(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111348169.2 (22)申请日 2021.11.15 (71)申请人 中国人民解 放军海军工程大 学 地址 430033 湖北省武汉市硚口区解 放大 道717号 (72)发明人 武晓康　孙兆龙　王毅　高键鑫　 刘洋　孙盼　冯国利　熊义勇　 戈子豪　 (74)专利代理 机构 武汉知伯乐知识产权代理有 限公司 42 282 专利代理师 胡江 (51)Int.Cl. B60L 53/12(2019.01) B60L 53/122(2019.01) B60L 53/62(2019.01)B64C 27/26(2006.01) B64D 27/24(2006.01) B64C 9/00(2006.01) H02J 50/12(2016.01) H05K 7/20(2006.01) H02M 3/335(2006.01) H02M 1/088(2006.01) (54)发明名称 一种四旋翼和固定翼复合模块式无线充电 无人机 (57)摘要 本发明公开了一种四旋翼和固定翼复合模 块式无线充电无人机， 包括无人机本体和无线供 电系统， 无人机本体包括位翼身， 位于翼身左侧 的左尾撑、 左电池舱、 左V尾及左外翼； 位于翼身 右侧的右尾撑、 右电池舱、 右外翼及右V尾； 无线 供电系统包括发射系统、 接收系统和控制系统； 所述接收系统包括接收线圈和接收端变换器； 充 电过程中无需人工辅助， 提高了充电效率， 同时 具备操纵灵活、 续航力强、 快速模块化组装、 拆卸 和维修的优点。 权利要求书3页 说明书7页 附图5页 CN 114454738 A 2022.05.10 CN 114454738 A 1.一种四旋翼和固定翼复合模块式无线充电无人机， 包括无人机本体和无线供电系 统， 其特征在于: 无人机本体包括位于中部的大展弦比流线型结构的翼身(1)； 位于翼身左侧的左尾撑 (2)、 左电池舱(3)、 左V尾(4)及左外翼(5)； 位于翼身右侧的右尾撑(6)、 右电池舱(7)、 右外 翼(8)、 右 V尾(9)、 垂直方向旋翼(10)； 无线供电系统包括发射系统、 接收系统和控制系统； 所述发射系统向接收系统的发射线圈输入高频交流电， 包括发射端变换器和发射线 圈； 所述接收系统包括接收线 圈和接收端变换器； 接收系统感应发射线 圈形成的高频强磁 场， 感应、 整流和滤波为无人机电池所需的充电电压； 接收系统采用全桥可控整流拓扑结 构， 用四个mosfet代替传统不控整流的四个二极管； 每个mosfet上设置同步整流芯片检测 反向导通压降， 在电流反向导通的时候， 开通mosfet， 降低损耗； 线圈则采用利兹线， 磁材选 用纳米晶材 料； 所述控制系统包括发射端变换器控制器、 接收端变换器控制器、 保护装置及通讯模块； 控制系统分布在发射端变换器和接收端变换器内， 用于进行充电控制和电气安全 控制。 2.根据权利要求1所述的四旋翼和固定翼复合模块式无线充电无人机， 其特征在于:所 述发射端变换器包括PFC模块、 高频逆变模块及控制单元， 发射端变换器将220V/50Hz交流 电经过PFC整流滤波后转换为直流电， 再通过由一组碳化硅M OS管组成的高频逆变单元转换 为高频方波电压， 向发射线圈输入高频交流电； 所述 发射线圈包括利兹线、 高磁导率材料的 磁材和谐振电容组； 发射线圈安装在无人机机库停机面板下面， 发射线圈上表面与机库停 机面板相平。 3.根据权利要求1所述的四旋翼和固定翼复合模块式无线充电无人机， 其特征在于:所 述接收线圈和发射线圈采用相同的形状， 接 收线圈选用平面单极矩形线圈， 且采用轻量化 的磁材； 接 收线圈通过感应发射线圈形成的高频强磁场得到感应电动势， 并通过谐振电容 得到相位匹配的高频电流； 接收线圈将发射线圈产生的高频电磁场以电磁感应的形式耦合 感应产生与发射线圈相同频率的交流电； 接收线圈的电能通过接收端变换器的全桥整流和 滤波为无 人机电池所需要电压 。 4.根据权利要求1所述的四旋翼和固定翼复合模块式无线充电无人机， 其特征在于:所 述接收端变换器由高频整流模块和滤波模块组成； 发射端变换器将交流220V市电通过PFC 模块整流转为直流电， 再通过高频逆变模块转化为高频交流电； 接 收端变换器将接 收线圈 产生的高频感应电动势经 过整流滤波后变换为 直流电供给负载使用； 接收变换器安装位置为无人机电池舱下部， 变换器的冷却方式为自然风冷； 发射端变 换器对外接口有用于连接供电电源的工频 交流输入接口， 用于连接发射线圈的高频 交流输 出接口及通讯接口； 发射端变换器两侧留有若干个安装孔， 通过螺杆固定在无人机机库或 者无人机停机坪内的支撑装置上； 接收端变换器接收到接收线圈感应耦合器感应的高频感应电动势经过全桥整流得到 脉动的直流电经过滤波后变换为平稳直流电， 供给无人机电池使用； 控制单元通过CA N通讯 唤醒BMS进入握手充电阶段启动无线充电； 正常充电过程中， 控制单元接到BMS信息和指令 并实时监控电池的充电 电压与电流， 产生控制信号， 通过 无线通讯发送到原边控制单 元。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114454738 A 25.根据权利要求1所述的四旋翼和固定翼复合模块式无线充电无人机， 其特征在于:所 述翼身(1)的左端与左外翼(5)通过连接碳杆(12)对接， 左尾撑(2)底面固定设置右电池舱 (7)， 左尾撑(2)顶面中部设置拱形镂空套接结构， 该拱形镂空套接结构恰好套接在翼身的 左端与左外翼对接处， 所述左尾撑(2)的前后两端各设置有一个悬停电机及与悬停电机旋 转输出端固定连接的升降螺 旋桨(10)， 所述左尾撑(2)的尾部与左V尾(4)固定连接； 所述翼身(1)的右端与右外翼(8)连接处设置有碳纤维材质的连接碳杆(12)， 右尾撑 (6)底面固定设置右电池舱(7)， 右尾撑(6)顶 面中部设置拱形镂空套接结构， 该拱形镂空套 接结构恰好套接在翼身(1)的右端与右外翼(8)对接处， 所述右尾撑(6)的前后两端各设置 有一个悬停电机、 悬停电机控制装置及与悬停电机旋转输出端固定连接的垂直方向旋翼 (10)， 所述右尾撑(6)的尾部与右 V尾(9)固定连接； 所述左V尾(4)的上端和右 V尾(9)的上端在空中对接， 整体形成倒U型或倒V型 结构； 所述翼身的尾端设置有水平驱动螺旋桨及水平驱动电机， 水平驱动电机驱动水平驱动 螺旋桨旋转， 翼身的内部设置有飞管计算机， 翼身的内部设置有吊舱。 6.根据权利要求1所述的四旋翼和固定翼复合模块式无线充电无人机， 其特征在于:所 述发射线圈选用平 面单极矩形线圈， 采用高压利兹线进 行绕制， 无线 供电系统工作时， 在空 间中形成交变磁场； 发射线圈整体采用利兹线和电容器构成串联谐振电路来增大发射线圈 上的恒定电流， 提高励磁强度； 电容器、 电感线圈采用低阻抗原件来提高发射线圈的传输效 率。 7.根据权利要求1所述的四旋翼和固定翼复合模块式无线充电无人机， 其特征在于:所 述充电控制和电气安全 控制具体为： (1)充电控制 ①发射端变换器控制器及通信模块 发射端变换器通过AD采样电路采集主电压、 电流信号， 通过压频转换电路采集功率管 温度信号， 过控制器数据处理运算， 输出PWM控制信号给功率开关管； 控制器主控芯片采用 32位高速处理器DSP作为控制核心， 能够与监控进线通讯， 将电池电压、 充电电流等数据上 传到监控系统上； 控制 器通过无线通讯模块与接 收端变换器进行数据 交换， 判断无线充电 设备的运行状态， 控制充无线 充电设备的启动； ②接收端变换器控制器及通信模块 主要与BMS之间进行通讯获取电池 的需求电压、 电流、 SOC、 充电请求等信息， 通过无线 传输方式将信息发送给发射端变换器控制 器； 通过采集接 收端变换器的输出电压、 电流信 息， 经过控制器运 算， 输出控制信号进行功率调节； (2)电气安全 控制 控制器根据实时采集的 电压和电流信号， 对系统主电路提供漏电、 过流、 过压、 欠压保 护以及通讯中 断的异常处理， 通过在主回路进线端安装浪涌保护器和绝缘监视仪对进线电 源电气绝 缘、 接地、 和雷击提供安全防护。 8.根据权利要求1 ‑7任一权利要求所述的四旋翼和固定翼复合模块式无线充电无人 机， 其特征在于:所述左外翼(5)后侧端部均设有外翼副翼舵机(51)及外翼副翼(52)， 外翼 副翼舵机(51)通过一号连杆机构(53)与外翼副翼(52)连接， 控制外翼副翼(52)的旋转角 度， 进而对无人机的滚转进行控制,所述外翼副翼(52)的数量有两块， 分别是内侧副翼权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114454738 A 3