無(wú)人機(jī)無(wú)線充電基站

周志穎　倪樹(shù)　李琳琳　趙永輝　劉世聰　崔夢(mèng)君　馬國(guó)利

摘 要：為了方便無(wú)人機(jī)野外充電，提高無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)途飛行續(xù)航能力，設(shè)計(jì)并制作了無(wú)人機(jī)無(wú)線充電基站，當(dāng)無(wú)人機(jī)落在上面時(shí)，基站能夠自己感應(yīng)并開(kāi)啟，通過(guò)電磁感應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行充電。

關(guān)鍵詞：無(wú)線充電；電磁感應(yīng)；無(wú)人機(jī)

中圖分類號(hào)：V279+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）03-0041-02

Abstract： In order to facilitate the UAV to recharge in the field and improve the UAV's long-distance flight endurance， the UAV wireless charging base station is designed and built. When the UAV lands on it， the base station can sense and turn on by itself. The drone is charged by electromagnetic induction.

Keywords： wireless charging； electromagnetic induction； UAV

無(wú)線充電有很多種方法，主要方法有電磁感應(yīng)、磁場(chǎng)共振和無(wú)線電波法。電磁感應(yīng)法：初級(jí)線圈一定頻率的交流電，通過(guò)電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端[1]。這是目前最為常見(jiàn)的充電解決方式，同時(shí)也是應(yīng)用較廣的一種類型。

無(wú)人機(jī)無(wú)線充電基站采用的就是電磁感應(yīng)方法，在基站中設(shè)置好發(fā)射線圈，然后加上超聲波感應(yīng)模塊，監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)是否落下，最后在無(wú)人機(jī)底部搭載一個(gè)接收線圈和穩(wěn)壓電路[2]，無(wú)人機(jī)下落在基站時(shí)就能完成自動(dòng)充電。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

無(wú)線充電基站可通過(guò)電磁感應(yīng)為無(wú)人機(jī)進(jìn)行充電，由超聲波感應(yīng)模塊檢測(cè)無(wú)人機(jī)是否落下，由控制系統(tǒng)對(duì)信息處理后判斷是否對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行充電?；陔姶鸥袘?yīng)的無(wú)人機(jī)充電基站主要由電源部分，控制系統(tǒng)，超聲波感應(yīng)系統(tǒng)組成。

1.1 電源部分

主要負(fù)責(zé)為控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓和開(kāi)關(guān)電路，以使系統(tǒng)能夠在信號(hào)來(lái)臨時(shí)迅速做出反應(yīng)。該部分還有其他例如降壓模塊和繼電器等原件輔助控制。電源部分集成電路如圖1所示。

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用STM32F103ZET6嵌入式微控制器，具有能耗低，運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)全天候全自動(dòng)的工作?；究偪刂齐娐啡鐖D2所示。

1.3 超聲波感應(yīng)系統(tǒng)

超聲波模塊來(lái)檢測(cè)無(wú)人機(jī)是否已落下，當(dāng)無(wú)人機(jī)完全落下時(shí)超聲波模塊檢測(cè)到并將信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)，隨后開(kāi)啟充電。超聲波模塊如圖3所示。

2 調(diào)試與分析

在整個(gè)充電過(guò)程無(wú)需拆卸電池，自動(dòng)控制完成?？蓪?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)管及采集。無(wú)線充電基站無(wú)需人為監(jiān)管，能適應(yīng)相對(duì)惡劣的環(huán)境。且該基站應(yīng)用范圍廣，建造簡(jiǎn)單，便于維護(hù)休整。

無(wú)人機(jī)可就近選擇充電點(diǎn)，無(wú)人機(jī)可以降落在充電板上，也可以懸停在充電板上方[3]。這樣，就避免必須折返回起飛點(diǎn)進(jìn)行充電的問(wèn)題，由于無(wú)線充電過(guò)程損耗多。尤其是較遠(yuǎn)距離充電，大功率的無(wú)線磁電轉(zhuǎn)換，設(shè)備的耗能較高。而且隨著無(wú)線充電設(shè)備的距離和功率的加大，損耗就會(huì)越大[4]。為了進(jìn)一步測(cè)試無(wú)人機(jī)在即將電量不足時(shí)，所需求的無(wú)線充電站最低分布密度，我們?cè)趹敉膺M(jìn)行了此項(xiàng)測(cè)試。

3 結(jié)論

在無(wú)線充電技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線自動(dòng)充電，是以往解決無(wú)人機(jī)續(xù)航問(wèn)題所沒(méi)有應(yīng)用的思維方法，同時(shí)在市場(chǎng)上也是空前的。不僅僅為無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間短提供了在當(dāng)下技術(shù)能解決范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定可靠的解決方案，同時(shí)也擴(kuò)大了無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用范圍，突破了以往無(wú)線充電只應(yīng)用在手機(jī)等小型設(shè)備上的局限。

無(wú)線充電基站可以設(shè)置在輸電線纜周邊，也可以和通信基站相結(jié)合，或者無(wú)人區(qū)的大型太陽(yáng)能供電等等，衍生出多種多樣的應(yīng)用方式和范圍。長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航和封閉式構(gòu)造是未來(lái)無(wú)人機(jī)發(fā)展的一個(gè)方向，無(wú)線充電基站的建成，有助于實(shí)現(xiàn)和推廣無(wú)人機(jī)的全封閉構(gòu)造和長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭世欣.淺析無(wú)線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與短板[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2017，39（05）：16-19.

[2]鄭發(fā)卷，翁正國(guó).振蕩電路制作與調(diào)試：第一版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]DouglasBrooks.PC人機(jī)懸停無(wú)線充電技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2015.

[4]周誠(chéng)智，周和平.無(wú)線充電功率線圈、無(wú)線充電系統(tǒng)及無(wú)線充電控制方法[P].中國(guó)：審定公開(kāi)的發(fā)明專利，2017-04-19.