無人機(jī)無線充電基站

周志穎　倪樹　李琳琳　趙永輝　劉世聰　崔夢君　馬國利

摘 要：為了方便無人機(jī)野外充電，提高無人機(jī)的長途飛行續(xù)航能力，設(shè)計并制作了無人機(jī)無線充電基站，當(dāng)無人機(jī)落在上面時，基站能夠自己感應(yīng)并開啟，通過電磁感應(yīng)對無人機(jī)進(jìn)行充電。

關(guān)鍵詞：無線充電；電磁感應(yīng)；無人機(jī)

中圖分類號：V279+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）03-0041-02

Abstract： In order to facilitate the UAV to recharge in the field and improve the UAV's long-distance flight endurance， the UAV wireless charging base station is designed and built. When the UAV lands on it， the base station can sense and turn on by itself. The drone is charged by electromagnetic induction.

Keywords： wireless charging； electromagnetic induction； UAV

無線充電有很多種方法，主要方法有電磁感應(yīng)、磁場共振和無線電波法。電磁感應(yīng)法：初級線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應(yīng)在次級線圈中產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端[1]。這是目前最為常見的充電解決方式，同時也是應(yīng)用較廣的一種類型。

無人機(jī)無線充電基站采用的就是電磁感應(yīng)方法，在基站中設(shè)置好發(fā)射線圈，然后加上超聲波感應(yīng)模塊，監(jiān)測無人機(jī)是否落下，最后在無人機(jī)底部搭載一個接收線圈和穩(wěn)壓電路[2]，無人機(jī)下落在基站時就能完成自動充電。

1 實驗裝置設(shè)計

無線充電基站可通過電磁感應(yīng)為無人機(jī)進(jìn)行充電，由超聲波感應(yīng)模塊檢測無人機(jī)是否落下，由控制系統(tǒng)對信息處理后判斷是否對無人機(jī)進(jìn)行充電。基于電磁感應(yīng)的無人機(jī)充電基站主要由電源部分，控制系統(tǒng)，超聲波感應(yīng)系統(tǒng)組成。

1.1 電源部分

主要負(fù)責(zé)為控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓和開關(guān)電路，以使系統(tǒng)能夠在信號來臨時迅速做出反應(yīng)。該部分還有其他例如降壓模塊和繼電器等原件輔助控制。電源部分集成電路如圖1所示。

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用STM32F103ZET6嵌入式微控制器，具有能耗低，運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)全天候全自動的工作。基站總控制電路如圖2所示。

1.3 超聲波感應(yīng)系統(tǒng)

超聲波模塊來檢測無人機(jī)是否已落下，當(dāng)無人機(jī)完全落下時超聲波模塊檢測到并將信號傳遞給控制系統(tǒng)，隨后開啟充電。超聲波模塊如圖3所示。

2 調(diào)試與分析

在整個充電過程無需拆卸電池，自動控制完成。可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)管及采集。無線充電基站無需人為監(jiān)管，能適應(yīng)相對惡劣的環(huán)境。且該基站應(yīng)用范圍廣，建造簡單，便于維護(hù)休整。

無人機(jī)可就近選擇充電點(diǎn)，無人機(jī)可以降落在充電板上，也可以懸停在充電板上方[3]。這樣，就避免必須折返回起飛點(diǎn)進(jìn)行充電的問題，由于無線充電過程損耗多。尤其是較遠(yuǎn)距離充電，大功率的無線磁電轉(zhuǎn)換，設(shè)備的耗能較高。而且隨著無線充電設(shè)備的距離和功率的加大，損耗就會越大[4]。為了進(jìn)一步測試無人機(jī)在即將電量不足時，所需求的無線充電站最低分布密度，我們在戶外進(jìn)行了此項測試。

3 結(jié)論

在無線充電技術(shù)發(fā)展相對成熟的基礎(chǔ)上，對無人機(jī)進(jìn)行無線自動充電，是以往解決無人機(jī)續(xù)航問題所沒有應(yīng)用的思維方法，同時在市場上也是空前的。不僅僅為無人機(jī)續(xù)航時間短提供了在當(dāng)下技術(shù)能解決范圍內(nèi)相對穩(wěn)定可靠的解決方案，同時也擴(kuò)大了無線充電技術(shù)的應(yīng)用范圍，突破了以往無線充電只應(yīng)用在手機(jī)等小型設(shè)備上的局限。

無線充電基站可以設(shè)置在輸電線纜周邊，也可以和通信基站相結(jié)合，或者無人區(qū)的大型太陽能供電等等，衍生出多種多樣的應(yīng)用方式和范圍。長時間續(xù)航和封閉式構(gòu)造是未來無人機(jī)發(fā)展的一個方向，無線充電基站的建成，有助于實現(xiàn)和推廣無人機(jī)的全封閉構(gòu)造和長時間續(xù)航。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭世欣.淺析無線充電技術(shù)在電動汽車應(yīng)用中的優(yōu)勢與短板[J].電氣傳動自動化，2017，39（05）：16-19.

[2]鄭發(fā)卷，翁正國.振蕩電路制作與調(diào)試：第一版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]DouglasBrooks.PC人機(jī)懸停無線充電技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2015.

[4]周誠智，周和平.無線充電功率線圈、無線充電系統(tǒng)及無線充電控制方法[P].中國：審定公開的發(fā)明專利，2017-04-19.