本發(fā)明涉及一種無人機供電系統(tǒng)，尤其涉及一種基于電磁耦合的無接觸式充電的群體無人機供電裝置，用于同時給多個小型無人機充電，來保證無人機的續(xù)航。

背景技術：

與有人機相比，無人機具有諸多優(yōu)勢：小而輕、且不易被發(fā)現(xiàn)、開發(fā)和維護成本低、機動性好、起降要求低等。隨著無人機的大眾化，其應用領域已涵蓋科研、民用及軍事。世界上從事無人機研究和生產(chǎn)的國家已經(jīng)超過30個，無人機基本型數(shù)量已增加到300多種。

在評估無人機性能好壞的諸項指標中，無人機的續(xù)航能力是一個重要的指標，而長航程也是今后無人機的主要發(fā)展趨勢之一。對于無人機而言，更長的續(xù)航能力就意味著能夠更加高效、可持續(xù)地完成任務，特別是在爭分奪秒的未來戰(zhàn)爭中，長續(xù)航里程就可以起到持續(xù)地獲取戰(zhàn)場信息作用。當前市場上可提供蓄電池和油氣無人機，目前最大的蓄電池無人機大概只能航行1小時左右；相對于蓄電池無人機，油氣無人機能夠航行的時間相對長很多，但是油氣無人機無論從靈敏度還是體積上，都不如蓄電池無人機靈活。

目前從能源角度出發(fā)，增加無人機續(xù)航里程的途徑總結(jié)起來主要可分為兩種：攜帶更多的電能或者在任務中多次進行電能補給。對于前者，由于目前比較成熟的蓄電池技術的已經(jīng)發(fā)展到了瓶頸期，更大的蓄電池容量就意味著更大的蓄電池體積和重量，因而增加蓄電池容量必將影響無人機的機動性能和輕量化；對于通過多次進行電能補給這種途徑，如果是基于傳統(tǒng)接觸式電能傳導方式的充電技術，那么意味著無人機在需要補充電能的時候都需要返回降落到基站或者母港中，并投入人力為其充電，顯然這樣的方式在可靠性、靈活性、便捷性等方面有所不足，而基于該方式的懸停充電形式安全性低，對無人機的各項技術性能都有很高的要求，實現(xiàn)難度大。因此，設計一種可以使無人機在任務中靈活、便捷地進行充電的方案并對實現(xiàn)該方案的技術進行研究是很有必要的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決背景技術中存在的問題，提供一種群體無人機供電的方法，實現(xiàn)了可用于實際給多架小型無人機充電。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供一種基于電磁耦合的無接觸式充電的群體無人機供電裝置，包括：

主機，所述主機由燃油為其提供燃料，攜帶有至少一個電源，包括多個發(fā)射端，且每個發(fā)射端都具有發(fā)射線圈和與發(fā)射線圈相對應的第一共振線圈，所述電源與所述發(fā)射端電連接；

至少一個無人機，每個無人機攜帶有可重復充電裝置，且每個無人機包括一個接收端，所述接收端具有接收線圈和與接收線圈相對應的第二共振線圈，所述接收端與所述可重復充電裝置電連接，

其中每個發(fā)射端可為一個無人機充電，且所述發(fā)射線圈、第一共振線圈、第二共振線圈以及接收線圈構成一個電磁共振式耦合機構，且所述主機還包括一個降落平臺，所述降落平臺附接在主機的底座上用于支撐所述無人機。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，所述發(fā)射端和接收端都包括功率變換器。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，所述無人機包括導航系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，所述導航系統(tǒng)為視覺導航系統(tǒng)和/或慣性導航系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，所述可重復充電裝置為蓄電池。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，所述降落平臺上安裝有吸附裝置。

根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，所述吸附裝置為磁鐵。

由于采用上述技術方案，本發(fā)明提供的一種群體無人機供電裝置與現(xiàn)有技術相比，具有這樣的有益效果：本發(fā)明針對無人機續(xù)航時間短，無法長時間巡航等問題，提出一種群體無人機供電裝置，主機采用大型燃油機攜帶電源，通過耦合線圈的電磁諧振將能量傳遞給分布在其周圍的小型無人機，提高了無人機的續(xù)航能力的同時也保證了無人機的靈活性。同時為無人機提供降落平臺，從而保證了小型無人機準確找到充電位置，并穩(wěn)固地?？吭诔潆娢恢?，具有廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的群體無人機供電裝置的簡要示意圖；

圖2為本發(fā)明的電磁耦合的無接觸式充電技術的原理示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的無人機導航系統(tǒng)示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的群體無人機供電裝置的充電流程示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

現(xiàn)參照圖1-4對本發(fā)明的群體無人機供電裝置的一個實施方案進行詳細描述。其中，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的群體無人機供電裝置的簡要示意圖。如圖1所示，群體無人機供電裝置包括一個主機1和六個無人機2。優(yōu)選地，主機1為中大型六旋翼無人機，采用燃油作為燃料，續(xù)航能力強，并且搭載有電源3，其中電源提供交流電。在本實施方案中，主機1包括6個發(fā)射端11，每個發(fā)射端11都具有發(fā)射線圈111和與發(fā)射線圈相對應的第一共振線圈112，其中電源3與發(fā)射端11之間電連接，電源產(chǎn)生的交流電流流過發(fā)射端的發(fā)射線圈和與發(fā)射線圈對應的第一共振線圈產(chǎn)生一個磁場。優(yōu)選地，在電源和發(fā)射端之間存在一個功率變換器，功率轉(zhuǎn)換器可以將電源釋放的低頻交流電轉(zhuǎn)化為高頻交流電。無人機2攜帶有可重復充電裝置，在本實施方案中為蓄電池，無人機2設有接收端21，接收端具有接收線圈211和與接收線圈對應的第二共振線圈212，第二共振線圈212和第一共振線圈112之間進行相互耦合產(chǎn)生一個耦合磁場，接收線圈211響應于耦合磁場產(chǎn)生電流，為蓄電池供電。優(yōu)選地，在接收端21和蓄電池之間存在一個功率變換器。以此方式，主機通過電磁感應耦合原理同時給六個小型無人機充電。此外，主機1上還包括降落平臺4，降落平臺附接在主機的底座上，為無人機2提供支撐。可選地，降落平臺4可以是一個一體結(jié)構，也可以對應于每個發(fā)射端分別設置一個降落平臺。當無人機2靠近主機1時，其可以?？吭诮德淦脚_上，使無人機和主機之間的相對位置更為穩(wěn)定，充電更加可靠。優(yōu)選地，在降落平臺上設置吸附裝置，用于固定降落在其上的無人機。吸附裝置可以是磁鐵，利用磁力將無人機吸附在其充電位置上。充電時，無人機降落在降落平臺上，吸附裝置將無人機固定就位，充電完成后，吸附裝置釋放無人機，無人機飛離充電位置。由于設置有降落平臺，使得本發(fā)明的群體無人機充電裝置既具有無接觸式充電的靈活、方便的優(yōu)點，又保證了充電的可靠性。

圖2示出了磁耦合的無接觸式充電技術的原理示意圖。當小無人機2靠近主機1，降落在其充電位置時，小型無人機的電磁耦合線圈和主機的耦合線圈之間產(chǎn)生電磁共振，能量就可以由主機電源無接觸傳遞給無人機，實現(xiàn)主機對無人機的充電。具體地，發(fā)射線圈111、第一共振線圈112、第二共振線圈212和接收線圈211構成了電磁共振式耦合機，第一共振線圈112和第二共振線圈212之間形成耦合磁場。為了減小趨膚效應，四個線圈均采用利茲線圈繞制而成。優(yōu)選地，將兩個相互耦合的共振線圈自身的品質(zhì)因數(shù)Q設計地較高，通過這兩個高Q值的共振線圈，可以在空間內(nèi)產(chǎn)生更高強度的磁場，使得電能可以在較遠的距離進行高效傳遞。

分析電磁場近場耦合無線電能傳輸技術的基本方法是互感耦合理論，其基本原理是磁場耦合，下面對其基本原理作簡單介紹。當原級線圈接入工頻交流電時，次級線圈通過電磁感應產(chǎn)生感應電動勢。設I₁和I₂分別是原級線圈和次級線圈中的電流值，M是線圈之間的互感系數(shù)。當原級線圈中接入角頻率為ω的高頻交流電壓時，會在原級線圈周圍的空間產(chǎn)生高頻電磁場。由于原級線圈和次級線圈之間相互耦合，次級線圈則會感應到原級線圈產(chǎn)生的高頻電磁場產(chǎn)生高頻感應電動勢。次級線圈上的感應電壓是由原級線圈的電流I₁決定的，感應電壓的值等于jωMI₁。同時，由于互感原理原級線圈上也會感應到由次級線圈產(chǎn)生的電磁場，從而產(chǎn)生高頻感應電壓，其值由次級線圈電流I₂決定的，等于-jωMI₂。當提高輸入到原級線圈的交流電的角頻率時，耦合機構的傳輸功率和效率會有大幅度的提高。然而，線圈的阻抗會隨著角頻率的增加而變得很大，因此，在線圈上會產(chǎn)生很大的無功損耗。為了減小無功損耗，使傳輸功率達到最大，一般會在共振線圈上加入一個電容進行補償，使耦合機構工作在諧振狀態(tài)。

在飛行過程中，無人機與主機之間進行通訊，通過導航系統(tǒng)進行無人機和主機之間的相對位置控制，保證準確找到充電位置。導航系統(tǒng)是無人機載體上的重要設備，其主要任務為在預先規(guī)定好航行計劃的前提下，以要求的精度，在一定時間內(nèi)將載體引航到目的地。為此，導航系統(tǒng)必須為無人機提供精確的導航參數(shù)，如飛行速度、飛機航向、飛機高度、飛機位置和姿態(tài)角等信息。導航系統(tǒng)可以是視覺導航系統(tǒng)或慣性導航系統(tǒng)。

圖3示出了本實施方案的無人機導航系統(tǒng)示意圖，該導航系統(tǒng)為視覺導航和慣性導航組合的方式，基于對應的導航算法實現(xiàn)無人機與主機之間的相對位置控制，在本實施方案中采用的是多速率卡爾曼信息融合算法。具體作如下說明：

視覺導航系統(tǒng)主要是采用高精度視覺相機對目標位置信息和所處的環(huán)境信息進行圖像采集，經(jīng)過一系列的圖像處理后，通過單目視覺導航算法解算出相對位置和姿態(tài)角等導航信息。視覺導航具有復雜未知飛行環(huán)境實時建模、自主定位及導航的技術特點。無人機平臺通過搭載可見光攝像頭、紅外攝像頭以及激光測距機等多種傳感器，可同時采集多維飛行環(huán)境信息，利用機載處理器與地面站的數(shù)據(jù)交互及協(xié)同計算框架，實時重建未知飛行環(huán)境的三維模型，實現(xiàn)自主定位及自主視覺避障、跟蹤及著陸。

慣性導航系統(tǒng)則通過無人機飛控內(nèi)置加速度計和陀螺等慣性敏感元件對無人機相對運動產(chǎn)生的各方向上加速度和角速度信息進行快速率的采樣，經(jīng)過慣性導航算法解算出無人機的速度、姿態(tài)角、位置以及角速度等多種導航信息。但由于加速度計和陀螺儀自身的漂移會使系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，該誤差隨時間累積而變大，因此必須引入視覺導航系統(tǒng)對其進行修正。

實現(xiàn)組合導航系統(tǒng)需要對系統(tǒng)進行最優(yōu)估計，目前最優(yōu)估計的濾波方法主要有Wiener濾波、Kalman濾波和H∞濾波等。Wiener濾波是一種經(jīng)典的濾波方法，但其僅僅從頻域上對平穩(wěn)狀態(tài)進行了最優(yōu)估計；Kalman濾波則打破了上述局限，是一種時域濾波方法。其利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進行最優(yōu)估計的算法。Kalman濾波算法采用遞推形式，數(shù)據(jù)存儲量小，不僅可以處理平穩(wěn)隨機工程，還可以處理多維和非平穩(wěn)隨機工程。因此在進行組合導航系統(tǒng)設計時一般都采用卡爾曼濾波。本發(fā)明采用“位置和姿態(tài)匹配”的間接法估計和輸出校正的卡爾曼濾波方法進行最優(yōu)估計。將視覺導航與慣性導航的位置和姿態(tài)角的差值作為量測值輸入給濾波器。但由于視覺和慣性導航系統(tǒng)的采樣周期不相同，因此必須用一種多速率卡爾曼信息融合算法解決多速率濾波問題。

視覺導航系統(tǒng)利用標準的姿態(tài)和位置參數(shù)，加入視覺誤差模型，經(jīng)單目視覺相對導航算法解算出相對位置和姿態(tài)角等導航參數(shù)。慣性導航系統(tǒng)的陀螺和加速度計測量標準的加速度和角速度信息，加入慣導誤差模型，經(jīng)慣性導航算法解算得到位置、速度和姿態(tài)等相對導航參數(shù)。兩個子系統(tǒng)分別測量的相對位置和姿態(tài)參數(shù)經(jīng)多速率卡爾曼信息融合算法濾波，估計出最優(yōu)的相對位置、速度和姿態(tài)參數(shù)。

結(jié)合圖2和圖4對本發(fā)明的群體無人機供電裝置的充電方法作詳細描述，當無人機在飛行過程中感應到電量不足時，無人機搜索離其最近的主機進行充電，無人機可以利用其裝載的導航系統(tǒng)識別定位目標主機的位置，使無人機的接收端被安置在主機的一個發(fā)射端的感應范圍內(nèi)；使主機的電源釋放交流電，所述發(fā)射端的發(fā)射線圈與第一共振線圈響應于交流電產(chǎn)生一個磁場；無人機的接收端的第二共振線圈與第一共振線圈相互耦合產(chǎn)生一個耦合磁場，接收線圈產(chǎn)生一個電流；以及接收線圈對蓄電池進行充電，充電完成后，無人機飛離充電位置即可。應理解，主機的電源釋放交流電可以在無人機進入充電位置之前。

對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。