多旋翼無人機(jī)無線充電技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢

武 帥 蔡春偉 陳 軼 柴文萍 楊世彥

多旋翼無人機(jī)無線充電技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢

武 帥1,2蔡春偉1陳 軼3柴文萍1楊世彥2

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）新能源學(xué)院 威海 264209 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院 哈爾濱 150001 3. 中國人民解放軍92578部隊(duì) 北京 100161）

多旋翼無人機(jī)在多領(lǐng)域的應(yīng)用，使得無人機(jī)無線充電技術(shù)備受關(guān)注。該文對多旋翼無人機(jī)無線充電技術(shù)進(jìn)行了綜述。首先，總結(jié)了無人機(jī)無線充電技術(shù)的三種不同結(jié)構(gòu)和原理；然后，重點(diǎn)對磁場耦合式和電場耦合式無人機(jī)無線充電技術(shù)近期研究成果和相關(guān)的熱點(diǎn)問題進(jìn)行了闡述，主要分為耦合機(jī)構(gòu)和錯位應(yīng)對方案研究；最后，對多旋翼無人機(jī)無線充電技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，論述了亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

多旋翼無人機(jī) 無線充電 耦合機(jī)構(gòu) 錯位

0 引言

近年來，無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicles, UAV）在民用和軍事領(lǐng)域都扮演了重要角色。根據(jù)機(jī)體結(jié)構(gòu)，無人機(jī)可以分為固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)三種，如圖1所示[1]。其中，多旋翼無人機(jī)具有速度可控、垂直起降、精準(zhǔn)懸停等優(yōu)勢，已在農(nóng)林植保、運(yùn)輸配送、偵查監(jiān)視等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。盡管隨著多旋翼無人機(jī)性能的不斷提升，在多領(lǐng)域都展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，但其續(xù)航及電能補(bǔ)給問題一直未得到有效改善。在動力電池能量密度無法取得突破性研究進(jìn)展的前提下，多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)通常只能續(xù)航20～40min。有限的續(xù)航時(shí)間造成多旋翼無人機(jī)僅能執(zhí)行短距離和小范圍作業(yè)任務(wù)，嚴(yán)重限制了多旋翼無人機(jī)的應(yīng)用。此外，伴隨著無人機(jī)巡檢和作業(yè)向著無人值守化方向發(fā)展，這對無人機(jī)自主電能補(bǔ)給技術(shù)提出了新的要求。

圖1 無人機(jī)結(jié)構(gòu)分類

目前，解決無人機(jī)續(xù)航問題的傳統(tǒng)方案主要有以下三種：第一種是在無人機(jī)上搭載太陽電池實(shí)現(xiàn)能量自持，如國內(nèi)的“彩虹”太陽能無人機(jī)[2]，如圖2a所示，機(jī)翼上的太陽電池在巡航時(shí)收集并儲存電能，但該方案僅適用于具有超大機(jī)翼的固定翼無人機(jī)。第二種方案是利用基站的機(jī)械手為無人機(jī)更換滿電電池[3]，具有操作效率高的優(yōu)勢，但需要改造無人機(jī)，還需要精密的機(jī)械與控制裝置。第三種方案是采用接觸式自主充電平臺，如圖2b所示[4]。無人機(jī)上布置了裸露的金屬電極，同時(shí)充電平臺也由裸露的金屬電極組成。無人機(jī)降落至充電平臺時(shí)，發(fā)射端和接收端的裸露電極直接接觸，組成導(dǎo)電回路。該方案具有效率高、成本低的優(yōu)勢，然而裸露電極存在磨損老化、野外環(huán)境應(yīng)用時(shí)易短路和斷路的問題。因此，還亟須一種安全、可靠、自動化程度高的新型無人機(jī)電能自主補(bǔ)給方案。

圖2 太陽能無人機(jī)和接觸式無人機(jī)充電平臺

無線充電技術(shù)具有安全、靈活等優(yōu)勢，在粉塵、水下等惡劣工況以及無人值守的場合具有獨(dú)特的優(yōu)勢[5-7]。無線充電技術(shù)應(yīng)用在無人機(jī)領(lǐng)域（后文中所涉及無人機(jī)均特指多旋翼無人機(jī)），能夠有效提升無人機(jī)作業(yè)范圍，并且滿足無人機(jī)無人值守化的任務(wù)需求，因此無人機(jī)無線充電技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，無人機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，使得耦合器設(shè)計(jì)更加困難；無人機(jī)搭載能力極為受限；無人機(jī)抗電磁干擾能力弱，而且無人機(jī)無線充電系統(tǒng)的機(jī)載側(cè)有盡可能不使用鐵氧體、鋁板材料的要求，需要無線充電系統(tǒng)具有好的漏磁自約束能力，這些需求極大地增加了無人機(jī)無線充電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度。

無人機(jī)無線充電技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)智能無人化系統(tǒng)最后一步的關(guān)鍵助力，獲得了國內(nèi)外團(tuán)隊(duì)的深入研究，已取得一系列成果。本文對當(dāng)前無人機(jī)無線充電技術(shù)方面所取得的主要研究成果進(jìn)行了綜述，歸納和總結(jié)了當(dāng)前各種技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，討論了有待深入解決的問題以及應(yīng)用發(fā)展趨勢。

1 無人機(jī)無線充電技術(shù)及原理

根據(jù)所采用物理原理的不同，無人機(jī)無線充電系統(tǒng)主要分為磁場耦合式、電場耦合式和電磁輻射式。本部分將圍繞這三種無線充電的技術(shù)及原理、系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行闡述，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 磁場耦合式無人機(jī)無線充電技術(shù)

磁場耦合無線充電系統(tǒng)基于近場的磁場耦合原理，典型系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示，主要包含高頻逆變、補(bǔ)償、耦合機(jī)構(gòu)、整流及功率調(diào)節(jié)等部分[8]。由于近場耦合的傳輸距離較近（cm級），該技術(shù)方案適用于無人機(jī)定點(diǎn)降落后的充電；而小的磁場作用范圍也確保了耦合線圈之間更容易建立強(qiáng)耦合關(guān)系，易于實(shí)現(xiàn)高功率密度設(shè)計(jì)。

圖3 磁場耦合式無人機(jī)無線充電系統(tǒng)原理圖

1.2 電場耦合式無人機(jī)無線充電技術(shù)

電場耦合式無人機(jī)無線充電技術(shù)基于近場電場耦合，其原理圖如圖4所示[9]。耦合機(jī)構(gòu)由四塊薄金屬板/箔構(gòu)成，具有成本低、質(zhì)量輕等優(yōu)勢。由于電場耦合式無人機(jī)無線充電系統(tǒng)同樣基于近場耦合原理，因此也更適用于無人機(jī)定點(diǎn)降落后短距離充電的場合。

圖4 電場耦合式無人機(jī)無線充電系統(tǒng)原理圖

1.3 電磁輻射式無人機(jī)無線充電技術(shù)

電磁輻射無線充電技術(shù)是一種遠(yuǎn)場輻射電磁波的電能傳輸方式，主要包含激光式和微波式。激光無線充電系統(tǒng)如圖5a所示[10-11]，發(fā)射器向外發(fā)出激光束，在瞄準(zhǔn)控制器的控制下激光束跟隨無人機(jī)；搭載激光接收系統(tǒng)的無人機(jī)實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)距離傳輸?shù)募す馐芰拷邮铡１M管該方案無需無人機(jī)起降操作也可滿足大功率充電需求，但是高成本和高危險(xiǎn)性令其無法在城市環(huán)境中使用。

圖5 激光與微波式無人機(jī)無線充電原理圖

微波式無人機(jī)無線充電如圖5b所示。微波無線充電同樣是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電的重要手段[12]。早在1969年美國雷神公司就開發(fā)出供無人機(jī)使用的微波式無線電能傳輸系統(tǒng)[13]，基站利用聚焦天線向特定空域發(fā)射微波束，無人機(jī)在距離基站15 m處利用陣列接收天線拾取270 W電能，效率約5.4%。然而，微波式無線充電是一種輻射傳能方案，傳輸效率低，目前還無法依靠該技術(shù)作為無人機(jī)電能補(bǔ)給的常用手段。

圖6總結(jié)了無人機(jī)無線充電技術(shù)方案：電磁輻射式無線充電技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對飛行中的無人機(jī)動態(tài)充電，但功率等級、效率、安全性、成本等問題目前無法妥善兼顧；磁場耦合式和電場耦合式無線充電技術(shù)具有傳輸功率大、傳輸效率高、安全性好等明顯優(yōu)勢，是當(dāng)前無人機(jī)無線充電技術(shù)研究的熱點(diǎn)。下文將圍繞磁場耦合式和電場耦合式無人機(jī)無線充電技術(shù)，對相關(guān)的研究成果和熱點(diǎn)問題詳細(xì)論述。

圖6 無人機(jī)無線充電技術(shù)分類與特點(diǎn)

2 磁場耦合和電場耦合無人機(jī)無線充電研究成果與熱點(diǎn)問題

2.1 國內(nèi)外近期研究成果

國外開展磁場耦合和電場耦合無人機(jī)無線充電技術(shù)研究的科研機(jī)構(gòu)主要有英國帝國理工學(xué)院、意大利拉奎拉大學(xué)、韓國KAIST、美國WiBotic公司和日本九州大學(xué)等。國內(nèi)進(jìn)行無人機(jī)無線充電技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)主要有華南理工大學(xué)、武漢大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。相關(guān)研究主要集中在耦合機(jī)構(gòu)、電磁泄漏與屏蔽和抗偏移等方面。

英國帝國理工學(xué)院[8,14]和意大利拉奎拉大學(xué)[15]研究團(tuán)隊(duì)在磁場耦合機(jī)構(gòu)和抗偏移方面開展了大量研究工作，基于大對小線圈結(jié)構(gòu)有效提升了抗偏移性能；韓國KAIST團(tuán)隊(duì)[9,16]針對磁場耦合機(jī)構(gòu)、電場耦合機(jī)構(gòu)及電磁泄露方面開展了深入研究，提出系列新穎的線圈和極板結(jié)構(gòu)；美國WiBotic公司[17]在輕量化的磁耦合機(jī)構(gòu)方面開展了研究工作，提出一種輕量化線圈結(jié)構(gòu)；日本九州大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[18]在電場耦合機(jī)構(gòu)方面開展了深入研究。

華南理工大學(xué)張波教授團(tuán)隊(duì)[19]在磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模與控制方面開展了系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)耦合系數(shù)動態(tài)變化下的穩(wěn)定功率傳輸；武漢大學(xué)的王軍華教授團(tuán)隊(duì)[20-21]在磁耦合機(jī)構(gòu)和抗偏移方面開展了深入研究，提出一種多線圈發(fā)射平臺；哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱春波教授團(tuán)隊(duì)[22-23]基于圓盤對圓盤的磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了500 W無人機(jī)無線充電系統(tǒng)，并深入研究了耦合機(jī)構(gòu)的磁場分布及碳纖維機(jī)身對充電系統(tǒng)的影響；哈爾濱工業(yè)大學(xué)蔡春偉教授團(tuán)隊(duì)[24-27]提出應(yīng)用于無人機(jī)的交叉型磁耦合機(jī)構(gòu)，基于發(fā)射側(cè)功率控制和位置輔助矯正裝置設(shè)計(jì)了100～600W多功率等級的無人機(jī)無線充電系統(tǒng)。

表1從傳輸功率、效率、耦合器結(jié)構(gòu)、偏移容忍度等方面總結(jié)了近年來國內(nèi)外關(guān)于磁場耦合式和電場耦合式無人機(jī)無線充電技術(shù)研究成果。從表1可知，國內(nèi)外關(guān)于無人機(jī)無線充電已取得較大進(jìn)展，傳輸功率在8～600 W之間，基本能實(shí)現(xiàn)大于90%的傳輸效率。此外，國內(nèi)和國外對于磁場耦合式無人機(jī)無線充電技術(shù)方面差距較小，但國內(nèi)在電場耦合式無人機(jī)無線充電技術(shù)方面尚無標(biāo)志性研究成果。

表1 國內(nèi)外主要科研機(jī)構(gòu)關(guān)于磁場耦合式和電場耦合式無人機(jī)無線充電研究成果

Tab.1 The research progress of magnetic field coupling and electric field coupling wireless charging for unmanned aerial vehicle of the major research institutions and enterprises

注：上標(biāo)“①”表示耦合器效率；上標(biāo)“②”表示DC-DC效率；上標(biāo)“③”表示DC-電池效率；上標(biāo)“④”表示發(fā)射線圈尺寸；上標(biāo)“⑤”表示接收線圈尺寸；上標(biāo)“⑥”表示允許無人機(jī)落點(diǎn)偏移充電平臺中心的距離；上標(biāo)“⑦”表示允許的無人機(jī)降落方向偏差。

2.2 研究熱點(diǎn)問題

無人機(jī)結(jié)構(gòu)異型、搭載能力受限，設(shè)計(jì)對無人機(jī)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕、耦合能力強(qiáng)的高性能耦合機(jī)構(gòu)，成為無人機(jī)無線充電面臨的一個關(guān)鍵問題；無人機(jī)降落后可能出現(xiàn)的偏移距離遠(yuǎn)大于機(jī)身尺寸，大范圍錯位下的可靠充電成為無人機(jī)無線充電亟待解決的另一個關(guān)鍵問題。針對以上兩個問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量針對性研究，但尚未有對這兩方面研究成果的系統(tǒng)性總結(jié)。為此，本文將對無人機(jī)無線充電磁耦合機(jī)構(gòu)和錯位應(yīng)對方案成果進(jìn)行系統(tǒng)的分析與綜述，以期為無人機(jī)無線充電技術(shù)的研究和應(yīng)用提供參考。

2.2.1 無人機(jī)無線充電的耦合機(jī)構(gòu)研究

耦合機(jī)構(gòu)是無線充電系統(tǒng)中能量耦合的核心部件，決定了系統(tǒng)的磁/電場分布、耦合效果及傳輸性能，其設(shè)計(jì)嚴(yán)格受限于應(yīng)用對象和應(yīng)用環(huán)境。其中，磁場耦合機(jī)構(gòu)由線圈、磁性材料和屏蔽材料構(gòu)成，而電場耦合機(jī)構(gòu)由金屬極板和外部絕緣材料構(gòu)成。由于無人機(jī)的結(jié)構(gòu)特殊，而且對接收裝置的體積、質(zhì)量和安裝位置有嚴(yán)格的限制，這使得耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成為無人機(jī)無線充電技術(shù)研究的難點(diǎn)。

1）磁場耦合機(jī)構(gòu)

磁場耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮線圈結(jié)構(gòu)和裝配位置兩方面。無人機(jī)主要包含機(jī)身、起落架和外圍機(jī)載設(shè)備三部分，根據(jù)接收線圈的裝配位置，磁場耦合機(jī)構(gòu)可分為裝在無人機(jī)機(jī)身、無人機(jī)機(jī)身腹部以及起落架上三類，具體分析如下。

考慮到盡可能不增加無人機(jī)負(fù)重且不改變無人機(jī)外形，英國帝國理工學(xué)院學(xué)者提出用空心接收線圈替代無人機(jī)防撞架，如圖7所示[8, 28]。發(fā)射端采用圓盤形發(fā)射線圈，接收線圈采用類圓盤形的接收線圈。此結(jié)構(gòu)是一種軸對稱結(jié)構(gòu)，接收端相對軸心旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出效果一致。然而，由于接收線圈處于和無人機(jī)機(jī)身相同的高度，大量磁通會穿過機(jī)身，對無人機(jī)形成強(qiáng)電磁干擾。

圖7 裝在無人機(jī)機(jī)身四周的圓盤式磁場耦合機(jī)構(gòu)

華南理工大學(xué)[19]、武漢大學(xué)[20]、清華大學(xué)[29]、青島理工大學(xué)[30]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[22-23]、馬來西亞國民大學(xué)[31]等團(tuán)隊(duì)采用將平行式圓形接收線圈放置于無人機(jī)機(jī)身腹部的方案，如圖8所示。通過縮短接收線圈與發(fā)射平面之間的氣隙有效提升耦合效果，該方案對于各種外形的無人機(jī)都具有好的適用性。然而，文獻(xiàn)[32]對該類型機(jī)構(gòu)的磁場研究中發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)機(jī)身同樣會遭受強(qiáng)漏磁干擾。文獻(xiàn)[22] 通過在接收線圈上方安裝鋁屏蔽環(huán)，有效遏制了漏磁干擾。然而，無人機(jī)腹部通常會搭載云臺等外圍設(shè)備，該類型機(jī)構(gòu)會阻礙這些外圍設(shè)備的安裝。

圖8 裝在無人機(jī)機(jī)身腹部的圓形磁場耦合機(jī)構(gòu)

文獻(xiàn)[33-34]提出一種將平行矩形盤式接收線圈放置于起落架底端的方案。大矩形接收線圈如圖9a所示，發(fā)射端和接收端之間的距離被進(jìn)一步壓縮，然而起落架底端的接收平面勢必會增加風(fēng)阻。

圖9 裝在無人機(jī)起落架底端磁場耦合機(jī)構(gòu)

美國WiBotic公司提出在起落架底端放置小型圓盤接收線圈的方案，小型圓盤接收線圈如圖9b所示[17]。該方案的體積小、質(zhì)量輕，但耦合面小、線圈匝數(shù)少，僅適用于小功率場合。韓國KAIST提出一種垂直螺線管的接收裝置，如圖9c所示[16, 35]。該接收裝置安裝在無人機(jī)起落架底端，配合鐵氧體的使用，有效降低了系統(tǒng)漏磁。但是，含鐵氧體的接收裝置易在無人機(jī)降落過程中損壞，而且該結(jié)構(gòu)還需要改造無人機(jī)起落架。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)者針對無人機(jī)特殊外形，提出交叉型磁場耦合機(jī)構(gòu)線圈結(jié)構(gòu)，如圖9d所示[25,36]。發(fā)射端采用雙極性線圈結(jié)構(gòu)，接收線圈沿著起落架的框架繞制，具有質(zhì)量輕、對無人機(jī)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[25]的樣機(jī)系統(tǒng)成功對500 W無人機(jī)實(shí)施無線充電，整機(jī)效率90.8%。該團(tuán)隊(duì)還通過添加柔性磁材料，進(jìn)一步壓縮接收線圈的體積和質(zhì)量[26]。盡管交叉型耦合機(jī)構(gòu)在大、小功率場合都具有適用性，但對錯位的適應(yīng)性較差。

表2從傳輸功率、抗偏移性、電磁安全等方面對比了典型無人機(jī)磁場耦合機(jī)構(gòu)。大型平行盤式耦合機(jī)構(gòu)具有易安裝、可傳輸功率大等優(yōu)勢，但漏磁干擾強(qiáng)；小型平行盤式磁場耦合機(jī)構(gòu)僅在小功率場合具有適用性；螺線管式磁結(jié)構(gòu)需改造無人機(jī)結(jié)構(gòu)；交叉型磁場耦合機(jī)構(gòu)的耦合能力強(qiáng)、可傳輸功率大，但抗偏移能力弱。綜合上述分析，國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)已針對無人機(jī)無線充電的磁場耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)開展了的大量研究工作，提出一系列有的放矢的技術(shù)方案，但發(fā)展尚不成熟，還需加強(qiáng)該方面的研究，進(jìn)一步提升磁場耦合機(jī)構(gòu)性能。

表2 典型無人機(jī)無線充電的磁場耦合機(jī)構(gòu)對比

Tab.2 Comparison of typical magnetic coupler for UAV wireless charging

2）電場耦合機(jī)構(gòu)

隨著電力電子器件高頻性能的不斷提升，有學(xué)者開始嘗試?yán)秒妶鲴詈显黹_發(fā)無人機(jī)無線充電系統(tǒng)。耦合電容值是決定電場耦合無線充電系統(tǒng)功率和效率的重要參數(shù)，而極板耦合電容值為

式中，為極板間隙填充材料介電常數(shù)；為兩極板的相對面積；為板板間距。可以得到，增加耦合電容可以考慮增大有效耦合面積、縮短間距及增大介質(zhì)介電常數(shù)三個方面[37]。基于此原理，衍生出兩種系統(tǒng)性能提升方案。第一種是縮短極板間距并且采用高介電常數(shù)的傳輸介質(zhì)。日本九州大學(xué)學(xué)者[18, 38]利用覆蓋聚酯薄膜的鋁板作為發(fā)射極板，放置于起落架底端的四塊方形金屬片作為接收極板，研發(fā)了電場耦合無人機(jī)無線充電系統(tǒng)，如圖10所示。該方案可以將極板間距縮減到1mm以下，樣機(jī)系統(tǒng)傳輸功率為8W，傳輸效率77%。但接收極板裝配位置決定了接收極板面積較小，可傳輸功率有限。

第二種增大耦合電容的思路是擴(kuò)大極板面積，韓國KAIST提出一種有效耦合面積較大的電場耦合機(jī)構(gòu)，如圖10b所示[9]。一只盤形接收極板安裝在無人機(jī)腹部，另一只環(huán)形接收極板安裝在起落架中部。相應(yīng)地，發(fā)射極板也由盤形和環(huán)形的極板構(gòu)成。樣機(jī)系統(tǒng)可傳輸功率100 W，耦合效率89.4%。該方案對提升傳輸功率有積極的作用。但充電平臺需要一個高的凸起，這給平臺的制作帶來了困難，并且阻礙無人機(jī)腹部云臺等設(shè)備安裝。

圖10 應(yīng)用于無人機(jī)無線充電的電場耦合機(jī)構(gòu)

由于耦合極板具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕和成本低等優(yōu)勢，電場耦合式無線充電技術(shù)在無人機(jī)充電領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，但當(dāng)前對無人機(jī)的電場耦合機(jī)構(gòu)研究還較為薄弱。有必要對無人機(jī)無線充電的電場耦合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和極板絕緣材料等方面開展進(jìn)一步的研究。

2.2.2 錯位應(yīng)對方案

受充電平臺機(jī)動、無人機(jī)降落精度不足、環(huán)境干擾和降落后回彈等多方面因素影響，接收裝置與發(fā)射裝置相對錯位是無人機(jī)無線充電必然面對的問題[39]。當(dāng)前無人機(jī)無線充電系統(tǒng)應(yīng)對耦合線圈位置偏移方案主要有四種：增大發(fā)射線圈面積、采用陣列發(fā)射平臺、采用位移輔助對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)以及采用輔助無人機(jī)精確降落平臺。

文獻(xiàn)[14-15]通過增大發(fā)射線圈面積，擴(kuò)大了發(fā)射磁通的作用范圍，使得接收線圈在偏移時(shí)仍能處于發(fā)射線圈的磁場作用范圍，如圖11所示。該方案還支持多無人機(jī)同時(shí)充電。然而，該方案存在大量漏磁，導(dǎo)致效率低下。文獻(xiàn)[14]的樣機(jī)系統(tǒng)在錯位過程中的平均工作效率僅有60%。

圖11 大發(fā)射線圈對小接收線圈的錯位應(yīng)對方案

為提升充電區(qū)域的同時(shí)限制磁場作用空間，有學(xué)者提出了陣列線圈結(jié)構(gòu)[21, 40-41]。如圖12a所示，武漢大學(xué)學(xué)者提出一種由4個發(fā)射線圈對1個接收線圈的陣列耦合機(jī)構(gòu)[21]。系統(tǒng)電路如圖12b所示，通過檢測接收線圈位置開啟相應(yīng)的發(fā)射線圈。不僅提升了錯位適應(yīng)性，還降低了實(shí)際工作中的磁場作用范圍。然而位置檢測需要添加復(fù)雜的硬件和軟件系統(tǒng)[41]，復(fù)雜性和成本較高，而且當(dāng)前的位置檢測方案在野外環(huán)境中的可靠性仍有待提高。

圖12 基于陣列式發(fā)射平臺的無人機(jī)無線充電系統(tǒng)

無人機(jī)降落后，利用位移式輔助對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)移動發(fā)射線圈至無人機(jī)處，或者移動無人機(jī)至預(yù)置的發(fā)射線圈位置也同樣是應(yīng)對錯位的有效方案。韓國國立群山大學(xué)學(xué)者[42]提出一種基于發(fā)射線圈位移的輔助對準(zhǔn)方案，如圖13a所示。發(fā)射線圈可以沿軸和軸方向移動實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)，但需要預(yù)先檢測接收線圈的位置。哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)者[26]提出一種移動無人機(jī)至發(fā)射線圈的方案，如圖13b所示。該方案無需檢測無人機(jī)降落位置，具有簡單、可靠的優(yōu)勢，但平臺上方的機(jī)械裝置使得平臺無法完全密封，不便于在潮濕、風(fēng)沙較大等惡劣工況下使用。

圖13 基于位移式輔助對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的錯位應(yīng)對方案

圖14 基于錐形凸起結(jié)構(gòu)的無人機(jī)精確降落平臺

通過以上分析可發(fā)現(xiàn)：增大發(fā)射線圈面積、采用陣列式發(fā)射平臺、位移式輔助對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)及輔助無人機(jī)精確降落平臺均是無人機(jī)無線充電領(lǐng)域有效的錯位應(yīng)對方案，表3匯總了四種方案的部分優(yōu)缺點(diǎn)，以供實(shí)際方案選擇。

表3 四種錯位應(yīng)對方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

Tab.3 Analysis of advantages and disadvantages of four schemes for coping with the misalignment

3 無人機(jī)無線充電技術(shù)應(yīng)用展望與待解決的關(guān)鍵問題

3.1 無人機(jī)無線充電技術(shù)應(yīng)用展望

3.1.1 基于固定巡檢線路的無人機(jī)無線充電系統(tǒng)

固定巡檢線路的巡檢任務(wù)可以是電力線路巡檢、風(fēng)電場巡檢等。受無人機(jī)續(xù)航能力有限、作業(yè)距離短等問題影響，當(dāng)前無人機(jī)巡檢的使用頻率仍較低。由于多數(shù)遠(yuǎn)距離巡檢任務(wù)都具有條件艱苦、單次巡檢工作量大、需周期性巡檢等特點(diǎn)，如果在固定巡檢路線布置中繼無人機(jī)無線充電基站，無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過程中自主降落至中繼充電站補(bǔ)充電能，可有效拓展無人機(jī)的巡檢范圍、提升無人機(jī)巡檢的工作效率和使用頻率，這對降低巡檢成本、提升巡檢質(zhì)量具有重要意義。

圖15 用于固定巡檢線路的無人機(jī)無線充電系統(tǒng)

3.1.2 基于移動充電平臺的無人機(jī)無線充電系統(tǒng)

在無人車、海洋浮臺和無人船等智能無人機(jī)裝備上搭載無人機(jī)，可以利用無人機(jī)的特殊視角在緊急情況下快速升空調(diào)查取證，從而實(shí)現(xiàn)陸地-領(lǐng)空、海洋-領(lǐng)空之間的裝備聯(lián)合。基于移動充電平臺的無人機(jī)無線充電系統(tǒng)如圖16所示，在這種場合下，無人機(jī)大部分時(shí)間位于機(jī)載的移動式平臺上靜默等待，等待過程中可利用無線充電技術(shù)對無人機(jī)及時(shí)補(bǔ)充電能，確保無人機(jī)下次任務(wù)有序進(jìn)行。

圖16 基于移動充電平臺的無人機(jī)無線充電系統(tǒng)

3.2 待解決的關(guān)鍵問題

盡管無人機(jī)無線充電技術(shù)在未來無人值守場景中具有廣闊的應(yīng)用前景，但由于研究還不夠充分，目前仍存在一些關(guān)鍵問題尚待解決。

3.2.1 高性能耦合機(jī)構(gòu)研究

無人機(jī)結(jié)構(gòu)異型，負(fù)重能力極為受限，抗電磁干擾能力弱。無人機(jī)無線充電耦合機(jī)構(gòu)需要具備對無人機(jī)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)、功率傳遞能力大、易安裝、體積小、質(zhì)量輕、電磁干擾弱的特點(diǎn)。由于無人機(jī)無線充電面臨上述特殊性，目前已開發(fā)的耦合機(jī)構(gòu)僅能滿足其中部分性能，還需要對適用于無人機(jī)特殊應(yīng)用場合的高性能耦合機(jī)構(gòu)加強(qiáng)研究。

3.2.2 隨機(jī)落點(diǎn)位置和隨機(jī)降落方向下可靠高效充電的錯位容忍能力提升

歌詞記憶不清，現(xiàn)從網(wǎng)上搜索；旋律印象深刻，久久揮之不去。過去，聽別人說深圳，繁華、創(chuàng)新、國際化，今天，大尋訪團(tuán)隊(duì)來到深圳，每天緊張采訪，近距離感受別樣深圳的創(chuàng)業(yè)年代。

受降落精度、環(huán)境因素及降落回彈等多方面因素綜合影響，無人機(jī)的落點(diǎn)位置和方向呈現(xiàn)隨機(jī)性。如何確保無人機(jī)在隨機(jī)位置、隨機(jī)方向下可靠高效充電，是必須攻克的關(guān)鍵問題。當(dāng)前擴(kuò)大發(fā)射線圈直徑的方法存在效率低的問題，輔助對準(zhǔn)存在無法對充電平臺密封封裝以及惡劣工況下的失效概率大的弊端。因此，如何結(jié)合實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，從耦合機(jī)構(gòu)、諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)控制等方面入手，以優(yōu)先提升無人機(jī)在隨機(jī)落點(diǎn)隨機(jī)方向下的高效充電能力，是無人機(jī)無線充電需要解決的一個重要技術(shù)問題。

3.2.3 可互操作性問題研究

受所采用的線圈結(jié)構(gòu)、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、功率等級等因素影響，互操作性已成為無線充電領(lǐng)域產(chǎn)品實(shí)用化和規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。互操作性問題在無人機(jī)無線充電領(lǐng)域尤為重要，因?yàn)椴煌N類的無人機(jī)結(jié)構(gòu)差異明顯、外形尺寸差異大、功率等級眾多，這對無人機(jī)無線充電系統(tǒng)的兼容性、互聯(lián)互通提出了較高的要求。

3.2.4 基于移動平臺的無人機(jī)無線充電技術(shù)研究

隨著無人機(jī)在軍事、海洋觀測等領(lǐng)域的應(yīng)用，充電平臺動態(tài)移動已成為無人機(jī)無線充電必須面臨的重要問題。移動的充電平臺造成更大的相對錯位范圍，降落后的角度也不再能夠保證，而且充電過程中可能還面臨平臺振動引起的動態(tài)錯位和動態(tài)氣隙變化。這對系統(tǒng)的安全性、可靠性和傳能穩(wěn)定性提出了新的要求，需要針對該應(yīng)用特點(diǎn)有針對性的開展研究。

3.2.5 滿足多無人機(jī)同時(shí)充電的平臺技術(shù)研究

集群無人機(jī)具有聯(lián)合作戰(zhàn)、突防能力強(qiáng)等優(yōu)勢，已成為無人機(jī)領(lǐng)域的一種重要的應(yīng)用場景。集群無人機(jī)的充電系統(tǒng)具有充電目標(biāo)數(shù)量眾多、多無人機(jī)同時(shí)并行充電的特點(diǎn)。對充電單元的成本約束、充電單元之間的相互干擾抑制，以及充電系統(tǒng)整體功率和效率提升提出更高的要求，但目前還缺乏相關(guān)方面的研究。

4 結(jié)論

無線充電技術(shù)是提升無人機(jī)在未來無人值守化場景應(yīng)用的有力保障，該技術(shù)的研究對拓展無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)范圍、提升系統(tǒng)智能化水平具有重要的意義。本文綜述了當(dāng)前無人機(jī)無線充電方面所取得的研究成果和發(fā)展概況；重點(diǎn)從磁場耦合式和電場耦合式兩種無人機(jī)無線充電技術(shù)出發(fā)，介紹了目前無人機(jī)無線充電中耦合機(jī)構(gòu)和錯位應(yīng)對措施兩個關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀；并就無人機(jī)無線充電未來發(fā)展及有待研究的問題進(jìn)行了討論。可以看到，無人機(jī)無線充電技術(shù)正在得到深入研究，而且可以預(yù)計(jì)該技術(shù)將會獲得更廣泛的研究、應(yīng)用和發(fā)展。

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Research Progress and Development Trend of Multi-Rotor Unmanned Aerial Vehicles Wireless Charging Technology

Wu Shuai1,2Cai Chunwei1Chen Yi3Chai Wenping1Yang Shiyan2

（1. School of New Energy Harbin Institute of Technology-Weihai Weihai 264209 China 2. School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China 3. 92578 Unit of the PLA Beijing 100161 China）

With the popularization of multi-rotor unmanned aerial vehicles (UAVs) in many fields, the research on the UAV wireless charging has attracted more and more attention. In this paper, the research and development status of the UAV wireless charging technology are reviewed. Firstly, the working principle and system structure of the UAV wireless charging system based on three different mechanisms are summarized. Secondly, two hot issues of near-field coupling UAV wireless charging, namely magnetic field coupling and electric field coupling, are classified and elaborated, which are mainly divided into coupler design and misalignment coping solution. Finally, the future prospect of the UAV wireless charging technology is presented, and the key problems to be solved are discussed.

Multi-rotor unmanned aerial vehicles (UAV), wireless charging, coupler, misalignment

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201529

TM724

國家自然科學(xué)基金（52177002）和山東省自然科學(xué)基金（ZR2019MEE052）資助項(xiàng)目。

2020-11-18

2021-08-11

武 帥 男，1995年生，博士生研究生，研究方向?yàn)橹悄軣o人裝備無線充電技術(shù)。E-mail：wushuai013@163.com

蔡春偉 男，1977年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸技術(shù)和電力電子功率變換技術(shù)。E-mail：caichunwei@hit.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）