無線充電技術(shù)在無人機(jī)航拍時電量不足的研究

黃志都，崔志美

廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣西 南寧 530000

0 引言

輸電線路的人工巡檢模式受復(fù)雜地形、復(fù)雜氣候環(huán)境、輸電距離等因素的制約，已不能滿足當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)展的需求，且工作效率不高[1]。隨著無人機(jī)技術(shù)在輸電線路巡檢工作中的運(yùn)用，解決了采用人工巡檢的一些弊端，提高了巡檢效率和精度。但是，無人機(jī)因體積、重量、電池的限制，其續(xù)航能力不能滿足長距離、大范圍的巡線要求，只能通過多有線式、無線式的充電方法解決，對比二者，無線式充電方法優(yōu)勢明顯[2-3]。

香港城市大學(xué)采用變距離發(fā)射圈機(jī)構(gòu)，研制了一種無人機(jī)充電的高效無線電能傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作頻率為370 kHz，在150 mm的距離可以傳輸170 W的功率，效率在90%以上。在側(cè)移60 mm的范圍內(nèi)，效率可達(dá)86%以上[4]。馬秀娟等[2]提出的運(yùn)用WPT系統(tǒng)耦合原理，在無人機(jī)起落架底端裝設(shè)接收線圈，通過小型鐵氧體磁性增強(qiáng)了系統(tǒng)的耦合系數(shù)和傳輸效率。系統(tǒng)在30 mm偏移范圍內(nèi)，無線充電傳輸功率達(dá)到80 W。從已有的研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前無人機(jī)無線充電系統(tǒng)傳輸距離基本在10 cm、充電功率在100 W左右[5]。為了適應(yīng)當(dāng)前清潔能源利用的背景，文章提出一種基于WPT原理設(shè)計的太陽能無線充電技術(shù)，為無人機(jī)航拍時電量不足提供電能補(bǔ)給，延長其續(xù)航能力和擴(kuò)大作業(yè)范圍。

1 磁場耦合式WPT工作原理及組成

WPT（Wireless Power Transfer）是無線電能傳輸?shù)暮喎Q，又叫非接觸電能傳輸，研究、應(yīng)用較為廣泛的是磁場耦合式WPT，其主要分為感應(yīng)式和諧振式，二者相比，磁耦合諧振式WPT具有傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)[6]。磁耦合諧振式WPT的工作原理如圖1所示。輸出端和接收端均由電容器和線圈組成，在各自的空間內(nèi)產(chǎn)生磁場并發(fā)生振蕩，輸出端與接收端頻率相同，當(dāng)電場能與磁場能在相同頻率下發(fā)生振蕩時，進(jìn)行能量的相互傳遞，形成磁耦合式諧振系統(tǒng)。

圖1 磁耦合諧振式 WPT工作原理

2 充電裝置設(shè)計

目前太陽能充電裝置通常采用蓄電池儲能充電，采用直流信號作為系統(tǒng)的接入信號，通過正弦波信號傳遞給發(fā)生器，最后通過功放產(chǎn)生的高頻信號再傳至輸出線圈。基于磁耦合諧振式無線電能傳輸機(jī)理，設(shè)計出一種無人機(jī)太陽能無線充電裝置，該裝置設(shè)計原理如圖2所示[7]。該裝置電路部分振蕩信號通過NE555芯片轉(zhuǎn)換，再通過MOSFET管增強(qiáng)頻率信號，然后傳至發(fā)射端的終端，供接收端接收。

圖2 無人機(jī)太陽能無線充電原理圖

3 傳輸效率試驗(yàn)

為了確認(rèn)裝置的傳輸效率，采用AC/DC適配器、5 V輸出電壓、0.55 A輸出電流進(jìn)行試驗(yàn)，將發(fā)射端線圈與接收端線圈在同軸中心線上相對布置，通電穩(wěn)壓后開始測試數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如表1～表4所示。從表1～表4中可看出，線圈匝數(shù)、直徑、距離對該磁耦合諧振式WPT有一定的影響。在同等條件下，線圈匝數(shù)越多，傳輸效率越高；距離越近，傳輸效率越高；線徑越小，傳輸效率越高。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)際情況，最終線圈匝數(shù)確定為12匝，直徑為1.3 mm。

表1 相同線圈不同距離對效率的影響（1mm銅線）

表4 相同距離接收端不同直徑效率的影響（3cm）

表2 相同匝數(shù)不同直徑對效率的影響（6匝）

表3 不同匝數(shù)相同直徑對效率的影響（1mm）

4 裝置測試結(jié)果

該裝置設(shè)計、組裝、調(diào)試結(jié)束后，對其進(jìn)行測試，選用某型無人機(jī)進(jìn)行航線規(guī)劃，對某10 kV輸電線路進(jìn)行航拍，無人機(jī)電量不足時，運(yùn)用該裝置對無人機(jī)進(jìn)行充電。首先用太陽能給蓄電池充電，太陽能光伏板輸出電壓為18 V，在蓄電池電壓達(dá)到16 V自動斷開；當(dāng)無人機(jī)電量不足時，蓄電池對無人機(jī)進(jìn)行充電，充電完成后無人機(jī)繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，此時，系統(tǒng)檢測到蓄電池電量不足時，太陽能光伏板自動給蓄電池充電，直到蓄電池電壓大于16 V自動切斷。測試結(jié)果結(jié)果表明，該充電裝置運(yùn)行穩(wěn)定，可解決無人機(jī)航拍時電量不足的問題，同時，就地取材，充分利用了太陽能。

5 結(jié)束語

文章基于耦合諧振WPT原理設(shè)計了一種無人機(jī)無線充電裝置，通過試驗(yàn)得出，其效率受線圈匝數(shù)、直徑、距離的影響較大，并確定了最終的線圈匝數(shù)和直徑。通過實(shí)際運(yùn)用，證明了該裝置運(yùn)行穩(wěn)定，可解決無人機(jī)航拍電量不足的問題。