新型無人機充電平臺

■深圳實驗學校高中部 金鵬飛 李柏翰 李 陽

續航時間短是制約無人機產業發展的重要原因。若無人機續航能力難以提升，也就意味著其執行任務的能力受限，無法發揮其最大優勢，進而影響無人機產業的進一步發展。因此，如何提升無人機的續航能力成為當前業內研究的重點。

目前，行業內主要采用提升無人機自身續航能力、使用外部設備對無人機進行能源補給兩種方式來應對。在提升續航能力方面，太陽能無人機是目前的研究重點。

使用外部設備為無人機補給能源也是當前無人機相關產業的重點發展方向，目前主要有無線充電、機械式電池更換、激光發射器、接觸式充電等方式。

我們計劃采用兩種較有效、可行性強的方案，即無人機接觸式充電與無線充電。接觸式充電在其他設備上的應用已發展得相當成熟，其結構較精簡。無線充電方案的優勢在于其結構相對簡單，部署成本低，對無人機停泊的精確性無過高要求，容錯率很高，對不同機型的兼容性強。同時，無線充電技術的應用前景相當廣闊，發展相對成熟。

我們主要從接觸式充電方案與無線充電方案兩個方面展開研究，設計了無人機接觸式充電平臺與無人機無線充電平臺，并探索其應用場景與可能出現的問題。

一、校準接口式充電平臺

1.主體結構

校準接口式充電平臺通過校準結構的應用，合理地解決了無人機在起降過程中的漂移問題，在與平臺對接時也可起到輔助校準的作用。我們還設計了一個平臺整合架構，用于連接固定停泊平臺與平臺電源。

在降落過程中依靠校準孔位對無人機進行引導，可消除大部分由于降落氣流產生的隨機性漂移，從而使其準確地停泊在平臺上。

圖1 整合架構

圖2 校準示意圖

2.直流電源內部電路

平臺電源主要由輸入端變壓器、電流電壓顯示屏、電源開關、整流電路板、調節旋鈕、散熱器與輸出端構成，輸入端變壓器連接220V 交流電源，初步變壓變為低壓交流電后經整流電路板調整，輸出低壓直流電，部分為電源散熱器供電，主要經輸出端輸出至平臺充電觸點。操作者可通過調節旋鈕調節輸出電壓的大小。

3.校準式接口平臺電路

將電源輸出正極與校準接口下方連接，負極與校準接口上方連接。無人機經校準后，機身接口與平臺接口吻合，即可構成閉合回路，為無人機電池供電。

4.校準接口無人機內部改進

為適配第二代校準接觸式充電平臺，我們將電池內部接口延長至機身外，分別連接位于絕緣的校準接口上端與底端的充電觸點。停泊后，無人機底端觸點與平臺上的觸點構成閉合回路，即可充電。

二、無線充電自校準平臺

1.主體結構

為解決接觸式充電帶來的一系列系統性問題，我們決定采用無線充電方案的同時，利用太陽能彌補無線充電的損耗問題。

在降落過程中產生的隨機性漂移使無人機在平臺上的停泊位置與充電線圈發射位產生偏離，從而導致無線充電效率下降。為解決這一問題，無線充電平臺采用機械校準方案。左側紅外傳感器判斷無人機是否正在停泊，確認無人機著陸后，固定電機組帶動校準杠轉動，從而使x 軸向定位杠向中間合攏，無人機即可準確停泊在無線充電發射線圈中心。

圖3 平臺俯視圖

2.直流電源內部電路

為搭載太陽能板，我們在無線充電平臺的電路上增加了太陽能電池連接端口。而第二代平臺增加了機械校準系統，需要額外供電，平臺內部電路需進行相應改動。相比之前增加了一個穩壓整流器B、校準系統輸出端口為校準系統供電。

圖4 無人機無線充電內部電路實物圖

3.無線充電平臺電路

將平臺上的線圈與電源連接，根據法拉第電磁感應原理，停泊在平臺上的無人機無線充電天空端線圈激發出感應電流，后經由調整端整流后輸入無人機電池。電源的機械校準輸出端與分壓器連接，為紅外傳感器與固定電機供電，使機械校準系統得以正常工作。無線充電輸出端與控制端連接。

圖5 平臺電路實物圖

4.無線充電無人機結構改進

由于采用了無線充電技術，無人機需安裝相應的無線充電接收模塊。模塊主要由接收線圈與整流輸入端構成，接收線圈接收平臺發射的無線電波，經整流輸入端調整后輸入無人機電池，以此完成充電。

三、實驗測試

1.測定平臺充、放電效率

將無人機分別放電至10%、30%與50%，讓3 種狀態下的無人機在平臺上充電，每隔1 min 測定無人機電池當前的電壓。本實驗依據無人機業內主流方法，即通過觀察電池電壓的變化對電池電量進行估算（為保證無人機的相關元件正常工作，電池電壓對無人機續航的影響較電池電量更有代表性）。

圖6 3 種電量狀態下的電壓變化曲線圖

隨著電池電量逐漸增加，電池電壓也在不斷升高，由于其逐漸接近充電電壓，電池內部電壓與電源電壓之間的差減小，因此，平臺充電的速度也開始變慢。

2.溫度對無人機充電平臺工作效率的影響

將無人機的電量放至50%，在15℃、20℃、25℃的環境下，分別測定無人機在平臺上的充電情況，以1min 為間隔，檢測無人機電池的電壓。

圖7 3 種溫度狀態下電池充電電壓變化曲線圖

3 種溫度狀態下，電池充電電壓變化曲線有一定的差距，大致可判斷，隨外界溫度下降，平臺充電速度變慢。

我們咨詢專業人士并根據相關資料分析后得出，隨著外界溫度下降，鋰電池的內部化學活性降低，充電速率會相應變慢，同時電池充電電量上限也會變小。

3.無人機與磁芯偏移距離對無線充電效率的影響

將無人機內部電量耗盡后置于平臺上，以偏移磁芯0cm、2cm、3cm 進行充電，每隔1min 測量電壓。

圖8 3 種不同磁芯偏移距離下的電壓變化曲線圖

從圖8 可以看出，無人機距離磁芯位置越遠，充電效率越低。該實驗進一步證明了在無線充電方案中設置機械校準系統的必要性。

四、項目應用

無人機充電平臺因其結構簡單、體積小巧、造價低廉，可以靈活地、大范圍地部署在街道旁，通過安裝信號中轉器，警局控制中心可直接操控部署在該街道的無人機，進行日常自動化巡邏。

圖9 無人機返回平臺

無人機充電平臺還可與5G、人工智能等技術有機結合，實現無人機全面自動化、高效率的大規模應用。未來，該項目可在自動化與平臺適配場景上進一步完善。