駱新然

(西安高新唐南中學(xué),陜西 西安710075)

1 無(wú)人機(jī)與無(wú)線電能傳輸

無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于小巧便捷,但與此相對(duì)應(yīng),它的電池注定也不能很大。我們對(duì)市面上主流的無(wú)人機(jī)的電池及其充電特性進(jìn)行了調(diào)研,發(fā)現(xiàn)大部分無(wú)人機(jī)電池容量在4000～7000m A·h之間,平均在5000～6000m A·h,所以市面上常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)平均續(xù)航時(shí)間都在20～40分鐘,平均30分鐘,針對(duì)一些服務(wù)業(yè)項(xiàng)目還難以滿足,但無(wú)線充電技術(shù)正好可以滿足這個(gè)需求。如果使用無(wú)線充電技術(shù),在戶外分布安裝充電平臺(tái),當(dāng)無(wú)人機(jī)快沒(méi)電時(shí)可以飛到最近的平臺(tái)上進(jìn)行充電,通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)碾妷弘娏?可以讓無(wú)人機(jī)在較短的時(shí)間內(nèi)完成充電,而且只要能在一定間隔的距離內(nèi)都安裝充電平臺(tái),就能大大加強(qiáng)無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間,可以讓無(wú)人機(jī)從事更加遠(yuǎn)距離和持久的工作。

目前常見(jiàn)的無(wú)線電力傳輸主要有四類,分別是超聲波等非電磁場(chǎng)方式、電磁輻射式、電場(chǎng)耦合式和磁場(chǎng)耦合式。其中超聲波無(wú)線電能傳輸技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)化為超聲波發(fā)射出去,接收端再將超聲波轉(zhuǎn)化為電能,其最大缺點(diǎn)是功率小和效率低。電磁輻射式,電場(chǎng)耦合式和磁場(chǎng)耦合式都是利用電磁場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行的無(wú)線電能傳輸技術(shù)。其中電磁輻射式分為無(wú)線電波式和激光式,其傳輸距離遠(yuǎn),但需定向裝置,并且對(duì)人體的危害明顯。電場(chǎng)耦合式是利用耦合的電場(chǎng)進(jìn)行電能傳輸,其最大的缺點(diǎn)是傳輸距離短和效率低。磁場(chǎng)耦合式是利用耦合的磁場(chǎng)進(jìn)行電能傳輸,其最大的特點(diǎn)是傳輸距離較遠(yuǎn),效率較高,其中諧振式效果更為明顯。由于無(wú)人機(jī)有支架,當(dāng)?？吭诔潆娖脚_(tái)上時(shí),無(wú)人機(jī)上的充電裝置和充電平臺(tái)上的供電裝置會(huì)有一定的距離,因此通過(guò)比較各種無(wú)線電能傳輸技術(shù),我們最終選擇最適合無(wú)人機(jī)充電的磁場(chǎng)耦合式中的諧振式。

2 無(wú)人機(jī)的無(wú)線電能傳輸設(shè)計(jì)

在戶外搭建無(wú)人機(jī)充電平臺(tái),并將電源和無(wú)線電能發(fā)射部分安裝在充電平臺(tái)中,相應(yīng)的無(wú)線電能接受部分和充電器安裝在無(wú)人機(jī)上,只有無(wú)人機(jī)停降在充電平臺(tái)上就能夠?qū)崿F(xiàn)自主無(wú)線充電。無(wú)人機(jī)的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,其中包括電網(wǎng),發(fā)射端整流器,發(fā)射端逆變器,發(fā)射線圈部分,接受線圈部分,接收端整流器,BUCK變換器和無(wú)人機(jī)電池,下面將逐一介紹。

2.1 發(fā)射端整流部分

發(fā)射端整流部分如圖1第一部分所示,它是由四個(gè)二極管組成的不控全橋整流器,能夠?qū)崿F(xiàn)將交流輸入變?yōu)橹绷鬏敵龅腁C/DC功能。這里輸入的是單相220V交流電網(wǎng),得到的輸出是310V左右的直流電壓。

圖1 拓?fù)鋱D

2.2 發(fā)射端逆變部分

發(fā)射端逆變部分如圖1第二部分所示,它是由4個(gè)開(kāi)關(guān)管組成的全控H橋逆變器。它能夠?qū)⒅绷麟娮兂山涣麟?實(shí)現(xiàn)逆變功能,得到高頻交流電輸出給發(fā)射線圈部分。這里開(kāi)關(guān)頻率為100k Hz,而控制采用50%占空比的PWM。

2.3 諧振部分

諧振部分如圖1第三部分所示,分為發(fā)射和接收部分,兩部分線圈及其諧振電容的諧振頻率都為100k Hz,在發(fā)生諧振時(shí)兩個(gè)線圈之間能夠得到很高的傳輸效率,并實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的能量傳輸。由于諧振頻率為

當(dāng)選取電容值為1μF時(shí),可以算出線圈電感為：

2.4 接收端整流部分

接收端整流部分如圖1第四部分所示,它同樣是由四個(gè)二極管組成的不控整流橋,能夠?qū)崿F(xiàn)將交流輸入變?yōu)橹绷鬏敵龅腁C/DC功能。這里輸入的是接受線圈輸出的高頻交流電,輸出的是較高電壓的直流電。其輸出的電壓相對(duì)于無(wú)人機(jī)電池太高,所以不能對(duì)無(wú)人機(jī)直接進(jìn)行充電。

2.5 接收端降壓部分

接收端降壓部分如圖1第五部分所示,因?yàn)楦鶕?jù)表1無(wú)人機(jī)能夠接受的充電電壓不到20V,而前面整流端得到的電壓太高,需要進(jìn)行直流降壓。這一部分電路是由一個(gè)開(kāi)關(guān)管和一個(gè)二極管等組成的BUCK直流降壓變換器,可以將較高的輸入電壓變成適合無(wú)人機(jī)的較低電壓,并可以自由控制充電電流和電壓。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證上述無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的可行性和有效性,我們?cè)贛ATLAB/SIMULINK中搭建的一個(gè)完整的仿真模型。假設(shè)無(wú)人機(jī)蓄電池為容量為5500m A·h,充電電壓為17V,若充電電流為17A,則最快只需要20分鐘左右即可基本充滿。

電路中諧振線圈的電壓的仿真結(jié)果如圖2中左圖所示,可以看出電壓波形都很接近正弦,正是因?yàn)樽儞Q器的開(kāi)關(guān)頻率為100k Hz,使諧振電感和電容發(fā)生了諧振。

圖2 諧振電壓波形

圖3 輸出電壓波形

最后電池的充電電壓的仿真結(jié)果如圖3所示,可以看到充電電壓也很好地穩(wěn)定在17V,達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)效果。

從所有仿真結(jié)果可以看出整個(gè)無(wú)人機(jī)的無(wú)線充電系統(tǒng)運(yùn)行良好,可以實(shí)現(xiàn)給無(wú)人機(jī)無(wú)線快速充電的功能,驗(yàn)證了本文提出的采用無(wú)線電能傳輸技術(shù)的無(wú)人機(jī)自主充電方案。

4 結(jié)論

針對(duì)無(wú)人機(jī)電池容量小,續(xù)航時(shí)間較短的問(wèn)題,本文提出了應(yīng)用無(wú)線電力傳輸?shù)慕鉀Q方式,該方案在戶外分步安裝無(wú)線充電平臺(tái),無(wú)人機(jī)電量較低時(shí)可以?？吭诟郊钠脚_(tái)上快速充電。為此分析了無(wú)人機(jī)無(wú)線電能傳輸?shù)目尚行?設(shè)計(jì)并搭建了較為完整的無(wú)線充電仿真模型,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明表明該方案有效可行。該方案可以在不改變電池重量和無(wú)人機(jī)重量的基礎(chǔ)上大大增加無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間和飛行距離,相信未來(lái)無(wú)人機(jī)的使用價(jià)值可以進(jìn)一步提高。

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