用于邊境巡邏的定點式多旋翼無人機無線充電系統設計

摘 要：

為了解決目前邊境巡邏多旋翼無人機續航能力不足、巡航范圍受限的問題，研究了一種應用于沿邊境巡邏，具有輔助對準功能的無人機無線充電方案，為無人機執行遠距離邊境巡邏任務提供保障。設計了中繼電能補給站供電和輔助降偏矯正系統，無人機降落后自動對準，開啟供電系統實施充電；設計了無人機機載電能接收及充電系統，對發射電能實施有效接收，并轉換為可控的恒流及恒壓能量流輸送至機載電池；搭建了微縮化實驗樣機，測試結果表明輔助對準系統可實現無人機精確對準，無線充電系統實現了71.3 W能量傳輸，對應整機充電效率84.6%，機載的電能接收機構僅重28 g。

關鍵詞：邊境巡邏；多旋翼無人機；無線充電；位置輔助校正；恒流恒壓充電

DOI：10.15938/j.emc.2024.09.018

中圖分類號：TM12

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）09-0200-09

收稿日期： 2022-11-17

基金項目：國家自然科學基金（52177002）；山東省重點研發計劃（2022ZLGX04）；科技部科技創新2030“新一代人工智能”重大項目（2022ZD0116409）

作者簡介：孫瑋琢（1982—），男，博士，工程師，研究方向為裝備可靠性評估;

劉希琛（1998—），男，碩士研究生，研究方向為無線電能傳輸技術;

武 帥（1995—），男，博士研究生，研究方向為智能無人裝備無線充電技術;

蔡春偉（1977—），男，博士，教授，研究方向為無線電能傳輸技術和電力電子功率變換技術。

通信作者：劉希琛

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

我國的陸地邊界線長達2.28萬公里，與蒙古、俄羅斯、印度、緬甸等14個國家接壤，通過巡邏對邊界線全方位管控具有重要的政治、經濟和國防意義［1］。但是漫長的邊界線和惡劣的環境造成邊境巡邏任務極為艱巨，傳統依靠人力巡邏的方式難以對邊界做到實時全方位監管，容易給敵對勢力和不法分子留下可乘之機。

多旋翼無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）具有體積小、靈活性高、對各種環境適應能力強和具備空間懸停等優勢，既可以實現長距離偵查巡邏，也可以實現對固定區域的近距離高強度監視［2-3］。通過對無人機設定自動巡邏任務，周期性或突擊性對邊界線自主巡邏，可以實現對邊界線情報信息的實時收集、對于緊急情況的迅速增援和快速證據固定。但受無人機搭載電池容量影響，當前無人機的續航能力不足、巡航范圍受限，無法滿足遠距離的邊境巡邏任務要求。國內外關于提升無人機巡航目前有三種方案：①采用油動型無人機［4］。盡管油動無人機的續航時間長，但通常具有不易操作、成本高、維護難等問題；②搭載太陽能發電模塊［5］。這種方法可有效延長無人機單次續航時間，但該方法在固定翼無人機上具有更好的適用性，而這類無人機無法實現對固定區域的低空懸停精細巡查；③在無人機飛行路徑中布置中繼充電站，無人機電量不足時自主降落至中繼充電站補充電能［6］。這種方法以中繼的方式有效拓展了無人機巡檢范圍，對巡航路徑固定的邊境巡邏具有廣泛的適用性。

在中繼充電站中對無人機實施自主充電有換電、接觸式充電和無線充電三種方法。多翼創新科技公司研究團隊在充電基站內部安裝機械臂，自動更換無人機電池［7］。這種方法的操作效率較高，但對機械臂精度和可靠性要求較高；迅蟻科技公司研究團隊為了提升物流無人機配送范圍設計了接觸式無人充電坪，充電坪的上表面鋪有正、負兩塊金屬電極板，無人機降落時起落架底部金屬電極與充電平面電極物理接觸，將無人機接入供電系統［8］。這種方法的充電效率高，但需要對無人起落架結構進行改造，金屬電極易磨損和損壞，且充電坪表面裸露電極易發生短路事故；華南理工大學、武漢大學、哈爾濱工業大學（威海）等機構的研究團隊曾利用無線充電技術成功對無人機實施充電［9-11］，由于無線充電系統中無任何裸露電極，這使得無人機無線充電系統具有安全、可靠的優勢［12］。

現有無線充電已針對電動汽車，智能設備等產品實現可靠穩定充電［13-14］，但無人機的外形結構特殊、載荷能力差，這要求無線充電系統的機載側能適應無人機的特殊外形且體積小重量輕。圍繞這一需求，國內外學者設計了多種應用于無人機無線充電的磁耦合裝置。文獻［15］提出了一種圓盤對圓盤式的磁耦合裝置，接收線圈位于無人機一側機翼間隙，能夠以63.4%的效率傳遞51 W的功率。由于接收線圈位于無人機一側，會導致無人機重心發生偏移，影響無人機的飛行姿態。文獻［16］將接收線圈置于無人機腹部，解決了不平衡問題，但該位置會阻礙機載攝像機等設備的安裝。文獻［17］指出，位于無人機機身腹部的接收線圈，在進行無線充電時，大量磁通涌入無人機機身，存在電磁干擾問題，大功率傳輸能量時，甚至燒毀無人機內部電子元件。因此，文獻［17］添加了鋁環作漏磁屏蔽，但此方式額外增加了負荷，影響無人機續航時間。文獻［18］設計了一種正交式磁耦合裝置，接收線圈嵌入無人機起落架中，與DD型發射線圈垂直。該設計大大減輕了無線充電系統的漏磁干擾，但抵抗旋轉錯位能力不足。

基于以上分析，本文提出一種新型無人機無線充電系統方案，接收線圈位于無人機起落架底端，占用空間小、不阻礙無人機機載設備的安裝，且漏磁干擾小。從磁耦合裝置、無線充電系統電路、無人機降偏矯正系統三方面開展詳細設計，并搭建實驗樣機進行系統測試。

1 無人機無線充電系統設計

1.1 邊境防線巡邏無人機無線充電系統方案

本文提出方案的應用場景示意圖如圖1所示，無人機沿邊境防線巡查，飛行至預置中繼基站時降落充電，充滿繼續執行巡邏任務。預置基站作為無人機的能量和信息中繼，可將無人機記錄信息上傳至數據中心，也通過無線充電方式對無人機補充電能，基站間隔距離按照無人機最大航行距離及設定的電量裕量規劃。相比于當前無人機巡邏系統，具有無線充電的無人機邊境巡邏方案可以有效拓展無人機巡邏范圍，利于巡邏過程自動化的目標實現，同時無人機欠電時無需返回出發點充電，可節省返程中耗費的電能。

無人機充電系統包含充電基站系統和機載充電系統兩大系統單元。充電基站系統如圖2（a）所示（僅作為原理闡述，未按實際比例繪制）。充電基站系統由太陽能發電、儲能、無人機降偏校正及電能發射四部分構成。太陽能發電模塊作為系統能量來源，該電能被存儲在蓄電池中供中繼基站運行及無人機充電使用。無人機無法確保精確降落至預設的固定位置，一旦發生錯位，無線充電系統的電能傳輸能力、傳輸效率和漏磁抑制能力都急劇下降，因此本文使用了低成本的無人機降偏校正系統，確保無線充電系統高效率運行。

圖2（b）所示為無人機機載充電系統，負責將發射的電能有效接收，并將接收的電能可控地輸送至無人機電池組。充電電路部分安裝在無人機機身內部。無人機降落前基站系統和機載系統僅有信息交互，降落并位置校對完成后，基站系統和機載系統通過交變磁場建立能量耦合通道，實現無線充電功能。

1.2 無線充電系統整體電路設計及分析

設計的無人機無線充電系統電路拓撲如圖3所示，共含直流輸入、逆變電路、磁耦合裝置、補償網絡、整流電路、Buck變換器和電池組7部分。圖中：UDC是直流輸入源電壓；S1～S5為開關管；UIN和IIN是逆變橋輸出電壓和電流；L1、C1和C2是補償電感和電容；LP、LS和M分別是原邊自感、副邊自感和互感；D1～D5為二極管；Cdc、CB、Ldc為濾波電容及電感；Uout為補償網絡輸出電壓；Udc和Idc是整流和濾波電路的輸出電壓和電流；UB和IB是充電電壓和電流；Req和Rdc分別為整流橋和Buck變換器輸入等效電阻。直流輸入由充電基站的儲能系統供能，經高頻逆變后產生交流激勵源，經由補償電路后輸送至磁耦合裝置發射端激勵出交變磁場；在無人機側，磁耦合裝置的接收機構將部分發射磁能轉化為電能，經由補償電路和整流后實現直流輸出；Buck變換器在其中實施輸出充電電流和電壓的調節任務，從而實現恒流/恒壓充電。所設計系統采用原邊LCL-副邊串聯（LCL-S）的補償方式，該拓撲具有恒頻穩定性高的優勢；采用Buck變換器的降壓調節模式，可提升系統電壓等級，有效降低線圈電流，從而提升低電壓、大電流充電系統的效率。

在無線充電過程中，式（5）中僅占空比D可變，通過調整占空比即可調整輸出充電電流及電壓。

2 磁耦合裝置及位置輔助校正裝置設計

磁耦合裝置是無線充電系統中實現將電能無線傳輸的關鍵部件，包含充電站中的發射裝置和無人機機載側的接收裝置。磁耦合裝置與系統電能傳遞能力、系統傳遞效率、系統漏磁直接相關。無人機無線充電系統磁耦合裝置按接收線圈裝設位置可劃分為裝設在無人機機身周圍、裝設在無人機腹部和裝設在無人機起落架底端三種方案，由于巡邏無人機腹部需要搭載一些精密檢測設備，接收線圈裝設在無人機機身周圍和無人機腹部時，磁通漏磁都必然會對這些精密設備產生嚴重影響。裝設在起落架底端的方案有交叉型結構、DD-I和面對面圓盤式結構三種。相比之下，接收側采用小型圓盤結構時重量最輕，因此本文將基于面對面圓盤式結構開展磁耦合裝置及位置輔助校對裝置設計。

2.1 位置輔助校對裝置設計

無人機難以保證厘米級精確降落，為降低位置偏移對充電性能的影響，可考慮從提升磁耦合裝置抗偏移能力和外加位置輔助校正裝置兩方面入手。提升磁耦合裝置容錯位能力往往需要采用大的發射線圈，造成磁場作用范圍大、電磁環境惡劣。本文考慮設計一種高可靠的位置輔助校正裝置，以簡化磁結構設計難度。所設計的校正裝置如圖5所示，由電機帶動絲桿旋轉，推桿兩端固定在絲桿螺母上，絲桿旋轉實現推桿向前或向后運動，推桿推動無人機起落架框架，實現無人機位置的校對。推桿一共4條，分為2組，可分別實現X軸和Y軸方向位置校對，位置校對結果如圖6所示。由于無需精確檢測無人機位置，本設計的位置校對裝置的可靠性和精確度較高。

2.2 磁耦合裝置設計及分析

在具備位置輔助校正裝置基礎上，本文磁耦合裝置設計僅需考慮漏磁、接收機構重量和參數優化設計的問題。平面對平面的圓盤式線圈結構具有制作成本低（Litz線用量小）、接收線圈體積小、重量輕的優勢。本文考慮采用平面對平面的圓盤式線圈結構，其結構及裝配示意如圖7所示，發射線圈和接收線圈大小一致，發射線圈下方放置了方形鐵氧體塊，起到增強耦合、收斂磁場、降低漏磁的作用；接收線圈側為空心線圈，主要考慮到鐵氧體受撞擊時易碎，無人機側搭載鐵氧體時極易在降落時造成鐵氧體損壞；接收線圈平行裝設在起落架底端，由于接收線圈半徑極小，幾乎不會增加無人機風阻；發射裝置放置在充電平臺下方，發射裝置中心與接收線圈中心重合。

由式（4）和式（5）得知，磁耦合裝置自感、互感等參數與系統輸出電壓、輸出電流、勵磁電流等參數直接相關。通常磁耦合裝置參數設計是借助有限元仿真軟件，不斷人工試湊，迭代找出一組滿足設計要求的參數，但這需要耗費大量時間，而且需要設計者具備一定設計基礎。而如果能建立出磁耦合裝置數學模型，可通過計算得知相應外形尺寸和匝數對應磁耦合裝置參數，則可實現根據不同設計要求快速完成設計任務。因此本文將建立平面對平面圓盤式磁耦合裝置數學模型，利用模型計算發射線圈自感、接收線圈自感及互感參數。

建立精確的磁阻模型，首先需對磁通支路合理分割，利用Maxwell得到在發射和接收線圈分別激勵下的磁力線分布情況，并由此切割出ΦσP1、ΦσP2、Φm和ΦσS四條磁通支路，如圖8所示。其中，Φm為主磁通；ΦσS為接收線圈的漏磁通；ΦσP1和ΦσP2為發射線圈的漏磁通，區別在于ΦσP1在發出和返回時均穿過發射線圈，而ΦσP2僅穿過發射線圈一次。對應的等效磁阻模型如圖8（c）所示。其中，RσP1、RσP2、Rm和RσS分別是磁通ΦσP1、ΦσP2、Φm和ΦσS對應磁支路磁阻；NP和NS分別是發射線圈和接收線圈的匝數；IP和IS分別是流過發射線圈和接收線圈的電流。

對磁模型建立過程中可能涉及到的幾何參數標注如圖9所示，圖中含前視圖和俯視圖（僅繪出一半）。r1和r2分布為線圈內徑和外徑；r3為鐵氧體外徑，實際使用中采用了方形鐵氧體，由于方形鐵氧體和圓形鐵氧體磁通樣式一致，且圓形鐵氧體計算過程更簡單，因此分析時采用了圓形鐵氧體。幾何參數滿足以下條件：r4=0.5r3；r5=r2-r4；r6=h2+h3+h4；r7=0.5h2+h4。

磁阻與磁路長度l、磁導率μ和磁路截面積S相關，可表示為

Rl=lμS。（6）

由于鐵氧體磁導率遠高于空氣的磁導率，因此下文分析中將忽略鐵氧體中磁阻。

以磁阻RσP1的計算為例進行詳細說明。首先將磁通ΦσP1對應磁路劃分為微元，微元示意圖見表2，磁路長度為πr，磁路截面積平均值近似為2πr4dr，微元磁路對應磁阻可表示為

dRσP1=πrμ02πr4dr=r2μ0r4dr。（7）

式中μ0為空氣的磁導率，4π×10-7 H/m。

微元磁路中包含的發射線圈匝數為

NσP1=2rr2－r1NP。（8）

根據磁路的歐姆定律，可得到

NσP1IP=dΦσP1dRσP1。（9）

結合式（7）～（9），微元磁路對應磁通為

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

根據磁鏈守恒原則可得

ΨσP1=NPΦσP1=∫NσP1dΦσP1。（11）

整合式（8）、式（10）和式（11），可獲得磁通為

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

由圖6（c）可知NPIP=ΦσP1RσP1，進一步可獲得磁阻為

RσP1=NPIPΦσP1=（r2－r1）24μ0r4r25。（13）

同理，可獲得RσP2、Rm和RσS，將計算結果及計算時需要用到的微元劃分匯總如表2所示。

在以上分析中已獲得磁耦合裝置各磁通支路磁阻，在此基礎上可進一步計算出磁耦合裝置發射裝置漏感LσP、接收裝置漏感LσS和勵磁電感Lm［21］分別為：

LσP=N2PRσP；

Lm=NPNSRm；

LσS=N2SRσS。（14）

式中RσP=RσP1//RσP2。

式（14）中獲得參數為松耦合變壓器T型模型參數，本文轉化為互感模型對應參數，關系［22］為

LP=LσP+Lm；

LS=LσS+Lmn2；

M=Lmn。（15）

式中n為接收線圈和發射線圈的匝數比。

3 實驗分析

磁耦合裝置實物如圖10（a）所示，磁耦合裝置幾何參數如表3所示。根據式（15）計算獲得磁耦合裝置發射自感、接收自感和互感分別為16.51、8.21和5.38 μH，實際測試值分別為13.94、8.64和5.955 μH。理論值與實測值相近，所建立模型可指導設計人員快速完成參數設計；接收線圈重量為28 g，耦合系數為0.54，該類型磁耦合裝置具有強耦合、無人機機載側重量輕的優勢。

搭建的微縮化的無人機無線充電站如圖10（b），無線充電系統電路參數如表4所示。本次測試未使用實際無人機，僅對系統無線電能傳輸方案進行了驗證，因此未添加Buck充電電路。多次測試結果顯示，輔助對準裝置可實行無人機可靠、精確對準。

本文設計的無線充電系統適用于中小功率無人機，以應用較多的大疆精靈4為例，其電池標稱電壓為15.2 V，恒流充電模式轉恒壓充電模式過程中轉折電壓為17.4 V。設定恒流充電電流為4 A，則系統最大充電功率點等效負載電阻為4.35 Ω。考慮無線電能傳輸過程中Buck電路參與工作，所以假設其工作占空比為中值0.5，實際工作一般在其附近波動而具有指導意義，此時Buck電路輸入電阻可等效為17.4 Ω。本文設定整流器后級負載電阻為17 Ω，利用功率分析儀對系統進行測試，測試結果如圖11所示。系統各模塊均正常工作，系統輸出直流電壓為34.8 V，系統輸出功率為71.3 W，對應整體效率為84.6%，所設計系統可以實現無線充電任務需求。

利用安諾尼近場磁場探頭對系統磁場分布進行測試，測試點及測試結果如圖12所示。接收線圈上方1 cm處磁感應強度為10.4 μT；發射平面上方7 cm、無人機中心位置磁感應強度為4.37 μT。所設計系統漏磁低于國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）設定的27 μT限制標準［23］。

4 結 論

本文提出將無線充電技術應用于無人機邊境巡邏領域，拓展無人機巡邏能力及實現巡邏自動化。完成定點式無人機無線充電系統的整體設計，包括電路拓撲、輔助校正裝置及耦合裝置設計。建立了精確的磁阻模型，輔助耦合裝置參數設計，所設計耦合裝置重量僅為28 g，耦合系數0.54。最后初步對該應用可行性進行了驗證，傳能71.3 W，效率84.6%，系統漏磁低于27 μT國際限制標準。受限于磁耦合裝置結構及功率控制方案限制，本文設計方案不適用于大功率無人機。

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（編輯：劉素菊）