用于边境巡逻的定点式多旋翼无人机无线充电系统设计

摘 要：

为了解决目前边境巡逻多旋翼无人机续航能力不足、巡航范围受限的问题，研究了一种应用于沿边境巡逻，具有辅助对准功能的无人机无线充电方案，为无人机执行远距离边境巡逻任务提供保障。设计了中继电能补给站供电和辅助降偏矫正系统，无人机降落后自动对准，开启供电系统实施充电；设计了无人机机载电能接收及充电系统，对发射电能实施有效接收，并转换为可控的恒流及恒压能量流输送至机载电池；搭建了微缩化实验样机，测试结果表明辅助对准系统可实现无人机精确对准，无线充电系统实现了71.3 W能量传输，对应整机充电效率84.6%，机载的电能接收机构仅重28 g。

关键词：边境巡逻；多旋翼无人机；无线充电；位置辅助校正；恒流恒压充电

DOI：10.15938/j.emc.2024.09.018

中图分类号：TM12

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2024）09-0200-09

收稿日期： 2022-11-17

基金项目：国家自然科学基金（52177002）；山东省重点研发计划（2022ZLGX04）；科技部科技创新2030“新一代人工智能”重大项目（2022ZD0116409）

作者简介：孙玮琢（1982—），男，博士，工程师，研究方向为装备可靠性评估;

刘希琛（1998—），男，硕士研究生，研究方向为无线电能传输技术;

武 帅（1995—），男，博士研究生，研究方向为智能无人装备无线充电技术;

蔡春伟（1977—），男，博士，教授，研究方向为无线电能传输技术和电力电子功率变换技术。

通信作者：刘希琛

Design of fixed-point wireless charging system for multi-rotor unmanned aerial vehicle border patrol

SUN Weizhuo1， LIU Xichen2， WU Shuai2， CAI Chunwei2

（1.91550 Unit of the PLA， Dalian 116023， China， 2.School of New Energy， Harbin Institute of Technology （Weihai）， Weihai 264209， China）

Abstract：

Aiming at the problems of insufficient endurance and limited cruising range of unmanned aerial vehicle （UAV） in border patrol， a charging scheme for autonomous entry of UAV in border patrol was proposed， which provides guarantee for UAV to perform long-distance border patrol tasks. The power supply and auxiliary deviation correction system of relay power supply station was designed. The UAV automatically aligns after landing， and the power supply system was turned on to charge. The UAV airborne power receiving and charging system was designed to effectively receive the transmitted power and convert it into controllable constant current and constant voltage energy flow to the airborne battery. A miniature experimental prototype was built. The test results show that the auxiliary alignment system can achieve accurate alignment of the UAV. The wireless charging system realizes 71.3 W energy transmission， and the corresponding charging efficiency of the whole machine is 84.6%. The airborne power receiving mechanism only weighs 28 g.

Keywords：border patrol; multi-rotor unmanned aerial vehicle; wireless charging; position auxiliary correction; constant current and voltage charging

0 引 言

我国的陆地边界线长达2.28万公里，与蒙古、俄罗斯、印度、缅甸等14个国家接壤，通过巡逻对边界线全方位管控具有重要的政治、经济和国防意义［1］。但是漫长的边界线和恶劣的环境造成边境巡逻任务极为艰巨，传统依靠人力巡逻的方式难以对边界做到实时全方位监管，容易给敌对势力和不法分子留下可乘之机。

多旋翼无人机（unmanned aerial vehicle，UAV）具有体积小、灵活性高、对各种环境适应能力强和具备空间悬停等优势，既可以实现长距离侦查巡逻，也可以实现对固定区域的近距离高强度监视［2-3］。通过对无人机设定自动巡逻任务，周期性或突击性对边界线自主巡逻，可以实现对边界线情报信息的实时收集、对于紧急情况的迅速增援和快速证据固定。但受无人机搭载电池容量影响，当前无人机的续航能力不足、巡航范围受限，无法满足远距离的边境巡逻任务要求。国内外关于提升无人机巡航目前有三种方案：①采用油动型无人机［4］。尽管油动无人机的续航时间长，但通常具有不易操作、成本高、维护难等问题；②搭载太阳能发电模块［5］。这种方法可有效延长无人机单次续航时间，但该方法在固定翼无人机上具有更好的适用性，而这类无人机无法实现对固定区域的低空悬停精细巡查；③在无人机飞行路径中布置中继充电站，无人机电量不足时自主降落至中继充电站补充电能［6］。这种方法以中继的方式有效拓展了无人机巡检范围，对巡航路径固定的边境巡逻具有广泛的适用性。

在中继充电站中对无人机实施自主充电有换电、接触式充电和无线充电三种方法。多翼创新科技公司研究团队在充电基站内部安装机械臂，自动更换无人机电池［7］。这种方法的操作效率较高，但对机械臂精度和可靠性要求较高；迅蚁科技公司研究团队为了提升物流无人机配送范围设计了接触式无人充电坪，充电坪的上表面铺有正、负两块金属电极板，无人机降落时起落架底部金属电极与充电平面电极物理接触，将无人机接入供电系统［8］。这种方法的充电效率高，但需要对无人起落架结构进行改造，金属电极易磨损和损坏，且充电坪表面裸露电极易发生短路事故；华南理工大学、武汉大学、哈尔滨工业大学（威海）等机构的研究团队曾利用无线充电技术成功对无人机实施充电［9-11］，由于无线充电系统中无任何裸露电极，这使得无人机无线充电系统具有安全、可靠的优势［12］。

现有无线充电已针对电动汽车，智能设备等产品实现可靠稳定充电［13-14］，但无人机的外形结构特殊、载荷能力差，这要求无线充电系统的机载侧能适应无人机的特殊外形且体积小重量轻。围绕这一需求，国内外学者设计了多种应用于无人机无线充电的磁耦合装置。文献［15］提出了一种圆盘对圆盘式的磁耦合装置，接收线圈位于无人机一侧机翼间隙，能够以63.4%的效率传递51 W的功率。由于接收线圈位于无人机一侧，会导致无人机重心发生偏移，影响无人机的飞行姿态。文献［16］将接收线圈置于无人机腹部，解决了不平衡问题，但该位置会阻碍机载摄像机等设备的安装。文献［17］指出，位于无人机机身腹部的接收线圈，在进行无线充电时，大量磁通涌入无人机机身，存在电磁干扰问题，大功率传输能量时，甚至烧毁无人机内部电子元件。因此，文献［17］添加了铝环作漏磁屏蔽，但此方式额外增加了负荷，影响无人机续航时间。文献［18］设计了一种正交式磁耦合装置，接收线圈嵌入无人机起落架中，与DD型发射线圈垂直。该设计大大减轻了无线充电系统的漏磁干扰，但抵抗旋转错位能力不足。

基于以上分析，本文提出一种新型无人机无线充电系统方案，接收线圈位于无人机起落架底端，占用空间小、不阻碍无人机机载设备的安装，且漏磁干扰小。从磁耦合装置、无线充电系统电路、无人机降偏矫正系统三方面开展详细设计，并搭建实验样机进行系统测试。

1 无人机无线充电系统设计

1.1 边境防线巡逻无人机无线充电系统方案

本文提出方案的应用场景示意图如图1所示，无人机沿边境防线巡查，飞行至预置中继基站时降落充电，充满继续执行巡逻任务。预置基站作为无人机的能量和信息中继，可将无人机记录信息上传至数据中心，也通过无线充电方式对无人机补充电能，基站间隔距离按照无人机最大航行距离及设定的电量裕量规划。相比于当前无人机巡逻系统，具有无线充电的无人机边境巡逻方案可以有效拓展无人机巡逻范围，利于巡逻过程自动化的目标实现，同时无人机欠电时无需返回出发点充电，可节省返程中耗费的电能。

无人机充电系统包含充电基站系统和机载充电系统两大系统单元。充电基站系统如图2（a）所示（仅作为原理阐述，未按实际比例绘制）。充电基站系统由太阳能发电、储能、无人机降偏校正及电能发射四部分构成。太阳能发电模块作为系统能量来源，该电能被存储在蓄电池中供中继基站运行及无人机充电使用。无人机无法确保精确降落至预设的固定位置，一旦发生错位，无线充电系统的电能传输能力、传输效率和漏磁抑制能力都急剧下降，因此本文使用了低成本的无人机降偏校正系统，确保无线充电系统高效率运行。

图2（b）所示为无人机机载充电系统，负责将发射的电能有效接收，并将接收的电能可控地输送至无人机电池组。充电电路部分安装在无人机机身内部。无人机降落前基站系统和机载系统仅有信息交互，降落并位置校对完成后，基站系统和机载系统通过交变磁场建立能量耦合通道，实现无线充电功能。

1.2 无线充电系统整体电路设计及分析

设计的无人机无线充电系统电路拓扑如图3所示，共含直流输入、逆变电路、磁耦合装置、补偿网络、整流电路、Buck变换器和电池组7部分。图中：UDC是直流输入源电压；S1～S5为开关管；UIN和IIN是逆变桥输出电压和电流；L1、C1和C2是补偿电感和电容；LP、LS和M分别是原边自感、副边自感和互感；D1～D5为二极管；Cdc、CB、Ldc为滤波电容及电感；Uout为补偿网络输出电压；Udc和Idc是整流和滤波电路的输出电压和电流；UB和IB是充电电压和电流；Req和Rdc分别为整流桥和Buck变换器输入等效电阻。直流输入由充电基站的储能系统供能，经高频逆变后产生交流激励源，经由补偿电路后输送至磁耦合装置发射端激励出交变磁场；在无人机侧，磁耦合装置的接收机构将部分发射磁能转化为电能，经由补偿电路和整流后实现直流输出；Buck变换器在其中实施输出充电电流和电压的调节任务，从而实现恒流/恒压充电。所设计系统采用原边LCL-副边串联（LCL-S）的补偿方式，该拓扑具有恒频稳定性高的优势；采用Buck变换器的降压调节模式，可提升系统电压等级，有效降低线圈电流，从而提升低电压、大电流充电系统的效率。

在无线充电过程中，式（5）中仅占空比D可变，通过调整占空比即可调整输出充电电流及电压。

2 磁耦合装置及位置辅助校正装置设计

磁耦合装置是无线充电系统中实现将电能无线传输的关键部件，包含充电站中的发射装置和无人机机载侧的接收装置。磁耦合装置与系统电能传递能力、系统传递效率、系统漏磁直接相关。无人机无线充电系统磁耦合装置按接收线圈装设位置可划分为装设在无人机机身周围、装设在无人机腹部和装设在无人机起落架底端三种方案，由于巡逻无人机腹部需要搭载一些精密检测设备，接收线圈装设在无人机机身周围和无人机腹部时，磁通漏磁都必然会对这些精密设备产生严重影响。装设在起落架底端的方案有交叉型结构、DD-I和面对面圆盘式结构三种。相比之下，接收侧采用小型圆盘结构时重量最轻，因此本文将基于面对面圆盘式结构开展磁耦合装置及位置辅助校对装置设计。

2.1 位置辅助校对装置设计

无人机难以保证厘米级精确降落，为降低位置偏移对充电性能的影响，可考虑从提升磁耦合装置抗偏移能力和外加位置辅助校正装置两方面入手。提升磁耦合装置容错位能力往往需要采用大的发射线圈，造成磁场作用范围大、电磁环境恶劣。本文考虑设计一种高可靠的位置辅助校正装置，以简化磁结构设计难度。所设计的校正装置如图5所示，由电机带动丝杆旋转，推杆两端固定在丝杆螺母上，丝杆旋转实现推杆向前或向后运动，推杆推动无人机起落架框架，实现无人机位置的校对。推杆一共4条，分为2组，可分别实现X轴和Y轴方向位置校对，位置校对结果如图6所示。由于无需精确检测无人机位置，本设计的位置校对装置的可靠性和精确度较高。

2.2 磁耦合装置设计及分析

在具备位置辅助校正装置基础上，本文磁耦合装置设计仅需考虑漏磁、接收机构重量和参数优化设计的问题。平面对平面的圆盘式线圈结构具有制作成本低（Litz线用量小）、接收线圈体积小、重量轻的优势。本文考虑采用平面对平面的圆盘式线圈结构，其结构及装配示意如图7所示，发射线圈和接收线圈大小一致，发射线圈下方放置了方形铁氧体块，起到增强耦合、收敛磁场、降低漏磁的作用；接收线圈侧为空心线圈，主要考虑到铁氧体受撞击时易碎，无人机侧搭载铁氧体时极易在降落时造成铁氧体损坏；接收线圈平行装设在起落架底端，由于接收线圈半径极小，几乎不会增加无人机风阻；发射装置放置在充电平台下方，发射装置中心与接收线圈中心重合。

由式（4）和式（5）得知，磁耦合装置自感、互感等参数与系统输出电压、输出电流、励磁电流等参数直接相关。通常磁耦合装置参数设计是借助有限元仿真软件，不断人工试凑，迭代找出一组满足设计要求的参数，但这需要耗费大量时间，而且需要设计者具备一定设计基础。而如果能建立出磁耦合装置数学模型，可通过计算得知相应外形尺寸和匝数对应磁耦合装置参数，则可实现根据不同设计要求快速完成设计任务。因此本文将建立平面对平面圆盘式磁耦合装置数学模型，利用模型计算发射线圈自感、接收线圈自感及互感参数。

建立精确的磁阻模型，首先需对磁通支路合理分割，利用Maxwell得到在发射和接收线圈分别激励下的磁力线分布情况，并由此切割出ΦσP1、ΦσP2、Φm和ΦσS四条磁通支路，如图8所示。其中，Φm为主磁通；ΦσS为接收线圈的漏磁通；ΦσP1和ΦσP2为发射线圈的漏磁通，区别在于ΦσP1在发出和返回时均穿过发射线圈，而ΦσP2仅穿过发射线圈一次。对应的等效磁阻模型如图8（c）所示。其中，RσP1、RσP2、Rm和RσS分别是磁通ΦσP1、ΦσP2、Φm和ΦσS对应磁支路磁阻；NP和NS分别是发射线圈和接收线圈的匝数；IP和IS分别是流过发射线圈和接收线圈的电流。

对磁模型建立过程中可能涉及到的几何参数标注如图9所示，图中含前视图和俯视图（仅绘出一半）。r1和r2分布为线圈内径和外径；r3为铁氧体外径，实际使用中采用了方形铁氧体，由于方形铁氧体和圆形铁氧体磁通样式一致，且圆形铁氧体计算过程更简单，因此分析时采用了圆形铁氧体。几何参数满足以下条件：r4=0.5r3；r5=r2-r4；r6=h2+h3+h4；r7=0.5h2+h4。

磁阻与磁路长度l、磁导率μ和磁路截面积S相关，可表示为

Rl=lμS。（6）

由于铁氧体磁导率远高于空气的磁导率，因此下文分析中将忽略铁氧体中磁阻。

以磁阻RσP1的计算为例进行详细说明。首先将磁通ΦσP1对应磁路划分为微元，微元示意图见表2，磁路长度为πr，磁路截面积平均值近似为2πr4dr，微元磁路对应磁阻可表示为

dRσP1=πrμ02πr4dr=r2μ0r4dr。（7）

式中μ0为空气的磁导率，4π×10-7 H/m。

微元磁路中包含的发射线圈匝数为

NσP1=2rr2－r1NP。（8）

根据磁路的欧姆定律，可得到

NσP1IP=dΦσP1dRσP1。（9）

结合式（7）～（9），微元磁路对应磁通为

dΦσP1=NσP1IPdRσP1=4μ0r4NPIPdrr2－r1。（10）

根据磁链守恒原则可得

ΨσP1=NPΦσP1=∫NσP1dΦσP1。（11）

整合式（8）、式（10）和式（11），可获得磁通为

ΦσP1=8μ0r4NPIP（r2－r1）2∫r50rdr=4μ0r4r25NPIP（r2－r1）2。（12）

由图6（c）可知NPIP=ΦσP1RσP1，进一步可获得磁阻为

RσP1=NPIPΦσP1=（r2－r1）24μ0r4r25。（13）

同理，可获得RσP2、Rm和RσS，将计算结果及计算时需要用到的微元划分汇总如表2所示。

在以上分析中已获得磁耦合装置各磁通支路磁阻，在此基础上可进一步计算出磁耦合装置发射装置漏感LσP、接收装置漏感LσS和励磁电感Lm［21］分别为：

LσP=N2PRσP；

Lm=NPNSRm；

LσS=N2SRσS。（14）

式中RσP=RσP1//RσP2。

式（14）中获得参数为松耦合变压器T型模型参数，本文转化为互感模型对应参数，关系［22］为

LP=LσP+Lm；

LS=LσS+Lmn2；

M=Lmn。（15）

式中n为接收线圈和发射线圈的匝数比。

3 实验分析

磁耦合装置实物如图10（a）所示，磁耦合装置几何参数如表3所示。根据式（15）计算获得磁耦合装置发射自感、接收自感和互感分别为16.51、8.21和5.38 μH，实际测试值分别为13.94、8.64和5.955 μH。理论值与实测值相近，所建立模型可指导设计人员快速完成参数设计；接收线圈重量为28 g，耦合系数为0.54，该类型磁耦合装置具有强耦合、无人机机载侧重量轻的优势。

搭建的微缩化的无人机无线充电站如图10（b），无线充电系统电路参数如表4所示。本次测试未使用实际无人机，仅对系统无线电能传输方案进行了验证，因此未添加Buck充电电路。多次测试结果显示，辅助对准装置可实行无人机可靠、精确对准。

本文设计的无线充电系统适用于中小功率无人机，以应用较多的大疆精灵4为例，其电池标称电压为15.2 V，恒流充电模式转恒压充电模式过程中转折电压为17.4 V。设定恒流充电电流为4 A，则系统最大充电功率点等效负载电阻为4.35 Ω。考虑无线电能传输过程中Buck电路参与工作，所以假设其工作占空比为中值0.5，实际工作一般在其附近波动而具有指导意义，此时Buck电路输入电阻可等效为17.4 Ω。本文设定整流器后级负载电阻为17 Ω，利用功率分析仪对系统进行测试，测试结果如图11所示。系统各模块均正常工作，系统输出直流电压为34.8 V，系统输出功率为71.3 W，对应整体效率为84.6%，所设计系统可以实现无线充电任务需求。

利用安诺尼近场磁场探头对系统磁场分布进行测试，测试点及测试结果如图12所示。接收线圈上方1 cm处磁感应强度为10.4 μT；发射平面上方7 cm、无人机中心位置磁感应强度为4.37 μT。所设计系统漏磁低于国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）设定的27 μT限制标准［23］。

4 结 论

本文提出将无线充电技术应用于无人机边境巡逻领域，拓展无人机巡逻能力及实现巡逻自动化。完成定点式无人机无线充电系统的整体设计，包括电路拓扑、辅助校正装置及耦合装置设计。建立了精确的磁阻模型，辅助耦合装置参数设计，所设计耦合装置重量仅为28 g，耦合系数0.54。最后初步对该应用可行性进行了验证，传能71.3 W，效率84.6%，系统漏磁低于27 μT国际限制标准。受限于磁耦合装置结构及功率控制方案限制，本文设计方案不适用于大功率无人机。

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（编辑：刘素菊）