一种基于电场耦合的轻量化抗偏无线输电耦合机构的无人机无线充电系统及其控制方法

本发明涉及无人机无线充电，具体涉及一种基于电场耦合的轻量化抗偏无线输电耦合机构的无人机无线充电系统及其控制方法。

背景技术：

1、近年来，我国民用无人机市场迅速增长，无人机被广泛应用于交通监控、影视摄影、消防救援、农业植保、环境测绘、基建巡检、电力巡检等多个领域。然而，目前无人机应用面临的主要挑战是电池的容量限制导致无人机的飞行时间和作业范围受限。现行的无人机充电方式主要为人工手动插拔充电，该方式自动化程度低，无法实现无人机无人值守和自动化运行的目标，并且存在线缆老化、漏电等安全隐患。无线充电技术的出现，给无人机提供了一种新的供能方式。

2、目前，实现无线充电的方式主要有磁场耦合式和电场耦合式，磁场耦合式无线充电技术存在耦合机构质量重、成本高、结构适应能力差和电磁干扰大等问题，该技术在无人机无线充电技术领域的应用上存在固有瓶颈。电场耦合式无线充电技术具有以下优势：1)电场耦合机构的金属极板质量轻、成本低、制作简易且柔韧性好；2)在系统工作时，绝大部分电场被限制在两金属极板之间，周围漏电场小，对周围环境的电磁干扰也很小；3)当系统运行在周围有金属导体的环境中时，不会在金属导体中产生涡流损耗。

3、将电场耦合式无线充电技术应用于无人机无线充电，存在以下问题待解决：1)耦合机构要具备质量轻、体积小、易安装、金属极板耦合利用率高且不影响无人机机身设备正常工作等特点；2)耦合机构要具备一定的角度抗偏移和横向抗偏移能力；3)无人机无线充电系统需具备恒压输出特性且输出电压可控，能为无人机电池负载进行高效稳定的电能传输，能最大限度实现机载侧的轻量化。

技术实现思路

1、为解决无人机机载侧轻量化及无人机电池负载恒压充电等问题，本发明提供一种基于电场耦合的轻量化抗偏无线输电耦合机构的无人机无线充电系统，所述耦合机构具有无人机侧耦合机构质量轻、制作简易、成本低、结构兼容性强，金属极板耦合利用率高，并且具有360°角度抗偏移和较强的横向抗偏移能力，不影响无人机机腹携带其他功能设备等优点，所述无人机无线充电系统具备恒压输出特性、无人机侧元器件少和输出电压可控的特点。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于电场耦合的轻量化抗偏无线输电耦合机构的无人机无线充电系统，包括轻量化抗偏无线输电耦合机构、平台侧电路和机载侧电路；所述的轻量化抗偏无线输电耦合机构，包括大尺寸的由内圆盘铝板、外圆环铝板和第一圆盘形绝缘板组成的平台端和小尺寸的由均匀钻孔内圆盘铝箔、均匀钻孔外圆环铝箔和第二圆盘形绝缘板组成的机载端；

4、所述内圆盘铝板和所述外圆环铝板覆盖于所述第一圆盘形绝缘板上表面，所述均匀钻孔内圆盘铝箔和所述均匀钻孔外圆环铝箔覆盖于所述第二圆盘形绝缘板下表面；

5、所述平台侧电路包括顺次连接的直流电源、全桥逆变器、功率调节与电压变换拓扑单元，所述机载侧电路包括顺次连接的全桥整流器和无人机电池负载；

6、所述功率调节与电压变换拓扑单元包括电感l1、电感l2、电容c1和电容c2；

7、所述电感l1和所述电容c2顺次连接在所述全桥逆变器的第一连接端和所述内圆盘铝板之间，所述电容c1连接在所述电感l1与所述电容c2的共同连接端和所述外圆环铝板之间，所述电感l2连接在所述电容c2与所述内圆盘铝板的共同连接端和所述外圆环铝板之间，所述全桥逆变器的第二连接端和所述外圆环铝板连接；

8、所述均匀钻孔内圆盘铝箔和所述均匀钻孔外圆环铝箔分别连接所述全桥整流器的第一连接端和所述全桥整流器的第二连接端。

9、进一步地，所述平台端安装于地面或某无人机起降平台上，所述机载端安装于无人机起落架底部两横杆之间。

10、进一步地，所述内圆盘铝板、所述外圆环铝板、所述均匀钻孔内圆盘铝箔和所述均匀钻孔外圆环铝箔外表面均设置有轻薄绝缘隔离层。

11、进一步地，所述内圆盘铝板半径比所述均匀钻孔内圆盘铝箔半径大10～30mm。

12、进一步地，所述外圆环铝板内环半径比所述均匀钻孔外圆环铝箔内环半径小10～30mm。

13、进一步地，所述外圆环铝板外环半径比所述均匀钻孔外圆环铝箔外环半径大10～30mm。

14、进一步地，所述第二圆盘形绝缘板采用轻薄绝缘材料。

15、进一步地，所述内圆盘铝板和所述均匀钻孔内圆盘铝箔相耦合，形成耦合电容cp1，所述外圆环铝板和所述均匀钻孔外圆环铝箔相耦合，形成耦合电容cp2，所述耦合机构的等效耦合电容可计算为cp＝cp1cp2/(cp1+cp2)，系统工作时，所述内圆盘铝板、所述均匀钻孔内圆盘铝箔、所述外圆环铝板和所述均匀钻孔外圆环铝箔之间建立耦合电场，在耦合电场的作用下完成对无人机电池负载的无线电能传输。

16、进一步地，所述电容c2的值是所述耦合机构等效耦合电容cp的k倍，k>1。

17、本发明还提供一种基于电场耦合的轻量化抗偏无线输电耦合机构的无人机无线充电系统的控制方法，包括以下步骤：

18、s1：采用基波近似法进行简化分析，逆变输出电压为：

19、

20、其中，edc为系统直流输入电压，ω为系统工作角频率；

21、s2：系统机载侧整流前等效阻抗req为：

22、

23、s3：无人机无线充电系统等效电路的zin1网络等效为一个电感lm与一个电阻rm串联网络，从而系统电路等效为一个t-lcl网络，忽略电路中无功元件的损耗，利用电路原理可计算出无人机无线充电系统电路zin1网络的输入阻抗为：

24、zin1＝rm+jωlm      (1)

25、其中，

26、式中ω为系统工作角频率；

27、s4：对等效后的t-lcl网络列写kvl方程：

28、

29、s5：当满足谐振关系时，该t-lcl网络电流增益g1和输入阻抗z1为：

30、

31、由式(4)可知，在恒压输入的条件下，系统输出电流仅与输入电压电容c1和谐振角频率ω有关，与负载大小无关，该t-lcl网络具有恒压输入恒流输出特性，且系统输入阻抗为纯电阻，系统具有较高的功率因数，能保证电能高效稳定的传输；

32、s6：此时，无人机无线充电系统等效电路的zin1网络等效为一个恒流源输入的t-clc网络；

33、对恒流源输入的t-clc网络列写kvl方程：

34、

35、s7：当满足谐振关系时，该t-clc网络电压增益g2为：

36、

37、s8：由式(4)和式(6)可计算出无人机无线充电系统输出电压增益g3：

38、

39、由式(7)可知，该无人机无线充电系统的输出电压仅和输入电压电容c1和耦合机构的等效耦合电容cp有关，当耦合机构的机载端在发生360°角度偏移和10～30mm范围内横向偏移时，机载端仍能全部处于有效耦合区域内，等效耦合电容cp几乎不变，系统能够实现对无人机电池负载高效稳定的电能传输，通过调整电容c1和耦合机构的等效耦合电容cp的比例关系，可达到控制系统输出电压的目标。

40、与现有技术相比，本发明具有如下技术优势：

41、1.与其他平板式电场耦合机构相比，本发明耦合机构机载端采用铝箔且均匀钻孔充分利用了金属极板的电荷分布具有边缘效应，极大提升了金属极板的耦合利用率，实现了耦合机构机载端的轻量化；另外，平台端和机载端金属极板为圆形且尺寸呈现“大对小”，这可以确保无人机在降落进行无线充电时，允许发生360°角度偏移以及一定范围内的横向偏移，抗偏移性能更好。

42、2.与圆筒式、圆台式或棱台式电场耦合机构相比，本发明耦合机构机载端安装于无人机起落架底部，一方面既不会干扰无人机腹部搭载其他功能设备，也可以确保耦合电场的作用空间远离无人机机身，有效避免了系统工作时耦合电场对机身设备的干扰；另一方面本发明耦合机构的横向偏移容错范围更大，抗偏移能力更强，结构兼容性也更强，能安装于圆环式、横杆式、卧杆式等各种形状的无人机起落架上。

43、3.与磁场耦合式的无线电能传输耦合机构相比，本发明耦合机构的金属极板采用铝制材料，该耦合机构质量轻、制作简易且极易安装于无人机起落架底部；能实现在耦合机构中间或周围环境中存在金属导体时，仍能保证无人机无线充电系统能量的不间断传输；另外，在系统工作时在周围的金属导体中不会产生涡流损耗，对周围环境产生的电磁干扰很小。

44、4.本发明系统无人机侧除耦合机构机载端外，只有全桥整流器和无人机电池负载，无其他谐振补偿元器件，能最大限度提高无人机侧的轻量化水平。

45、5.本发明系统的功率调节与电压变换拓扑单元能够为耦合机构提供高频高压激励，有利于减小系统损耗，提升系统传输效率。

46、6.在设计的无人机降落位置可偏移范围内，本发明系统能满足无人机电池负载恒压充电需求，能够保证电能高效稳定地传输。

47、7.本发明系统的控制方法可仅通过调整电容c1和耦合机构的等效耦合电容cp的比例关系，达到控制系统输出电压的目标。