一种空中无人机双侧协同单导线供电系统及其控制方法

本发明涉及无人机空中补能和单线电能传输，更具体的说是涉及一种空中无人机双侧协同单导线供电系统及其控制方法。

背景技术：

1、随着无人机技术的飞速发展，其在电力巡检、应急救援、航拍测绘等领域的应用日益广泛。然而，无人机普遍依赖机载电池供电，有限的电池容量严重制约了其续航时间和作业半径，成为限制其大规模应用的主要瓶颈。

2、为解决续航问题，现有的无人机供电方式主要包括地面有线供电、自动更换电池和无线能量传输等。

3、1、地面有线供电：通过一根物理电缆从地面电源直接向无人机供电，虽然能实现不间断飞行，但电缆的重量和空气阻力极大地限制了无人机的飞行高度、速度和机动性，仅适用于低空、定点作业场景。

4、2、自动更换电池：通过地面站自动更换耗尽的电池来延长作业时间，但该方法需要复杂的换电设备和大量的备用电池，增加了系统成本和复杂性，且无法实现真正意义上不间断的持续作业。

5、3、无线能量传输：主要包括微波能量传输和磁耦合谐振式无线能量传输。微波传输易受天气影响且存在电磁安全问题；磁耦合谐振式传输虽然效率较高，但其有效传输距离短，对发射端与接收端的对准精度要求极高，同样限制了无人机的灵活机动飞行。

6、近年来，出现了一种基于单导线的高频电能传输技术，为无人机远距离供电提供了新的思路。这种方式可以摆脱传统电缆的物理束缚，理论上可支持无人机进行长距离、大范围的灵活作业。但是在实际应用中，由于单根导线的载流能力和传输功率有限，当无人机负载较大或传输距离较远时，单路供电系统可能无法满足其功率需求，导致供电不稳定甚至中断。

7、因此，如何采用单导线技术实现大功率或远距离无人机的供电需求，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种空中无人机双侧协同单导线供电系统及其控制方法，通过主、从发射无人机分别位于接收无人机两侧，利用单导线传导电流、等效分布电容形成位移电流回流路径构成高频电能传输回路，并基于蓝牙通信实现主从双侧输出的频率和相位同步，从而共同向接收无人机供电。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明实施例提供一种空中无人机双侧协同单导线供电系统，包括主发射无人机、从发射无人机和接收无人机，所述主发射无人机和所述从发射无人机分别位于所述接收无人机两侧；所述主发射无人机和所述从发射无人机分别通过单导线与所述接收无人机连接，形成两条独立的电能传输支路，配置为在满足频率和相位条件后共同向所述接收无人机供电；所述单导线为传导电流通道，所述主发射无人机、所述从发射无人机以及所述接收无人机分别与周围环境之间形成等效分布电容，利用所述等效分布电容形成位移电流回流路径，构成高频电能传输回路。

4、进一步地，所述主发射无人机和所述从发射无人机均包括直流电源、直流母线电容、控制器、蓝牙通信模块、高频逆变器、发射侧耦合线圈以及输出电流采样单元；

5、所述直流电源用于提供输入电能，两端并联有所述直流母线电容；

6、所述高频逆变器的直流输入端与所述直流电源电连接，交流输出端与所述发射侧耦合线圈电连接，所述发射侧耦合线圈与所述单导线的一侧电连接；

7、所述输出电流采样单元设置于对应的单导线上，用于采集对应支路输出电流的频率和相位，并发送至对应的控制器；

8、所述蓝牙通信模块用于将所述主发射无人机的电流频率和相位及运行状态信息发送至所述从发射无人机的控制器；

9、所述控制器与所述高频逆变器电连接，用于产生所述高频逆变器的驱动信号，实现两支路输出的同步控制。

10、进一步地，所述高频逆变器为由开关器件组成的全桥电路；所述控制器根据本支路输出电流的频率和相位，产生对应所述高频逆变器的驱动信号；所述从发射无人机的控制器根据所述主发射无人机提供的同步基准，调整自身高频逆变器中开关器件的驱动频率和相位，实现两支路的同步供电。

11、进一步地，所述输出电流采样单元包括电流互感器，所述电流互感器套设于对应的单导线上，用于感应对应单导线中的输出电流并输出至对应的控制器。

12、进一步地，所述发射侧耦合线圈采用特斯拉线圈。

13、进一步地，所述接收无人机包括接收侧耦合线圈、接收侧控制器、高频整流单元、滤波单元、直流稳压单元和储能单元；

14、两路单导线的另一侧分别连接所述接收侧耦合线圈的输入端，两路高频电能经所述接收侧耦合线圈接入所述高频整流单元；

15、所述接收侧控制器与所述高频整流单元中的开关器件驱动端连接，用于产生所述高频整流单元中开关器件的驱动信号，控制所述高频整流单元将接收到的高频交流电转换为直流电；

16、所述高频整流单元的交流输入端与所述接收侧耦合线圈电连接，直流输出端与所述滤波单元电连接；

17、所述滤波单元的输出端与所述直流稳压单元的输入端电连接；

18、所述直流稳压单元的输出端与所述储能单元电连接。

19、进一步地，所述高频整流单元为由开关器件组成的全桥可控整流电路，用于将接收到的高频交流电转换为直流电。

20、进一步地，所述滤波单元采用滤波电容，并联在所述高频整流单元的直流输出端，用于滤除所述高频整流单元整流输出直流电压中的纹波分量；所述直流稳压单元采用buck-boost型dc/dc变换器，用于根据所述储能单元所需的电压范围对直流电压进行调节。

21、进一步地，所述储能单元为机载电池，用于储存接收到的电能，并向所述接收无人机负载供电。

22、第二方面，本发明实施例提供一种空中无人机双侧协同单导线供电系统的控制方法，基于如第一方面任一项所述的系统，执行以下步骤：

23、接收到供电启动指令后，主发射无人机的电能传输支路启动，并以输出电流的频率和相位作为同步基准；

24、建立主发射无人机与从发射无人机之间的蓝牙通信链路，通过所述蓝牙通信链路，将所述同步基准发送至从发射无人机；

25、所述从发射无人机根据所述同步基准计算频率差和相位差，并调整所述从发射无人机高频逆变器的驱动频率和驱动相位，直至所述频率差和相位差均满足预设的同步条件；

26、当满足同步条件时，所述主发射无人机和从发射无人机共同向接收无人机进行双侧协同供电；在供电过程中持续监测两路输出电流的状态，若检测到停止指令、通信中断或同步失效，则所述从发射无人机退出协同供电状态。

27、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种空中无人机双侧协同单导线供电系统及其控制方法，具有如下有益效果：

28、本发明通过主、从发射无人机在接收无人机两侧协同工作，两台发射无人机之间不是前后级串联关系，而是通过各自的单导线共同向接收无人机供电。利用单导线传导电流与等效分布电容形成的位移电流回流路径，构建了两条独立的高频电能传输支路。本发明无需设置并行金属回流导线，且相较于传统单路供电，本发明显著提升了总传输功率，有效满足了接收无人机在大负载或远距离作业下的用电需求，突破了单根导线载流能力的物理瓶颈。

29、此外，本发明采用蓝牙通信实现主从机之间的高精度频率与相位同步，确保两路电能平稳叠加，避免了信号干扰导致的效率损耗。本发明无需复杂的物理并联线缆，在提升供电可靠性的同时，保持了无人机编队飞行的灵活性与机动性。本发明不仅解决了远距离供电功率不足的问题，还通过冗余设计增强了系统的容错能力，为无人机长航时、大范围作业提供了高效、稳定的能源保障方案。