用于无线充电无人机的控制单元、无人机及控制方法与流程

1.本发明属于无人机控制技术领域，特别是涉及一种用于无线充电无人机的控制单元、无人机及控制方法。


背景技术：

2.由于电池技术水平限制，续航时间是当前无人机面临的最大技术挑战。而无线充电技术的发展和推广可降低无人机对备用电池或充电线缆的依赖，延长无人机续航时间和最大航程，为无人机顺利完成任务提供保障。
3.无线充电的最大特点是可以进行远程控制，无人机的降落—充电—起飞全过程可以独立实现，不需要有人在现场进行干预和辅助，也就是说传统的通过硬件开关和插拔电池连接器控制系统上下电的方案已经不可行。因此需要迫切提供一种具有高可靠性的可远程实现上下电控制的技术方案。


技术实现要素：

4.本发明第一方面的一个目的是提供一种用于无线充电无人机的控制单元，能够实现上电状态的可靠自锁。
5.本发明的进一步的一个目的是要提高零部件的使用寿命。
6.本发明另一个目的是保证上电自锁功能的可靠性。
7.本发明第二方面的一个目的是提供一种包括上述控制单元的无人机。
8.本发明第三方面的一个目的是提供一种用于上述控制单元的控制方法。
9.特别地，本发明提供了一种用于无线充电无人机的控制单元，包括：
10.上电预充控制电路，包括设置于电源的输出端与配电盒之间的电源支路，以及与所述电源支路并联的预充支路，所述预充支路上设有串联的第一电阻和第一开关元件，所述第一开关元件具有第一控制端，以便通过控制所述第一控制端来控制所述电源对所述配电盒进行预充电，所述电源支路上设有具有第二控制端的第二开关元件；
11.自锁单元，设有至少一个与所述第二控制端串联的延时电路，每一所述延时电路均由所述配电盒供电，所述自锁单元用于在所述配电盒上电且经所述延时电路延时预设时间后控制所述第二开关元件闭合，以导通所述电源支路。
12.可选地，所述自锁单元包括两个并联且类型不同的第一延时电路和第二延时电路，所述第一延时电路和所述第二延时电路均能进行所述预设时间的延时。
13.可选地，控制单元还包括：
14.下电控制电路，其包括与所述第二控制端相连的下电支路，所述下电支路上设有具有第三控制端的第三开关元件，以便通过控制所述第三控制端来控制所述电源支路断开。
15.可选地，控制单元还包括：
16.下电锁定控制电路，其包括设置于所述下电支路上且具有第四控制端的第四开关
元件，以便通过控制所述第四控制端来控制所述下电支路断开、所述电源支路常连通。
17.可选地，所述第一开关元件为预充继电器，所述预充继电器的线圈的一端与第二电阻串联、另一端与无线充电模块相连，所述第二电阻远离所述预充继电器的线圈的一端与所述电源的输出端相连，所述预充继电器的线圈还与第一续流二极管并联。
18.可选地，所述第二开关元件为电源继电器，所述电源继电器的线圈与第二续流二极管并联，所述第一延时电路包括依次串联的第一二极管、阻容延时电路和第三电阻，所述第二延时电路包括依次串联的第二二极管、数字延时电路和第四电阻，所述第一延时电路设有所述第一二极管的一端以及所述第二延时电路设有所述第二二极管的一端与所述配电盒相连，所述第一延时电路设有所述第三电阻的一端以及所述第二延时电路设有所述第四电阻的一端与所述电源继电器的线圈相连。
19.可选地，所述第三开关元件为下电控制继电器，所述下电控制继电器的线圈的一端与第五电阻串联后与所述电源的输出端相连、另一端与所述无线充电模块相连，所述下电控制继电器的线圈还与第三续流二极管并联。
20.可选地，所述第四开关元件为下电加锁继电器，所述下电加锁继电器的线圈的一端与飞行管理单元相连、另一端接地，所述下电加锁继电器的线圈还与第四续流二极管并联。
21.可选地，所述下电加锁继电器为常闭继电器。
22.特别地，本发明还提供了一种无人机，包括上述任一项所述的控制单元。
23.特别地，本发还提供了一种控制方法，用于上述任一项所述的控制单元，所述控制方法包括：
24.接收电池充电指令并根据所述电池充电指令对无线充电模块的电池进行充电；
25.在所述无线充电模块的电池充电完成后，根据预充电控制指令控制所述预充支路导通；
26.在所述预充支路导通后，所述自锁单元工作，以便在所述配电盒上电预设时间后将所述电源支路导通。
27.根据本发明的一个实施例，通过设置具有控制端的第一开关元件，可以实现预充电的远程控制，通过配电盒与延时电路的设计可以实现上电自锁，从而保证上电状态的可靠性。通过设置预充电回路也可以提高零部件的使用寿命。
28.进一步地，在自锁单元包括多个延时电路时为上电自锁提供了冗余设计，能够进一步提高上电自锁的可靠性，也即实现了系统可靠性。
29.根据本发明的一个实施例，自锁单元包括两个并联且类型不同的第一延时电路和第二延时电路，由于二者失效的原因不同，因此当电路出现一种失效原因时，另一路延时电路仍能正常运行，以保证上电自锁功能。
30.根据本发明的一个实施例，下电加锁继电器的常闭触点和下电控制继电器的常开触点形成下电支路，通过飞行管理单元提供下电加锁信号给下电加锁继电器，使下电加锁继电器的常闭触点断开，此时形成下电加锁状态，即使下电控制继电器的触点闭合也无法下电。即任何情况下不允许下电，无人机降落后才自动允许下电，从而实现可靠的下电锁定。
31.根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明
了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
32.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
33.图1是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的连接框图；
34.图2是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的原理图；
35.图3是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的电源接口的原理图；
36.图4是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的控制接口的原理图；
37.图5是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的上电预充控制电路的原理图；
38.图6是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的下电控制电路以及下电锁定控制电路的原理图；
39.图7是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的阻容延时电路的原理图；
40.图8是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的数字延时电路的原理图；
41.图9是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的内部降压稳压电路的原理图；
42.图10是根据本发明一个实施例的控制方法的流程图。
43.附图标记：
44.100-电源、200-配电盒、11-第一电阻、20-第一开关元件、201-第一控制端、30-第二开关元件、301-第二控制端、40-延时电路、21-预充继电器、12-第二电阻、71-第一续流二极管、31-电源继电器、72-第二续流二极管、81-第一二极管、41-阻容延时电路、13-第三电阻、82-第二二极管、42-数字延时电路、14-第四电阻、51-下电控制继电器、15-第五电阻、73-第三续流二极管、61-下电加锁继电器、74-第四续流二极管
具体实施方式
45.图1是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的连接框图。图2是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的原理图。图2中的lock为下电加锁的控制信号、on为上电控制信号、off为下电控制信号。如图1所示，一个实施例中，本发明的用于无线充电无人机的控制单元包括上电预充控制电路和自锁单元。上电预充控制电路包括设置于电源100的输出端与配电盒200之间的电源支路，以及与电源支路并联的预充支路，预充支路上设有第一电阻11和第一开关元件20，第一开关元件20具有第一控制端201，以便通过控制第一控制端201来控制电源100对配电盒200进行预充电。也即，在控制第一开关元件20闭合后，预充支路连通，电源100对配电盒200进行预充电。可选地，第一电阻
11为高能量电阻，用于将其后级电路电压在规定时间内提升至预设电压，也就是在预充支路连通后，使得第一电阻11后级的配电盒200能够在规定时间内提升至预设电压，这个预设电压可以是90％～99％的电源电压，这里电源100为电池。如图2所示，一个实施例中，第一开关元件20为预充继电器21，预充继电器21的线圈的一端与第二电阻12串联、另一端与无线充电模块相连，第二电阻12远离预充继电器21的线圈的一端与电源100的输出端相连，预充继电器21的线圈还与第一续流二极管71并联。第二电阻12与预充继电器21的线圈电阻分压，使得该线圈电阻工作在额定电压范围内。通过无线充电模块提供地开信号，控制预充继电器21的触点闭合，通过第二电阻12进行预充，配电盒200上电，为下面的自锁单元提供二次电源。
46.电源支路上设有具有第二控制端301的第二开关元件30。自锁单元设有至少一个与第二控制端301串联的延时电路40，每一延时电路40均由配电盒200供电，自锁单元用于在配电盒200上电且经延时电路40延时预设时间后控制第二开关元件30闭合，以导通电源支路，也即形成上电状态。这里上电电压来源于配电盒200，配电盒200在预充电初期是不受控供电电源，也可以通过检测配电盒200的预充电压，通过预充电压判断预充完成后控制配电盒200对自锁单元供电。如图2所示，一个实施例中，第二开关元件30为电源继电器31，电源继电器31的线圈与第二续流二极管72并联，第一延时电路包括依次串联的第一二极管81、阻容延时电路41和第三电阻13，第二延时电路包括依次串联的第二二极管82、数字延时电路42和第四电阻14，第一延时电路设有第一二极管81的一端以及第二延时电路设有第二二极管82的一端与配电盒200相连，第一延时电路设有第三电阻13的一端以及第二延时电路设有第四电阻14的一端与电源继电器31的线圈相连。这里的第三电阻13和第四电阻14为下电限流电阻，二者的电阻取值应满足两个电阻同时接通或任意一个电阻失效时，电源继电器31的线圈都能工作在额定电压范围内。
47.本实施例中，通过设置具有控制端的第一开关元件20，可以实现预充电的远程控制，通过配电盒200与延时电路的设计可以实现上电自锁，从而保证上电状态的可靠性。通过设置预充电回路也可以提高零部件的使用寿命。
48.进一步地，在自锁单元包括多个延时电路时为上电自锁提供了冗余设计，能够进一步提高上电自锁的可靠性，也即实现了系统可靠性。
49.另一个实施例中，自锁单元包括两个并联且类型不同的第一延时电路和第二延时电路，第一延时电路和第二延时电路均能进行预设时间的延时。例如第一延时电路为阻容延时电路41，第二延时电路为数字延时电路42，这种类型不同的延时电路(即两路非相似双余度延时电路)的设计，由于二者的延时原理不同，因此能进一步地提高上电自锁的可靠性。例如阻容延时电路41失效的原因往往与数字延时电路42失效的原因不同，因此当电路出现一种失效原因时，另一路延时电路仍能正常运行，以保证上电自锁功能。这里的延时时间应该大于预充电的时间，延时时间根据预充电压相关，由此来设计延时电路。
50.本实施例利用硬件延时电路进行延时，在其他实施例中，也可以采用软件延时电路。
51.另一个实施例中，控制单元还包括下电控制电路，其包括与第二控制端301相连的下电支路，下电支路上设有具有第三控制端的第三开关元件，以便通过控制第三控制端来控制电源支路断开，从而进行下电控制。
52.如图2所示，一个实施例中，第三开关元件为下电控制继电器51，下电控制继电器51的线圈的一端与第五电阻15串联后与电源100的输出端相连、另一端与无线充电模块相连，下电控制继电器51的线圈还与第三续流二极管73并联。这里的第五电阻15和下电控制继电器51的线圈电阻分压，使得下电控制继电器51的线圈电阻工作在额定电压范围内。
53.本实施例中，当无线充电模块提供下电地开信号时，下电控制继电器51的触点闭合，使得电源继电器31的线圈短路、触点断开，实现整机下电。
54.在其他实施例中，也可以通过控制电源100输出关闭来实现下电。
55.进一步的一个实施例中，控制单元还包括下电锁定控制电路，其包括设置于下电支路上且具有第四控制端的第四开关元件，以便通过控制第四控制端来控制下电支路断开、电源支路常连通。
56.如图2所示，一个实施例中，第四开关元件为下电加锁继电器61，下电加锁继电器61的线圈的一端与飞行管理单元相连、另一端接地，下电加锁继电器61的线圈还与第四续流二极管74并联。一个实施例中，下电加锁继电器61选择为常闭继电器。
57.本实施例中，下电加锁继电器61的常闭触点和下电控制继电器51的常开触点形成下电支路，通过飞行管理单元提供下电加锁信号给下电加锁继电器61，使下电加锁继电器61的常闭触点断开，此时形成下电加锁状态，即使下电控制继电器51的触点闭合也无法下电。即任何情况下不允许下电，无人机降落后才自动允许下电，从而实现可靠的下电锁定。
58.上述实施例提供的控制单元，与配电盒200、无线充电模块以及飞行管理单元交联控制，能够实现整机远程控制预充电、上下电、上电锁定以及下电锁定功能，使得无人机的降落、充电、起飞全过程实现无人值守。
59.在其他实施例中，上述的各个开关元件还可以是继电器、光耦、莫斯管或集成电路等。上述由于无线充电模块或飞行管理单元提供的控制信号也可以由电池管理系统或配电盒控制器。上述的地开信号，即低有效，也可以更换为高有效。各个元器件的参数按照实际需求计算，选型按实际重量和体积要求进行选择。
60.图3是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的电源接口的原理图。图4是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的控制接口的原理图。图5是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的上电预充控制电路的原理图。图6是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的下电控制电路以及下电锁定控制电路的原理图。
61.图7是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的阻容延时电路41的原理图。图8是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的数字延时电路42的原理图。图9是根据本发明一个实施例的用于无线充电无人机的控制单元的内部降压稳压电路的原理图。另一个实施例中，本技术还具体设计了一种集成有上述功能的pcb板，如图3至图9所示，各个相同符号的引脚对应相连。图3中，电源接口的tp2引脚与电池的输出端相连，tp1引脚用于向负载进行输出，图4中，控制接口的tp4引脚和tp5引脚均与配电盒200相连，tp6为电源继电器31的控制端提供电源(k )，tp7引脚为电源继电器31的接地端(k-)。二极管d1和d2用于对配电盒200输出的电压进行稳压，二极管d4用于吸收电压继电器的线圈两端反向电动势，相当于上述的第二续流二极管72的作用。图5中，采用了u1芯片(型号为g3vm-101ar1)，通过on信号控制电池的输出与负载连通，即完成上电控制，其中ra1和
ra2之间可以外接30r/6w/0.5s的陶瓷电阻。图6中，二极管d16和d17的设置可以将配电盒200的输出的电压进行单向导通，然后再输出给下电锁定控制电路使用，图6中下电控制电路和下电锁定控制电路中的继电器均采用继电器芯片来实现，即u2a和u2b芯片，可以选用型号为hfka/012-2zpt的芯片，图6中的二极管d6和d9相当于第四续流二极管74和第三续流二极管73，通过off信号的输入控制k 端接地，进行下电，通过lock信号的输入控制k 端断开，从而形成下电锁定状态。图7和图8分别对应于阻容延时电路41和数字延时电路42，其具体连接如图所示，rb1和rb2之间，rc1和rc2之间均外接10r/15w/0.5s，1.5w长时间陶瓷电阻。由于上述各个电路中需要使用到5v电压，因此还需要设置将配电盒200输出的12v电压转换为5v，因此还设计了图9中12v转5v的内部降压稳压电路，可以选用型号为adp7118aujz-5.0的u4芯片来实现。
62.需要说明的是，电源继电器31和第五电阻15在选项后由于体积较大，因此未在pcb板上安装，因此上述电路图中不包含电源继电器31和第五电阻15，仅预留焊接接口。
63.本发明还提供了一种无人机，包括上述任一实施例或实施例组合中的控制单元。
64.图10是根据本发明一个实施例的控制方法的流程图。本发明还提供了一种用于上述控制单元的控制方法，如图10所示，一个实施例中，该方法包括：
65.步骤s100，接收电池充电指令并根据电池充电指令对无线充电模块的电池进行充电。这个电池充电指令可以由地面站发出。
66.步骤s200，在无线充电模块的电池充电完成后，根据预充电控制指令控制预充支路导通。也即实现电池对配电盒200的预充电，这里的预充电控制指令可以由无线充电模块在其自身的电池充电完毕后生成并发送至第一开关元件的第一控制端。
67.步骤s300，判断预充电是否完成，若是进入步骤s400，否则进入步骤s500。
68.步骤s400，在预充支路导通后，自锁单元工作，以便在配电盒200上电预设时间后将电源支路导通。此时由于配电盒200可以给自锁单元上电，自锁单元得电后即可自动进行延时导通电源支路。当然在其他实施例中，还可以通过飞行管理单元来控制自锁单元工作。
69.在上电完成后，飞行管理单元还可以对下电锁定控制电路发送下电锁定控制指令，以便控制下电锁定控制电路将下电支路断开，以保持电源支路常连通。
70.步骤s500，进行故障上报，即生成故障信号，可以反馈至地面站。
71.在进一步的实施例中，步骤s400之后还包括：
72.步骤s600，进行上电自检，若自检成功，进入步骤s700，否则进入步骤s800。
73.步骤s700，反馈上电自检成功的信号至地面站。
74.步骤s800，根据下电控制指令控制下电控制电路工作，以便控制电源支路断开，完成下电。这里的下电控制指令可以由无线充电模块发出，在步骤s500之后也可以进入步骤s800。
75.至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。