基于信號線圈的多無人機身份識別方法研究

摘要：無線電能傳輸技術擺脫了物理介質的束縛，具有靈活、可靠、安全等優點，在無人機領域應用越來越廣泛。無人機無線充電系統中常采用的Zigbee、藍牙、WiFi等廣域通信方式接入時間較長，存在非“點對點”傳輸情況，不具備身份識別功能，無法應對多無人機及多機艙環境。提出了一種基于信號線圈的多無人機身份識別方法，仿真研究2套耦合機構之間交叉耦合影響，設計了一套應用于多無人機及機艙環境下能量信號同步傳輸的無線電能傳輸系統。最后搭建了無人機無線電能傳輸系統進行實驗驗證，實驗結果表明基于信號線圈可以快速有效進行無人機及機艙的身份識別，可識別無人機身份的點對點近場通信方式以應對多無人機無線充電場景，能量信號同步傳輸的分離通道傳輸模式具有兩通道物理結構獨立，避免傳統通信方式干擾，保障充電的安全性與可靠性。。

關鍵詞：無線電能傳輸系統；能量信號同步傳輸；身份識別；交叉耦合；無人機

中圖分類號：TM732" " " " " 文獻標志碼：A" " " 文章編號：1000-582X（2023）07-113-08

Multi-UAV identity recognition method based on signal coil

GONG Wenlan， CHEN Shaonan， XIAO Jing， WU Xiaorui， WU Ning

（Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Co.， Ltd.， Nanning 530023， P. R. China）

Abstract： Wireless power transfer technology has freed itself from the constraints of physical media and has advantages such as flexibility， reliability and security， making it increasingly widely used in the field of unmanned aerial vehicles （UAVs）. However， the commonly used wide area communication methods in UAV wireless charging systems， such as Zigee， bluetooth， and WiFi， present challenges in terms of lengthy access time， non point-to-point transmission and limited identity recognition capabilities. These limitations make it difficult to cope with multiple UAVs and cabin environments effectively. In this paper， a multi-UAV identification method based on signal coils is proposed. This study involves simulating and examining the cross-coupling effect between two sets of coupling mechanisms. Additionally， a wireless power transfer system is designed to enable synchronous transmission of power and signal in multi-UAV and cabin environments. Finally， an experimental UAV wireless power transfer system is constructed for verification. The experimental results show that UAVs and cabin can be quickly and effectively identified based on signal coils. The point-to-point near-field communication method that can identify UAVs can be used to cope with multiple UAV wireless charging scenarios. The separated channel transmission mode of power and signal synchronous transmission adopts two independent physical structures， thereby avoiding interference from traditional communication methods. This approach ensures the safety and reliability of charging processes.

Keywords： wireless power transfer system; synchronous transmission of energy signals; identification; cross-coupling; UAV

無線電能傳輸技術由于其特有的靈活性與安全性在手機、家電等領域得到廣泛應用。其中無線充電技術在無人機領域的應用滿足了無人機充電的靈活性需求，提升了無人機續航里程，提高了無人機巡檢的自主化與智能化水平[1?3]。

在無線充電過程中，系統的原副邊裝置需要采用無線通信技術實現信息交互，通常包括藍牙、WIFI、Zigbee及2.4G等廣域通信技術[4?6]。然而隨著多無人機協同控制技術的發展，在充電機場中存在多無人機及機艙的身份識別問題[7?8]。傳統的廣域通信方式存在非“點對點”傳輸情況，通信信道間的相互干擾容易造成通信混亂且不具備身份識別功能，無法應對多無人機及機艙環境。增加RFID模塊可有效應對身份識別問題，但大大增加了系統的體積與成本[9?10]。

在無線電能傳輸系統中基于信號線圈的能量信號同步傳輸方式可以有效實現原副邊信息交互，但是共享通道式信號傳輸干擾較大[11?12]，而分離通道的傳輸模式下兩通道物理結構獨立，空間相互隔離，相互串擾問題較少，通信可靠性大大提升[13?15]。

因此筆者基于無人機2條腳支架的物理結構分別構建了能量信號通道，實現了能量通道與信號通道的解耦，保證了功率傳輸與信號傳輸的穩定性。研究基于信號線圈的分離通道式能量信號同傳的通信方式實現多無人機身份識別功能，避免傳統通信方式的干擾，保障充電的安全性與可靠性。

1 無人機無線充電系統能量信號同傳研究

1.1 無人機能量信號同傳機構設計

由于無人機接收端體積有限，因此對于耦合機構的輕量化特性具有嚴格的要求。其中螺旋管型線圈具有耦合系數高、體積小等優點，滿足無人機無線充電系統需求。因此基于無人機2條腳支架的物理結構分別構建了能量信號通道，設計的耦合機構安裝方式如圖1所示，在無人機2個支架上分別安裝1個螺線管型線圈，其中1個作為能量接收線圈，另一個作為信號接收線圈，對應的配置2個螺線管型發射線圈。搭建的能量信號同傳耦合機構仿真模型如圖2所示，為便于安裝在無人機腳架上且保證良好的耦合效果，耦合機構均采用螺線管型線圈。

1.2 能量信號通道交叉耦合影響研究

當給能量線圈與信號線圈通入勵磁電流后，可以觀察到空間磁場分布如圖3所示。通過仿真結果可以看出能量線圈與信號線圈之間相互解耦，能量傳輸通道與信號傳輸通道之間不存在相互串擾及電磁干擾等問題。兩通道相互獨立，使得能量傳輸通道只實現傳能功能，信號傳輸通道只實現通信功能。在不影響電能傳輸功率穩定及效率最優的基礎上，實現數字信號同步傳輸。

2 多無人機身份識別方法研究

2.1 電路拓撲設計

能量傳輸通道電路拓撲如圖4所示。

系統采用LCC-S的補償拓撲，其具有原邊恒流和副邊恒壓的輸出特性，較好地滿足了無人機無線充電需求。

對于LCC-S型WPT系統，當系統處于諧振狀態時，系統參數滿足下式

。 （1）

基于基爾霍夫電壓定律（KVL），在忽略線圈內阻的條件下可以推導出原邊發射線圈電流為

。 （2）

副邊輸出電壓為

， （3）

式中，M為發射線圈與接收線圈的互感，可以看出系統的輸出電壓僅與互感、補償線圈及輸入電壓有關，而與負載無關。因此在充電過程中負載變化不影響系統輸出特性，降低了控制難度。

信號傳輸電路原理框圖如圖5所示。信號從機艙到無人機正向傳輸時，單片機發出身份編碼信號來控制模擬開關的通斷，經過與高頻載波信號調制得到調制波，在運算放大電路作用下增大其信號電壓峰值，經過信號線圈的原副邊耦合，副邊將拾取到的信號載波經解調電路還原送入單片機。信號反向傳輸原理相同，因此可以實現原副邊信息交互，達到身份識別功能。

2.2 多無人機身份識別方法研究

基于上述能量信號同傳的耦合機構設計，提出了一種基于信號線圈的多無人機身份識別方法。在多無人機機艙環境下對機艙進行編碼處理，采用ASK調制方式，如圖6所示。其中機艙1編碼為01010101，而機艙2編碼為11101110。

身份識別及充電流程如圖7所示。

3 實驗結果與分析

3.1 無人機能量信號同傳無線充電系統實物

無人機能量信號同傳無線充電系統實物如圖8所示。主要包括直流電源、原邊功率變換電路、原邊信號調制電路、能量傳輸耦合機構、信號傳輸耦合機構、副邊功率變換電路、副邊信號解調電路及無人機、電子負載、示波器等。

3.2 系統性能驗證

通過以上的實驗裝置，輸入電壓為300 V，負載阻值為5 Ω，以垂直平面線圈作為接收端搭建實驗平臺。系統的輸入電壓電流與輸出電壓如圖9所示。其中藍色為逆變輸出的方波電壓波形，紅色為逆變輸出的電流波形。

Fig. 9 Experimental voltage and current waveform

可以看出無人機無線充電系統諧振狀態良好，逆變器輸出具有軟開關特性，可以有效降低開關損耗提升系統效率。

原邊分別發送不同的信息，通過信號調制與解調副邊接收到不同的輸出電壓，如圖10所示。圖10（a）中，當發送編碼信息為01010101時副邊接收到的輸出電壓為3.89 V，而如圖10（b）所示，當發送編碼信息為11101110時副邊接收到的輸出電壓為4.52 V。在不同編碼信息下副邊接收到不同的輸出電壓，實驗數據與仿真結果一致，驗證了所設計的耦合機構可行性。

4 結" 論

在多無人機無線充電場景中傳統的通信方式存在非“點對點”傳輸情況，不具備身份識別功能，存在通信混亂。基于無人機2條腳支架的物理結構分別構建了能量信號通道，實現了能量通道與信號通道的解耦，保證了在信號傳輸的同時實現功率穩定傳輸。基于信號線圈的分離通道式能量信號同傳的通信方式實現了多無人機身份識別功能，避免了傳統通信方式的干擾且有效實現了無人機與機艙的互操作性檢測及身份鑒別，保障了充電的安全性與可靠性。

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（編輯" 鄭潔）