СИСТЕМА ПОДЗАРЯДКИ БОРТОВОГО АККУМУЛЯТОРА ВОЗДУШНОГО РОБОТА

Полезная модель относится к области систем управления и автоматизации и может быть использована для подзарядки аккумуляторов так называемых воздушных роботов, или мультикоптеров. которые представляют собой малые электрические беспилотные летательные аппараты вертолетного типа [K. Nonami, et al., Autonomous Flying Robots: Unmanned Aerial Vehicles and Micro Aerial Vehicles, Springer, 2010; DOI 10.1007/978-4-431-53856-1].
Воздушные роботы работают, в основном, от электрических аккумуляторов. Их существенный недостаток - 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 воздушных роботов, часть из которых находится в воздухе, а часть - на зарядной станции. Сама зарядка может выполняться как с помощью контактных, так и бесконтактных устройств. Контактные системы значительно проще и имеют высокий КПД передачи электроэнергии. Но для нормального контактирования электродов бортовой и наземной частей требуется довольно точное наведение и стыковка аппарата с зарядным терминалом.
Для обеспечения точного контактирования бортовых электродов воздушных или наземных мобильных роботов с соответствующими электродами зарядных станций существует много разных технических решений. 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 воздушного мобильного объекта на наземную посадочную платформу. Например, в посадочной платформе [Kemper P., Suzuki K., Morrison J. UAV Consumable Replenishment: Design Concepts for Automated Service Stations // Journal of Intelligent and Robotic Systems 01/2011. - V.61. - P.369-397. - P.11, fig.5. Доступно на сайте: http://www.researchegate.net/publication/220062239_UAV_Consumable_Replenishment_Design_Concepts_for_Automated_Service_Stations] электроды посадочной платформы выполнены в виде концентрических колец, расположенных на разных уровнях: внутреннее кольцо расположено ниже внешнего, причем на летательном аппарате (в форме классического вертолета с хвостовым винтом) соответствующие электроды также расположены на разных уровнях: нижние электроды связаны с шасси, а верхний электрод расположен на конце балки хвостового винта. Такая схема расположения электродов позволяет несколько снизить требования к точности посадки и совершенно исключить какие-либо требования к курсовому углу аппарата. Однако ошибка наведения аппарата на платформу не должна превышать размеров самой платформы. Кроме того, на такую платформу может приземляться только один аппарат.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому, является система подзарядки воздушного робота [Dale D. Automated ground maintenance and health management for autonomous unmanned aerial vehicles // Thesis (M. Eng.) - Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering, and Computer Science, 2007 - P.43-49, 32-36. - Доступно на сайте: http://dspace.mit.edu/handle/1721.1/41541], включающая в себя наземную посадочную платформу с системой контактных площадок, наземный источник питания, зарядный контроллер, бортовые посадочные электроды, бортовой аккумулятор и энергопотребляющую часть бортсети. В этой системе количество бортовых посадочных электродов равно количеству контактных площадок наземной посадочной платформы, причем при посадке они должны соответствовать друг другу. Зарядный контроллер расположен на земле и подключен между наземным источником питания и наземной посадочной платформой. Зарядный контроллер передает на контактные площадки наземной посадочной платформы положительную и отрицательную полярности наземного источника питания и выполняет автоматическую регулировку зарядного тока по заложенной в нем программе. Кроме того, в данной системе зарядный контроллер выполняет дополнительные функции, такие как отключение энергопотребляющей части бортсети от бортового аккумулятора на время подзарядки. Для выполнения таких функций и передачи соответствующих управляющих сигналов на борт предусмотрены соответствующие бортовые посадочные электроды и контактные площадки в наземной посадочной платформе.
Для обеспечения надежности контактирования бортовых посадочных электродов с контактными площадками наземной посадочной платформы при неточной посадке воздушного робота на наземную посадочную платформу служат наклонные бортики по краям наземной посадочной платформы: при погрешности посадки до нескольких сантиметров воздушный робот скатывается по ним вниз точно на контактные площадки. Для обеспечения надежности контактирования служит также ”подпружинивание” контактных площадок с помощью мягкого пористого материала, уложенного под ними.
Однако надежность контактирования в описанной системе возможна только при достаточно точной посадке воздушного робота. Требуется точное соответствие бортовых посадочных электродов и контактных площадок в наземной посадочной платформе, т.е при посадке должен точно выдерживаться курсовой угол. Кроме того, достаточно сложная наземная посадочная платформа предназначена для посадки и зарядки только одного воздушного робота.
Задача данной полезной модели - обеспечение правильного подключения бортовых посадочных электродов воздушного робота к наземному источнику питания в условиях больших погрешностей посадки, а также обеспечение возможности одновременного обслуживания нескольких воздушных роботов на одной наземной посадочной платформе за счет расположения зарядного контроллера со схемой коммутации на борту воздушного робота и особой конструкции контактных площадок наземной посадочной платформы.
Технический результат - осуществление подзарядки аккумулятора воздушного робота без необходимости его точного позиционирования на наземной посадочной платформе, а также возможность осуществлять посадку и подзарядку на одной наземной посадочной платформе сразу нескольких воздушных роботов.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в системе подзарядки бортового аккумулятора воздушного робота, включающей в себя наземную посадочную платформу с системой контактных площадок, наземный источник питания, зарядный контроллер, бортовые посадочные электроды, бортовой аккумулятор и энергопотребляющую часть бортсети, в отличие от прототипа, контактные площадки наземной посадочной платформы выполнены в виде плоских параллельных электродов шириной а, разделенных узкими диэлектрическими прокладками шириной 6, выступающими вверх над поверхностью электродов на 2-5 мм, половина электродов подключена к ”плюсу” наземного источника питания, а другая половина - к ”минусу”, причем их полярности чередуются, бортовые посадочные электроды, в количестве 4 штук, изолированные друг от друга, расположены на концах стоек воздушного робота таким образом, что их точки касания с посадочной платформой лежат в углах квадрата со стороной a+δ, каждый из бортовых посадочных электродов подключен к соответствующему входу схемы коммутации, на каждом из 4-х входов схемы коммутации включены параллельно друг другу две аналогичные ветви, каждая из которых состоит из последовательно включенных диода и чувствительного элемента реле, причем диоды в ветвях включены разнонаправленно, а неподключенные ко входу схемы коммутации концы ветвей соединены с нейтральным проводом бортсети, каждый вход схемы коммутации подключен к плюсовому входу зарядного контроллера через нормально-разомкнутую пару контактов, управляемую от ветви с диодом, обращенным ко входу своим анодом, а также каждый вход схемы коммутации подключен к минусовому входу зарядного контроллера через нормально-разомкнутую пару контактов, управляемую от ветви с диодом, обращенным ко входу своим катодом, плюсовой и минусовой выходы зарядного контроллера подключены к соответствующим клеммам бортового аккумулятора и энергопотребляющей части бортсети.
Существо полезной модели поясняется чертежами (фиг.1 - фиг.3).
На фиг.1 показана общая структура системы.
На фиг.2 схематично показан поперечный разрез наземной посадочной платформы с приземленным на ней воздушным роботом.
На фиг.3 показан вид сверху наземной посадочной платформы с различными вариантами посадки воздушного робота и соответствующим этим вариантам расположениям бортовых посадочных электродов.
Наземная часть системы включает в себя наземную посадочную платформу 1, на поверхности которой расположены чередующиеся по полярности плоские параллельные электроды 2, половина из которых подключена к ”плюсу” наземного источника питания 3, а другая половина - к ”минусу” (фиг.1).
На воздушном роботе 4 находятся следующие элементы системы: 4 бортовых посадочных электрода 5, зарядный контроллер 6, плюсовой и минусовой выходы которого подключены к соответствующим клеммам бортового аккумулятора 7 и энергопотребляющей части бортсети 8, а также схема коммутации 9. Схема коммутации 9 состоит из 4 одинаковых коммутирующих узлов, которым соответствуют 4 входа схемы коммутации, связанные с соответствующими бортовыми посадочными электродами 5. На каждом из 4-х входов схемы коммутации 9 включены параллельно друг другу две аналогичные ветви, одна из которых состоит из диода 10 и чувствительного элемента реле 11, а другая - из диода 12 и чувствительного элемента реле 13, причем диоды 10 и 12 в ветвях включены разнонаправленно, а неподключенные ко входу схемы коммутации концы ветвей соединены с нейтральным проводом бортсети. Каждый вход схемы коммутации подключен к плюсовому входу зарядного контроллера 6 через нормально-разомкнутую пару контактов 14, управляемую от ветви с диодом 10, обращенным ко входу своим анодом. Аналогично каждый вход схемы коммутации 9 подключен к минусовому входу зарядного контроллера 6 через нормально-разомкнутую пару контактов 15, управляемую от ветви с диодом 12, обращенным ко входу своим катодом. Конструктивно пары элементов 11 и 14, а также 13 и 15 представляют собой реле, в корпусе каждого из которых вместе заключены чувствительный элемент и нормально-разомкнутая пара контактов.
Наземная посадочная платформа (фиг.2) выполнена в виде плоских параллельных электродов 2 шириной а, разделенных узкими диэлектрическими прокладками 16 шириной δ, выступающими вверх над поверхностью электродов на 2-5 мм. Бортовые посадочные электроды 5 изолированы друг от друга и расположены на концах соответствующих стоек 17 воздушного робота 4 таким образом, что их точки касания с посадочной платформой лежат в углах квадрата со стороной a+δ.
Размеры наземной посадочной платформы намного превосходят размеры воздушного робота, поэтому на ней одновременно могут разместиться несколько воздушных роботов. Например, на фиг.3 показан пример произвольного расположения на наземной посадочной платформе четырех воздушных роботов с посадочными местами 18, 19, 20, 21.
Система работает следующим образом. Воздушный робот 4 приземляется на наземную посадочную платформу 1. Бортовые посадочные электроды 5 случайным образом контактируют с плоскими параллельными электродами 2 наземной посадочной платформы 1. Так как плоские параллельные электроды 2 шириной a разделены узкими диэлектрическими прокладками шириной 3, выступающими вверх на 2-5 мм, а расстояния между любыми двумя соседними бортовыми посадочными электродами 5 выбраны равными α+δ, то:
- исключено замыкание бортовым посадочным электродом 5 соседних плоских параллельных электродов 2;
- при любом варианте посадки исключена ситуация, когда все четыре бортовых посадочных электрода 5 контактируют только с одним плоским электродом 2 наземной посадочной платформы 1.
Таким образом, при посадке обеспечена разнополярность бортовых посадочных электродов 5, т.е. как минимум один из них будет иметь полярность, отличную от других. Например, посадочные места воздушного робота 4 могут быть такими, что:
- два бортовых посадочных электрода 5 имеют положительную полярность, а два других, оказавшиеся на соседнем плоском электроде 2 - отрицательную (варианты посадки 18 и 19 на фиг.3);
- один бортовой посадочный электрод 5 имеет положительную полярность, а три других, оказавшиеся на соседнем плоском электроде 2 - отрицательную (вариант посадки 20 на фиг.3);
два бортовых посадочных электрода 5 вследствие контакта с одним плоским электродом 2 имеют положительную полярность, а два других, оказавшиеся по разные стороны от этого плоского электрода -отрицательную (вариант посадки 21 на фиг.3).
Если даже предположить маловероятный случай, когда все четыре бортовых посадочных электрода 5 окажутся точно над диэлектрической прокладкой 16 (фиг.2), то практически бортовые посадочные электроды 5 не смогут удержаться на узких диэлектрических прокладках 16 и соскользнут вниз, после чего распределение бортовых посадочных электродов 5 по плоским электродам 2 сведется к одному из вышеперечисленных.
Контактирование бортовых посадочных электродов 5 с плоскими электродами 2 приводит к открыванию одних и запиранию других диодов 10, 12 в ветвях схемы коммутации 9. Если бортовой посадочный электрод 5 попадает на положительный плоский электрод 2, то открывается диод 10, а диод 12 оказывается в запертом состоянии.
Для дальнейшего рассмотрения обозначим индексами i, j номера плоских электродов 2 наземной посадочной платформы 1, а индексами n, m - номера входов (каналов) схемы коммутации 9. Тогда после посадки будет образована следующая замкнутая электрическая цепь: “плюс” наземного источника питания 3 → положительный плоский электрод 2 с номером i наземной посадочной платформы 1 → бортовой посадочный электрод 5 с номером n → открытый диод 10 канала n → чувствительный элемент реле 11 канала n → нулевой провод бортсети → чувствительный элемент реле 13 канала m → открытый диод 12 канала m → бортовой посадочный электрод 5 с номером m → отрицательный плоский электрод 2 с номером j наземной посадочной платформы 1 → ”минус” наземного источника питания 3.
В зависимости от варианта посадочного места воздушного робота 4 (см. фиг.3) возможны 2 комбинации количества разнополярных бортовых посадочных электродов: ”2+2” и ”1+3”. В соответствии с этим образуются параллельные соединения однонаправленных ветвей типа 10, 11 и 12, 13. Но эти два параллельных соединения однонаправленных ветвей друг с другом соединены последовательно. Это значит, что, согласно закону Ома, напряжение наземного источника питания 3 на соединениях ветвей 10, 11 и 12, 13 распределится в процентном отношении как 50%+50%, либо как 25%+75%. Значит, параметры чувствительных элементов реле 11 и 13 должны выбираться так, чтобы для их срабатывания хватило четверти напряжения наземного источника питания 3.
Чувствительные элементы реле 11 и 13, через которые протекают токи благодаря открытым диодам 10 или 12, вызывают замыкание соответствующих нормально-разомкнутых контактов 14 или 15. Важно при этом то, что посредством их происходит подключение бортовых посадочных электродов 5 ко входам зарядного контроллера 6 в правильной полярности: бортовые посадочные электроды, оказавшиеся на положительных плоских электродах 2 наземной посадочной платформы 1, подключаются к ”плюсовому” входу зарядного контроллера 6, а оказавшиеся на отрицательных - к ”минусовому” входу.
Таким образом, наземный источник питания 3 оказывается правильным образом подключенным к зарядному контроллеру 6, который выполняет функцию регулирования тока зарядки бортового аккумулятора 7 в соответствии с заложенным в его памяти алгоритмом.
На время процесса зарядки энергопотребляющая часть бортсети 8 не отключается полностью от бортового аккумулятора 7, а зарядный контроллер 6 не выполняет функцию отключения энергопотребляющей части бортсети 8 от бортового аккумулятора 7, как это реализовано в прототипе. Но энергопотребляющая часть бортсети 8 (в которую входит, кроме всего прочего, радиоприемник внешних команд и управляющий контроллер) имеет режим микропотребления (”спящий” режим), который может быть включен на время зарядки. По окончании зарядки с помощью внешней команды энергопотребляющая часть бортсети 8 выводится из ”спящего” режима, воздушный робот 4 получает команду на взлет и покидает наземную посадочную платформу 1.
Итак, заявляемая полезная модель позволяет осуществлять подзарядку аккумулятора воздушного робота без необходимости его точного позиционирования на наземной посадочной платформе, а также обеспечивает возможность одновременного обслуживания нескольких воздушных роботов на одной наземной посадочной платформе за счет расположения зарядного контроллера со схемой коммутации на борту воздушного робота и особой конструкции наземной посадочной платформы.
Предлагаемая система вполне реализуема, так как в ней использованы известные и апробированные компоненты.
Плоские параллельные электроды 2 наземной посадочной платформы 1 могут быть выполнены из листовой меди с дополнительным металлическим антикоррозионным покрытием. Узкие диэлектрические прокладки 15 могут быть выполнены из фторопласта, который обладает хорошими диэлектрическими и антифрикционными свойствами.
В схеме коммутации 8 диоды 9 и 11 - любые выпрямительные кремниевые диоды, например, КД226. В качестве реле 10, 13 (12, 14) могут быть применены подходящие электромагнитные или твердотельные реле. При их выборе надо учитывать, что напряжение срабатывания реле не должно превышать четверти напряжения наземного источника питания 3.
Зарядный контроллер 6 может быть реализован на микросхеме микроконтроллера, функцией которой является задание тока зарядки по алгоритму, зависящего от типа аккумулятора. Например, для заряда литий-полимерных аккумуляторов могут быть применены микросхемы контроллеров заряда SC806 или LTC4054.
Данная полезная модель может быть применена для обслуживания не только воздушных роботов, но и наземных электрических мобильных объектов, нуждающихся в периодической подзарядке, точное позиционирование которых на зарядной станции по каким-либо причинам затруднено: например, для мобильных шагающих роботов.