一种四旋翼和固定翼复合模块式无线充电无人机

1.本专利涉及无人机设备领域，具体说是一种四旋翼和固定翼复合模块 式无线充电无人机。


背景技术：

2.无人机由于成本低、易于使用等特点，在消费和工业领域得到越来越广 泛的使用。目前国内外无人机主要有三类，第一类为固定翼无人机，第二 类为传统类型无人直升飞机，第三类为电动多轴无人机。第一类的固定翼 无人机飞行效率高但无法垂直起降，使用场地受限；第二类的传统无人直 升机可垂直起降，但机械及动力传动结构复杂，成本高、安全性低且操作 难度大；第三类电动多轴无人机操作简单，但其续航时间短、可加载负重 少；
3.另一方面现有技术中无人机结构多大为一体化结构，加工组装及维修难 度大而且充电方式大多需要人工辅助，充电效率较低，充电模块也较为笨 重。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明目的在于提供一种操纵性好，续航力强可快速 实现加工组装及维修的四旋翼和固定翼复合模块式无线充电无人机。
5.作为本发明的一个方面，本发明采用的技术方案是：一种四旋翼和固 定翼复合模块式无线充电无人机，包括无人机本体和无线供电系统，
6.无人机本体包括位于中部的大展弦比流线型结构的翼身；位于翼身左 侧的左尾撑、左电池舱、左v尾及左外翼；位于翼身右侧的右尾撑、右电 池舱、右外翼、右v尾、垂直方向旋翼；
7.无线供电系统包括发射系统、接收系统和控制系统；
8.所述发射系统向接收系统的发射线圈输入高频交流电，包括发射端变 换器和发射线圈
9.所述接收系统包括接收线圈和接收端变换器；接收系统感应发射线圈 形成的高频强磁场，感应、整流和滤波为无人机电池所需的充电电压；接 收系统采用全桥可控整流拓扑结构，用四个mosfet代替传统不控整流的四 个二极管；然后每个mosfet上设置同步整流芯片检测反向导通压降，在电 流反向导通的时候，开通mosfet，降低损耗；线圈则采用轻型利兹线，尤 其磁材选用高磁导率的纳米晶材料，可以大大降低磁材重量，而常规的无 线充电系统中，磁材的重量占比在30％以上；
10.所述控制系统包括发射端变换器控制器、接收端变换器控制器、保护装 置及通讯模块；控制系统分布在发射端变换器和接收端变换器内，用于进 行充电控制和电气安全控制。
11.进一步的，所述发射端变换器包括pfc模块、高频逆变模块及控制单 元，发射端变换器将220v/50hz交流电经过pfc整流滤波后转换为直流电， 再通过由一组碳化硅mos管组
成的高频逆变单元转换为高频方波电压，向 发射线圈输入高频交流电；所述发射线圈包括利兹线、高磁导率材料的磁 材和谐振电容组；发射线圈安装在无人机机库停机面板下面，发射线圈上 表面与机库停机面板相平；
12.进一步的，所述接收线圈和发射线圈采用相同的形状，接收线圈选用 平面单极矩形线圈，且采用轻量化的磁材；接收线圈通过感应发射线圈形 成的高频强磁场得到感应电动势，并通过谐振电容得到相位匹配的高频电 流；接收线圈将发射线圈产生的高频电磁场以电磁感应的形式耦合感应产 生与发射线圈相同频率的交流电；接收线圈的电能通过接收端变换器的全 桥整流和滤波为无人机电池所需要电压。
13.进一步的，所述接收端变换器由高频整流模块和滤波模块组成；发射 端变换器将交流220v市电通过pfc模块整流转为直流电，再通过高频逆变 模块转化为高频交流电；接收端变换器将接收线圈产生的高频感应电动势 经过整流滤波后变换为直流电供给负载使用；
14.接收变换器安装位置为无人机电池舱下部，变换器的冷却方式为自然 风冷；发射端变换器对外接口有用于连接供电电源的工频交流输入接口， 用于连接发射线圈的高频交流输出接口及通讯接口；发射端变换器两侧留 有若干个安装孔，通过螺杆固定在无人机机库或者无人机停机坪内的支撑 装置上；
15.接收端变换器接收到接收线圈感应耦合器感应的高频感应电动势经过 全桥整流得到脉动的直流电经过滤波后变换为平稳直流电，供给无人机电 池使用；控制单元通过can通讯唤醒bms进入握手充电阶段启动无线充电； 正常充电过程中，控制单元接到bms信息和指令并实时监控电池的充电电 压与电流，产生控制信号，通过无线通讯发送到原边控制单元；
16.进一步的，所述翼身的左端与左外翼通过连接碳杆对接，左尾撑底面 固定设置右电池舱，左尾撑顶面中部设置拱形镂空套接结构，该拱形镂空 套接结构恰好套接在翼身的左端与左外翼对接处，所述左尾撑的前后两端 各设置有一个悬停电机及与悬停电机旋转输出端固定连接的升降螺旋桨， 所述左尾撑的尾部与左v尾固定连接；
17.所述翼身的右端与右外翼连接处设置有碳纤维材质的连接碳杆，右尾 撑底面固定设置右电池舱，右尾撑顶面中部设置拱形镂空套接结构，该拱 形镂空套接结构恰好套接在翼身的右端与右外翼对接处，所述右尾撑的前 后两端各设置有一个悬停电机、悬停电机控制装置及与悬停电机旋转输出 端固定连接的垂直方向旋翼，所述右尾撑的尾部与右v尾固定连接；
18.所述左v尾的上端和右v尾的上端在空中对接，整体形成倒u型或倒 v型结构；
19.所述翼身的尾端设置有水平驱动螺旋桨及水平驱动电机，水平驱动电 机驱动水平驱动螺旋桨旋转，翼身的内部设置有飞管计算机，翼身的内部 设置有吊舱。
20.进一步的，所述发射线圈选用平面单极矩形线圈，采用高压利兹线进 行绕制，无线供电系统工作时，在空间中形成交变磁场；发射线圈整体采 用利兹线和电容器构成串联谐振电路来增大发射线圈上的恒定电流，提高 励磁强度；电容器、电感线圈采用低阻抗原件来提高发射线圈的传输效率。
21.进一步的，所述充电控制和电气安全控制具体为：
22.(1)充电控制
23.①
发射端变换器控制器及通信模块
24.发射端变换器通过ad采样电路采集主电压、电流信号，通过压频转换 电路采集功率管温度信号，过控制器数据处理运算，输出pwm控制信号给 功率开关管；控制器主控芯片采用32位高速处理器dsp作为控制核心，能 够与监控进线通讯，将电池电压、充电电流等数据上传到监控系统上；控 制器通过无线通讯模块与接收端变换器进行数据交换，判断无线充电设备 的运行状态，控制充无线充电设备的启动；
25.②
接收端变换器控制器及通信模块
26.主要与bms之间进行通讯获取电池的需求电压、电流、soc、充电请求 等信息，通过无线传输方式将信息发送给发射端变换器控制器；通过采集 接收端变换器的输出电压、电流信息，经过控制器运算，输出控制信号进 行功率调节；
27.(2)电气安全控制
28.控制器根据实时采集的电压和电流信号，对系统主电路提供漏电、过 流、过压、欠压保护以及通讯中断的异常处理，通过在主回路进线端安装 浪涌保护器和绝缘监视仪对进线电源电气绝缘、接地、和雷击提供安全防 护。
29.进一步的，所述左外翼后侧端部均设有外翼副翼舵机及外翼副翼，外 翼副翼舵机通过一号连杆机构与外翼副翼连接，控制外翼副翼的旋转角度， 进而对无人机的滚转进行控制,所述外翼副翼的数量有两块，分别是内侧副 翼和外侧副翼，其中一块外侧副翼的长度大于或等于另外一块外侧副翼的 长度，右外翼的结构和左外翼相同。
30.进一步的，所述左v尾的后侧端部均设置有升降舵及升降舵机，升降 舵机通过二号连杆机构控制升降舵的旋转角度，进而对无人机的俯仰和偏 航进行控制，所述升降舵的数量有两块，分别是内侧升降舵和外侧升降舵， 其中一块升降舵的长度大于或等于另外一块升降舵的长度；右v尾的结构 和左v尾相同。
31.进一步的，所述吊舱与无人机重心位于一同水平坐标上；左电池舱和 右电池舱底部设置有弧形的起落架。
32.本发明的有益效果和特点是：
33.(1)本发明采用无线充电方式对无人机进行充电，充电过程中无需人 工辅助，提高了充电效率，另外对充电接收端模块进行了轻量化设计，减 少了负载，降低了能耗。
34.(2)本发明的四旋翼和固定翼复合模块式无线充电无人机；四旋翼和 固定翼复合式气动布局，通过四旋翼模式进行垂直起降，固定翼模式进行 平飞，兼具操纵灵活和续航力强的特点。
35.(3)本发明的四旋翼和固定翼复合模块式无线充电无人机；各部件可 以快速模块化组装、拆卸和维修。
36.(4)本发明的四旋翼和固定翼复合模块式无线充电无人机；设置副翼 和升降舵，具备更好的操纵性。
附图说明
37.图1为本发明较佳实施例的整体结构示意图；
38.图2为图1实施例的分解结构示意图；
39.图3为图1实施例的后视结构示意图；
40.图4为图1实施例的侧视结构示意图。
41.图5为图1实施例的左外翼或右外翼的结构及其外翼副翼舵机处局部 结构放大示意图。
42.图6为图1实施例左v尾的及其升降舵处的局部结构放大示意图；
43.图7为图1实施例翼身的骨架结构示意图(部分机身蒙皮揭开)；
44.图8为本发明较佳实施例的无线充电示意图；
45.图9为本发明较佳实施例发射端变换器的外部结构示意图；
46.图10为本发明较佳实施例接收端一体化结构示意图(无塑料外壳)；
47.图11为本发明较佳实施例接收端一体化结构示意图(有塑料外壳)；
48.图12为本发明较佳实施例接收变换器工作原理示意图；
49.图13为本发明较佳实施例无线充电系统主电路拓扑结构图；
具体实施方式：
50.下面结合附图对本发明作进一步说明：
51.请参考图1-图4，图7-图8，本发明具体涉及一种四旋翼和固定翼复 合模块式无线充电无人机，包括无人机本体和无线供电系统，
52.所述无人机本体包括位于中部的大展弦比流线型结构的翼身1；位于翼 身左侧的左尾撑2、左电池舱3、左v尾4及左外翼5；位于翼身右侧的右 尾撑6、右电池舱7、右外翼8、右v尾9、垂直方向旋翼10；
53.所述翼身1的左端与左外翼5通过连接碳杆12对接，左尾撑2底面 固定设置右电池舱7，左尾撑2顶面中部设置拱形镂空套接结构，该拱形镂 空套接结构恰好套接在翼身的左端与左外翼对接处，所述左尾撑2的前后 两端各设置有一个悬停电机及与悬停电机旋转输出端固定连接的升降螺旋 桨10，所述左尾撑2的尾部与左v尾4固定连接；
54.所述翼身1的右端与右外翼8连接处设置有碳纤维材质的连接碳杆12， 右尾撑6底面固定设置右电池舱7，右尾撑6顶面中部设置拱形镂空套接结 构，该拱形镂空套接结构恰好套接在翼身1的右端与右外翼8对接处，所 述右尾撑6的前后两端各设置有一个悬停电机、悬停电机控制装置及与悬 停电机旋转输出端固定连接的垂直方向旋翼10，所述右尾撑6的尾部与右 v尾9固定连接；
55.所述左v尾4的上端和右v尾9的上端在空中对接，整体形成倒u型 或倒v型结构；
56.所述翼身的尾端设置有水平驱动螺旋桨及水平驱动电机，水平驱动电 机驱动水平驱动螺旋桨旋转，翼身的内部设置有飞管计算机，翼身的内部 设置有吊舱。
57.请参考图5，所述左外翼5后侧端部均设有外翼副翼舵机51及外翼副 翼52，外翼副翼舵机51通过一号连杆机构53与外翼副翼52连接，控制外 翼副翼52的旋转角度，进而对无人机的滚转进行控制,所述外翼副翼52的 数量有两块，分别是内侧副翼521和外侧副翼522，其中一块外侧副翼522 的长度大于或等于另外一块外侧副翼522的长度，右外翼8的结构和左外 翼5相同。
58.请参考图6，所述左v尾4的后侧端部均设置有升降舵41及升降舵机 42，升降舵机41通过二号连杆机构43控制升降舵41的旋转角度，进而对 无人机的俯仰和偏航进行控制，所述升降舵41的数量有两块，分别是内侧 升降舵411和外侧升降舵412，其中一块升降舵的
长度大于或等于另外一块 升降舵的长度；右v尾9的结构和左v尾4相同。
59.所述吊舱与无人机重心位于一同水平坐标上；左电池舱和右电池舱底 部设置有弧形的起落架13。
60.无线供电系统包括发射系统、接收系统和控制系统；
61.所述发射系统向接收系统的发射线圈输入高频交流电，包括发射端变 换器和发射线圈
62.所述接收系统包括接收线圈和接收端变换器；接收系统感应发射线圈 形成的高频强磁场，感应、整流和滤波为无人机电池所需的充电电压；接 收系统采用全桥可控整流拓扑结构，用四个mosfet(金属-氧化物半导体场 效应晶体管)代替传统不控整流的四个二极管；然后每个mosfet上设置同 步整流芯片检测反向导通压降，在电流反向导通的时候，开通mosfet，降 低损耗；mosfet的损耗为电流平方乘于导通电阻，而二极管的损耗为电流 乘于导通压降；比如，一个导通电阻5毫欧的mosfet，通过10a电流，损 耗为0.5w；而一个导通压降为1v的二极管，通过10a电流，损耗为10w； 所以同步整流可以大大降低损耗，从而减小散热器的体积，降低整机体积 和重量；线圈则采用轻型利兹线，尤其磁材选用高磁导率的纳米晶材料， 可以大大降低磁材重量，而常规的无线充电系统中，磁材的重量占比在30％ 以上；
63.所述控制系统包括发射端变换器控制器、接收端变换器控制器、保护装 置及通讯模块；控制系统分布在发射端变换器和接收端变换器内，用于进 行充电控制和电气安全控制。
64.所述发射端变换器包括pfc模块、高频逆变模块及控制单元，发射端 变换器将220v/50hz交流电经过pfc整流滤波后转换为直流电，再通过由 一组碳化硅mos管组成的高频逆变单元转换为高频方波电压，向发射线圈 输入高频交流电,通过选择合适的功率器件及pcb设计，确保发射端变换器 满足3kw的额定功率；所述发射线圈包括利兹线、高磁导率材料的磁材和 谐振电容组；发射线圈安装在无人机机库停机面板下面，发射线圈上表面 与机库停机面板相平；
65.所述接收线圈和发射线圈采用相同的形状，接收线圈选用平面单极矩 形线圈，且采用轻量化的磁材；接收线圈、接收变换器的谐振频率与发射 线圈、发射变换器的谐振频率一致，都是在高频100～500khz；接收线圈通 过感应发射线圈形成的高频强磁场得到感应电动势，并通过谐振电容得到 相位匹配的高频电流；接收线圈将发射线圈产生的高频电磁场以电磁感应 的形式耦合感应产生与发射线圈相同频率的交流电；接收线圈的电能通过 接收端变换器的全桥整流(不控整流或同步整流)和滤波为无人机电池所 需要电压。
66.请参考图10-11，接收端整体采用层层堆叠的结构，其从下往上依次 为塑料外壳，线圈，绝缘胶体，磁芯，隔离铝板，接收端pcb，铝壳；塑料 壳体采用了轻质的abs材料，其在保证结构强度的前提下，尽量降低了重 量线圈采用的是800股利兹线，其并列紧密绕制作，保证了自感参数的和 过流能力的前提下尽量减少了匝数和线径；
67.隔磁片采用了高导磁率的纳米晶材料，其厚度为2.5mm，重量为100来 克，在整体重量中占比很小；
68.隔离铝板也采用的是0.8mm的超薄纯铝板，其不仅能够有效的隔离漏 磁，也能将线圈的热量导向后部的散热器上面；
69.pcb板上面的电子元器件采用高功率密度的器件
70.散热铝壳则采用cnc雕刻而成，其侧壁只有1.2mm,顶部的散热齿，也 主要集中在发热部分，其余热量相对较少的区域则是尽量减少了散热齿结 构，使得整个散热器部分只有180+g。
71.所述接收端变换器由高频整流模块和滤波模块组成；发射端变换器将 交流220v市电通过pfc模块整流转为直流电，再通过高频逆变模块转化为 高频交流电；接收端变换器将接收线圈产生的高频感应电动势经过整流滤 波后变换为直流电供给负载使用；
72.接收变换器安装结构如图9所示，安装位置为无人机电池舱下部，变 换器的冷却方式为自然风冷；发射端变换器对外接口有用于连接供电电源 的工频交流输入接口，用于连接发射线圈的高频交流输出接口及通讯接口； 如图9，发射端变换器两侧留有若干个安装孔，通过螺杆固定在无人机机库 或者无人机停机坪内的支撑装置上，无人机充电时，直接停放在人机停机 坪上，就可以进行充电，无需人工辅助；
73.请参考图12，接收变换器工作原理如下：接收端变换器接收到接收线 圈感应耦合器感应的高频感应电动势经过全桥整流得到脉动的直流电经过 滤波后变换为平稳直流电，供给无人机电池使用；控制单元通过can通讯 唤醒bms进入握手充电阶段启动无线充电；正常充电过程中，控制单元接 到bms信息和指令并实时监控电池的充电电压与电流，产生控制信号，通 过无线通讯发送到原边控制单元；
74.通过合适的线圈设计和原边控制，接收系统输出的电压可以得到调节， 所以并不需要额外的dc-dc环节；通过选择合适的功率器件及pcb设计， 确保接收端变换器满足不低于2kw的额定功率；如图13所示。
75.所述发射线圈选用平面单极矩形线圈，采用高压利兹线进行绕制，无 线供电系统工作时，在空间中形成交变磁场；发射线圈整体采用利兹线和 电容器构成串联谐振电路来增大发射线圈上的恒定电流，提高励磁强度； 电容器、电感线圈采用低阻抗原件来提高发射线圈的传输效率。
76.所述充电控制和电气安全控制具体为：
77.(1)充电控制
78.①
发射端变换器控制器及通信模块
79.发射端变换器通过ad采样电路采集主电压、电流信号，通过压频转换 电路采集功率管温度信号，过控制器数据处理运算，输出pwm控制信号给 功率开关管；控制器主控芯片采用32位高速处理器dsp作为控制核心，能 够与监控进线通讯，将电池电压、充电电流等数据上传到监控系统上；控 制器通过无线通讯模块与接收端变换器进行数据交换，判断无线充电设备 的运行状态，控制充无线充电设备的启动；
80.②
接收端变换器控制器及通信模块
81.主要与bms之间进行通讯获取电池的需求电压、电流、soc、充电请求 等信息，通过无线传输方式将信息发送给发射端变换器控制器；通过采集 接收端变换器的输出电压、电流信息，经过控制器运算，输出控制信号进 行功率调节；
82.(2)电气安全控制
83.控制器根据实时采集的电压和电流信号，对系统主电路提供漏电、过 流、过压、欠压保护以及通讯中断的异常处理，通过在主回路进线端安装 浪涌保护器和绝缘监视仪对
进线电源电气绝缘、接地、和雷击提供安全防 护。
84.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、
ꢀ“
左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。
85.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及优点。本行业的技 术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中 描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神和范围的 前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护 的本发明范围内。