带有风能储能装置的无人机控制系统、储能控制器和控制方法

摘要

本发明公开了一种带有风能储能装置的无人机控制系统、储能控制器和控制方法。该系统包括设有储能处理器的无人机和与无人机相连的风能储能装置，所述风能储能装置包括风机、舵机、发电机、DC‑DC转换器、蓄电池、充电控制电路、放电控制电路、光电传感器和风向计，通过舵机调整风机与风向的夹角，及变桨电机控制风叶与风向的夹角，控制风机的转速，进而带动发电机工作，并将电能储存在蓄电池内，为无人机供电，增加无人机的续航能力；且可控制发电机发电的快慢，进而防止蓄电池过量充电，并在蓄电池电量较低时，使蓄电池停止放电，提高蓄电池的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及无人机供电系统控制技术领域，特别涉及一种带有风能储能装置的无人机控制系统、储能控制器和控制方法。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。无人机具有机动灵活、反应速度快及对操作要求低等优点；例如，在无人机上装载摄像头及各类传感器，可以对高危地区的影像进行实时拍摄和传输。

随着无人机的发展，无人机以结构简单、维护成本低的优势，在工业和农业等领域广泛应用；然而，为了使无人机具有更多的功能，常常需要在无人机上搭载各种设备，随着设备的增多，无人机的载荷重量增加，就需要消耗更多的电能来保证无人机的正常飞行，但是无人机所携带的电池的电量有限，使无人机续航能力不足，就需要不断的更换电池来满足无人机正常的飞行需求。

目前，人们通过在一定距离内设置充电桩来解决无人机续航能力不足的问题，但是无人机在电量偏低时，还需要根据操控指令而寻找最近的充电桩，并到达该充电桩进行充电，由于在低电量的情况下飞行，无人机易出现失控或坠落的情况，进而对无人机附近的人员造成伤害。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种带有风能储能装置的无人机控制系统、储能控制器和控制方法，以解决无人机由于电池电量的限制，续航能力不足的问题。

根据本发明实施例的第一方面提供了一种带有风能储能装置的无人机控制系统，所述系统包括设有储能处理器的无人机和通过底座与无人机相连的风能储能装置，所述风能储能装置包括风机、舵机、发电机、DC-DC转换器、蓄电池、充电控制电路、放电控制电路、光电传感器和风向计；其中：

所述舵机与所述风机相连接，所述风机与所述发电机相连，所述发电机与所述DC-DC转换器相连，所述DC-DC转换器与充电控制电路相连，所述充电控制电路分别与所述储能处理器和所述蓄电池相连，所述蓄电池分别与所述储能处理器和所述放电控制电路相连，所述放电控制电路分别与所述储能处理器和无人机的供电电路相连；

所述风机包括风叶和与风叶相连接的变桨电机；

所述变桨电机与所述储能处理器相连；

所述风向计与所述储能处理器相连接，所述风向计用于测量实时的风向；

所述光电传感器与所述储能处理器相连接，所述光电传感器用于测量所述风机的转速；

所述储能处理器，用于若接收到充电信号，根据获得的所述蓄电池的电压、实时的风向及风机的转速，输出相应的控制信号，控制所述舵机和变桨电机的工作状态，使所述风机达到目标转速；

若接收到放电信号，根据获得的所述蓄电池的电压，输出相应的控制信号，控制所述蓄电池的工作状态。

根据本发明实施例的第二方面提供了一种储能处理器，应用于带有风能储能装置的无人机控制系统，所述系统包括设有储能处理器的无人机和与无人机相连的风能储能装置，所述风能储能装置包括风机、舵机、发电机、DC-DC转换器、蓄电池、充电控制电路、放电控制电路、风向计、光电传感器和储能处理器，所述风机包括风叶和与风叶相连接的变桨电机，所述储能处理器包括电压采样单元和与电压采样单元相连接的储能控制单元；

所述电压采样单元，用于获取所述蓄电池的电压；

所述储能控制单元，用于若接收到充电信号，根据获得的所述蓄电池的电压、实时的风向及风机的转速，输出相应的控制信号，控制所述舵机和变桨电机的工作状态，使所述风机达到目标转速；

若接收到放电信号，根据获得的所述蓄电池的电压，输出相应的控制信号，控制所述蓄电池的工作状态。

进一步，所述储能控制单元包括:

第一判断单元，用于判断是否接收到充电信号或放电信号；

第二判断单元，用于判断所述蓄电池的电压是否在预设范围内；

第一控制单元，用于若所述蓄电池的电压在第一预设范围内，获取实时风向及风机的转速，输出控制信号使所述舵机转动，以使舵机带动风机转动，直到所述风机达到第一目标转速结束；

第二控制单元，用于若所述蓄电池的电压在第二预设范围内，获取实时风向和风机的转速，输出控制信号使变桨电机转动，以使变桨电机带动风叶转动，直到所述风机达到第二目标转速结束；

第三控制单元，用于若检测所述蓄电池的电压在第三预设范围内，输出相应的控制信号，使蓄电池的输出电压降低；

第四控制单元，用于若检测所述蓄电池的电压在第四预设范围内，输出相应的控制信号，使蓄电池的输出电压升高；

第五控制单元，用于若检测所述蓄电池的电压在第五预设范围内，输出相应的控制信号，使蓄电池停止放电。

进一步，所述储能处理器还包括与所述储能控制单元电连接的温度采样单元，用于获取所述蓄电池的温度；

所述储能控制单元，还用于检测所述蓄电池的温度，若所述蓄电池的温度大于预设温度值，输出相应的控制信号，使蓄电池停止充放电。

进一步，所述储能处理单元还包括，

第三判断单元，用于判断获取所述蓄电池的温度是否大于预设温度值；

第六控制单元，用于若所述蓄电池的温度大于预设温度值，输出相应的控制信号，使蓄电池停止充放电。

根据本发明实施例的第三方面提供了一种带有风能储能装置的无人机控制方法，用于带有风能储能装置的无人机控制系统，所述系统包括设有储能处理器的无人机和通过底座与无人机相连的风能储能装置，所述风能储能装置包括风机、舵机、发电机、DC-DC转换器、蓄电池、充电控制电路、放电控制电路、风向计、光电传感器和储能处理器，所述风机包括风叶和与风叶相连接的变桨电机，该方法包括：

若接收到充电信号，根据获得的所述蓄电池的电压、实时的风向及风机的转速，输出相应的控制信号，控制所述舵机和变桨电机的工作状态，使所述风机达到目标转速；

若接收到放电信号，根据获得的所述蓄电池的电压，输出相应的控制信号，控制所述蓄电池的工作状态。

进一步，所述若接收到充电信号，根据获得的所述蓄电池的电压、实时的风向及风机的转速，输出相应的控制信号，控制所述舵机的工作状态，使所述风机达到目标转速，包括，

判断是否接收到充电信号；

若是，获取所述蓄电池的电压；

判断所述蓄电池的电压是否在预设范围内；

若所述蓄电池的电压在第一预设范围内，获取实时风向及风机的转速，输出控制信号使所述舵机转动，以使舵机带动风机转动，直到所述风机达到第一目标转速结束；

若所述蓄电池的电压在第二预设范围内，获取实时风向和风机的转速，输出控制信号使变桨电机转动，以使变桨电机带动风叶转动，直到所述风机达到第二目标转速结束。

进一步，若接收到放电信号，所述根据获得的所述蓄电池的电压，输出相应的控制信号，控制所述蓄电池的工作状态，包括，

判断是否接收到放电信号；

若是，获取所述蓄电池的电压；

判断所述蓄电池的电压是否在预设范围内；

若检测所述蓄电池的电压在第三预设范围内，输出相应的控制信号，使蓄电池的输出电压降低；

若检测所述蓄电池的电压在第四预设范围内，输出相应的控制信号，使蓄电池的输出电压升高；

若检测所述蓄电池的电压在第五预设范围内，输出相应的控制信号，使蓄电池停止放电。

进一步，所述方法还包括，检测所述蓄电池的温度，若所述蓄电池的温度大于预设温度值，输出相应的控制信号，使蓄电池停止充放电。

进一步，所述检测所述蓄电池的温度，若所述蓄电池的温度大于预设温度值，输出相应的控制信号，使蓄电池停止充放电，包括，

获取蓄电池的温度；

判断蓄电池的温度是否大于预设温度值；

若所述蓄电池的温度大于预设温度值，输出相应的控制信号，使蓄电池停止充放电。

由以上技术方案可知，本发明提供了一种带有风能储能装置的无人机控制系统、储能控制器和控制方法，通过舵机调整风机与风向的夹角，及变桨电机控制风叶与风向的夹角，控制风机的转速，进而带动发电机工作，并将电能储存在蓄电池内，为无人机供电，增加无人机的续航能力；且可控制发电机的快慢，进而防止蓄电池过量充电，并在蓄电池电量较低时，使蓄电池停止放电，提高蓄电池的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种带有风能储能装置的无人机控制系统的结构示意图；

图2为风机的结构示意图；

图3为图1的储能处理器的结构示意图；

图4为图3的储能控制单元的结构示意图；

图5为图3的储能控制单元的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种带有风能储能装置的无人机控制方法的充电过程流程图；

图7为本发明实施例提供的一种带有风能储能装置的无人机控制方法的放电过程流程图；

图8为本发明实施例提供的一种带有风能储能装置的无人机控制方法的控温过程流程图；

图9为风机与风向夹角的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明实施例的第一方面提供了一种带有风能储能装置的无人机控制系统，所述系统包括设有储能处理器101的无人机和通过底座与无人机相连的风能储能装置，所述风能储能装置包括风机110、舵机111、发电机109、DC-DC转换器108、蓄电池106、充电控制电路107、放电控制电路105、光电传感器102和风向计103；其中：

所述舵机111与所述风机110相连接，所述风机110与所述发电机109相连，所述发电机109与所述DC-DC转换器108相连，所述DC-DC转换器108与充电控制电路107相连，所述充电控制电路107分别与所述储能处理器101和所述蓄电池106相连，所述蓄电池106分别与所述储能处理器101和所述放电控制电路105相连，所述放电控制电路105分别与所述储能处理器101和无人机的供电电路104相连；

所述风机110包括风叶201和与风叶201相连接的变桨电机202；

所述变桨电机202与所述储能处理器101相连；

所述风向计103与所述储能处理器101相连接，所述风向计103用于测量实时的风向；

所述光电传感器102与所述储能处理器101相连接，所述光电传感器102用于测量所述风机110的转速；

所述储能处理器101，用于若接收到充电信号，根据获得的所述蓄电池106的电压、实时的风向及风机110的转速，输出相应的控制信号，控制所述舵机111和变桨电机202的工作状态，使所述风机110达到目标转速；

若接收到放电信号，根据获得的所述蓄电池106的电压，输出相应的控制信号，控制所述蓄电池106的工作状态。

本发明的实施例的储能处理器101根据获得的所述蓄电池106的电压、实时的风向及风机110的转速，输出相应的控制信号，通过舵机111调整风机110与风向的夹角，增加风机110的转速，并且储能处理器101根据获得电池的电压、实时的风向及风机110的转速，输出相应的控制信号，通过控制变桨电机202，调整风叶201与风向的夹角，使风机110达到更快的转速，进而带动发电机109工作，并将电能储存在蓄电池106内，为无人机供电，增加无人机的续航能力；且通过控制风机110转速，可控制发电机109发电的快慢，进而防止蓄电池106过量充电，并在蓄电池106电量较低时，使蓄电池106停止放电，提高蓄电池106的使用寿命。

根据本发明实施例的第二方面提供了一种储能处理器101，应用于带有风能储能装置的无人机控制系统，所述系统包括设有储能处理器101的无人机和通过底座与无人机相连的风能储能装置，所述风能储能装置包括风机110、舵机111、发电机109、DC-DC转换器108、蓄电池106、充电控制电路107、放电控制电路105、风向计103、光电传感器102和储能处理器101，所述风机110包括风叶201和与风叶201相连接的变桨电机202，所述储能处理器101包括电压采样单元302和与电压采样单元302相连接的储能控制单元303；

所述电压采样单元302，用于获取所述蓄电池106的电压；

所述储能控制单元303，用于若接收到充电信号，根据获得的所述蓄电池106的电压、实时的风向及风机110的转速，输出相应的控制信号，控制所述舵机111和风机110的工作状态，使所述风机110达到目标转速；

若接收到放电信号，根据获得的所述蓄电池106的电压，输出相应的控制信号，控制所述蓄电池106的工作状态。

优选地，所述储能控制单元303包括:

第一判断单元401，用于判断是否接收到充电信号或放电信号；

第二判断单元402，用于判断所述蓄电池106的电压是否在预设范围内；

第一控制单元403，用于若所述蓄电池106的电压在第一预设范围内，获取实时风向及风机110的转速，输出控制信号使所述舵机111转动，以使舵机111带动风机110转动，直到所述风机110达到第一目标转速结束；

第二控制单元404，用于若所述蓄电池106的电压在第二预设范围内，获取实时风向和风机110的转速，输出控制信号使变桨电机202转动，以使变桨电机202带动风叶201转动，直到所述风机110达到第二目标转速结束；

第三控制单元405，用于若检测所述蓄电池106的电压在第三预设范围内，输出相应的控制信号，使蓄电池106的输出电压降低；

第四控制单元406，用于若检测所述蓄电池106的电压在第四预设范围内，输出相应的控制信号，使蓄电池106的输出电压升高；

第五控制单元407，用于若检测所述蓄电池106的电压在第五预设范围内，输出相应的控制信号，使蓄电池106停止放电。

优选地，所述储能处理器101还包括与所述储能控制单元303电连接的温度采样单元301，用于获取所述蓄电池106的温度；

所述储能控制单元303，还用于检测所述蓄电池106的温度，若所述蓄电池106的温度大于预设温度值，输出相应的控制信号，使蓄电池106停止充放电。

本发明的实施例的储能处理器101根据获得的所述蓄电池106的电压、实时的风向及风机110的转速，输出相应的控制信号，通过舵机111调整风机110与风向的夹角，增加风机110的转速，并且储能处理器101根据获得电池的电压、实时的风向及风机110的转速，输出相应的控制信号，通过控制变桨电机202，调整风叶201与风向的夹角，使风机110达到更快的转速，进而带动与风机110的发电机109工作，并将电能储存在蓄电池106内，为无人机供电，增加无人机的续航能力；且通过控制风机110转速，可控制发电机109发电的快慢，进而防止蓄电池106过量充电，并在蓄电池106电量较低时，使蓄电池106停止放电，提高蓄电池106的使用寿命。

优选地，所述储能处理单元还包括，

第三判断单元501，用于判断获取所述蓄电池106的温度是否大于预设温度值；

第六控制单元502，用于若所述蓄电池106的温度大于预设温度值，输出相应的控制信号，使蓄电池106停止充放电。

对蓄电池106的温度进行监测，防止蓄电池106由于温度过高而引起爆炸等意外，提高安全性。

根据本发明实施例的第三方面提供了一种带有风能储能装置的无人机控制方法包括：

若接收到充电信号，根据获得的所述蓄电池106的电压、实时的风向及风机110的转速，输出相应的控制信号，控制所述舵机111和风机110的工作状态，使所述风机110达到目标转速；

若接收到放电信号，根据获得的所述蓄电池106的电压，输出相应的控制信号，控制所述蓄电池106的工作状态。

储能控制单元303接收到充电信号，给充电控制电路107发送开启信号，充电控制电路107导通，由风向计103测量得出实时的风向，并且通过光电传感器102感应由风叶201旋转产生的明暗变化，并将感应信号传送储能处理器101，储能处理器101记录单位时间收到感应信号的数量，继而计算出风机110的转速，并根据检测的电压值与预设范围相比较的结果，给舵机111输出相应的控制信号，使舵机111带动风机110旋转，调整风机110与风向的夹角，使风机110的转速与预设的目标转速相同，进而控制与风机110相连的发电机109的供电量，防止蓄电池106过量充电；并可通过检测蓄电池106两端的电压，进而控制蓄电池106的放电快慢，并能防止蓄电池106的过度放电，提高蓄电池106的寿命。

优选地，若接收到充电信号，根据获得的所述蓄电池106的电压、实时的风向及风机110的转速，输出相应的控制信号，控制所述舵机111和风机110的工作状态，使所述风机110达到目标转速，包括，

步骤S601：判断是否接收到充电信号；

步骤S602：若是，获取所述蓄电池106的电压；

步骤S603：判断所述蓄电池106的电压是否在预设范围内；

步骤S604：若所述蓄电池106的电压在第一预设范围内，获取实时风向及风机110的转速，输出控制信号使所述舵机111转动，以使舵机111带动风机110转动，直到所述风机110达到第一目标转速结束；

例如，第一预设范围为蓄电池106额定电量的0-10％，第一目标转速为1000转/分，若检测的电压在第一预设范围内，储能控制单元303接收到充电信号，给充电控制电路107发送开启信号，充电控制电路107导通，通过光电传感器102感应由风叶201旋转产生的明暗变化，并将感应信号传送储能处理器101，储能处理器101记录单位时间收到感应信号的数量，继而计算出风机110的转速，若计算出的转速大于1000转/分，减小风机110与风吹方向的角度，减小风叶201与风的接触面积，以降低风机110转速至1000转/分，在停止减小角度，进而控制发电机109的发电量；若计算出的转速小于1000转/分，通过风向计103传送的实时风向，储能控制单元303控制舵机111旋转，继而使风机110迎风，并增大风机110与风吹方向的角度(最大为180°)，增大风叶201与风的接触面积，以提高风机110转速至1000转/分，停止增大角度；发电机109通过DC-DC转换器108和充电控制电路107将电量传送给蓄电池106，并储存在蓄电池106内。

步骤S605：若所述蓄电池106的电压在第二预设范围内，获取实时风向和风机110的转速，输出控制信号使变桨电机202转动，以使变桨电机202带动风叶201转动，直到所述风机110达到第二目标转速结束。

例如，第二预设范围为蓄电池106额定电量的10％-80％，第二目标转速为1500转/分，储能控制单元303接收到充电信号，给充电控制电路107发送开启信号，充电控制电路107导通，通过光电传感器102感应由风叶201旋转产生的明暗变化，并将感应信号传送储能处理器101，储能处理器101记录单位时间收到感应信号的数量，继而计算出风机110的转速，若检测的电压在第二预设范围内，计算出的转速小于1500转/分，通过风向计103传送的实时风向，储能控制单元303控制舵机111旋转，使风机110迎风，并正对风吹的方向，并且储能控制器控制变桨电机202带动风叶201旋转，增加风叶201的迎风角，增大风叶201与风的接触面积，直至风机110的转速为1500转/分为止；若计算出的转速大于1500转/分，减小风叶201的迎风角，减小风叶201与风的接触面积，直至风机110的转速1500转/分为止，可以既加快对蓄电池106充电，又防止蓄电池106过量充电。

本发明的实施例的储能处理器101根据获得的所述蓄电池106的电压、实时的风向及风机110的转速，输出相应的控制信号，通过舵机111调整风机110与风向的夹角，增加风机110的转速，且通过变桨电机202调整风叶201与风向的夹角，增加风叶201与风的接触面积，进一步提高转速，进而带动与风机110的发电机109工作，并将电能储存在蓄电池106内，为无人机供电，增加无人机的续航能力；且通过控制风机110转速，可控制发电机109发电的快慢，进而防止蓄电池106过量充电，增加蓄电池106的使用寿命。

优选地，若接收到放电信号，根据获得的所述蓄电池106的电压，输出相应的控制信号，控制所述蓄电池106的工作状态，包括

步骤S701：判断是否接收到放电信号；

步骤S702：若是，获取所述蓄电池106的电压；

步骤S703：判断所述蓄电池106的电压是否在预设范围内；

步骤S704：若检测所述蓄电池106的电压在第三预设范围内，输出相应的控制信号，使蓄电池106的输出电压降低；

例如，第三预设范围为大于蓄电池106额定电量的10％—20％，若储能处理器101接收到放电信号，给放电控制电路105发送开启信号，放电控制电路105导通，若检测蓄电池106的电压在第三预设范围内，储能控制单元303输出控制信号，降低蓄电池106两端的电压，降低蓄电池106的输出功率，减慢蓄电池106放电。

步骤S705：若检测所述蓄电池106的电压在第四预设范围内，输出相应的控制信号，使蓄电池106的输出电压升高；

第四预设范围为大于蓄电池106额定电量的20％，若储能处理器101接收到放电信号，给放电控制电路105发送开启信号，放电控制电路105导通，若检测蓄电池106的电压在第三预设范围内，储能控制单元303输出控制信号，提高蓄电池106两端的电压，增加蓄电池106的输出功率，加快蓄电池106放电。

步骤S706：若检测所述蓄电池106的电压在第五预设范围内，输出相应的控制信号，使蓄电池106停止放电。

例如，第五预设范围为小于蓄电池106额定电量的10％，若储能处理器101接收到放电信号，给放电控制电路105发送开启信号，放电控制电路105导通，若检测蓄电池106的电压在第五预设范围内，储能控制单元303输出控制信号，使放电控制电路105断开，停止蓄电池106放电。

本发明的实施例，可通过检测蓄电池106两端的电压，进而控制蓄电池106的放电快慢，并能防止蓄电池106的过度放电，增加蓄电池106的使用寿命。

优选地，所述方法还包括，检测所述蓄电池106的温度，若所述蓄电池106的温度大于预设温度值，输出相应的控制信号，使蓄电池106停止充放电。

优选地，所述若所述蓄电池106的温度大于预设温度值，输出相应的控制信号，使蓄电池106停止充放电，包括:

步骤S801：获取蓄电池106的温度；

步骤S802：判断蓄电池106的温度是否大于预设温度值；

步骤S803：若是，输出相应的控制信号，使蓄电池106停止充放电。

检测蓄电池106的温度大于预设温度值使，储能控制单元303发出相应的输出信号，接导通的充电控制电路107和/或放电控制电路105断开，并且风机110停止工作。

对蓄电池106的温度进行监测，防止蓄电池106由于温度过高而引起爆炸等意外，提高安全性。

由以上技术方案可知，本发明的实施例的储能处理器101根据获得的所述蓄电池106的电压、实时的风向及风机110的转速，输出相应的控制信号，通过舵机111调整风机110与风向的夹角，增加风机110的转速，且通过变桨电机202调整风叶201与风向的夹角，增加风叶201与风的接触面积，进一步提高转速，进而带动与风机110的发电机109工作，并将电能储存在蓄电池106内，为无人机供电，增加无人机的续航能力；且通过控制风机110转速，可控制发电机109发电的快慢，进而防止蓄电池106过量充电，并在蓄电池106电量较低时，使蓄电池106停止放电，提高蓄电池106的使用寿命。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。