无人机动力电池无线充电装置

1.本实用新型涉及无线充电技术领域，尤其是一种无人机动力电池无线充电装置。

背景技术：

2.无线充电，是指通过无线充电装置的发射线圈将电能转换为电磁场并发送出去，与用电设备的电池电连接的无线充电装置的接收线圈将接收到的电磁场转换成电能，对用电设备的电池进行充电，将电能存储在电池中。无线充电技术已经在智能设备、电动汽车领域开始应用，并持续迭代演进。
3.无人机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机已经广泛应用于军事、航拍、影视拍摄、新闻报道、管线巡检、灾难救援、农业生产等领域。按照动力来源分类，现有无人机可分为动力电池无人机，燃油无人机，氢燃料无人机，和其他动力无人机。其中，用于执行长航程飞行任务的燃油无人机，及用于执行通用飞行任务的动力电池无人机是目前常用的两种无人机。
4.续航能力，灵活性，小型化是用于评价无人机可用性的主要指标。为了保证无人机的灵活性和小型化，用于对无人机进行能量供给的装置，其设计尺寸和设计重量都有明确的限制。也就是说，基于动力电池的无人机，其携带的动力电池的容量受到了限制。
5.基于动力电池的无人机，其通常是在返航后，基于有线充电的方式进行动力电池充电，以确保后续执行飞行任务的过程中有足够的能量消耗。但随着无人机的应用广度和应用深度的进一步拓展，无人机所执行任务的复杂性和任务量显著增加，如何提高基于动力电池的无人机的续航能力，是本领域的研究人员致力要解决的技术问题。
6.为了解决上述技术问题，本领域的研究人员，开始借用尚未投入产业应用的基于地面充电站的电动汽车无线充充电技术，以形成对无人机的动力电池进行充电的技术方案。现有的汽车无线充充电装置，其发射线圈设置在地面，其接收线圈设置在汽车腹部的下侧，充电前，汽车可进行前后左右移动以使接收线圈与发射线圈上下对准，以致充电过程中接收线圈与发射线圈之间具有良好的耦合性，充电效率得到保证。
7.然而，发明人在实现本实用新型实施例中的技术方案的过程中发现，现有的用于无人机动力电池的无线充电技术方案至少存在如下技术问题：
8.设置发射线圈的无人机充电站，其水平方向的尺寸稍微大于无人机水平方向的尺寸，且其是通过杆状结构件设置在空中；利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵无人机要停泊在其上尚且需要较高的操控水平，无人机一旦停放在无人机充电站很难实现前后左右移动，以致设置在无人机充电站上的发射线圈与设置在无人机腹部下侧的发射线圈没法实现上下对准，充电时两者耦合度较差，严重影响到无人机动力电池的充电效率。

技术实现要素：

9.有鉴于此，本实用新型实施例的目的在于提供一种无人机动力电池无线充电装置，用以解决现有技术中的无人机动力电池无线充电装置在对无人机进行充电时，接收线
圈与发射线圈上下不能实现上下有效对准，充电时两者耦合度较差，充电效率不高的缺陷。本实用新型实施例中的无人机动力电池无线充电装置，通过与发射线圈同设置在载机台上的激光定位标签以及与接收线圈同设置在充电基板的激光传感器为无人机的飞行控制器提供定位信息，飞行控制器基于定位信息将无人机停泊在发射线圈的正上方，且发射线圈与接收线圈上下对准。进而提高了无人机动力电池的充电效率。
10.为了实现上述目的，本实用新型实施例中采用的技术方案如下：
11.本实用新型实施例中提供一种无人机动力电池无线充电装置，所述无线充电装置包括电能无线发射装置、电能无线接收充电装置；所述无线充电装置应用于包括飞行控制器，gps模块，动力电池的无人机；
12.所述电能无线发射装置包括激光定位标签，发射线圈，与所述发射线圈电连接的输入电能逆变电路，与所述发射线圈、所述输入电能逆变电路均电连接的发射控制电路；所述发射控制电路与所述飞行控制器无线通信连接；
13.所述电能无线接收充电装置包括激光传感器，接收线圈，与所述接收线圈电连接的充电电路，与所述接收线圈、所述充电电路均电连接的充电控制电路；所述充电控制电路与所述飞行控制器无线通信连接，所述飞行控制器与所述激光传感器电连接；所述充电电路与所述动力电池电连接；
14.所述激光传感器和所述接收线圈均设置在用于集成所述充电电路、充电控制电路的充电基板的下侧；所述充电基板固定连接在所述无人机的机腹部的下侧；
15.所述激光定位标签和所述发射线圈均设置在用于停泊所述无人机的载机台上面；
16.在所述无人机停泊所述载机台上的过程中，所述飞行控制器基于所述激光传感器及所述激光定位标签获得定位信息，通过所述定位信息，所述飞行控制器能够控制所述无人机停泊在所述发射线圈的正上方，且所述发射线圈与所述接收线圈上下对准。
17.可能的实施方式中，所述激光定位标签的反射面为镜面结构。
18.可能的实施方式中，所述激光定位标签的材料为激光高反射材料。
19.可能的实施方式中，所述激光高反射材料为铜、铝中的一种。
20.可能的实施方式中，所述激光传感器与所述激光定位标签的数量相同且一一对应，所述激光传感器设置在所述充电基板上的位置与所述激光定位标签设置在所述载机台上的位置相对应。
21.可能的实施方式中，所述激光传感器与所述激光定位标签均为一个，所述激光传感器设置在所述接收线圈中心位置的所述充电基板的下侧，所述激光定位标签设置在所述发射线圈中心位置的所述载机台上面。
22.可能的实施方式中，所述电能无线接收充电装置还包激光雷达，所述激光雷达与所述飞行控制器通信连接，所述激光雷达用于构建所述载机台周边环境地图以及用于所述无人机导航。
23.可能的实施方式中，所述充电电路包括与所述接收线圈电连接的整流滤波电路，与所述整流滤波电路电连接的直流电变换电路，与所述直流电变换电路电连接的充电管理电路。
24.可能的实施方式中，所述输入电能逆变电路为全桥逆变电路。
25.基于上述技术方案，本实用新型实施例中的无人机动力电池无线充电装置，通过
与发射线圈同设置在载机台上的激光定位标签以及与接收线圈同设置在充电基板的激光传感器为无人机的飞行控制器提供定位信息，飞行控制器基于定位信息将无人机停泊在发射线圈的正上方，且发射线圈与接收线圈上下对准。进而提高了无人机动力电池的充电效率。
附图说明
26.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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
27.图1示出了本实用新型实施例中的无人机动力电池无线充电装置的结构框图；
28.图2示出了本实用新型实施例中的电能无线发射装置的结构示意图；
29.图3示出了本实用新型实施例中的电能无线接收充电装置的结构示意图；
30.图4示出了本实用新型实施例中的充电电路的结构框图。
31.其中，图中的附图标记与部件名称之间的对应关系如下：
32.电能无线发射装置100，激光定位标签110，发射线圈120，输入电能逆变电路130，发射控制电路140，电能无线接收充电装置200，激光传感器210，接收线圈220，充电电路230，整流滤波电路231，直流电变换电路232，充电管理电路233，充电控制电路240，充电基板250，载机台300。
具体实施方式
33.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实际应用，参照本实用新型实施例附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
34.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
35.图1示出了本实用新型实施例中的无人机动力电池无线充电装置的结构框图；
36.图2示出了本实用新型实施例中的电能无线发射装置的结构示意图；
37.图3示出了本实用新型实施例中的电能无线接收充电装置的结构示意图。
38.现参照图1，同时结合图2、图3所示，本实用新型实施例中的无人机动力电池无线充电装置，所述无线充电装置包括电能无线发射装置100、电能无线接收充电装置200；所述无线充电装置应用于包括飞行控制器，gps模块，动力电池的无人机；
39.所述电能无线发射装置100包括激光定位标签110，发射线圈120，与所述发射线圈120电连接的输入电能逆变电路130，与所述发射线圈120、所述输入电能逆变电路130均电连接的发射控制电路140；所述发射控制电路140与所述飞行控制器无线通信连接；
40.所述电能无线接收充电装置200包括激光传感器210，接收线圈220，与所述接收线圈220电连接的充电电路230，与所述接收线圈220、所述充电电路230均电连接的充电控制电路240；所述充电控制电路240与所述飞行控制器无线通信连接，所述飞行控制器与所述
激光传感器210电连接；所述充电电路230与所述动力电池电连接；
41.所述激光传感器210和所述接收线圈220均设置在用于集成所述充电电路230、充电控制电路240的充电基板250的下侧；所述充电基板250固定连接在所述无人机的机腹部的下侧；
42.所述激光定位标签110和所述发射线圈120均设置在用于停泊所述无人机的载机台300上面；
43.在所述无人机停泊所述载机台300上的过程中，所述飞行控制器基于所述激光传感器210及所述激光定位标签110获得定位信息，通过所述定位信息，所述飞行控制器能够控制所述无人机停泊在所述发射线圈120的正上方，且所述发射线圈120与所述接收线圈220上下对准。
44.本实用新型实施例中，所述输入电能逆变电路130，用于将输入电能逆变产生正弦电流形式的交流电，以使所述发射线圈120能够将输入电能转换为电磁波进行发射。若输入电能为直流电，例如太阳能发电产生的直流电作为输入电能的应用场景，储能电池产生的直流电作为输入电能的应用场景，所述输入电能逆变电路130将直流电转换成正弦电流形式的交流电；若输入电能为交流电，第一种情况，输入交流电的电压高于36v，例如220v 50hz交流市电作为输入电能的应用场景，或690v风力发电交流电作为输入电能的应用场景，所述输入电能逆变电路130，首先对输入交流电进行降压，具体可以降压到18v-36v的范围，再对降压后的交流电压进行整流，当整流输出的电压达到交流电降压后的根号二倍大小时，对整流输出的电压进行电压逆变，产生正弦电流形式的交流电；第二种情况，输入交流电的电压低于18v，所述输入电能逆变电路130，首先对输入交流电进行升压，具体可以升压到18v-36v的范围，再对降压后的交流电压进行整流，当整流输出的电压达到交流电降压后的根号二倍大小时，对整流输出的电压进行电压逆变，产生正弦电流形式的交流电。
45.可能的实施方式中，所述输入电能逆变电路130为全桥逆变电路。全桥逆变电路既可以对直流电进行电流电压逆变处理，也可以对交流电进行电压逆变处理。
46.本实用新型实施例中，所述发射控制电路140，用于控制所述输入电能逆变电路产生正弦电流形式的交流电，及用于控制所述发射线圈将交流电能转换为电磁波并进行发射。所述发射控制电路140为微控制单元(microcontroller unit；mcu)，其是把中央处理器(central process unit；cpu)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(timer)、usb、a/d转换、uart、plc、dma等周边接口，甚至lcd驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机。所述发射控制电路140，具体可以是意法半导体的stm32f407zgt6。
47.本实用新型实施例中，所述发射线圈120为动力电池无线充电常用的发射线圈。其用于将正弦电流形式的交流电能转换为电磁波并进行发射。
48.本实用新型实施例中，所述接收线圈220为动力电池无线充电常用的接收线圈。其用于接收电磁波能量并转换成高频交流电。
49.所述发射线圈120与所述接收线圈220之间通过磁共振耦合进行无线能量传递。
50.本实用新型实施例中，所述充电电路230，用于将所述接收线圈产生的高频交流电进行整流滤波，直流电变换以获得能给所述动力电池充电的充电电流，然后给动力电池充电。
51.图4示出了本实用新型实施例中的充电电路的结构框图。
52.现参照图4所示，可能的实施方式中，所述充电电路230包括与所述接收线圈电连接的整流滤波电路231，与所述整流滤波电路231电连接的直流电变换电路232，与所述直流电变换电路232电连接的充电管理电路233。
53.本实用新型实施例中，所述整流滤波电路231，用于将所述接收线圈产生的高频交流电转换为直流电。所述整流滤波电路231为动力电池无线充电常用的整流滤波电路。具体的，所述整流滤波电路231，可以是由四个二极管构成桥式整流或电路集成的整流桥并联滤波电容构成。
54.本实用新型实施例中，所述直流电变换电路232，用于对整流滤波后获得的直流电的电压进行升压或者降压，以获得能给所述动力电池充电的充电电流。所述直流电变换电路232为动力电池无线充电常用的直流电变换电路。所述直流电变换电路232具体可以是同步整流器或线性稳压电路。
55.本实用新型实施例中，所述充电管理电路233为动力电池无线充电常用的充电管理电路。
56.再参照图1，同时结合图2、图3所示，本实用新型实施例中，所述充电控制电路为微控制单元(microcontroller unit；mcu)，具体实施方式可以参照所述发射控制电路。
57.本实用新型实施例中，所述激光传感器210为机械制造工业和光学加工工业常用的激光传感器。其由激光器、激光检测器和测量电路组成，其在工作时，由激光器向对准目标发射激光脉冲，激光经目标反射后产生散射，部分散射光返回到激光检测器，激光检测器对散射光进行处理后产生电信号，电信号经测量电路，得到目标的距离及目标尺寸。激光传感器可以实现1mm的分辨率。
58.本实用新型实施例中，所述激光定位标签110为机械制造工业和光学加工工业常用的激光定位标签。可能的实施方式中，所述激光定位标签110的材料为激光高反射材料，例如铜、铝，银等电阻率小的材料；电阻率越小的材料，对激光的吸收率越低，被激光照射后反射的激光越多；可能的实施方式中，所述激光定位标签110的反射面为镜面结构；镜面结构的反射面能够让照射所述激光定位标签110的激光返回到所述激光传感器210，提高目标测量的灵敏度。
59.为了使无人机的飞行控制器直接基于激光传感器210传来的定位信息执行无人机的停泊作业，可能的实施方式中，所述激光传感器210与所述激光定位标签110的数量相同且一一对应，所述激光传感器210设置在所述充电基板250上的位置与所述激光定位标签110设置在所述载机台300上的位置相对应。基于该种实施方式，所述激光传感器210给出的定位信息，无人机的飞行控制器可不需再进行处理。
60.为了减少所述激光传感器210与所述激光定位标签110的使用量，降低本实用新型实施例中的无人机动力电池无线充电装置的获得成本，可能的实施方式中，所述激光传感器210与所述激光定位标签110均为一个，所述激光传感器210设置在所述接收线圈220中心位置的所述充电基板250的下侧，所述激光定位标签110设置在所述发射线圈120中心位置的所述载机台300上面。
61.本实用新型实施例中的无人机动力电池无线充电装置的工作过程为：
62.在无人机的控制系统给出动力电池电量预警信号后，无人机的飞行控制器启动gps定位模块搜寻并匹配最近的无人机动力电池无线充电装置；在gps定位模块的导航下，
飞行控制器操控无人机飞到无人机动力电池无线充电装置的上方；飞行控制器给激光传感器210发出向激光定位标签110照射激光的工作指令，激光传感器210向激光定位标签110照射激光并收集激光定位标签110反射回来的激光，经激光传感器210的测量电路处理后生成定位信息，传递给飞行控制器，通过定位信息，飞行控制器能够控制无人机停泊在发射线圈120的正上方，且发射线圈120与所述接收线圈220上下对准。
63.当无人机停放在载机台300上后，无人机的飞行控制器通信连接述电能无线发射装置100的发射控制电路140和电能无线接收充电装置200的充电控制电路240，并给出充电指令，电能无线发射装置140将输入电能逆变为正弦电流形式的交流电，经发射线圈120将交流电能转换为电磁波并进行发射；电能无线接收充电装置200的接收线圈220通过磁共振耦合接收电磁波能量并转换成高频交流电，高频交流电进行整流滤波，直流电变换后，给无人机的动力电池充电。
64.民用gps定位精度一般为10米级左右，即使最好的定位精度也只能达到3-5米；当无人机飞到载机台附近后，要仅仅基于gps导航引导无人机飞到载机台上方比较困难。为了有效引导无人机飞到载机台上方，可能的实施方式中，所述电能无线接收充电装置还包激光雷达，所述激光雷达与所述飞行控制器通信连接，所述激光雷达用于构建所述载机台周边环境地图以及用于所述无人机导航。
65.本实用新型实施例中，所述激光雷达，为用于自动驾驶的激光雷达，可实现10厘米级航程导航。所述激光雷达能够基于载机台周边环境构建地图，并基于地图生成导航数据，并传输给无人机的飞行控制器，飞行控制器可以基于所述激光雷达传来的导航数据操纵无人机飞到载机台的正上方。然后飞行控制器再基于激光传感器生成的定位信息，控制无人机停泊在发射线圈120的正上方，且发射线圈120与所述接收线圈220上下对准。

技术特征：

1.无人机动力电池无线充电装置，所述无线充电装置包括电能无线发射装置、电能无线接收充电装置；所述无线充电装置应用于包括飞行控制器，gps模块，动力电池的无人机；其特征在于：所述电能无线发射装置包括激光定位标签，发射线圈，与所述发射线圈电连接的输入电能逆变电路，与所述发射线圈、所述输入电能逆变电路均电连接的发射控制电路；所述发射控制电路与所述飞行控制器无线通信连接；所述电能无线接收充电装置包括激光传感器，接收线圈，与所述接收线圈电连接的充电电路，与所述接收线圈、所述充电电路均电连接的充电控制电路；所述充电控制电路与所述飞行控制器无线通信连接，所述飞行控制器与所述激光传感器电连接；所述充电电路与所述动力电池电连接；所述激光传感器和所述接收线圈均设置在用于集成所述充电电路、充电控制电路的充电基板的下侧；所述充电基板固定连接在所述无人机的机腹部的下侧；所述激光定位标签和所述发射线圈均设置在用于停泊所述无人机的载机台上面；在所述无人机停泊所述载机台上的过程中，所述飞行控制器基于所述激光传感器及所述激光定位标签获得定位信息，通过所述定位信息，所述飞行控制器能够控制所述无人机停泊在所述发射线圈的正上方，且所述发射线圈与所述接收线圈上下对准。2.根据权利要求1所述的无人机动力电池无线充电装置，其特征在于：所述激光定位标签的反射面为镜面结构。3.根据权利要求1所述的无人机动力电池无线充电装置，其特征在于：所述激光定位标签的材料为激光高反射材料。4.根据权利要求3所述的无人机动力电池无线充电装置，其特征在于：所述激光高反射材料为铜、铝中的一种。5.根据权利要求1所述的无人机动力电池无线充电装置，其特征在于：所述激光传感器与所述激光定位标签的数量相同且一一对应，所述激光传感器设置在所述充电基板上的位置与所述激光定位标签设置在所述载机台上的位置相对应。6.根据权利要求5所述的无人机动力电池无线充电装置，其特征在于：所述激光传感器与所述激光定位标签均为一个，所述激光传感器设置在所述接收线圈中心位置的所述充电基板的下侧，所述激光定位标签设置在所述发射线圈中心位置的所述载机台上面。7.根据权利要求1、2、3、4、5、6任一项所述的无人机动力电池无线充电装置，其特征在于：所述电能无线接收充电装置还包激光雷达，所述激光雷达与所述飞行控制器通信连接，所述激光雷达用于构建所述载机台周边环境地图以及用于所述无人机导航。8.根据权利要求1、2、3、4、5、6任一项所述的无人机动力电池无线充电装置，其特征在于：所述充电电路包括与所述接收线圈电连接的整流滤波电路，与所述整流滤波电路电连接的直流电变换电路，与所述直流电变换电路电连接的充电管理电路。9.根据权利要求1、2、3、4、5、6任一项所述的无人机动力电池无线充电装置，其特征在于：所述输入电能逆变电路为全桥逆变电路。

技术总结

本实用新型实施例提供一种无人机动力电池无线充电装置，用以解决现有技术中的无人机动力电池无线充电装置的接收线圈与发射线圈上下不能实现上下有效对准，充电时两者耦合度较差，充电效率不高的缺陷。本实用新型的无线充电装置，包括具有激光定位标签、发射线圈、输入电能逆变电路、发射控制电路的电能无线发射装置，具有光定位器、接收线圈、充电电路、充电控制电路的电能无线接收充电装置。该装置通过与发射线圈同设置在载机台上的激光定位标签以及与接收线圈同设置在充电基板的激光传感器为无人机的飞行控制器提供定位信息，飞行控制器基于定位信息将无人机停泊在发射线圈的正上方，且发射线圈与接收线圈上下对准。且发射线圈与接收线圈上下对准。且发射线圈与接收线圈上下对准。