提高多旋翼无人机续航能力的措施

刘旭兰

摘要：随着无人机技术的不断发展成熟，无人机尤其是多旋翼无人机在消防、农业、救援、测绘和公共安全等领域崭露头角，然而续航时间是现阶段多旋翼电动无人机进一步发展和更广范围应用的瓶颈，本文从无人机结构、材质以及能量来源方面进行汇总，以期对技术人员有所启发。

关键词：无人机 续航 材质 电池

目前多旋翼无人机主要以锂离子充电电池作为电源，续航时间短、机体不够轻等问题仍然存在，制约着无人机的进一步发展。目前大多数多旋翼电动无人机的续航时间在12～30min 之间，如大疆（DJI）最新产品MAVIC PRO 质量0.743 kg（毛重4.35 kg），最长续航时间仅27 min;XIRO 零度无人机探索者XPLORER-G 质量1.189kg，飞行时间仅18 min，续航时间短、机体不够轻等问题，成为无人机进一步发展的拦路虎。

结构的改进

对于传统的多旋翼无人机的续航问题，目前的结构改进方式主要是倾转旋翼无人机或垂直起降固定翼无人机。即将多旋翼与固定翼相结合，在起降阶段由旋翼提供垂直方向的动力，而飞行时旋翼倾转从而提供推力，使飞行器既能像直升机那样垂直起降，又能像固定翼飞机那样巡航飞行，大大提高了续航时间。然而倾转舵机或是垂直起降动力系统重量较大，加之无人机本身的结构沉重，产生了大量废重，难以运输大量货物;且运用于自重较大的货运无人机时，往往会因为使用大推力螺旋桨而极大增加倾转舵机的负载。舵机的响应速度并不快，往往会让无人机的可操控性大打折扣。无人机巨大的机翼结构与无法侧向倾转的舵机会使稳定悬停变得极为困难，因此并不适用于物流。

二、材质的改进

要达到无人机结构的轻质化和高性能化，在机架材质的选取要十分慎重。与传统的金属材料及复合材料相比，碳纤维复合材料具有轻质高强、抗疲劳和防盐雾侵蚀的特性，将其应用于无人机结构中可以改善和提高无人机的综合性能。机臂可采用碳纤维空心方管，碳纤维方管较碳纤维圆管承载能力更强，方管的平面更有利于连接机体和螺旋桨，且搬运方便。

除碳纤维外，聚碳酸酯及其合金材料、高分子基复合材料、含氟聚合物等材料在无人机领域的创新应用也有相关研究。

三、能量来源的改进

3.1 燃油和电能

目前无人机的动力装置有电动机和油动发动机两类。固定翼和单旋翼无人机多采用油动发动机，而多旋翼无人机绝大多数都是电动机驱动的。对于电动机驱动的多旋翼无人机来说，要提高载重量和延长续航时间，就要采用大功率电机并加装更多组电池，而大功率电机和大电池本身需要更多的起飞动力，且成本会数倍增加。汽油的能量密度远大于电池，因此，有些厂家推出了油动多旋翼无人机以提高续航能力和载重量，目前该类型的无人机可用于农林植保。油动多旋翼无人机分为燃油直驱多旋翼以及油动变距多旋翼两种，前者通过改变发动机的转速来控制无人机飞行状态，后者通过改变桨的螺距来改变升力，相比之下，后者响应速度快抗风性强且发动机寿命不受影响。

另外油电混合动力系统也已用于无人机，油电混合动力系统是指油动和电动通过某种方式组合在一起并发挥某种优势性能的复合动力系统。此系统的设计实现可以改善原有的无人机动力来源单一的现状，因而能够大大提高无人机的续航时间。

3.2 锂离子电池

锂离子电池是目前多旋翼无人机常用的动力能源之一。虽然锂离子电池相对于镍镉电池、镍氢电池有很多优点，但在无人机的环境使用中依然存在以下缺陷：充放电时间不成比例，充电时间长，续航时间短。锂电池作为现在发展电池利用率相对较高的电池，研究者也努力缩小电池体积、提高电池电量利用率、以及缩短充电时间。2015 年9 月，作为电动车行业佼佼者的特斯拉公司，研发了一种容量在10000 毫安的电池，使无人机续航能力提高到60分钟以上，将充电时间缩短到20 分钟。锂离子电池轻量化技术也有部分学者研究。

3.3 太阳能电池

太阳能无人机是将太阳能转化为电能，驱动螺旋桨旋转产生飞行动力的飞行器，是我国新世纪航空工业重点发展的一个新领域。目前太阳能电池多用于固定翼无人机，如何在多旋翼有限的受光面积上尽大的利用太阳能以及如何提高太阳能电池的转换效率，还有待于进一步的研究。受电池封装材料、电池封装方式、飞行条件对发电效率要求等因素的制约，以及各种飞行器对电池的特殊要求，普通的太阳能电池并不适于直接使用在飞行器上。

3.4 燃料电池

燃料电池与常规电池不同，它是一种由外部提供氧化剂和还原剂的电池，氧化剂可以是空气中的氧气、纯氧，还原剂通常是氢气、甲烷、煤气等，氧化剂与还原剂在燃料电池堆中发生反应，生成水和二氧化碳。燃料电池无人机是以燃料电池为动力的新能源无人机，相较于锂电池，燃料电池有更高的能量密度，燃料电池无人机低噪声、无污染、长航时的特性使其应用领域广泛，并且它有较低的热红外特性，不易被发现，非常适合长时间侦察任务。无人机上使用最多的是质子交换膜燃料电池（ PEM） ，它的反应温度适合无人机的工作环境，并且有较高的能量密度与功率密度。目前燃料电池无人机还存在许多问题，如功率密度低，响应速度慢，而且还需要解决成本与寿命问题。催化剂成本和性能是阻碍燃料电池商业化的重要原因。因为氢气密度小，主要以压缩的形式储存、运输，不可避免的存在安全问题，严重限制了氢能源的应用，而且氢气的储存密度也严重影响着无人机的航时。

目前有研究提出用蓄电池或超级电容与燃料电池组成混合能源动力系统，用蓄电池弥补燃料电池动态响应性能的不足。为了使各电源更好的配合，以获得更长的航时和使用寿命，能源管理算法是必需的，基于燃料电池无人机的能源算法相较于电动汽车要少很多，国外在这方面的起步要早，已经进行了很多研究。

3.5 无线传能

波士顿无人机制造商cyphy Works曾发布一款可执行空中巡航任务的无人机Parc。Parc 无人机由一条“微丝”连接，既可以传输数据也可从外部发电机、车辆或其他设备获得电力，从而实现永不断电。但这种由“微丝”连接电源的结构也有明显的弊端，即无人机的飞行范围受到了限制，只能完成定点式单一式的任务或者航拍。

随着技术的发展，电磁感应、电磁共振、微波、超声波、激光、飞秒激光等离子通道等不同形式的无线充电技术逐渐出现。无人机方面，目前美国已有激光充电的相关技术，例如2013年，美国采用绰号为隐形塔的无线激光充电系统完成了为一架四旋翼垂直起降无人机进行无线供能的试验。2015 年，Solace Power公司和波音公司合作研发小型无人机无线充电技术，利用谐振阻容技术，实现小区域电能转化为电场。无需接触，通过悬停即可实现充电，有效充电距离为25cm左右。美国西雅图机器人无线充电公司WiBotic 100W的电磁共振无线充电板可在2h 内完成对无人机的充电，在不久的将来，该公司的充电板可搭载在诸如汽车的移动平台上，为小型化无人机充电。同年，为解决水下无人机不能长航时漂浮，需要返回基地充电的困难，美国某公司开发了水下无线充电装置，为水下无人机充电。2017 年，华为与中国移动合作研究的X Lab项目中提出四轴无人机可借助信号塔实现无线充电，同时增加无人机的GPS信号和无线充电双重功效。

无线传能技术受制于当前的技术水平，无线传能系统的发射端、传输过程、接收端等过程中的技术机理、能量等级、传输效率、体积质量等方面或多或少仍存在一些技术瓶颈，限制无线传能技术的发展和应用，但这并不影响无线传能技术会在未来推动无人机走向新的时代。

参考文献

1. 徐伟诚等，基于太阳能的植保无人机续航提升方案，中国农业科技导报，2018.20（11）：62-68

2. 张红生等，无人机无线传能技术，無人系统技术，2018.2：49-54

3. 戴月领等，燃料电池无人机发展及关键技术分析，战术导弹技术，2018.1：65-71