一种无人机六边形阵列式无线能量发射结构

本发明涉及一种无人机六边形阵列式无线能量发射结构，属于无线电能传输。

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。

2、但是，目前高压架空输电线巡检无人机多采用锂聚合物电池供电，受到现有电池技术发展的限制，尚存在续航里程短、需频繁回收充电等问题。而其他传统充供电技术，如燃油驱动或太阳能充电等技术，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电力系统中的实际应用、发展与普及，研究新型供电方式迫在眉睫。

3、磁耦合谐振式无线电能传输技术无插拔充电器，能够进行高效率、大功率、远距离无线供电，具有便捷灵活、方便实用和安全可靠等诸多优点。伴随着能源互联网的发展，该技术促进了大量移动电动设备产业的发展，成为电气工程领域的研究热点之一。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。

4、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。目前国内外对无人机无线电能传输技术的研究多聚焦于单架无人机，无人机集群无线充电技术更能体现无线充电技术的灵活、高效、智能等特点，成为未来无人机无线充电技术领域重要的发展方向。

5、然而，相比于单无人机无线充电技术，无人机集群无线充电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。因此，无人机集群无线充电对系统空间无线传能提出了更高的要求：如何在动态高偏移情况下满足无人机集群电能补给，解决无线电能传输过程中系统耦合性能差、抗偏移性弱、控制策略繁琐以及负载之间存在相互影响等，实现无人机集群高耦合、宽范围、稳定高效无线充电，是目前亟待解决的瓶颈问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供无人机六边形阵列式无线能量发射结构，本发明的核心在于通过优化发射线圈的几何布局和电气特性，显著提升了系统的抗偏移特性和传输效率。本发明的目的是通过创新的线圈设计，实现更精确的能量传输定位，同时增强系统对无人机在三维空间中位置变化的适应性。在动态或不确定的环境条件下，本发明能够保持高效的能量，从而减少因定位误差导致的能量损失，提高整体充电效率。此外，本发明的线圈结构设计旨在优化磁场分布，以实现更宽的有效充电区域，进一步增强了系统对无人机位置变动的容忍度。这种设计不仅适用于单一无人机的充电需求，而且也支持无人机集群的同时充电，提供了一种可扩展的无线电能传输解决方案。

2、优先地，本发明提供无人机六边形阵列式无线能量发射结构，包括第一发射线圈、第二发射线圈、第三发射线圈、第四发射线圈、第五发射线圈、第六发射线圈和第七发射线圈，第一发射线圈、第二发射线圈、第三发射线圈、第四发射线圈、第五发射线圈、第六发射线圈和第七发射线圈对称分布。

3、在本技术实施例中，第二发射线圈、第三发射线圈、第四发射线圈、第五发射线圈、第六发射线圈和第七发射线圈为正六边形形状。

4、在本技术实施例中，第二发射线圈、第三发射线圈、第四发射线圈、第五发射线圈、第六发射线圈和第七发射线圈围绕第一发射线圈环向对称分布。第一发射线圈为正六边形形状。

5、在本技术实施例中，第一发射线圈包括第一电线和第一正六边形框架，第一发射线圈的绕线方式采用第一电线从第一正六边形框架的任一顶点起始，沿第一正六边形框架逆时针方向绕制，第一电线绕至预设的匝数后，第一电线的终线端绕过与第一电线的绕线起始顶点相对的第一正六边形框架后穿出。

6、在本技术实施例中，第二发射线圈、第三发射线圈、第四发射线圈、第五发射线圈、第六发射线圈和第七发射线圈结构相同。

7、在本技术实施例中，无人机六边形阵列式无线能量发射结构的无线充电系统，包括发射模块、接收模块、副边接收线圈和任一项所述的无人机六边形阵列式无线能量发射结构，副边接收线圈安装在无人机上；发射模块连接第一发射线圈、第二发射线圈、第三发射线圈、第四发射线圈、第五发射线圈、第六发射线圈和第七发射线圈，接收模块连接副边接收线圈。

8、在本技术实施例中，以第一发射线圈的中心为原点，以第三发射线圈和第四发射线圈相邻两边所在直线方向作为x轴正方向，建立二维直角坐标系；当给无人机充电时，当副边接收线圈所在位置沿x轴正方向偏移时，第一发射线圈、第三发射线圈和第四发射线圈给副边接收线圈进行无线充电；当副边接收线圈所在位置沿x轴负方向偏移时，第一发射线圈、第六发射线圈、第七发射线圈给副边接收线圈进行无线充电；当副边接收线圈所在位置沿y轴正方向偏移时，第一发射线圈、第二发射线圈、第三发射线圈给副边接收线圈进行无线充电；当副边接收线圈所在位置沿y轴负方向偏移时，第一发射线圈、第四发射线圈、第五发射线圈给副边接收线圈进行无线充电；当副边接收线圈所在位置位于第一象限时，第一发射线圈、第二发射线圈、第三发射线圈给副边接收线圈进行无线充电；当副边接收线圈所在位置位于第二象限时，第一发射线圈、第二发射线圈、第七发射线圈给副边接收线圈进行无线充电；当副边接收线圈所在位置位于第三象限时，第一发射线圈、第五发射线圈、第六发射线圈给副边接收线圈进行无线充电；当副边接收线圈所在位置位于第四象限时，第一发射线圈、第四发射线圈、第五发射线圈给副边接收线圈进行无线充电。

9、在本技术实施例中，副边接收线圈包括第八电线和圆形框架，副边接收线圈的绕线方式采用第八电线从圆形框架的任一顶点起始，沿圆形框架逆时针方向绕制，第八电线绕至预设的匝数后，第八电线的终线端绕过与第八电线的绕线起始顶点相对的圆形框架后穿出。

10、在本技术实施例中，发射模块包括交流电源、工频整流模块、逆变模块、原边补偿模块以及发射线圈，其中交流电源包括电源e，工频整流模块包括n沟道场效应管s1、n沟道场效应管s2、n沟道场效应管s3和n沟道场效应管s4，逆变模块包括电感线圈l1、电容c1、开关k1、电感线圈l2、电容c2、开关k2、电感线圈l3、电容c3、开关k3、电感线圈l4、电容c4、开关k4、电感线圈l5、电容c5、开关k5、电感线圈l6、电容c6、开关k6、电感线圈l7、电容c7和开关k7，原边补偿模块包括第一电容cp、第二电容cp、第三电容cp、第四电容cp、第五电容cp、第六电容cp、第七电容cp，电源e、n沟道场效应管s1和n沟道场效应管s3串联形成回路，n沟道场效应管s2和n沟道场效应管s4并联在n沟道场效应管s1和n沟道场效应管s3上，n沟道场效应管s1和n沟道场效应管s3之间的任一连接点、电感线圈l1、电容c1、第一发射线圈、开关k1、n沟道场效应管s2和n沟道场效应管s4之间的任一连接点串联形成回路，n沟道场效应管s1和n沟道场效应管s3之间的任一连接点、电感线圈l2、电容c2、第二发射线圈、开关k2、n沟道场效应管s2和n沟道场效应管s4之间的任一连接点串联形成回路，n沟道场效应管s1和n沟道场效应管s3之间的任一连接点、电感线圈l3、电容c3、第三发射线圈、开关k3、n沟道场效应管s2和n沟道场效应管s4之间的任一连接点串联形成回路，n沟道场效应管s1和n沟道场效应管s3之间的任一连接点、电感线圈l4、电容c4、第四发射线圈、开关k4、n沟道场效应管s2和n沟道场效应管s4之间的任一连接点串联形成回路，n沟道场效应管s1和n沟道场效应管s3之间的任一连接点、电感线圈l5、电容c5、第五发射线圈、开关k5、n沟道场效应管s2和n沟道场效应管s4之间的任一连接点串联形成回路，n沟道场效应管s1和n沟道场效应管s3之间的任一连接点、电感线圈l6、电容c6、第六发射线圈、开关k6、n沟道场效应管s2和n沟道场效应管s4之间的任一连接点串联形成回路，n沟道场效应管s1和n沟道场效应管s3之间的任一连接点、电感线圈l7、电容c7、第七发射线圈、开关k7、n沟道场效应管s2和n沟道场效应管s4之间的任一连接点串联形成回路；

11、接收模块则包括副边接收线圈l8、副边补偿模块、整流模块、滤波模块和负载，副边补偿模块包括电容ca，整流模块包括二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4，滤波模块包括电容cfilter，负载包括电阻r，二极管d1和二极管d3之间任意一点、副边接收线圈、电容ca、二极管d2和二极管d4之间任意一点串联形成回路，电容cfilter、二极管d2和二极管d4串联形成回路，电阻r并联在电容cfilter上，二极管d2和二极管d4并联在二极管d1和二极管d3上。

12、本发明所达到的有益效果：

13、本发明提供了一种无人机六边形阵列式无线能量发射结构，其发射线圈由七个六边形的第一发射线圈、第二发射线圈、第三发射线圈、第四发射线圈、第五发射线圈、第六发射线圈和第七发射线圈组成线圈阵列，副边接收线圈采用一个圆形线圈，该结构具有磁场分布更为均匀的优点。本发明的核心在于通过优化发射线圈的几何布局和电气特性，显著提升了系统的抗偏移特性和传输效率。本发明的目的是通过创新的线圈设计，实现更精确的能量传输定位，同时增强系统对无人机在三维空间中位置变化的适应性。在动态或不确定的环境条件下，本发明能够保持高效的能量，从而减少因定位误差导致的能量损失，提高整体充电效率。此外，本发明的线圈结构设计旨在优化磁场分布，以实现更宽的有效充电区域，进一步增强了系统对无人机位置变动的容忍度。这种设计不仅适用于单一无人机的充电需求，而且也支持无人机集群的同时充电，提供了一种可扩展的无线电能传输解决方案。当本发明用在无人机无线充电系统中时，可以有效的解决无人机在降落时产生的位置偏移等原因造成系统输出功率不稳定的问题。