一種基于智能航標的風光互補供能平臺

周春輝, 張軒誠, 黃弘遜, 萬志鵬, 馬偉皓, 陳銘章

(1.武漢理工大學 航運學院， 武漢 430063;2.內河航運技術湖北省重點實驗室,武漢 430063)

一種基于智能航標的風光互補供能平臺

周春輝1,2, 張軒誠1, 黃弘遜1, 萬志鵬1, 馬偉皓1, 陳銘章1

(1.武漢理工大學 航運學院， 武漢 430063;2.內河航運技術湖北省重點實驗室,武漢 430063)

針對當前無人機在海事巡航、搜救及執法等過程中續航能力不足、工作效率低等問題，研究和搭建一種新型無人機無線供電平臺。通過搭建基于智能航標的風光互補供能平臺，對風光互補發電裝置、儲能裝置和無人機充電裝置等部件進行論述，并通過開展試驗研究，驗證平臺的充電效率及整體結構的穩定性。測試結果表明：在正常情況下，該供能平臺能滿足無人機安全停放并給無人機供電的需求，充電最大傳輸效率達45.3%，同時可解決低溫充電的問題，能降低系統功耗。

航標； 無人機巡航； 無線充電； 風光互補； 傳輸效率

隨著長江經濟帶的建設和發展及未來海事巡航無人化、智能化趨勢的推進，無人機在立體巡航和海事監管方面的作用將越來越顯著[1]，但其續航能力不足的問題嚴重限制著其應用和發展前景。目前，在海事立體巡航中，無人機當電量不足時需返回到岸基或無人機母船進行充電，在充電完成之后返回到原來的巡航地點繼續巡航。由于現有充電方式的限制給無人機巡航帶來了嚴重的局限和不足，造成無人機巡航存在運行成本高、能耗高和巡航范圍半徑小等問題，因此迫切需要一種可行、高效的海事無人機供能方式。

陳景龍等[2]對風光互補發電系統和無線電能傳輸技術進行研究，將風光互補發電系統的輸出作為WPT諧振電路的輸入端，利用無線電能傳輸技術對負載供電,并搭建風光互補發電無線能量傳輸系統，可在徑向距離50 mm處成功地對負載進行充電。王翔等[3]提出新能源磷酸鐵鋰電池在航標系統的應用研究，通過對“新能源+磷酸鐵鋰電池”的航標電池系統進行設計，并進行相關的實際航標試驗，驗證其在海上航標能源系統中應用的可行性，并制定相關的檢測與評價、日常管理與維護制度。

針對海事無人巡航、搜救等方面的需求，提出一種基于智能航標的風光互補供能平臺，對平臺的架構和主要組成部分進行設計，研究磁耦合諧振式無人機無線充電的技術方案，并通過大量試驗進行可行性論證。

1 基于智能航標的風光互補供能平臺

1.1 平臺的組成

平臺結構組成見圖1。太陽光經過⑥轉化為電能，自然風通過帶動⑤轉動產生交變電，交變電整流濾波之后與太陽能板輸出相串聯，通過判斷電壓的大小選擇升/降壓通路為⑦充電；由⑨根據實際情況，對疊加的電量經⑦進行儲存、分流、逆變和充放電處理，為整個平臺提供持續穩定的電能；一部分電能給④供電，實現航標的自供能；放電模式時⑦輸出經過升壓提高至發射電壓，再通過逆變電路將直流變為交流，經過發送端產生交變電磁場，接收端接收之后通過整流濾波，經③為停放在②上的無人機充電，滿足無人機海事巡航續航的需求。

注：①為無人機； ②為無人機停放平臺； ③為無人機無線充電裝置； ④為航標燈； ⑤為風能發電裝置； ⑥為太陽能發電裝置； ⑦為儲能裝置； ⑧為燈船平臺； ⑨為平臺監測控制終端

圖1 基于智能航標的風光互補供能平臺結構

1.2 風光互補發電裝置

考慮到晝夜更替或陰雨、霧霾天氣，單一太陽能發電無法持續為平臺提供所需的電能。因此，選擇對追日太陽能板和垂直軸風機互補供能的方式進行研究。

追日太陽能發電模塊由光強檢測模塊、分析控制模塊和機械傳動模塊等3部分組成。[4]光強檢測模塊由東西向180°扇形區域均勻分布的8個搭載BH1750FVI芯片的光強傳感器組成，8個光強傳感器通過IIC 總線與以STC89C52單片機為核心的分析控制模塊相連，可通過內置的16 bit A/D轉換器將測得的光強直接轉換成以勒克斯(照度單位)為單位的數字量傳送至單片機供單片機分析處理。STC89C52單片機首先通過IIC總線先后對8個傳感器采集到的光強數據進行接收和存儲，然后調用內部設定的比較分析算法計算出光強最大點所在的仰角，最后通過輸出PWM信號控制基于L298N驅動芯片的機械傳動模塊驅動步進電機帶動太陽能電池板精準轉動到光強最大點所在的仰角處，獲得最大的發電效率。[5]

與水平軸風力發電機相比，垂直軸風力發電機具有風能利用率高、啟動風速低、無需對風選向及制造和維護成本低等優勢，因此采用垂直軸風力發電機捕獲風能。葉輪是風力發電機吸收風能的關鍵部件，直接決定著風力發電機的重要性能指標——風能利用系數。葉輪的關鍵是葉片，葉片的形狀及其氣動性能的好壞將直接影響風力發電機轉換風能的效率，因此葉片的選擇是風力發電機的關鍵。在相同工況下， NACA0015葉片翼型在正、負迎角內具有相對穩定的氣動性能[6]。該方案中的風光互補發電裝置選取了該葉片。

1.3 平臺儲能裝置

與鉛蓄電池相比，磷酸鐵鋰電池具有比能量大、工作電壓高、循環壽命長和自放電率低等優點。谷亦杰等[7]針對型號為42110圓柱形、10 A·H磷酸鐵鋰電池進行高低溫試驗，得出溫度對充放電效率有顯著影響，在一定范圍內，充放電效率隨溫度的升高而提高。

冬季長江水域的氣溫較低，會對鋰電池的充放電性能造成一定影響。為將鋰離子電池運用到航標終端上，需利用鋰離子電池單體，通過串并聯的方式構成電池組，然后針對該電池組設計電池熱管理模塊。PTC是一種熱轉換效率高、通電之后會產熱的加熱材料，既能使電池組在短時間內快速升溫，又能在達到一定溫度之后防止溫度升得過高。[8]將嵌有PTC板的鋁片作為導熱片:一方面將電池內部產生的熱量傳導到電池表面，通過鋁片散發熱量，均衡電池單體間溫度；另一方面，在冬季低溫環境下，太陽能所獲電流驅動PTC板產生熱量，通過鋁板均勻地傳遞給電池單體，使其能對電池組內部的溫度場進行調控，使電池組溫度控制在合理范圍內，并保持溫度場分布的均勻性。

2 無人機無線充電

2.1 磁耦合諧振式無線充電

磁耦合諧振式無線充電基于電磁諧振理論，由發送端與接收端及配置相同諧振頻率的諧振線圈組成。[9]與其他電能無線傳輸技術相比，諧振耦合電能無線傳輸具有以下本質上的不同：

1) 與利用電磁感應原理的電能無線傳輸技術相比，傳輸距離大大提高，突破了電磁感應原理的無線傳輸距離僅在1 cm以內的限制，且理論研究結果表明，若不考慮空間其他物體影響，傳輸距離將進一步提高。

2) 與利用微波原理的電能無線傳輸技術相比，具有傳輸功率大的特點，可將微波電能無線傳輸幾毫瓦至100 mW的數量級提高到幾十瓦至幾百瓦的數量級，且在充電效率方面遠遠高于后者。

2.2 線圈結構參數設計

線圈作為諧振耦合電能無線傳輸技術的核心部件，對其參數進行合理的設計，即求取最佳匝數和平均半徑，能充分發揮該技術的優勢，實現系統大功率、高效率的傳輸。[10]這里通過理論計算和仿真試驗對線圈結構參數進行優化設計。

2.2.1 線圈結構類型

常用的線圈結構類型有平面螺旋型和圓柱螺旋管型，其中平面螺旋線圈的耦合系數和品質因數都較高，更適合無線電能傳輸，且平面螺旋線圈安置在底盤下面更加方便，因此該研究采用平面螺旋線圈(見圖2)。

圖2 平面螺旋線圈結構

圖2中：Dmax和Dmin分別為線圈的最大外圓直徑及最小外圓直徑；S為線圈匝間距；W為導線直徑；N為線圈的匝數。根據圖2中各線圈參數間的幾何關系，可推知

式(1)～式(3)中：ravg為線圈的平均半徑；β為線圈填充率。

2.2.2 磁耦合諧振式理論模型

線圈傳輸效率受線圈匝數、線圈內徑、線圈外徑和線圈間距的影響。磁耦合諧振式無線充電系統主要由高頻電源、發射線圈、接收線圈和負載(無人機電池)等4部分組成。線圈磁耦合電路模型見圖3。

圖3中：US為電源；RL為實際負載經過感應耦合方式折算到接收線圈側的等效負載；C1和C2為電容；D為線圈距離；M為線圈間的互感。

建立圖3所示模型的KVL方程為

圖3 磁耦合諧振式電路模型

(4)

式(4)中：I1和I2分別為流經兩線圈的電流；Z1和Z2分別為發射、接收線圈回路的自阻抗，可表示為

(5)

對于單個盤式諧振器而言，其等效電感值可表示為

(6)

式(6)中：m1～m4為擬合參數，m1=1.0，m2=2.46，m3=0，m4=0.2；μ0=4π×10-7N/A2為真空磁率。

兩線圈參數設計成一致[11]，即R1=R2=R，L1=L2=L，C1=C2=C，則有

式(7)和式(8)中：P為輸出功率；ω為傳輸系統角頻率；η為傳輸效率。

因此，在給定的系統角頻率ω和實際負載RL下，系統傳輸效率僅受互感M和線圈等效內阻的影響。

2.2.3 互感大小

兩同軸放置的線圈間互感的大小利用橢圓積分，按照平均半徑對線圈進行折算，得出

(9)

式(9)中：N1=N2=N為發射/接收線圈的匝數；r1avg=r2avg=ravg為發射/接受線圈的平均半徑。由此，式(9)可轉換為

(10)

2.2.4 線圈等效內阻

由于無人機電池規格一致，因此外接負載不變。在角頻率ω不變的情況下，線圈的等效內阻R由自身等效歐姆電阻Ro和空間散射電阻Ra兩部分組成。

式(13)中：N為線圈的匝數；ravg為線圈的平均半徑；σ為電導率；a為導體半徑。

2.2.5 自諧振頻率

系統要求在工作時線圈處于自身諧振狀態，即線圈的自諧振頻率與電源的頻率應一致。單個線圈的自諧振頻率為

式(14)和式(15)中：Ce為匝間電容；C0為單位弧長上的等效電容值，與系統工作頻率ω，電壓及兩線圈間的間距、介電常數等參數有關。

2.2.6 仿真優化結果

在f=0.5 MHz，Us=36 V，D= 0.02 m的條件下，選取銅線作為材料，線圈繞制導線線徑根據導線所能承受的最大電流值取1 mm，平臺范圍長和寬均為1 m，取ravg=0.1～1.0 m，N=1～15。

根據上述公式，通過MATLAB仿真可得仿真分析結果見圖4。

圖4 仿真分析結果

由圖4可知，當線圈匝數N=6，ravg=0.7 m時，傳輸效率最高為59.3%，但考慮到無人機和平臺尺寸限制，選擇N=6，ravg=0.5 m的線圈參數。

2.3 無人機降落和充電過程設計

四旋翼無人機在特定平臺上自主著陸過程非常復雜，很多因素都會使獲得的無人機的位置信息產生誤差。為使四旋翼無人機能安全準確地著落在特定的著陸平臺上，必須能實時準確地獲取無人機相對于特定平臺的位置信息，這樣無人機的飛行控制器才能更好地控制飛機。視覺著陸系統通過跟蹤識別和跟蹤著陸平臺上的視覺著陸標識來確定著陸區域，利用視覺著陸標識的特征圖形來實時計算出位置參數信息，經測試，這種方法能滿足自主著陸的條件。[12]

采用無人機視覺著陸技術，無人機在航標平臺上的著陸過程主要分為3個階段：第一階段通過北斗衛星導航到航標平臺附近范圍內；第二階段為平移階段，通過視覺著陸系統計算出無人機與平臺間的位置關系，平移到平臺的正上方；第三階段為無人機降落階段，通過無人機攝像頭校準平臺上的視覺著陸標識，使無人機始終保持在平臺的正上方。

無人機降落和充電過程設計的具體技術路線為：

1) 當無人機在長江進行巡航、監管等工作時，岸基終端判斷無人機需進行充電以保證正常工作。

2) 岸基終端在電子海圖上搜索無人機附近區域可供無人機充電的航標。

3) 操作人員分析終端顯示的各航標的有關信息(包括位置信息、環境信息等)，選擇出穩定條件好、可用電量足和距離最近的航標。

4) 通過北斗定位系統，岸基終端指示無人機接近選定航標在電子海圖上的標注位置。

5) 當無人機攝像頭與航標上的降落標志校準時，無人機開始降落；當降落到距離航標平臺0.1 m時，斷電著陸。

6) 無人機降落在充電板上之后，壓敏電阻感應到無人機質量，無線充電系統啟動，為無人機充電。

7) 充足電量之后，岸基控制無人機離開。

3 試驗測試

3.1 試驗條件

為便于進行試驗研究，驗證其可行性，搭建基于智能航標的風光互補供能平臺實物模型(見圖5)，并參照湖北省武漢市長江河段的天氣狀況，在實驗室進行模擬測試，測試環境為：在試驗過程中總輻射光強≥80 mW/cm2，總輻射光強的不穩定度≤±1%；在試驗過程中，平均風速≥3 m/s。測試試驗±1%；在試驗過程中，平均風速≥3 m/s。測試試驗所用裝置為：數顯直流電壓電流功率測試表2塊；數字式萬用表1個；鋰電池專用充電器1個；3S鋰電池(電量耗光)2塊。

圖5 基于智能航標的風光互補供能平臺模型

3.2 測試分析

3.2.1 平臺發電功率測試試驗和供耗能分析

3.2.1.1 平臺發電功率測試試驗

試驗方法：模擬室外光照，風速≥3 m/s，試驗前將儲能裝置的電量耗光，試驗時將數顯直流電壓電流功率測試表接入太陽能-風能發電裝置輸出端，連接儲能裝置，測試并記錄輸出端功率。

表1 太陽能-風能發電功率測試記錄數據

由表1可知，該發電裝置實測可提供最大輸出功率為197.2 W。

3.2.1.2 平臺供耗能分析

平臺的用電需求包括滿足多功能航標用電設備和無人機的充電需求。表2列出多功能航標主要的用電設備工作時的電流值。

表2 航標平臺用電設備工作電流值

由表2可知，多功能航標系統工作時的峰值電流I≈2 100 mA。已知系統工作電壓U=12 V，由此可算出多功能航標系統負載總功率為

P=UI=25.2 W

(16)

武漢段無人機每天大約巡航4次，無人機所配鋰電池的電池容量標準為10 000 mA·h，12.6 V輸出電壓，可得無人機每日用電需求約為

Wu=0.504 kW·h

(17)

根據每個月工作天數的不同，由式(16)和式(17)可估算出航標平臺各月份的用電需求Wd為15～17 kW·h。

風光互補供電系統的發電量用Wt[13]表示為

Wt=Ws+Ww=ηAGt+1/2ρCPDHV3t

(18)

式(18)中：Ws為太陽能所發的電量；Ww為風力發電機所發的電量；η=15%為太陽能電池的轉換效率；A為電池板的面積，m2，所選擇太陽能板面積為1.38 m2；Gt為太陽能板上的總輻射量；ρ為空氣的密度；Cp=40%為風機的功率因數；D=60 cm為風輪直徑；H=40 cm為葉片的高度；V為風速，長江上各月份的平均風速為3～5 m/s；t為風能每天的有效利用小時數，取t=9。

以武漢地區的氣象數據為例，結合式(18)可估算出太陽能各月份的發電量Ws和風能各月份的發電量Ww(見表3和表4)。

表3 太陽能各月份輻射量及發電量 kW·h

表4 江面各月份風速及發電量

由表3和表4可知，航標平臺各月份總發電量Wt為20～32 kW·h，大大超出航標平臺的用電需求，不僅可實現航標的自供能，同時能滿足無人機的充電需求，富余的電量還可儲存在磷酸鐵鋰電池中，進一步保障智能航標平臺的良好運行。

3.2.2 無人機充電試驗

3.2.2.1 縱向傳輸測試

試驗方法：將1塊數顯直流電壓電流功率測試表接入充電裝置的輸入端，在接收端輸出端口空載條件下，用萬用表測試輸出端兩端電壓，記錄不同垂直距離對應的電壓值(接收輸出端為整流濾波直流輸出端)。

縱向傳輸測試數據見表5。由表5可知，當充電裝置輸入端和輸出端的垂直距離取2 cm時，輸出端得到的輸出電壓最大。

表5 縱向傳輸測試數據

3.2.2.2 傳輸范圍測試

試驗方法：將1塊數顯直流電壓電流功率測試表接入充電裝置的輸入端，取垂直距離為固定值2 cm，以線圈中心為起點，以5 cm為間隔，逐次移動充電接收裝置，在接收端輸出端口空載條件下，用萬用表測試輸出端兩端電壓，并記錄距線圈中心不同距離所對應的電壓值(接收輸出端為整流濾波直流輸出端)。

傳輸范圍測試數據見表6。由表6可知，隨著充電接收裝置距中心偏移距離的增大，所得到的輸出電壓不斷減小。由此可知，在線圈中心處得到的輸出電壓最大。

表6 傳輸范圍測試數據

3.2.2.3 傳輸效率測試

試驗方法：將一塊數顯直流電壓電流功率測試表接入充電裝置的輸入端，將另一塊數顯直流電壓電流功率測試表接在充電裝置輸出端與電池之間，將電池接入充電電路，取固定垂直距離2 cm，距線圈中心0 cm(即接收線圈與發送線圈中心對齊)，以10 min為間隔，記錄不同時間功率測試表的功率讀數。傳輸效率可表示為

(19)

式(19)中：η為傳輸效率；Pout為輸出功率；Pin為輸入功率。由此可得出無人機充電效率見表7。

表7 傳輸效率測試數據

由表7可知，該平臺在垂直距離2 cm位于中心時可達到最大傳輸效率45.3%，可滿足無人機充電需求。

3.2.3平臺整體結構的穩定性試驗

利用SolidWorks構建航標整體結構模型并將其導入到連續介質力學數值軟件STAR-CCM+中。模擬長江在正常天氣情況下的風、浪、流等條件，建立計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型，得到結果見圖6。

a) 馬赫數分布圖

b) 水壓力分布曲線圖

由圖6可知，在流速5 m/s，風速5 m/s，波高1 m，波長15 m的條件下，流體壓力大多分布在燈標船的船首兩側及船尾處(回波)。因此，在燈標船的船首兩側和船尾處固定舭龍骨之后，在武漢理工大學船舶與水動力試驗室平臺上進行測試，通過造波機試驗得出的搖擺角曲線見圖7。

圖7 搖擺角曲線

由圖7可知，在正常天氣條件下，平臺搖擺最大角度為15°。通過傾斜試驗測試無人機與充電板的摩擦力，當平臺搖擺角達到39°之后將發生相對滑動。因此，該平臺能滿足無人機停放的穩定性需求(在惡劣天氣條件下，無人機不出航)。

4 結束語

本文針對當前海事無人機續航能力不足的問題，研究一種可在長江上供無人機充電的航標平臺。對平臺的各部分組成及其設計進行論述，通過試驗測試證明其實際可行性。該研究對解決水上交通領域無人機巡航供能問題及優化巡航路線具有一定的參考意義。

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Wind-SolarComplementaryEnergySupplyPlatformBasedonIntelligentBeacon

ZHOUChunhui1,2，ZHANGXuancheng1，HUANGHongxun1，WANZhipeng1，MAWeihao1，CHENMingzhang1

(1. School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology, Wuhan 430063, China)

Current unmanned aerial vehicles for maritime cruise, search and rescue, law enforcement and other tasks suffer from insufficient endurance capacity. A new UAV wireless power supply platform of wind-solar complementary type is proposed. The wind and solar power generation devices, energy storage devices and UAV charging devices of the platform are described in detail. The efficiency and the overall stability of the platform are verified through tests. The tests show that under normal circumstances, the energy supply platform can provide safe parking and charging for UAVs. The maximum transmission efficiency is about 45.3%. The platform also features low temperature charging.

beacon; UAV cruise; wireless charging; wind-solar complementation; transmission efficiency

2017-11-28

國家自然科學基金(51679180;51579204;51709218);武漢理工大學國家級大學創新創業訓練計劃資助(20171049712013)

周春輝(1978—)，男，湖北松滋人，副教授，博士，研究方向為交通安全仿真。E-mail:chunhui@whut.edu.cn

1000-4653(2018)01-0013-06

U675.7

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