一种提高无线供电稳定性的方法及电路系统

技术领域

本公开涉及机器人领域，尤其涉及一种提高无线供电稳定性的方法及电路系统。

背景技术

电能供应稳定性问题，是目前无线供能无人机面临的主要问题。常见的无线供电无人机通常直接使用无线供能进行供电。但是在无人机悬停机动等任务中，由于大气不透明度的变化以及供能路径的遮挡等问题的存在，单一的无线功能方式是不能胜任的，对无人机的飞行安全有极大的影响，我们必须使用一种能够提供足够、稳定电能的供给方式。

发明内容

在无线供能的无人机飞行悬停任务中，由于大气不透明度的变化以及光电供能路径的遮挡等问题的存在，无人机往往容易遇到电压骤降、飞行动力不足等问题，对无人机的飞行安全产生了极大的影响。因此针对稳定性问题，本发明在原有功能的基础上增加了电池冗余，设计了一种由升压稳压电路、电源选择电路、电压检测电路三部分构成的无线供能高稳定性电路系统，可以很好的保证输出电压的稳定，提高无人机系统的安全性。

为了解决上述技术问题，第一方面，本发明提出的一种提高无线供电稳定性的电路系统包括：包括升压稳压电路、电源选择电路、电压检测电路模块；其中：

升压稳压电路，将时变不稳定的无线供能电压作为第一电压，将第一电压作为电路系统的系统输入电压，将系统输入电压经降压稳压芯片得到基准电压，将基准电压升压后输出第二电压；

电源选择电路，将锂聚合物(Li-Po)电池电压作为第三电压，从第二电压和第三电压之间进行供电切换，选择两者中较高的电压作为稳定性电路系统的系统输出电压；

电压检测电路，利用基准电压对系统输出电压进行检测，并在系统输出电压低于设定值时发出警报。

在上述技术方案中：所述电路系统用于保障无人机供电稳定性，不仅在无线供电的基础上引入用于储存多余电量和补偿不足电量的锂聚合物电池，保证无人机供电系统即使在短暂无线供电不足的情况下，供电系统仍然能够输出高稳定性电压，而且增加电压检测提高安全性。在具体实现时，不依赖于微控制单元(MCU)，对电池、电容、芯片选型，优选性能高体积重量小的元件，能够保证在较小的尺寸且较高质量的前提下，实现更高的系统稳定性和更高的输出功率。

在上述技术方案中，第一电压在用AMS1117-3.3V芯片降压后，再用SX1308升压芯片升压，然后通过调整反馈分压滑动变阻器电阻和固定电阻来设置第二电压。

在上述技术方案中，通过将逻辑电平与电源切换芯片LTC4412的SENSE引脚连接，SENSE引脚采用100K上拉电阻，以在第二电压和作为冗余的第三电压之间进行供电切换，将两个电压中较高的电压作为稳定性电路系统的系统输出电压。

在上述技术方案中：电压检测电路包括比较器、运算放大器、蜂鸣器；运算放大器降低系统输出电压得到第四电压；比较器将第四电压和基准电压进行比较，输出的逻辑电平与蜂鸣器相连；当第四电压低于基准电压时，比较器的OUTB引脚输出高电平，蜂鸣器发出警报，提高系统运行的安全性。

在上述技术方案中，电源选择电路设置稳压电容以防供电切换时电压突降对目标设备正常运行产生影响。

第二方面，本发明基于上述电路系统的设计思想，提出一种实现无线供能电压稳定的方法，所述方法包括下述步骤：

将时变不稳定的无线供能电压作为第一电压，将第一电压经降压稳压芯片得到基准电压，将基准电压通过升压稳压芯片输出第二电压；

将锂聚合物电池电压作为第三电压，在第二电压和第三电压之间进行供电切换，选择两者中较高的电压作为稳定输出电压，并且同时可以实现锂聚合物(Li-Po)电池对第二电压的电量储存和补偿；

利用基准电压对稳定输出电压进行检测，并在稳定输出电压低于设定值的时发出警报。

在上述技术方案中：第一电压在用AMS1117-3.3V芯片降压后，再用SX1308升压芯片升压，然后通过调整反馈分压滑动变阻器电阻和固定电阻来设置第二电压。

在上述技术方案中：通过将逻辑电平与电源切换芯片LTC4412的SENSE引脚连接，SENSE引脚采用100K上拉电阻，以在第二电压和作为冗余的第三电压之间进行供电切换，将两个电压中较高的电压作为稳定性电路系统的系统输出电压。在一个实施方式中，对技术方案进一步改进，设置稳压电容以防供电切换时电压突降。

在上述技术方案中：对系统输出电压进行检测，并在系统输出电压低于设定值的时发出警报，包括：

使用运算放大器降低系统输出电压得到第四电压；

使用比较器将第四电压与基准电压进行比较，输出的逻辑电平与蜂鸣器相连；

当第四电压低于基准电压时，比较器的OUTB引脚输出高电平，蜂鸣器发出警报。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1、电路系统总体示意图；

图2、升压稳压电路原理示意图；

图3、电源选择电路原理示意图；

图4、电压电测电路原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

现有无人机的无线供能电路系统虽然可以提高受电池容量限制的有限飞行时间，但存在下述问题：(1)系统没有在供能不足或者异常情况下的冗余。现有的供电系统结构基本不具备对电能储存或者供电冗余的功能，在遇到大气不透明度的变化以及供能路径的遮挡导致输入不稳定的情况下，系统会输出会不稳定，无法稳定的给无人机供能，对无人机的飞行会有很大的影响。(2)尺寸普遍较大，且无法满足较高的输出功率，姿态解析模型复杂冗余。目前大多数电路并没有着重考虑整套系统的重量和尺寸，会对安装以及无人机载荷重量带来影响。

本发明在原先的基础上增加了冗余的电池，用于在输出足够时对电能进行储存，在输出不稳定时能够对输出进行补偿，从而实现稳定地电压输出。在具体实现时，对电池、电容、芯片选型，优选性能高体积重量小的元件，能够保证在较小的尺寸且较高质量的前提下，实现更高的系统稳定性和更高的输出功率。

参见图1，为一种利用电池冗余来提高无线供能稳定性的电路系统结构。在该系统中，包含升压稳压电路、电源选择电路和电压检测电路三部分的电路系统。其中：通过升压稳压电路来实现无线供电的电压稳定，通过电源选择电路来实现无线供电和冗余电池的供电切换，通过电压检测电路来实现对电压的实时检测，保证系统更加安全稳定的运行。其中，冗余电池为锂聚合物(Li-Po)电池。无人机飞行时主要依赖的能量来源还是无线供电方式，冗余电池是用于弥补无线供电短暂的不稳定，因此无人机飞行并不会受到电池续航能力的限制，而通过选择较轻的电池，可降低电池重量对无人机飞行影响，使无人机的功能系统仍具有高功率、高效率和高稳定性。在一个实施例中采用450mah锂聚合物电池，即可使无人机在出现无线供电短暂失效的情况下，仍然可以稳定和安全地飞行。

参见图2，为升压稳压电路原理示意图。升压稳压电路的输入端与光电转换模块的电压输出端相连接，输出端与电源选择电路的两个输入端中的一个相连接。将光电转换模块的输出电压作为第一电压，将输出与电源选择电路的两个输入端中的一个相连接的电压为第二电压。由于无线供电的特性，光电转换模块的输出电压会随着发射端和接收端对准的精度以及大气遮挡等因素的改变而变化，出现时变不稳定的现象。该部分电路的设计可以很好的解决该问题。系统的基准电压由AMS1117-3.3V芯片将输入的光电传感器电压(第一电压)VCC_wireless_input降压得到，之后使用SX1308升压芯片，通过调整反馈分压滑动变阻器电阻RP

参见图3，为电源选择电路原理示意图。将3S锂聚合物(Li-Po)电池的电压作为第三电压。电源选择电路的两个输入端分别和第三电压以及升压稳压电路输出端的第二电压相连接，利用LM393电压比较器通过比较两个电压源的电压值，输出选择输出的逻辑电平。将逻辑电平与电源切换芯片LTC4412的SENSE引脚连接，SENSE引脚采用100K上拉电阻，该电路可以快速选择两个电压源中较高的电压作为输入电压源。例如，当无线供电的电压大于电池电压的时候，LM393的OUTA引脚输出高电平，LTC4412的SENSE引脚为高电平，输出无线供电的电压值，并且当功率不足的时候，电池会补足缺少的功率。另外稳压电容对电路稳定性起到非常重要的作用，可以防止因为在供电电源切换过程中的电压突降对目标设备正常运行产生影响。当容值越大的时候，电压的变化曲线将更平缓，纹波更小，但所需空间也会越大。本系统中综合考虑响应时间和电容封装问题，采用1.5uF的电容作为稳压电容。

参见图4，为电压电测电路原理示意图。电压电测电路包括LM393电压比较器和运算放大器，运算放大器用于降低系统输出电压得到第四电压。LM393电压比较器的一端使用AMS1117-3.3V稳压芯片稳定得到的3.3V电压，另一端连接第四电压，两者进行比较，输出的逻辑电平与蜂鸣器相连，从而实现在电压低于设定值的时候，OUTB引脚输出高电平，蜂鸣器发出警报，提高系统运行的安全性。

综上，从升压稳压电路、电源选择电路和电压检测电路三部分的电路系统中采用的电池、电容、芯片，所选择的型号均是基于当前能够获得的产品的性能和体积重量权衡后的优选，可实现在较小体积重量的情况下，较高的输出功率。在不改变本发明思想的情况下，所选择的电池、电容、芯片均可使用具有相同功能的其它型号产品代替。

总结上述实施方式中采用的方法，包括下述步骤：

S100、将时变不稳定的无线供能电压作为第一电压，将第一电压经降压稳压芯片得到基准电压，并通过升压稳压芯片输出第二电压；

S200、将冗余电池的电压作为第三电压，在第二电压和第三电压之间进行供电切换，将两个电压中较高的电压作为稳定性电路系统的系统输出电压；

S300、利用基准电压对系统输出电压进行检测，并在系统输出电压低于设定值的时发出警报。

在步骤S100中，第一电压在用AMS1117-3.3V芯片降压后，再用SX1308升压芯片升压，然后通过调整反馈分压滑动变阻器电阻和固定电阻来设置第二电压。

在步骤S200中，通过将逻辑电平与电源切换芯片LTC4412的SENSE引脚连接，SENSE引脚采用100K上拉电阻，以在第二电压和作为冗余的第三电压之间进行供电切换，将两个电压中较高的电压作为稳定性电路系统的系统输出电压。并进一步改进，通过设置稳压电容以防供电切换时电压突降。

在步骤S300中，对系统输出电压进行检测，并在系统输出电压低于设定值的时发出警报，包括：

S301、使用运算放大器降低系统输出电压得到第四电压；

S302、使用比较器将第四电压与基准电压进行比较，输出的逻辑电平与蜂鸣器相连；

当第四电压低于基准电压时，比较器的OUTB引脚输出高电平，蜂鸣器发出警报；

所述基准电压为AMS1117-3.3V芯片稳定得到的3.3V电压。

由上述方法可见，该方法具有更高的稳定性和输出功率。由于该在无线供电的基础上引入了用于储存多余电量和补偿不足电量的3S锂聚合物(Li-Po)电池，保证了系统在短暂供电不足的情况下仍然能够正常运行，增加了系统的稳定性。由于增加了电压检测电路，与其他方法相比，增加了电压低于设定值的时候的警报功能，且从图4可见，该部分电路结构简单，避免了该部分功率的不必要消耗。在上述方法中，选择基础芯片实现相应功能，不含微控制单元(MCU)，可以在很大程度上降低系统的成本。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。