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        基于多旋翼無人機無線充電技術(shù)的探究

        2022-04-14 03:14:12劉萱怡
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2022年25期
        關(guān)鍵詞:旋翼電能微波

        劉萱怡

        (同濟大學(xué)新生院 上海 200092)

        1 背景

        無人機是一種高效、輕便的飛行裝置。從機體結(jié)構(gòu)的角度來劃分,無人機可以大致分為3種類,即型多旋翼、固定翼和直升式。多旋翼無人機(MR-UAV)是在無人機的頂部安裝有3 個或3 個以上軸承和旋翼且可遠(yuǎn)程操控的飛行器。

        多旋翼無人機具有體積較小、便于攜帶、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點,逐漸被大量應(yīng)用于偵查勘探、巡邏檢修、施肥撒藥、遠(yuǎn)程救援等高空作業(yè),頗受國內(nèi)外消費者的青睞,其應(yīng)用前景十分廣闊。然而,目前,多旋翼無人機只能執(zhí)行短距離的飛行任務(wù),主要原因是其電池的平均續(xù)航時間只有30min[1],這無疑在很大程度上限制了多旋翼無人機的飛行范圍和作業(yè)時間。提高無人機的續(xù)航時間,無非只有兩種方案。一是對無人機的電池進行擴容,增大它的蓄電量。這種方法看似簡單且直接,但是電池體積太大,本身就要消耗大量的功率,不能顯著地延長多旋翼無人機的續(xù)航時間。二是在無人機的飛行過程中,及時提前為其補充新的電能,從而增加它的續(xù)航時間。此種方法可行性較強,也是當(dāng)下國內(nèi)外無人機無線充電領(lǐng)域的重點研究方向。

        2 研究方法

        3 無人機無線充電技術(shù)的發(fā)展概述

        3.1 文獻調(diào)研及分析

        3.1.1 無人機無線充電技術(shù)學(xué)術(shù)文獻調(diào)研結(jié)果

        以“無人機”和“無線充電”為關(guān)鍵詞,在中國知網(wǎng),利用“篇關(guān)摘”字段對無人機無線充電技術(shù)進行檢索,如圖1所示。所得結(jié)果表明:2015年已經(jīng)有人提出無人機無線充電技術(shù);近些年,相關(guān)研究呈上升趨勢,涉及無線充電研究主題,包括耦合結(jié)構(gòu)、無線充電系統(tǒng)、WRT、耦合系數(shù)、磁共振等內(nèi)容。

        圖1 無人機無線充電技術(shù)中國知網(wǎng)發(fā)文趨勢圖

        以Unmanned aerial vehicles、Wireless charging為關(guān)鍵詞,在EI-compendex 外文數(shù)據(jù)庫進行檢索,發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究國際研究趨勢如圖2所示。

        圖2 無人機無線充電E I-C ompendex發(fā)文重要主題詞云圖

        3.1.2 無人機無線充電技術(shù)專利文獻調(diào)研結(jié)果

        通過大為Innojoy 專利數(shù)據(jù)庫(簡稱大為專利數(shù)據(jù)庫)對無人機無線充電技術(shù)專利查詢并分析重要國家專利(包括中國專利、美國專利、歐盟專利、日本專利、韓國專利等)發(fā)現(xiàn),在無人機無線充電技術(shù)方面的相關(guān)專利也在逐年遞增,2019年達到峰值,最近兩年專利申請量略有下降,技術(shù)涉及技術(shù)內(nèi)容及相互關(guān)系如圖3所示。

        圖3 無人機無線充電專利申請趨勢圖——大為專利

        3.2 主要技術(shù)

        3.2.1 無線充電技術(shù)最新的學(xué)術(shù)研究成果

        無線電能傳輸(WPT)是在供電與用電之間沒有任何物理接觸的前提下,將電能從電源端輸送到負(fù)載端的能量傳輸方式。在檢索和收集大量最新的國內(nèi)外關(guān)于無線電能傳輸研究成果并經(jīng)過梳理和總結(jié)之后,發(fā)現(xiàn)學(xué)術(shù)界的研究成果主要可以分為微波式、激光和磁耦合式3種無線電能傳輸系統(tǒng)。

        為了更好地說明本文方法的合理性和適用性,本文選擇2種類型的滑坡體的工程案例進行分析,工程案例一的滑坡體為黏土和粉質(zhì)黏土,工程案例二的滑坡體為碎石土。具體計算如下:

        (1)微波式無線電能傳輸系統(tǒng)(MWPT)。有線充電是通過電池與充電器的直接接觸才能完成充電任務(wù)。而在微波式無線電能傳輸中,電池與充電器之間有一定距離,而且兩個器件不需要依靠金屬導(dǎo)線的連接。作為一種新型電能輸送技術(shù),為了避免對生態(tài)系統(tǒng)的影響,MWPT 基本上選用頻率為2.45GHz 的電磁波向負(fù)載端傳送微波[2]。MWPT的工作原理是安裝在地面的射頻發(fā)送器把電源轉(zhuǎn)換成微波,向加裝在多旋翼無人機腹部的整流天線系統(tǒng)(RS)發(fā)送微波[3],無人機的接收器再把微波轉(zhuǎn)換成電能,從而為無人機的長時間飛行提供電量。

        (2)激光無線電能傳輸系統(tǒng)(LWPT)。無線電能傳輸(WPT)既可以利用激光作為載體,也可以利用微波作為載體,從電源端攜帶著一定量的電能,不需要中間任何媒介,即可傳送到負(fù)載端[4]。LLM(激光發(fā)射模塊)、LTM(激光傳輸模塊)及LPT(激光與電能轉(zhuǎn)換模塊)共同組成了LWPT(激光無線電能傳輸系統(tǒng))的三大工作模塊,由采用光纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光器向安裝在無人機上的電能接收器發(fā)射激光,電能轉(zhuǎn)換器將接收到的激光進行儲存并轉(zhuǎn)換成電能,從而為負(fù)載(無人機)提供可持續(xù)且穩(wěn)定的電源。

        (3)磁耦合式無線電能傳輸(MC-WPT)。與微波式和激光一樣,磁耦合式無線電能傳輸都是通過電能發(fā)射端和接收端的無線接入進行補償電容[5]。磁耦合式無線電能傳輸?shù)墓ぷ髟硎前惭b在地面的發(fā)射源將電源通過激發(fā)感應(yīng)的方式轉(zhuǎn)變成磁場,在磁場范圍內(nèi)的接收裝置上的線圈不斷聚集能量,并轉(zhuǎn)換成電能提供給負(fù)載端,從而完成無線電能傳輸。

        3.2.2 無線充電技術(shù)主要形式比較分析

        通過深入對比微波式無線電能傳輸系統(tǒng)、激光無線電能傳輸系統(tǒng)、磁耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)這3 種最新技術(shù)的優(yōu)缺點,可以直觀地了解各種技術(shù)現(xiàn)有的比較優(yōu)勢和存在的發(fā)展瓶頸,有助于明確3 種技術(shù)未來的發(fā)展方向,補齊各自的技術(shù)短板,如見表1所示。

        表1 微波式、激光、磁耦合式無線電能傳輸?shù)闹饕卣鲗Ρ?/p>

        從表1可以得出結(jié)論:微波式傳輸系統(tǒng)傳輸功率小、電能轉(zhuǎn)換率低;而激光傳輸對跟蹤無人機和掃描精度的要求很高,此外,激光無線充電技術(shù)仍處于實驗階段,國內(nèi)外尚未見應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域;磁耦合無線電能傳輸技術(shù)不管是安全性還是電能轉(zhuǎn)換率都比微波式和激光式更勝一籌。

        4 磁耦合式無線電能傳輸(MC-WPT)發(fā)展及在多旋翼無人機領(lǐng)域的應(yīng)用

        4.1 磁耦合式無線電能傳輸(MC-WPT)文獻調(diào)研及分析

        4.1.1 學(xué)術(shù)文獻

        在國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫檢索關(guān)于磁耦合式無線充電方式的相關(guān)文獻顯示,磁耦合式無線充電技術(shù)在2012年提出,多年來,相關(guān)文獻發(fā)表呈上升趨勢,外文文獻發(fā)表在2017年達到最高峰,中文文獻發(fā)表在2018年達到高峰,近兩年,相關(guān)研究出現(xiàn)拐點。

        從圖4和圖5可以看出,目前,國內(nèi)外主要的研究主題涉及無線電磁傳輸、磁耦合諧振、無線充電系統(tǒng)、磁耦合機構(gòu)、動態(tài)無線充電,其中,諧振式磁耦合無線充電研究較多。

        圖4 磁耦合無線充電相關(guān)研究中國知網(wǎng)發(fā)文趨勢

        圖5 磁耦合無線充電相關(guān)研究EI-C ompendex 數(shù)據(jù)庫發(fā)文趨勢

        4.1.2 專利文獻

        本文以“無線充電”和“磁耦合”為關(guān)鍵詞,利用大為專利數(shù)據(jù)庫對相關(guān)研究領(lǐng)域的專利進行了檢索分析,相關(guān)專利涉及中國專利、美國專利、歐盟專利、日本專利、韓國專利等技術(shù)創(chuàng)新重要國家,并對其發(fā)展趨勢、涉及主題、主題發(fā)展現(xiàn)狀進行了呈現(xiàn)和分析。

        從圖6可以得知,相關(guān)技術(shù)在無線充電裝置、控制電路、發(fā)射線圈、接收線圈、電動汽車磁耦合無線充電系統(tǒng)、諧振式磁耦合等模塊已有相對成熟技術(shù)。

        圖6 磁耦合無線充電相關(guān)專利研究領(lǐng)域熱力圖(大為專利)

        綜上文獻調(diào)研來看,自2012年以來,磁耦合無線充電的論文發(fā)表數(shù)量呈上升趨勢,耦合式無線充電技術(shù)得到快速的發(fā)展,并成為學(xué)術(shù)研究和申請專利的重點領(lǐng)域。從文獻調(diào)研的關(guān)鍵詞可以看出,磁耦合無線充電技術(shù)在電動汽車領(lǐng)域已有充分的研究和應(yīng)用。

        4.2 磁耦合式無線電能傳輸(MC-WPT)的主要形式

        隨著近幾年無線電能傳輸科技的迅猛發(fā)展和不斷改進,磁耦合無線電能傳輸技術(shù)(MC-WPT)又可以分成3種形式,即MCI-WPT(磁耦合感應(yīng)式)、MCR-WPT(磁耦合諧振式)及MCB-WPT(磁耦合雙模式)[6],如表2所示。

        表2 磁耦合感應(yīng)式、磁耦合諧振式、磁耦合雙模式WPT的工作原理對比

        通過對比這磁耦合無線電能傳輸3種模式的工作原理,可以得知,磁耦合感應(yīng)式在感應(yīng)區(qū)范圍內(nèi)的無線傳輸效率高,而磁耦合諧振式在諧振區(qū)范圍內(nèi)的無線傳輸效率高,磁耦合雙模式就是在兩種磁耦合之間加入了轉(zhuǎn)換開關(guān)組,既可以實現(xiàn)在感應(yīng)區(qū)的高效率無線傳輸,又可以實現(xiàn)在諧振區(qū)范圍的高效率無線傳輸,并且能在這兩種模式下自由切換,從而大幅提高了電能的無線傳輸效率。

        4.3 磁耦合式無線電能傳輸(MC-WPT)在多旋翼無人機領(lǐng)域的應(yīng)用

        在國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫檢索關(guān)鍵詞“無人機”“磁耦合”“無線充電”顯示,相關(guān)文獻較少,密切相關(guān)文獻中文1篇、外文1篇、專利20篇。2篇文獻的主要研究方向仍然是在保證無線充電系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上最大限度地提高無線充電效率和充電功率,他們的理論推導(dǎo)和實驗研究表明,通過增加線圈匝數(shù)[7]、調(diào)整線圈位置,并根據(jù)磁耦合機構(gòu)的特征設(shè)計出來的控制策略[8],可以顯著提高無線充電效率。

        這些文獻關(guān)于磁耦合式無線充電技術(shù)在無人機應(yīng)用領(lǐng)域的研究相對較少,固定翼無人機的無線充電技術(shù)已有少量專利申請,而多旋翼無人機主要集中在磁耦合諧振式無線充電技術(shù)的專利申請,但裝置在無人機上的接收器呈現(xiàn)重量輕、體積小的特點,且無線電能傳輸效率均在85%以上。目前,雙模式無線電能傳輸(MCB-WPT)仍未見專利申請。

        5 總結(jié)與展望

        本文運用文獻分析法和大為專利檢索分析法,系統(tǒng)地對國內(nèi)外關(guān)于多旋翼無人機(UAV)無線充電技術(shù)的發(fā)展過程進行梳理和總結(jié),通過厘清學(xué)術(shù)界在相關(guān)領(lǐng)域的研究思路,可以得出明確的結(jié)論:迄今為止,無人機最優(yōu)的無線充電技術(shù)當(dāng)屬磁耦合雙模式無線電能傳輸(MCB-WPT)。當(dāng)然,磁耦合雙模式WPT 技術(shù)還有很大的提升空間,除了可以進一步提高其傳輸效率,還可以從耦合結(jié)構(gòu)的材料和性能的方面著手,設(shè)計出輕巧、便捷的無線充電系統(tǒng),無人機作業(yè)半徑小、續(xù)航時間短的屏障就會被進一步打破。

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