鄧醒明　張浩鋆

摘? ?要：近年來隨著科技的進(jìn)步，各式各樣的技術(shù)層出不窮。目前在電能傳輸方向，無線電能傳輸技術(shù)雖然剛剛起步但發(fā)展迅速，基于電能傳輸方式和機(jī)制的無線電能傳輸技術(shù)類型多樣，根據(jù)不同場合和負(fù)載發(fā)展出不同的技術(shù)，發(fā)展前景良好。而針對(duì)無人機(jī)領(lǐng)域，懸停無線充電的無線電能傳輸系統(tǒng)也發(fā)揮了重要的作用，但因?yàn)闊o人機(jī)的特殊性，以及與其他負(fù)載相比自身特點(diǎn)的獨(dú)特性，還有懸停狀態(tài)電能拾取的特殊性，無線電能傳輸系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)表現(xiàn)出的特征會(huì)有差別。因此，無人機(jī)懸停系統(tǒng)無線電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該去區(qū)別于常規(guī)系統(tǒng)。我們首先對(duì)主流無線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合分析結(jié)果我們針對(duì)無人機(jī)及懸停無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)? 無線充電? 傳輸? 能量

中圖分類號(hào)：TN76? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）07（a）-0071-02

無人機(jī)的航程需要消耗大量的能量，因此如何增加無人機(jī)續(xù)航里程應(yīng)該成為我們研究的重中之重?，F(xiàn)在的方法我們分為了兩大類，一種是用更多的電能攜帶進(jìn)行電能的補(bǔ)給或者進(jìn)行多次補(bǔ)給。但更多的電能意味著更大的蓄電池，而現(xiàn)在蓄電池技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)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(jī)的優(yōu)點(diǎn)就在于輕量化以及靈活的機(jī)動(dòng)性能，而過大過重的蓄電池勢必會(huì)中和掉一部分的優(yōu)勢。多次補(bǔ)給意味著無人機(jī)需要多次降落到基站甚至回到母港，因?yàn)楝F(xiàn)在的技術(shù)僅僅停留在傳統(tǒng)的接觸式電能傳導(dǎo)，如果采用這種方法，不僅會(huì)大大縮短無人機(jī)的航行里程，而且有一大部分的電能是浪費(fèi)在了充電的過程中，有的時(shí)候會(huì)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(duì)技術(shù)方面的要求很高，難以實(shí)現(xiàn)。因此在考慮無人機(jī)充電方案的時(shí)候應(yīng)該將多種因素都考慮在內(nèi)，這種方案的研究是有現(xiàn)實(shí)意義的。

1? 無線電能傳輸技術(shù)簡介

按照能量的傳輸機(jī)制我們將無線電傳輸技術(shù)分為了三大類：第一，電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)。該技術(shù)基于電磁感應(yīng)定律，屬于電磁場近場耦合無線電能傳輸技術(shù)，該技術(shù)無線帶能傳輸是通過次級(jí)線圈與原級(jí)線圈之間相互耦合的電磁場來實(shí)現(xiàn)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(dǎo)磁材料。該技術(shù)也存在著一定的條件，上文提到過原級(jí)線圈和次級(jí)線圈下需要相對(duì)固定并且傳輸距離有限通常需要在10cm以內(nèi)，對(duì)于大型的電子設(shè)備等該技術(shù)的適用性不強(qiáng)。第二，電磁輻射式無線電能傳輸技術(shù)。目前該類技術(shù)通常采用微波能量傳輸技術(shù)和激光能量傳輸技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，相比于上一個(gè)技術(shù)該技術(shù)對(duì)于小功率的遠(yuǎn)距離傳輸是可以實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樵谶\(yùn)行過程中為了保證該技術(shù)的傳輸方向需要復(fù)雜的跟蹤定位系統(tǒng)，在傳輸過程中不能出現(xiàn)障礙。該技術(shù)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(shù)。磁共振式無線電能傳輸技術(shù)在電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)自身品質(zhì)因數(shù) Q 值很高且相互耦合的共振線圈，通過這兩個(gè)高 Q 值的共振線圈，可以在空間內(nèi)產(chǎn)生更高強(qiáng)度的磁場，克服了上面兩種技術(shù)的缺點(diǎn)，可以進(jìn)行高效的遠(yuǎn)距離傳輸，也屬于電磁場近場耦合無線電能傳輸技術(shù)。該技術(shù)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(jìn)行選舉李傳輸，在一定條件下也可以實(shí)現(xiàn)高效的中距離傳輸，傳輸媒介的種類也進(jìn)行了擴(kuò)充，非金屬物質(zhì)也可以進(jìn)行傳輸，因此產(chǎn)生的影響更小。

2? 無人機(jī)懸停無線充電系統(tǒng)特征分析

隨著無線電傳輸技術(shù)在生活中的普及，很多領(lǐng)域開始紛紛采用該技術(shù)，如：廚房家電，電子產(chǎn)品以及電動(dòng)汽車等，與無人機(jī)相比這些設(shè)施的充電和供電系統(tǒng)都有統(tǒng)一的特征，位置相對(duì)固定，對(duì)于設(shè)備的接收端和充電端的相對(duì)位置是不變的，而無人機(jī)由于本身的特點(diǎn)，在無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行無線充電時(shí)，兩者的位置難以保持絕對(duì)靜止。因此，無人機(jī)懸停系統(tǒng)無線電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該去區(qū)別于常規(guī)系統(tǒng)。我們首先對(duì)主流無線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合分析結(jié)果我們針對(duì)無人機(jī)及懸停無線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行分析。

基于無線電能傳輸模式的無人機(jī)懸停無線充電的示意圖如圖1中所示，進(jìn)行充電時(shí)，無人機(jī)在能量發(fā)射圈上方停留，為了保證充電的有效性，無人機(jī)需要時(shí)刻調(diào)整位置使其保持相對(duì)位置固定。從圖1可以看出無人機(jī)在懸停狀態(tài)下充電會(huì)有以下幾個(gè)特征。

（1）動(dòng)態(tài)負(fù)載。無人機(jī)空中完全靜止是不可能實(shí)現(xiàn)的，只能通過一定的調(diào)整最大限度保持相對(duì)靜止，由于電動(dòng)機(jī)的功率是恒定不變的，但充電系統(tǒng)會(huì)發(fā)生等效負(fù)載的變化，即是一個(gè)具有動(dòng)態(tài)負(fù)載特性的系統(tǒng)。

（2）動(dòng)態(tài)互感。無人機(jī)充電過程中是雖然會(huì)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(duì)于能量發(fā)射裝置會(huì)產(chǎn)生一定程度的偏差，不管是垂直還是水平，最終都會(huì)導(dǎo)致耦合機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置發(fā)生改變。對(duì)于基于無線電能傳輸技術(shù)的充電系統(tǒng)則表現(xiàn)為耦合機(jī)構(gòu)之間的互感發(fā)生變化，即是一個(gè)具有動(dòng)態(tài)互感特性的系統(tǒng)。

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

3? 結(jié)語

本文首先介紹了目前主要的無線電傳輸技術(shù)，并且分析了各個(gè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合已有的技術(shù)我們對(duì)無人機(jī)懸停無線充電系統(tǒng)進(jìn)行了分析，得出了其特征：弱耦合、動(dòng)態(tài)互感和動(dòng)態(tài)負(fù)載。

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