無人機(jī)懸停無線充電技術(shù)特征分析

鄧醒明　張浩鋆

摘? ?要：近年來隨著科技的進(jìn)步，各式各樣的技術(shù)層出不窮。目前在電能傳輸方向，無線電能傳輸技術(shù)雖然剛剛起步但發(fā)展迅速，基于電能傳輸方式和機(jī)制的無線電能傳輸技術(shù)類型多樣，根據(jù)不同場合和負(fù)載發(fā)展出不同的技術(shù)，發(fā)展前景良好。而針對無人機(jī)領(lǐng)域，懸停無線充電的無線電能傳輸系統(tǒng)也發(fā)揮了重要的作用，但因為無人機(jī)的特殊性，以及與其他負(fù)載相比自身特點(diǎn)的獨(dú)特性，還有懸停狀態(tài)電能拾取的特殊性，無線電能傳輸系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)表現(xiàn)出的特征會有差別。因此，無人機(jī)懸停系統(tǒng)無線電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該去區(qū)別于常規(guī)系統(tǒng)。我們首先對主流無線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合分析結(jié)果我們針對無人機(jī)及懸停無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)? 無線充電? 傳輸? 能量

中圖分類號：TN76? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（a）-0071-02

無人機(jī)的航程需要消耗大量的能量，因此如何增加無人機(jī)續(xù)航里程應(yīng)該成為我們研究的重中之重?，F(xiàn)在的方法我們分為了兩大類，一種是用更多的電能攜帶進(jìn)行電能的補(bǔ)給或者進(jìn)行多次補(bǔ)給。但更多的電能意味著更大的蓄電池，而現(xiàn)在蓄電池技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入停滯不前的階段，想要更多的電池只能增加蓄電池的體積和重量，無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)就在于輕量化以及靈活的機(jī)動性能，而過大過重的蓄電池勢必會中和掉一部分的優(yōu)勢。多次補(bǔ)給意味著無人機(jī)需要多次降落到基站甚至回到母港，因為現(xiàn)在的技術(shù)僅僅停留在傳統(tǒng)的接觸式電能傳導(dǎo)，如果采用這種方法，不僅會大大縮短無人機(jī)的航行里程，而且有一大部分的電能是浪費(fèi)在了充電的過程中，有的時候會得不償失，這種方法的靈活性、便捷性以及可靠性都得不到保證。而新提出的懸停充電形式受不可控因素的影響太大，安全性得不到保障，而且對技術(shù)方面的要求很高，難以實現(xiàn)。因此在考慮無人機(jī)充電方案的時候應(yīng)該將多種因素都考慮在內(nèi)，這種方案的研究是有現(xiàn)實意義的。

1? 無線電能傳輸技術(shù)簡介

按照能量的傳輸機(jī)制我們將無線電傳輸技術(shù)分為了三大類：第一，電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)。該技術(shù)基于電磁感應(yīng)定律，屬于電磁場近場耦合無線電能傳輸技術(shù)，該技術(shù)無線帶能傳輸是通過次級線圈與原級線圈之間相互耦合的電磁場來實現(xiàn)的。為了增大傳輸功率和提高傳輸效率可以通過在空氣磁路中加入高導(dǎo)磁材料。該技術(shù)也存在著一定的條件，上文提到過原級線圈和次級線圈下需要相對固定并且傳輸距離有限通常需要在10cm以內(nèi)，對于大型的電子設(shè)備等該技術(shù)的適用性不強(qiáng)。第二，電磁輻射式無線電能傳輸技術(shù)。目前該類技術(shù)通常采用微波能量傳輸技術(shù)和激光能量傳輸技術(shù)來實現(xiàn)，相比于上一個技術(shù)該技術(shù)對于小功率的遠(yuǎn)距離傳輸是可以實現(xiàn)的。因為在運(yùn)行過程中為了保證該技術(shù)的傳輸方向需要復(fù)雜的跟蹤定位系統(tǒng)，在傳輸過程中不能出現(xiàn)障礙。該技術(shù)適用面很小，局限性也很大。第三，磁共振式無線電能傳輸技術(shù)。磁共振式無線電能傳輸技術(shù)在電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了兩個自身品質(zhì)因數(shù) Q 值很高且相互耦合的共振線圈，通過這兩個高 Q 值的共振線圈，可以在空間內(nèi)產(chǎn)生更高強(qiáng)度的磁場，克服了上面兩種技術(shù)的缺點(diǎn)，可以進(jìn)行高效的遠(yuǎn)距離傳輸，也屬于電磁場近場耦合無線電能傳輸技術(shù)。該技術(shù)安全可靠，沒有明顯的方向性所以局限性相比于其他兩種更小，不僅可以進(jìn)行選舉李傳輸，在一定條件下也可以實現(xiàn)高效的中距離傳輸，傳輸媒介的種類也進(jìn)行了擴(kuò)充，非金屬物質(zhì)也可以進(jìn)行傳輸，因此產(chǎn)生的影響更小。

2? 無人機(jī)懸停無線充電系統(tǒng)特征分析

隨著無線電傳輸技術(shù)在生活中的普及，很多領(lǐng)域開始紛紛采用該技術(shù)，如：廚房家電，電子產(chǎn)品以及電動汽車等，與無人機(jī)相比這些設(shè)施的充電和供電系統(tǒng)都有統(tǒng)一的特征，位置相對固定，對于設(shè)備的接收端和充電端的相對位置是不變的，而無人機(jī)由于本身的特點(diǎn)，在無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行無線充電時，兩者的位置難以保持絕對靜止。因此，無人機(jī)懸停系統(tǒng)無線電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該去區(qū)別于常規(guī)系統(tǒng)。我們首先對主流無線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合分析結(jié)果我們針對無人機(jī)及懸停無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行分析。

基于無線電能傳輸模式的無人機(jī)懸停無線充電的示意圖如圖1中所示，進(jìn)行充電時，無人機(jī)在能量發(fā)射圈上方停留，為了保證充電的有效性，無人機(jī)需要時刻調(diào)整位置使其保持相對位置固定。從圖1可以看出無人機(jī)在懸停狀態(tài)下充電會有以下幾個特征。

（1）動態(tài)負(fù)載。無人機(jī)空中完全靜止是不可能實現(xiàn)的，只能通過一定的調(diào)整最大限度保持相對靜止，由于電動機(jī)的功率是恒定不變的，但充電系統(tǒng)會發(fā)生等效負(fù)載的變化，即是一個具有動態(tài)負(fù)載特性的系統(tǒng)。

（2）動態(tài)互感。無人機(jī)充電過程中是雖然會盡力保持靜止，但以為客觀因素的存在，使其不能保持完全靜止，對于能量發(fā)射裝置會產(chǎn)生一定程度的偏差，不管是垂直還是水平，最終都會導(dǎo)致耦合機(jī)構(gòu)的相對位置發(fā)生改變。對于基于無線電能傳輸技術(shù)的充電系統(tǒng)則表現(xiàn)為耦合機(jī)構(gòu)之間的互感發(fā)生變化，即是一個具有動態(tài)互感特性的系統(tǒng)。

（3）耦合機(jī)構(gòu)弱耦合。用以表征兩個線圈耦合程度的參數(shù)是耦合系數(shù)，一般用K來表示，它由次級線圈自感系數(shù)Ls、原級線圈自感系數(shù)Lp和它們之間的互感系數(shù)M共同決定，K的表達(dá)式為：

3? 結(jié)語

本文首先介紹了目前主要的無線電傳輸技術(shù)，并且分析了各個技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合已有的技術(shù)我們對無人機(jī)懸停無線充電系統(tǒng)進(jìn)行了分析，得出了其特征：弱耦合、動態(tài)互感和動態(tài)負(fù)載。

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