一种电动无人机的激光射束驱动系统

石德乐 马宗峰 贺瑞 王桢

（山东航天电子技术研究所，山东烟台 264670）

1 引言

无人机凭借其对地观测能力强、机动性能好、成本低、隐身性能好的优势，可有效地消除有人飞机飞行员在恶劣条件下执行任务带来的各种风险，越来越多地被用于军事侦察、作战及民用遥感、导航、自然灾害监视与救援等众多领域。目前，无人机一般采用内燃机或电动机作为飞机动力。其中，小型电动无人机由于体积小、质量轻、机动灵活、成本低、操作简便、可靠性高、维护方便、便于储存运输等特点，具有较高的应用价值。然而目前电动无人机蓄能电池的能量密度远低于燃油［1］，严重影响了电动无人机的滞空时间和续航能力，限制了无人机的使用范围。对于电动无人机而言，亟需一种高效的能量供给方式。

无线能量传输技术在高效蓄能电池技术外，可以为电动无人机提供一种新型能量供给方式，为提高无人机的续航能力提供了有效的解决方法，目前国外已经针对电动无人机激光射束驱动技术进行了大量的研究和试验［2-3］。

日本近畿大学在2006年开展了利用激光能量传输给风筝、直升机的激光供能试验。在风筝试验中，风筝获得了42 W 功率，实现电动风筝在直径30m，高50m 的圆形范围内飞行［4-5］。

2012年7月美国洛克希德-马丁公司与美国激光动力公司成功试验了一种新型激光充电装置，大幅提高“潜行者”（Stalker）无人机的续航能力。飞行续航能力提高24倍［6-7］。

无人机激光射束驱动技术的应用将拓展电动无人机的应用范围，实现对所关注目标的无限制连续监视。目前，针对电动机激光射束驱动技术，各国都处在研究阶段，并针对关键技术进行攻关［8］。

本文将在对国内外先进激光无线能量传输方式进行分析的基础上，设计一种用于电动无人机的激光射束驱动系统，将极大地拓展电动无人机的使用范围和应用模式，为激光射束驱动无人机技术工程化提供技术支撑。

2 激光射束驱动无人机系统组成

无人机激光无线能量传输系统将实现地面功能端对电动无人机的无线能量传输，该系统由地面发射机和机载接收机两个系统组成，其组成结构如图1所示。其中，地面发射机包括转台伺服单元、地面主控制器和能量激光器；机载接收机由光电转换器、机载控制器、能源管理器组成。该系统主要完成对距离1000m 范围的小型电动无人机进行激光射束驱动，接收端接收功率为600～1000 W。在后续章节中将针对地面发射机和机载接收机进行详细论述。

图1 无人机激光无线传能系统框图Fig．1 Block diagram of laser power for electrically-powered unmanned aerial vehicles

3 激光射束驱动能量地面发射机设计

激光射束驱动能量地面发射机主要完成地面电能的电—光转换和光能发射，由能量激光器、伺服转台单元和地面主控计算机组成，其核心任务首先是高效的电—光转换，其次是保证能量光束高精度、准确地对准机载接收机光电转换板的覆盖。

3．1 能量激光器

能量激光器主要任务是进行高效的电—光转换，为地面发射机提供光能，它由激光器电源驱动模块、制冷模块、接口控制模块及高功率、高光束质量激光发射模块组成。

太阳能电池在单波长激光的照射下的效率，高于宽波段太阳光照射下的效率，并且连续光源照射效率要高于脉冲光源照射效率，因此方案中选用连续单波长激光作为能量传输介质。由于光子能量正比于其本身的频率，则光源的频率直接影响太阳能电池能带隙跃迁，从而材料对于激光波长的选择性非常重要，因此需要综合考虑激光波长和太阳能电池材料的关系［9］。图2为常见太阳能电池材料光电转化效率谱分布［10］。

如图2所示，从图中不难发现，对于目前较为常见的砷化镓（GaAs）和硅（Si）材料，波长为845nm左右波段的激光光电转化效率最高。考虑到目前激光器发展水平，需要选择输出功率较大的激光器，而850nm 激光器的输出功率相对较小，综合考虑激光器输出的功率、体积、效率等因素，在设计中建议选择808nm 的光纤耦合半导体激光器作为系统光源。

图2 入射激光波长与太阳能电池材料的关系对比图Fig．2 Relation between wavelength and materials

3．2 转台伺服单元

转台伺服单元是地面发射机的主体部分，担负着收发光路的捕获、瞄准和跟踪，是地面发射机主要执行设备，转台伺服单元应由光学发射光路、接收光路和二维转台组成［8］。

如图3所示为转台伺服单元结构图，二维转台用于稳固地支撑发射光路、接收光路，并能够绕方位、俯仰转动，使得发射光路和接收光路对无人机目标进行捕获、瞄准和跟踪；发射光路用于对输入的能量激光进行整形，输出高光束质量、小束散角、高能量密度的能量激光光束；接收光路用于对无人机机载接收机指示光进行接收、探测和定位，为二维转台跟踪提供角度依据；传感通信模块则是对二维转台的GPS位置和初始角度信息进行测量，并以一定的工作频率向机载主控计算机上报。

图3 转台伺服单元框图Fig．3 Block diagram of servo unit

发射光路是对发射激光光束进行束散角压缩、光束整形的光学系统。在设计中，需要综合考虑输入光束质量、输出光束质量及接收端的光电转换单元尺寸。为了获得更高的能力密度，一般需要根据传输距离计算最佳的天线口径。在传播距离L（为靶面与发射光学系统天线口的垂直距离）确定的情况下，取最小的光斑直径为

式中：λ为工作激光波长；φ为光纤纤径；NA为光纤数值孔径；fmin为发射光路焦距。

最小光斑情况下的发射光路焦距为

因此通过式（1）和式（2）就可以确定dmin和fmin。

3．3 地面主控计算机

地面主控计算机是地面发射机控制系统核心，完成对地面设备的监视和控制，同时为操作人员提供友好的人机交互界面。如图4所示，地面主控计算机应为5部分组成：主控模块、图像处理模块、接口模块、无线通信模块和上位机界面。

图4 地面主控计算机结构图Fig．4 Block diagram of the controlling computer

接口模块负责地面主控计算机的数据接收和发送，在考虑各个接口速度的情况下，在本系统中选用了RS485接口。该数据接口将与能量激光器、二维转台、传感通信模块、接收光路传感器进行连接。计算控制模块是整套系统的大脑，采用数字信号处理（DSP）芯片接收上位机界面指令，控制地面及机载设备按工作模式进行工作，协调各设备工作并具有一定的自动错误处理能力。图像处理模块采用可编程逻辑器件（FPGA）处理芯片，对CCD 获得的图像信息进行处理，并对无人机信标光进行相对位置定位。基于Lab View 软件的上位机界面为控制人员提供理想的人机交互界面，实现操作者对系统的控制，同时将系统检测结果呈现给控制人员，将地面发射机和机载接收机的工作状态上报，提供系统工作参数、工作模式控制接口，为地面操控人员提供友好的人机交互界面。

4 激光射束驱动能量机载接收机设计

激光射束驱动能量机载接收机实现对入射能量光束的光-电转换和存储，由光电转换单元、机载控制器和能源管理单元组成。在设计中主要围绕两方面进行：①高效率光—电转换；②轻量化设计，从而在为电动无人机提供能量的同时，尽量减少对无人机载荷的资源消耗。

4．1 光电转换单元

光电转换电池板是光电转换单元的核心部件，如图5所示。目前可用于光电转换单元的光学方式有聚光式和平铺式两种。聚光式是通过反射或透射方式将入射激光光束聚焦在接收光电池上，可以提高光功率密度和提高转换效率，而且通过减少光电池用量实现接收装置低成本。然而由于聚光式体积较大，对入射的光束光轴角度要求较严格，并不适用于无人飞行器使用。平铺式则仅对光电池进行必要的防氧化处理后，根据入射光斑形状进行平面布局，尽管由于光功率密度低和占空比影响等因素，其效率相对略低，但由于结构简洁、布置方式灵活、质量轻，非常适于无人机等大气内飞行器使用。

图5 光电转换光学方式Fig．5 Different kinds of photoelectric conversion

根据对光电转换单元设备的功能需求，对光电转换单元的功能模块进行了划分。光电转换单元由光电池板、目标指示灯、温度和电压传感器组成，如图6所示。

图6 光电转换单元组成Fig．6 Block diagram of photoelectric conversion unit

光电池板是光电转换单元的主体，本设计中选用的为平铺式布局，采用单片1cm×1cm 的砷化镓单结电池，光电转换单元直径190mm，占空比超过80%；目标指示灯负责为地面发射机目标探测模块提供指示无人机的位置和方向的灯光，这里采用经过30°聚焦，发光功率为2 W 的滤光发光二极管（LED）作为无人机目标指示光源；温度传感器和电压（电流）传感器对电池板温度和入射功率进行监测，用以防止地面发射光束对无人机造成损害。

4．2 机载控制器

机载控制器负责完成对机载设备的监测和控制，并与地面发射机进行无线通信。如图7所示，机载控制器主要由无线通信模块，LED 驱动电路、定位模块、采样电路、微控制器（MCU）及电源等组成。

图7 机载控制器结构示意图Fig．7 Block diagram of the controlling unit on plane

无线通信模块与地面发射机进行双向通信，向地面发送机载设备工作状态，并接收地面发送的控制指令；LED 驱动电路完成对LED 目标指示灯的开关和供电驱动；定位模块对无人机定位信息进行测量，为地面发射机瞄准提供目标信息；采样电路对机载光电转换板的温度和电压信号进行采集，在本系统中设计为电压采集方式工作；MCU 模块机载设备信息进行编码、发送，同时对接收的地面信息进行解码并控制机载设备，是机载设备的核心控制单元。

4．3 能源管理单元

能源管理单元主要对输入电能量进行管理和分配，并为负载提供稳定的输出电压，同时为机载控制器提供持续稳定的电源，以保证系统的可靠、正常运行。根据能源管理单元功能需求，能源管理由DC／DC电源、功率跟踪电路、蓄能电池、输入输出保护二极管组成，如图8所示。

图8 能源管理单元组成Fig．8 Block diagram of the energy controlling unit

蓄能电池（锂电池）在光电池板无输入时对机载接收机进行供电（起飞、降落及地面发射端跟踪失败时），而在有电能输入时作为能源存储的设备；功率跟踪电路采用扰动法对光电池输出电能进行最大功率点跟踪，并将输出电能提供给蓄能电池充电和电机工作使用。为保证电池充电安全性，蓄能需要具有大电流充电能力，在本系统中采用了钛酸锂电池。DC／DC1模块将光电池和锂电池输出的低压电能进行稳压整流处理，实现对无人机驱动电机的供电。同时DC／DC2 模块为将锂电池提供的电源经过降压稳压后为机载控制器供电。

5 系统传输功率与效率

衡量激光射束驱动无人机系统性能有2 个指标：发射功率（PS）和接收功率（PR），其中发射功率由地面发射机能量激光器决定，在接收端能量密度允许的情况下，采用更大的激光器可以获得更多的发射功率。在激光无线能量传输过程中，多个因素将影响系统能量传输效率，这些因素包括：激光器光电转换效率、光学天线发射效率、激光空间传输效率、接收面效率和光电转换单元的光电转换效率，另外地面发射机的捕获、瞄准和跟踪（APT）系统的跟踪精度也在一定程度上对系统传输效率存在影响。

影响整个系统电光—光电传输效率的环节因素主要包括：η1为激光器电光转换效率；η2天线发射效率；η3为激光在空间中的传输效率；η4为APT 系统跟踪精度影响剩余效率；η5为接收光学天线接收效率；η6为光电转换器的光电转换效率。激光无线能量传输系统传输效率为

根据目前设计情况，激光能量传输各环节效率如图9所示。

图9给出了激光射束驱动过程中各个关键环节可以实现的效率，因此最终电—电转化效率约为12%，最终光到电转化效率约为26%，一般而言小型无人机的电能需求在600～1000 W，在系统建造中将选用2．3～4kW 的光纤耦合半导体激光器。

图9 激光无线能量传输环节效率Fig．9 Efficiency of the laser power for electrically-powered unmanned aerial vehicles

单结GaAs光电池作为理想的激光光电池，目前实际最高吸收效率为50%，而其理论吸收效率可达70%以上，以目前光电池发展速度，在未来8～10年时间里，单结GaAs光电池的产品完全可以达到60%光电转换效率，从而进一步提高系统的能量传输效率，实现大于20%的电能传输效率。

6 结束语

目前电动无人机续航能力差制约了它的应用，激光射束驱动无人机可以很好地拓展电动无人机续航范围，扩大无人机应用领域。本文提出了一种通过激光—电能转换的方式，利用大功率激光光束作为能量传递介质的激光射束驱动无人机系统，可实现地面能源发射端对电动无人机的无线能量供给。该系统为电动无人机充电应用提供了一种解决手段，可为我国激光无线能量传输技术提供有力的支持。目前，测试获得电—电传输效率仅有12%，未来需要在激光器和光电池高效转换技术上进行深入的研究。

（References）

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