一种交通路网警用无人机充电系统及充电方法与流程

本发明涉及无线充电技术领域，更具体的说，它涉及一种交通路网警用无人机充电系统及充电方法，特别指高速公路上警用无人机的无线充电装置及充电方法。

技术背景

警用无人机具有机动性强、观测范围广等优点，为解决大范围高速公路的安全管控提供了有效的手段。目前，我国交通警用领域已有25个省公安交警配备了警用无人机，已经将无人机应用于交通监控及数据采集，可以实现交通违法取证、交通拥堵实时监测等，有效缓解了高速公路交通管理的压力。但是高速公路警用无人机的实际应用中存在着续航短，充电难、停机坪少等显著问题，亟需通过设置警用无人机无线充电装置实现警用无人机的快速充电，提升警用无人机的续航性能，实现警用无人机对大范围高速路网的可视、可测和可控。

与此同时，随着地球上资源的日益贫乏，绿色能源越来越受到人们的重视，目前绿色能源主要有太阳能和风能。太阳能电池板是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置；风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电机一般有风轮、发电机(包括装置)、调向器(尾翼)、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。因此使用绿色能源实现警用无人机的续航更安全、更环保。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服目前警用无人机续航时间短以及能源短缺的问题，提供一种基于绿色能源的高速公路警用无人机的无线充电系统，综合考虑能源问题和环境问题，布设绿色能源充电装置，充分利用绿色能源供电，实现自然风能与太阳能的互补；当警用无人机电量较低时，通过自动充电管理系统选择附近最优充电装置，利用无线充电的方式，提升警用无人机的续航性能。

本专利提供的技术方案包括一种交通路网警用无人机充电系统，所述系统包括：多个无线充电装置，多个无线充电装置之间间隔分布，分布的间隔距离其中w为动力模块总电量、η为能量转换率、f为飞行受力、n％为警用无人机剩余电量，为续航里程；每个无线充电装置包括：地面控制端，用于控制所述无线充电装置以及所述无人机的充电；支架，设置在所述地面控制端上方，竖直向上延伸包括上部支架和下部支架；支撑转动座，设置在所述支架的中部位于所述上部支架和所述下部支架之间，驱动所述上部支架相对于下部支架转动；旋转可控组件设置在所述上部支架上，控制所述上部支架上的发电装置转动；风力发电机，设置在所述支架顶端；太阳能电池板设置在所述风力发电机下方的上部支架上；无线充电装置，所述无线充电装置的一端与所述上部支架可转动连接，所述无线充电装置的下方中部通过支撑杆与所述支撑转动座连接，所述无线充电装置的充电线圈与所述风力发电机以及所述太阳能电池板相连，根据所述地面控制端的控制选择所述风力发电机或所述太阳能电池板供电；高速公路警用无人机，所述高速公路警用无人机包括无人机平台以及自动充电管理装置，所述自动充电管理装置包括：警用无人机和无线充电装置基本参数获取模块，获取警用无人机额定容量c、输出电压u、剩余电量能量转换率η、充电效率飞行受力f、与附近充电装置x距离dx、充电装置x所能提供的电量无线充电装置状态判断模块，确定附近无线充电装置的状态，当警用无人机剩余电量为时，搜索附近无线充电装置状态，若无线充电装置的停机坪上已经有无人机在充电，则排除；选取没有无人机在充电的停机坪；续航里程范围内的无线充电装置确定模块，计算无人机的续航里程s，通过确定无人机与附近无线充电装置距离dx，当无人机与附件无线充电装置距离dx不小于续航里程s时，则排除；选取无人机与无线充电装置距离dx小于续航里程s的情况；无线充电装置匹配充电需求判断模块，计算无人机飞往无线充电装置x所需电量当无线充电装置所能提供的电量不大于无人机在无线充电装置x充满电所需电量wx^*时排除；选取无线充电装置所能提供的电量大于无线充电装置在无线充电装置x充满电所需电量wx^*的情况；确定最优无线充电装置。将无人机与满足以上条件的无线充电装置的距离dx排序，确定dx最小的无线充电装置d为最优无线充电装置。

优选地，所述系统还包括：风向检测组件和光感组件，地面控制端根据风向感应组件检测的风向，控制所述的旋转可控支座组件实现旋转叶片的转动；根据阳光感应组件检测的太阳方位，控制所述的旋转可控支座组件实现太阳能电池板的倾斜和转动。

以及，一种交通路网警用无人机充电方法，其特征在于，所述方法采用如上任一项所述的装置完成。

本发明具有的优点如下：

(1)本发明综合考虑能源问题和环境问题，充分利用绿色能源供电，实现自然风能与太阳能的互补，有利于可持续发展。

(2)本发明利用设置无线充电装置的方式向警用无人机提供电力，实现警用无人机的就近充电需求，克服了返航再充电带来的续航短等问题。

(3)本发明在警用无人机电量较低时，通过自动充电管理系统选择最优无线充电装置，实现在保障能充满电的条件下对距离最短的无线充电装置的选取，在最短时间内提升警用无人机的续航性能。

附图说明

图1为本发明的充电装置结构示意图；

图2为本发明的电流传递模式示意图；

图3为本发明的信息处理控制示意图；

具体实施方式

下面结合本发明的附图，对本发明在具体实施时的技术方案进行清楚、完整的描述。

步骤一：对无线充电装置选址。假设警用无人机采用额定容量c为20ah的锂电池组，输出电压u为20v，则其动力模块总电量w＝cu＝20×20＝400kw·s，能量转换率η为83％、飞行受力f为8.3n、当其剩余电量为20％时的续航里程

无线充电系统根据高速公路的实际分布在其周围实现均匀间隔分布，考虑警用无人机飞行的实际情况取无线充电系统之间的距离

步骤二：布设绿色能源充电装置。在所选位置布设绿色能源无线充电装置，如图1所示，无线充电装置包括旋转叶片1、绿色能源发动机2、绿色能源电池板3、旋转可控支座4、旋转可控支座组件5、高速公路警用无人机6、无线充电装置7、支撑转动座8、支架9、地面控制端10、绿色能源感应组件等。

如图1所示，首先建立无线充电装置的地面控制端10和支架9，支架9设置在地面控制端10上方，分为上部和下部，上部支架采用支撑转动座与下部连接，实现上部支架的转动；其次设置无人机充电停机坪7，无人机停机坪7设置于上部支架和下部交界处；之后设置绿色能源发电机2及相关组件，风力发电机2设置于支架顶端，旋转叶片1通过旋转可控支座设置于风力发电机2上；太阳能电池板3通过旋转可控支座4倾斜可旋转的设置在旋转叶片1和风力发电机2下方。

如图2所示，高速公路警用无人机的无线充电装置的电流传递过程，由风力发电机和太阳能电池板向无线充电装置供电，再由无线充电装置向警用无人机的飞行动力模块无线供电。

步骤三：警用无人机选择最优充电装置。当警用无人机电量较低时，通过自动充电管理系统选择附近最优充电装置进行充电，警用无人机采用额定容量为c的锂电池组，输出电压为u，动力模块总电量w、能量转换率η、充电效率飞行受力f、与附近充电装置x距离dx、飞往充电装置x所需电量在充电装置x充满电所需电量wx^*、充电装置x所能提供的电量为当警用无人机剩余电量为时系统自动提醒充电，此时的续航里程为s。

如图3所示，第一步，输入警用无人机和无线充电装置基本参数。输入警用无人机额定容量c为20ah、输出电压u为20v、剩余电量20％、能量转换率η为83％、充电效率为91％、飞行受力f为8.3n、与附近充电装置距离分别为d1，d2，d3，d4、充电装置所能提供的电量进入第二步

第二步，确定附近无线充电装置的状态。当警用无人机剩余电量为25％时，搜索附近无线充电装置状态，周围四个充电装置均没有无人机在充电，进入第三步；

第三步，确定续航里程范围内的无线充电装置。根据计算可知当此警用无人机剩余电量为25％时的续航里程s为10km，确定此时无人机与附近无线充电装置距离d1＝9.5km，d2＝8.7km，d3＝5.6km，d4＝14.3km，d4大于s排除；d1，d2，d3均小于s，进入第四步；

w＝cu＝20×20＝400kw·s

d1<s，d2<s，d3<s，d4＞s

第四步：确定可满足电量需求的无线充电装置。计算无人机飞往无线充电装置x所需电量无人机在停机坪充满电所需电量w1^*＝434.07kw·s，w2^*＝425.27kw·s，w3^*＝391.21kw·s，停机坪所能提供的电量无线充电装置2所能提供的电量小于w2^*排除；无线充电装置1和3所能提供的电量和大于w1^*和w3^*，进入第五步。

第五步：确定最优无线充电装置。将无人机与满足以上条件的无线充电装置的距离d1和d3取最小，d3<d1，确定d3为此警用无人机的最优无线充电装置。

d＝min(d3)

从以上结合附图的具体实施方案描述可以看出，本发明综合考虑能源问题和环境问题，充分利用绿色能源供电，实现自然风能与太阳能的互补，通过自动充电管理系统选择附近最优无线充电装置，为提升警用无人机的续航性能提供了一种基于绿色能源的高速公路警用无人机的无线充电系统。