[發明專利]基于三級跟蹤與光場調控的無人機終端激光傳能系統

有效

• 申請號: 202011100307.0
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112260417B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 何祖源;張文甲;徐培源
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H02J50/30
• 分類號: H02J50/30;G05D1/12;G02B27/30;G02B27/09
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

一種基于三級跟蹤與相位調制的無人機終端激光傳能方法，包括：高功率激光器、用于激光的準直和擴束的準直擴束鏡、用于發射端的粗調跟蹤的跟蹤振鏡單元、用于發射端與無人機之間的信息傳遞的通信模塊、偏振片、空間光相位調制膜片、無人機以及設置于其上的用于視覺自對準的終端五軸轉臺和光伏電池陣列，其中：高能激光器出射的激光經過準直擴束鏡進行準直擴束，通過跟蹤振鏡單元進行激光對無人機的粗調跟蹤；空間光相位調制膜片置于發射端結合光場尋優方法實時反饋進行高斯光場的調制以適配于光伏電池的任意排布；跟蹤振鏡單元使激光光斑正對準于光伏電池；設置于接收端的無人機上的終端五軸轉臺對光伏電池陣列進行微調跟蹤以達到最優的接收角度和接收位置；光伏電池陣列設置于終端五軸轉臺上并用于接收經過調制后的激光能量。

技術領域

本發明涉及的是一種高能激光無線能量傳輸領域的技術，具體是一種基于三級跟蹤與光場調控的無人機終端無線激光傳能系統。

背景技術

高能激光無線能量傳輸技術(Optical wireless powertransmission，OWPT)是采用激光作載體，即發射端將電能轉化激光能量發射到接收端，接收端再將光轉化為電能進行充電的技術。但現有發射端采用的光伏電池的效率約為10-20％左右，遠遠低于實際應用的需求，不能對高能激光能量進行完全的利用。終端光電轉換效率的主要限制因素為終端激光能量分布和光伏電池的適配問題。目前主要是通過光場調控將高斯光束整形為平頂光束來提高光電轉換效率，然而并沒有進行光伏電池任意排布的匹配，也沒有避開電極連接處的死區。激光束能量分布不均勻，產生的熱斑效應，也會導致光伏電池接收器效率的降低。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種基于三級跟蹤與光場調控的無人機終端激光傳能系統，通過終端三級跟蹤和空間光相位調制自適應光場優化使光伏電池能量分布均勻，同時光場匹配任意光伏電池排布，減少陰影區域，避免光伏電池連接處死區對激光能量造成的損耗；進一步輔以終端五軸轉臺實現機載端對發射端的視覺自對準，使光伏電池完全與優化光場相匹配，使光場對整個光伏電池進行覆蓋，減少由熱斑效應產生的能量損失。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明涉及一種基于三級跟蹤與光場調控的無人機終端激光傳能系統，包括：高功率激光器、用于激光的準直和擴束的準直擴束鏡、用于發射端的粗調跟蹤的跟蹤振鏡單元、用于發射端與無人機之間的信息傳遞的通信模塊、偏振片、空間光相位調制膜片、無人機以及設置于其上的用于視覺自對準的終端五軸轉臺和光伏電池陣列，其中：高能激光器出射的激光經過準直擴束鏡進行準直擴束，通過跟蹤振鏡單元進行激光對無人機的粗調跟蹤；空間光相位調制膜片置于發射端結合光場尋優方法實時反饋進行高斯光場的調制以適配于光伏電池的任意排布；跟蹤振鏡單元使激光光斑正對準于光伏電池；設置于接收端的無人機上的終端五軸轉臺對光伏電池陣列進行微調跟蹤以達到最優的接收角度和接收位置；光伏電池陣列設置于終端五軸轉臺上并用于接收經過調制后的激光能量。

所述的五軸是指：三維正交自由度(x，y，z)以及兩個旋轉自由度(θx，θy)，其中：z方向進行對光伏電池板的伸縮，用于提高裝置的穩定性，減少無人機的飛行阻力；x，y方向的轉臺使光場垂直照射光伏電池，減少由于傾斜照射導致的能量損失；θx和θy方向的轉臺控制光伏電池陣列與光場的鎖定對準。當發射端找到大致位置后，進行θx和θy方向的微調調整。

所述的跟蹤振鏡單元包括：角度采集裝置、x方向振鏡和y方向振鏡，其中：角度采集裝置用于采集發射端在z偏x方向的偏轉角α以及z偏y方向的偏轉角β并通過通信模塊傳輸至無人機上的終端五軸模塊轉臺，進行α、β方向的實時角度調整以適配光伏電池的跟蹤和偏轉。

本發明涉及上述無人機終端激光傳能系統的優化激光能量傳輸方法，根據無人機的固定懸停高度，疊加對應的菲涅爾透鏡功能相位至優化光場全息圖上以調整焦面位置；空間光相位調制膜片根據光伏電池排布自動迭代生成最優相位分布，適配光伏電池陣列的任意排布和距離，實現激光能量的最大利用率并提高光電轉換效率。