基于无源信标的阵列式无人机无线充电定位装置及定位方法
本发明属于无线电能传输领域，尤其涉及基于无源信标的阵列式无人机无线充电定位装置及定位方法。
背景技术：
1、随着人工智能技术的不断发展，“无人机”已成为智能科技的焦点研究领域之一。与载人飞机相比，无人机具有体积小、造价低、使用方便、对环境要求低、生存能力较强等优点。目前，无人机多采用的锂聚合物电池供电，但受到现有电池技术容量和重量的限制，导致其续航里程短，需频繁回收充电等问题。其他传统充供电技术，如燃油驱动以及太阳能充电技术，还存在着控制复杂、能量密度小、受环境影响大以及能量转换效率低等明显不足。这些问题严重制约了无人机的发展与普及，研究新型供电方式迫在眉睫。
2、无线电能传输技术(wireless power transfer，wpt)，又称非接触电能传输技术，是指电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。相比于有线电能传输，无线电能传输使得用电设备摆脱线缆的束缚，避免了电线老化和磨损等问题，在工业自动化生产线、植入式医疗设备、电动交通工具、水下及矿井设备、各种家用电器及消费类电子产品等领域中迅速发展。将该技术创造性地运用于无人机充电，为解决无人机续航及供电问题提供了一种全新的解决方案。
3、由于单架无人机所能携带的任务载荷相对单一，执行任务能力有限，而通过多架无人机的能力互补和行动协调，可以实现更高的作业目标，因此无人机应用正逐步从单机向集群方向发展。然而，相比于单无人机无线充电技术，无人机集群无线电能传输系统具有以下典型特征：1)多机同时充电；2)多参数摄动；3)三维动态耦合；4)多位置检测与定位。为实现充电平台的有效利用，需要精确定位无人机停机位置以实现指定区域充电线圈的开启。目前，针对该问题，主要有两种措施：一种是提高无人机定位精度，如采用光流传感器以及惯性测量模块相定位方法等；另一种是在充电平台上精确定位无人机停放位置，以实现发射线圈的定向开启。该种方法相比于第一种方法通过在充电平台上进行优化设置，可以和磁耦合机构进行有效结合，具有更大的优势。
4、目前对于无人机集群无线电能传输系统的无人机位置定位和耦合机构有效结合认识并不全面，进而导致无线电能传输系统难以进行高效充电，尚存在理论分析不够深入、无人机位置定位失真等问题，理论分析和结构设计上仍然有待改进，还需结合实际应用需求开展进一步研究。
技术实现思路
1、发明目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于无源信标的阵列式无人机无线充电定位装置及定位方法。
2、技术方案：本发明提供了一种基于无源信标的阵列式无人机无线充电定位装置，包括：直流激励模块，高频逆变模块，补偿电路，阵列发射线圈模块，接收线圈模块，整流逆变双向模块，滤波模块和负载；所述直流激励模块，高频逆变模块，补偿电路以及阵列发射线圈模块依次级联，所述接收线圈模块，整流逆变双向模块，滤波模块和负载依次级联，所述阵列发射线圈模块包括n个发射线圈，接收线圈模块包括接收线圈，所述发射线圈与接收线圈相对射；n＝7；
3、每个发射线圈均为正六边形，以第一个发射线圈为中心其余的发线圈设置在第一个发线圈周围形成蜂巢形；所述阵列发射线圈模块中每个发线圈的中心均设有信标检测模块，所述信标检测模块用于对接收线圈进行定位；
4、所述信标检测模块包括依次串联的信标检测线圈，电容和电阻，所述信标检测线圈为正六边形。
5、进一步的，所述信标检测模块进行定位时，频率为850khz；进行能量传输时，系统的工作频率为85khz。
6、基于无源信标的阵列式无人机无线充电定位方法，具体包括如下步骤：
7、步骤1：以第一个信标检测线圈的中心为圆心建立直角坐标系，在第一个信标检测线圈周围的任意相邻的两个信标检测线圈之间有两个相交的顶点，其中一个顶点与第一个信标检测线圈的顶点相交，将该顶点记为a点，将另外一个顶点记为b点；
8、步骤2：模拟无人机充电，测量当接收线圈的中心与第一个检测线圈正对时，测量每个电阻上的电压值，并取最大值ub0；测量当接收线圈的中心与点a正对时,测量每个电阻上的电压值，并取最大值ub1，测量当接受线圈的中心与点b正对时,测量每个电阻上的电压值，并取最大值ub2；将ub0，ub1，ub2作为参考电压；
9、步骤3：当无人机降落在充电平台上时，整流逆变双向模块处于逆变状态，负载为整流逆变双向模块中的逆变器提供的直流输入，该直流输入虎经过逆变器变为交流电通入接收线圈；接收线圈在n个信标检测线圈中产生感应电动势，从而通过信标检测线圈模块中电阻上的电压值和参考电压确定接收线圈的位置；
10、步骤4：确定接收线圈的位置后开启相应的发射线圈为接收线圈供电。
11、进一步的，检测线圈模块中电阻上的电压值的表达式如下所示：
12、
13、其中，为信标检测线圈i中检测电阻上的电压的一阶导数，r0表示信标检测线圈i中检测电阻的阻值，re为信标检测线圈的寄生电阻；l为信标检测线圈的自感，c为电容值，ω为位置检测工况下定位装置的驱动角频率，j表示虚数符号，i＝1,2,…,n，的表达式为：
14、
15、其中，mi为接收线圈与信标检测线圈i之间的互感，isec为接收线圈中的交变电流，为isec的一阶导数。
16、进一步的，检测线圈模块中电阻上的电压值的表达式如下所示：所述步骤3具体为：
17、若n个信标检测线圈模块中电阻上的电压最大值为ub0时，则认定接收线圈的中心与第一个信标检测线圈正对；
18、若n个信标检测线圈模块中电阻上的电压最大值位于ub0，ub1之间，认定接收线圈发生偏移，具体为：若检测出有三个电阻的电压均为最大值，这三个电阻对应的信标检测线圈包括第一个信标检测线圈，另外两个电阻对应的信标检测线圈相邻，将这三个电阻对应的信标检测线圈之间相交的顶点记为a1点，认定接收线圈的偏移方向位原点到a1点的方向，偏移距离小于正六边形的边长；若检测出有两个电阻的电压均为最大值，这两个电阻对应的信标检测线圈包括第一个信标检测线圈，将这两个电阻对应的信标检测线圈的中心点之间的中点记为c点，认定接收线圈的中心与c点正对齐，若仅有一个电阻的电压最大值，则认定接收线圈偏移至该电阻对应的信标检测线圈的中心处；
19、若n个信标检测线圈模块中电阻上的电压最大值为ub1，则认定接收线圈的中心与电压最大值的电阻对应的a点对齐；
20、若n个信标检测线圈模块中电阻上的电压最大值为ub2，则认定接收线圈的中心与电压最大值的电阻对应的b点对齐；
21、若n个信标检测线圈模块中电阻上的电压最大值位于ub1，ub2之间，认定接收线圈发生偏移，具体为：若检测出有两个电阻的电压均为最大值，该两个电阻对应的信标检测线圈均不包含第一信标检测线圈，认定接收线圈的偏移方向为该两个电阻对应的a点向该两个电阻对应的b点的方向，偏移距离大于正六边形的边长小于两倍的正六边形边长；
22、所述的正六边形为新标检测线圈构成的正六边形。
23、进一步的，检测线圈模块中电阻上的电压值的表达式如下所示：所述步骤4中相应的发射线圈为电压最大值的电阻对应的发射线圈。
24、有益效果：本发明可以使接收线圈处于充电范围不同位置时，通过信标检测线圈来确定接收线圈的位置，然后开启相应的发射线圈为其供能。避免了能量浪费，提高了多对一无线电能传输系统的能量传输效率。并且本发明的实施步骤简单，无需额外的辅助电路和复杂的硬件电路，对多对一无线电能传输系统的能量传输效率提升效果显著。
技术特征：
1.基于无源信标的阵列式无人机无线充电定位装置，其特征在于，包括：直流激励模块，高频逆变模块，补偿电路，阵列发射线圈模块，接收线圈模块，整流逆变双向模块，滤波模块和负载；所述直流激励模块，高频逆变模块，补偿电路以及阵列发射线圈模块依次级联，所述接收线圈模块，整流逆变双向模块，滤波模块和负载依次级联，所述阵列发射线圈模块包括n个发射线圈，接收线圈模块包括接收线圈，所述发射线圈与接收线圈相对射；n＝7；
2.根据权利要求1所述的基于无源信标的阵列式无人机无线充电定位装置，其特征在于，所述信标检测模块进行定位时，频率为850khz；进行能量传输时，系统的工作频率为85khz。
3.采用权利要求1所述的基于无源信标的阵列式无人机无线充电定位装置的定位方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的定位方法，其特征在于，检测线圈模块中电阻上的电压值的表达式如下所示：
5.根据权利要求3所述的定位方法，其特征在于，检测线圈模块中电阻上的电压值的表达式如下所示：所述步骤3具体为：
6.根据权利要求3所述的定位方法，其特征在于，检测线圈模块中电阻上的电压值的表达式如下所示：所述步骤4中相应的发射线圈为电压最大值的电阻对应的发射线圈。
技术总结
本发明提供基于无源信标的阵列式无人机无线充电定位装置及定位方法，该装置包括流激励模块，高频逆变模块，补偿电路，阵列发射线圈模块，接收线圈模块，整流逆变双向模块，滤波模块和负载；所述直流激励模块，高频逆变模块，补偿电路以及阵列发射线圈模块依次级联，所述接收线圈模块，整流逆变双向模块，滤波模块和负载依次级联，所述阵列发射线圈模块包括n个发射线圈，接收线圈模块包括接收线圈，所述发射线圈与接收线圈相对射；本发明避免了能量浪费，提高了多对一无线电能传输系统的能量传输效率。
技术研发人员：刘旭,马安民,边胜利,孟智科,施羽彤,夏晨阳
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23