提高多旋翼無人機續(xù)航能力的措施

劉旭蘭

摘要：隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，無人機尤其是多旋翼無人機在消防、農(nóng)業(yè)、救援、測繪和公共安全等領(lǐng)域嶄露頭角，然而續(xù)航時間是現(xiàn)階段多旋翼電動無人機進一步發(fā)展和更廣范圍應(yīng)用的瓶頸，本文從無人機結(jié)構(gòu)、材質(zhì)以及能量來源方面進行匯總，以期對技術(shù)人員有所啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：無人機 續(xù)航 材質(zhì) 電池

目前多旋翼無人機主要以鋰離子充電電池作為電源，續(xù)航時間短、機體不夠輕等問題仍然存在，制約著無人機的進一步發(fā)展。目前大多數(shù)多旋翼電動無人機的續(xù)航時間在12～30min 之間，如大疆（DJI）最新產(chǎn)品MAVIC PRO 質(zhì)量0.743 kg（毛重4.35 kg），最長續(xù)航時間僅27 min;XIRO 零度無人機探索者XPLORER-G 質(zhì)量1.189kg，飛行時間僅18 min，續(xù)航時間短、機體不夠輕等問題，成為無人機進一步發(fā)展的攔路虎。

結(jié)構(gòu)的改進

對于傳統(tǒng)的多旋翼無人機的續(xù)航問題，目前的結(jié)構(gòu)改進方式主要是傾轉(zhuǎn)旋翼無人機或垂直起降固定翼無人機。即將多旋翼與固定翼相結(jié)合，在起降階段由旋翼提供垂直方向的動力，而飛行時旋翼傾轉(zhuǎn)從而提供推力，使飛行器既能像直升機那樣垂直起降，又能像固定翼飛機那樣巡航飛行，大大提高了續(xù)航時間。然而傾轉(zhuǎn)舵機或是垂直起降動力系統(tǒng)重量較大，加之無人機本身的結(jié)構(gòu)沉重，產(chǎn)生了大量廢重，難以運輸大量貨物;且運用于自重較大的貨運無人機時，往往會因為使用大推力螺旋槳而極大增加傾轉(zhuǎn)舵機的負載。舵機的響應(yīng)速度并不快，往往會讓無人機的可操控性大打折扣。無人機巨大的機翼結(jié)構(gòu)與無法側(cè)向傾轉(zhuǎn)的舵機會使穩(wěn)定懸停變得極為困難，因此并不適用于物流。

二、材質(zhì)的改進

要達到無人機結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化和高性能化，在機架材質(zhì)的選取要十分慎重。與傳統(tǒng)的金屬材料及復(fù)合材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強、抗疲勞和防鹽霧侵蝕的特性，將其應(yīng)用于無人機結(jié)構(gòu)中可以改善和提高無人機的綜合性能。機臂可采用碳纖維空心方管，碳纖維方管較碳纖維圓管承載能力更強，方管的平面更有利于連接機體和螺旋槳，且搬運方便。

除碳纖維外，聚碳酸酯及其合金材料、高分子基復(fù)合材料、含氟聚合物等材料在無人機領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用也有相關(guān)研究。

三、能量來源的改進

3.1 燃油和電能

目前無人機的動力裝置有電動機和油動發(fā)動機兩類。固定翼和單旋翼無人機多采用油動發(fā)動機，而多旋翼無人機絕大多數(shù)都是電動機驅(qū)動的。對于電動機驅(qū)動的多旋翼無人機來說，要提高載重量和延長續(xù)航時間，就要采用大功率電機并加裝更多組電池，而大功率電機和大電池本身需要更多的起飛動力，且成本會數(shù)倍增加。汽油的能量密度遠大于電池，因此，有些廠家推出了油動多旋翼無人機以提高續(xù)航能力和載重量，目前該類型的無人機可用于農(nóng)林植保。油動多旋翼無人機分為燃油直驅(qū)多旋翼以及油動變距多旋翼兩種，前者通過改變發(fā)動機的轉(zhuǎn)速來控制無人機飛行狀態(tài)，后者通過改變槳的螺距來改變升力，相比之下，后者響應(yīng)速度快抗風性強且發(fā)動機壽命不受影響。

另外油電混合動力系統(tǒng)也已用于無人機，油電混合動力系統(tǒng)是指油動和電動通過某種方式組合在一起并發(fā)揮某種優(yōu)勢性能的復(fù)合動力系統(tǒng)。此系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)可以改善原有的無人機動力來源單一的現(xiàn)狀，因而能夠大大提高無人機的續(xù)航時間。

3.2 鋰離子電池

鋰離子電池是目前多旋翼無人機常用的動力能源之一。雖然鋰離子電池相對于鎳鎘電池、鎳氫電池有很多優(yōu)點，但在無人機的環(huán)境使用中依然存在以下缺陷：充放電時間不成比例，充電時間長，續(xù)航時間短。鋰電池作為現(xiàn)在發(fā)展電池利用率相對較高的電池，研究者也努力縮小電池體積、提高電池電量利用率、以及縮短充電時間。2015 年9 月，作為電動車行業(yè)佼佼者的特斯拉公司，研發(fā)了一種容量在10000 毫安的電池，使無人機續(xù)航能力提高到60分鐘以上，將充電時間縮短到20 分鐘。鋰離子電池輕量化技術(shù)也有部分學者研究。

3.3 太陽能電池

太陽能無人機是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生飛行動力的飛行器，是我國新世紀航空工業(yè)重點發(fā)展的一個新領(lǐng)域。目前太陽能電池多用于固定翼無人機，如何在多旋翼有限的受光面積上盡大的利用太陽能以及如何提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，還有待于進一步的研究。受電池封裝材料、電池封裝方式、飛行條件對發(fā)電效率要求等因素的制約，以及各種飛行器對電池的特殊要求，普通的太陽能電池并不適于直接使用在飛行器上。

3.4 燃料電池

燃料電池與常規(guī)電池不同，它是一種由外部提供氧化劑和還原劑的電池，氧化劑可以是空氣中的氧氣、純氧，還原劑通常是氫氣、甲烷、煤氣等，氧化劑與還原劑在燃料電池堆中發(fā)生反應(yīng)，生成水和二氧化碳。燃料電池無人機是以燃料電池為動力的新能源無人機，相較于鋰電池，燃料電池有更高的能量密度，燃料電池無人機低噪聲、無污染、長航時的特性使其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，并且它有較低的熱紅外特性，不易被發(fā)現(xiàn)，非常適合長時間偵察任務(wù)。無人機上使用最多的是質(zhì)子交換膜燃料電池（ PEM） ，它的反應(yīng)溫度適合無人機的工作環(huán)境，并且有較高的能量密度與功率密度。目前燃料電池無人機還存在許多問題，如功率密度低，響應(yīng)速度慢，而且還需要解決成本與壽命問題。催化劑成本和性能是阻礙燃料電池商業(yè)化的重要原因。因為氫氣密度小，主要以壓縮的形式儲存、運輸，不可避免的存在安全問題，嚴重限制了氫能源的應(yīng)用，而且氫氣的儲存密度也嚴重影響著無人機的航時。

目前有研究提出用蓄電池或超級電容與燃料電池組成混合能源動力系統(tǒng)，用蓄電池彌補燃料電池動態(tài)響應(yīng)性能的不足。為了使各電源更好的配合，以獲得更長的航時和使用壽命，能源管理算法是必需的，基于燃料電池無人機的能源算法相較于電動汽車要少很多，國外在這方面的起步要早，已經(jīng)進行了很多研究。

3.5 無線傳能

波士頓無人機制造商cyphy Works曾發(fā)布一款可執(zhí)行空中巡航任務(wù)的無人機Parc。Parc 無人機由一條“微絲”連接，既可以傳輸數(shù)據(jù)也可從外部發(fā)電機、車輛或其他設(shè)備獲得電力，從而實現(xiàn)永不斷電。但這種由“微絲”連接電源的結(jié)構(gòu)也有明顯的弊端，即無人機的飛行范圍受到了限制，只能完成定點式單一式的任務(wù)或者航拍。

隨著技術(shù)的發(fā)展，電磁感應(yīng)、電磁共振、微波、超聲波、激光、飛秒激光等離子通道等不同形式的無線充電技術(shù)逐漸出現(xiàn)。無人機方面，目前美國已有激光充電的相關(guān)技術(shù)，例如2013年，美國采用綽號為隱形塔的無線激光充電系統(tǒng)完成了為一架四旋翼垂直起降無人機進行無線供能的試驗。2015 年，Solace Power公司和波音公司合作研發(fā)小型無人機無線充電技術(shù)，利用諧振阻容技術(shù)，實現(xiàn)小區(qū)域電能轉(zhuǎn)化為電場。無需接觸，通過懸停即可實現(xiàn)充電，有效充電距離為25cm左右。美國西雅圖機器人無線充電公司W(wǎng)iBotic 100W的電磁共振無線充電板可在2h 內(nèi)完成對無人機的充電，在不久的將來，該公司的充電板可搭載在諸如汽車的移動平臺上，為小型化無人機充電。同年，為解決水下無人機不能長航時漂浮，需要返回基地充電的困難，美國某公司開發(fā)了水下無線充電裝置，為水下無人機充電。2017 年，華為與中國移動合作研究的X Lab項目中提出四軸無人機可借助信號塔實現(xiàn)無線充電，同時增加無人機的GPS信號和無線充電雙重功效。

無線傳能技術(shù)受制于當前的技術(shù)水平，無線傳能系統(tǒng)的發(fā)射端、傳輸過程、接收端等過程中的技術(shù)機理、能量等級、傳輸效率、體積質(zhì)量等方面或多或少仍存在一些技術(shù)瓶頸，限制無線傳能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，但這并不影響無線傳能技術(shù)會在未來推動無人機走向新的時代。

參考文獻

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