吳題 郄宏偉

摘 要：本文通過對(duì)現(xiàn)有無線能量傳輸?shù)姆椒ㄟM(jìn)行對(duì)比，并結(jié)合無人機(jī)運(yùn)行特性提出基于激光的無人機(jī)定向能量傳輸?shù)姆椒ǎ瑸樘嵘裏o人機(jī)續(xù)航作業(yè)能力提供可行的建議與參考。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);無線充電;續(xù)航

中圖分類號(hào)：V279

近年來國家開放了1000米以下的高空，使無人機(jī)得到了一定程度的發(fā)展。無人機(jī)是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。是信息時(shí)代高科技含量的產(chǎn)物。在經(jīng)歷過世界大戰(zhàn)之后，無人機(jī)漸漸進(jìn)入到各個(gè)行業(yè)：用無人機(jī)進(jìn)行航拍，或進(jìn)行快遞裝運(yùn)服務(wù)等。無人機(jī)行業(yè)得到了迅猛的發(fā)展。

1 無人機(jī)運(yùn)行情況

多年前，沒有人預(yù)知無人機(jī)會(huì)普及大眾。但到2010年后，民用無人機(jī)市場(chǎng)迅猛發(fā)展。其中，航拍無人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模日漸增長。2017年，我國航拍無人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約40多億元，未來將以86.5%的年復(fù)合增長率快速成長;到2020年，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到約250億元人民幣。

無論是何種飛行器，續(xù)航能力都是其最為重要的性能之一。目前無人機(jī)動(dòng)力分為電力驅(qū)動(dòng)和燃料驅(qū)動(dòng)。市面上的無人機(jī)主要采用鋰聚合物電池作為主要?jiǎng)恿?，續(xù)航能力一般在20分鐘至30分鐘之間。因?yàn)闊o人機(jī)需要盡可能減輕起飛重量，所以無法攜帶較重的大容量電池。大多數(shù)無人機(jī)在維持二十分鐘有效飛行之后，就必須充電1小時(shí)以上或者更換電池。燃料無人機(jī)具有續(xù)航時(shí)間長，動(dòng)力性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是燃料無人機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體，會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染，不符合現(xiàn)今的綠色環(huán)保理念。不僅如此，燃料無人機(jī)在工作中相比于純電動(dòng)無人機(jī)具有危險(xiǎn)性和不穩(wěn)定性。

目前無人機(jī)的電力續(xù)航時(shí)間短是無人機(jī)的一個(gè)致命的短板，大大限制了行業(yè)的快速良性發(fā)展，解決無人機(jī)電池續(xù)航問題迫在眉睫。

2 無人機(jī)無線能量傳輸探究

隨著時(shí)代以及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們開始不斷探索與優(yōu)化能量傳輸?shù)姆绞健?980年，物理學(xué)家尼古拉.特斯拉做了無線輸電的實(shí)驗(yàn)。2007年，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)展示了他們的磁共振無線輸電技術(shù)。2018年，我國的首個(gè)在地球軌道上利用無線輸能的方式將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并輸送至地球的太陽能電站實(shí)驗(yàn)在重慶啟動(dòng)。無線充電技術(shù)目前已經(jīng)廣泛運(yùn)用于各個(gè)行業(yè)。無線充電技術(shù)在當(dāng)今充電技術(shù)中存在著巨大的前景與優(yōu)勢(shì)。

可以看出，相比其他無線充電系統(tǒng)激光無線充電系統(tǒng)具有傳輸距離遠(yuǎn)且效率與功率高的優(yōu)勢(shì)。因此選用激光作為無人機(jī)定向無線充電系統(tǒng)的無線能量傳輸方式。

3 基于激光的無線定向能量傳輸

3.1 原理

激光是由原子中的電子吸收能量之后進(jìn)而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，之后從高能級(jí)落回到低能級(jí)的時(shí)候所釋放的能量作為光子的形式放出。它們光學(xué)特性高度一致，具有單色性好，亮度高，方向性好的特點(diǎn)。光子的能量為：E=hv（h為普朗克常量，v為頻率，激光的頻率范圍在3.846×10^（14）Hz到7.895×10^（14）Hz之間）。當(dāng)頻率越大時(shí)，光子的能量就會(huì)越高。由于激光高度集中，作用范圍小，所以能量密度大，傳播距離遠(yuǎn)。

3.2 方法

無線能量定向傳輸系統(tǒng)由光伏電池，跟蹤器，激光發(fā)生器和電機(jī)組成。通過在無人機(jī)上放置光伏電池，無人機(jī)跟蹤系統(tǒng)定位無人機(jī)的位置，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)激光器到合適的位置的這一系列操作后，將激光定向到無人機(jī)的激光接收器上。然后光伏電池將能量轉(zhuǎn)化為電能，從而持續(xù)為無人機(jī)行進(jìn)作業(yè)供能。

3.3 優(yōu)點(diǎn)

（1）激光無線充電技術(shù)解決了充電過程中繁雜的電線問題，簡(jiǎn)化了無人機(jī)的充電過程，提高了便捷性，減少了充電設(shè)備由于頻繁插拔充電線而帶來的損壞。還省去了繁雜型號(hào)的充電插頭，提升了用戶的良好體驗(yàn)。并且在安全性，靈活性等方面具有優(yōu)勢(shì)。除此之外，還具有良好的環(huán)保性。

（2）作為無線充電解決方案，激光相較其他無線能量有巨大優(yōu)勢(shì)。由于激光的作用范圍小，因此具有巨大能量、大的傳輸功率和較小的功率損失。此外，還具有良好的安全性。研究表明，只要不直視激光，就不會(huì)對(duì)身體造成傷害。即使是間接觀察激光，200W以下的激光的丁達(dá)爾效應(yīng)都不會(huì)對(duì)眼睛造成傷害。

（3）無人機(jī)無線充電解決了無人機(jī)運(yùn)行過程中的充電問題，使無人機(jī)具有較長的續(xù)航時(shí)間。在無人機(jī)日常作業(yè)中，續(xù)航時(shí)間的長短決定了無人機(jī)的工作效率。無人機(jī)工作效率的提升，會(huì)推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。同時(shí)，無人機(jī)的應(yīng)用將更加廣泛，無人機(jī)行業(yè)將迅速發(fā)展。

3.4 缺點(diǎn)

（1）無線充電設(shè)備轉(zhuǎn)換效率低，充電速度慢，無線充電工作距離短。隨著距離的不斷增加，能量傳輸效率降低，設(shè)備功耗將慢慢變大。

（2）無線充電設(shè)備成本較高。若設(shè)計(jì)生產(chǎn)不符合標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)有安全隱患。

（3）激光無線充電系統(tǒng)在繁雜的區(qū)域充電效果可能會(huì)不理想。激光在傳輸過程中很可能會(huì)受到障礙物的阻礙作用，使得傳輸效率降低。

（4）激光無線能量傳輸技術(shù)還處于萌芽發(fā)展階段，目前還沒有大規(guī)模應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。

4 小結(jié)

由此可見，無人機(jī)定向無線充電系統(tǒng)的方案可行性高，優(yōu)點(diǎn)顯著。即使激光無線充電現(xiàn)階段發(fā)展不成熟，傳輸功率偏低，但在未來使用與發(fā)展空間巨大。隨著將來科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，激光無線充電系統(tǒng)將會(huì)具有更遠(yuǎn)的傳輸距離，和更廣的傳輸面積，并會(huì)應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，成為可靠的無人機(jī)無線充電方式。

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[4]金星，常浩，崔曉陽.激光輸能無人機(jī)概念研究[J].航空學(xué)報(bào)，2013，（09）.

作者簡(jiǎn)介：吳題，女，教師，研究方向?yàn)槊窈竭\(yùn)輸，飛行程序設(shè)計(jì);郄宏偉，男，學(xué)生，主要學(xué)習(xí)方向?yàn)槊窈竭\(yùn)輸類。