風(fēng)光互補(bǔ)無人機(jī)無線充電基站系統(tǒng)設(shè)計

繳德凱 張 巖 李博文 陳 拓 霍潤琦 喬佳越 信子萌 程詩語 于 鵬

河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院 河北石家莊 050018

當(dāng)前，無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已從最初的軍事專用，如偵查戰(zhàn)況、監(jiān)視敵情到現(xiàn)在民用、商用的普及，如用物流配送、噴灑農(nóng)藥等。張宇嘉等提出續(xù)航時間是驗證無人機(jī)性能指標(biāo)的關(guān)鍵，但受飛行重量、飛行速度等因素影響，多旋翼無人機(jī)通常只能續(xù)航20～40分鐘。有限的續(xù)航時間造成多旋翼無人機(jī)僅能執(zhí)行短距離和小范圍作業(yè)任務(wù)，嚴(yán)重限制了多旋翼無人機(jī)在遠(yuǎn)距離察打、野外配送等領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，無人機(jī)巡檢和作業(yè)向著無人值守方向發(fā)展，給無人機(jī)自主電能補(bǔ)給技術(shù)提出了新的需求。

現(xiàn)階段，對于無人機(jī)續(xù)航問題，建立基站為可行解決方案之一。建立基站的傳統(tǒng)方案有以下兩種：一種是建立系留式基站對無人機(jī)進(jìn)行電能補(bǔ)給。如楊樹峰等提出基于系留式無人機(jī)的高空基站通信系統(tǒng)，將控制基站升空高度，通過系留電纜實現(xiàn)對無人機(jī)的電能補(bǔ)給，以實現(xiàn)無人機(jī)照明、通信等方面電能補(bǔ)給。法國科技公司Elistair在美國得克薩斯州達(dá)拉斯舉辦的AUVSI XPonENTIAL 2017貿(mào)易展上發(fā)布了Ligh-T 2新型Ligh-T系留無人機(jī)站，為無人機(jī)實時遙測和監(jiān)控提供電能補(bǔ)給。但該方案僅適用于無人機(jī)近距離長續(xù)航作業(yè)。第二種方案是建立能量自補(bǔ)給式無人機(jī)基站。如佘佳俊等基于無線充電技術(shù)的物流無人機(jī)及充電樁設(shè)計方案提出，在地面建立基站，以GPS系統(tǒng)為無人機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航，讓物流無人機(jī)在送貨途中實時判斷自身電量，當(dāng)電量過低時自主導(dǎo)航至距離最近的充電樁進(jìn)行無線充電，完成充電后繼續(xù)送貨。張巖等提出，太陽能無人機(jī)基站采用吊掛方式，不需要地面建站?？傮w結(jié)構(gòu)可水平旋轉(zhuǎn)，太陽翼可以豎直方向旋轉(zhuǎn)，保證太陽能發(fā)電效率。采用L型旋轉(zhuǎn)接口，提高任務(wù)靈活程度。但該方案能量供給方式單一，僅適用于太陽能充足地區(qū)。因此，還亟須一種充電可靠性高適用于遠(yuǎn)距離察打，荒野配送的分布式無人機(jī)充電基站。

基于以上研究現(xiàn)狀，為解決基站供電方式單一，供電可靠性不高的問題，本文提出了一種風(fēng)光互補(bǔ)型無人機(jī)無線充電基站利用風(fēng)光能源天然的互補(bǔ)性，能有效彌補(bǔ)單獨風(fēng)能與太陽能發(fā)電系統(tǒng)在資源上的缺點，提高發(fā)電系統(tǒng)的可靠性、平衡性與穩(wěn)定性，為無人機(jī)提供可靠電能補(bǔ)給。采用無線傳能充電方式，規(guī)避傳統(tǒng)接口充電對無人機(jī)的精準(zhǔn)對接要求，有效解決無人機(jī)戶外長距離作業(yè)續(xù)航問題。

1 設(shè)計方案

1.1 設(shè)計要求

風(fēng)光互補(bǔ)無人機(jī)無線充電基站總體設(shè)計如圖1所示，圍繞風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的可靠性及充電基站的可實施性目標(biāo)展開，同時擁有較高的靈活性和自動化程度。其具備一套獨立的發(fā)電、充電系統(tǒng)，利用光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電將發(fā)出的電能儲存到能量管理裝置，并由蓄電池向電能傳輸裝置供電，對無人機(jī)實現(xiàn)無線充電。同時基站可根據(jù)不同氣候環(huán)境選擇合適的風(fēng)機(jī)和太陽能板實現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，以此實現(xiàn)效率最大化。并且可以克服光伏、風(fēng)電輸出功率的波動性，再次提高了可再生能源的利用率，滿足無人機(jī)長距離續(xù)航要求。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)無人機(jī)無線充電基站總體設(shè)計

1.2 功能設(shè)計

通過建立的傾斜面太陽輻射計算模型為控制系統(tǒng)提供太陽方位角算法，控制太陽能板方向，對光照方向進(jìn)行實時追蹤，使太陽能板最大限度地接觸光照，進(jìn)而更加高效地利用光能，同時垂直軸發(fā)電機(jī)利用自己較小的轉(zhuǎn)軸半徑的優(yōu)勢，可以在較小的風(fēng)速條件下旋轉(zhuǎn)風(fēng)葉帶動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，通過MPPT控制器對蓄電池充電。無人機(jī)電量不足時，可通過GPS導(dǎo)航系統(tǒng)獲取距離最近基站的位置，并導(dǎo)航到基站，然后經(jīng)過降落輔助系統(tǒng)降落在充電平臺上方，其內(nèi)部重力傳感器達(dá)到預(yù)設(shè)閾值，基站判斷無人機(jī)已經(jīng)降落成功，開始通過無線充電系統(tǒng)對無人機(jī)進(jìn)行充電。充電完成后，無人機(jī)可自行飛離基站，無人機(jī)飛離后，充電輔助系統(tǒng)自動復(fù)位，充電環(huán)節(jié)結(jié)束。無線充電裝置進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一臺無人機(jī)的到來。無人機(jī)充電基站下方為旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)置步進(jìn)電機(jī)及錐形齒輪。單片機(jī)通過內(nèi)部算法對步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制信號，以調(diào)整基站方向為最佳方位角。由于基站為實時對準(zhǔn)太陽角度，太陽平行光對基站主體造成的陰影并不會對太陽電池板造成影響。這種旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了基站的實時追光，有效提高了基站對光能的利用率，保證光能的最大限度利用。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

用SolidWorks對風(fēng)光互補(bǔ)無人機(jī)充電基站進(jìn)行三維建模，主體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示?；疽钥刂葡錇橹黧w，其長1.20m，寬0.35m，高0.40m，內(nèi)置有MPPT控制器、電機(jī)等裝置，上方為無線充電裝置，充電裝置內(nèi)部搭載重力傳感器。

圖2 基站主體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.3.1 太陽能收集裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

對太陽能收集裝置進(jìn)行三維建模設(shè)計，整體結(jié)構(gòu)展開圖如圖3所示，由太陽能電池板、步進(jìn)電機(jī)、錐形齒輪、旋轉(zhuǎn)軸承、基座等組成。步進(jìn)電機(jī)軸上裝有錐形齒輪，并固定于基站主體內(nèi)部，另一錐形齒輪與基座連接固定。為減輕充電基站的質(zhì)量，框架采用質(zhì)量較輕且具備一定強(qiáng)度的鋁合金材質(zhì)。裝置工作原理：太陽方位角改變時，控制系統(tǒng)向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出信號，步進(jìn)電機(jī)在錐形齒輪及旋轉(zhuǎn)軸承的輔助作用下帶動太陽能收集裝置框架沿水平方向轉(zhuǎn)動使基站太陽能板達(dá)到最佳方位角。

圖3 太陽能收集裝置展開圖

1.3.2 降落充電輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

對降落充電輔助系統(tǒng)進(jìn)行三維建模設(shè)計，整體展開圖如圖4所示，由重力傳感器及無線充電線圈組成，充電線圈發(fā)射端位于重力傳感器上板下方，接收端位于無人機(jī)底部，重力傳感器上板厚度為3cm，為本文無線充電線圈傳輸最佳距離。系統(tǒng)工作原理：無人機(jī)降落于充電平臺上，其質(zhì)量作用于重力傳感器，重力傳感器達(dá)到設(shè)定閾值，向核心控制單元發(fā)出信號，核心控制單元判斷無人機(jī)降落成功，充電開關(guān)打開，電能傳輸裝置向無人機(jī)傳輸電能。

圖4 降落充電輔助系統(tǒng)展開圖

2 實驗分析

2.1 風(fēng)能系統(tǒng)實驗分析

按照無人機(jī)充電基站的設(shè)計，搭建無人機(jī)充電基站原理樣機(jī)，在樣機(jī)整體設(shè)計中：系統(tǒng)總功率容量為150W，其中光伏為50W，風(fēng)力系統(tǒng)為100W，蓄電池容量為24Ah，兩端最大開路電壓為12V。對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率進(jìn)行實驗驗證。在保證太陽能發(fā)電系統(tǒng)保持最佳方位角及最佳傾角狀態(tài)下，在對拖系統(tǒng)(如圖5所示)中，利用實驗室電動機(jī)來拖動基站的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，利用轉(zhuǎn)速計顯示轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，功率表顯示輸出功率，并且利用改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速的方法近似模擬一定風(fēng)速的變化情況，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速之間滿足：

(為尖速比；為風(fēng)力扇葉半徑)

計算中取=694，=06，進(jìn)而計算獲得對應(yīng)風(fēng)速。通過對拖系統(tǒng)實現(xiàn)計算風(fēng)速、風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及充電功率之間關(guān)系。

圖5 對拖系統(tǒng)實驗環(huán)境

實驗?zāi)M以2.5m/s風(fēng)速為起始風(fēng)速，以2.5m/s風(fēng)速為公差增加，獲得七組風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速、最佳光照條件下的數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)包括各組風(fēng)速下無MPPT最大功率追蹤下和加入MPPT最大功率追蹤下的蓄電池充電電壓、充電電流，計算獲得對應(yīng)輸出功率。最終通過對比每種風(fēng)速條件下基站對于蓄電池充電功率如圖6所示，在MPPT控制器的最大功率點追蹤作用下，充電功率的提升效果明顯，最終求得MPPT控制器對功率提升的百分比為32.4%。

圖6 應(yīng)用MPPT算法功率充電功率提升

2.2 無線傳能建模分析

在Matlab中由電感、電阻和電容等元器件組成如圖7所示無線傳能電路仿真模型，實驗驗證了模型的準(zhǔn)確性。主振電路振蕩器選用有源晶振。使用二階低通濾波器對輸出方波的高次諧波進(jìn)行過濾，使用三極管及其外圍電路組成的放大電路將輸出的正弦波輸送到并聯(lián)諧振回路輻射。為接收線圈供給能量，測得與電容組成的并聯(lián)諧振回路的空芯耦合線圈的線徑為0.5mm，直徑為7cm，電感為47μH，載波頻率為2MHz，電容C約為140pF。因而，發(fā)射部分采用2MHz有源晶振產(chǎn)生與諧振頻率接近的能源載波頻率。

圖7 無線傳能電路仿真模型

無人機(jī)無線充電部分，對充電的平均電流、電壓等進(jìn)行測量，以驗證其充電的可行性。實驗中以充電線圈間距3mm為起始充電間距，以3mm為公差增加充電間距，分別多次獲取充電時輸入與輸出端平均電壓、電流值，最后根據(jù)電壓、電流平均值得到平均功率與充電效率，獲得數(shù)據(jù)如圖8所示。隨著感應(yīng)線圈之間距離的增加，線圈的輸出功率先上升后下降，這種現(xiàn)象主要是由無線電能傳輸?shù)木嚯x傳遞特性造成的，由表得充電間距在3～6mm時線圈可保持大于60%的充電效率與大于10W的充電效率，且在充電間距為3mm時能保持68%以上的充電效率。當(dāng)距離小于3mm時，功率達(dá)到最大值，并且沒有距離的減小而再次增加?；诒緦嶒灁?shù)據(jù)本基站線圈充電間距最終采用線圈間距3mm的充電方式，以保持68%以上的較高充電效率以及較高的充電功率。

圖8 傳輸效率隨距離變化曲線

結(jié)語

本文研發(fā)了一種更加高效、便利的利用清潔能源的風(fēng)光互補(bǔ)無人機(jī)無線充電基站。通過MPPT的加入，實現(xiàn)基站對于風(fēng)能、光能清潔能源的最大限度利用，較傳統(tǒng)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)提升32.4%充電功率；通過單片機(jī)及步進(jìn)電機(jī)控制太陽能板方位角，實現(xiàn)太陽能電池板追光，以進(jìn)一步達(dá)到高效利用光能。通過無線充電線圈、重力傳感器，實現(xiàn)無人機(jī)降落在基站充電平臺位置時準(zhǔn)確、快速充電。并通過實驗數(shù)據(jù)對比，以及效率計算，通過精準(zhǔn)控制無線充電線圈發(fā)射端和接收端的距離，可使無線充電效率達(dá)到70%左右，證明了無線充電技術(shù)的可行性。通過對系統(tǒng)整體的設(shè)計，實現(xiàn)離網(wǎng)型無線充電基站對無人機(jī)的可靠供電。

該基站具有以下優(yōu)點：(1)擺脫電網(wǎng)限制，可在野外選址建立；(2)充分利用風(fēng)光互補(bǔ)能源，能源利用率高，供電可靠性高；(3)采用無線充電方式，實現(xiàn)了充電過程的自動化。