安紅恩，楊少沛（通信作者），許 強(qiáng)

（黃河交通學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 河南 焦作 454950）

0 引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)的發(fā)展越來(lái)越快，無(wú)人機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、操作方便、飛行靈活，且成本低、不會(huì)造成人員傷亡，常應(yīng)用于攝像、遙感、勘察、監(jiān)測(cè)中，而且在災(zāi)害預(yù)警、天氣預(yù)報(bào)中，甚至在軍事領(lǐng)域和現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中都有應(yīng)用。為無(wú)人機(jī)提供飛行動(dòng)力的設(shè)備目前主要是鋰電池，其中3S鋰電池是最常見的一種。因?yàn)槭芟抻跓o(wú)人機(jī)自身的重量和鋰電池本身的容量，無(wú)人機(jī)飛行的時(shí)間都不是很長(zhǎng)，如何提高無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力就成了一個(gè)亟待解決的問題。

2018年11月，南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天系團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了最新的研究成果，這款名為“蒼鷺”的無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)“充電一小時(shí)、飛行百公里”，是物流無(wú)人機(jī)領(lǐng)域不折不扣的“節(jié)能王”[1]。

2018年11月，中國(guó)在一項(xiàng)新技術(shù)——短距離激光充能技術(shù)上的突破，使這一猜想成為現(xiàn)實(shí)。據(jù)媒體報(bào)道，中國(guó)已經(jīng)能夠使用光纖供電系統(tǒng)發(fā)射自由電子激光束系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程激光能量傳輸。在實(shí)驗(yàn)中，遠(yuǎn)程激光充電系統(tǒng)成功地將我軍小型無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間從2 h提高到了48 h，實(shí)現(xiàn)24倍的提升。因此，只要未來(lái)的無(wú)人機(jī)裝備了可靠的遠(yuǎn)程激光充電系統(tǒng)，就不再需要安裝巨大的燃料箱或電池艙，這可以大大減輕無(wú)人機(jī)的重量，使其更加靈活，并能連續(xù)作戰(zhàn)。

1 無(wú)人機(jī)空中充電主要研究?jī)?nèi)容

1.1 無(wú)人機(jī)空中無(wú)線充電系統(tǒng)研究

早在1980年左右，無(wú)線電能傳輸技術(shù)就引起了人們的關(guān)注，第一個(gè)開始做實(shí)驗(yàn)的人是美國(guó)電氣工程師尼古拉斯·特斯拉，他利用交流電并且在沒有導(dǎo)線連接的情況下，點(diǎn)亮了遠(yuǎn)處的一個(gè)白熾燈[2]，揭開了無(wú)線充電的序幕，由此而產(chǎn)生了一種線圈即特斯拉線圈。

空中充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是無(wú)人機(jī)空中無(wú)線充電系統(tǒng)的主要部分，其他還有無(wú)線電能發(fā)送模塊、無(wú)線電能接收模塊的設(shè)計(jì)，電源檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，抗干擾系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通信識(shí)別模塊設(shè)計(jì)，讓無(wú)人機(jī)空中飛行時(shí)在一定距離內(nèi)可以接收到電源信號(hào)進(jìn)行無(wú)線充電。空中無(wú)線充電技術(shù)主要應(yīng)用在無(wú)人機(jī)物流配送上，在飛行路線的必經(jīng)之路上設(shè)置充電設(shè)備，讓無(wú)人機(jī)一邊飛行一邊充電，或在機(jī)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行無(wú)線充電。磁感應(yīng)充電方式和磁共振充電方式是無(wú)線感應(yīng)充電方式的主要形式。磁感應(yīng)充電的基本原理是法拉第的電磁感應(yīng)定理，變化的磁場(chǎng)和變化的電場(chǎng)之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系。導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，就能感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，因此，可以通過(guò)耦合變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電的目的，達(dá)到電能的無(wú)線傳送。在磁感應(yīng)充電方式中，接收線圈通過(guò)接近發(fā)射線圈的方式感應(yīng)其中的電流變化，從而實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，磁感應(yīng)式充電方式原理簡(jiǎn)單，充電距離卻很短，最大距離通常只有數(shù)厘米。磁共振充電方式在磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上要求發(fā)射線圈與接收線圈具有相同的共振頻率[3]，從而提高充電效率。磁共振充電方式的距離相比磁感應(yīng)方式則要大很多，甚至能夠達(dá)到數(shù)米的范圍。所以，應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的無(wú)線充電方式多為磁共振方式，見圖1。

無(wú)線感應(yīng)充電技術(shù)對(duì)于無(wú)人機(jī)的無(wú)人值守自主充電有一定的意義。通過(guò)在通信用無(wú)人機(jī)的工作區(qū)域內(nèi)部署一定數(shù)量的無(wú)線充電站，能夠在一定程度上保障無(wú)人機(jī)的能源供應(yīng)。但是無(wú)人機(jī)仍需要飛行到充電站點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)能源的補(bǔ)充。

對(duì)于常見的S-S（series-series）結(jié)構(gòu)，S-S WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。由圖2可知，發(fā)射線圈的電流Ip為

在式（1）中，Ip為發(fā)射線圈的電流，Cp和Cs為變壓器原邊和副邊的等效電容，Lp和Ls為變壓器原邊和副邊的等效電感，Rp和Rs為變壓器原邊和副邊的等效電阻，M為變壓器原邊和副邊的互感值，經(jīng)研究M大于等于6.57 μH。Uin為輸入信號(hào)電壓，ω為角頻率，Rl為負(fù)載。Uin、Cp、Lp、Rp、Ip組成發(fā)射線圈電路，Ls、Cs、Rl、Rs組成接收線圈電路。

當(dāng)Rs很小、Rl無(wú)窮大時(shí)，則很小，又因?yàn)镽p值同樣很小，此時(shí)發(fā)射線圈電流Ip將會(huì)很大，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤孀兤鞯惹凹?jí)電路。顯然對(duì)于無(wú)人機(jī)的停靠充電是一個(gè)問題，而添加硬件控制電路不僅可靠性有待檢驗(yàn)，硬件花銷也會(huì)大大增加[4]。

為了避免上述這種情況，可采用LCC-S拓?fù)鋪?lái)作為無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。LLC-S WPT系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)框圖見圖3。VT1-VT4為MOSFET，Rp為發(fā)射線圈內(nèi)阻，Rs為拾取線圈內(nèi)阻，Rl為等效負(fù)載。

在圖3中，Ip為發(fā)射線圈的電流，Udc為輸入信號(hào)電壓，ω為角頻率，VT1-VT4為MOSFET，C1和L1為寄生電容和電感，Cp和Cs為變壓器原邊和副邊的等效電容，Lp和Ls為變壓器原邊和副邊的等效電感，Rp和Rs為變壓器原邊和副邊的等效電阻，M為變壓器原邊和副邊的互感值。RL 為負(fù)載。Udc、VT1-VT4、C1、L1、Cp、Lp、Rp、Ip組成發(fā)射線圈電路，Ls、Cs、Rl、Rs組成接收線圈電路。MOSFET VT1-VT4構(gòu)成類似單相橋式整流電路，可以有效防止發(fā)射線圈電流Ip過(guò)大而燒壞輸入信號(hào)電壓和輸入線圈。

微波充電是把電能加載到微波上，使用微波發(fā)射天線來(lái)發(fā)射帶有電能的微波，再用接收天線來(lái)接收帶有電能的電磁波，然后通過(guò)其他還原裝置如微波整流器等轉(zhuǎn)換為電能，這就是微波充電技術(shù)。在這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)空氣把電能從發(fā)射端輸送到負(fù)載側(cè)，由于微波具有穿透性，所以微波輻射式無(wú)線電能傳輸技術(shù)適用于距離比較遠(yuǎn)的電能傳輸[5-7]。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，屬于新能源技術(shù)，太陽(yáng)能技術(shù)也早就用在無(wú)人機(jī)上，把無(wú)人機(jī)的框架外露部分做成太陽(yáng)能充電板或者直接加上太陽(yáng)能充電板，增大太陽(yáng)能電池板的光照面積，就可以發(fā)電、充電，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)續(xù)航能力的提高，見圖4。

目前常用的太陽(yáng)能無(wú)線充電電路是ICPT系統(tǒng)，其系統(tǒng)的組成見圖5，直流電源經(jīng)過(guò)高頻逆變電路產(chǎn)生的高頻交流電進(jìn)入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，依靠松耦合變壓器兩個(gè)線圈之間的耦合進(jìn)行能量傳遞，原邊線圈中的高頻交流電，產(chǎn)生高頻的交變磁場(chǎng)，在副邊產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而達(dá)到無(wú)線電能傳輸?shù)哪康?，最后?jīng)過(guò)副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和高頻整流電路達(dá)到負(fù)載[8-9]。

直流電經(jīng)過(guò)高頻逆變或工頻交流電經(jīng)過(guò)整流和高頻逆變處理后才能夠原邊發(fā)射電路使用，常用的高頻逆變器有全橋、半橋、推挽和單管逆變電路。

由于云層厚度以及風(fēng)速和太陽(yáng)光線的影響，光伏電池和太陽(yáng)能充電的局限性還很大，充電效率低等問題需要解決。

1.2 無(wú)人機(jī)智能控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用無(wú)人機(jī)自身攜帶的GPS模塊和電源檢查模塊等裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路況信息和自身電源電量信息，自動(dòng)做出最佳選擇，如飛行路線（如最短飛行路線或沿途有機(jī)場(chǎng)的飛行路線）選擇或飛行狀態(tài)（飛行速度、飛行高度）選擇。當(dāng)接收到相關(guān)指令或有突發(fā)情況出現(xiàn)時(shí)，或自動(dòng)選擇就近機(jī)場(chǎng)降落或進(jìn)行線路改道或進(jìn)行空中充電等進(jìn)行最有效操作[10-11]。

1.3 雙電源控制的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型研究和工作模式與休息模式充電方式研究

雙電源控制的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型研究可以有效地對(duì)主電源和備用電源進(jìn)行電量控制，提高電源的利用率，從而有效提高無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力。主電源在工作時(shí)對(duì)備用電源進(jìn)行充電，當(dāng)主電源電量下降到最低值時(shí)切換為備用電源開始工作，主電源開始充電；備用電源在工作時(shí)對(duì)主電源進(jìn)行充電，當(dāng)備用電源電量下降到最低值時(shí)切換為主電源開始工作，備用電源開始充電，周而復(fù)始。工作模式中可以實(shí)現(xiàn)快速充電，休息模式中可以實(shí)現(xiàn)自己主動(dòng)尋找充電設(shè)備進(jìn)行有線充電或無(wú)線充電。

1.4 無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)優(yōu)化構(gòu)建

利用現(xiàn)有條件，如無(wú)人機(jī)需要經(jīng)過(guò)的居民樓頂或路燈、電線桿等設(shè)備作為無(wú)人機(jī)?？繖C(jī)場(chǎng)，在為無(wú)人機(jī)休息、貨物轉(zhuǎn)場(chǎng)、簡(jiǎn)單快速維修時(shí)提供充電服務(wù)（有線充電無(wú)線充電均可），必要時(shí)母機(jī)可以從機(jī)場(chǎng)起飛，陪伴工作無(wú)人機(jī)飛行，進(jìn)行充電。

2 無(wú)人機(jī)空中充電的關(guān)鍵技術(shù)

（1）無(wú)人機(jī)空中充電技術(shù)。該技術(shù)主要指無(wú)線充電技術(shù)，即主要研究電能的發(fā)射和接收。磁耦合感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸技術(shù)是無(wú)線充電的基礎(chǔ)，適合近距離傳輸，對(duì)無(wú)人機(jī)空中充電的研究有重大意義。

（2）設(shè)計(jì)整個(gè)無(wú)人機(jī)智能控制系統(tǒng)。充電部分包括基于雙邊的LCC磁耦合感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)，逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路、整流濾波電路、DC-DC電路等。關(guān)鍵技術(shù)包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、飛行路線、飛行狀態(tài)等。

（3）解決無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)選址問題，優(yōu)化無(wú)人機(jī)充電方式。在無(wú)人機(jī)的飛行路線上尋找合適的地點(diǎn)建立充電機(jī)場(chǎng)，例如路燈燈桿或者建筑物的房頂，采用阿德蘭啟發(fā)式算法對(duì)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，確保達(dá)到最佳效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要論述了無(wú)人機(jī)空中充電技術(shù)，重點(diǎn)論述了無(wú)線充電技術(shù)，無(wú)線充電技術(shù)主要包括無(wú)線感應(yīng)充電技術(shù)和光伏充電技術(shù)，在此基礎(chǔ)上討論了智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、雙電源控制技術(shù)與模式變換和無(wú)人機(jī)機(jī)場(chǎng)優(yōu)化構(gòu)建問題。同時(shí)探討了空中充電的關(guān)鍵技術(shù)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。