■深圳實驗學(xué)校高中部 金鵬飛 李柏翰 李 陽

續(xù)航時間短是制約無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要原因。若無人機(jī)續(xù)航能力難以提升，也就意味著其執(zhí)行任務(wù)的能力受限，無法發(fā)揮其最大優(yōu)勢，進(jìn)而影響無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，如何提升無人機(jī)的續(xù)航能力成為當(dāng)前業(yè)內(nèi)研究的重點(diǎn)。

目前，行業(yè)內(nèi)主要采用提升無人機(jī)自身續(xù)航能力、使用外部設(shè)備對無人機(jī)進(jìn)行能源補(bǔ)給兩種方式來應(yīng)對。在提升續(xù)航能力方面，太陽能無人機(jī)是目前的研究重點(diǎn)。

使用外部設(shè)備為無人機(jī)補(bǔ)給能源也是當(dāng)前無人機(jī)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向，目前主要有無線充電、機(jī)械式電池更換、激光發(fā)射器、接觸式充電等方式。

我們計劃采用兩種較有效、可行性強(qiáng)的方案，即無人機(jī)接觸式充電與無線充電。接觸式充電在其他設(shè)備上的應(yīng)用已發(fā)展得相當(dāng)成熟，其結(jié)構(gòu)較精簡。無線充電方案的優(yōu)勢在于其結(jié)構(gòu)相對簡單，部署成本低，對無人機(jī)停泊的精確性無過高要求，容錯率很高，對不同機(jī)型的兼容性強(qiáng)。同時，無線充電技術(shù)的應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊，發(fā)展相對成熟。

我們主要從接觸式充電方案與無線充電方案兩個方面展開研究，設(shè)計了無人機(jī)接觸式充電平臺與無人機(jī)無線充電平臺，并探索其應(yīng)用場景與可能出現(xiàn)的問題。

一、校準(zhǔn)接口式充電平臺

1.主體結(jié)構(gòu)

校準(zhǔn)接口式充電平臺通過校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，合理地解決了無人機(jī)在起降過程中的漂移問題，在與平臺對接時也可起到輔助校準(zhǔn)的作用。我們還設(shè)計了一個平臺整合架構(gòu)，用于連接固定停泊平臺與平臺電源。

在降落過程中依靠校準(zhǔn)孔位對無人機(jī)進(jìn)行引導(dǎo)，可消除大部分由于降落氣流產(chǎn)生的隨機(jī)性漂移，從而使其準(zhǔn)確地停泊在平臺上。

圖1 整合架構(gòu)

圖2 校準(zhǔn)示意圖

2.直流電源內(nèi)部電路

平臺電源主要由輸入端變壓器、電流電壓顯示屏、電源開關(guān)、整流電路板、調(diào)節(jié)旋鈕、散熱器與輸出端構(gòu)成，輸入端變壓器連接220V 交流電源，初步變壓變?yōu)榈蛪航涣麟姾蠼?jīng)整流電路板調(diào)整，輸出低壓直流電，部分為電源散熱器供電，主要經(jīng)輸出端輸出至平臺充電觸點(diǎn)。操作者可通過調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。

3.校準(zhǔn)式接口平臺電路

將電源輸出正極與校準(zhǔn)接口下方連接，負(fù)極與校準(zhǔn)接口上方連接。無人機(jī)經(jīng)校準(zhǔn)后，機(jī)身接口與平臺接口吻合，即可構(gòu)成閉合回路，為無人機(jī)電池供電。

4.校準(zhǔn)接口無人機(jī)內(nèi)部改進(jìn)

為適配第二代校準(zhǔn)接觸式充電平臺，我們將電池內(nèi)部接口延長至機(jī)身外，分別連接位于絕緣的校準(zhǔn)接口上端與底端的充電觸點(diǎn)。停泊后，無人機(jī)底端觸點(diǎn)與平臺上的觸點(diǎn)構(gòu)成閉合回路，即可充電。

二、無線充電自校準(zhǔn)平臺

1.主體結(jié)構(gòu)

為解決接觸式充電帶來的一系列系統(tǒng)性問題，我們決定采用無線充電方案的同時，利用太陽能彌補(bǔ)無線充電的損耗問題。

在降落過程中產(chǎn)生的隨機(jī)性漂移使無人機(jī)在平臺上的停泊位置與充電線圈發(fā)射位產(chǎn)生偏離，從而導(dǎo)致無線充電效率下降。為解決這一問題，無線充電平臺采用機(jī)械校準(zhǔn)方案。左側(cè)紅外傳感器判斷無人機(jī)是否正在停泊，確認(rèn)無人機(jī)著陸后，固定電機(jī)組帶動校準(zhǔn)杠轉(zhuǎn)動，從而使x 軸向定位杠向中間合攏，無人機(jī)即可準(zhǔn)確停泊在無線充電發(fā)射線圈中心。

圖3 平臺俯視圖

2.直流電源內(nèi)部電路

為搭載太陽能板，我們在無線充電平臺的電路上增加了太陽能電池連接端口。而第二代平臺增加了機(jī)械校準(zhǔn)系統(tǒng)，需要額外供電，平臺內(nèi)部電路需進(jìn)行相應(yīng)改動。相比之前增加了一個穩(wěn)壓整流器B、校準(zhǔn)系統(tǒng)輸出端口為校準(zhǔn)系統(tǒng)供電。

圖4 無人機(jī)無線充電內(nèi)部電路實物圖

3.無線充電平臺電路

將平臺上的線圈與電源連接，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，停泊在平臺上的無人機(jī)無線充電天空端線圈激發(fā)出感應(yīng)電流，后經(jīng)由調(diào)整端整流后輸入無人機(jī)電池。電源的機(jī)械校準(zhǔn)輸出端與分壓器連接，為紅外傳感器與固定電機(jī)供電，使機(jī)械校準(zhǔn)系統(tǒng)得以正常工作。無線充電輸出端與控制端連接。

圖5 平臺電路實物圖

4.無線充電無人機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由于采用了無線充電技術(shù)，無人機(jī)需安裝相應(yīng)的無線充電接收模塊。模塊主要由接收線圈與整流輸入端構(gòu)成，接收線圈接收平臺發(fā)射的無線電波，經(jīng)整流輸入端調(diào)整后輸入無人機(jī)電池，以此完成充電。

三、實驗測試

1.測定平臺充、放電效率

將無人機(jī)分別放電至10%、30%與50%，讓3 種狀態(tài)下的無人機(jī)在平臺上充電，每隔1 min 測定無人機(jī)電池當(dāng)前的電壓。本實驗依據(jù)無人機(jī)業(yè)內(nèi)主流方法，即通過觀察電池電壓的變化對電池電量進(jìn)行估算（為保證無人機(jī)的相關(guān)元件正常工作，電池電壓對無人機(jī)續(xù)航的影響較電池電量更有代表性）。

圖6 3 種電量狀態(tài)下的電壓變化曲線圖

隨著電池電量逐漸增加，電池電壓也在不斷升高，由于其逐漸接近充電電壓，電池內(nèi)部電壓與電源電壓之間的差減小，因此，平臺充電的速度也開始變慢。

2.溫度對無人機(jī)充電平臺工作效率的影響

將無人機(jī)的電量放至50%，在15℃、20℃、25℃的環(huán)境下，分別測定無人機(jī)在平臺上的充電情況，以1min 為間隔，檢測無人機(jī)電池的電壓。

圖7 3 種溫度狀態(tài)下電池充電電壓變化曲線圖

3 種溫度狀態(tài)下，電池充電電壓變化曲線有一定的差距，大致可判斷，隨外界溫度下降，平臺充電速度變慢。

我們咨詢專業(yè)人士并根據(jù)相關(guān)資料分析后得出，隨著外界溫度下降，鋰電池的內(nèi)部化學(xué)活性降低，充電速率會相應(yīng)變慢，同時電池充電電量上限也會變小。

3.無人機(jī)與磁芯偏移距離對無線充電效率的影響

將無人機(jī)內(nèi)部電量耗盡后置于平臺上，以偏移磁芯0cm、2cm、3cm 進(jìn)行充電，每隔1min 測量電壓。

圖8 3 種不同磁芯偏移距離下的電壓變化曲線圖

從圖8 可以看出，無人機(jī)距離磁芯位置越遠(yuǎn)，充電效率越低。該實驗進(jìn)一步證明了在無線充電方案中設(shè)置機(jī)械校準(zhǔn)系統(tǒng)的必要性。

四、項目應(yīng)用

無人機(jī)充電平臺因其結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、造價低廉，可以靈活地、大范圍地部署在街道旁，通過安裝信號中轉(zhuǎn)器，警局控制中心可直接操控部署在該街道的無人機(jī)，進(jìn)行日常自動化巡邏。

圖9 無人機(jī)返回平臺

無人機(jī)充電平臺還可與5G、人工智能等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)無人機(jī)全面自動化、高效率的大規(guī)模應(yīng)用。未來，該項目可在自動化與平臺適配場景上進(jìn)一步完善。