CN113103886A - 一种新的无人机自动充电方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新的无人机自动充电方法及装置，利用单片机产生PWM信号，经过反相器后生成4路PWM波，再经过驱动电路分别驱动全桥逆变电路中的4个MOS管，将直流电转换成高频率的交流电。采用双边LCC谐振补偿网络，在提高传输效率的同时可一定程度上增强***的抗偏移型。耦合线圈采用的是三线圈结构，发射线圈与接收线圈之间间隔5cm,线圈在特定范围内发生偏移时耦合装置的输出不会受到耦合变化的影响或者说影响较小。电池管理***可实时显示各节锂电池电量，采用恒压充电方式，并在充满电之后自动休眠。
Description
技术领域
本发明涉及无人机充电技术领域，尤其涉及一种新的无人机自动充电方法及装置。
背景技术
无人机在21世纪初迎来高速成长期，并逐步从军用领域扩展到了民用领域，如农田作业、影视拍摄、物流配送以及巡检等。目前，无人机主要有两种飞行动力模式：燃油动力飞行和电池动力飞行。相比于前者，采用电池动力飞行模式无人机结构简单、成本低、安全，但受电池容量限制，续航时间短，通常是20-30分钟。通过增加电池容量虽有助于提高无人机续航时间，但受电池技术以及制作成本限制，续航时间增加有限，无法从根本上解决无人机长时间作业的问题，较为可行的策略是对无人机自动进行充电。
无线充电技术是指无需导线或其他物理接触，直接将电能转换成电磁波、光波、声波等形式，通过空间将能量从电源传递到负载的电能传输技术，因此又被称为非接触电能传输技术。该技术实现了电源与负载之间的完全电气隔离，具有安全、可靠、灵活等传统电能传输方式无可比拟的优点，因此得到了国内外学者的广泛关注。
磁耦合感应式无线充电主要是通过电磁感应耦合进行能量单向传递，发送端与接收端并没有相互连接，通过发送端与接收端的线圈之间的互感作用来实现能量从发射端到接收端的传递。一个类似松耦合变压器的装置包括发送线圈和接收线圈，当射频信号加载在发送线圈上，接收线圈便会有感应电流流过，两者之间正是利用互感进行工作。无线充电的充电效率与发射线圈、接收线圈的对准程度和两线圈之间的距离有很大关系，接收线圈安装在无人机上时距离一定，提高***抗偏移性对于保证充电效率及其重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的无人机自动充电方法及装置，旨在解决现有无人机所携带电池容量对其续航时间限制问题。为实现上述目的，本发明采用的一种新的无人机自动充电方法及装置，包括发射端和接收端，
所述发射端包括单片机、驱动电路、逆变电路、两个串联的发射线圈以及原边谐振补偿网络，
所述单片机，用于产生PWM信号，
所述驱动电路，用于驱动全桥逆变电路中的4个MOS管，
所述逆变电路，用于将直流电转换成高频率的交流电；
所述接收端包括接收线圈、副边谐振补偿网络、整流电路和电池管理部分，
所述发射线圈、所述接收线圈、所述原边谐振补偿网络和所述副边谐振补偿网络构成耦合装置，用于在提高传输效率的同时在一定程度上也增强了***的抗偏移型；
所述整流电路，用于对接收端接收的电能进行整流滤波；
所述电池管理部分，用于实时显示各节锂电池电量，并采用恒压充电方式，在充满电之后自动休眠。
其中，所述发射端还包括供电电路，所述供电电路用于对所述驱动电路和逆变电路进行通电。
其中，所述电池管理部包括前端采样电路、充放电以及电流采样电路、 STM32控制部分电路、电池模块和集成串口液晶屏；
所述前端采样电路，用于采集电池模块的输出、输入电数据；
所述充放电以及电流采样电路，用于对电池模块进行充放电以及采集***的充放电电流大小；
所述STM32控制部分电路，用于输出对BQ76920的控制信号；
所述电池模块，用于提供无人机提供电源；
所述集成串口液晶屏，用于显示电池的各个参数。
其中，所述发射线圈与置于所述发射线圈正下方紧密贴合的铁氧体磁芯1 构成发射装置。
其中，所述发射线圈由一个大的矩形平面线圈和一个小的平面螺旋线圈组成，两个线圈反向串联。
一种新的无人机自动充电方法，包括以下步骤，
单片机产生PWM信号；
经过反相器后生成4路PWM波；
经过驱动电路分别驱动全桥逆变电路中的4个MOS管，将直流电转换成高频率的交流电；
经过耦合装置将电能传输到接收端；
经过整流滤波电路后转换成直流电；
经过电池管理部分对电池模块进行充电管理。
本发明的一种新的无人机自动充电方法及装置，利用单片机产生PWM信号，经过反相器后生成4路PWM信号，再经过驱动电路分别驱动全桥逆变电路中的 4个MOS管，将直流电转换成高频率的交流电。采用双边LCC谐振补偿网络，在提高传输效率的同时在一定程度上也增强了***的抗偏移型。耦合线圈采用的是三线圈结构，发射线圈与接收线圈之间间隔5cm,线圈在特定范围内发生偏移时耦合装置的输出不会受到耦合变化的影响或者说影响较小。电池管理***可实时显示各节锂电池电量，采用恒压充电方式，并在充满电之后自动休眠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的双LCC谐振补偿结构电路图。
图2是本发明的耦合装置的结构示意图。
图3(a)是本发明的耦合线圈模型。
图3(b)是本发明的简化模型。图4是本发明的双LCC谐振补偿网络漏感等效电路。
图5是本发明的双边LCC谐振腔恒压模式等效电路。
图6是本发明的***结构框图。
图7是本发明的全桥逆变电路的电路图。
图8是本发明的驱动电路的电路图。
图9是本发明的耦合装置仿真效果图。
图10是本发明的BQ76920电池电量检测原理图。
图11是本发明的各串锂电池对应地址图。
图12是本发明的充放电电路原理图。
图13是本发明的新的无人机自动充电方法的流程图。
图14是本发明的T型电路实现恒压输出的谐振条件及输出电压图。
图中：1-铁氧体磁芯、2-副边线圈、3-第一原边线圈、4-第二原边线圈、5- 气隙。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明提供了一种新的无人机自动充电方法及装置，包括发射端和接收端，
所述发射端包括单片机、驱动电路、逆变电路、两个串联的发射线圈以及原边谐振补偿网络，
所述单片机，用于产生PWM信号，
所述驱动电路，用于驱动全桥逆变电路中的4个MOS管，
所述逆变电路，用于将直流电转换成高频率的交流电；
所述接收端包括接收线圈、副边谐振补偿网络、整流电路和电池管理部分，
所述发射线圈、所述接收线圈、所述原边谐振补偿网络和所述副边谐振补偿网络构成耦合装置，用于在提高传输效率的同时在一定程度上也增强了***的抗偏移型；
所述整流电路，用于对接收端接收的电能进行整流滤波；
所述电池管理部分，用于实时显示各节锂电池电量，并采用恒压充电方式，在充满电之后自动休眠。
进一步地，所述发射端还包括供电电路，所述供电电路用于对所述驱动电路和逆变电路进行通电。
进一步地，所述电池管理部分包括前端采样电路、充放电以及电流采样电路、STM32控制部分电路、电池模块和集成串口液晶屏；
所述前端采样电路，用于采集电池模块的输出、输入电数据；
所述充放电以及电流采样电路，用于对电池模块进行充放电以及采集***的充放电电流大小；
所述STM32控制部分电路，用于输出对BQ76920的控制信号；
所述电池模块，用于提供无人机提供电源；
所述集成串口液晶屏，用于显示电池的各个参数。
进一步地，请参阅图1，所述发射线圈与置于所述发射线圈正下方紧密贴合的铁氧体磁芯1构成发射装置。
进一步地，请参阅图1，所述发射线圈由一个大的矩形平面线圈和一个小的平面螺旋线圈组成，两个线圈反向串联。
请参阅图13，一种新的无人机自动充电方法，包括以下步骤，
S601：单片机产生PWM信号；
S602：经过反相器后生成4路PWM信号；
S603：经过驱动电路分别驱动全桥逆变电路中的4个MOS管，将直流电转换成高频率的交流电。
在本实施方式中，
1、PWM信号的产生及死区时间设置
使用STM32单片机高级定时器TIM1的通道1及其互补通道作为波形输出通道，对应选择PA8和PB13引脚。PWM信号由TIMX_ARR寄存器确定频率，由TIMX_CCR寄存器确定占空比，PWM的信号频率F＝ TIM_CLK/{(ARR+1)*(PSC+1)}。STM32单片机的机器周期为72MHz时，单片机产生频率为83.3KHz,占空比为50％的PWM信号。为了避免全桥逆变中的MOS 管同时导通，PWM信号应设置死区时间。死区时间的设置：由寄存器“TIM1和 TIM8刹车和死区寄存器TIMX_BDTR”中的位DTG[7:0]控制。***设置的死区时间为1us。
2、双边LCC谐振补偿网络
通常，基于双边LCC谐振补偿网络的无线充电***电路图如图1所示，Lp、 Ls分别为松耦合变压器的原边线圈自感、副边线圈2自感，M为两线圈的互感；串联补偿电感L1、并联电容Cf1和串联电容C1组成原边LCC补偿网络；同理，副边LCC谐振补偿网络由L2、Cf2和C2组成；Uin为逆变器前端直流输入电压；UAB、 uab和I1、I2分别为谐振补偿网络输入、输出电压和电流矢量；UO、IO分别为***输出电压和电流；Q1-Q4为原边逆变器MOS管，D1-D4为副边整流二极管。发射线圈和接收线圈之间的等效匝数比n和耦合系数k可表示为：
在本***当中，耦合结构的等效匝数比n为1。
如图2所示，由发射线圈及置于发射线圈正下方紧密贴合的铁氧体磁芯1 构成发射装置，发射线圈由一个大的矩形平面线圈和一个小的平面螺旋线圈组成，两个线圈反向串联。接收装置由一个矩形线圈和铁氧体磁芯1构成，装设在无人机起落架底端；发射装置与接收装置之间的气隙5为50mm。
耦合装置的电路模型如图3所示，其中LQ是第一原边线圈3的自感，与是第二原边线圈4的自感，MTS和MQS分别是两个原边线圈与副边线圈2的互感， MQT是两个原边线圈之间的互感。对图3(a)中的模型进行简化，原边线圈等效自感用LP表示，原边与副边线圈2的互感用M表示，其关系式如式(2)所示，简化后得到图3(b)中的模型，也就形成了如图1所示的耦合装置。
LP＝LQ+LT-2MQT
M＝MQs—MTS (2)
3、电路恒压输出
为了实现双边LCC谐振网络与负载无关的恒压输出，采用T型电路对谐振腔进行分析，如表1所示。根据图4所示的漏感等效电路，谐振腔原边串联补偿电容和漏感(C1、LS1)可等效为(LCV1、CcV1)，副边串联补偿电容和漏感(C′2、L′S2)可等效为(L′CV2、C′CV2)，从而构成如图5所示的三个T型电路的串联。
图14中等效变量可用式(3)表示，式中ωCV为双边LCC谐振腔恒压模式下的谐振角频率，且ωCV＝2πfCV：
根据图14中给出的T型电路恒压输出特性的分析,要使补偿网络输出为恒压，则图5中三个T型补偿网络都应满足对应T型补偿网络恒压输出的条件为：
图5中实现与负载无关的恒压输出的谐振补偿网络输出电压UCV可表示为:
可见双边LCC补偿网络可以实现恒压输出。
本发明提出一种小型无人机磁耦合感应无线充电***，采用非物理接触的方式将电能从发射端传输到接收端，减少了人工干预，从而增加了无人机的续航时间。本发明的小型无人机无线充电***，其结构框图如图7所示，包括发射端和接收端，所述发射端包括单片机、驱动电路、供电电路、逆变电路、两个串联的发射线圈以及原边谐振补偿网络，所述接收端包括一个接收线圈、副边谐振补偿网络、整流电路、电池管理部分。其中，发射线圈、接收线圈和谐振补偿网络构成耦合装置。电池管理部分包括前端采样电路、充放电以及电流采样电路和STM32控制部分电路、电池模块和集成串口液晶屏。
无线充电的基本原理是给发射线圈通入频率较高的交流电，从而在其周围产生变化的磁场，完成电生磁的转变，变化的磁场与接收线圈耦合后会在接收线圈上感生出电动势，完成磁生电的转变，可通过非直接接触的方式实现电能传输。为了实现小型无人机的无线充电，需要给发射端的发射线圈通入高频率的交流电，所以本发明实施例采用图7所示的逆变电路，其作用是将直流电转变成高频率的交流电。本发明采用的逆变电路为全桥逆变电路，由MOS管Q1 和Q4构成一对桥臂，Q2和Q3构成一对桥臂，Q1和Q4同时通、断；Q2和 Q3同时通、断。Q1(Q4)与Q2(Q3)的驱动信号互补，即Q1和Q4有驱动信号时， Q2和Q3无驱动信号，反之亦然，两对桥臂各交替导通180°。
为了使***中的全桥逆变电路完成直流电到交流电的转变，需要给逆变电路中的4个MOS管各一个驱动信号。本***采用STM32单片机产生PWM，驱动逆变电路中的各个MOS管。但是，STM32单片机产生的PWM是不足以驱动 MOS管的。
于是，本***设计采用如图8所示的驱动电路，该驱动电路由74LS04反相器和两片型号为IR2110的芯片及其***电路构成。由STM32单片机输出 83.3KHz的PWM信号，经过74LS04反相器变成4路PWM，其中两路PWM与另外两路PWM相差180°。74LS04输出的4路PWM分别连接两片IR2110芯片，在同一IR2110芯片上的两路PWM相差180°。由两片IR2110芯片隔离放大驱动信号，分别驱动全桥逆变电路中的4个MOS管，使上述的两对桥臂交替导通，将直流电转变成高频率的交流电。
耦合装置上述图2所示，下方的第一原边线圈3、2为发射线圈，上方的副边线圈2为接收线圈，三线圈同中心轴，发射线圈与接收线圈之间间隔50mm。本发明实施例的线圈均采用利兹线绕制，其中第一原边线圈3和接收线圈为平面矩形螺旋线圈，原边线圈为平面螺旋线圈，线与线之间间隔1mm。第一原边线圈3和原边线圈在同一平面上，且第一原边线圈3的内径大于原边线圈3的外径。在第一原边线圈3和原边线圈3的下方设有一块平板铁氧体磁芯1，该磁芯的大小与第一原边线圈3一样；在副边线圈2的上方也设有一块平板磁芯，该磁芯的大小与接收线圈一样。本设计中的磁芯均是采用铁氧体磁芯1，并且磁芯与线圈紧密贴合。
当原边线圈与副边线圈2出现未对准的情况时，互感MQS和MTS都会因此减小，如果在未对准的一定范围内MQS和MTS减小的幅度一样，则它俩之间的差异值，假设是M即M＝MQS-MTS，可以保持恒定。所以，线圈在特定范围内发生偏移时耦合装置的输出不会受到耦合变化的影响或者说影响较小，即可以提高***的抗偏移性，图9为仿真效果图。
如图10所示，BQ76920设置为4S锂电池管理模式，可单独对每节电池的电量进行检测，通过模拟IIC与STM32进行通信；图11是检测各节锂电池时对应的地址信息。
当电池需要充电时，电流从下往上，CHG给高电平时，无论DSG为高还是低，都可以给锂电池进行充电；同理，当锂电池需要放电时，电流从上往下， DSG给高电平时，无论CHG为高还是低，都可以对锂电池进行放电，电路原理图如图12所示。
本发明提出了一种小型无人机磁耦合感应无线充电***，利用单片机产生 PWM信号，经过反相器后生成4路PWM波，再经过驱动电路分别驱动全桥逆变电路中的4个MOS管，将直流电转换成高频率的交流电。采用双边LCC谐振补偿网络，在提高传输效率的同时在一定程度上也增强了***的抗偏移型。耦合线圈采用的是三线圈结构，发射线圈与接收线圈之间间隔5cm,线圈在特定范围内发生偏移时耦合装置的输出不会受到耦合变化的影响或者说影响较小。电池管理***可实时显示各节锂电池电量，采用恒压充电方式，并在充满电之后自动休眠。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种新的无人机自动充电装置，其特征在于，包括发射端和接收端，
所述发射端包括单片机、驱动电路、逆变电路、两个串联的发射线圈以及原边谐振补偿网络，
所述单片机，用于产生PWM信号，
所述驱动电路，用于驱动全桥逆变电路中的4个MOS管，
所述逆变电路，用于将直流电转换成高频率的交流电；
所述接收端包括接收线圈、副边谐振补偿网络、整流电路和电池管理部分，
所述发射线圈、所述接收线圈、所述原边谐振补偿网络和所述副边谐振补偿网络构成耦合装置，用于在提高传输效率的同时在一定程度上也增强了***的抗偏移型；
所述整流电路，用于对接收端接收的电能进行整流滤波；
所述电池管理部分，用于实时显示各节锂电池电量，并采用恒压充电方式，在充满电之后自动休眠。
2.如权利要求1所述的新的无人机自动充电装置，其特征在于，
所述发射端还包括供电电路，所述供电电路用于对所述驱动电路和逆变电路进行通电。
3.如权利要求1所述的新的无人机自动充电装置，其特征在于，
所述电池管理部分包括前端采样电路、充放电以及电流采样电路、STM32控制部分电路、电池模块和集成串口液晶屏；
所述前端采样电路，用于采集电池模块的输出、输入电数据；
所述充放电以及电流采样电路，用于对电池模块进行充放电以及采集***的充放电电流大小；
所述STM32控制部分电路，用于输出对BQ76920的控制信号；
所述电池模块，用于提供无人机提供电源；
所述集成串口液晶屏，用于显示电池的各个参数。
4.如权利要求1所述的新的无人机自动充电装置，其特征在于，
所述发射线圈与置于所述发射线圈正下方紧密贴合的铁氧体磁芯1构成发射装置。
5.如权利要求4所述的新的无人机自动充电装置，其特征在于，
所述发射线圈由一个大的矩形平面线圈和一个小的平面螺旋线圈组成，两个线圈反向串联。
6.一种新的无人机自动充电方法，其特征在于，包括以下步骤，
单片机产生PWM信号；
经过反相器后生成4路PWM信号；
经过驱动电路分别驱动全桥逆变电路中的4个MOS管，将直流电转换成高频率的交流电；
经过耦合装置将电能传输到接收端；
经过整流滤波电路后转换成直流电；
经过电池管理部分对电池模块进行充电管理。
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