一种用于无人机充电的耦合充电装置以及系统

1.本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种用于无人机充电的耦合充电装置以及系统。


背景技术：

2.目前，续航能力不足和巡航范围受限已成为限制无人机发展的一个重要因素。在高能量密度电池仍无法获得突破性研究进展的背景下，无线充电技术成为应对无人机续航问题的一个重要手段。
3.现有技术中，尽管磁场耦合式无人机无线充电技术能够利于实现大功率和高效率电能传输，但也存在成本高、接收机构重量大等缺陷问题。相比之下，电场耦合式无人机无线充电系统仅使用金属板作为电能传输的耦合机构，具有成本低、接收机构重量轻等明显优势，具有重要的应用前景。但当前无人机无线充电的电场耦合机构仍面临需改变无人机外形、错位容忍能力不足的问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种用于无人机充电的耦合充电装置及系统，以在无需改变无人机外形的基础下，提高错位容忍能力的技术问题。
5.一方面，本技术实施例提供了一种用于无人机充电的耦合充电装置，该装置包括：
6.发射板组件，包括第一发射极板组和第二发射极板组，所述第一发射极板组和所述第二发射极板组包括数量相同的发射极板，且至少包括两块发射极板，各所述发射极板相互间呈间隔排列；
7.接收板组件，包括用于拾取电能的圆柱套筒型金属极板组组，所述圆柱套筒型金属极板组组的内侧壁和外侧壁均设有绝缘体，并用于套设于无人机的起落横架，与无人机的机载电路连接，以为无人机充电；
8.分组控制电路，与所述发射板组件电连接，用于控制所述发射板组件的发射极板组合形成第一发射极板组和第二发射极板组，且用于与地面充电站的激励源的端子电连接，以在所述激励源处于高压状况下，通过所述发射板组件与接收板组件形成的耦合电场为所述无人机充电。
9.本技术的一个实施例中，所述分组控制电路依据无人机的降落位置控制所述发射板组件中的发射极板构成第一发射极板组和第二发射极板组。
10.本技术的一个实施例中，所述接收板组件包括第一圆柱套筒型金属极板组组和第二圆柱套筒型金属极板组组；
11.所述第一圆柱套筒型金属极板组组放置并耦合于所述第一发射极板组的各个发射电极板上；
12.所述第二圆柱套筒型金属极板组组放置并耦合于所述第二发射极板组的各个发射电极板上；或
13.所述第二圆柱套筒型金属极板组组放置并耦合于所述第一发射极板组的各个发射电极板上；
14.所述第一圆柱套筒型金属极板组组放置并耦合于所述第二发射极板组的各个发射电极板上。
15.本技术的一个实施例中，所述发射板组件包括第一发射极板、第二发射极板、第三发射极板和第四发射极板；所述分组控制电路包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第一控制器；所述第一开关的一端电连接于所述第二发射极板，另一端用于电连接于所述激励源的第一端子，所述第二开关的一端电连接于所述第二发射极板，另一端用于电连接于所述激励源的第二端子，所述第三开关的一端电连接于所述第四发射极板，另一端用于电连接于所述激励源的第一端子，所述第四开关的一端电连接于所述第四发射极板，另一端用于电连接于所述激励源的第二端子，所述第一发射极板电连接于所述激励源的第一端子，所述第二发射极板电连接于所述激励源的第二端子；
16.所述第一控制器在确定需要所述第一发射极板和所述第二发射极板形成所述第一发射极板、且所述第三发射极板和所述第四发射极板形成所述第二发射极板时，则控制所述第一开关闭合、所述第二开关断开，并控制所述第三开关断开和所述第四开关闭合；或
17.所述第一控制器在确定需要所述第一发射极板和所述第四发射极板形成所述第一发射极板、且所述第二发射极板和所述第三发射极板形成所述第二发射极板时时，则控制第一开关断开、所述第二开关闭合，并控制所述第三开关闭合和所述第四开关断开。
18.本技术的一个实施例中，所述圆柱套筒型金属极板组组包括外绝缘层、内绝缘层和呈圆筒状的第一金属极板，所述内绝缘层设置于所述第一金属极板的内侧壁，所述外绝缘层设置在第一金属极板的外侧壁。
19.本技术的一个实施例中，所述第一金属极板采用铝箔或铜箔材料制成。
20.本技术的一个实施例中，所述第一发射极板组的各发射极板为相对板面涂满绝缘层或覆盖绝缘板的第二金属极板，或/和
21.所述第二发射极板组的各发射极板为相对板面涂满绝缘层或覆盖绝缘板的第二金属极板。
22.本技术的一个实施例中，所述第一发射极板组的第二金属极板采用铝箔或铜箔材料制成，或/和
23.所述第二发射极板组的第二金属极板采用铝箔或铜箔材料制成。
24.本技术的一个实施例中，所述装置还包括第二控制器，
25.所述第一控制器确定本无人机的电源剩余电量低于第一阈值时，控制本无人机向地面充电站所在位置飞行，在距离所述地面充电站预设距离时，向所述第二控制器发送表示需要充电的充电信息时；
26.所述第二控制器接收到所述第一控制器发送的充电信息，开启所述充电站的激励源，以使所述激励源处于激励状态；
27.所述第一控制器在确定本无人机的电源剩余电量为第二阈值时，向所述第二控制器发送表示停止充电的断电信息；
28.所述第二控制器接收到所述第二控制器发达的断电信息时，关闭所述充电站的激励源，以使所述激励源处于停止激励状态。
29.另一方面，本技术实施例提供了一种用于无人机充电的耦合充电系统，所述充电系统包括上述实施例中任一种的耦合充电装置和地面充电站。
30.本技术实施例提供了一种用于无人机充电的耦合充电装置，该装置的发射板组件的各发射极板相互间呈间隔排列，接收板组件中于导电的圆柱套筒型金属极板组套设于无人机的起落横架，并与无人机的机载电路连接，以为无人机充电；分组控制电路与发射板组件电连接，控制所述发射板组件的发射极板组合形成两组不同的电极板组，并与地面充电站的激励源的端子电连接，以在激励源处于高压状况下，通过发射板组件与接收板组件形成的耦合电场为所述无人机充电。可见，本实施例的接收板组件的圆柱套筒型金属极板组直接套设于无人机已有的起落架上，并未改变无人机的外形结构，避免了改装无人机外形的成本。同时，分组控制电路可以改变各发射极板的自由组合，能够提升错位容忍能力。
附图说明
31.图1是本发明实施例提供的一种用于无人机充电的耦合充电装置的结构示意图；
32.图2是本发明实施例提供的一种用于无人机充电的耦合充电装置的部分结构示意图；
33.图3是本发明实施例提供的接收板组件的结构示意图；
34.图4是本发明实施例提供的一种发射板组件的发射极板在一种情况下组合的结构示意图；
35.图5是本发明实施例提供的一种发射板组件的发射极板在另一种情况下组合的结构示意图；
36.图6是本发明实施例提供的一种分组控制电路的结构示意图。
具体实施方式
37.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
38.请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种用于无人机充电的耦合充电装置的结构示意图，该装置包括：发射板组件1、接收板组件2和分组控制电路3。
39.其中，发射板组件1包括第一发射极板组11和第二发射极板组12，所述第一发射极板组11和所述第二发射极板组12包括数量相同的发射极板，且至少包括两块发射极板，各所述发射极板相互间呈间隔排列；接收板组件2包括用于导电的圆柱套筒型金属极板组21，所述圆柱套筒型金属极板组21的内侧壁和外侧壁均设有绝缘体，并用于套设于无人机4的起落横架，与无人机4的机载电路连接，以为无人机4充电；如图6所示，分组控制电路3与所述发射板组件1电连接，用于控制所述发射板组件1的发射极板组合形成第一发射极板组11和第二发射极板组12，且用于与地面充电站的激励源的端子电连接，以在所述激励源处于高压状况下，通过所述发射板组件1与接收板组件2形成的耦合电场为所述无人机4充电。
40.为了避免外界环境或其他系统对发射板组件1造成影响，作为一个实施例，第一发射极板组11的各发射极板为相对板面涂满绝缘层或覆盖绝缘板的第二金属极板，本实施例的各发射极板的相对板面涂满的绝缘层可以采用具有防水作用的绝缘层，这样能够起到对
各发射极板防水的作用，各发射极板为相对板面覆盖绝缘板的金属极板，起到对金属极板的防水和无人机4降落后的承载无人机4重量的作用。在一些实施例中，第一发射极板组11的金属极板采用铝箔或铜箔材料制成，能够减轻第一发射极板组11中各发射极板的重量和减小第一发射极板组11中各发射极板的体积。作为另一个实施例，第二发射极板组的各发射极板为相对板面涂满绝缘层或覆盖绝缘板的金属极板，同样，本实施例的各发射极板的相对板面涂满的绝缘层可以采用具有防水作用的绝缘层，这样能够起到对各发射极板防水的作用，各发射极板为相对板面覆盖绝缘板的金属极板，起到对金属极板的防水和无人机4降落后的承载无人机4重量的作用。在另一些实施例中，第二发射极板组的金属极板采用铝箔或铜箔材料制成，能够减轻第二发射极板组中各发射极板的重量和减小第二发射极板组中各发射极板的体积。在一些实施例中，各发射极板应尽量放置于同一平面。
41.在本实施例中，第一发射极板组11和第二发射极板组12均至少包括两块发射极板，第一发射极板组11包含的发射极板数量与第二发射极板组12包含的发射极板数量相同，但第一发射极板组11包含的发射极板和第二发射极板组12包含的发射极板均未共有相同的电极板，如第一发射极板组11包括发射极板a1、发射极板a2和发射极板a3，第二发射极板组12包括发射极板b1、发射极板b2和发射极板b3。且发射板组件1的各发射极板相互间呈间隔排列，换言之，各发射极板之间均不接触，如图4和5所示，第一发射极板、第二发射极板、第三发射极板和第四发射极板之间均未接触。
42.如图2-3所示，接收板组件2的圆柱套筒型金属极板组21套设于无人机4的起落横架，这就表明，圆柱套筒型金属极板组21与起落横架的外侧结构有关系，若起落横架为圆柱形杆状结构，则圆柱套筒型金属极板组21也采用中空的圆柱形杆状结构，基于此，本对此并不限定，圆柱套筒型金属极板组21的设置可以使得接收组件直接在不改变无人机4外形结构的情况下，能够安装于无人机4上。该实施例中的圆柱套筒型金属极板组21的内侧壁和外侧壁均设有绝缘体，能够确保接圆柱套筒型金属极板组21与起落横架、圆柱套筒型金属极板组21与外界系统之间的隔绝。作为一个实施例，如图3所示，圆柱套筒型金属极板组21包括外绝缘层211、内绝缘层212和呈圆筒状的第一金属极板213，所述内绝缘层212设置于所述第一金属极板213的内侧壁，所述外绝缘层211设置在第一金属极板213的外侧壁。在一些实施例中，为了隔绝第一金属极板213与外界环境，可以在圆柱套筒型金属极板组21的两端设置成绝缘端214。在一些实施例中，圆柱套筒型金属极板组21的第一金属极板213采用铝箔或铜箔材料制成，以达到体积小、质量轻的目的，减小无人机4整体重量的负担。
43.接收板组件2的圆柱套筒型金属极板组21的数量与无人机4的起落横架数量有关系，接收板组件2的圆柱套筒型金属极板组21的数量与无人机4的起落横架数量相同，在人机的起落横架数量为两个的情况下，作为一个实施例，接收板组件2的圆柱套筒型金属极板组21包括第一圆柱套筒型金属极板组和第二圆柱套筒型金属极板组；所述第一圆柱套筒型金属极板组放置并耦合于所述第一发射极板组11的各个发射电极板上；所述第二圆柱套筒型金属极板组放置并耦合于所述第二发射极板组12的各个发射电极板上。在本实施例中，接收板组的第一圆柱套筒型金属极板组与第一发射极板组11的各个发射电极板形成耦合电场，接收板组的第二圆柱套筒型金属极板组与第二发射极板组12的各个发射电极板形成耦合电场，以为无人机4充电。作为另一个实施例，第二圆柱套筒型金属极板组放置并耦合于所述第一发射极板组11的各个发射电极板上；所述第一圆柱套筒型金属极板组放置并耦
合于所述第二发射极板组12的各个发射电极板上。在本实施例中，接收板组件2的第一圆柱套筒型金属极板组与第二发射极板组12的各个发射电极板形成耦合电场，接收板组件2的第二圆柱套筒型金属极板组与第一发射极板组11的各个发射电极板形成耦合电场，以为无人机4充电。
44.作为一个实施例，如图4-6所示，分组控制电路3可以依据无人机4的降落位置控制所述发射板组件1中的发射极板构成第一发射极板组11和第二发射极板组12，在本实施例中，各发射极板归属在哪一组由无人机4降落位置决定，这样能够保证无人机4水平偏移和旋转时都能处于有效的发射范围内，提升错位容忍能力。在一些实施例中，如图3-4所示，所述发射板组件1包括第一发射极板111、第二发射极板112、第三发射极板113和第四发射极板114；所述分组控制电路3包括第一开关31、第二开关32、第三开关33、第四开关34和第一控制器；所述第一开关31的一端电连接于所述第二发射极板112，另一端用于电连接于所述激励源的第一端子，所述第二开关32的一端电连接于所述第二发射极板112，另一端用于电连接于所述激励源的第二端子6，所述第三开关33的一端电连接于所述第四发射极板114，另一端用于电连接于所述激励源的第一端子5，所述第四开关34的一端电连接于所述第四发射极板114，另一端用于电连接于所述激励源的第二端子6，所述第一发射极板111电连接于所述激励源的第一端子5，所述第二发射极板112电连接于所述激励源的第二端子6；所述第一控制器在确定需要所述第一发射极板111和所述第二发射极板112形成所述第一发射极板111、且所述第三发射极板113和所述第四发射极板114形成所述第二发射极板112时，则控制所述第一开关31闭合、所述第二开关32断开，并控制所述第三开关33断开和所述第四开关34闭合。在本实施例中，分组控制电路3由4个开关控制实现，如图4所示，由无人机4降落位置，第一控制器确定需要第一发射极板111和第二发射极板112组12队时，将第一开关31闭合、第二开关32断开，同时第三开关33断开、第四开关34闭合。在另一些实施例中，所述第一控制器在确定需要所述第一发射极板111和所述第四发射极板114形成所述第一发射极板111、且所述第二发射极板112和所述第三发射极板113形成所述第二发射极板112时时，则控制第一开关31断开、所述第二开关32闭合，并控制所述第三开关33闭合和所述第四开关34断开。如图4所示，第一控制器依据无人机4降落位置确定需要第一发射极板111和第四发射极板114组队时，将第一开关31断开、第二开关32闭合，同时控制第三开关33闭合、第四开关34断开。可见，应用本实施例提供的耦合充电装置能够使得各发射极板自由组对，提升对无人机4的偏移容忍能力。
45.作为一个实施例，该装置还包括第二控制器，所述第一控制器确定本无人机4的电源剩余电量低于第一阈值时，控制本无人机4向地面充电站所在位置飞行，在距离所述地面充电站预设距离时，向所述第二控制器发送表示需要充电的充电信息时；所述第二控制器接收到所述第一控制器发送的充电信息，开启所述充电站的激励源，以使所述激励源处于激励状态；所述第一控制器在确定本无人机4的电源剩余电量为第二阈值时，向所述第二控制器发送表示停止充电的断电信息；所述第二控制器接收到所述第二控制器发达的断电信息时，关闭所述充电站的激励源，以使所述激励源处于停止激励状态。
46.本实施例的第一控制器和第二控制器可以是相同的控制器，也可以采用不同的控制器，本实施例并不限定。在本实施例中，在无人机4充电过程中，当无人机4充电量为第二阈值时，该第二阈值可以为100％，可以向第一控制器发出表示无人机4已经充满的充电信
息，第二阈值大于第一阈值。预设距离的取值与无人机4飞行速度有关系，当无人机4飞行速度较大时，预设距离可以选取较大值，当无人机4飞行速度较小时，预设距离可以选取较小值，以为地面充电站打开激励源足够的时间。可见，应用本技术实施例提供的装置能够在无人机4续航能力不足的情况下，实时为无人机4准备充电，尤其针对条件艰巨的山区，也能够在布置地面充电站的情况下为无人机4充电，以能够支持无人机4完成出行任务，提高无人机4应用的实用性。
47.另一方面，本技术实施例提供了一种用于无人机4充电的耦合充电系统，该充电系统包括上述实施例中任一项的耦合充电装置和地面充电站。地面充电站可以依据无人机4任务内容以及无人机4出行环境布置地面充电站的位置以及数量。可见，本实施例提供的系统的耦合充电装置的圆柱套筒型金属极板组直接套设于无人机4已有的起落横架，无需改变无人机4的外形结构，避免了改装无人机4外形的成本，且结构简单、体积小和重量轻。同时，分组控制电路3可以改变各发射极板的自由组合，能够提升错位容忍能力。针对条件艰巨的山区，也能够通过布置地面充电站的情况下为无人机4充电，提高无人机4应用的实用性和广泛性。
48.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本技术旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
49.应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。