[发明专利]一种基于多发射单接收无线充电的无人机在线充电方法

权利要求书

1.一种基于多发射单接收无线充电的无人机在线充电方法，其特征在于，包括两个以上的供电无人机和单个受电无人机；

所述受电无人机包含接收机控制模块、接收机GPS动态定位模块、接收机磁场感应定位模块、接收机飞行控制模块、接收机通信模块、电量检测模块和无线充电接收模块；

所述供电无人机包含发射机控制模块、发射机磁场感应定位模块、发射机GPS动态定位模块、发射机通信模块、发射机飞行控制模块、无线充电发射模块和充电电压调节模块；

所述接收机控制模块是受电无人机的控制中枢，分别与接收机GPS动态定位模块、接收机磁场感应定位模块、接收机飞行控制模块、接收机通信模块、电量检测模块和无线充电接收模块相连接；

所述发射机控制模块是供电无人机的控制中枢，分别与发射机磁场感应定位模块、发射机GPS动态定位模块、发射机通信模块、发射机飞行控制模块、无线充电发射模块和充电电压调节模块相连接；

所述电量检测模块用于检测受电无人机内携带电池的电量；

所述接收机飞行控制模块用于调整或维持受电无人机的飞行姿态；

所述接收机通信模块用于发射信号到发射机通信模块；

所述接收机GPS动态定位模块和发射机GPS动态定位模块在多GPS卫星组的信号调控下，实现供电无人机与受电无人机的粗略定位；

所述接收机磁场感应定位模块与发射机磁场感应定位模块之间通过磁耦合实现供电无人机与受电无人机的精确定位；

所述无线充电接收模块与无线充电发射模块之间通过强磁场耦合实现无线电能的传输；

所述充电电压调节模块用于调整无线充电发射模块的馈电电压来优化无线充电接收模块的最大负载获得功率；

所述供电无人机中无线充电发射模块包含发射线圈；

所述受电无人机中无线充电接收模块包含接收线圈；

具体在线充电方法包括如下步骤：

步骤1，受电无人机的电量检测模块不断检测受电无人机上携带电池的剩余电量，当剩余电量低于设定阈值，由接收机控制模块控制接收机通信模块向供电无人机的发射机通信模块发送充电广播信号；

步骤2，供电无人机的发射机控制模块根据发射机通信模块接收到的充电广播信号启动发射机飞行控制模块，并在发射机GPS动态定位模块、接收机GPS动态定位模块、多GPS卫星组之间的协同通信控制下将供电无人机粗定位到受电无人机下方，供电无人机中的发射机磁场感应定位模块与受电无人机所含的接收机磁场感应定位模块间再根据磁感应测距原理实现发射线圈与接收线圈的精确对准；

步骤3，通过两个以上的充电电压调节模块得到两个以上的供电无人机的优化馈电电压值，从而实现两个以上的供电无人机向单个受电无人机进行最大负载获得功率的充电；

步骤2中，通过发射机GPS动态定位模块、接收机GPS动态定位模块以及多GPS卫星组之间的协同通信控制，将供电无人机粗定位到受电无人机下方，具体是使用实时动态差分法，实现厘米级定位；

步骤2中，根据磁感应原理实现发射线圈与接收线圈的精确对准，是基于磁场耦合式辅助定位线圈或磁阻传感器实现精确对准，所述的辅助定位线圈位于无线充电接收模块含有的接收线圈下表面，所述磁阻传感器位于无线充电发射模块含有的发射线圈内部；

步骤3包括如下步骤：

步骤3-1，两个以上的发射线圈与单一接收线圈精确对准后形成一个系统，以该系统建立等效电路图，得到负载获得功率PDL、多电源总馈电功率P_TX的表达式(1)和(2)分别为：

其中，i＝1,...,n，n取值为自然数，I_Ti表示第i个发射线圈上的电流，Q_TiR为第i个发射线圈与接收线圈间的传输品质因素，Q_TiR＝ω₀M_TiR/r′_RX，参数r′_RX＝r_RX+r_L，ω₀为系统的谐振频率；M_TiR、r_TXi、r_RX、r_L分别为第i个发射线圈与接收线圈间的互感量、第i个发射线圈及其上谐振电容的总寄生电阻、接收线圈及其上谐振电容总寄生电阻、负载等效电阻；

步骤3-2，设置优化目标函数，如式(3a)和(3b)所示：

步骤3-3，对式(3a)和(3b)使用拉格朗日乘数法，通过优化发射线圈上电流I_Ti以获得最大PDL，引入变量λ，基于式(3a)和(3b)构建式(4)：

其中，L(I_Ti,λ)为含有自变量I_Ti和λ的应变量符号，式(4)最优解的必要条件为和其中，为求偏导的数学符号，即L(I_Ti,λ)和分别表示求L(I_Ti,λ)关于I_Ti的偏导数结果和关于λ的偏导数结果，由所述必要条件获得式(5a)和(5b)：

其中，I_Tj表示第j个发射线圈上的电流，Q_TjR表示第j个发射线圈与接收线圈间的传输品质因素，Q_TjR＝ω₀M_TjR/r′_RX，M_TjR为第j个发射线圈与接收线圈间的互感量；由式(5a)得到对于任意两发射线圈上电流存在关系为：将I_Ti/I_Tj关系代入式(5b)获得各发射线圈上最优电流I_Ti,OPT使得PDL最大，得到PDL最大值PDL_MAX：

其中，Q_TsR表示第s个发射线圈与接收线圈间的传输品质因素，Q_TsR＝ω₀M_TsR/r′_RX，M_TsR为第s个发射线圈与接收线圈间的互感量，参数

步骤3-4，充电电压调节模块根据式(7)将式(6a)的最优电流转换为无线充电发射模块含有的第i个实际电压源的优化馈电电压值V_Ti,OPT：

其中，I_Tj,OPT表示第j个发射线圈上的最优电流，Q_TkR表示第k个发射线圈与接收线圈间的传输品质因素，Q_TkR＝ω₀M_TkR/r′_RX；M_TkR为第k个发射线圈与接收线圈间的互感量，M_TiTj为第i个发射线圈与第j个发射线圈间的互感量。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，根据受电无人机机载电池的功率P₀及式(6b)来确定需要启动的供电无人机的个数n，以PDL_MAX不大于且最接近P₀时所取n值为所确定启动供电无人机的个数。