無人機空中充電智能系統(tǒng)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(fā)展越來越快，無人機具有許多優(yōu)點，比如結(jié)構(gòu)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(yīng)用于攝像、遙感、勘察、監(jiān)測中，而且在災(zāi)害預(yù)警、天氣預(yù)報中，甚至在軍事領(lǐng)域和現(xiàn)代戰(zhàn)爭中都有應(yīng)用。為無人機提供飛行動力的設(shè)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(xù)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(xiàn)“充電一小時、飛行百公里”，是物流無人機領(lǐng)域不折不扣的“節(jié)能王”[1]。

2018年11月，中國在一項新技術(shù)——短距離激光充能技術(shù)上的突破，使這一猜想成為現(xiàn)實。據(jù)媒體報道，中國已經(jīng)能夠使用光纖供電系統(tǒng)發(fā)射自由電子激光束系統(tǒng)來進行遠程激光能量傳輸。在實驗中，遠程激光充電系統(tǒng)成功地將我軍小型無人機的續(xù)航時間從2 h提高到了48 h，實現(xiàn)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(tǒng)，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(xù)作戰(zhàn)。

1 無人機空中充電主要研究內(nèi)容

1.1 無人機空中無線充電系統(tǒng)研究

早在1980年左右，無線電能傳輸技術(shù)就引起了人們的關(guān)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(dǎo)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(chǎn)生了一種線圈即特斯拉線圈。

空中充電系統(tǒng)的設(shè)計是無人機空中無線充電系統(tǒng)的主要部分，其他還有無線電能發(fā)送模塊、無線電能接收模塊的設(shè)計，電源檢測系統(tǒng)的設(shè)計，抗干擾系統(tǒng)設(shè)計，通信識別模塊設(shè)計，讓無人機空中飛行時在一定距離內(nèi)可以接收到電源信號進行無線充電?？罩袩o線充電技術(shù)主要應(yīng)用在無人機物流配送上，在飛行路線的必經(jīng)之路上設(shè)置充電設(shè)備，讓無人機一邊飛行一邊充電，或在機場內(nèi)進行無線充電。磁感應(yīng)充電方式和磁共振充電方式是無線感應(yīng)充電方式的主要形式。磁感應(yīng)充電的基本原理是法拉第的電磁感應(yīng)定理，變化的磁場和變化的電場之間有對應(yīng)關(guān)系。導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動，就能感應(yīng)出電動勢，因此，可以通過耦合變壓器來實現(xiàn)無線充電的目的，達到電能的無線傳送。在磁感應(yīng)充電方式中，接收線圈通過接近發(fā)射線圈的方式感應(yīng)其中的電流變化，從而實現(xiàn)能量的傳輸，磁感應(yīng)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(shù)厘米。磁共振充電方式在磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上要求發(fā)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(yīng)方式則要大很多，甚至能夠達到數(shù)米的范圍。所以，應(yīng)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(yīng)充電技術(shù)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(qū)域內(nèi)部署一定數(shù)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(yīng)。但是無人機仍需要飛行到充電站點才能實現(xiàn)能源的補充。

對于常見的S-S（series-series）結(jié)構(gòu)，S-S WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。由圖2可知，發(fā)射線圈的電流Ip為

在式（1）中，Ip為發(fā)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(jīng)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(fā)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(fā)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(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)。LLC-S WPT系統(tǒng)實驗框圖見圖3。VT1-VT4為MOSFET，Rp為發(fā)射線圈內(nèi)阻，Rs為拾取線圈內(nèi)阻，Rl為等效負載。

在圖3中，Ip為發(fā)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(fā)射線圈電路，Ls、Cs、Rl、Rs組成接收線圈電路。MOSFET VT1-VT4構(gòu)成類似單相橋式整流電路，可以有效防止發(fā)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(fā)射天線來發(fā)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(zhuǎn)換為電能，這就是微波充電技術(shù)。在這個過程中，通過空氣把電能從發(fā)射端輸送到負載側(cè)，由于微波具有穿透性，所以微波輻射式無線電能傳輸技術(shù)適用于距離比較遠的電能傳輸[5-7]。

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，屬于新能源技術(shù)，太陽能技術(shù)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(fā)電、充電，實現(xiàn)無人機續(xù)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(tǒng)，其系統(tǒng)的組成見圖5，直流電源經(jīng)過高頻逆變電路產(chǎn)生的高頻交流電進入補償網(wǎng)絡(luò)，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(chǎn)生高頻的交變磁場，在副邊產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而達到無線電能傳輸?shù)哪康?，最后?jīng)過副邊補償網(wǎng)絡(luò)和高頻整流電路達到負載[8-9]。

直流電經(jīng)過高頻逆變或工頻交流電經(jīng)過整流和高頻逆變處理后才能夠原邊發(fā)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(tǒng)優(yōu)化設(shè)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(jiān)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(tài)（飛行速度、飛行高度）選擇。當接收到相關(guān)指令或有突發(fā)情況出現(xiàn)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(wěn)態(tài)數(shù)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(wěn)態(tài)數(shù)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(xù)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(fù)始。工作模式中可以實現(xiàn)快速充電，休息模式中可以實現(xiàn)自己主動尋找充電設(shè)備進行有線充電或無線充電。

1.4 無人機機場優(yōu)化構(gòu)建

利用現(xiàn)有條件，如無人機需要經(jīng)過的居民樓頂或路燈、電線桿等設(shè)備作為無人機?？繖C場，在為無人機休息、貨物轉(zhuǎn)場、簡單快速維修時提供充電服務(wù)（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(guān)鍵技術(shù)

（1）無人機空中充電技術(shù)。該技術(shù)主要指無線充電技術(shù)，即主要研究電能的發(fā)射和接收。磁耦合感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)是無線充電的基礎(chǔ)，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(shè)計整個無人機智能控制系統(tǒng)。充電部分包括基于雙邊的LCC磁耦合感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)，逆變電路、驅(qū)動電路、整流濾波電路、DC-DC電路等。關(guān)鍵技術(shù)包括實時監(jiān)測、飛行路線、飛行狀態(tài)等。

（3）解決無人機機場選址問題，優(yōu)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(fā)式算法對機場進行計算，確保達到最佳效果。

3 結(jié)語

本文主要論述了無人機空中充電技術(shù)，重點論述了無線充電技術(shù)，無線充電技術(shù)主要包括無線感應(yīng)充電技術(shù)和光伏充電技術(shù)，在此基礎(chǔ)上討論了智能控制系統(tǒng)設(shè)計、雙電源控制技術(shù)與模式變換和無人機機場優(yōu)化構(gòu)建問題。同時探討了空中充電的關(guān)鍵技術(shù)，具有一定的應(yīng)用價值。