一种基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置

1.本发明属于磁耦合无线电能传输技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置。


背景技术：

2.以多旋翼无人机为代表的现代无人机已经广泛的运用于民用和军用领域，因此无人机的续航能力变得十分关键。目前主要有三种方案来解决无人机的续航问题，分别是搭载太阳能电池、利用基站机械手更换电池和接触式充电平台。而这三种方案都存在一定程度上的问题，其中包括中小型无人机由于机翼太小无法搭载太阳能电池用以续航，而利用基站更换电池则需要对无人机进行改造和精密的控制设备，接触充电又因为触点外露而存在易老化磨损和易短路断路的问题，因此为解决这些问题并为提高无人机续航能力，基于无线电能传输技术，在无人机应用路线中配置一个或多个无线充电平台，这种方式大大弥补了无人机续航不足导致的巡航距离问题，同时也实现了无人化与智能化。
3.无人机无线充电技术经过长时间的发展，已经具有较好的输出特性。其中，在大多数的无人机充电装置中，其接收线圈一般位于底部的脚架上，以获得更好的耦合特性；发射线圈则一般在圆盘形着落平台上。但这类无人机无线充电装置，由于无人机降落的不稳定性，因此需要极强的抗横向偏移能力，而在横向偏移较大时通常会导致产生较大的互感波动，其中拥有圆形底架的无人机，如图6所示该圆台型无线充电装置可以帮助其完成自动对准，从而使得无人机在降落后其横向偏移十分微小，从而使其获得更大的传输功率及传输效率，但是这种方式存在发射线圈和接收线圈的耦合性不强，耦合系数有待进一步提高，从而影响无人机无线充电的效率，因此为了提高发射线圈和接收线圈的耦合系数，本发明提供一种技术方案。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置，以解决现有技术中，圆台型无人机无线充时，发射线圈和接收线圈的耦合系数不高，影响无人机无线充电效率的技术问题。
5.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置，包括设置在充电平台上的发射线圈和设置在无人机上的接收线圈，其特征在于：所述发射线圈包括两个大小不同且缠绕方向相反的梯形线圈，两个梯形线圈沿着圆周卷曲使得两条斜边相互靠拢并呈圆台状，且沿着圆台形斜面呈上下两段靠拢分布，所述接收线圈为螺旋管式线圈，且所述接收线圈的管心线与所述发射线圈沿着的圆台形斜面母线相平行。
6.作为本发明的优选技术方案，所述无人机包括机体和支架，所述接收线圈安装在所述支架上。
7.作为本发明的优选技术方案，所述支架设有多个，在每一个支架上设置一个所述
接收线圈。
8.作为本发明的优选技术方案，所述支架在所述机体的下方倾斜设置，且呈圆周均匀分布。
9.作为本发明的优选技术方案，在所述支架的下端设置有底架，所述底架为圆弧形，其开口方向正对所述无人机的中轴线方向。
10.作为本发明的优选技术方案，所述接收线圈为矩形螺线管式线圈。
11.作为本发明的优选技术方案，在所述发射线圈中安装有铁氧体磁芯。
12.作为本发明的优选技术方案，所述接收线圈尺寸为50*20*380毫米。
13.作为本发明的优选技术方案，所述充电平台为圆台状，所述发射线圈贴合在所述充电平台的斜表壁上。
14.作为本发明的优选技术方案，所述发射线圈中上段梯形线圈的下边缘和下段梯形线圈的上边缘所处区域为能量集中传输区，在所述无人机停靠在所述充电平台上时，所述接收线圈的侧面正对所述能量集中传输区。
15.本发明提供了一种基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置，具备以下有益效果：
16.1、发射线圈能产生沿圆台型斜面向上的目标磁场，接收线圈的管心线与发射线圈沿着的圆台形斜面母线相平行，通过这种方式使发射线圈与发射线圈耦合时，有利于提供更高的耦合系数，磁场缺失对互感影响更小，减小无人机旋转偏移时的互感波动率，提高无人机的无线充电效率。
17.2、通过设置的圆弧形底架，在无人机降落充电时圆弧形的底架可以进行限位，降落准度要求降低，且在降落时不会产生很大的横向偏移，方便引导对齐充电。
附图说明
18.图1为本发明一种基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置的立体图；
19.图2为本发明一种基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置中的磁场分布示意图；
20.图3为本发明一种基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置中接收线圈展开的示意图；
21.图4为本发明一种基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置中发射线圈和接收线圈配合的构示意图；
22.图5本发明一种基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置中铁氧体磁芯的安装结构示意图；
23.图6现有技术中无线充电装置结构示意图；
24.图7旋转偏移下的互感变化实验数据；
25.图8旋转偏移下的互感变化的实验数据；
26.图9为接收线圈为40*20*380毫米时互感变化实验数据；
27.图10为接收线圈为50*20*380毫米时互感变化实验数据。
28.图中：1、发射线圈；101、斜边；2、接收线圈；3、无人机；301、机体；302、支架；303、底架；4、铁氧体磁芯；5、磁感线。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
30.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.请参阅图1，本发明提供一种技术方案，一种基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置：包括设置在充电平台上的发射线圈1和设置在无人机3上的接收线圈2，其特征在于：发射线圈1包括两个大小不同且缠绕方向相反的如图3所示的梯形线圈，两个梯形线圈沿着圆周卷曲使得两条斜边101相互靠拢并呈如图2和图4所示的圆台状，且沿着圆台形斜面呈上下两段靠拢分布，且两个发射线圈1通过串联的方式连接，接收线圈2为螺旋管式线圈，如图2和图4所示接收线圈2的管心线与发射线圈1沿着的圆台形斜面母线相平行。
33.其中，如图1所示无人机3包括机体301和支架302，接收线圈2安装在支架302上。
34.其中，如图1所示支架302设有多个，在每一个支架302上设置一个接收线圈2。在接收线圈2为两个时，通过实验得到相关实验数据，其中m1、m2分别代表两个接收线圈2的互感值，如图7所示整个耦合机构在旋转偏移的影响下，总互感值约为5.04uh，互感波动率为10.39％，可以看出，在当前结构下，旋转偏移带来的互感波动比较高，并且该耦合机构本身的总互感偏小。
35.其中，如图1所示支架302在机体301的下方倾斜设置，且呈圆周均匀分布。
36.其中，如图1所示在支架302的下端设置有底架303，底架303为圆弧形，其开口方向正对无人机3的中轴线方向。
37.其中，如图4图5所示接收线圈2为矩形螺线管式线圈。
38.其中，如图5在发射线圈1中安装有铁氧体磁芯4，通过铁氧体磁芯4以得到更好的耦合效果和旋转偏移波动互感抑制效果，通过实验在接收线圈为60*10*380毫米，其匝数为30匝，圆台型发射线圈1为其底面为半径6cm，顶面半径为3cm，圆台厚度为3.5毫米，磁芯与发射线圈1紧贴，厚度为5毫米时经过实验得出如图8所示的实验数据，可以发现，在360
°
旋转偏移下其总互感波动率在8.09％左右，且其互感值平均约为11.6uh，相对上个没有添加铁氧体磁芯4时效果提高了很多。
39.其中，接收线圈2尺寸为50*20*380毫米，因为在不同尺寸的接收线圈2时其互感值和互感波动率也会有相应变更，经过实验得出如图9和图10所示的实验结果，在接收线圈2尺寸为40*20*380毫米的情况下，其互感值平均约为13.89uh，互感波动率为10.12％，如图9所示；当接收线圈2尺寸为50*20*380毫米时，其互感值平均约为16.69uh，互感波动率为
9.05％，如图图10所示；当接收线圈长度小于40毫米时，其互感波动率较大，不满足无人机3无线充电需求。因此综合考虑，选择接收线圈2尺寸为50*20*380毫米的矩形线圈。
40.其中，充电平台为圆台状，发射线圈1贴合在充电平台的斜表壁上。
41.其中，如图1所示发射线圈1中上段梯形线圈的下边缘和下段梯形线圈的上边缘所处区域为能量集中传输区，在无人机3停靠在充电平台上时，接收线圈2的侧面正对能量集中传输区。
42.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置，包括设置在充电平台上的发射线圈(1)和设置在无人机(3)上的接收线圈(2)，其特征在于：所述发射线圈(1)包括两个大小不同且缠绕方向相反的梯形线圈，两个梯形线圈沿着圆周卷曲使得两条斜边(101)相互靠拢并呈圆台状，且沿着圆台形斜面呈上下两段靠拢分布，所述接收线圈(2)为螺旋管式线圈，且所述接收线圈(2)的管心线与所述发射线圈(1)沿着的圆台形斜面母线相平行。2.根据权利要求1所述的基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置，其特征在于：所述无人机(3)包括机体(301)和支架(302)，所述接收线圈(2)安装在所述支架(302)上。3.根据权利要求2所述的基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置，其特征在于：所述支架(302)设有多个，在每一个支架(302)上设置一个所述接收线圈(2)。4.根据权利要求3所述的基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置，其特征在于：所述支架(302)在所述机体(301)的下方倾斜设置，且呈圆周均匀分布。5.根据权利要求4所述的基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置，其特征在于：在所述支架(302)的下端设置有底架(303)，所述底架(303)为圆弧形，其开口方向正对所述无人机(3)的中轴线方向。6.根据权利要求1-5任一所述的基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置，其特征在于：所述接收线圈(2)为矩形螺线管式线圈。7.根据权利要求1-5任一所述的基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置，其特征在于：在所述发射线圈(1)中安装有铁氧体磁芯(4)。8.根据权利要求6所述的基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置，其特征在于：所述接收线圈(2)尺寸为50*20*380毫米。9.根据权利要求1所述的基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置，其特征在于：所述充电平台为圆台状，所述发射线圈(1)贴合在所述充电平台的斜表壁上。10.根据权利要求1所述的基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置，其特征在于：所述发射线圈(1)中上段梯形线圈的下边缘和下段梯形线圈的上边缘所处区域为能量集中传输区，在所述无人机(3)停靠在所述充电平台上时，所述接收线圈(2)的侧面正对所述能量集中传输区。

技术总结
本发明公开了一种基于双极发射线圈的圆台型无人机无线充电装置，属于磁耦合无线电能传输技术领域，以解决圆台型无人机无线充时，发射线圈和接收线圈的耦合系数不高，影响无人机无线充电效率的问题，包括射线圈包括两个大小不同且缠绕方向相反的梯形线圈，两个梯形线圈沿着圆周卷曲使得两条斜边相互靠拢并呈圆台状，且沿着圆台形斜面呈上下两段靠拢分布，接收线圈为螺旋管式线圈，且接收线圈的管心线与发射线圈沿着的圆台形斜面母线相平行，通过这种方式使发射线圈与发射线圈耦合时，有利于提供更高的耦合系数，磁场缺失对互感影响更小，减小无人机旋转偏移时的互感波动率，提高无人机的无线充电效率。无人机的无线充电效率。无人机的无线充电效率。


技术研发人员：李小飞 胡建伟 唐春森 孙跃 王智慧 左志平
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/6/7