無(wú)人機(jī)無(wú)線充電改造與應(yīng)用

湯世彬 高舉 姚東

[摘? ? 要 ]由于無(wú)人機(jī)無(wú)線充電在實(shí)際應(yīng)用中電能轉(zhuǎn)換效率較低，為此提出無(wú)人機(jī)無(wú)線充電改造與應(yīng)用。在無(wú)人機(jī)無(wú)線充電改造方面，首先根據(jù)共振線圈之間的互感、負(fù)載與傳輸功率參數(shù)在數(shù)學(xué)上存在線性關(guān)系，對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電傳輸功率參數(shù)改造，然后在無(wú)人機(jī)無(wú)線充電接收裝置、發(fā)射裝置添加鐵氧體磁芯，完成對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電裝置改造，最后通過(guò)對(duì)無(wú)線充電線圈纏繞方式和繞線匝數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電改造。對(duì)于改造后無(wú)線充電方法的應(yīng)用，首先利用接收裝置通過(guò)對(duì)周?chē)艌?chǎng)分析接收到太陽(yáng)能，然后將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，最后根據(jù)耦合系數(shù)確定無(wú)人機(jī)充電需求，對(duì)其進(jìn)行充電，以此實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電改造與應(yīng)用研究。

[關(guān)鍵詞]無(wú)人機(jī);無(wú)線充電改造;傳輸功率參數(shù);鐵氧體磁芯;線圈纏繞方式

[中圖分類(lèi)號(hào)]TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）04–00–03

[Abstract]Due to the low power conversion efficiency of UAV wireless charging in practical applications， the transformation and application of UAV wireless charging are proposed.In the aspect of UAV wireless charging transformation， firstly， according to the mutual inductance between the resonance coils， the load and the transmission power parameters have a mathematical linear relationship， the UAV wireless charging transmission power parameters are modified， and then the UAV wireless charging receiving device ， Add ferrite core to the transmitter to complete the transformation of the UAV wireless charging device， and finally realize the UAV wireless charging transformation by changing the wireless charging coil winding method and the number of turns.For the application of the modified wireless charging method， first use the receiving device to receive solar energy through the analysis of the surrounding magnetic field， then convert the solar energy into electrical energy， and finally determine the UAV charging demand according to the coupling coefficient and charge it to realize unmanned Research on the transformation and application of wireless charging.

[Keywords]UAV; wireless charging transformation; transmission power parameter; ferrite core; coil winding method

無(wú)人機(jī)（pilot-less airplane）又稱無(wú)人駕駛飛機(jī)，其是一種通過(guò)無(wú)線電實(shí)時(shí)遙控或者根據(jù)事先編程好的程序來(lái)控制的、搭載多個(gè)功能設(shè)備執(zhí)行任務(wù)的航空器，隨著科技的不斷進(jìn)步，無(wú)人機(jī)開(kāi)始朝向智能化、數(shù)字化方向發(fā)展， 由于具有價(jià)格低廉、操作靈活、生存率高、適應(yīng)性能強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到軍事、運(yùn)用、科研等眾多領(lǐng)域中。在評(píng)價(jià)無(wú)人機(jī)使用性能的眾多指標(biāo)中，無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力是其中一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，對(duì)于一架無(wú)人機(jī)而言，超強(qiáng)的續(xù)航能力意味著其能夠可持續(xù)地執(zhí)行任務(wù)。從能源角度出發(fā)，增加無(wú)人機(jī)續(xù)航能力的方法主要有兩種，一種是攜帶大容量電池，在無(wú)人機(jī)機(jī)身上裝置一個(gè)超大容量的電池為無(wú)人機(jī)提供充足的電源，這種方法雖然能夠有效提高無(wú)人機(jī)續(xù)航能力，但是由于目前蓄電池技術(shù)存在一定缺陷，蓄電池的電容量增大就意味著蓄電池的體積和重量增大，這將會(huì)增加無(wú)人機(jī)的飛行重量，降低無(wú)人機(jī)的靈活性，所以這種方法目前是不可取的;另一種方法是無(wú)線充電，在無(wú)人機(jī)機(jī)身上裝置一個(gè)小型的太陽(yáng)能電池板，通過(guò)該電池板接收太陽(yáng)能，并將太陽(yáng)能再轉(zhuǎn)化為電能為無(wú)人機(jī)提供電源，理論上這種無(wú)線充電的方法可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)“永久”飛行，但是目前該方法還存在一定的缺陷，太陽(yáng)能電池板的儲(chǔ)能系統(tǒng)能量密度較小，并且電能轉(zhuǎn)換效率較低，無(wú)法滿足無(wú)人機(jī)穩(wěn)定、持續(xù)供電需求，為此提出無(wú)人機(jī)無(wú)線充電改造與應(yīng)用。

1 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電改造

針對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電存在的問(wèn)題，對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電傳輸功率參數(shù)、無(wú)線充電裝置、無(wú)線充電線圈三方面進(jìn)行改造：（1）通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電傳輸功率參數(shù)改造，使無(wú)人機(jī)無(wú)線充電傳輸功率最大化;（2）通過(guò)對(duì)無(wú)線充電發(fā)射裝置、接收裝置的改造，提高無(wú)線充電裝置電磁感應(yīng)性能;（3）通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電線圈繞線方式和繞線匝數(shù)的改造，提高接收線圈和發(fā)射線圈互感值和自感值的穩(wěn)定性，以此提高無(wú)人機(jī)無(wú)線充電電能轉(zhuǎn)換效率，保證無(wú)人機(jī)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性，以下將對(duì)此次提出的無(wú)人機(jī)無(wú)線供電改造方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1.1 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電傳輸功率參數(shù)改造

無(wú)人機(jī)無(wú)線充電功率的傳輸能力主要受到發(fā)射線圈自感w、發(fā)射線圈與共振線圈的互感g(shù)、共振線圈之間的互感k、無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)b以及無(wú)線充電負(fù)載m影響，為了保證無(wú)人機(jī)無(wú)線充電功率的傳輸性能，對(duì)其功率參數(shù)進(jìn)行改造。通常情況下，無(wú)人機(jī)在太陽(yáng)能拾取時(shí)為了維持接收端與發(fā)射端相對(duì)靜止會(huì)對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行不斷調(diào)整，所以以上參數(shù)中共振線圈之間的互感參數(shù)和負(fù)載參數(shù)是動(dòng)態(tài)變化的，其余參數(shù)是可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)確定保持不變的。在其他參數(shù)固定不變的情況下，無(wú)人機(jī)無(wú)線充電的傳輸功率會(huì)在一定的范圍內(nèi)發(fā)生變化，所以很難保證無(wú)線供電始終在最大功率點(diǎn)。在理想情況下，即無(wú)人機(jī)無(wú)線供電始終在最大功率點(diǎn)，當(dāng)無(wú)人機(jī)在懸空狀態(tài)下進(jìn)行無(wú)線充電時(shí)，共振線圈之間互感參數(shù)和負(fù)載參數(shù)是不變的，假設(shè)這個(gè)狀態(tài)點(diǎn)為（k1，m1）。但是實(shí)際與理想是存在差距的，如果能夠使無(wú)人機(jī)無(wú)線充電在狀態(tài)點(diǎn)（k1，m1）時(shí)傳輸功率達(dá)到最大，共振線圈之間互感參數(shù)和負(fù)載參數(shù)在變化范圍內(nèi)的傳輸功率也會(huì)增大，所以無(wú)人機(jī)無(wú)線充電傳輸功率參數(shù)的改造問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為理想狀態(tài)（k1，m1）下傳輸功率最大化問(wèn)題。根據(jù)以上分析，將無(wú)人機(jī)無(wú)線充電共振線圈之間的互感參數(shù)變化范圍改造為0.05～0.15 μH之間，將無(wú)人機(jī)無(wú)線充電負(fù)載變化范圍改造為1.5～5.5 Ω，由于這兩個(gè)參數(shù)會(huì)對(duì)傳輸功率參數(shù)具有一定影響，根據(jù)共振線圈之間的互感、負(fù)載與傳輸功率參數(shù)在數(shù)學(xué)上存在線性關(guān)系，利用以下公式求出改造后的傳輸功率參數(shù)值：

式（1）中，p為無(wú)人機(jī)無(wú)線充電傳輸功率參數(shù)值;M為傳輸功率最大時(shí)的共振線圈互感系數(shù)。利用式（1）實(shí)時(shí)計(jì)算出共振線圈之間的互感與負(fù)載變化浮動(dòng)時(shí)傳輸功率，以此完成無(wú)人機(jī)無(wú)線充電傳輸功率參數(shù)改造。

1.2 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電裝置改造

無(wú)人駕駛飛機(jī)無(wú)線充電裝置的安裝位置決定了無(wú)線充電磁場(chǎng)的分布，影響著無(wú)線充電系統(tǒng)的電能傳輸和耦合能力，傳統(tǒng)無(wú)線充電裝置安裝位置不合理，且部分設(shè)備種類(lèi)、體積過(guò)大，為提高無(wú)線充電系統(tǒng)的工作性能，對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電裝置進(jìn)行改造。無(wú)線充電主要由發(fā)射裝置和接收裝置所組成，將發(fā)射裝置中的發(fā)射線圈電流走向改造為相反走向，將發(fā)射線圈中的一個(gè)平面螺旋線圈電流走向改為逆時(shí)針走向，另一個(gè)平面螺旋線圈電流走向改為順時(shí)針走向，相反的電流走向可以為無(wú)人機(jī)無(wú)線充電發(fā)射裝置內(nèi)部存在兩個(gè)磁場(chǎng)，一個(gè)磁場(chǎng)平行發(fā)射線圈平面向左，另一個(gè)磁場(chǎng)平行發(fā)射線圈平面向右，使無(wú)人機(jī)無(wú)線充電發(fā)射裝置具有雙級(jí)性特征，相對(duì)于傳統(tǒng)的單級(jí)性，可以更好地為無(wú)人機(jī)發(fā)射電能。在發(fā)射線圈下方增添一個(gè)鐵氧體磁芯，鐵氧體磁芯的增加可以有效減小磁路磁阻，提高無(wú)人機(jī)無(wú)線充電裝置的耦合性能，同時(shí)還能有效減少無(wú)線充電出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象。將無(wú)線充電的接收裝置安裝在無(wú)人機(jī)起落架頂端，在接收線圈外側(cè)也安裝一個(gè)鐵氧體磁芯，通過(guò)鐵氧體磁芯接受發(fā)射線圈中任意一個(gè)平面螺旋線圈發(fā)射出的磁通，經(jīng)由鐵氧體磁芯將其傳遞到接收裝置內(nèi)部，這樣可以減少磁阻。通過(guò)在接收裝置和發(fā)射裝置安裝鐵氧體磁芯，會(huì)構(gòu)成無(wú)線充電主磁路，將磁通經(jīng)過(guò)接收端的鐵氧體磁芯時(shí)，也就經(jīng)過(guò)了無(wú)線充電的接收線圈，從而能夠?qū)崿F(xiàn)能量的無(wú)線傳輸，以此完成無(wú)人機(jī)無(wú)線充電裝置改造。

1.3 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電線圈改造

線圈是無(wú)人機(jī)無(wú)線充電的一個(gè)核心部件，其纏繞方式、形狀和線圈繞線匝數(shù)都會(huì)影響到線圈互感、自感值，大部分無(wú)人機(jī)無(wú)線充電線圈的纏繞形狀以“矩形空心線圈”為主，這種纏繞形狀雖然能夠增加線圈對(duì)磁場(chǎng)的感應(yīng)能力，但是在實(shí)際中這種纏繞方式會(huì)使接收線圈和發(fā)射線圈互感值和自感值發(fā)生波動(dòng)。因此此次對(duì)線圈的纏繞方式進(jìn)行改造，將線圈纏繞在圓柱形骨架上，并且要保證每根導(dǎo)線都緊密挨著，不留有空隙，這樣可以保證接收線圈和發(fā)射線圈互感值和自感值的穩(wěn)定。其次大部分無(wú)人機(jī)無(wú)線充電線圈繞線匝數(shù)在100～120mm之間，繞線長(zhǎng)度在250～300 mm之間，對(duì)于線圈繞線匝數(shù)的確定沒(méi)有結(jié)合實(shí)際無(wú)人機(jī)無(wú)線充電需求，繞線匝數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致電能浪費(fèi)，繞線匝數(shù)過(guò)少或?qū)е鹿╇姴蛔悖虼藢?duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電線圈繞線匝數(shù)進(jìn)行改造，利用公式確定具體線圈繞線匝數(shù)值，其計(jì)算公式如下所示：

式（2）中，G為線圈繞線匝數(shù)值;a為螺旋線圈長(zhǎng)度;b為螺旋線圈寬度;c為螺旋線圈繞線寬度;N為真空磁導(dǎo)率;r為線圈導(dǎo)線半徑;n為單股線圈股數(shù)。利用式（2）計(jì)算出線圈繞線匝數(shù)，以此完成無(wú)人機(jī)無(wú)線充電線圈改造，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電改造。

2 應(yīng)用

通過(guò)上文提出的改造方案，對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電進(jìn)行改造，并對(duì)改造后的無(wú)人機(jī)無(wú)線充電進(jìn)行應(yīng)用，應(yīng)用過(guò)程如下：首先接收裝置通過(guò)磁場(chǎng)耦合方式對(duì)太陽(yáng)發(fā)射的太陽(yáng)能進(jìn)行接收，接收裝置的參數(shù)決定了太陽(yáng)能接收情況，其參數(shù)如表1所示。

接收裝置的接收線圈攜帶電磁場(chǎng)，通過(guò)對(duì)周?chē)艌?chǎng)分析，并且對(duì)線圈耦合時(shí)接收線圈上的太陽(yáng)能產(chǎn)生電壓，將太陽(yáng)能進(jìn)行接收。接收到的太陽(yáng)能是以脈沖形式存在的，不能對(duì)其進(jìn)行直接使用，需要對(duì)其進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為可用于無(wú)人機(jī)充電的電能。能量轉(zhuǎn)換完成之后，將電能傳輸給發(fā)射裝置，發(fā)射裝置會(huì)對(duì)其進(jìn)行供電。由于持續(xù)無(wú)人機(jī)供電過(guò)大，容易出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，所以發(fā)射裝置根據(jù)無(wú)人機(jī)電能需求對(duì)其進(jìn)行供電，無(wú)人機(jī)的充電需求利用耦合系數(shù)的大小來(lái)決定，耦合系數(shù)取值范圍在0～1之間，其值越接近1，說(shuō)明無(wú)人機(jī)無(wú)線傳輸?shù)碾娔苄枨罅吭叫?。相反耦合系?shù)值越接近0，說(shuō)明無(wú)人機(jī)無(wú)線傳輸?shù)碾娔苄枨罅吭酱?，根?jù)耦合系數(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線充電，充電公式如下所示：

式（3）中，f為無(wú)人機(jī)無(wú)線充電耦合模型;i為無(wú)人機(jī)無(wú)線供電耦合系數(shù);o為無(wú)人機(jī)負(fù)載的能量衰弱系數(shù);a為接收裝置能量源的簡(jiǎn)正模型;s為無(wú)人機(jī)無(wú)線充電發(fā)射端能量振幅系數(shù);z為無(wú)人機(jī)無(wú)線充電接收端的能力振幅系數(shù)。無(wú)線充電發(fā)射裝置利用式（3）通過(guò)發(fā)射線圈將能量傳輸給無(wú)人機(jī)，為無(wú)人機(jī)提供充足的電能，以此完成對(duì)改造后的無(wú)人機(jī)無(wú)線充電應(yīng)用，進(jìn)而完成了無(wú)人機(jī)無(wú)線充電改造與應(yīng)用研究。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電改造與應(yīng)用進(jìn)行了研究，有利于提高無(wú)人機(jī)無(wú)線充電性能，提高無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間，以及提高無(wú)人機(jī)無(wú)線充電穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)“永久性”無(wú)線充電。此次研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電的改造與應(yīng)用具有良好的借鑒意義，同時(shí)也為無(wú)人機(jī)無(wú)線充電改造與應(yīng)用的相關(guān)研究提供了理論依據(jù)。由于此次研究時(shí)間以及查閱的參考資料有限，雖然取得了一定的研究成果，但在研究?jī)?nèi)容上還存在一些不足之處，今后仍會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電改造與應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 夏能弘，朱益民，程志遠(yuǎn)，等.基于垂直中繼線圈結(jié)構(gòu)的L形無(wú)線充電裝置設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2019，34（13）：2671-2678.

[2] 馬秀娟，武帥，蔡春偉，等.應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的無(wú)線充電技術(shù)研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2019，23（8）：1-9.

[3] 劉幗巾，白佳航，崔玉龍，等.基于雙LCL變補(bǔ)償參數(shù)的磁耦合諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2019，34（8）：1569-1579.

[4] 周志穎，倪樹(shù)，李琳琳，等.無(wú)人機(jī)無(wú)線充電基站[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（3）：41-42.

[5] 付振勇，王春芳，景馨，等.巡檢機(jī)器人無(wú)線充電線圈偏移容忍力改善研究[J].廣東電力，2018，31（11）：121-128.

[6] 周松濤，何澤文，馬奔，等.無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[J].中國(guó)新通信，2018，20（19）：57-59.

[7] 畢建忠，葉天國(guó).無(wú)線充電技術(shù)原理及應(yīng)用淺析[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2019，15（27）：219-220.

[8] 張迪， 張世杰， 王鏡允，等.自諧振ZVS在無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器， 2019（5）：96-99，126.

[9] 熊承龍， 沈兵， 趙寧，等.基于電磁感應(yīng)的無(wú)線充電技術(shù)傳輸效率的仿真研究[J].電子器件， 2014（1）：135-137.

[10] 萬(wàn)涵.探析基于電磁感應(yīng)的無(wú)線充電技術(shù)在無(wú)人機(jī)中應(yīng)用的重要性[J].中國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)， 2018（22）：171，173.