無人機無線充電改造與應用

湯世彬 高舉 姚東

[摘? ? 要 ]由于無人機無線充電在實際應用中電能轉換效率較低，為此提出無人機無線充電改造與應用。在無人機無線充電改造方面，首先根據共振線圈之間的互感、負載與傳輸功率參數在數學上存在線性關系，對無人機無線充電傳輸功率參數改造，然后在無人機無線充電接收裝置、發射裝置添加鐵氧體磁芯，完成對無人機無線充電裝置改造，最后通過對無線充電線圈纏繞方式和繞線匝數的變化，實現無人機無線充電改造。對于改造后無線充電方法的應用，首先利用接收裝置通過對周圍磁場分析接收到太陽能，然后將太陽能轉換為電能，最后根據耦合系數確定無人機充電需求，對其進行充電，以此實現無人機無線充電改造與應用研究。

[關鍵詞]無人機;無線充電改造;傳輸功率參數;鐵氧體磁芯;線圈纏繞方式

[中圖分類號]TM76 [文獻標志碼]A [文章編號]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

無人機（pilot-less airplane）又稱無人駕駛飛機，其是一種通過無線電實時遙控或者根據事先編程好的程序來控制的、搭載多個功能設備執行任務的航空器，隨著科技的不斷進步，無人機開始朝向智能化、數字化方向發展， 由于具有價格低廉、操作靈活、生存率高、適應性能強等諸多優點，已經被廣泛應用到軍事、運用、科研等眾多領域中。在評價無人機使用性能的眾多指標中，無人機的續航能力是其中一項非常重要的指標，對于一架無人機而言，超強的續航能力意味著其能夠可持續地執行任務。從能源角度出發，增加無人機續航能力的方法主要有兩種，一種是攜帶大容量電池，在無人機機身上裝置一個超大容量的電池為無人機提供充足的電源，這種方法雖然能夠有效提高無人機續航能力，但是由于目前蓄電池技術存在一定缺陷，蓄電池的電容量增大就意味著蓄電池的體積和重量增大，這將會增加無人機的飛行重量，降低無人機的靈活性，所以這種方法目前是不可取的;另一種方法是無線充電，在無人機機身上裝置一個小型的太陽能電池板，通過該電池板接收太陽能，并將太陽能再轉化為電能為無人機提供電源，理論上這種無線充電的方法可以實現無人機“永久”飛行，但是目前該方法還存在一定的缺陷，太陽能電池板的儲能系統能量密度較小，并且電能轉換效率較低，無法滿足無人機穩定、持續供電需求，為此提出無人機無線充電改造與應用。

1 無人機無線充電改造

針對無人機無線充電存在的問題，對無人機無線充電傳輸功率參數、無線充電裝置、無線充電線圈三方面進行改造：（1）通過對無人機無線充電傳輸功率參數改造，使無人機無線充電傳輸功率最大化;（2）通過對無線充電發射裝置、接收裝置的改造，提高無線充電裝置電磁感應性能;（3）通過對無人機無線充電線圈繞線方式和繞線匝數的改造，提高接收線圈和發射線圈互感值和自感值的穩定性，以此提高無人機無線充電電能轉換效率，保證無人機供電系統的穩定性、安全性，以下將對此次提出的無人機無線供電改造方案進行詳細說明。

1.1 無人機無線充電傳輸功率參數改造

無人機無線充電功率的傳輸能力主要受到發射線圈自感w、發射線圈與共振線圈的互感g、共振線圈之間的互感k、無人機飛行姿態b以及無線充電負載m影響，為了保證無人機無線充電功率的傳輸性能，對其功率參數進行改造。通常情況下，無人機在太陽能拾取時為了維持接收端與發射端相對靜止會對飛行姿態進行不斷調整，所以以上參數中共振線圈之間的互感參數和負載參數是動態變化的，其余參數是可以通過實現確定保持不變的。在其他參數固定不變的情況下，無人機無線充電的傳輸功率會在一定的范圍內發生變化，所以很難保證無線供電始終在最大功率點。在理想情況下，即無人機無線供電始終在最大功率點，當無人機在懸空狀態下進行無線充電時，共振線圈之間互感參數和負載參數是不變的，假設這個狀態點為（k1，m1）。但是實際與理想是存在差距的，如果能夠使無人機無線充電在狀態點（k1，m1）時傳輸功率達到最大，共振線圈之間互感參數和負載參數在變化范圍內的傳輸功率也會增大，所以無人機無線充電傳輸功率參數的改造問題可以轉化為理想狀態（k1，m1）下傳輸功率最大化問題。根據以上分析，將無人機無線充電共振線圈之間的互感參數變化范圍改造為0.05～0.15 μH之間，將無人機無線充電負載變化范圍改造為1.5～5.5 Ω，由于這兩個參數會對傳輸功率參數具有一定影響，根據共振線圈之間的互感、負載與傳輸功率參數在數學上存在線性關系，利用以下公式求出改造后的傳輸功率參數值：

式（1）中，p為無人機無線充電傳輸功率參數值;M為傳輸功率最大時的共振線圈互感系數。利用式（1）實時計算出共振線圈之間的互感與負載變化浮動時傳輸功率，以此完成無人機無線充電傳輸功率參數改造。

1.2 無人機無線充電裝置改造

無人駕駛飛機無線充電裝置的安裝位置決定了無線充電磁場的分布，影響著無線充電系統的電能傳輸和耦合能力，傳統無線充電裝置安裝位置不合理，且部分設備種類、體積過大，為提高無線充電系統的工作性能，對無人機無線充電裝置進行改造。無線充電主要由發射裝置和接收裝置所組成，將發射裝置中的發射線圈電流走向改造為相反走向，將發射線圈中的一個平面螺旋線圈電流走向改為逆時針走向，另一個平面螺旋線圈電流走向改為順時針走向，相反的電流走向可以為無人機無線充電發射裝置內部存在兩個磁場，一個磁場平行發射線圈平面向左，另一個磁場平行發射線圈平面向右，使無人機無線充電發射裝置具有雙級性特征，相對于傳統的單級性，可以更好地為無人機發射電能。在發射線圈下方增添一個鐵氧體磁芯，鐵氧體磁芯的增加可以有效減小磁路磁阻，提高無人機無線充電裝置的耦合性能，同時還能有效減少無線充電出現漏磁現象。將無線充電的接收裝置安裝在無人機起落架頂端，在接收線圈外側也安裝一個鐵氧體磁芯，通過鐵氧體磁芯接受發射線圈中任意一個平面螺旋線圈發射出的磁通，經由鐵氧體磁芯將其傳遞到接收裝置內部，這樣可以減少磁阻。通過在接收裝置和發射裝置安裝鐵氧體磁芯，會構成無線充電主磁路，將磁通經過接收端的鐵氧體磁芯時，也就經過了無線充電的接收線圈，從而能夠實現能量的無線傳輸，以此完成無人機無線充電裝置改造。

1.3 無人機無線充電線圈改造

線圈是無人機無線充電的一個核心部件，其纏繞方式、形狀和線圈繞線匝數都會影響到線圈互感、自感值，大部分無人機無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磁場的感應能力，但是在實際中這種纏繞方式會使接收線圈和發射線圈互感值和自感值發生波動。因此此次對線圈的纏繞方式進行改造，將線圈纏繞在圓柱形骨架上，并且要保證每根導線都緊密挨著，不留有空隙，這樣可以保證接收線圈和發射線圈互感值和自感值的穩定。其次大部分無人機無線充電線圈繞線匝數在100～120mm之間，繞線長度在250～300 mm之間，對于線圈繞線匝數的確定沒有結合實際無人機無線充電需求，繞線匝數過多會導致電能浪費，繞線匝數過少或導致供電不足，因此對無人機無線充電線圈繞線匝數進行改造，利用公式確定具體線圈繞線匝數值，其計算公式如下所示：

式（2）中，G為線圈繞線匝數值;a為螺旋線圈長度;b為螺旋線圈寬度;c為螺旋線圈繞線寬度;N為真空磁導率;r為線圈導線半徑;n為單股線圈股數。利用式（2）計算出線圈繞線匝數，以此完成無人機無線充電線圈改造，進而實現無人機無線充電改造。

2 應用

通過上文提出的改造方案，對無人機無線充電進行改造，并對改造后的無人機無線充電進行應用，應用過程如下：首先接收裝置通過磁場耦合方式對太陽發射的太陽能進行接收，接收裝置的參數決定了太陽能接收情況，其參數如表1所示。

接收裝置的接收線圈攜帶電磁場，通過對周圍磁場分析，并且對線圈耦合時接收線圈上的太陽能產生電壓，將太陽能進行接收。接收到的太陽能是以脈沖形式存在的，不能對其進行直接使用，需要對其進行電能轉換，將其轉換為可用于無人機充電的電能。能量轉換完成之后，將電能傳輸給發射裝置，發射裝置會對其進行供電。由于持續無人機供電過大，容易出現漏電現象，所以發射裝置根據無人機電能需求對其進行供電，無人機的充電需求利用耦合系數的大小來決定，耦合系數取值范圍在0～1之間，其值越接近1，說明無人機無線傳輸的電能需求量越小。相反耦合系數值越接近0，說明無人機無線傳輸的電能需求量越大，根據耦合系數對無人機進行無線充電，充電公式如下所示：

式（3）中，f為無人機無線充電耦合模型;i為無人機無線供電耦合系數;o為無人機負載的能量衰弱系數;a為接收裝置能量源的簡正模型;s為無人機無線充電發射端能量振幅系數;z為無人機無線充電接收端的能力振幅系數。無線充電發射裝置利用式（3）通過發射線圈將能量傳輸給無人機，為無人機提供充足的電能，以此完成對改造后的無人機無線充電應用，進而完成了無人機無線充電改造與應用研究。

3 結語

綜上所述，對無人機無線充電改造與應用進行了研究，有利于提高無人機無線充電性能，提高無人機續航時間，以及提高無人機無線充電穩定性和安全性，同時實現無人機“永久性”無線充電。此次研究具有一定的現實意義，對無人機無線充電的改造與應用具有良好的借鑒意義，同時也為無人機無線充電改造與應用的相關研究提供了理論依據。由于此次研究時間以及查閱的參考資料有限，雖然取得了一定的研究成果，但在研究內容上還存在一些不足之處，今后仍會對無人機無線充電改造與應用進行進一步研究。

參考文獻

[1] 夏能弘，朱益民，程志遠，等.基于垂直中繼線圈結構的L形無線充電裝置設計與優化[J].電工技術學報，2019，34（13）：2671-2678.

[2] 馬秀娟，武帥，蔡春偉，等.應用于無人機的無線充電技術研究[J].電機與控制學報，2019，23（8）：1-9.

[3] 劉幗巾，白佳航，崔玉龍，等.基于雙LCL變補償參數的磁耦合諧振式無線充電系統研究[J].電工技術學報，2019，34（8）：1569-1579.

[4] 周志穎，倪樹，李琳琳，等.無人機無線充電基站[J].科技創新與應用，2019（3）：41-42.

[5] 付振勇，王春芳，景馨，等.巡檢機器人無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.無人機無線充電系統的研究與開發[J].中國新通信，2018，20（19）：57-59.

[7] 畢建忠，葉天國.無線充電技術原理及應用淺析[J].電腦知識與技術，2019，15（27）：219-220.

[8] 張迪， 張世杰， 王鏡允，等.自諧振ZVS在無人機無線充電系統中的應用[J].儀表技術與傳感器， 2019（5）：96-99，126.

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

[10] 萬涵.探析基于電磁感應的無線充電技術在無人機中應用的重要性[J].中國戰略新興產業， 2018（22）：171，173.