无人机无线充电改造与应用

汤世彬 高举 姚东

[摘    要 ]由于无人机无线充电在实际应用中电能转换效率较低，为此提出无人机无线充电改造与应用。在无人机无线充电改造方面，首先根据共振线圈之间的互感、负载与传输功率参数在数学上存在线性关系，对无人机无线充电传输功率参数改造，然后在无人机无线充电接收装置、发射装置添加铁氧体磁芯，完成对无人机无线充电装置改造，最后通过对无线充电线圈缠绕方式和绕线匝数的变化，实现无人机无线充电改造。对于改造后无线充电方法的应用，首先利用接收装置通过对周围磁场分析接收到太阳能，然后将太阳能转换为电能，最后根据耦合系数确定无人机充电需求，对其进行充电，以此实现无人机无线充电改造与应用研究。

[关键词]无人机;无线充电改造;传输功率参数;铁氧体磁芯;线圈缠绕方式

[中图分类号]TM76 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）04–00–03

[Abstract]Due to the low power conversion efficiency of UAV wireless charging in practical applications， the transformation and application of UAV wireless charging are proposed.In the aspect of UAV wireless charging transformation， firstly， according to the mutual inductance between the resonance coils， the load and the transmission power parameters have a mathematical linear relationship， the UAV wireless charging transmission power parameters are modified， and then the UAV wireless charging receiving device ， Add ferrite core to the transmitter to complete the transformation of the UAV wireless charging device， and finally realize the UAV wireless charging transformation by changing the wireless charging coil winding method and the number of turns.For the application of the modified wireless charging method， first use the receiving device to receive solar energy through the analysis of the surrounding magnetic field， then convert the solar energy into electrical energy， and finally determine the UAV charging demand according to the coupling coefficient and charge it to realize unmanned Research on the transformation and application of wireless charging.

[Keywords]UAV; wireless charging transformation; transmission power parameter; ferrite core; coil winding method

无人机（pilot-less airplane）又称无人驾驶飞机，其是一种通过无线电实时遥控或者根据事先编程好的程序来控制的、搭载多个功能设备执行任务的航空器，随着科技的不断进步，无人机开始朝向智能化、数字化方向发展， 由于具有价格低廉、操作灵活、生存率高、适应性能强等诸多优点，已经被广泛应用到军事、运用、科研等众多领域中。在评价无人机使用性能的众多指标中，无人机的续航能力是其中一项非常重要的指标，对于一架无人机而言，超强的续航能力意味着其能够可持续地执行任务。从能源角度出发，增加无人机续航能力的方法主要有两种，一种是携带大容量电池，在无人机机身上装置一个超大容量的电池为无人机提供充足的电源，这种方法虽然能够有效提高无人机续航能力，但是由于目前蓄电池技术存在一定缺陷，蓄电池的电容量增大就意味着蓄电池的体积和重量增大，这将会增加无人机的飞行重量，降低无人机的灵活性，所以这种方法目前是不可取的;另一种方法是无线充电，在无人机机身上装置一个小型的太阳能电池板，通过该电池板接收太阳能，并将太阳能再转化为电能为无人机提供电源，理论上这种无线充电的方法可以实现无人机“永久”飞行，但是目前该方法还存在一定的缺陷，太阳能电池板的储能系统能量密度较小，并且电能转换效率较低，无法满足无人机稳定、持续供电需求，为此提出无人机无线充电改造与应用。

1 无人机无线充电改造

针对无人机无线充电存在的问题，对无人机無线充电传输功率参数、无线充电装置、无线充电线圈三方面进行改造：（1）通过对无人机无线充电传输功率参数改造，使无人机无线充电传输功率最大化;（2）通过对无线充电发射装置、接收装置的改造，提高无线充电装置电磁感应性能;（3）通过对无人机无线充电线圈绕线方式和绕线匝数的改造，提高接收线圈和发射线圈互感值和自感值的稳定性，以此提高无人机无线充电电能转换效率，保证无人机供电系统的稳定性、安全性，以下将对此次提出的无人机无线供电改造方案进行详细说明。

1.1 无人机无线充电传输功率参数改造

无人机无线充电功率的传输能力主要受到发射线圈自感w、发射线圈与共振线圈的互感g、共振线圈之间的互感k、无人机飞行姿态b以及无线充电负载m影响，为了保证无人机无线充电功率的传输性能，对其功率参数进行改造。通常情况下，无人机在太阳能拾取时为了维持接收端与发射端相对静止会对飞行姿态进行不断调整，所以以上参数中共振线圈之间的互感参数和负载参数是动态变化的，其余参数是可以通过实现确定保持不变的。在其他参数固定不变的情况下，无人机无线充电的传输功率会在一定的范围内发生变化，所以很难保证无线供电始终在最大功率点。在理想情况下，即无人机无线供电始终在最大功率点，当无人机在悬空状态下进行无线充电时，共振线圈之间互感参数和负载参数是不变的，假设这个状态点为（k1，m1）。但是实际与理想是存在差距的，如果能够使无人机无线充电在状态点（k1，m1）时传输功率达到最大，共振线圈之间互感参数和负载参数在变化范围内的传输功率也会增大，所以无人机无线充电传输功率参数的改造问题可以转化为理想状态（k1，m1）下传输功率最大化问题。根据以上分析，将无人机无线充电共振线圈之间的互感参数变化范围改造为0.05～0.15 μH之间，将无人机无线充电负载变化范围改造为1.5～5.5 Ω，由于这两个参数会对传输功率参数具有一定影响，根据共振线圈之间的互感、负载与传输功率参数在数学上存在线性关系，利用以下公式求出改造后的传输功率参数值：

式（1）中，p为无人机无线充电传输功率参数值;M为传输功率最大时的共振线圈互感系数。利用式（1）实时计算出共振线圈之间的互感与负载变化浮动时传输功率，以此完成无人机无线充电传输功率参数改造。

1.2 无人机无线充电装置改造

无人驾驶飞机无线充电装置的安装位置决定了无线充电磁场的分布，影响着无线充电系统的电能传输和耦合能力，传统无线充电装置安装位置不合理，且部分设备种类、体积过大，为提高无线充电系统的工作性能，对无人机无线充电装置进行改造。无线充电主要由发射装置和接收装置所组成，将发射装置中的发射线圈电流走向改造为相反走向，将发射线圈中的一个平面螺旋线圈电流走向改为逆时针走向，另一个平面螺旋线圈电流走向改为顺时针走向，相反的电流走向可以为无人机无线充电发射装置内部存在两个磁场，一个磁场平行发射线圈平面向左，另一个磁场平行发射线圈平面向右，使无人机无线充电发射装置具有双级性特征，相对于传统的单级性，可以更好地为无人机发射电能。在发射线圈下方增添一个铁氧体磁芯，铁氧体磁芯的增加可以有效减小磁路磁阻，提高无人机无线充电装置的耦合性能，同时还能有效减少无线充电出现漏磁现象。将无线充电的接收装置安装在无人机起落架顶端，在接收线圈外侧也安装一个铁氧体磁芯，通过铁氧体磁芯接受发射线圈中任意一个平面螺旋线圈发射出的磁通，经由铁氧体磁芯将其传递到接收装置内部，这样可以减少磁阻。通过在接收装置和发射装置安装铁氧体磁芯，会构成无线充电主磁路，将磁通经过接收端的铁氧体磁芯时，也就经过了无线充电的接收线圈，从而能够实现能量的无线传输，以此完成无人机无线充电装置改造。

1.3 无人机无线充电线圈改造

线圈是无人机无线充电的一个核心部件，其缠绕方式、形状和线圈绕线匝数都会影响到线圈互感、自感值，大部分无人机无线充电线圈的缠绕形状以“矩形空心线圈”为主，这种缠绕形状虽然能够增加线圈对磁场的感应能力，但是在实际中这种缠绕方式会使接收线圈和发射线圈互感值和自感值发生波动。因此此次对线圈的缠绕方式进行改造，将线圈缠绕在圆柱形骨架上，并且要保证每根导线都紧密挨着，不留有空隙，这样可以保证接收线圈和发射线圈互感值和自感值的稳定。其次大部分无人机无线充电线圈绕线匝数在100～120mm之间，绕线长度在250～300 mm之间，对于线圈绕线匝数的确定没有结合实际无人机无线充电需求，绕线匝数过多会导致电能浪费，绕线匝数过少或导致供电不足，因此对无人机无线充电线圈绕线匝数进行改造，利用公式确定具体线圈绕线匝数值，其计算公式如下所示：

式（2）中，G为线圈绕线匝数值;a为螺旋线圈长度;b为螺旋线圈宽度;c为螺旋线圈绕线宽度;N为真空磁导率;r为线圈导线半径;n为单股线圈股数。利用式（2）计算出线圈绕线匝数，以此完成无人机无线充电线圈改造，进而实现无人机无线充电改造。

2 应用

通过上文提出的改造方案，对无人机无线充电进行改造，并对改造后的无人机无线充电进行应用，应用过程如下：首先接收裝置通过磁场耦合方式对太阳发射的太阳能进行接收，接收装置的参数决定了太阳能接收情况，其参数如表1所示。

接收装置的接收线圈携带电磁场，通过对周围磁场分析，并且对线圈耦合时接收线圈上的太阳能产生电压，将太阳能进行接收。接收到的太阳能是以脉冲形式存在的，不能对其进行直接使用，需要对其进行电能转换，将其转换为可用于无人机充电的电能。能量转换完成之后，将电能传输给发射装置，发射装置会对其进行供电。由于持续无人机供电过大，容易出现漏电现象，所以发射装置根据无人机电能需求对其进行供电，无人机的充电需求利用耦合系数的大小来决定，耦合系数取值范围在0～1之间，其值越接近1，说明无人机无线传输的电能需求量越小。相反耦合系数值越接近0，说明无人机无线传输的电能需求量越大，根据耦合系数对无人机进行无线充电，充电公式如下所示：

式（3）中，f为无人机无线充电耦合模型;i为无人机无线供电耦合系数;o为无人机负载的能量衰弱系数;a为接收装置能量源的简正模型;s为无人机无线充电发射端能量振幅系数;z为无人机无线充电接收端的能力振幅系数。无线充电发射装置利用式（3）通过发射线圈将能量传输给无人机，为无人机提供充足的电能，以此完成对改造后的无人机无线充电应用，进而完成了无人机无线充电改造与应用研究。

3 结语

综上所述，对无人机无线充电改造与应用进行了研究，有利于提高无人机无线充电性能，提高无人机续航时间，以及提高无人机无线充电稳定性和安全性，同时实现无人机“永久性”无线充电。此次研究具有一定的现实意义，对无人机无线充电的改造与应用具有良好的借鉴意义，同时也为无人机无线充电改造与应用的相关研究提供了理论依据。由于此次研究时间以及查阅的参考资料有限，虽然取得了一定的研究成果，但在研究内容上还存在一些不足之处，今后仍会对无人机无线充电改造与应用进行进一步研究。

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