基于多旋翼無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)的探究

劉萱怡

（同濟(jì)大學(xué)新生院 上海 200092）

1 背景

無(wú)人機(jī)是一種高效、輕便的飛行裝置。從機(jī)體結(jié)構(gòu)的角度來(lái)劃分，無(wú)人機(jī)可以大致分為3種類，即型多旋翼、固定翼和直升式。多旋翼無(wú)人機(jī)（MR-UAV）是在無(wú)人機(jī)的頂部安裝有3 個(gè)或3 個(gè)以上軸承和旋翼且可遠(yuǎn)程操控的飛行器。

多旋翼無(wú)人機(jī)具有體積較小、便于攜帶、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐漸被大量應(yīng)用于偵查勘探、巡邏檢修、施肥撒藥、遠(yuǎn)程救援等高空作業(yè)，頗受國(guó)內(nèi)外消費(fèi)者的青睞，其應(yīng)用前景十分廣闊。然而，目前，多旋翼無(wú)人機(jī)只能執(zhí)行短距離的飛行任務(wù)，主要原因是其電池的平均續(xù)航時(shí)間只有30min［1］，這無(wú)疑在很大程度上限制了多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行范圍和作業(yè)時(shí)間。提高無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，無(wú)非只有兩種方案。一是對(duì)無(wú)人機(jī)的電池進(jìn)行擴(kuò)容，增大它的蓄電量。這種方法看似簡(jiǎn)單且直接，但是電池體積太大，本身就要消耗大量的功率，不能顯著地延長(zhǎng)多旋翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。二是在無(wú)人機(jī)的飛行過(guò)程中，及時(shí)提前為其補(bǔ)充新的電能，從而增加它的續(xù)航時(shí)間。此種方法可行性較強(qiáng)，也是當(dāng)下國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)無(wú)線充電領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。

2 研究方法

3 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展概述

3.1 文獻(xiàn)調(diào)研及分析

3.1.1 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果

以“無(wú)人機(jī)”和“無(wú)線充電”為關(guān)鍵詞，在中國(guó)知網(wǎng)，利用“篇關(guān)摘”字段對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)進(jìn)行檢索，如圖1所示。所得結(jié)果表明：2015年已經(jīng)有人提出無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)；近些年，相關(guān)研究呈上升趨勢(shì)，涉及無(wú)線充電研究主題，包括耦合結(jié)構(gòu)、無(wú)線充電系統(tǒng)、WRT、耦合系數(shù)、磁共振等內(nèi)容。

圖1 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)中國(guó)知網(wǎng)發(fā)文趨勢(shì)圖

以Unmanned aerial vehicles、Wireless charging為關(guān)鍵詞，在EI-compendex 外文數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究國(guó)際研究趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電E I-C ompendex發(fā)文重要主題詞云圖

3.1.2 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)專利文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果

通過(guò)大為Innojoy 專利數(shù)據(jù)庫(kù)（簡(jiǎn)稱大為專利數(shù)據(jù)庫(kù)）對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)專利查詢并分析重要國(guó)家專利（包括中國(guó)專利、美國(guó)專利、歐盟專利、日本專利、韓國(guó)專利等）發(fā)現(xiàn)，在無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)方面的相關(guān)專利也在逐年遞增，2019年達(dá)到峰值，最近兩年專利申請(qǐng)量略有下降，技術(shù)涉及技術(shù)內(nèi)容及相互關(guān)系如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電專利申請(qǐng)趨勢(shì)圖——大為專利

3.2 主要技術(shù)

3.2.1 無(wú)線充電技術(shù)最新的學(xué)術(shù)研究成果

無(wú)線電能傳輸（WPT）是在供電與用電之間沒有任何物理接觸的前提下，將電能從電源端輸送到負(fù)載端的能量傳輸方式。在檢索和收集大量最新的國(guó)內(nèi)外關(guān)于無(wú)線電能傳輸研究成果并經(jīng)過(guò)梳理和總結(jié)之后，發(fā)現(xiàn)學(xué)術(shù)界的研究成果主要可以分為微波式、激光和磁耦合式3種無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。

為了更好地說(shuō)明本文方法的合理性和適用性，本文選擇2種類型的滑坡體的工程案例進(jìn)行分析，工程案例一的滑坡體為黏土和粉質(zhì)黏土，工程案例二的滑坡體為碎石土。具體計(jì)算如下：

（1）微波式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)（MWPT）。有線充電是通過(guò)電池與充電器的直接接觸才能完成充電任務(wù)。而在微波式無(wú)線電能傳輸中，電池與充電器之間有一定距離，而且兩個(gè)器件不需要依靠金屬導(dǎo)線的連接。作為一種新型電能輸送技術(shù)，為了避免對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，MWPT 基本上選用頻率為2.45GHz 的電磁波向負(fù)載端傳送微波［2］。MWPT的工作原理是安裝在地面的射頻發(fā)送器把電源轉(zhuǎn)換成微波，向加裝在多旋翼無(wú)人機(jī)腹部的整流天線系統(tǒng)（RS）發(fā)送微波［3］，無(wú)人機(jī)的接收器再把微波轉(zhuǎn)換成電能，從而為無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間飛行提供電量。

（2）激光無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)（LWPT）。無(wú)線電能傳輸（WPT）既可以利用激光作為載體，也可以利用微波作為載體，從電源端攜帶著一定量的電能，不需要中間任何媒介，即可傳送到負(fù)載端［4］。LLM（激光發(fā)射模塊）、LTM（激光傳輸模塊）及LPT（激光與電能轉(zhuǎn)換模塊）共同組成了LWPT（激光無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)）的三大工作模塊，由采用光纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光器向安裝在無(wú)人機(jī)上的電能接收器發(fā)射激光，電能轉(zhuǎn)換器將接收到的激光進(jìn)行儲(chǔ)存并轉(zhuǎn)換成電能，從而為負(fù)載（無(wú)人機(jī)）提供可持續(xù)且穩(wěn)定的電源。

（3）磁耦合式無(wú)線電能傳輸（MC-WPT）。與微波式和激光一樣，磁耦合式無(wú)線電能傳輸都是通過(guò)電能發(fā)射端和接收端的無(wú)線接入進(jìn)行補(bǔ)償電容［5］。磁耦合式無(wú)線電能傳輸?shù)墓ぷ髟硎前惭b在地面的發(fā)射源將電源通過(guò)激發(fā)感應(yīng)的方式轉(zhuǎn)變成磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)范圍內(nèi)的接收裝置上的線圈不斷聚集能量，并轉(zhuǎn)換成電能提供給負(fù)載端，從而完成無(wú)線電能傳輸。

3.2.2 無(wú)線充電技術(shù)主要形式比較分析

通過(guò)深入對(duì)比微波式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)、激光無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)、磁耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)這3 種最新技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，可以直觀地了解各種技術(shù)現(xiàn)有的比較優(yōu)勢(shì)和存在的發(fā)展瓶頸，有助于明確3 種技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向，補(bǔ)齊各自的技術(shù)短板，如見表1所示。

表1 微波式、激光、磁耦合式無(wú)線電能傳輸?shù)闹饕卣鲗?duì)比

從表1可以得出結(jié)論：微波式傳輸系統(tǒng)傳輸功率小、電能轉(zhuǎn)換率低；而激光傳輸對(duì)跟蹤無(wú)人機(jī)和掃描精度的要求很高，此外，激光無(wú)線充電技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，國(guó)內(nèi)外尚未見應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域；磁耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)不管是安全性還是電能轉(zhuǎn)換率都比微波式和激光式更勝一籌。

4 磁耦合式無(wú)線電能傳輸（MC-WPT）發(fā)展及在多旋翼無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 磁耦合式無(wú)線電能傳輸（MC-WPT）文獻(xiàn)調(diào)研及分析

4.1.1 學(xué)術(shù)文獻(xiàn)

在國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)庫(kù)檢索關(guān)于磁耦合式無(wú)線充電方式的相關(guān)文獻(xiàn)顯示，磁耦合式無(wú)線充電技術(shù)在2012年提出，多年來(lái)，相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表呈上升趨勢(shì)，外文文獻(xiàn)發(fā)表在2017年達(dá)到最高峰，中文文獻(xiàn)發(fā)表在2018年達(dá)到高峰，近兩年，相關(guān)研究出現(xiàn)拐點(diǎn)。

從圖4和圖5可以看出，目前，國(guó)內(nèi)外主要的研究主題涉及無(wú)線電磁傳輸、磁耦合諧振、無(wú)線充電系統(tǒng)、磁耦合機(jī)構(gòu)、動(dòng)態(tài)無(wú)線充電，其中，諧振式磁耦合無(wú)線充電研究較多。

圖4 磁耦合無(wú)線充電相關(guān)研究中國(guó)知網(wǎng)發(fā)文趨勢(shì)

圖5 磁耦合無(wú)線充電相關(guān)研究EI-C ompendex 數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)文趨勢(shì)

4.1.2 專利文獻(xiàn)

本文以“無(wú)線充電”和“磁耦合”為關(guān)鍵詞，利用大為專利數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)相關(guān)研究領(lǐng)域的專利進(jìn)行了檢索分析，相關(guān)專利涉及中國(guó)專利、美國(guó)專利、歐盟專利、日本專利、韓國(guó)專利等技術(shù)創(chuàng)新重要國(guó)家，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)、涉及主題、主題發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了呈現(xiàn)和分析。

從圖6可以得知，相關(guān)技術(shù)在無(wú)線充電裝置、控制電路、發(fā)射線圈、接收線圈、電動(dòng)汽車磁耦合無(wú)線充電系統(tǒng)、諧振式磁耦合等模塊已有相對(duì)成熟技術(shù)。

圖6 磁耦合無(wú)線充電相關(guān)專利研究領(lǐng)域熱力圖（大為專利）

綜上文獻(xiàn)調(diào)研來(lái)看，自2012年以來(lái)，磁耦合無(wú)線充電的論文發(fā)表數(shù)量呈上升趨勢(shì)，耦合式無(wú)線充電技術(shù)得到快速的發(fā)展，并成為學(xué)術(shù)研究和申請(qǐng)專利的重點(diǎn)領(lǐng)域。從文獻(xiàn)調(diào)研的關(guān)鍵詞可以看出，磁耦合無(wú)線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域已有充分的研究和應(yīng)用。

4.2 磁耦合式無(wú)線電能傳輸（MC-WPT）的主要形式

隨著近幾年無(wú)線電能傳輸科技的迅猛發(fā)展和不斷改進(jìn)，磁耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)（MC-WPT）又可以分成3種形式，即MCI-WPT（磁耦合感應(yīng)式）、MCR-WPT（磁耦合諧振式）及MCB-WPT（磁耦合雙模式）［6］，如表2所示。

表2 磁耦合感應(yīng)式、磁耦合諧振式、磁耦合雙模式WPT的工作原理對(duì)比

通過(guò)對(duì)比這磁耦合無(wú)線電能傳輸3種模式的工作原理，可以得知，磁耦合感應(yīng)式在感應(yīng)區(qū)范圍內(nèi)的無(wú)線傳輸效率高，而磁耦合諧振式在諧振區(qū)范圍內(nèi)的無(wú)線傳輸效率高，磁耦合雙模式就是在兩種磁耦合之間加入了轉(zhuǎn)換開關(guān)組，既可以實(shí)現(xiàn)在感應(yīng)區(qū)的高效率無(wú)線傳輸，又可以實(shí)現(xiàn)在諧振區(qū)范圍的高效率無(wú)線傳輸，并且能在這兩種模式下自由切換，從而大幅提高了電能的無(wú)線傳輸效率。

4.3 磁耦合式無(wú)線電能傳輸（MC-WPT）在多旋翼無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)庫(kù)檢索關(guān)鍵詞“無(wú)人機(jī)”“磁耦合”“無(wú)線充電”顯示，相關(guān)文獻(xiàn)較少，密切相關(guān)文獻(xiàn)中文1篇、外文1篇、專利20篇。2篇文獻(xiàn)的主要研究方向仍然是在保證無(wú)線充電系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上最大限度地提高無(wú)線充電效率和充電功率，他們的理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)研究表明，通過(guò)增加線圈匝數(shù)［7］、調(diào)整線圈位置，并根據(jù)磁耦合機(jī)構(gòu)的特征設(shè)計(jì)出來(lái)的控制策略［8］，可以顯著提高無(wú)線充電效率。

這些文獻(xiàn)關(guān)于磁耦合式無(wú)線充電技術(shù)在無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的研究相對(duì)較少，固定翼無(wú)人機(jī)的無(wú)線充電技術(shù)已有少量專利申請(qǐng)，而多旋翼無(wú)人機(jī)主要集中在磁耦合諧振式無(wú)線充電技術(shù)的專利申請(qǐng)，但裝置在無(wú)人機(jī)上的接收器呈現(xiàn)重量輕、體積小的特點(diǎn)，且無(wú)線電能傳輸效率均在85%以上。目前，雙模式無(wú)線電能傳輸（MCB-WPT）仍未見專利申請(qǐng)。

5 總結(jié)與展望

本文運(yùn)用文獻(xiàn)分析法和大為專利檢索分析法，系統(tǒng)地對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于多旋翼無(wú)人機(jī)（UAV）無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行梳理和總結(jié)，通過(guò)厘清學(xué)術(shù)界在相關(guān)領(lǐng)域的研究思路，可以得出明確的結(jié)論：迄今為止，無(wú)人機(jī)最優(yōu)的無(wú)線充電技術(shù)當(dāng)屬磁耦合雙模式無(wú)線電能傳輸（MCB-WPT）。當(dāng)然，磁耦合雙模式WPT 技術(shù)還有很大的提升空間，除了可以進(jìn)一步提高其傳輸效率，還可以從耦合結(jié)構(gòu)的材料和性能的方面著手，設(shè)計(jì)出輕巧、便捷的無(wú)線充電系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)作業(yè)半徑小、續(xù)航時(shí)間短的屏障就會(huì)被進(jìn)一步打破。