无人机电场耦合机构及无线充电系统、平台与无人机技术方案

本发明专利技术涉及无人机无线充电技术领域，具体公开了无人机电场耦合机构及无线充电系统、平台与无人机，耦合机构包括发射端、接收端，发射端包括相距第一预设高度的发射端上圆台和发射端下圆台，接收端包括相距第二预设高度的接收端空心上圆台和接收端空心下圆台；发射端采用实心绝缘材料、外侧面覆盖有第一金属箔，接收端采用轻型绝缘材料、内侧面覆盖有第二金属箔；其中，第一金属箔的外表面或/和第二金属箔的外表面上设置有绝缘隔离层。耦合机构可提高充电系统的抗偏移能力，减小无人机的飞行功耗，成本低，在无人机的移入、移出过程中均不产生过高的电压电流冲击，当耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗。

【技术实现步骤摘要】
无人机电场耦合机构及无线充电系统、平台与无人机
本专利技术涉及无人机无线充电
，尤其涉及一种无人机电场耦合机构、一种基于电场耦合的无人机无线充电系统、一种无人机无线充电平台和一种无人机。
技术介绍
无人驾驶飞机简称无人机(UnmannedAerialVehicle，UAV)，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，或者由车载计算机完全地或间歇地自主操作。近年来，我国民用无人机市场呈现井喷式发展，无人机在多个领域开始被应用。从现在已经普及的影视航拍、农业植保、基建巡检、安防救援、地理测绘等领域，到未来民用无人机技术将像计算机一样进入各行各业。无人机正在成为各项前沿技术的全新载体，试图扮演越来越重要的角色。在评估无人机性能好坏的诸项指标中，其中一项重要的指标便是无人机的续航能力，且长航程也是今后无人机的主要发展趋势之一。从能源角度出发，增加无人机续航里程的途径总结起来主要可分为两种：携带更多的电能或者在任务中多次进行电能补给。对于前者，由于目前比较成熟的电池技术已经发展到了瓶颈期，更大的电池容量就意味着更大的电池体积和重量，因而增加电池容量必将影响无人机的机动性能和轻量化，且不利于环保；对于通过多次进行电能补给这种途径，如果是基于传统接触式电能传导方式的充电技术，那么意味着无人机在需要补充电能的时候都需要返回降落到基站或者充电站中，并投入人力为其充电，显然这样的方式在可靠性、灵活性、便捷性等方面有所不足。尤其是在一些荒远地区，人力干预充电还可能遇到极端恶劣天气，威胁人们的生命财产安全。因此，对无人机进行无线充电便成了促进无人机发展的一个重要研究方向。在无人机无线充电方面，目前国内外学者的研究大都集中在磁场耦合式，虽能实现无线充电，但仍具有以下缺点：1)系统的耦合线圈及磁芯增加了耦合机构的重量，且成本较高；2)在工作状态中，对周围环境的电磁干扰较大；3)当磁场耦合机构之间或周围存在金属导体时，容易引起导体产生涡流损耗。
技术实现思路
为解决以上技术问题，本专利技术提供一种无人机电场耦合机构，包括发射端和接收端；所述发射端包括相距第一预设高度的发射端上圆台和发射端下圆台，所述接收端包括相距第二预设高度的接收端空心上圆台和接收端空心下圆台；所述发射端采用实心绝缘材料、外侧面覆盖有第一金属箔，所述接收端采用轻型绝缘材料、内侧面覆盖有第二金属箔；其中，所述第一金属箔的外表面或/和所述第二金属箔的外表面上设置有绝缘隔离层；耦合时所述接收端插合在所述发射端的上方，所述发射端上圆台和所述接收端空心上圆台相对，所述发射端下圆台和所述接收端空心下圆台相对。本无人机电场耦合机构的有益效果在于：基于电场耦合的原理设计耦合结构(包括发射端上圆台、发射端下圆台、接收端空心上圆台、接收端空心下圆台)为圆台形状，1)不同于圆筒式耦合机构，“圆台式”耦合机构上小下大，无人机在降落充电时允许一定的偏差，能在降落过程中利用自身重力修正偏差，一定程度上提高了系统的抗偏移能力；2)较平板式或圆环式耦合机构来说，此“圆台式”耦合机构为空心结构，接收端契合于机身，无人机在起飞或降落时的阻力大大减小，一定程度上减小飞行功耗，增强续航能力；3)与磁场耦合式的无线充电耦合机构相比，“圆台式”耦合机构更为轻巧，成本低，更有利于应用于无人机的无线充电；4)配合谐振网络，在无人机的移入、移出过程中均不产生过高的电压电流冲击；5)当耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗。优选的，所述接收端的内径比所述发射端的内径大3～10mm，所述第一金属箔和所述第二金属箔的厚度可忽略不计；所述第一金属箔和所述第二金属箔为铜箔或铝箔。优选的，所述第一预设高度与所述第二预设高度相等；所述发射端上圆台与所述接收端空心上圆台高度相等；所述发射端下圆台与所述接收端空心下圆台高度相等。本专利技术还提供一种基于电场耦合的无人机无线充电系统，包括发射电路和接收电路，所述发射电路包括顺序连接的供电电源、全桥型逆变器，所述接收电路包括顺序连接的整流器和负载，所述发射电路还包括第一谐振电感、第二谐振电感、第三谐振电感、第一谐振电容、第二谐振电容、第一电能发射极板和第二电能发射极板，所述接收电路还包括第一电能接收极板和第二电能接收极板；所述第一谐振电感、所述第二谐振电感、所述第二谐振电容顺序连接在所述全桥型逆变器的第一等效电源端和所述第一电能发射极板之间，所述全桥型逆变器的第二等效电源端连接所述第二电能发射极板，所述第一谐振电容连接在所述第一谐振电感与所述第二谐振电感的共同连接端和所述第二电能发射极板之间，所述第三谐振电感连接在所述第二谐振电容与所述第一电能发射极板的共同连接端和所述第二电能发射极板；所述第一电能接收极板和所述第二电能接收极板分别连接所述整流器的第一整流连接端和第二整流连接端；当所述第一电能发射极板和所述第一电能接收极板正对，且所述第二电能发射极板和所述第二电能接收极板正对时，在所述全桥型逆变器输出的高频交流电的作用下，所述第一电能发射极板、所述第一电能接收极板、所述第二电能发射极板和所述第二电能接收极板之间形成交互电场，在交互电场的作用下产生位移电流并流向所述负载，实现电能的无线传输。本无人机无线充电系统通过耦合机构和谐振网络，利用电场耦合的优势，可保证在无人机的移入、移出过程中均不产生过高的电压电流冲击，且当无人机移入后，系统能够高效稳定地为负载提供需要的功率；当无人机移除后，系统能自动进入待机状态并保持低功耗运行。优选的，所述第一电能发射极板、所述第二电能发射极板、所述第一电能接收极板和所述第二电能接收极板分别为上述无人机电场耦合机构的发射端上圆台、发射端下圆台、接收端空心上圆台、接收端空心下圆台，使得本系统兼具该无人机电场耦合机构的优点。优选的，所述第一谐振电感的电感值是所述第三谐振电感的k倍，在第三谐振电感和耦合电容共振的情况下，对于该无人机ECPT系统，耦合电容的有效电容值在百pF左右，且系统的工作频率通常在几百千赫到兆赫之间。因此在第三谐振电感通常为数百uH时，k<1有利于减小电感的体积和损耗，提高ECPT系统的功率传输能力。优选的，所述第一谐振电感的电感值与所述第二谐振电感相等；所述第一电能发射极板、所述第一电能接收极板、所述第二电能发射极板和所述第二电能接收极板之间等效为耦合电容，所述耦合电容的电容值与所述第二谐振电容相等。优选的，所述第一电能发射极板、所述第一电能接收极板之间等效为第一耦合电容Cs1，所述第二电能发射极板、所述第二电能接收极板之间等效为第二耦合电容Cs2，则所述耦合电容Cs＝Cs1Cs2/(Cs1+Cs2)。本专利技术还提供一种无人机无线充电平台，包括上述无人机无线充电系统中的发射电路。本专利技术还提供一种无人机，包括上述无人机无线充电系统中的接收电路。附图说明图1是本专利技术实施例1提供的一种无人机电场耦合机构的结构图；图2是本专利技术实施例1提供的图1中接收端2的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.无人机电场耦合机构，其特征在于，包括发射端和接收端；/n所述发射端包括相距第一预设高度的发射端上圆台和发射端下圆台，所述接收端包括相距第二预设高度的接收端空心上圆台和接收端空心下圆台；/n所述发射端采用实心绝缘材料、外侧面覆盖有第一金属箔，所述接收端采用轻型绝缘材料、内侧面覆盖有第二金属箔；其中，所述第一金属箔的外表面或/和所述第二金属箔的外表面上设置有绝缘隔离层；/n耦合时所述接收端插合在所述发射端的上方，所述发射端上圆台和所述接收端空心上圆台相对，所述发射端下圆台和所述接收端空心下圆台相对。/n

【技术特征摘要】
1.无人机电场耦合机构，其特征在于，包括发射端和接收端；
所述发射端包括相距第一预设高度的发射端上圆台和发射端下圆台，所述接收端包括相距第二预设高度的接收端空心上圆台和接收端空心下圆台；
所述发射端采用实心绝缘材料、外侧面覆盖有第一金属箔，所述接收端采用轻型绝缘材料、内侧面覆盖有第二金属箔；其中，所述第一金属箔的外表面或/和所述第二金属箔的外表面上设置有绝缘隔离层；
耦合时所述接收端插合在所述发射端的上方，所述发射端上圆台和所述接收端空心上圆台相对，所述发射端下圆台和所述接收端空心下圆台相对。


2.如权利要求1所述的无人机电场耦合机构，其特征在于：所述接收端的内径比所述发射端的内径大3～10mm；所述第一金属箔和所述第二金属箔为铜箔或铝箔。


3.如权利要求1所述的无人机电场耦合机构，其特征在于：所述第一预设高度与所述第二预设高度相等；所述发射端上圆台与所述接收端空心上圆台高度相等；所述发射端下圆台与所述接收端空心下圆台高度相等。


4.基于电场耦合的无人机无线充电系统，包括发射电路和接收电路，所述发射电路包括顺序连接的供电电源、全桥型逆变器，所述接收电路包括顺序连接的整流器和负载，其特征在于：
所述发射电路还包括第一谐振电感、第二谐振电感、第三谐振电感、第一谐振电容、第二谐振电容、第一电能发射极板和第二电能发射极板，所述接收电路还包括第一电能接收极板和第二电能接收极板；
所述第一谐振电感、所述第二谐振电感、所述第二谐振电容顺序连接在所述全桥型逆变器的第一等效电源端和所述第一电能发射极板之间，所述全桥型逆变器的第二等效电源端连接所述第二电能发射极板，所述第一谐振电容连接在所述第一谐振电感与所述第二谐振电感的共同连接端和所述第二电能发射极板之间，所述第三谐振电感连接在所述第二谐振电容与所述第一电能发射极板的共同连接端和所述第二电能发...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏玉刚，詹文杰，戴欣，唐春森，王智慧，孙跃，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50