無人機懸停無線充電技術特征分析

鄧醒明　張浩鋆

摘? ?要：近年來隨著科技的進步，各式各樣的技術層出不窮。目前在電能傳輸方向，無線電能傳輸技術雖然剛剛起步但發展迅速，基于電能傳輸方式和機制的無線電能傳輸技術類型多樣，根據不同場合和負載發展出不同的技術，發展前景良好。而針對無人機領域，懸停無線充電的無線電能傳輸系統也發揮了重要的作用，但因為無人機的特殊性，以及與其他負載相比自身特點的獨特性，還有懸停狀態電能拾取的特殊性，無線電能傳輸系統與常規系統表現出的特征會有差別。因此，無人機懸停系統無線電能傳輸系統的設計應該去區別于常規系統。我們首先對主流無線電能傳輸技術進行研究，結合分析結果我們針對無人機及懸停無線電能傳輸系統進行分析。

關鍵詞：無人機? 無線充電? 傳輸? 能量

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

無人機的航程需要消耗大量的能量，因此如何增加無人機續航里程應該成為我們研究的重中之重?，F在的方法我們分為了兩大類，一種是用更多的電能攜帶進行電能的補給或者進行多次補給。但更多的電能意味著更大的蓄電池，而現在蓄電池技術的發展已經進入停滯不前的階段，想要更多的電池只能增加蓄電池的體積和重量，無人機的優點就在于輕量化以及靈活的機動性能，而過大過重的蓄電池勢必會中和掉一部分的優勢。多次補給意味著無人機需要多次降落到基站甚至回到母港，因為現在的技術僅僅停留在傳統的接觸式電能傳導，如果采用這種方法，不僅會大大縮短無人機的航行里程，而且有一大部分的電能是浪費在了充電的過程中，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，而且對技術方面的要求很高，難以實現。因此在考慮無人機充電方案的時候應該將多種因素都考慮在內，這種方案的研究是有現實意義的。

1? 無線電能傳輸技術簡介

按照能量的傳輸機制我們將無線電傳輸技術分為了三大類：第一，電磁感應式無線電能傳輸技術。該技術基于電磁感應定律，屬于電磁場近場耦合無線電能傳輸技術，該技術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磁材料。該技術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，對于大型的電子設備等該技術的適用性不強。第二，電磁輻射式無線電能傳輸技術。目前該類技術通常采用微波能量傳輸技術和激光能量傳輸技術來實現，相比于上一個技術該技術對于小功率的遠距離傳輸是可以實現的。因為在運行過程中為了保證該技術的傳輸方向需要復雜的跟蹤定位系統，在傳輸過程中不能出現障礙。該技術適用面很小，局限性也很大。第三，磁共振式無線電能傳輸技術。磁共振式無線電能傳輸技術在電磁感應式無線電能傳輸技術的基礎上增加了兩個自身品質因數 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，可以在空間內產生更高強度的磁場，克服了上面兩種技術的缺點，可以進行高效的遠距離傳輸，也屬于電磁場近場耦合無線電能傳輸技術。該技術安全可靠，沒有明顯的方向性所以局限性相比于其他兩種更小，不僅可以進行選舉李傳輸，在一定條件下也可以實現高效的中距離傳輸，傳輸媒介的種類也進行了擴充，非金屬物質也可以進行傳輸，因此產生的影響更小。

2? 無人機懸停無線充電系統特征分析

隨著無線電傳輸技術在生活中的普及，很多領域開始紛紛采用該技術，如：廚房家電，電子產品以及電動汽車等，與無人機相比這些設施的充電和供電系統都有統一的特征，位置相對固定，對于設備的接收端和充電端的相對位置是不變的，而無人機由于本身的特點，在無線電能傳輸系統進行無線充電時，兩者的位置難以保持絕對靜止。因此，無人機懸停系統無線電能傳輸系統的設計應該去區別于常規系統。我們首先對主流無線電能傳輸技術進行研究，結合分析結果我們針對無人機及懸停無線電能傳輸系統進行分析。

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

（1）動態負載。無人機空中完全靜止是不可能實現的，只能通過一定的調整最大限度保持相對靜止，由于電動機的功率是恒定不變的，但充電系統會發生等效負載的變化，即是一個具有動態負載特性的系統。

（2）動態互感。無人機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，對于能量發射裝置會產生一定程度的偏差，不管是垂直還是水平，最終都會導致耦合機構的相對位置發生改變。對于基于無線電能傳輸技術的充電系統則表現為耦合機構之間的互感發生變化，即是一個具有動態互感特性的系統。

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

3? 結語

本文首先介紹了目前主要的無線電傳輸技術，并且分析了各個技術的優缺點，結合已有的技術我們對無人機懸停無線充電系統進行了分析，得出了其特征：弱耦合、動態互感和動態負載。

參考文獻

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