发射装置A，无线电能发射装置A则根据需求发射相应的电磁能。

在多旋翼飞行器中使用的电池为锂电池，而对于锂电池的充电管理，比如电池的充电特性、充电策略、对电能的需求属于本领域的常规技术，在本发明中仅借助于电池来说明多旋翼飞行器上电池的无线充电动态。

在一实例中，当K值在1/2以上，且U2在电池充电限制电压以下时，多旋翼飞行器P向停机坪T的无线电能发射装置A请求大于10%的电能，直至I2达到电池所需的恒流充电电流值。

当U2达到多旋翼飞行器P电池的充电限制电压时，多旋翼飞行器P向停机坪T的无线电能发射装置A请求减少发射电能，使多旋翼飞行器P进入恒压充电状态；在恒压充电状态下，若I2减少到接近0时，电池电量接近饱和，充电完成，停机坪T停止电能发射。

在附图6中给出了无线电能发射装置A拓扑结构图，无线电能发射电路E包括与整流滤波I输出端电连接的DC-DC调压、控制器I、通信模块I，在本实施例中，整流滤波I对外接220V AC电源进行处理。所述控制器I的输出端分别与DC-DC调压的输入端、通信模块I的输入端、PWM生成器的输入端相连，PWM生成器的输出端和DC-DC调压的输出端之间依次设置有功率管驱动、功率管放大电路，并且功率管放大电路的输出端与无线电能发射线圈B相连。功率管驱动的输入端与PWM生成器的输出端相连，功率管驱动的输出端与功率管放大电路的输入端相连，功率管放大电路的输入端与DC-DC调压的输出端相连。

无线电能发射装置A的电路原理为：无线电能发射电路E接收经整流滤波I处理后的电能，通过DC-DC调压供电给连接有无线电能发射线圈B的功率管放大电路，无线电能发射电路E内的控制器I通过通信模块I收发无线电能接收装置F的信息，根据无线电能接收装置F的需求控制PWM生成器的PWM占空比，以及DC-DC输出的电压，以调节功率管放大电路的波形幅度与占空比，最终控制无线电能发射线圈B发出的电磁波能量大小。同时，在功率管驱动的输出端和PWM生成器的输入端之间设置有保护模块，来对无线电能发射电路E内进行保护。

在附图7中给出了无线电能接收装置F的拓扑结构图，无线电能转化电路D包括整流滤波II、控制器II、通信模块II、开关，其中整流滤波II的输入端与无线电能接收线圈C相连，整流滤波II的输出端与开关输入端相连，控制器II的输出端分别连接通信模块II的输入端及开关的输入端，开关的输出端与多旋翼飞行器P内的电池电连接，电池还与控制器II的输入端相连。

无线电能接收装置F的电路原理为：控制器II通过通信模块II发送充电请求给无线电能发射装置A，无线电能接收线圈C通过无线电能发射线圈B接收电能经过整流滤波II，控制器II根据电池状态控制开关给电池充电，以及电池的充电电压U2、充电电流I2等信息，由控制器II检测后通过通信模块II持续发送给无线电能发射装置A，并根据实时状态改变发送的充电电能请求。

实施例2

在本实例中，充电设备的整体结构及充电过程类似于实施例1，仅仅在无线电能发射线圈、无线电能接收线圈的安装上有进一步的变化，在本实施例中仍以四旋翼飞行器为例。

在本实施例中无线电能发射线圈也可以直接铺设在停机坪T上表面，在铺设的时候也应注意无线电能发射线圈B围绕停机坪T的***轮廓设置。

无线电能接收线圈安装于旋翼***，将四个旋翼的四个端部围接成环状，既实现与无线电能发射线圈之间的电磁波传输，又形成防撞栏来保护四旋翼飞行器。

在实施例1、实施例2中均采用四旋翼飞行器进行说明，但本发明所保护的范围不限于四旋翼，也可用于三旋翼、六旋翼、八旋翼等多旋翼飞行器。在使用其他类型的多旋翼飞行器时，无线电能接收线圈均围绕相应的多旋翼飞行器电机悬臂形成环状或安装于多个旋翼***形成环状。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明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发明。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，本发明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发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.多旋翼飞行器无线充电设备，其特征在于：包括位于停机坪（T）的无线电能发射装置（A）、位于多旋翼飞行器（P）上的无线电能接收装置（F），所述无线电能发射装置（A）包括无线电能发射电路（E）、与无线电能发射电路（E）电连接的无线电能发射线圈（B）；所述无线电能接收装置（F）包括无线电能接收线圈（C）、与无线电能接收线圈（C）电连接的无线电能转化电路（D）；无线电能发射线圈（B）与无线电能接收线圈（C）之间通过电磁波无线连接。

2.如权利要求1所述的多旋翼飞行器无线充电设备，其特征在于：无线电能发射电路（E）位于停机坪内部，无线电能发射线圈（B）平行于停机坪（T）表面安装。

3.如权利要求2所述的多旋翼飞行器无线充电设备，其特征在于：无线电能发射电路（E）包括与整流滤波I输出端电连接的DC-DC调压、控制器I、通信模块I，所述控制器I的输出端分别与DC-DC调压的输入端、通信模块I的输入端、PWM生成器的输入端相连，PWM生成器的输出端和DC-DC调压的输出端之间依次设置有功率管驱动、功率管放大电路，并且功率管放大电路的输出端与无线电能发射线圈（B）相连。

4.如权利要求3所述的多旋翼飞行器无线充电设备，其特征在于：无线电能接收线圈（C）安装于多旋翼飞行器（P）的机身外，无线电能转化电路（D）安装于多旋翼飞行器（P）的机体内部。

5.如权利要求4所述的多旋翼飞行器无线充电设备，其特征在于：无线电能转化电路（D）包括整流滤波II、控制器II、通信模块II、开关，其中整流滤波II的输入端与无线电能接收线圈（C）相连，整流滤波II的输出端与开关输入端相连，控制器II的输出端分别连接通信模块II的输入端及开关的输入端，开关的输出端与多旋翼飞行器（P）内的电池电连接，电池还与控制器II的输入端相连。

6.如权利要求5所述的多旋翼飞行器无线充电设备，其特征在于：无线电能接收线圈（C）围绕多旋翼飞行器（P）的电机悬臂安装或围绕多旋翼飞行器（P）的旋翼***安装。

7.如权利要求1至6任一项所述的多旋翼飞行器无线充电设备，其特征在于：所述外设电源为交流市电、发电机、低压直流电源中的一种。

8.多旋翼飞行器无线充电方法，其特征在于：多旋翼飞行器进入无线充电停机坪，按照以下步骤进行多旋翼飞行器的降落停靠判断，实现对多旋翼飞行器的无线充电：

步骤1、多旋翼飞行器（P）向停机坪（T）上的无线电能发射装置（A）发送充电请求，无线电能发射装置（A）接收到充电请求，通过无线电能发射线圈（B）发送低于正常充电电能的电磁能，同时检测无线电能发射电路（E）的供电电压U1、供电电流I1；

步骤2、多旋翼飞行器（P）的无线电能接收装置（F）接收来自步骤1的电能后，检测无线电能转化电路（D）的充电电压U2和充电电流I2，并通过无线电能转化电路（D）内的通信模块II反馈给无线电能发射装置（A）；

步骤3、无线电能发射装置（A）根据U1*I1得出的供电功率P1，以及无线电能转化电路（D）反馈获得的U2*I2得出的充电功率P2，比较P1、P2得出发射与接收间的传输效率K=P1/P2，若K的值大于设定的阈值，判定飞行器停靠在正确的位置，则继续进行充电。

9.如权利要求8所述的多旋翼飞行器无线充电方法，其特征在于：步骤1中，无线电能发射装置（A）则根据需求发射相应的电磁波能量给无线电能接收装置（F），具体过程为：

无线电能发射电路（E）对接收的电能在整流滤波I内进行处理，通过DC-DC调压供电给连接有无线电能发射线圈（B）的功率管放大电路，控制器I通过通信模块I收发无线电能接收装置（D）的信息，根据无线电能接收装置（D）的信息控制PWM生成器的PWM占空比，以及DC-DC输出的电压，以调节功率管放大电路的波形幅度与占空比，最终控制无线电能发射线圈发出的电磁波能量大小。

10.如权利要求8或9所述的多旋翼飞行器无线充电方法，其特征在于：在步骤2中，无线电能转化电路（D）经通信模块II反馈给无线电能发射装置（A），具体过程为：

控制器II通过通信模块II发送充电请求给无线电能发射装置（A），无线电能接收线圈（C）接收的电能发送至整流滤波II，控制器II根据电池状态控制开关给电池充电、控制电池的充电电压U2及充电电流I2，由控制器II检测后通过通信模块II持续发送给无线电能发射装置（A），并根据电池的实时状态改变发送的充电请求。