无人机悬停无线充电技术特征分析

邓醒明　张浩鋆

摘   要：近年来随着科技的进步，各式各样的技术层出不穷。目前在电能传输方向，无线电能传输技术虽然刚刚起步但发展迅速，基于电能传输方式和机制的无线电能传输技术类型多样，根据不同场合和负载发展出不同的技术，发展前景良好。而针对无人机领域，悬停无线充电的无线电能传输系统也发挥了重要的作用，但因为无人机的特殊性，以及与其他负载相比自身特点的独特性，还有悬停状态电能拾取的特殊性，无线电能传输系统与常规系统表现出的特征会有差别。因此，无人机悬停系统无线电能传输系统的设计应该去区别于常规系统。我们首先对主流无线电能传输技术进行研究，结合分析结果我们针对无人机及悬停无线电能传输系统进行分析。

关键词：无人机  无线充电  传输  能量

中图分类号：TN76                                 文献标识码：A                         文章编号：1674-098X（2019）07（a）-0071-02

无人机的航程需要消耗大量的能量，因此如何增加无人机续航里程应该成为我们研究的重中之重。现在的方法我们分为了两大类，一种是用更多的电能携带进行电能的补给或者进行多次补给。但更多的电能意味着更大的蓄电池，而现在蓄电池技术的发展已经进入停滞不前的阶段，想要更多的电池只能增加蓄电池的体积和重量，无人机的优点就在于轻量化以及灵活的机动性能，而过大过重的蓄电池势必会中和掉一部分的优势。多次补给意味着无人机需要多次降落到基站甚至回到母港，因为现在的技术仅仅停留在传统的接触式电能传导，如果采用这种方法，不仅会大大缩短无人机的航行里程，而且有一大部分的电能是浪费在了充电的过程中，有的时候会得不偿失，这种方法的灵活性、便捷性以及可靠性都得不到保证。而新提出的悬停充电形式受不可控因素的影响太大，安全性得不到保障，而且对技术方面的要求很高，难以实现。因此在考虑无人机充电方案的时候应该将多种因素都考虑在内，这种方案的研究是有现实意义的。

1  无线电能传输技术简介

按照能量的传输机制我们将无线电传输技术分为了三大类：第一，电磁感应式无线电能传输技术。该技术基于电磁感应定律，属于电磁场近场耦合无线电能传输技术，该技术无线带能传输是通过次级线圈与原级线圈之间相互耦合的电磁场来实现的。为了增大传输功率和提高传输效率可以通过在空气磁路中加入高导磁材料。该技术也存在着一定的条件，上文提到过原级线圈和次级线圈下需要相对固定并且传输距离有限通常需要在10cm以内，对于大型的电子设备等该技术的适用性不强。第二，电磁辐射式无线电能传输技术。目前该类技术通常采用微波能量传输技术和激光能量传输技术来实现，相比于上一个技术该技术对于小功率的远距离传输是可以实现的。因为在运行过程中为了保证该技术的传输方向需要复杂的跟踪定位系统，在传输过程中不能出现障碍。该技术适用面很小，局限性也很大。第三，磁共振式无线电能传输技术。磁共振式无线电能传输技术在电磁感应式无线电能传输技术的基础上增加了两个自身品质因数 Q 值很高且相互耦合的共振线圈，通过这两个高 Q 值的共振线圈，可以在空间内产生更高强度的磁场，克服了上面两种技术的缺点，可以进行高效的远距离传输，也属于电磁场近场耦合无线电能传输技术。该技术安全可靠，没有明显的方向性所以局限性相比于其他两种更小，不仅可以进行选举李传输，在一定条件下也可以实现高效的中距离传输，传输媒介的种类也进行了扩充，非金属物质也可以进行传输，因此产生的影响更小。

2  无人机悬停无线充电系统特征分析

随着无线电传输技术在生活中的普及，很多领域开始纷纷采用该技术，如：厨房家电，电子产品以及电动汽车等，与无人机相比这些设施的充电和供电系统都有统一的特征，位置相对固定，对于设备的接收端和充电端的相对位置是不变的，而无人机由于本身的特点，在无线电能传输系统进行无线充电时，两者的位置难以保持绝对静止。因此，无人机悬停系统无线电能传输系统的设计应该去区别于常规系统。我们首先对主流无线电能传输技术进行研究，结合分析结果我们针对无人机及悬停无线电能传输系统进行分析。

基于无线电能传输模式的无人机悬停无线充电的示意图如图1中所示，进行充电时，无人机在能量发射圈上方停留，为了保证充电的有效性，无人机需要时刻调整位置使其保持相对位置固定。从图1可以看出无人机在悬停状态下充电会有以下几个特征。

（1）动态负载。无人机空中完全静止是不可能实现的，只能通过一定的调整最大限度保持相对静止，由于电动机的功率是恒定不变的，但充电系统会发生等效负载的变化，即是一个具有动态负载特性的系统。

（2）动态互感。无人机充电过程中是虽然会尽力保持静止，但以为客观因素的存在，使其不能保持完全静止，对于能量发射装置会产生一定程度的偏差，不管是垂直还是水平，最终都会导致耦合机构的相对位置发生改变。对于基于无线电能传输技术的充电系统则表现为耦合机构之间的互感发生变化，即是一个具有动态互感特性的系统。

（3）耦合机构弱耦合。用以表征兩个线圈耦合程度的参数是耦合系数，一般用K来表示，它由次级线圈自感系数Ls、原级线圈自感系数Lp和它们之间的互感系数M共同决定，K的表达式为：

3  结语

本文首先介绍了目前主要的无线电传输技术，并且分析了各个技术的优缺点，结合已有的技术我们对无人机悬停无线充电系统进行了分析，得出了其特征：弱耦合、动态互感和动态负载。

参考文献

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