一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电方法和装置与流程

本发明涉及激光充电领域，特别是涉及一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电方法和装置。

背景技术

激光充电是首先通过受激辐射放大将电能转换为激光，再将激光照射到接收装置上（一般为光伏电池）进行光电转换。由于激光方向性好，能量集中等特点使得大量光能可集中在一极小空间范围被接收，因此，该种输电方法具有传输距离远、传输效率高、接收装置小、适范围广等优点。

目前所有的激光充电技术，基本都是利用光电转换进行充电，如申请公布号为cn104638779a的发明专利“一种无人机用无线激光充电设备及其充电系统”、申请公布号为cn105553046a的发明专利“室内自动激光充电系统及方法”、申请公布号为cn107370230a的发明专利“一种定向激光充电系统及激光充电方法”等，但是这种光电转换存在的问题是光电转换效率低的问题，如李修乾在2013年第34卷第4期的“激光杂志”发表的《无人机激光充电技术研究》论文中介绍的转换效率最多只有25%；又如南京航空航天大学的杨鹏在2012年的硕士论文《激光无线电力传输效率的研究》中介绍，单晶硅电池光电转换效率最高可达27.7%，砷而化镓电池最高可达35%。

由于光照射的角度不同，产生的能量也不一样。目前的激光充电方案中，包括上述的专利，都没有提到激光照射角度问题，以及如何使其达到最佳的充电效果。

激光具有一定的危险性，即使是使用的国家规定的安全的激光等级，在激光的焦点处，也会产生大量的热量，尤其是长时间的照射，一旦发生意外火灾，则可能会造成不可挽回的损失。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电方法和装置，以解决以下问题：

1、激光照射的角度不是最佳角度，导致的充电效率低；

2、激光在充电过程中的智能保护问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电方法，包括如下步骤：

准备工作：激光充电发送模组1接通外接电源，接通电源后，第一通信模块13搜索第二通信模块24，并自动匹配连接；

s1.充电指令+定位信息

第二微处理控制单元21通过第二通信模块24、第一通信模块13向第一微处理控制单元11发送充电指令；并发送了定位模块25的位置信息；

s2.激光模块调整姿态

第一微处理控制单元11收到充电指令及目标位置信息后，检测自身第一带有姿态检测装置和电机的关节支架机构14的姿态信息，依据接收的目标位置信息，计算出支架机构14电机应该运动的方向、时间、速度参数，并把参数发送给关节支架机构14的电机，控制运动到指定姿态位置，确保激光模块12指向目标位置；

s3.准备指令+姿态信息

完成步骤2后，第一微处理控制单元11向第二微处理控制单元21发送准备指令和激光模块12的姿态信息；

s4.发电模块调整姿态

第二微处理控制单元21收到步骤3的准备指令和姿态信息后，第二微处理控制单元21依据收到的激光模块12的姿态信息，检测自身第二带有姿态检测装置和电机的关节支架机构26的姿态信息，依据接收的激光模块12的姿态信息，计算出支架机构26电机应该运动的方向、时间、速度参数，并把参数发送给关节支架机构26的电机，控制运动到指定姿态位置，确保激光模块12垂直指向发电模块；

s5.开始指令

完成步骤4后，第二微处理控制单元21发送开始指令；

s6.开始充电

第一微处理控制单元11收到开始指令后，向激光模块12发送打开信号，激光模块12开始发射激光，开始充电；

s7.检测发电模块是否有电能

在充电过程中，如有障碍物遮挡激光光线，发电模块22就没有电能产生，则会向第二微处理控制单元21发送没有电能的信号，否则是有电能的信号；

s8.无电能处理流程

s81.关闭指令

步骤7中，当第二微处理控制单元21检测到发电模块22发送的没有电能的信号，则第二微处理控制单元21向第一微处理控制单元11发送关闭指令；

s82.关闭激光

第一微处理控制单元11收到第二微处理控制单元21的关闭指令后，向激光模块12发送关闭信号，激光模块12关闭激光；

s83.等待：等待设定时间

s84.打开激光

等待设定时间后，第一微处理控制单元11向激光模块12发送打开信号，激光模块12打开激光，并返回步骤7；

s9.有电能处理流程

s91.检测是否充满

储能模块充满电后，向第二微处理控制单元21发送充满信号，否则没有信号或其它非充满信号；

s910.没有充满电处理流程

s9101.第二微处理控制单元21没有收到储能模块充满信号，则返回步骤7；

s911.充满电处理流程

s9111.充满指令

第二微处理控制单元21收到储能模块充满信号，则向第一微处理控制单元11发送充满指令；

s9112.关闭激光

第一微处理控制单元11收到充满指令后，向激光模块12发送关闭信号，激光模块12关闭激光；

s9113.复位指令

完成步骤9112后，第一微处理控制单元11向第二微处理控制单元21发送复位指令；

s9114.激光模块复位

完成步骤9113后，第一微处理控制单元11向第一带有姿态检测装置和电机的关节支架机构14发送初始姿态参数信息，使关节支架机构14复位到初始姿态，即激光模块复位；

s9115.发电模块复位

第二微处理控制单元21收到复位指令后，向第二带有姿态检测装置和电机的关节支架机构26发送初始姿态参数信息，使关节支架机构26复位到初始姿态，即发电模块复位。

本发明如上所述的一种能以最佳姿态瞄准及保护的激光充电方法，在步骤s2所述的目标位置信息为步骤s1所述定位模块25的位置信息；在步骤s2到步骤s4后，激光模块12垂直指向发电模块22，此时，激光模块12与指向地面的垂线的夹角等于发电模块22与水平线的夹角；在步骤s83设置的等待时间为3～60秒。

本发明还包括实现上述方法的装置：一种能以最佳姿态瞄准及保护的激光充电装置，包括：外接电源、激光充电发送模组1、激光充电接受模组2、储能模块构成；其特征在于，所述激光充电发送模组1由第一微处理控制单元11、激光模块12、第一通信模块13、第一带有姿态检测装置和电机的关节支架机构14构成；所述激光充电接受模组2由第二微处理控制单元21、发电模块22、稳压模块23、第二通信模块24、定位模块25、第二带有姿态检测装置和电机的关节支架机构26构成。

本发明如上所述的一种能以最佳姿态瞄准及保护的激光充电装置，所述外接电源用于向第一微处理控制单元11、激光模块12、第一带有姿态检测装置和电机的关节支架机构14提供工作电压；

所述激光模块12用于生成激光，其开关控制由第一微处理控制单元11发送的控制指令控制；

所述通信模块（13或24）用于接收或发送本微处理控制单元（11或21）的指令或/和信息，通过匹配的通信模块（24或13）向与其连接的微处理控制单元（21或11）发送或/和接收指令或信息；

所述发电模块22用于将激光的光能和/或热能生成电能，并发出发电状态参数信息；

所述稳压模块23用于稳定发电模块22的电压后，输出到储能模块；

所述定位模块25用于发送发电模块22的位置信息；

所述带有姿态检测装置和电机的关节支架机构（14或26）的末端执行机构用于安装固定激光模块12或发电模块22，该关节支架机构向其连接的微处理控制单元（11或21）传递自身姿态信息，微处理控制单元（11或21）依据其当前姿态信息和目标姿态位置信息，控制其电机运动，使其运动到目标姿态位置，进而确保激光模块12或发电模块22运动到目标姿态位置；

所述第一微处理控制单元11通过指令信号向激光模块12发送打开激光和关闭激光指令，并检测激光模块12的开关状态信息；

所述第二微处理控制单元21检测发电模块22的发电状态参数信息，检测定位模块25的位置信息；

所述微处理控制单元（11或21）还通过通信模块（13或24）接收外部指令和信息，或通过通信模块（13或24）向外部发送指令和信息，检测带有姿态检测装置和电机的关节支架机构（14或26）的姿态信息，或向带有姿态检测装置和电机的关节支架机构（14或26）发送控制电机运动的方向、速度、时间的控制信息。

本发明如上所述的一种能以最佳姿态瞄准及保护的激光充电装置，进一步，所述关节支架机构（14或26）优选为多轴关节机构、腕窝关节机构、或云台机构；

本发明如上所述的一种能以最佳姿态瞄准及保护的激光充电装置，进一步，所述通信模块（13或24）为无线通信模组，可选择为zig-bee、蓝牙、wi-fi、超宽带(uwb)或近场通信(nfc)。

本发明如上所述的一种能以最佳姿态瞄准及保护的激光充电装置，进一步，所述定位模块25安置在发电模块中心位置下方，定位的位置优选为发电模块的中心位置信息。

本发明的有益效果是：

利用本发明一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电方法，能自动调整激光模块和发电模块的姿态，使得激光以最佳的垂直角度射向发电模块进行发电，提高了发电效率。

在发电过程中增加了智能保护措施，当激光在打开充电过程中，而发电模块又没有电能产生，则说明发电模块被某种障碍物遮挡，致使激光无法照射在发电模块上，该方法能自动检测这种状态，并将激光关闭，等待设定时间后，循环检测。

利用本发明一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电装置，保证上述方法的实现，装置能实现自动调整姿态，自动充电，自动保护，自动关闭，自动复位等，避免有线充电的局限性，使用简单，操作便捷，安全可靠。

附图说明

图1为本发明一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电方法流程示意图。

图2为本发明一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电装置整体结构示意图。

图3为本发明一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电装置的激光充电发送模组电路结构组成。

图4为本发明一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电装置的激光充电接受模组电路结构组成。

图5为本发明一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电装置的几种关节支架机构样例示意图。

图6为本发明一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电方法中姿态调整过程示意图。

图7为本发明一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电方法中姿态约束模型示意图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明的一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电方法和装置的实施例。

在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。

本发明所涉及的一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电方法是通过调节激光模块和发电模块的姿态，实现以最佳的姿态发电；通过检测发电模块是否发电和储能模块是否充满，来实现自动保护和自动关闭功能，具体来说，该一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电方法，流程如图1所示，包括如下步骤：

准备工作：激光充电发送模组1接通外接电源，接通电源后，第一通信模块13搜索第二通信模块24，并自动匹配连接；

s1.充电指令+定位信息

第二微处理控制单元21通过第二通信模块24、第一通信模块13向第一微处理控制单元11发送充电指令；并发送了定位模块25的位置信息；

s2.激光模块调整姿态

第一微处理控制单元11收到充电指令及目标位置信息后，检测自身第一带有姿态检测装置和电机的关节支架机构14的姿态信息，依据接收的目标位置信息，计算出支架机构14电机应该运动的方向、时间、速度参数，并把参数发送给关节支架机构14的电机，控制运动到指定姿态位置，确保激光模块12指向目标位置；

s3.准备指令+姿态信息

完成步骤2后，第一微处理控制单元11向第二微处理控制单元21发送准备指令，和激光模块12的姿态信息；

s4.发电模块调整姿态

第二微处理控制单元21收到步骤3的准备指令和姿态信息后，第二微处理控制单元21依据收到的激光模块12的姿态信息，检测自身第二带有姿态检测装置和电机的关节支架机构26的姿态信息，依据接收的激光模块12的姿态信息，计算出支架机构26电机应该运动的方向、时间、速度参数，并把参数发送给关节支架机构26的电机，控制运动到指定姿态位置，确保激光模块12垂直指向发电模块；

s5.开始指令

完成步骤4后，第二微处理控制单元21发送开始指令；

s6.开始充电

第一微处理控制单元11收到开始指令后，向激光模块12发送打开信号，激光模块12开始发射激光，开始充电；

s7.检测发电模块是否有电能

在充电过程中，如有障碍物遮挡激光光线，发电模块22就没有电能产生，则会向第二微处理控制单元21发送没有电能的信号，否则是有电能的信号；

s8.无电能处理流程

s81.关闭指令

步骤7中，当第二微处理控制单元21检测到发电模块22发送的没有电能的信号，则第二微处理控制单元21向第一微处理控制单元11发送关闭指令；

s82.关闭激光

第一微处理控制单元11收到第二微处理控制单元21的关闭指令后，向激光模块12发送关闭信号，激光模块12关闭激光；

s83.等待：等待设定时间

s84.打开激光

等待设定时间后，第一微处理控制单元11向激光模块12发送打开信号，激光模块12打开激光，并返回步骤7；

s9.有电能处理流程

s91.检测是否充满

储能模块充满电后，向第二微处理控制单元21发送充满信号，否则没有信号或其它非充满信号；

s910.没有充满电处理流程

s9101.第二微处理控制单元21没有收到储能模块充满信号，则返回步骤7；

s911.充满电处理流程

s9111.充满指令

第二微处理控制单元21收到储能模块充满信号，则向第一微处理控制单元11发送充满指令；

s9112.关闭激光

第一微处理控制单元11收到充满指令后，向激光模块12发送关闭信号，激光模块12关闭激光；

s9113.复位指令

完成步骤9112后，第一微处理控制单元11向第二微处理控制单元21发送复位指令；

s9114.激光模块复位

完成步骤9113后，第一微处理控制单元11向第一带有姿态检测装置和电机的关节支架机构14发送初始姿态参数信息，使关节支架机构14复位到初始姿态，即激光模块复位；

s9115.发电模块复位

第二微处理控制单元21收到复位指令后，向第二带有姿态检测装置和电机的关节支架机构26发送初始姿态参数信息，使关节支架机构26复位到初始姿态，即发电模块复位。

本发明用于实现上述一种能以最佳姿态瞄准及自动保护的激光充电方法的装置整体结构示意图如图2所示，包括：外接电源、激光充电发送模组1、激光充电接受模组2、储能模块构成；激光充电发送模组1由第一微处理控制单元11、激光模块12、第一通信模块13、第一带有姿态检测装置和电机的关节支架机构14构成，其电路结构组成如图3所示；所述激光充电接受模组2由第二微处理控制单元21、发电模块22、稳压模块23、第二通信模块24、定位模块25、第二带有姿态检测装置和电机的关节支架机构26构成，其电路结构组成如图4所示。

在图3、图4所示的电路结构中，各个模块的作用如下：

外接电源用于向第一微处理控制单元11、激光模块12、第一带有姿态检测装置和电机的关节支架机构14提供工作电压；

激光模块12用于生成激光，其开关控制由第一微处理控制单元11发送的控制指令控制；

通信模块（13或24）用于接收或发送本微处理控制单元（11或21）的指令或/和信息，通过匹配的通信模块（24或13）向与其连接的微处理控制单元（21或11）发送或/和接收指令或信息；

发电模块22用于将激光的光能和/或热能生成电能，并发出发电状态参数信息；

稳压模块23用于稳定发电模块22的电压后，输出到储能模块；

定位模块25用于发送发电模块22的位置信息；

带有姿态检测装置和电机的关节支架机构（14或26）的末端执行机构用于安装固定激光模块12或发电模块22，该关节支架机构向其连接的微处理控制单元（11或21）传递自身姿态信息，微处理控制单元（11或21）依据其当前姿态信息和目标姿态位置信息，控制其电机运动，使其运动到目标姿态位置，进而确保激光模块12或发电模块22运动到目标姿态位置；

第一微处理控制单元11通过指令信号向激光模块12发送打开激光和关闭激光指令，并检测激光模块12的开关状态信息；

第二微处理控制单元21检测发电模块22的发电状态参数信息，检测定位模块25的位置信息；

微处理控制单元（11或21）还通过通信模块（13或24）接收外部指令和信息，或通过通信模块（13或24）向外部发送指令和信息，检测带有姿态检测装置和电机的关节支架机构（14或26）的姿态信息，或向带有姿态检测装置和电机的关节支架机构（14或26）发送控制电机运动的方向、速度、时间的控制信息。

在使用时，激光充电接受模组2通常是和储能模块连接在一起的，第一通信模块13和第二通信模块24在软件内设置绑定，当需要充电时候，打开激光充电接受模组2，同时激光充电发送模组1接通外接电源，第一通信模块13在网络通信范围内进行搜索和匹配第二通信模块24，如果相互没有找到，则提示连接失败；如果匹配成功，则第二微处理控制单元21通过第二通信模块24、第一通信模块13向第一微处理控制单元11发送充电指令；并发送了定位模块25的位置信息，这里的定位信息就是发电模块的位置信息，该位置信息就是激光模块12应该调整的目标位置，确保发射的激光射向定位模块25发送的位置信息；

第一微处理控制单元11收到充电指令及目标位置信息后，检测自身第一带有姿态检测装置和电机的关节支架机构14的姿态信息，依据接收的目标位置信息，计算出支架机构14电机应该运动的方向、时间、速度参数，并把参数发送给关节支架机构14的电机，控制运动到指定姿态位置，确保激光模块12指向目标位置，这一步就是通过调整支架的姿态，进而调整了激光模块12的姿态，如图6中的a）和b）所示，支架机构14及激光模块12从图6中的a）的初始姿态，调整到图6中的b）的目标姿态；

激光模块12调整到目标姿态后，第一微处理控制单元11向第二微处理控制单元21发送准备指令和激光模块12的姿态信息；

第二微处理控制单元21收到上述准备指令和激光模块12的姿态信息后，第二微处理控制单元21依据收到的激光模块12的姿态信息，检测自身第二带有姿态检测装置和电机的关节支架机构26的姿态信息，依据接收的激光模块12的姿态信息，计算出支架机构26电机应该运动的方向、时间、速度参数，并把参数发送给关节支架机构26的电机，控制运动到指定姿态位置，确保激光模块12垂直指向发电模块，如图6中的c）所示；

图6显示了激光模块12和发电模块22从初始姿态调整到最佳姿态的完整过程；

发电模块22调整到目标姿态后，第二微处理控制单元21发送开始指令；

第一微处理控制单元11收到开始指令后，向激光模块12发送打开信号，激光模块12开始发射激光，激光射向发电模块22，开始充电。

实施例，在发电过程中，实施检测发电模块22是否被遮挡。

由于激光本身有一定的危险性，如果有障碍物遮挡住了发电模块22，激光长时间的照射，积累的热量可能诱发火灾等危险。

在充电过程中，当第二微处理控制单元21检测到发电模块22发送的没有电能的信号，则第二微处理控制单元21向第一微处理控制单元11发送关闭指令；

第一微处理控制单元11收到第二微处理控制单元21的关闭指令后，向激光模块12发送关闭信号，激光模块12关闭激光；

等待设定时间，这里等待的时间在软件中可以自行设置，通常设置时间为3～60秒

等待设定时间后，第一微处理控制单元11向激光模块12发送打开信号，激光模块12打开激光，再次进行充电，并循环检测发电模块22是否有电能，如果没有电能，则循环上述步骤。

实施例，检测储能模块电量充满后的处理流程。

储能模块充满电后，会向第二微处理控制单元21发送充满信号，否则没有信号或其它非充满信号；

当充满电能时候，第二微处理控制单元21会收到储能模块充满信号，则向第一微处理控制单元11发送充满指令；

第一微处理控制单元11收到充满指令后，向激光模块12发送关闭信号，激光模块12关闭激光；并且，第一微处理控制单元11向第二微处理控制单元21发送复位指令；然后，第一微处理控制单元11向第一带有姿态检测装置和电机的关节支架机构14发送初始姿态参数信息，使关节支架机构14复位到初始姿态，即激光模块复位；

同时，第二微处理控制单元21收到复位指令后，向第二带有姿态检测装置和电机的关节支架机构26发送初始姿态参数信息，使关节支架机构26复位到初始姿态，即发电模块复位。至此，充电结束。

实施例，检测储能模块没有充满电量的处理流程。

当第二微处理控制单元21没有收到储能模块的充满信号，则不进行操作，返回到步骤s7，循环检测；

对于关节支架机构（14或26）可以为多轴关节机构、腕窝关节机构、或云台机构等，图5给出了几种支架机构的示意图。激光模块12和发电模块22分别安装在支架机构14和支架机构26上，通过支架机构（14或26）的运动，使得激光模块12和发电模块22运动到目标姿态位置。

在发送定位信息过程中，优选地，定位模块25固定于发电模块22下方，发送的定位信息为发电模块22的中心位置。

对于激光模块12和发电模块22调整到最佳姿态的过程中，激光模块依据定位模块25的位置信息进行调整姿态，发电模块22如何依据激光模块12的姿态进行调整，这里给出一个实施例，其约束关系如图7所示。当激光模块12调整姿态后，激光模块12与指向地面的垂线的夹角为θ，则发电模块22与水平线的锐角夹角β应该满足β=θ，即此时发电模块22在支架机构26带动下沿水平线旋转θ角即可，其证明过程在图7中可以看出，不再累述。由于所述的激光模块12或发电模块22固定于支架机构（14或26）末端执行机构上，因此所述激光模块12或发电模块22的姿态信息，通常是支架机构（14或26）末端执行机构的姿态信息，通常是其与垂线、水平线的夹角或旋转角度信息。

此外，通信模块（13或24）为无线通信模组,依据实际充电的应用场合和通信范围的不同，可以选择zig-bee、蓝牙、wi-fi、超宽带(uwb)和近场通信(nfc)等。如家庭居住在三楼以内，而蓝牙的通信在10m-20m范围，则在所在楼层往地面的电车等充电，通信模块（13或24）完全可以使用蓝牙无线通信进行配对。又如居住在高层的用户比如15楼，通信模块（13或24）可以选择wi-fi进行无线通信配对。

上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据发明之目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本发明之目的为准。