周春輝, 張軒誠(chéng), 黃弘遜, 萬(wàn)志鵬, 馬偉皓, 陳銘章

(1.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院， 武漢 430063;2.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430063)

一種基于智能航標(biāo)的風(fēng)光互補(bǔ)供能平臺(tái)

周春輝1,2, 張軒誠(chéng)1, 黃弘遜1, 萬(wàn)志鵬1, 馬偉皓1, 陳銘章1

(1.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院， 武漢 430063;2.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430063)

針對(duì)當(dāng)前無(wú)人機(jī)在海事巡航、搜救及執(zhí)法等過(guò)程中續(xù)航能力不足、工作效率低等問(wèn)題，研究和搭建一種新型無(wú)人機(jī)無(wú)線供電平臺(tái)。通過(guò)搭建基于智能航標(biāo)的風(fēng)光互補(bǔ)供能平臺(tái)，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置、儲(chǔ)能裝置和無(wú)人機(jī)充電裝置等部件進(jìn)行論述，并通過(guò)開(kāi)展試驗(yàn)研究，驗(yàn)證平臺(tái)的充電效率及整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。測(cè)試結(jié)果表明：在正常情況下，該供能平臺(tái)能滿足無(wú)人機(jī)安全停放并給無(wú)人機(jī)供電的需求，充電最大傳輸效率達(dá)45.3%，同時(shí)可解決低溫充電的問(wèn)題，能降低系統(tǒng)功耗。

航標(biāo)； 無(wú)人機(jī)巡航； 無(wú)線充電； 風(fēng)光互補(bǔ)； 傳輸效率

隨著長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)和發(fā)展及未來(lái)海事巡航無(wú)人化、智能化趨勢(shì)的推進(jìn)，無(wú)人機(jī)在立體巡航和海事監(jiān)管方面的作用將越來(lái)越顯著[1]，但其續(xù)航能力不足的問(wèn)題嚴(yán)重限制著其應(yīng)用和發(fā)展前景。目前，在海事立體巡航中，無(wú)人機(jī)當(dāng)電量不足時(shí)需返回到岸基或無(wú)人機(jī)母船進(jìn)行充電，在充電完成之后返回到原來(lái)的巡航地點(diǎn)繼續(xù)巡航。由于現(xiàn)有充電方式的限制給無(wú)人機(jī)巡航帶來(lái)了嚴(yán)重的局限和不足，造成無(wú)人機(jī)巡航存在運(yùn)行成本高、能耗高和巡航范圍半徑小等問(wèn)題，因此迫切需要一種可行、高效的海事無(wú)人機(jī)供能方式。

陳景龍等[2]對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)和無(wú)線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行研究，將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出作為WPT諧振電路的輸入端，利用無(wú)線電能傳輸技術(shù)對(duì)負(fù)載供電,并搭建風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，可在徑向距離50 mm處成功地對(duì)負(fù)載進(jìn)行充電。王翔等[3]提出新能源磷酸鐵鋰電池在航標(biāo)系統(tǒng)的應(yīng)用研究，通過(guò)對(duì)“新能源+磷酸鐵鋰電池”的航標(biāo)電池系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)的實(shí)際航標(biāo)試驗(yàn)，驗(yàn)證其在海上航標(biāo)能源系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，并制定相關(guān)的檢測(cè)與評(píng)價(jià)、日常管理與維護(hù)制度。

針對(duì)海事無(wú)人巡航、搜救等方面的需求，提出一種基于智能航標(biāo)的風(fēng)光互補(bǔ)供能平臺(tái)，對(duì)平臺(tái)的架構(gòu)和主要組成部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究磁耦合諧振式無(wú)人機(jī)無(wú)線充電的技術(shù)方案，并通過(guò)大量試驗(yàn)進(jìn)行可行性論證。

1 基于智能航標(biāo)的風(fēng)光互補(bǔ)供能平臺(tái)

1.1 平臺(tái)的組成

平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖1。太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)⑥轉(zhuǎn)化為電能，自然風(fēng)通過(guò)帶動(dòng)⑤轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生交變電，交變電整流濾波之后與太陽(yáng)能板輸出相串聯(lián)，通過(guò)判斷電壓的大小選擇升/降壓通路為⑦充電；由⑨根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)疊加的電量經(jīng)⑦進(jìn)行儲(chǔ)存、分流、逆變和充放電處理，為整個(gè)平臺(tái)提供持續(xù)穩(wěn)定的電能；一部分電能給④供電，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)的自供能；放電模式時(shí)⑦輸出經(jīng)過(guò)升壓提高至發(fā)射電壓，再通過(guò)逆變電路將直流變?yōu)榻涣?，?jīng)過(guò)發(fā)送端產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，接收端接收之后通過(guò)整流濾波，經(jīng)③為停放在②上的無(wú)人機(jī)充電，滿足無(wú)人機(jī)海事巡航續(xù)航的需求。

注：①為無(wú)人機(jī)； ②為無(wú)人機(jī)停放平臺(tái)； ③為無(wú)人機(jī)無(wú)線充電裝置； ④為航標(biāo)燈； ⑤為風(fēng)能發(fā)電裝置； ⑥為太陽(yáng)能發(fā)電裝置； ⑦為儲(chǔ)能裝置； ⑧為燈船平臺(tái)； ⑨為平臺(tái)監(jiān)測(cè)控制終端

圖1 基于智能航標(biāo)的風(fēng)光互補(bǔ)供能平臺(tái)結(jié)構(gòu)

1.2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置

考慮到晝夜更替或陰雨、霧霾天氣，單一太陽(yáng)能發(fā)電無(wú)法持續(xù)為平臺(tái)提供所需的電能。因此，選擇對(duì)追日太陽(yáng)能板和垂直軸風(fēng)機(jī)互補(bǔ)供能的方式進(jìn)行研究。

追日太陽(yáng)能發(fā)電模塊由光強(qiáng)檢測(cè)模塊、分析控制模塊和機(jī)械傳動(dòng)模塊等3部分組成。[4]光強(qiáng)檢測(cè)模塊由東西向180°扇形區(qū)域均勻分布的8個(gè)搭載BH1750FVI芯片的光強(qiáng)傳感器組成，8個(gè)光強(qiáng)傳感器通過(guò)IIC 總線與以STC89C52單片機(jī)為核心的分析控制模塊相連，可通過(guò)內(nèi)置的16 bit A/D轉(zhuǎn)換器將測(cè)得的光強(qiáng)直接轉(zhuǎn)換成以勒克斯(照度單位)為單位的數(shù)字量傳送至單片機(jī)供單片機(jī)分析處理。STC89C52單片機(jī)首先通過(guò)IIC總線先后對(duì)8個(gè)傳感器采集到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和存儲(chǔ)，然后調(diào)用內(nèi)部設(shè)定的比較分析算法計(jì)算出光強(qiáng)最大點(diǎn)所在的仰角，最后通過(guò)輸出PWM信號(hào)控制基于L298N驅(qū)動(dòng)芯片的機(jī)械傳動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)太陽(yáng)能電池板精準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)到光強(qiáng)最大點(diǎn)所在的仰角處，獲得最大的發(fā)電效率。[5]

與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有風(fēng)能利用率高、啟動(dòng)風(fēng)速低、無(wú)需對(duì)風(fēng)選向及制造和維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)，因此采用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)捕獲風(fēng)能。葉輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收風(fēng)能的關(guān)鍵部件，直接決定著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要性能指標(biāo)——風(fēng)能利用系數(shù)。葉輪的關(guān)鍵是葉片，葉片的形狀及其氣動(dòng)性能的好壞將直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換風(fēng)能的效率，因此葉片的選擇是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵。在相同工況下， NACA0015葉片翼型在正、負(fù)迎角內(nèi)具有相對(duì)穩(wěn)定的氣動(dòng)性能[6]。該方案中的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置選取了該葉片。

1.3 平臺(tái)儲(chǔ)能裝置

與鉛蓄電池相比，磷酸鐵鋰電池具有比能量大、工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)。谷亦杰等[7]針對(duì)型號(hào)為42110圓柱形、10 A·H磷酸鐵鋰電池進(jìn)行高低溫試驗(yàn)，得出溫度對(duì)充放電效率有顯著影響，在一定范圍內(nèi)，充放電效率隨溫度的升高而提高。

冬季長(zhǎng)江水域的氣溫較低，會(huì)對(duì)鋰電池的充放電性能造成一定影響。為將鋰離子電池運(yùn)用到航標(biāo)終端上，需利用鋰離子電池單體，通過(guò)串并聯(lián)的方式構(gòu)成電池組，然后針對(duì)該電池組設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾砟K。PTC是一種熱轉(zhuǎn)換效率高、通電之后會(huì)產(chǎn)熱的加熱材料，既能使電池組在短時(shí)間內(nèi)快速升溫，又能在達(dá)到一定溫度之后防止溫度升得過(guò)高。[8]將嵌有PTC板的鋁片作為導(dǎo)熱片:一方面將電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到電池表面，通過(guò)鋁片散發(fā)熱量，均衡電池單體間溫度；另一方面，在冬季低溫環(huán)境下，太陽(yáng)能所獲電流驅(qū)動(dòng)PTC板產(chǎn)生熱量，通過(guò)鋁板均勻地傳遞給電池單體，使其能對(duì)電池組內(nèi)部的溫度場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控，使電池組溫度控制在合理范圍內(nèi)，并保持溫度場(chǎng)分布的均勻性。

2 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電

2.1 磁耦合諧振式無(wú)線充電

磁耦合諧振式無(wú)線充電基于電磁諧振理論，由發(fā)送端與接收端及配置相同諧振頻率的諧振線圈組成。[9]與其他電能無(wú)線傳輸技術(shù)相比，諧振耦合電能無(wú)線傳輸具有以下本質(zhì)上的不同：

1) 與利用電磁感應(yīng)原理的電能無(wú)線傳輸技術(shù)相比，傳輸距離大大提高，突破了電磁感應(yīng)原理的無(wú)線傳輸距離僅在1 cm以內(nèi)的限制，且理論研究結(jié)果表明，若不考慮空間其他物體影響，傳輸距離將進(jìn)一步提高。

2) 與利用微波原理的電能無(wú)線傳輸技術(shù)相比，具有傳輸功率大的特點(diǎn)，可將微波電能無(wú)線傳輸幾毫瓦至100 mW的數(shù)量級(jí)提高到幾十瓦至幾百瓦的數(shù)量級(jí)，且在充電效率方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者。

2.2 線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

線圈作為諧振耦合電能無(wú)線傳輸技術(shù)的核心部件，對(duì)其參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，即求取最佳匝數(shù)和平均半徑，能充分發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大功率、高效率的傳輸。[10]這里通過(guò)理論計(jì)算和仿真試驗(yàn)對(duì)線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2.1 線圈結(jié)構(gòu)類型

常用的線圈結(jié)構(gòu)類型有平面螺旋型和圓柱螺旋管型，其中平面螺旋線圈的耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)都較高，更適合無(wú)線電能傳輸，且平面螺旋線圈安置在底盤下面更加方便，因此該研究采用平面螺旋線圈(見(jiàn)圖2)。

圖2 平面螺旋線圈結(jié)構(gòu)

圖2中：Dmax和Dmin分別為線圈的最大外圓直徑及最小外圓直徑；S為線圈匝間距；W為導(dǎo)線直徑；N為線圈的匝數(shù)。根據(jù)圖2中各線圈參數(shù)間的幾何關(guān)系，可推知

式(1)～式(3)中：ravg為線圈的平均半徑；β為線圈填充率。

2.2.2 磁耦合諧振式理論模型

線圈傳輸效率受線圈匝數(shù)、線圈內(nèi)徑、線圈外徑和線圈間距的影響。磁耦合諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)主要由高頻電源、發(fā)射線圈、接收線圈和負(fù)載(無(wú)人機(jī)電池)等4部分組成。線圈磁耦合電路模型見(jiàn)圖3。

圖3中：US為電源；RL為實(shí)際負(fù)載經(jīng)過(guò)感應(yīng)耦合方式折算到接收線圈側(cè)的等效負(fù)載；C1和C2為電容；D為線圈距離；M為線圈間的互感。

建立圖3所示模型的KVL方程為

圖3 磁耦合諧振式電路模型

(4)

式(4)中：I1和I2分別為流經(jīng)兩線圈的電流；Z1和Z2分別為發(fā)射、接收線圈回路的自阻抗，可表示為

(5)

對(duì)于單個(gè)盤式諧振器而言，其等效電感值可表示為

(6)

式(6)中：m1～m4為擬合參數(shù)，m1=1.0，m2=2.46，m3=0，m4=0.2；μ0=4π×10-7N/A2為真空磁率。

兩線圈參數(shù)設(shè)計(jì)成一致[11]，即R1=R2=R，L1=L2=L，C1=C2=C，則有

式(7)和式(8)中：P為輸出功率；ω為傳輸系統(tǒng)角頻率；η為傳輸效率。

因此，在給定的系統(tǒng)角頻率ω和實(shí)際負(fù)載RL下，系統(tǒng)傳輸效率僅受互感M和線圈等效內(nèi)阻的影響。

2.2.3 互感大小

兩同軸放置的線圈間互感的大小利用橢圓積分，按照平均半徑對(duì)線圈進(jìn)行折算，得出

(9)

式(9)中：N1=N2=N為發(fā)射/接收線圈的匝數(shù)；r1avg=r2avg=ravg為發(fā)射/接受線圈的平均半徑。由此，式(9)可轉(zhuǎn)換為

(10)

2.2.4 線圈等效內(nèi)阻

由于無(wú)人機(jī)電池規(guī)格一致，因此外接負(fù)載不變。在角頻率ω不變的情況下，線圈的等效內(nèi)阻R由自身等效歐姆電阻Ro和空間散射電阻Ra兩部分組成。

式(13)中：N為線圈的匝數(shù)；ravg為線圈的平均半徑；σ為電導(dǎo)率；a為導(dǎo)體半徑。

2.2.5 自諧振頻率

系統(tǒng)要求在工作時(shí)線圈處于自身諧振狀態(tài)，即線圈的自諧振頻率與電源的頻率應(yīng)一致。單個(gè)線圈的自諧振頻率為

式(14)和式(15)中：Ce為匝間電容；C0為單位弧長(zhǎng)上的等效電容值，與系統(tǒng)工作頻率ω，電壓及兩線圈間的間距、介電常數(shù)等參數(shù)有關(guān)。

2.2.6 仿真優(yōu)化結(jié)果

在f=0.5 MHz，Us=36 V，D= 0.02 m的條件下，選取銅線作為材料，線圈繞制導(dǎo)線線徑根據(jù)導(dǎo)線所能承受的最大電流值取1 mm，平臺(tái)范圍長(zhǎng)和寬均為1 m，取ravg=0.1～1.0 m，N=1～15。

根據(jù)上述公式，通過(guò)MATLAB仿真可得仿真分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 仿真分析結(jié)果

由圖4可知，當(dāng)線圈匝數(shù)N=6，ravg=0.7 m時(shí)，傳輸效率最高為59.3%，但考慮到無(wú)人機(jī)和平臺(tái)尺寸限制，選擇N=6，ravg=0.5 m的線圈參數(shù)。

2.3 無(wú)人機(jī)降落和充電過(guò)程設(shè)計(jì)

四旋翼無(wú)人機(jī)在特定平臺(tái)上自主著陸過(guò)程非常復(fù)雜，很多因素都會(huì)使獲得的無(wú)人機(jī)的位置信息產(chǎn)生誤差。為使四旋翼無(wú)人機(jī)能安全準(zhǔn)確地著落在特定的著陸平臺(tái)上，必須能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取無(wú)人機(jī)相對(duì)于特定平臺(tái)的位置信息，這樣無(wú)人機(jī)的飛行控制器才能更好地控制飛機(jī)。視覺(jué)著陸系統(tǒng)通過(guò)跟蹤識(shí)別和跟蹤著陸平臺(tái)上的視覺(jué)著陸標(biāo)識(shí)來(lái)確定著陸區(qū)域，利用視覺(jué)著陸標(biāo)識(shí)的特征圖形來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算出位置參數(shù)信息，經(jīng)測(cè)試，這種方法能滿足自主著陸的條件。[12]

采用無(wú)人機(jī)視覺(jué)著陸技術(shù)，無(wú)人機(jī)在航標(biāo)平臺(tái)上的著陸過(guò)程主要分為3個(gè)階段：第一階段通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航到航標(biāo)平臺(tái)附近范圍內(nèi)；第二階段為平移階段，通過(guò)視覺(jué)著陸系統(tǒng)計(jì)算出無(wú)人機(jī)與平臺(tái)間的位置關(guān)系，平移到平臺(tái)的正上方；第三階段為無(wú)人機(jī)降落階段，通過(guò)無(wú)人機(jī)攝像頭校準(zhǔn)平臺(tái)上的視覺(jué)著陸標(biāo)識(shí)，使無(wú)人機(jī)始終保持在平臺(tái)的正上方。

無(wú)人機(jī)降落和充電過(guò)程設(shè)計(jì)的具體技術(shù)路線為：

1) 當(dāng)無(wú)人機(jī)在長(zhǎng)江進(jìn)行巡航、監(jiān)管等工作時(shí)，岸基終端判斷無(wú)人機(jī)需進(jìn)行充電以保證正常工作。

2) 岸基終端在電子海圖上搜索無(wú)人機(jī)附近區(qū)域可供無(wú)人機(jī)充電的航標(biāo)。

3) 操作人員分析終端顯示的各航標(biāo)的有關(guān)信息(包括位置信息、環(huán)境信息等)，選擇出穩(wěn)定條件好、可用電量足和距離最近的航標(biāo)。

4) 通過(guò)北斗定位系統(tǒng)，岸基終端指示無(wú)人機(jī)接近選定航標(biāo)在電子海圖上的標(biāo)注位置。

5) 當(dāng)無(wú)人機(jī)攝像頭與航標(biāo)上的降落標(biāo)志校準(zhǔn)時(shí)，無(wú)人機(jī)開(kāi)始降落；當(dāng)降落到距離航標(biāo)平臺(tái)0.1 m時(shí)，斷電著陸。

6) 無(wú)人機(jī)降落在充電板上之后，壓敏電阻感應(yīng)到無(wú)人機(jī)質(zhì)量，無(wú)線充電系統(tǒng)啟動(dòng)，為無(wú)人機(jī)充電。

7) 充足電量之后，岸基控制無(wú)人機(jī)離開(kāi)。

3 試驗(yàn)測(cè)試

3.1 試驗(yàn)條件

為便于進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證其可行性，搭建基于智能航標(biāo)的風(fēng)光互補(bǔ)供能平臺(tái)實(shí)物模型(見(jiàn)圖5)，并參照湖北省武漢市長(zhǎng)江河段的天氣狀況，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬測(cè)試，測(cè)試環(huán)境為：在試驗(yàn)過(guò)程中總輻射光強(qiáng)≥80 mW/cm2，總輻射光強(qiáng)的不穩(wěn)定度≤±1%；在試驗(yàn)過(guò)程中，平均風(fēng)速≥3 m/s。測(cè)試試驗(yàn)±1%；在試驗(yàn)過(guò)程中，平均風(fēng)速≥3 m/s。測(cè)試試驗(yàn)所用裝置為：數(shù)顯直流電壓電流功率測(cè)試表2塊；數(shù)字式萬(wàn)用表1個(gè)；鋰電池專用充電器1個(gè)；3S鋰電池(電量耗光)2塊。

圖5 基于智能航標(biāo)的風(fēng)光互補(bǔ)供能平臺(tái)模型

3.2 測(cè)試分析

3.2.1 平臺(tái)發(fā)電功率測(cè)試試驗(yàn)和供耗能分析

3.2.1.1 平臺(tái)發(fā)電功率測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：模擬室外光照，風(fēng)速≥3 m/s，試驗(yàn)前將儲(chǔ)能裝置的電量耗光，試驗(yàn)時(shí)將數(shù)顯直流電壓電流功率測(cè)試表接入太陽(yáng)能-風(fēng)能發(fā)電裝置輸出端，連接儲(chǔ)能裝置，測(cè)試并記錄輸出端功率。

表1 太陽(yáng)能-風(fēng)能發(fā)電功率測(cè)試記錄數(shù)據(jù)

由表1可知，該發(fā)電裝置實(shí)測(cè)可提供最大輸出功率為197.2 W。

3.2.1.2 平臺(tái)供耗能分析

平臺(tái)的用電需求包括滿足多功能航標(biāo)用電設(shè)備和無(wú)人機(jī)的充電需求。表2列出多功能航標(biāo)主要的用電設(shè)備工作時(shí)的電流值。

表2 航標(biāo)平臺(tái)用電設(shè)備工作電流值

由表2可知，多功能航標(biāo)系統(tǒng)工作時(shí)的峰值電流I≈2 100 mA。已知系統(tǒng)工作電壓U=12 V，由此可算出多功能航標(biāo)系統(tǒng)負(fù)載總功率為

P=UI=25.2 W

(16)

武漢段無(wú)人機(jī)每天大約巡航4次，無(wú)人機(jī)所配鋰電池的電池容量標(biāo)準(zhǔn)為10 000 mA·h，12.6 V輸出電壓，可得無(wú)人機(jī)每日用電需求約為

Wu=0.504 kW·h

(17)

根據(jù)每個(gè)月工作天數(shù)的不同，由式(16)和式(17)可估算出航標(biāo)平臺(tái)各月份的用電需求Wd為15～17 kW·h。

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的發(fā)電量用Wt[13]表示為

Wt=Ws+Ww=ηAGt+1/2ρCPDHV3t

(18)

式(18)中：Ws為太陽(yáng)能所發(fā)的電量；Ww為風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)的電量；η=15%為太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率；A為電池板的面積，m2，所選擇太陽(yáng)能板面積為1.38 m2；Gt為太陽(yáng)能板上的總輻射量；ρ為空氣的密度；Cp=40%為風(fēng)機(jī)的功率因數(shù)；D=60 cm為風(fēng)輪直徑；H=40 cm為葉片的高度；V為風(fēng)速，長(zhǎng)江上各月份的平均風(fēng)速為3～5 m/s；t為風(fēng)能每天的有效利用小時(shí)數(shù)，取t=9。

以武漢地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)為例，結(jié)合式(18)可估算出太陽(yáng)能各月份的發(fā)電量Ws和風(fēng)能各月份的發(fā)電量Ww(見(jiàn)表3和表4)。

表3 太陽(yáng)能各月份輻射量及發(fā)電量 kW·h

表4 江面各月份風(fēng)速及發(fā)電量

由表3和表4可知，航標(biāo)平臺(tái)各月份總發(fā)電量Wt為20～32 kW·h，大大超出航標(biāo)平臺(tái)的用電需求，不僅可實(shí)現(xiàn)航標(biāo)的自供能，同時(shí)能滿足無(wú)人機(jī)的充電需求，富余的電量還可儲(chǔ)存在磷酸鐵鋰電池中，進(jìn)一步保障智能航標(biāo)平臺(tái)的良好運(yùn)行。

3.2.2 無(wú)人機(jī)充電試驗(yàn)

3.2.2.1 縱向傳輸測(cè)試

試驗(yàn)方法：將1塊數(shù)顯直流電壓電流功率測(cè)試表接入充電裝置的輸入端，在接收端輸出端口空載條件下，用萬(wàn)用表測(cè)試輸出端兩端電壓，記錄不同垂直距離對(duì)應(yīng)的電壓值(接收輸出端為整流濾波直流輸出端)。

縱向傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。由表5可知，當(dāng)充電裝置輸入端和輸出端的垂直距離取2 cm時(shí)，輸出端得到的輸出電壓最大。

表5 縱向傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2.2.2 傳輸范圍測(cè)試

試驗(yàn)方法：將1塊數(shù)顯直流電壓電流功率測(cè)試表接入充電裝置的輸入端，取垂直距離為固定值2 cm，以線圈中心為起點(diǎn)，以5 cm為間隔，逐次移動(dòng)充電接收裝置，在接收端輸出端口空載條件下，用萬(wàn)用表測(cè)試輸出端兩端電壓，并記錄距線圈中心不同距離所對(duì)應(yīng)的電壓值(接收輸出端為整流濾波直流輸出端)。

傳輸范圍測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。由表6可知，隨著充電接收裝置距中心偏移距離的增大，所得到的輸出電壓不斷減小。由此可知，在線圈中心處得到的輸出電壓最大。

表6 傳輸范圍測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2.2.3 傳輸效率測(cè)試

試驗(yàn)方法：將一塊數(shù)顯直流電壓電流功率測(cè)試表接入充電裝置的輸入端，將另一塊數(shù)顯直流電壓電流功率測(cè)試表接在充電裝置輸出端與電池之間，將電池接入充電電路，取固定垂直距離2 cm，距線圈中心0 cm(即接收線圈與發(fā)送線圈中心對(duì)齊)，以10 min為間隔，記錄不同時(shí)間功率測(cè)試表的功率讀數(shù)。傳輸效率可表示為

(19)

式(19)中：η為傳輸效率；Pout為輸出功率；Pin為輸入功率。由此可得出無(wú)人機(jī)充電效率見(jiàn)表7。

表7 傳輸效率測(cè)試數(shù)據(jù)

由表7可知，該平臺(tái)在垂直距離2 cm位于中心時(shí)可達(dá)到最大傳輸效率45.3%，可滿足無(wú)人機(jī)充電需求。

3.2.3平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性試驗(yàn)

利用SolidWorks構(gòu)建航標(biāo)整體結(jié)構(gòu)模型并將其導(dǎo)入到連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值軟件STAR-CCM+中。模擬長(zhǎng)江在正常天氣情況下的風(fēng)、浪、流等條件，建立計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型，得到結(jié)果見(jiàn)圖6。

a) 馬赫數(shù)分布圖

b) 水壓力分布曲線圖

由圖6可知，在流速5 m/s，風(fēng)速5 m/s，波高1 m，波長(zhǎng)15 m的條件下，流體壓力大多分布在燈標(biāo)船的船首兩側(cè)及船尾處(回波)。因此，在燈標(biāo)船的船首兩側(cè)和船尾處固定舭龍骨之后，在武漢理工大學(xué)船舶與水動(dòng)力試驗(yàn)室平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)造波機(jī)試驗(yàn)得出的搖擺角曲線見(jiàn)圖7。

圖7 搖擺角曲線

由圖7可知，在正常天氣條件下，平臺(tái)搖擺最大角度為15°。通過(guò)傾斜試驗(yàn)測(cè)試無(wú)人機(jī)與充電板的摩擦力，當(dāng)平臺(tái)搖擺角達(dá)到39°之后將發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。因此，該平臺(tái)能滿足無(wú)人機(jī)停放的穩(wěn)定性需求(在惡劣天氣條件下，無(wú)人機(jī)不出航)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前海事無(wú)人機(jī)續(xù)航能力不足的問(wèn)題，研究一種可在長(zhǎng)江上供無(wú)人機(jī)充電的航標(biāo)平臺(tái)。對(duì)平臺(tái)的各部分組成及其設(shè)計(jì)進(jìn)行論述，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試證明其實(shí)際可行性。該研究對(duì)解決水上交通領(lǐng)域無(wú)人機(jī)巡航供能問(wèn)題及優(yōu)化巡航路線具有一定的參考意義。

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Wind-SolarComplementaryEnergySupplyPlatformBasedonIntelligentBeacon

ZHOUChunhui1,2，ZHANGXuancheng1，HUANGHongxun1，WANZhipeng1，MAWeihao1，CHENMingzhang1

(1. School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology, Wuhan 430063, China)

Current unmanned aerial vehicles for maritime cruise, search and rescue, law enforcement and other tasks suffer from insufficient endurance capacity. A new UAV wireless power supply platform of wind-solar complementary type is proposed. The wind and solar power generation devices, energy storage devices and UAV charging devices of the platform are described in detail. The efficiency and the overall stability of the platform are verified through tests. The tests show that under normal circumstances, the energy supply platform can provide safe parking and charging for UAVs. The maximum transmission efficiency is about 45.3%. The platform also features low temperature charging.

beacon; UAV cruise; wireless charging; wind-solar complementation; transmission efficiency

2017-11-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(51679180;51579204;51709218);武漢理工大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助(20171049712013)

周春輝(1978—)，男，湖北松滋人，副教授，博士，研究方向?yàn)榻煌ò踩抡?。E-mail:chunhui@whut.edu.cn

1000-4653(2018)01-0013-06

U675.7

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