無人機無線定向能量傳輸方法初探

吳題 郄宏偉

摘 要：本文通過對現(xiàn)有無線能量傳輸?shù)姆椒ㄟM行對比，并結合無人機運行特性提出基于激光的無人機定向能量傳輸?shù)姆椒?，為提升無人機續(xù)航作業(yè)能力提供可行的建議與參考。

關鍵詞：無人機;無線充電;續(xù)航

中圖分類號：V279

近年來國家開放了1000米以下的高空，使無人機得到了一定程度的發(fā)展。無人機是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。是信息時代高科技含量的產物。在經(jīng)歷過世界大戰(zhàn)之后，無人機漸漸進入到各個行業(yè)：用無人機進行航拍，或進行快遞裝運服務等。無人機行業(yè)得到了迅猛的發(fā)展。

1 無人機運行情況

多年前，沒有人預知無人機會普及大眾。但到2010年后，民用無人機市場迅猛發(fā)展。其中，航拍無人機市場規(guī)模日漸增長。2017年，我國航拍無人機市場規(guī)模約40多億元，未來將以86.5%的年復合增長率快速成長;到2020年，市場規(guī)模將達到約250億元人民幣。

無論是何種飛行器，續(xù)航能力都是其最為重要的性能之一。目前無人機動力分為電力驅動和燃料驅動。市面上的無人機主要采用鋰聚合物電池作為主要動力，續(xù)航能力一般在20分鐘至30分鐘之間。因為無人機需要盡可能減輕起飛重量，所以無法攜帶較重的大容量電池。大多數(shù)無人機在維持二十分鐘有效飛行之后，就必須充電1小時以上或者更換電池。燃料無人機具有續(xù)航時間長，動力性能好等諸多優(yōu)點，但是燃料無人機在運行過程中會產生大量有害氣體，會對環(huán)境造成一定程度的污染，不符合現(xiàn)今的綠色環(huán)保理念。不僅如此，燃料無人機在工作中相比于純電動無人機具有危險性和不穩(wěn)定性。

目前無人機的電力續(xù)航時間短是無人機的一個致命的短板，大大限制了行業(yè)的快速良性發(fā)展，解決無人機電池續(xù)航問題迫在眉睫。

2 無人機無線能量傳輸探究

隨著時代以及科學技術的迅速發(fā)展，人們開始不斷探索與優(yōu)化能量傳輸?shù)姆绞健?980年，物理學家尼古拉.特斯拉做了無線輸電的實驗。2007年，麻省理工學院的研究團隊展示了他們的磁共振無線輸電技術。2018年，我國的首個在地球軌道上利用無線輸能的方式將太陽能轉化為電能并輸送至地球的太陽能電站實驗在重慶啟動。無線充電技術目前已經(jīng)廣泛運用于各個行業(yè)。無線充電技術在當今充電技術中存在著巨大的前景與優(yōu)勢。

可以看出，相比其他無線充電系統(tǒng)激光無線充電系統(tǒng)具有傳輸距離遠且效率與功率高的優(yōu)勢。因此選用激光作為無人機定向無線充電系統(tǒng)的無線能量傳輸方式。

3 基于激光的無線定向能量傳輸

3.1 原理

激光是由原子中的電子吸收能量之后進而從低能級躍遷到高能級，之后從高能級落回到低能級的時候所釋放的能量作為光子的形式放出。它們光學特性高度一致，具有單色性好，亮度高，方向性好的特點。光子的能量為：E=hv（h為普朗克常量，v為頻率，激光的頻率范圍在3.846×10^（14）Hz到7.895×10^（14）Hz之間）。當頻率越大時，光子的能量就會越高。由于激光高度集中，作用范圍小，所以能量密度大，傳播距離遠。

3.2 方法

無線能量定向傳輸系統(tǒng)由光伏電池，跟蹤器，激光發(fā)生器和電機組成。通過在無人機上放置光伏電池，無人機跟蹤系統(tǒng)定位無人機的位置，電機轉動激光器到合適的位置的這一系列操作后，將激光定向到無人機的激光接收器上。然后光伏電池將能量轉化為電能，從而持續(xù)為無人機行進作業(yè)供能。

3.3 優(yōu)點

（1）激光無線充電技術解決了充電過程中繁雜的電線問題，簡化了無人機的充電過程，提高了便捷性，減少了充電設備由于頻繁插拔充電線而帶來的損壞。還省去了繁雜型號的充電插頭，提升了用戶的良好體驗。并且在安全性，靈活性等方面具有優(yōu)勢。除此之外，還具有良好的環(huán)保性。

（2）作為無線充電解決方案，激光相較其他無線能量有巨大優(yōu)勢。由于激光的作用范圍小，因此具有巨大能量、大的傳輸功率和較小的功率損失。此外，還具有良好的安全性。研究表明，只要不直視激光，就不會對身體造成傷害。即使是間接觀察激光，200W以下的激光的丁達爾效應都不會對眼睛造成傷害。

（3）無人機無線充電解決了無人機運行過程中的充電問題，使無人機具有較長的續(xù)航時間。在無人機日常作業(yè)中，續(xù)航時間的長短決定了無人機的工作效率。無人機工作效率的提升，會推動相關產業(yè)的發(fā)展與進步。同時，無人機的應用將更加廣泛，無人機行業(yè)將迅速發(fā)展。

3.4 缺點

（1）無線充電設備轉換效率低，充電速度慢，無線充電工作距離短。隨著距離的不斷增加，能量傳輸效率降低，設備功耗將慢慢變大。

（2）無線充電設備成本較高。若設計生產不符合標準，會有安全隱患。

（3）激光無線充電系統(tǒng)在繁雜的區(qū)域充電效果可能會不理想。激光在傳輸過程中很可能會受到障礙物的阻礙作用，使得傳輸效率降低。

（4）激光無線能量傳輸技術還處于萌芽發(fā)展階段，目前還沒有大規(guī)模應用于各個行業(yè)。

4 小結

由此可見，無人機定向無線充電系統(tǒng)的方案可行性高，優(yōu)點顯著。即使激光無線充電現(xiàn)階段發(fā)展不成熟，傳輸功率偏低，但在未來使用與發(fā)展空間巨大。隨著將來科學技術的不斷進步和發(fā)展，激光無線充電系統(tǒng)將會具有更遠的傳輸距離，和更廣的傳輸面積，并會應用于各個行業(yè)，成為可靠的無人機無線充電方式。

參考文獻：

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[4]金星，常浩，崔曉陽.激光輸能無人機概念研究[J].航空學報，2013，（09）.

作者簡介：吳題，女，教師，研究方向為民航運輸，飛行程序設計;郄宏偉，男，學生，主要學習方向為民航運輸類。