СИСТЕМА ПОДЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
RECHARGER SYSTEM FOR BATTERIES OF ELECTRIC DRONES

Изобретение относится к области систем управления и автоматизации и может быть использовано для подзарядки аккумуляторов электрических беспилотных летательных аппаратов или других мобильных устройств, работающих от аккумуляторов.
Современные малые беспилотные летательные аппараты (БПЛА) работают, в основном, от электрических аккумуляторов. Недостаток таких БПЛА - небольшое время полета (около 30 минут). Для выполнения более длительных задач необходима посадка аппарата и подзарядка аккумуляторов. Для непрерывного выполнения какой-либо задачи (например, мониторинга территории) возможна организация сменной работы группы БПЛА, часть из которых находится в воздухе, а часть - на зарядной станции. Сама зарядка может выполняться как с помощью контактных, так и бесконтактных устройств. Причем наведение мобильного устройства (БПЛА, мобильного робота и др.) на зарядный терминал выполняется автоматически с помощью специальных подсистем навигации и наведения. Например, известно бесконтактное устройство [United States Patent №7318564, Marshall, January 15, 2008, МПК B64D 41/00], которое обеспечивает зарядку аккумулятора БПЛА от линии электропередач переменного тока посредством кольцевого магнитопровода с обмоткой, имеющего возможность сжиматься и разжиматься. Этот элемент совмещает в себе функции подвеса БПЛА на линии и электрического трансформатора. БПЛА при этом должен быть снабжен подсистемами поиска линии электропередач, точного позиционирования при приближении к линии и захвата. Система довольна сложна и дорога в реализации и не обладает большой надежностью. Кроме того, особенностью всех бесконтактных систем зарядки является относительно низкий КПД передачи энергии.
Контактные системы значительно проще и имеют высокий КПД передачи электроэнергии. Но для нормального контактирования электродов бортовой и наземной частей здесь также требуется довольно точное наведение и стыковка аппарата с зарядным терминалом.
Например, известна система подзарядки аккумулятора мобильного объекта [United States Patent №5892350, Yoshikawa, April 6, 1999, МПК H02J 7/00], состоящая из бортовых электродов, подсоединенных к соответствующим полюсам бортового аккумулятора, подсистемы позиционирования и наведения, стационарного терминала, включающего в себя пару подпружиненных контактов и электромагнит. Неточность стыковки бортовых электродов с соответствующими электродами стационарного терминала корректируется с помощью подпружинивания электродов и электромагнита, подтягивающего соответствующие электроды друг к другу и обеспечивающего качество контактирования.
Недостатком такого устройства является необходимость точной стыковки соответствующих контактов мобильного устройства и зарядного терминала ("плюс" должен попасть на "плюс", а "минус" на "минус").
Существуют технические решения, которые снижают требования к точности наведения мобильного объекта на зарядный терминал. Это может быть реализовано, например, путем введения избыточных электродов.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой является система подзарядки мобильного робота [United States Patent №7227334, Yang, June 5, 2007, МПК H02J 7/00], состоящая из бортовых электродов, подсоединенных к соответствующим полюсам бортового аккумулятора, бортового навигационного устройства и зарядной станции, включающей навигационный маяк, источник питания и матрицу дежурных электродов.
Матрица дежурных электродов представляет собой два горизонтальных ряда контактов, один из которых соответствует "плюсу", а другой - "минусу" питания. С помощью бортового навигационного устройства мобильный робот с конечной точностью наводится на матрицу дежурных электродов. Электроды матрицы подпружинены. Они контактируют с соответствующими бортовыми электродами. Так как электродов, соответствующих каждому полюсу, много, то некоторая неточность стыковки (недоезд, небольшой поворот на несколько градусов, небольшой горизонтальный перекос робота) не приводит к ухудшению или потере контакта.
Однако, описанная выше система имеет ограниченные возможности подключения дежурных электродов зарядной станции к бортовым электродам мобильного объекта при неточном наведении последнего. Это особенно существенно, если таким мобильным объектом является БПЛА, точность приземления которого в силу разных причин может быть невысокой, а установка на борту сложного и дорогого оборудования для точного приземления не всегда технически и экономически оправдана.
Задача изобретения - увеличение надежности контактирования зарядной станции с бортовыми электродами беспилотного летательного аппарата за счет повышения вероятности правильного подключения дежурных электродов зарядной станции к посадочным электродам БПЛА в условиях неточной посадки.
Технический результат - осуществление подзарядки аккумуляторов беспилотного летательного аппарата без необходимости точного позиционирования на зарядной станции.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что система подзарядки аккумулятора электрического беспилотного летательного аппарата, включающая в себя бортовые электроды, подсоединенные к соответствующим выводам бортового аккумулятора, бортовое навигационное устройство и зарядную станцию, включающую в себя навигационный маяк, источник питания и матрицу дежурных электродов, в отличие от прототипа содержит дополнительно анализаторы-коммутаторы по числу дежурных электродов, матрица дежурных электродов представляет собой равномерно распределенные по горизонтальной поверхности плоские металлические контакты, каждый из которых электрически соединен со входом соответствующего анализатора-коммутатора, у каждого из которых плюсовой и минусовой выводы питания подключены к соответствующим выводам источника питания.
Анализатор-коммутатор представляет собой устройство, функцией которого является подключение на дежурный электрод напряжения источника питания в той же полярности, что и остаточное напряжение бортового аккумулятора, прикладываемое на дежурный электрод после посадки БПЛА.
Существо изобретения поясняется чертежами (фиг.1-фиг.3).
На фиг.1 показана общая структура системы.
На фиг.2 приведена примерная функциональная схема анализатора-коммутатора.
На фиг.3 показан пример возможного распределения полярностей на активированных дежурных электродах зарядной станции при посадке на ней БПЛА. Для определенности на иллюстрации показан пример для мультироторного БПЛА вертолетного типа (с вертикальным взлетом и посадкой).
Система включает в себя следующие элементы (фиг.1): зарядную станцию 1, на которой расположена матрица дежурных электродов 2, электрически связанных с соответствующими анализаторами-коммутаторами 3, источник питания 4, плюсовой и минусовой выводы которого соединены с соответствующими выводами анализаторов-коммутаторов, навигационный маяк 5, расположенный под матрицей дежурных электродов или в непосредственной близости с ней.
На борту БПЛА 6 находятся: навигационное устройство 7, аккумулятор 8, положительный и отрицательный выводы которого электрически соединены с бортовыми электродами 9 и 10 соответственно. Бортовые электроды имеют плоскую вытянутую форму и направлены контактирующей поверхностью вниз для обеспечения непосредственного контакта с дежурными электродами зарядной станции после посадки БПЛА.
Приведена функциональная схема анализатора-коммутатора 3 (фиг.2). Его основу составляет операционный усилитель 11, имеющий большой коэффициент усиления и двуполярное питание. Выход усилителя через диоды 12 и 13 подключен к управляющим выводам нормальноразомкнутых ключей 14 и 15 соответственно. Ключ 14 предназначен для коммутации на дежурный электрод 8 положительного напряжения источника питания 4 (замыкается при подаче положительного напряжения на управляющий вывод ключа), а ключ 15 - отрицательного (замыкается при подаче отрицательного напряжения на управляющий вывод ключа). Для приведения анализатора-коммутатора в исходное (дежурное) состояние и отмены коммутации предусмотрен ключ сброса 16, включенный между входом усилителя 11 и землей.
На фиг.3 показаны: 17 - неактивные (не подключенные к источнику питания 4) дежурные электроды зарядной станции, 18 - активные дежурные электроды (подключенные к тому или иному выводу источника питания 4), 9 и 10 - положительный и отрицательный бортовые электроды БПЛА.
Устройство работает следующим образом. БПЛА 6 с помощью бортового навигационного устройства 7 приземляется на зарядную станцию 1. При этом используется сигнал навигационного маяка 5, по сигналам которого БПЛА наводится на зарядную станцию. В результате приземления на нее бортовые электроды 9 и 10, связанные с выводами бортового аккумулятора 8, касаются отдельных дежурных электродов 2. Независимо от точности приземления каждый из бортовых электродов 9 и 10 контактирует с несколькими дежурными электродами зарядной станции. Размеры бортовых электродов 9 и 10 и дежурных электродов 2, а также зазоры между электродами выбраны таким образом, что каждый из бортовых электродов 9 и 10 контактирует сразу с несколькими дежурными электродами и исключено короткое замыкание между бортовыми электродами 9 и 10. К тем дежурным электродам, которых коснулись бортовые электроды БПЛА, будет приложено остаточное напряжение бортового аккумулятора 8. Каждый из анализаторов-коммутаторов 3, связанный с дежурным электродом 2, с которым произошло касание, автоматически определяет полярность приложенного остаточного напряжения аккумулятора 8 и коммутирует дежурный электрод 2 с соответствующим выводом источника питания 4 (т.е. подключает зарядное напряжение источника питания 4 в правильной полярности: "плюс" подключается туда, где коснулся положительный бортовой электрод, а "минус" - туда, где коснулся отрицательный бортовой электрод).
Внутри анализатора-коммутатора 3 это реализуется следующим образом (фиг.2). Электрический потенциал дежурного электрода 2 относительно земли после посадки БПЛА возрастает от нуля до некоторого значения, определяемого остаточным напряжением аккумулятора 8, но он непосредственно не может обеспечить срабатывания ключа 14 или 15. Для усиления этого потенциала служит неинвертирующий усилитель 11, который усиливает положительное или отрицательное напряжение, приложенное к его входу, до насыщения в соответствующей полярности. Нормированное таким образом выходное положительное или отрицательное напряжение, проходя через диоды 12 или 13 соответственно, коммутируют ключи 14 или 15, подключая на дежурный электрод 2 (и на вход усилителя 11) положительный или отрицательный вывод источника питания 4. Это еще больше усиливает состояние насыщения усилителя 11, обеспечивая тем самым надежную подачу зарядного напряжения на дежурный электрод 2. Вывести его из этого состояния можно коротким импульсом на ключ сброса 16, что приведет к кратковременному замыканию входа усилителя 11 на землю, пропаданию напряжения на его выходе и размыканию ключей 14, 15.
Таким образом, после посадки БПЛА 6 на зарядную станцию 1 часть дежурных электродов остается неактивированной (электроды 17 по фиг.3), а другая часть (электроды 18) - активированной, т.е. к ним приложено напряжение источника питания 4. Причем напряжение это приложено в правильной полярности: к дежурным электродам 18, оказавшимися под положительным бортовым электродом БПЛА 9, подключается "плюс" источника питания 4, а к дежурным электродам под отрицательным бортовым электродом 10 - "минус" источника питания 4. После этого производится зарядка аккумулятора 8 в течение определенного времени. После окончания процесса зарядки и взлета БПЛА с посадочной платформы на ключи сброса 16 анализаторов-коммутаторов подается кратковременный импульс. Это приводит к пропаданию входного сигнала усилителя 11 и размыканию ключей 14 или 15, после чего анализатор-коммутатор 3 снова переходит в ждущий режим.
Итак, заявляемое изобретение позволяет осуществлять подзарядку аккумулятора беспилотного летательного аппарата без необходимости его точного позиционирования на зарядной станции за счет использования избыточного количества дежурных электродов и подключенных к ним анализаторов-коммутаторов, позволяющих автоматически подключать к дежурным электродам напряжение зарядного наземного источника питания с соблюдением правильной полярности.
Предлагаемая система вполне реализуема, так как в ней использованы известные и апробированные компоненты. БПЛА 6 вертолетного типа на базе многороторных конструкций хорошо известны и в последние годы получают большое распространение [www.multicopter.ru, www.mikrokopter.de]. Навигационное устройство 7 БПЛА может представлять собой радиомодуль на базе GPS, радиоприемное устройство для обнаружения сигналов навигационного маяка и определения направления на него (радиокомпас). Навигационное устройство БПЛА 7 и наземный навигационный маяк 5 могут быть и не радиотехническими, а реализованными на базе других принципов, например на основе ультразвуковых излучателя и локатора, на основе видеокамеры и оптической контрастной мишени и т.д. Наземный источник питания 4 может представлять собой стационарный источник питания или мобильный, например на основе автомобильного аккумулятора или передвижного бензоэлектроагрегата. Анализаторы-коммутаторы 3 могут быть реализованы на основе широкодоступных электронных компонентов: операционных усилителей, диодов, электронных ключей или электромеханических реле. Схема, приведенная на фиг.2, является лишь примером реализации. Возможны и другие варианты.
Таким образом, предлагаемая система обеспечивает надежное контактирование электродов зарядного наземного источника питания с бортовыми электродами БПЛА при условиях возможной неточной посадки. Данное изобретение может быть применено также к другим мобильным объектам, нуждающимся в периодической подзарядке, точное позиционирование которых на зарядной станции по каким-либо причинам затруднено: мобильным роботам, электрокарам и др.