無人機空中充電智能系統研究

安紅恩，楊少沛（通信作者），許 強

（黃河交通學院機電工程學院 河南 焦作 454950）

0 引言

近年來，無人機的發展越來越快，無人機具有許多優點，比如結構簡單、體積小、重量輕、操作方便、飛行靈活，且成本低、不會造成人員傷亡，常應用于攝像、遙感、勘察、監測中，而且在災害預警、天氣預報中，甚至在軍事領域和現代戰爭中都有應用。為無人機提供飛行動力的設備目前主要是鋰電池，其中3S鋰電池是最常見的一種。因為受限于無人機自身的重量和鋰電池本身的容量，無人機飛行的時間都不是很長，如何提高無人機的續航能力就成了一個亟待解決的問題。

2018年11月，南方科技大學力學與航空航天系團隊帶來了最新的研究成果，這款名為“蒼鷺”的無人機可實現“充電一小時、飛行百公里”，是物流無人機領域不折不扣的“節能王”[1]。

2018年11月，中國在一項新技術——短距離激光充能技術上的突破，使這一猜想成為現實。據媒體報道，中國已經能夠使用光纖供電系統發射自由電子激光束系統來進行遠程激光能量傳輸。在實驗中，遠程激光充電系統成功地將我軍小型無人機的續航時間從2 h提高到了48 h，實現24倍的提升。因此，只要未來的無人機裝備了可靠的遠程激光充電系統，就不再需要安裝巨大的燃料箱或電池艙，這可以大大減輕無人機的重量，使其更加靈活，并能連續作戰。

1 無人機空中充電主要研究內容

1.1 無人機空中無線充電系統研究

早在1980年左右，無線電能傳輸技術就引起了人們的關注，第一個開始做實驗的人是美國電氣工程師尼古拉斯·特斯拉，他利用交流電并且在沒有導線連接的情況下，點亮了遠處的一個白熾燈[2]，揭開了無線充電的序幕，由此而產生了一種線圈即特斯拉線圈。

空中充電系統的設計是無人機空中無線充電系統的主要部分，其他還有無線電能發送模塊、無線電能接收模塊的設計，電源檢測系統的設計，抗干擾系統設計，通信識別模塊設計，讓無人機空中飛行時在一定距離內可以接收到電源信號進行無線充電?？罩袩o線充電技術主要應用在無人機物流配送上，在飛行路線的必經之路上設置充電設備，讓無人機一邊飛行一邊充電，或在機場內進行無線充電。磁感應充電方式和磁共振充電方式是無線感應充電方式的主要形式。磁感應充電的基本原理是法拉第的電磁感應定理，變化的磁場和變化的電場之間有對應關系。導體在磁場中做切割磁感線運動，就能感應出電動勢，因此，可以通過耦合變壓器來實現無線充電的目的，達到電能的無線傳送。在磁感應充電方式中，接收線圈通過接近發射線圈的方式感應其中的電流變化，從而實現能量的傳輸，磁感應式充電方式原理簡單，充電距離卻很短，最大距離通常只有數厘米。磁共振充電方式在磁感應的基礎上要求發射線圈與接收線圈具有相同的共振頻率[3]，從而提高充電效率。磁共振充電方式的距離相比磁感應方式則要大很多，甚至能夠達到數米的范圍。所以，應用于無人機的無線充電方式多為磁共振方式，見圖1。

無線感應充電技術對于無人機的無人值守自主充電有一定的意義。通過在通信用無人機的工作區域內部署一定數量的無線充電站，能夠在一定程度上保障無人機的能源供應。但是無人機仍需要飛行到充電站點才能實現能源的補充。

對于常見的S-S（series-series）結構，S-S WPT系統結構框圖見圖2。由圖2可知，發射線圈的電流Ip為

在式（1）中，Ip為發射線圈的電流，Cp和Cs為變壓器原邊和副邊的等效電容，Lp和Ls為變壓器原邊和副邊的等效電感，Rp和Rs為變壓器原邊和副邊的等效電阻，M為變壓器原邊和副邊的互感值，經研究M大于等于6.57 μH。Uin為輸入信號電壓，ω為角頻率，Rl為負載。Uin、Cp、Lp、Rp、Ip組成發射線圈電路，Ls、Cs、Rl、Rs組成接收線圈電路。

當Rs很小、Rl無窮大時，則很小，又因為Rp值同樣很小，此時發射線圈電流Ip將會很大，嚴重時甚至會燒毀逆變器等前級電路。顯然對于無人機的?？砍潆娛且粋€問題，而添加硬件控制電路不僅可靠性有待檢驗，硬件花銷也會大大增加[4]。

為了避免上述這種情況，可采用LCC-S拓撲來作為無人機無線充電系統的拓撲結構。LLC-S WPT系統實驗框圖見圖3。VT1-VT4為MOSFET，Rp為發射線圈內阻，Rs為拾取線圈內阻，Rl為等效負載。

在圖3中，Ip為發射線圈的電流，Udc為輸入信號電壓，ω為角頻率，VT1-VT4為MOSFET，C1和L1為寄生電容和電感，Cp和Cs為變壓器原邊和副邊的等效電容，Lp和Ls為變壓器原邊和副邊的等效電感，Rp和Rs為變壓器原邊和副邊的等效電阻，M為變壓器原邊和副邊的互感值。RL 為負載。Udc、VT1-VT4、C1、L1、Cp、Lp、Rp、Ip組成發射線圈電路，Ls、Cs、Rl、Rs組成接收線圈電路。MOSFET VT1-VT4構成類似單相橋式整流電路，可以有效防止發射線圈電流Ip過大而燒壞輸入信號電壓和輸入線圈。

微波充電是把電能加載到微波上，使用微波發射天線來發射帶有電能的微波，再用接收天線來接收帶有電能的電磁波，然后通過其他還原裝置如微波整流器等轉換為電能，這就是微波充電技術。在這個過程中，通過空氣把電能從發射端輸送到負載側，由于微波具有穿透性，所以微波輻射式無線電能傳輸技術適用于距離比較遠的電能傳輸[5-7]。

太陽能光伏發電技術已經發展多年，屬于新能源技術，太陽能技術也早就用在無人機上，把無人機的框架外露部分做成太陽能充電板或者直接加上太陽能充電板，增大太陽能電池板的光照面積，就可以發電、充電，實現無人機續航能力的提高，見圖4。

目前常用的太陽能無線充電電路是ICPT系統，其系統的組成見圖5，直流電源經過高頻逆變電路產生的高頻交流電進入補償網絡，依靠松耦合變壓器兩個線圈之間的耦合進行能量傳遞，原邊線圈中的高頻交流電，產生高頻的交變磁場，在副邊產生感應電動勢，從而達到無線電能傳輸的目的，最后經過副邊補償網絡和高頻整流電路達到負載[8-9]。

直流電經過高頻逆變或工頻交流電經過整流和高頻逆變處理后才能夠原邊發射電路使用，常用的高頻逆變器有全橋、半橋、推挽和單管逆變電路。

由于云層厚度以及風速和太陽光線的影響，光伏電池和太陽能充電的局限性還很大，充電效率低等問題需要解決。

1.2 無人機智能控制系統優化設計

利用無人機自身攜帶的GPS模塊和電源檢查模塊等裝置，實時監測路況信息和自身電源電量信息，自動做出最佳選擇，如飛行路線（如最短飛行路線或沿途有機場的飛行路線）選擇或飛行狀態（飛行速度、飛行高度）選擇。當接收到相關指令或有突發情況出現時，或自動選擇就近機場降落或進行線路改道或進行空中充電等進行最有效操作[10-11]。

1.3 雙電源控制的穩態數學模型研究和工作模式與休息模式充電方式研究

雙電源控制的穩態數學模型研究可以有效地對主電源和備用電源進行電量控制，提高電源的利用率，從而有效提高無人機的續航能力。主電源在工作時對備用電源進行充電，當主電源電量下降到最低值時切換為備用電源開始工作，主電源開始充電；備用電源在工作時對主電源進行充電，當備用電源電量下降到最低值時切換為主電源開始工作，備用電源開始充電，周而復始。工作模式中可以實現快速充電，休息模式中可以實現自己主動尋找充電設備進行有線充電或無線充電。

1.4 無人機機場優化構建

利用現有條件，如無人機需要經過的居民樓頂或路燈、電線桿等設備作為無人機?？繖C場，在為無人機休息、貨物轉場、簡單快速維修時提供充電服務（有線充電無線充電均可），必要時母機可以從機場起飛，陪伴工作無人機飛行，進行充電。

2 無人機空中充電的關鍵技術

（1）無人機空中充電技術。該技術主要指無線充電技術，即主要研究電能的發射和接收。磁耦合感應式無線電能傳輸技術是無線充電的基礎，適合近距離傳輸，對無人機空中充電的研究有重大意義。

（2）設計整個無人機智能控制系統。充電部分包括基于雙邊的LCC磁耦合感應式無線充電系統，逆變電路、驅動電路、整流濾波電路、DC-DC電路等。關鍵技術包括實時監測、飛行路線、飛行狀態等。

（3）解決無人機機場選址問題，優化無人機充電方式。在無人機的飛行路線上尋找合適的地點建立充電機場，例如路燈燈桿或者建筑物的房頂，采用阿德蘭啟發式算法對機場進行計算，確保達到最佳效果。

3 結語

本文主要論述了無人機空中充電技術，重點論述了無線充電技術，無線充電技術主要包括無線感應充電技術和光伏充電技術，在此基礎上討論了智能控制系統設計、雙電源控制技術與模式變換和無人機機場優化構建問題。同時探討了空中充電的關鍵技術，具有一定的應用價值。