无线充电设备及无人机

1.本实用新型涉及无线充电技术领域，尤其是一种无线充电设备及无人机。


背景技术：

2.无人机，已广泛应用于军事、航拍、影视拍摄、新闻报道、管线巡检、灾难救援、农业生产、物流配送等领域。其中，以动力电池驱动的无人机，已经越来越多地应用到人们的工作、学习和生活中去执行相应的飞行任务。
3.随着无人机应用的持续推进，无人机执行飞行任务的航程及飞航时间也越来越长，续航能力成为评价人机可用性的主要指标。逻辑上讲，无人机的续航能力可通过提高机载动力电池的容量得以实现。然而，对空中执行飞行任务的无人机来说，灵活性，小型化同样是用于评价无人机可用性的主要指标。为了保证无人机的灵活性和小型化，其设计尺寸和设计重量都有明确的限制。也就是说，无人机上的机载动力电池重量和容量都受到了限制。
4.以动力电池驱动的无人机，通常是在返航后，基于有线充电的方式进行动力电池充电，以确保下一次飞行任务的执行。随着无人机的应用广度和应用深度的进一步拓展，无人机执行单次飞行任务的复杂性、飞航距离、飞航时间均有显著的增加，以致无人机上的机载动力电池容量不足以完成单次飞行任务。
5.为了解决机载动力电池容量不足以使无人机完成单次飞行任务的技术问题，本领域的研究人员开始探索在执行飞行任务的过程中对无人机的动力电池进行充电的技术方案。
6.现有执行飞行任务过程中的无人机动力电池充电方案是，在飞行航线上，通过立杆间隔设置多个充电平台，每个充电平台上设置用于将电能转换为电磁场并发送出去的发射线圈，在无人机机腹下设置用于接收电磁场并转换成电能的接收线圈，接收线圈通过处理电路与无人机的动力电池电连接。当执行飞行任务的无人机在飞行过程中出现电量示警，无人机在机载gps模块的导航引导下，飞到最近的充电平台的上方，无人机降落在充电平台上。这是充电平台启动充电程序，充电平台的发射线圈将电能转换为电磁场并发送出去，设置在无人机上的接收线圈接收电磁场并转换成电能，经处理电路处理后对无人机的动力电池进行充电。完成动力电池充电后，无人机继续执行飞行任务。
7.然而，发明人在实现本实用新型实施例中的技术方案的过程中发现，现有的无人机执行飞行任务过程中的动力电池充电技术方案至少存在如下技术问题：
8.无人机的充电平台通过立杆设置在空中，停泊在充电平台调整前后左右位置非常困难，这就造成设置在充电平台的发射线圈与设置在无人机腹部下侧的发射线圈很难实现上下对准，充电时两者耦合度较差，严重影响到无人机动力电池的充电效率。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本实用新型实施例的目的在于提供一种无线充电设备及无人机，用以
解决现有技术中的无人机无线充电技术方案，充电时，接收线圈与发射线圈不能实现上下有效对准，电磁耦合度较差，充电效率不高的缺陷。本实用新型实施例中的无线充电设备及无人机，通过摄像装置获取用于表征充电基站的空间位置信息，以及用于表征发射线圈的空间位置信息的april tag定位标签的定位图像信息，基于openmv机器视觉模块获得定位信息，基于定位信息，飞行控制器能够控制无人机停泊在所述发射线圈的正上方，且所述发射线圈与所述接收线圈上下对准。进而提高了无人机的动力电池的充电效率。
10.为了实现上述目的，本实用新型实施例中采用的技术方案如下：
11.第一方面，本实用新型实施例中提供一种无线充电设备，应用于包括动力电池、飞行控制器、gps模块、摄像装置的无人机，所述无人机的软件系统具有openmv机器视觉模块；所述无线充电设备包括：
12.充电盒，所述充电盒包括具有内腔的盒体，设置在所述盒体内腔的充电电路，固定连接在所述盒体上端的动力电池仓，固定连接在所述盒体下端的线圈安装板，设置在线圈安装板下侧的接收线圈；所述动力电池仓用于可拆卸地设置所述无人机的动力电池；所述接收线圈电连接所述充电电路，所述充电电路电连接所述动力电池；
13.充电基站，所述充电基站设置在无人机充电平台上；所述充电基站包括具有内腔的梯台底座，设置在所述梯台底座内腔的逆变电路，固定连接在所述梯台底座上端的线圈设置框架，设置在所述线圈设置框架内的发射线圈，设置在所述线圈设置框架上端部的april tag定位标签；所述逆变电路与所述发射线圈电连接；所述april tag定位标签的定位图像信息用于表征所述充电基站的空间位置信息，以及用于表征所述发射线圈的空间位置信息；
14.所述充电盒与所述无人机的摄像装置均固定设置在所述无人机的机腹部的下侧；所述无人机的摄像装置用于获取所述april tag定位标签的定位图像信息；
15.在所述无人机停泊无人机充电平台上的过程中，所述无人机的飞行控制器基于所述摄像装置获取所述april tag定位标签的定位图像信息，基于所述openmv机器视觉模块获得定位信息，基于所述定位信息，所述飞行控制器能够控制所述无人机停泊在所述发射线圈的正上方，且所述发射线圈与所述接收线圈上下对准。
16.可能的实施方式中，所述动力电池仓可拆卸地固定连接在所述盒体上端。
17.可能的实施方式中，所述盒体的上端部开设有快装滑槽，所述动力电池仓通过所述快装滑槽可拆卸地固定连接在所述盒体上端。
18.可能的实施方式中，所述动力电池仓的一侧开口，所述动力电池仓的侧壁和底部设置有散热结构。
19.可能的实施方式中，设置在所述动力电池仓底部的散热结构为多个相互平行的通槽。
20.可能的实施方式中，所述梯台底座具有可拆卸的底板，所述可拆卸的底板拆下时，可将所述逆变电路设置在梯台底座的内腔。
21.可能的实施方式中，所述梯台底座的侧面基体上设置有散热孔。
22.第二方面，本实用新型实施例中提供一种无人机，所述无人机包括动力电池、飞行控制器，gps模块、摄像装置；所述无人机的软件系统具有openmv机器视觉模块；所述摄像装置设置在机腹部下侧；在所述无人机的机腹部下侧还设置有充电盒；
23.所述充电盒包括具有内腔的盒体，设置在所述盒体内腔的充电电路，固定连接在所述盒体上端的动力电池仓，固定连接在所述盒体下端的线圈安装板，设置在线圈安装板下侧的接收线圈；所述无人机的动力电池可拆卸地设置在所述动力电池仓中，所述接收线圈电连接所述充电电路，所述充电电路电连接所述动力电池；
24.在所述无人机停泊无人机充电平台上的过程中，所述无人机的飞行控制器能够基于所述摄像装置获取设置在充电基站的线圈设置框架上的april tag定位标签的定位图像信息，基于所述openmv机器视觉模块获得定位信息，基于所述定位信息，所述飞行控制器能够控制所述无人机停泊在所述充电基站的发射线圈的正上方，且所述发射线圈与所述接收线圈上下对准；
25.所述april tag定位标签的定位图像信息用于表征所述充电基站的空间位置信息，以及用于表征所述发射线圈的空间位置信息。
26.可能的实施方式中，所述盒体的上端部开设有快装滑槽，所述动力电池仓通过所述快装滑槽可拆卸地固定连接在所述盒体上端。
27.可能的实施方式中，所述动力电池仓的一侧开口，所述动力电池仓的侧壁和底部设置有散热结构。
28.基于上述技术方案，本实用新型实施例中的无线充电设备及无人机，通过摄像装置获取用于表征充电基站的空间位置信息，以及用于表征发射线圈的空间位置信息的april tag定位标签的定位图像信息，基于openmv机器视觉模块获得定位信息，基于定位信息，飞行控制器能够控制无人机停泊在所述发射线圈的正上方，且所述发射线圈与所述接收线圈上下对准。进而提高了无人机的动力电池的充电效率。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1示出了本实用新型实施例中的无线充电设备的立体图；
31.图2示出了本实用新型实施例中的无线充电设备的爆炸示意图；
32.图3示出了本实用新型实施例中的无线充电设备的主视图；
33.图4示出了本实用新型实施例中的无线充电设备的俯视图；
34.图5示出了图4的a-a剖视图；
35.图6示出了本实用新型实施例中的无人机通过无线充电设备充电的示意图；
36.图7示出了本实用新型实施例中的无人机的结构示意图。
37.其中，图中的附图标记与部件名称之间的对应关系如下：
38.充电盒100，盒体110，快装滑槽111，线圈安装板120，动力电池仓130，散热结构131，接收线圈140，充电电路150，充电基站200，梯台底座210，底板211，散热孔212，线圈设置框架220，线圈设置结构221，防护杆222，april tag定位标签230，发射线圈240，逆变电路250，无人机300，动力电池310。
具体实施方式
39.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实际应用，参照本实用新型实施例附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
40.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
41.图1示出了本实用新型实施例中的无线充电设备的立体图；
42.图2示出了本实用新型实施例中的无线充电设备的爆炸示意图；
43.图3示出了本实用新型实施例中的无线充电设备的主视图；
44.图4示出了本实用新型实施例中的无线充电设备的俯视图；
45.图5是图4的a-a剖视图。
46.现参照图1、图2，同时结合图3、图4、图5所示，本实用新型实施例中的无线充电设备，应用于包括动力电池、飞行控制器、gps模块、摄像装置的无人机，所述无人机的软件系统具有openmv机器视觉模块；所述无线充电设备包括：
47.充电盒100，所述充电盒100包括具有内腔的盒体110，设置在所述盒体110内腔的充电电路，固定连接在所述盒体110上端的动力电池仓130，固定连接在所述盒体110下端的线圈安装板120，设置在线圈安装板120下侧的接收线圈140；所述动力电池仓130用于可拆卸地设置所述无人机的动力电池；所述接收线圈140电连接所述充电电路，所述充电电路电连接所述动力电池；
48.充电基站200，所述充电基站200设置在无人机充电平台上；所述充电基站200包括具有内腔的梯台底座210，设置在所述梯台底座210内腔的逆变电路，固定连接在所述梯台底座210上端的线圈设置框架220，设置在所述线圈设置框架220内的发射线圈240，设置在所述线圈240设置框架上端部的april tag定位标签230；所述逆变电路与所述发射线圈240电连接；所述april tag定位标签230的定位图像信息用于表征所述充电基站200的空间位置信息，以及用于表征所述发射线圈240的空间位置信息；
49.所述充电盒100与所述无人机的摄像装置均固定设置在所述无人机的机腹部的下侧；所述无人机的摄像装置用于获取所述april tag定位标签230的定位图像信息；
50.在所述无人机停泊无人机充电平台上的过程中，所述无人机的飞行控制器基于所述摄像装置获取所述april tag定位标签230的定位图像信息，基于所述openmv机器视觉模块获得定位信息，基于所述定位信息，所述飞行控制器能够控制所述无人机停泊在所述发射线圈240的正上方，且所述发射线圈240与所述接收线圈140上下对准。
51.本实用新型实施例中，所述充电盒100的盒体110采用结构材料(例如不锈钢、工程塑料)制成；若盒体110采用金属结构材料制成，在所述盒体110的外侧设置有防腐蚀涂层，例如防锈漆，在所述盒体110的内腔壁体上设置有绝缘涂料覆盖内腔壁体表面形成的绝缘涂层，以使所述充电盒100能够在野外环境中长时间使用。
52.本实用新型实施例中，所述动力电池仓130采用常用的制作无人机电池仓的材料制成。所述动力电池仓130与所述盒体110分体设计，所述动力电池仓130通过固定连接装置，例如螺杆与螺母，固定连接在所述盒体110上端。
53.为了使所述充电盒能够适配多种规格的无人机，可能的实施方式中，所述动力电池仓130可拆卸地固定连接在所述盒体110上端。进而，一方面，在实施时，仅需选择与无人机动力电池相适配的所述动力电池仓130安装在所述盒体110的上端，就能使所述充电盒100能够为无人机充电。另一方面，所述充电盒100的其他部件就能标准化、规模化生产，确保所述充电盒100具有较高的生产质量和生产良率，降低所述充电盒100的制造成本。
54.为了便于将所述动力电池仓130快速安装到所述盒体110的上端，可能的实施方式中，所述盒体110的上端部开设有快装滑槽111，所述动力电池仓130通过所述快装滑槽111可拆卸地固定连接在所述盒体110上端。
55.在无人机执行飞行任务的过程中或动力电池充电的过程中，会产生较多的热量，为了所述动力电池仓130具有良好的散热性能，可能的实施方式中，所述动力电池仓130的一侧开口，所述动力电池仓130的侧壁和底部设置有散热结构131。具体的，设置在所述动力电池仓130底部的散热结构131为多个相互平行的通槽。
56.本实用新型实施例中，所述动力电池仓130具有固定连接所述无人机机腹部的安装结构，该安装结构，具体可以是螺纹配合的结构。
57.本实用新型实施例中，所述充电电路包括与所述接收线圈电连接的整流滤波电路，与所述整流滤波电路电连接的直流电变换电路，与所述直流电变换电路电连接的充电管理电路，与所述整流滤波电路、所述直流电变换电路、所述充电管理电路均电连接的微控制单元；所述飞行控制器与所述充电电路的微控制单元无线通信连接。所述微控制单元，具体可以是意法半导体的stm32f407zgt6。
58.本实用新型实施例中，所述线圈安装板120采用结构材料(例如不锈钢、工程塑料)制成，且其接收线圈接触面设置有绝缘涂层，所述线圈安装板120下侧面上设置有所述接收线圈140的安装结构，所述接收线圈140通过该安装结构固定连接在所述线圈安装板120上。
59.本实用新型实施例中，所述接收线圈140为动力电池无线充电常用的接收线圈。其用于接收电磁波能量并转换成高频交流电。
60.本实用新型实施例中，所述发射线圈为动力电池无线充电常用的发射线圈240。其用于将正弦电流形式的交流电能转换为电磁波并进行发射。
61.所述发射线圈240与所述接收线圈140之间通过磁共振耦合进行无线能量传递。
62.本实用新型实施例中，所述梯台底座210采用结构材料(例如不锈钢、工程塑料)制成；若所述梯台底座210采用金属结构材料制成，在所述梯台底座210的外侧设置有防腐蚀涂层，例如防锈漆，在所述梯台底座210的内腔壁体上设置有绝缘涂料覆盖内腔壁体表面形成的绝缘涂层，以使所述充电基站200能够在野外环境中长时间使用。
63.本实用新型实施例中，所述逆变电路包括微控制单元，与所述微控制单元电连接的全桥逆变电路。所述微控制单元用于控制所述全桥逆变电路产生正弦电流形式的交流电，及用于控制所述发射线圈将交流电能转换为电磁波并进行发射。所述微控制单元具体可以是意法半导体的stm32f407zgt6。
64.为了便于所述逆变电路设置在所述梯台底座210的内腔，可能的实施方式中，所述梯台底座210具有可拆卸的底板211，所述可拆卸的底板211拆下时，可将所述逆变电路设置在梯台底座210的内腔。
65.为了使所述逆变电路长时间工作在预定的工作温度范围内，可能的实施方式中，
所述梯台底座210的侧面基体上设置有散热孔212。
66.本实用新型实施例中，所述线圈设置框架220采用结构材料(例如不锈钢、工程塑料)制成；所述线圈设置框架220具有线圈设置结构221，通过所述线圈设置结构221将发射线圈140设置在所述线圈设置框架220的预定位置，例如所述线圈设置框架220的中心部分。所述线圈设置框架220通常为矩形框架，矩形的所述线圈设置框架220的四边设置有防护杆222。所述防护杆222用于防止所述无人机的脚架碰撞到所述线圈设置框架220以致所述线圈设置框架220产生变形。
67.本实用新型实施例中，所述april tag定位标签230，通常以二维码图形展示在所述线圈设置框架220上表面。april tag定位标签230，为机器视觉定位系统的重要组成部分，其可通过六个自由度，三个位置，三个角度来描述定位信息，所述april tag定位标签230的定位图像信息用于表征所述充电基站200的空间位置信息，以及用于表征所述发射线圈240的空间位置信息。
68.所述openmv机器视觉模块为开源的机器视觉模块。所述april tag定位标签230与所述openmv机器视觉模块结合，实现厘米级定位，已被应用于自动泊车系统。
69.图6示出了本实用新型实施例中的无人机通过无线充电设备充电的示意图。
70.现参照图6所示，本实用新型实施例中的无线充电设备的工作过程为：
71.在无人机300的控制系统给出动力电池电量预警信号后，无人机300的飞行控制器启动gps定位模块搜寻并匹配最近的无线充电设备；在gps定位模块的导航下，飞行控制器操控无人机飞到无线充电设备的上方；飞行控制器将所述摄像装置对准所述april tag定位标签，并发出拍照工作指令，所述摄像装置获取所述april tag定位标签的定位图像信息并传输给飞行控制器，基于所述openmv机器视觉模块对定位图像信息进行处理后得到定位信息，所述定位信息包括所述充电基站200的空间位置信息以及所述发射线圈的空间位置信息，基于所述定位信息，所述飞行控制器控制所述无人机停泊在所述充电基站200的正上方，且所述发射线圈与所述接收线圈140上下对准。
72.当无人机停放好后无人机的飞行控制器通信连接所述充电基站200的所述逆变电路和所述充电盒100的所述充电电路，并给出充电指令，所述充电基站200的所述逆变电路将输入电能逆变为正弦电流形式的交流电，经发射线圈将交流电能转换为电磁波并进行发射；所述充电盒100的接收线圈140通过磁共振耦合接收电磁波能量并转换成高频交流电，高频交流电经所述充电电路进行整流滤波，直流电变换后，给无人机的动力电池充电。
73.图7示出了本实用新型实施例中的无人机的结构示意图。
74.现参照图7所示，本实用新型实施例中的无人机300，所述无人机300包括动力电池、飞行控制器，gps模块、摄像装置；所述无人机的软件系统具有openmv机器视觉模块；所述摄像装置设置在机腹部下侧；在所述无人机的机腹部下侧还设置有充电盒100；
75.所述充电盒100包括具有内腔的盒体110，设置在所述盒体110内腔的充电电路，固定连接在所述盒体110上端的动力电池仓130，固定连接在所述盒体110下端的线圈安装板120，设置在线圈安装板120下侧的接收线圈140；所述无人机的动力电池可拆卸地设置在所述动力电池仓130中，所述接收线圈140电连接所述充电电路，所述充电电路电连接所述动力电池；
76.在所述无人机停泊无人机充电平台上的过程中，所述无人机的飞行控制器能够基
于所述摄像装置获取设置在充电基站的线圈设置框架上的april tag定位标签的定位图像信息，基于所述openmv机器视觉模块获得定位信息，基于所述定位信息，所述飞行控制器能够控制所述无人机停泊在所述充电基站的发射线圈的正上方，且所述发射线圈与所述接收线圈140上下对准；
77.所述april tag定位标签的定位图像信息用于表征所述充电基站的空间位置信息，以及用于表征所述发射线圈的空间位置信息。
78.可能的实施方式中，所述盒体110的上端部开设有快装滑槽，所述动力电池仓130通过所述快装滑槽可拆卸地固定连接在所述盒体110上端。
79.可能的实施方式中，所述动力电池仓130的一侧开口，所述动力电池仓130的侧壁和底部设置有散热结构。
80.本实用新型实施例中的无人机，是加装了本实用新型实施例中的充电盒的无人机。为描述的方便和简洁，有关本实用新型实施例中的无人机的说明，可参照本实用新型实施例中的无线充电设备的相关说明，在此不再赘述。