技术领域
[0001] 本
发明属无人机技术领域，具体涉及一种接触式无人机自主充电系统。
背景技术
[0002] 随着无人机技术的发展，无人机在民用和军事领域得到了广泛应用。其中，以
蓄电池作为主要动
力的无人机得到了大量使用，但每次飞行后这种电动无人机都需要人工操作来重新充电，无法实现真正的无人化。因此，此类无人机迫切需要一种自主充电系统，以确保其满足未来无人化和智能化发展的需求。
[0003] 目前，无人机自主充电方式包括接触式充电和无线充电，无线充电虽然无需连接，但需要地面供电端和无人机充电端对准，且充电效率较低，充电速度较慢。接触式充电主要采用插拔
接口，或点面接触两种充电接口方式。采用插拔充电接口需要精确对准，实现难度大，且反复插拔使故障概率增加。点面接触充电接口方式简单，容易实现。
[0004] 现有点面接触充电接口方式，主要为触点与充电板接触充电方式，充电板上供电端口
电极固定，为保证无人机上充
电触点能够分别接触充电板的正负极，对充电板上电极形状和正负极排列形式，以及与其对应的无人机上触点分布形式，以及距离等都需要设计，通用性较差。同时，无人机充电触点数量有限，整体接触面小，且充电过程充电板所有正负极都处于供电状态，存在一定安全隐患。
[0005] 此外，不同型号的无人机尺寸，以及机载
电池组充电
电压、充电功率、电池容量有所不同，大部分自主充电方式未考虑同时为多个不同型号的无人机充电。
发明内容
[0006] 为了克服
现有技术的不足，本发明提供一种接触式无人机自主充电系统。无人机每个充电接触端有大量点状、或线状、或面状突起，与地面充电板接触面积大幅提升；地面充电板与无人机接触的供电端口
位置及其所需供电的极性可检测，充电板上每个充电端口供电正负极可变换，无人机与充电板无需对准；可同时为多个不同型号的无人机充电，通用性强；充电时只对充电板上与无人机接触的端口进行供电，安全性强。
[0007] 一种接触式无人机自主充电系统，包括地面充电站和机载充电分系统，其特征在于：所述的地面充电站包括充电
控制器和充电板，所述的机载充电分系统包括充电接触端和机载电池组。所述充电板上分布有若干充电片，作为供电端口，每一个充电片与充电控制器单独连接，并由充电控制器控制其供电通断及正负极性，各充电片之间通过绝缘隔离板进行绝缘分隔，每个充电片外形的最大尺寸小于无人机所有充电接触端中正负极端口最小距离与充电片间绝缘介质宽度之差；所述的充电控制器包括检测
电路，通过测量其检测
电阻上的
电流和流向，确定与无人机充电接触端接触的充电片编号及所需供电极性，检测时所述的检测电阻依次接通两个充电片，直至遍历所有充电片；无人机处于充电板上时，充电接触端与充电板上的部分充电片接触，机载电池组向充电接触端按照充电极性供电时，检测电路可检测确定相接触的充电片编号和所需供电极性，充电控制器为相应充电片按照充电极性供电时，通过充电接触端可为机载电池组充电。
[0008] 所述的地面充电站还包括
蓄电池、电源变换器，蓄电池连接电源变换器，电源变换器连接外部电源，若外部电源正常供电，电源变换器对其进行电源变换，为蓄电池充电，为地面充电站其他设备供电；若外部电源无法正常供电，蓄电池作为电源，电源变换器对其进行电源变换，为地面充电站其他设备供电。
[0009] 所述的机载充电分系统还包括电池充
放电管理器、机载电源管理器和飞行控制计算机，电池充放电管理器对机载电池组进行充放电控制，并将充放电信息发送给机载电源管理器，机载电源管理器进行机载电池组充放电切换，飞行控制计算机存储无人机编号和机载电池组基本信息，按照程序设定通过机载电源管理器进行无人机充电过程控制；所述的机载电池组基本信息包括电池充电电压、充电功率和电池容量。
[0010] 所述的充电板还包括
支撑框架，绝缘隔离板将支撑框架、所有充电片进行绝缘隔离，绝缘隔离板上按照充电片尺寸设计凹槽，每个凹槽打孔用于安装充电片和接线。
[0011] 所述的充电接触端通过
橡胶缓冲体安装于无人机
机体与地面接触部件上，每个充电接触端有点状、或线状、或面状突起，用于与充电板接触。
[0012] 所述的充电板上所有充电片统一编号，充电控制器存储有充电板上所有充电片编号和位置信息、无人机编号及其对应充
电场地尺寸、机载电池组基本信息，以及正在充电的无人机所占用场地信息，利用无人机编号和其机载电池组基本信息可识别是否为系统内无人机，确定无人机充电所需电源信息，利用充电片编号和位置信息，结合检测到的与无人机充电接触端接触的充电片编号，可确定无人机实际降落位置，通过各充电无人机充电场地尺寸信息及各无人机实际降落位置，确定充电板上充电片占用情况，并对其记录，从而为需要降落的无人机分配充电板场地。
[0013] 所述的地面充电站还包括地面充电数据终端，机载充电分系统还包括机载充电数据终端，地面充电数据终端和机载充电数据终端采用一对多数传电台进行无线通信，地面充电站可同时与若干架无人机通信。
[0014] 如上所述的一种接触式无人机自主充电系统，其特征在于：该系统工作时，流程如下：
[0015] 步骤1，接受充电：
[0016] 无人机向地面充电站发送无人机编号、机载电池组基本信息和充电
请求，地面充电站接收到此信息后，核对无人机编号、机载电池组基本信息，并进行自检，确定地面充电站工作正常且有足够场地停放此无人机后，按照无人机所需场地和充电板场地占用情况分配具体充电位置，并向无人机发送接受充电请求和降落地点位置信息；无人机接收到此信息后，降落至所分配充电区域；若无人机编号及其对应机载电池组基本信息未在充电控制器中查询到，或无所需充电场地，或地面充电站外部电源无法正常供电，或电源变换器端口不足，或地面充电站出现其他故障，则地面充电站向无人机发送拒绝充电信息；
[0017] 步骤2，充电板检测：
[0018] 无人机降落后，飞行控制计算机向机载电源管理器发送指令，使机载电源管理器按照充电极性为无人机充电接触端加机载电池组电压，机载充电数据终端向地面充电站发送充电板检测请求，地面充电站接收到此信息后，充电控制器对其为无人机分配的充电板区域进行充电板检测，确定与无人机充电接触端接触的充电板上充电片的编号和以及对应的正负极，并根据无人机充电场地尺寸信息、充电片编号和位置信息，分析无人机实际占用场地，并记录；检测完毕后，地面充电站发送充电板检测完毕信息，机载充电数据终端接收此信息并发送给飞行控制计算机，飞行控制计算机接收到信息后，向机载电源管理器发送指令，停止向无人机充电接触端加电，并向地面充电站发送充电指令；若在无人机分配的充电板区域未检测到与无人机充电接触端接触的充电片，则对整个充电板未进行供电的充电片进行检测；
[0019] 步骤3，充电启动：
[0020] 地面充电站接收到充电指令，充电控制器向电源变换器发送充电电压及输出端口；电源变换器按要求对电源进行转换，并从
指定端口输出电源；充电控制器检测到此端口电压后，通过地面充电数据终端向无人机发送充电准备完毕信息；无人机接收到充电准备完毕信息后，飞行控制计算机向机载电源管理器发送指令，接通电池充放电管理器充电端和无人机充电接触端；之后，向机载充电数据终端发送充电准备完毕信息；地面充电站接收到充电准备完毕信息后，充电控制器向与无人机充电接触端接触的充电片按照对应的极性供电，向无人机发送开始供电信息；无人机接收到开始供电信息后，飞行控制计算机向机载电源管理器发送充电电源供电指令，机载电源管理器对无人机供电电源进行转换，由机载电池组供电切换至充电电源供电；
[0021] 步骤4，充电监测：
[0022] 无人机充电过程中，电池充电管理器对机载电池组进行充电管理，无人机向地面充电站发送机载电池组状态信息，地面充电站对自身供电和机载电池组状态进行检测，若无人机或地面充电站检测到异常，断开充电电路；若地面充电站检测到外部电源无法正常供电，将蓄电池作为电源时，地面充电站继续为已在充电状态的无人机充电；
[0023] 步骤5，充电关闭：
[0024] 机载电池组充满电后，电池充电管理器将充电完毕信息发送给机载电源管理器，机载电源管理器再将此信息发送给飞行控制计算机，飞行控制计算机接收到此信息后，向机载电源管理器发送机载电池组供电和断开充电连接指令，机载电源管理器将无人机供电电源由充电电源供电切换至机载电池组供电，并断开电池充放电管理器和充电端口；之后，飞行控制计算机通过机载数据终端发送充电完毕信息给地面充电站，地面充电站接收到充电完毕信息后，充电控制器停止向充电板供电，并向无人机发送停止供电信息；无人机由于其它原因需要停止充电，也可向地面充电站发送停止充电指令，从而停止充电。
[0025] 本发明的有益效果是：(1)由于无人机与充电板接触无需对准，容易实现，使用可靠；(2)由于对充电板上充电片形状、排列、分布无特殊要求，实施方便；(3)由于无人机充电接触端与充电板接触面积大，同时充电接触端安装于橡胶缓冲体，可充分接触，接触连接阻值低；(4)由于地面充电站可自动分配充电场地，容纳多种无人机，并同时为其充电，使用范围广，适用于集群无人机；(5)由于地面充电站可进行自检，并根据充电板场地占用情况分配场地，所以可以判断是否能够对提出充电请求的无人机充电；(6)由于充电控制器可检测出与无人机充电接触端接触的充电片编号，并存储了所有编号充电片位置信息，所以本发明可检测无人机降落位置，对异常情况作出判断；(7)由于充电时只对充电板上与无人机接触的充电片进行供电，无人机和地面充电站同时对充电状态进行监控，安全性强；(8)由于无人机与地面充电站有专
门用于充电通信的数据链，不影响无人机本身任务通信。
附图说明
[0026] 图1为本发明的接触式无人机自主充电系统示意图；
[0027] 图2为本发明
实施例小四旋翼无人机示意图；
[0028] 图3为本发明实施例大四旋翼无人机示意图；
[0029] 图4为本发明充电板示意图；
[0030] 图5为单个充电片所在充电板处截面示意图；
[0031] 图6为小四旋翼无人机左侧充电接触端俯视图和等轴视图；
[0032] 图7为大四旋翼无人机充电接触端俯视图和等轴视图；
[0033] 图8为小四旋翼无人机与充电板接触示意图。
[0034] 图中，1-充电片；2-绝缘隔离板；3-支撑框架；4-充电片
导线；5-小四旋翼无人机左侧充电接触端口1；6-小四旋翼无人机左侧充电接触端口2；7-小四旋翼无人机左侧充电接触端口3；8-小四旋翼无人机橡胶缓冲体；9-小四旋翼无人机左侧
脚架；10-大四旋翼无人机充电接触端；11-大四旋翼无人机橡胶缓冲体；12-大四旋翼无人机脚架；13-小四旋翼无人机右侧充电接触端口1；14-小四旋翼无人机右侧充电接触端口2；15-小四旋翼无人机右侧充电接触端口3。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
[0036] 如图1所示，本发明提供了一种接触式无人机自主充电系统，本实施例具体以大、小两种四旋翼无人机为充电对象，分别如图2和图3所示。图2为小四旋翼无人机，图3为大四旋翼无人机，两种四旋翼无人机相关信息如下：(1)小四旋翼无人机长0.35m，宽0.35m，脚架与地面接触部分为两根杆，两者最小间距0.3m，充电电压17.4V，额定充电功率160W，电池容量5870mAh；(2)大四旋翼无人机长0.65m，宽0.65m，脚架与地面接触部分为四个支撑面，四者最小间距0.5m，充电电压26.3V，额定充电功率180W，电池容量5700mAh。
[0037] 本发明实施例包括地面充电站和机载充电分系统。地面充电站包括充电桩和充电板。充电桩包括蓄电池、电源变换器、充电控制器地面充电数据终端。充电板包括支撑框架、绝缘隔离板和充电片。机载充电分系统包括充电接触端、机载电池组、电池充放电管理器、机载电源管理器、飞行控制计算机和机载充电数据终端。其中，地面充电站的充电控制器中包含充电板检测电路，检测元件为电阻。地面充电数据终端与机载充电数据终端采用控制距离2km的一对多无线数传电台，地面充电站可同时与15架无人机通信。
[0038] 本发明设备连接方式为：机载充电分系统和地面充电站通过数据链进行无线通信，无人机降落至充电板上后，机载充电分系统充电接触端和地面充电站充电板上的充电片接触连接。地面充电站中，蓄电池和外部电源分别与电源变换器连接，电源变换器与充电控制器、地面充电数据终端连接，充电控制器与充电板、地面充电数据终端连接，充电板上每个充电片单独与充电控制器相连。机载充电分系统中，无人机各充电接触端正极汇为一根线，各充电接触端负极汇为一根线，分别连接机载电源管理器充电端口正负极。机载电池组与电池充放电管理器连接，电池充放电管理器与机载电源管理器相连，机载电源管理器与飞行控制计算机相连，飞行控制计算机与机载充电数据终端相连。
[0039] 地面充电站中，蓄电池采用
锂离子电池组，本身已集成充放电管理器。电源变换器电源输入端留有一个外部直流电源输入接口，并接入外部直流电源。若外部电源正常供电，电源变换器对其进行直流转直流变换，输出蓄电池充电电源、机载电池组充电电源、充电控制器工作电源、地面充电数据终端工作电源，外部电源为蓄电池充电；若外部电源无法正常供电，则蓄电池作为电源，电源变换器对其进行直流转直流变换，输出机载电池组充电电源、充电控制器工作电源、地面充电数据终端工作电源。其中，电源变换器的机载电池组充电电源输出端2个，可调范围12V～30V，并接入充电控制器。充电控制器可与电源变换器、地面充电数据终端通信，用于为无人机分配充充电场地、检测充电板、向所需供电的充电片按充电流程供电。充电板上所有充电片统一编号，充电控制器存储有充电板上所有充电片编号和位置信息、无人机编号及其对应充电场地尺寸、机载电池组基本信息，以及正在充电的无人机所占用场地信息，利用无人机编号和其机载电池组基本信息可识别是否为系统内无人机，确定无人机充电所需电源信息，利用充电片编号和位置信息，结合检测到的与无人机充电接触端接触的充电片编号，可确定无人机实际降落位置，通过各充电无人机充电场地尺寸信息及各无人机实际降落位置，确定充电板上充电片占用情况，并对其记录，从而为需要降落的无人机分配充电板场地。机载电池组基本信息包括电池充电电压、充电功率和电池容量。地面充电数据终端与机载充电数据终端进行无线通信。
[0040] 由于本发明对充电板上每个充电片供电的正负极性可通过充电控制器变换，为保证正常充电，只要保证无人机充电接触端不完全处于绝缘隔离介质上，且充电极性不同的端口不接触至同一充电片上即可。因此，将无人机所有充电接触端中正负极端口的最小距离与充电片间绝缘介质宽度之差作为参考距离，只要每个充电片外形的最大尺寸小于此参考距离，且每个充电接触端端口最小尺寸大于充电片之间绝缘介质宽度即可，对充电片数量、形状、分布无特别要求。图4为本发明实施例充电板示意图，图5为本发明实施例单个充电片所在充电板处截面示意图。绝缘隔离板2安装于支撑框架3上，充电片1安装于绝缘隔离板2上。充电板的绝缘隔离板2上按照充电片尺寸设计凹槽，用于安装充电片1，每个凹槽打孔用于充电片下部露出，连接充电片导线4。绝缘隔离板2将支撑框架3、所有充电片1之间进行绝缘隔离。绝缘隔离板2上，充电片1之间的绝缘介质宽度5mm，则两种无人机要求的充电片最大尺寸为295mm。充电片设计为200mm×200mm正方形，20排，20列，共400个，逐行从左至右编号1～400。每个小四旋翼分配4个×4个充电片所占区域(包含充电片及其之间绝缘介质)，每个大四旋翼分配6个×6个充电片所占区域(包含充电片及其之间绝缘介质)，充电板可同时停放10架小四旋翼无人机，或者6架大四旋翼无人机。
[0041] 机载充电分系统中，小四旋翼无人机与大四旋翼无人机脚架不同，充电接触端不同，其它组成采用相同方案。机载电池组采用锂离子电池组。电池充放电管理器用于控制机载电池组充放电，并将充放电信息发送给机载电源管理器。机载电源管理器用于切换无人机供电电源、并为充电板检测电阻供电、控制电池充放电管理器与无人机充电接触端的接通与断开。飞行控制计算机存储无人机编号和机载电池组基本信息，向机载电源管理器发送无人机充电过程指令，向机载数据终端发送无人机充电过程指令和状态信息，接收机载充电数据终端的地面充电站充电过程指令和状态信息，从而进行无人机充电过程控制。机载数据终端用于与地面充电数据终端进行无线通信；充电接触端用于与充电板上的充电片接触。
[0042] 图6为小四旋翼无人机左侧充电接触端俯视图和等轴视图，图7为大四旋翼无人机充电接触端俯视图和等轴视图。小四旋翼无人机有两个脚架，每个脚架(左侧为9)安装三个充电接触端(左侧为5、6、7)，三者连接至一根线，左侧为正极端口，右侧为负极端口，分别接机载电源管理器充电端口正负极。充电接触端为设计有线状突起的
铜片，安装于橡胶缓冲体8上，橡胶缓冲体安装于无人机脚架(左侧为9)上。大四旋翼无人机每个脚架12安装1个充电接触端10，左边两个充电接触端连接至一根线，右边两个充电接触端连接至一根线，左侧为正极端口，右侧为负极端口，分别接机载电源管理器充电端口正负级。充电接触端为设计有点状突起的铜片，安装于橡胶缓冲体11上，橡胶缓冲体11安装于无人机脚架12上。
[0043] 图8为小四旋翼无人机与充电板接触示意图，左侧充电接触端(5，6，7)和右侧充电接触端(13，14，15)与充电板上充电片接触，设计保证了左右两边充电接触端不会落在同一个充电片上，每个充电接触端也不会全部落在充电片间的绝缘介质上。每个充电接触端可同时与多个充电片接触，同一个充电片也可与同一侧多个充电接触端接触。大四旋翼无人机与充电板接触情况与此类似。由于本系统先检测与充电片接触的无人机充电接触端的极性，再充电。因此，充电接触端与充电片各种接触情况不影响无人机充电，无人机与充电板接触也无需对准。
[0044] 本发明实施例充电控制器检测充电板，以确定所需供电的充电片编号及其供电极性的方法为：无人机降落至充电板后，无人机机载电源管理器按照充电极性，向充电接触端加机载电池组电压。充电控制器的检测电路按照充电片编号，将所有充电片两两组合依次连接至检测电阻两端，并检测电阻上电流数值和流向。若存在电流，则所检测的两个充电片与无人机充电端接触，并通过电流流向，确定检测电阻两端电极性，也就是充电片所需供电极性。最终，对所有充电片两两组合检测结果进行汇总，得出所需供电的充电片编号和对应供电极性。
[0045] 本发明实施例充电流程分为接受充电、充电板检测、充电启动、充电监测、充电关闭五个步骤，具体如下：
[0046] (1)接收充电
[0047] 无人机需要充电时，向地面充电站飞行。与地面充电数据终端距离小于2km时，进入可与地面充电站无线通信
空域，发送“无人机编号、机载电池组基本信息和充电请求”。地面充电站接收到此信息后，核对无人机编号、机载电池组基本信息，并进行自检，确定地面充电站工作正常，并且有足够场地停放此无人机。之后，按照无人机所需场地和充电板场地占用情况分配具体充电位置，向无人机发送“接受充电请求和降落地点位置”信息。无人机降落地点位置取其所分配区域充电片位置坐标中心点。无人机接收到“接受充电请求和降落地点位置”信息后，降落至所分配充电板区域。若无人机编号及其对应机载电池组基本信息未在充电控制器中查询到，或无所需充电场地，或地面充电站外部电源无法正常供电，或电源变换器端口不足，或地面充电站出现其它故障，则地面充电站向无人机发送“拒绝充电”信息，无人机可前往其它地面充电站。
[0048] (2)充电板检测。
[0049] 无人机降落后，飞行控制计算机向机载电源管理器发送指令，使机载电源管理器按照充电极性为无人机充电接触端加机载电池组电压，机载充电数据终端向地面充电站发送“充电板检测”请求，地面充电站接收到此信息后，充电控制器对其为无人机分配的充电板区域进行充电板检测，确定与无人机充电接触端接触的充电板上充电片的编号和以及对应的正负极，并根据无人机充电场地尺寸信息、充电片编号和位置信息，分析无人机实际占用场地，并记录；检测完毕后，地面充电站发送“充电板检测完毕”信息，机载充电数据终端接收此信息并发送给飞行控制计算机，飞行控制计算机接收到信息后，向机载电源管理器发送指令，停止向无人机充电接触端加电，并向地面充电站发送充电指令。若在无人机分配的充电板区域未检测到与无人机充电接触端接触的充电片，则对整个充电板未进行供电的充电片进行检测。
[0050] (3)充电启动
[0051] 地面充电站接收到“充电”指令，充电控制器向电源变换器发送充电电压及输出端口。电源变换器按要求对电源进行转换，并从指定端口输出电源。充电控制器检测到此端口电压后，通过地面充电数据终端向无人机发送“充电准备完毕”信息，若电源变换器已有满足充电电压要求的端口，并能提供所需功率，则充电控制器直接采用此端口。无人机接收到“充电准备完毕”信息后，飞行控制计算机向机载电源管理器发送指令，接通电池充放电管理器充电端和无人机充电接触端，之后，向机载充电数据终端发送“充电准备完毕信息”。地面充电站接收到“充电准备完毕信息”信息后，充电控制器向与无人机充电接触端接触的充电片按照对应的极性供电，并向无人机发送“开始充电”信息。无人机接收到“开始充电”信息后，飞行控制计算机向机载电源管理器发送“充电电源供电”指令，机载电源管理器对无人机供电电源进行转换，由机载电池组供电切换至充电电源供电。
[0052] (4)充电监测。无人机充电过程中，电池充电管理器对机载电池组进行充电管理。无人机向地面充电站发送机载电池组状态信息，地面充电站对自身供电和机载电池组状态进行检测，若无人机或地面充电站检测到电池状态异常，断开充电电路；若地面充电站检测到外部电源无法正常供电，将蓄电池作为电源时，地面充电站继续为已在充电状态的无人机充电。
[0053] (5)充电关闭。机载电池组充满电后，电池充电管理器将“充电完毕”信息发送给机载电源管理器，机载电源管理器再将此信息发送给飞行控制计算机，飞行控制计算机接收到此信息后，向机载电源管理器发送“机载电池组供电和断开充电连接”指令，机载电源管理器将无人机供电电源由充电电源供电切换至机载电池组供电，并断开电池充放电管理器和无人机充电接触端。之后，飞行控制计算机通过机载数据终端发送“充电完毕”信息给地面充电站，地面充电站接收到“充电完毕”信息后，充电控制器停止向充电板供电，并向无人机发送“停止供电”信息。无人机由于其它原因需要停止充电，也可向地面充电站发送停止充电指令，从而停止充电。
[0054] 本发明的上述实施方式仅为本发明在两种无人机上的应用实例而已，不能认为是对本发明
权利要求所作的限制。应用实例本身进行
修改，举例如下：
[0055] (1)无人机种类、数量及其对应的机载电池种类的相应修改。
[0056] (2)充电板上充电片形状、大小、分布的修改；
[0057] (3)机载电池和电池充放电管理器集成为一个组成部分；
[0058] (4)采用
二极管或电容，通过测量其两端电压来进行充电板检测；
[0059] (5)无人机充电接触端数量，形状及其上凸起平面形状的改变。
[0060] 凡在本发明的精神和原则之内，所做任何修改，等同替换、改进、拆分、重组等，都应该落入本发明权利要求的保护范围内。
