近年來(lái)，無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicles, UAV）在民用和軍事領(lǐng)域都扮演了重要角色。根據(jù)機(jī)體結(jié)構(gòu)，無(wú)人機(jī)可以分為固定翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人直升機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)三種，如圖1所示。其中，多旋翼無(wú)人機(jī)具有速度可控、垂直起降、精準(zhǔn)懸停等優(yōu)勢(shì)，已在農(nóng)林植保、運(yùn)輸配送、偵查監(jiān)視等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

盡管隨著多旋翼無(wú)人機(jī)性能的不斷提升，在很多領(lǐng)域都展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，但其續(xù)航及電能補(bǔ)給問(wèn)題一直未得到有效改善。在動(dòng)力電池能量密度無(wú)法取得突破性研究進(jìn)展的前提下，多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通常只能續(xù)航20~40min。有限的續(xù)航時(shí)間造成多旋翼無(wú)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(wú)人機(jī)的應(yīng)用。此外，伴隨著無(wú)人機(jī)巡檢和作業(yè)向著無(wú)人值守化方向發(fā)展，這對(duì)無(wú)人機(jī)自主電能補(bǔ)給技術(shù)提出了新的要求。

圖1 無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)分類(lèi)

目前，解決無(wú)人機(jī)續(xù)航問(wèn)題的傳統(tǒng)方案主要有以下三種：

第一種是在無(wú)人機(jī)上搭載太陽(yáng)電池實(shí)現(xiàn)能量自持，如國(guó)內(nèi)的“彩虹”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，如圖2a所示，機(jī)翼上的太陽(yáng)電池在巡航時(shí)收集并儲(chǔ)存電能，但該方案僅適用于具有超大機(jī)翼的固定翼無(wú)人機(jī)。

第二種方案是利用基站的機(jī)械手為無(wú)人機(jī)更換滿電電池，具有操作效率高的優(yōu)勢(shì)，但需要改造無(wú)人機(jī)，還需要精密的機(jī)械與控制裝置。

第三種方案是采用接觸式自主充電平臺(tái)，如圖2b所示。無(wú)人機(jī)上布置了裸露的金屬電極，同時(shí)充電平臺(tái)也由裸露的金屬電極組成。無(wú)人機(jī)降落至充電平臺(tái)時(shí)，發(fā)射端和接收端的裸露電極直接接觸，組成導(dǎo)電回路。該方案具有效率高、成本低的優(yōu)勢(shì)，然而裸露電極存在磨損老化、野外環(huán)境應(yīng)用時(shí)易短路和斷路的問(wèn)題。因此，還亟須一種安全、可靠、自動(dòng)化程度高的新型無(wú)人機(jī)電能自主補(bǔ)給方案。

圖2太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)和接觸式充電平臺(tái)

無(wú)線充電技術(shù)具有安全、靈活等優(yōu)勢(shì)，在粉塵、水下等惡劣工況以及無(wú)人值守的場(chǎng)合具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域（后文中所涉及的無(wú)人機(jī)均特指多旋翼無(wú)人機(jī)），能夠有效提升無(wú)人機(jī)作業(yè)范圍，并且滿足無(wú)人機(jī)無(wú)人值守化的任務(wù)需求，因此無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而，無(wú)人機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，使得耦合器設(shè)計(jì)更加困難；無(wú)人機(jī)搭載能力極為受限；無(wú)人機(jī)抗電磁干擾能力弱，而且無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的機(jī)載側(cè)有盡可能不使用鐵氧體、鋁板材料的要求，需要無(wú)線充電系統(tǒng)具有好的漏磁自約束能力，這些需求極大地增加了無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度。

無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)智能無(wú)人化系統(tǒng)最后一步的關(guān)鍵助力，獲得了國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)的深入研究，已取得一系列成果。本文對(duì)當(dāng)前無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)方面所取得的主要研究成果進(jìn)行了綜述，歸納和總結(jié)了當(dāng)前各種技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，討論了有待深入解決的問(wèn)題以及應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。

1 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)及原理

根據(jù)所采用物理原理的不同，無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)主要分為磁場(chǎng)耦合式、電場(chǎng)耦合式和電磁輻射式。本部分將圍繞這三種無(wú)線充電的技術(shù)及原理、系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行闡述，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 磁場(chǎng)耦合式無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)

磁場(chǎng)耦合無(wú)線充電系統(tǒng)基于近場(chǎng)的磁場(chǎng)耦合原理，典型系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示，主要包含高頻逆變、補(bǔ)償、耦合機(jī)構(gòu)、整流及功率調(diào)節(jié)等部分[8]。由于近場(chǎng)耦合的傳輸距離較近（cm級(jí)），該技術(shù)方案適用于無(wú)人機(jī)定點(diǎn)降落后的充電；而小的磁場(chǎng)作用范圍也確保了耦合線圈之間更容易建立強(qiáng)耦合關(guān)系，易于實(shí)現(xiàn)高功率密度設(shè)計(jì)。

圖3 磁場(chǎng)耦合式無(wú)線充電系統(tǒng)原理圖

1.2 電場(chǎng)耦合式無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)

電場(chǎng)耦合式無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)基于近場(chǎng)電場(chǎng)耦合，其原理圖如圖4所示。耦合機(jī)構(gòu)由四塊薄金屬板/箔構(gòu)成，具有成本低、質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)。由于電場(chǎng)耦合式無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)同樣基于近場(chǎng)耦合原理，因此也更適用于無(wú)人機(jī)定點(diǎn)降落后短距離充電的場(chǎng)合。

圖4 電場(chǎng)耦合式無(wú)線充電系統(tǒng)原理圖

1.3 電磁輻射式無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)

電磁輻射無(wú)線充電技術(shù)是一種遠(yuǎn)場(chǎng)輻射電磁波的電能傳輸方式，主要包含激光式和微波式。激光無(wú)線充電系統(tǒng)如圖5a所示，發(fā)射器向外發(fā)出激光束，在瞄準(zhǔn)控制器的控制下激光束跟隨無(wú)人機(jī)；搭載激光接收系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)募す馐芰拷邮?。盡管該方案無(wú)需無(wú)人機(jī)起降操作也可滿足大功率充電需求，但是高成本和高危險(xiǎn)性令其無(wú)法在城市環(huán)境中使用。

圖5 激光與微波式無(wú)人機(jī)無(wú)線充電原理

微波式無(wú)人機(jī)無(wú)線充電如圖5b所示。微波無(wú)線充電同樣是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電的重要手段。早在1969年美國(guó)雷神公司就開(kāi)發(fā)出供無(wú)人機(jī)使用的微波式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，基站利用聚焦天線向特定空域發(fā)射微波束，無(wú)人機(jī)在距離基站15 m處利用陣列接收天線拾取270 W電能，效率約5.4%。然而，微波式無(wú)線充電是一種輻射傳能方案，傳輸效率低，目前還無(wú)法依靠該技術(shù)作為無(wú)人機(jī)電能補(bǔ)給的常用手段。

圖6總結(jié)了無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)方案：電磁輻射式無(wú)線充電技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行中的無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)充電，但功率等級(jí)、效率、安全性、成本等問(wèn)題目前無(wú)法妥善兼顧；磁場(chǎng)耦合式和電場(chǎng)耦合式無(wú)線充電技術(shù)具有傳輸功率大、傳輸效率高、安全性好等明顯優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)研究的熱點(diǎn)。下文將圍繞磁場(chǎng)耦合式和電場(chǎng)耦合式無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)，對(duì)相關(guān)的研究成果和熱點(diǎn)問(wèn)題詳細(xì)論述。

圖6 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)分類(lèi)與特點(diǎn)

2 磁場(chǎng)耦合和電場(chǎng)耦合無(wú)人機(jī)無(wú)線充電研究成果與熱點(diǎn)問(wèn)題

2.1 國(guó)內(nèi)外近期的研究成果

國(guó)外開(kāi)展磁場(chǎng)耦合和電場(chǎng)耦合無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)研究的科研機(jī)構(gòu)主要有英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院、意大利拉奎拉大學(xué)、韓國(guó)KAIST、美國(guó)WiBotic公司和日本九州大學(xué)等。國(guó)內(nèi)進(jìn)行無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)主要有華南理工大學(xué)、武漢大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。相關(guān)研究主要集中在耦合機(jī)構(gòu)、電磁泄漏與屏蔽和抗偏移等方面。

英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院和意大利拉奎拉大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在磁場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)和抗偏移方面開(kāi)展了大量研究工作，基于大對(duì)小線圈結(jié)構(gòu)有效提升了抗偏移性能；韓國(guó)KAIST團(tuán)隊(duì)針對(duì)磁場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)、電場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)及電磁泄露方面開(kāi)展了深入研究，提出系列新穎的線圈和極板結(jié)構(gòu)；美國(guó)WiBotic公司在輕量化的磁耦合機(jī)構(gòu)方面開(kāi)展了研究工作，提出一種輕量化線圈結(jié)構(gòu)；日本九州大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在電場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)方面開(kāi)展了深入研究。

華南理工大學(xué)張波教授團(tuán)隊(duì)在磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模與控制方面開(kāi)展了系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)耦合系數(shù)動(dòng)態(tài)變化下的穩(wěn)定功率傳輸；武漢大學(xué)的王軍華教授團(tuán)隊(duì)在磁耦合機(jī)構(gòu)和抗偏移方面開(kāi)展了深入研究，提出一種多線圈發(fā)射平臺(tái)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱春波教授團(tuán)隊(duì)基于圓盤(pán)對(duì)圓盤(pán)的磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了500 W無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)，并深入研究了耦合機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分布及碳纖維機(jī)身對(duì)充電系統(tǒng)的影響；哈爾濱工業(yè)大學(xué)蔡春偉教授團(tuán)隊(duì)提出應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的交叉型磁耦合機(jī)構(gòu)，基于發(fā)射側(cè)功率控制和位置輔助矯正裝置設(shè)計(jì)了100~600W多功率等級(jí)的無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)。

表1從傳輸功率、效率、耦合器結(jié)構(gòu)、偏移容忍度等方面總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于磁場(chǎng)耦合式和電場(chǎng)耦合式無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)研究成果。從表1可知，國(guó)內(nèi)外關(guān)于無(wú)人機(jī)無(wú)線充電已取得較大進(jìn)展，傳輸功率在8~600 W之間，基本能實(shí)現(xiàn)大于90%的傳輸效率。此外，國(guó)內(nèi)和國(guó)外對(duì)于磁場(chǎng)耦合式無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)方面差距較小，但國(guó)內(nèi)在電場(chǎng)耦合式無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)方面尚無(wú)標(biāo)志性研究成果。

表1 國(guó)內(nèi)外主要研究成果

2.2 研究熱點(diǎn)問(wèn)題

無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)異型、搭載能力受限，設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕、耦合能力強(qiáng)的高性能耦合機(jī)構(gòu)，成為無(wú)人機(jī)無(wú)線充電面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題；無(wú)人機(jī)降落后可能出現(xiàn)的偏移距離遠(yuǎn)大于機(jī)身尺寸，大范圍錯(cuò)位下的可靠充電成為無(wú)人機(jī)無(wú)線充電亟待解決的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量針對(duì)性研究，但尚未有對(duì)這兩方面的研究成果進(jìn)行系統(tǒng)性總結(jié)。為此，本文將對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電磁耦合機(jī)構(gòu)和錯(cuò)位應(yīng)對(duì)方案成果進(jìn)行系統(tǒng)的分析與綜述，以期為無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)的研究和應(yīng)用提供參考。

2.2.1 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電的耦合機(jī)構(gòu)研究

耦合機(jī)構(gòu)是無(wú)線充電系統(tǒng)中能量耦合的核心部件，決定了系統(tǒng)的磁/電場(chǎng)分布、耦合效果及傳輸性能，其設(shè)計(jì)嚴(yán)格受限于應(yīng)用對(duì)象和應(yīng)用環(huán)境。其中，磁場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)由線圈、磁性材料和屏蔽材料構(gòu)成，而電場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)由金屬極板和外部絕緣材料構(gòu)成。由于無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)特殊，而且對(duì)接收裝置的體積、質(zhì)量和安裝位置有嚴(yán)格的限制，這使得耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成為無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)研究的難點(diǎn)。

1）磁場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)

磁場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮線圈結(jié)構(gòu)和裝配位置兩方面。無(wú)人機(jī)主要包含機(jī)身、起落架和外圍機(jī)載設(shè)備三部分，根據(jù)接收線圈的裝配位置，磁場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)可分為裝在無(wú)人機(jī)機(jī)身、無(wú)人機(jī)機(jī)身腹部以及起落架上三類(lèi)，具體分析如下。

考慮到盡可能不增加無(wú)人機(jī)負(fù)重且不改變無(wú)人機(jī)外形，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院學(xué)者提出用空心接收線圈替代無(wú)人機(jī)防撞架，如圖7所示。發(fā)射端采用圓盤(pán)形發(fā)射線圈，接收線圈采用類(lèi)圓盤(pán)形的接收線圈。此結(jié)構(gòu)是一種軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，接收端相對(duì)軸心旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出效果一致。然而，由于接收線圈處于和無(wú)人機(jī)機(jī)身相同的高度，大量磁通會(huì)穿過(guò)機(jī)身，對(duì)無(wú)人機(jī)形成強(qiáng)電磁干擾。

圖7 裝在機(jī)身四周的圓盤(pán)式磁場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)

華南理工大學(xué)、武漢大學(xué)、清華大學(xué)、青島理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、馬來(lái)西亞國(guó)民大學(xué)等團(tuán)隊(duì)采用將平行式圓形接收線圈放置于無(wú)人機(jī)機(jī)身腹部的方案，如圖8所示。通過(guò)縮短接收線圈與發(fā)射平面之間的氣隙有效提升耦合效果，該方案對(duì)于各種外形的無(wú)人機(jī)都具有好的適用性。然而，有學(xué)者對(duì)該類(lèi)型機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)研究中發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)機(jī)身同樣會(huì)遭受強(qiáng)漏磁干擾。有學(xué)者通過(guò)在接收線圈上方安裝鋁屏蔽環(huán)，有效遏制了漏磁干擾。然而，無(wú)人機(jī)腹部通常會(huì)搭載云臺(tái)等外圍設(shè)備，該類(lèi)型機(jī)構(gòu)會(huì)阻礙這些外圍設(shè)備的安裝。

圖8 裝在機(jī)身腹部的圓形磁場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)

有學(xué)者提出一種將平行矩形盤(pán)式接收線圈放置于起落架底端的方案。大矩形接收線圈如圖9a所示，發(fā)射端和接收端之間的距離被進(jìn)一步壓縮，然而起落架底端的接收平面勢(shì)必會(huì)增加風(fēng)阻。

圖9 裝在無(wú)人機(jī)起落架底端磁場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)

美國(guó)WiBotic公司提出在起落架底端放置小型圓盤(pán)接收線圈的方案，小型圓盤(pán)接收線圈如圖9b所示。該方案的體積小、質(zhì)量輕，但耦合面小、線圈匝數(shù)少，僅適用于小功率場(chǎng)合。韓國(guó)KAIST提出一種垂直螺線管的接收裝置，如圖9c所示。該接收裝置安裝在無(wú)人機(jī)起落架底端，配合鐵氧體的使用，有效降低了系統(tǒng)漏磁。但是，含鐵氧體的接收裝置易在無(wú)人機(jī)降落過(guò)程中損壞，而且該結(jié)構(gòu)還需要改造無(wú)人機(jī)起落架。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)者針對(duì)無(wú)人機(jī)特殊外形，提出交叉型磁場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)線圈結(jié)構(gòu)，如圖9d所示。發(fā)射端采用雙極性線圈結(jié)構(gòu)，接收線圈沿著起落架的框架繞制，具有質(zhì)量輕、對(duì)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。有學(xué)者研制的樣機(jī)系統(tǒng)成功對(duì)500 W無(wú)人機(jī)實(shí)施無(wú)線充電，整機(jī)效率90.8%。該團(tuán)隊(duì)還通過(guò)添加柔性磁材料，進(jìn)一步壓縮接收線圈的體積和質(zhì)量。盡管交叉型耦合機(jī)構(gòu)在大、小功率場(chǎng)合都具有適用性，但對(duì)錯(cuò)位的適應(yīng)性較差。

表2從傳輸功率、抗偏移性、電磁安全等方面對(duì)比了典型無(wú)人機(jī)磁場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)。大型平行盤(pán)式耦合機(jī)構(gòu)具有易安裝、可傳輸功率大等優(yōu)勢(shì)，但漏磁干擾強(qiáng)；小型平行盤(pán)式磁場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)僅在小功率場(chǎng)合具有適用性；螺線管式磁結(jié)構(gòu)需改造無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)；交叉型磁場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)的耦合能力強(qiáng)、可傳輸功率大，但抗偏移能力弱。

綜合上述分析，國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)已針對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電的磁場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)展了的大量研究工作，提出一系列有的放矢的技術(shù)方案，但發(fā)展尚不成熟，還需加強(qiáng)該方面的研究，進(jìn)一步提升磁場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)性能。

表2 典型無(wú)人機(jī)無(wú)線充電的磁場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)

2）電場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)

隨著電力電子器件高頻性能的不斷提升，有學(xué)者開(kāi)始嘗試?yán)秒妶?chǎng)耦合原理開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)。耦合電容值是決定電場(chǎng)耦合無(wú)線充電系統(tǒng)功率和效率的重要參數(shù)，而極板耦合電容值為

公式1

式中，ε為極板間隙填充材料介電常數(shù)；S為兩極板的相對(duì)面積；d為板板間距?？梢缘玫?，增加耦合電容可以考慮增大有效耦合面積、縮短間距及增大介質(zhì)介電常數(shù)三個(gè)方面。

基于此原理，衍生出兩種系統(tǒng)性能提升方案。第一種是縮短極板間距并且采用高介電常數(shù)的傳輸介質(zhì)。日本九州大學(xué)學(xué)者利用覆蓋聚酯薄膜的鋁板作為發(fā)射極板，放置于起落架底端的四塊方形金屬片作為接收極板，研發(fā)了電場(chǎng)耦合無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)，如圖10所示。該方案可以將極板間距縮減到1mm以下，樣機(jī)系統(tǒng)傳輸功率為8W，傳輸效率77%。但接收極板裝配位置決定了接收極板面積較小，可傳輸功率有限。

第二種增大耦合電容的思路是擴(kuò)大極板面積，韓國(guó)KAIST提出一種有效耦合面積較大的電場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)，如圖10b所示。一只盤(pán)形接收極板安裝在無(wú)人機(jī)腹部，另一只環(huán)形接收極板安裝在起落架中部。相應(yīng)地，發(fā)射極板也由盤(pán)形和環(huán)形的極板構(gòu)成。樣機(jī)系統(tǒng)可傳輸功率100 W，耦合效率89.4%。該方案對(duì)提升傳輸功率有積極的作用。但充電平臺(tái)需要一個(gè)高的凸起，這給平臺(tái)的制作帶來(lái)了困難，并且阻礙無(wú)人機(jī)腹部云臺(tái)等設(shè)備安裝。

圖10 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電的電場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)

由于耦合極板具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕和成本低等優(yōu)勢(shì)，電場(chǎng)耦合式無(wú)線充電技術(shù)在無(wú)人機(jī)充電領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，但當(dāng)前對(duì)無(wú)人機(jī)的電場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)研究還較為薄弱。有必要對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電的電場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和極板絕緣材料等方面開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

2.2.2 錯(cuò)位應(yīng)對(duì)方案

受充電平臺(tái)機(jī)動(dòng)、無(wú)人機(jī)降落精度不足、環(huán)境干擾和降落后回彈等多方面因素影響，接收裝置與發(fā)射裝置相對(duì)錯(cuò)位是無(wú)人機(jī)無(wú)線充電必然面對(duì)的問(wèn)題。當(dāng)前無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)應(yīng)對(duì)耦合線圈位置偏移方案主要有四種：增大發(fā)射線圈面積、采用陣列發(fā)射平臺(tái)、采用位移輔助對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)以及采用輔助無(wú)人機(jī)精確降落平臺(tái)。

有學(xué)者通過(guò)增大發(fā)射線圈面積，擴(kuò)大了發(fā)射磁通的作用范圍，使得接收線圈在偏移時(shí)仍能處于發(fā)射線圈的磁場(chǎng)作用范圍，如圖11所示。該方案還支持多無(wú)人機(jī)同時(shí)充電。然而，該方案存在大量漏磁，導(dǎo)致效率低下。有學(xué)者研制的樣機(jī)系統(tǒng)在錯(cuò)位過(guò)程中的平均工作效率僅有60%。

圖11 大線圈對(duì)小線圈的錯(cuò)位應(yīng)對(duì)方案

為提升充電區(qū)域的同時(shí)限制磁場(chǎng)作用空間，有學(xué)者提出了陣列線圈結(jié)構(gòu)。如圖12a所示，武漢大學(xué)學(xué)者提出一種由4個(gè)發(fā)射線圈對(duì)1個(gè)接收線圈的陣列耦合機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)電路如圖12b所示，通過(guò)檢測(cè)接收線圈位置開(kāi)啟相應(yīng)的發(fā)射線圈。不僅提升了錯(cuò)位適應(yīng)性，還降低了實(shí)際工作中的磁場(chǎng)作用范圍。然而位置檢測(cè)需要添加復(fù)雜的硬件和軟件系統(tǒng)，復(fù)雜性和成本較高，而且當(dāng)前的位置檢測(cè)方案在野外環(huán)境中的可靠性仍有待提高。

圖12 基于陣列式發(fā)射平臺(tái)的無(wú)線充電系

無(wú)人機(jī)降落后，利用位移式輔助對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)移動(dòng)發(fā)射線圈至無(wú)人機(jī)處，或者移動(dòng)無(wú)人機(jī)至預(yù)置的發(fā)射線圈位置也同樣是應(yīng)對(duì)錯(cuò)位的有效方案。韓國(guó)國(guó)立群山大學(xué)學(xué)者提出一種基于發(fā)射線圈位移的輔助對(duì)準(zhǔn)方案，如圖13a所示。發(fā)射線圈可以沿X軸和Y軸方向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)，但需要預(yù)先檢測(cè)接收線圈的位置。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)者提出一種移動(dòng)無(wú)人機(jī)至發(fā)射線圈的方案，如圖13b所示。該方案無(wú)需檢測(cè)無(wú)人機(jī)降落位置，具有簡(jiǎn)單、可靠的優(yōu)勢(shì)，但平臺(tái)上方的機(jī)械裝置使得平臺(tái)無(wú)法完全密封，不便于在潮濕、風(fēng)沙較大等惡劣工況下使用。

圖13基于位移式輔助對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的錯(cuò)位應(yīng)對(duì)

上述三種錯(cuò)位應(yīng)對(duì)方案均是在無(wú)人機(jī)降落后采取的應(yīng)對(duì)措施，也有學(xué)者通過(guò)合理設(shè)計(jì)充電平臺(tái)結(jié)構(gòu)確保無(wú)人機(jī)精確降落。有學(xué)者提出一種向下凹陷的錐形漏斗狀充電平臺(tái)（見(jiàn)圖9c），無(wú)人機(jī)起落架降落至漏斗內(nèi)時(shí)，將自動(dòng)滑入漏斗中心，實(shí)現(xiàn)精確降落。這種方案的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但容易因積水、積沙塵造成充電系統(tǒng)失效。有學(xué)者提出一種含有錐形凸起的平臺(tái)，如圖14所示，依靠接收線圈框架和錐形凸起的約束，無(wú)人機(jī)滑入指定位置。但這兩種結(jié)構(gòu)均需要改造無(wú)人機(jī)，增加系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度。

圖14 基于錐形凸起結(jié)構(gòu)的精確降落平臺(tái)

通過(guò)以上分析可發(fā)現(xiàn)：增大發(fā)射線圈面積、采用陣列式發(fā)射平臺(tái)、位移式輔助對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)及輔助無(wú)人機(jī)精確降落平臺(tái)均是無(wú)人機(jī)無(wú)線充電領(lǐng)域有效的錯(cuò)位應(yīng)對(duì)方案，表3匯總了四種方案的部分優(yōu)缺點(diǎn)，以供實(shí)際方案選擇。

表3 四種錯(cuò)位應(yīng)對(duì)方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

3 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用展望與待解決的關(guān)鍵問(wèn)題

3.1 無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用展望

3.1.1 基于固定巡檢線路的無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)

固定巡檢線路的巡檢任務(wù)可以是電力線路巡檢、風(fēng)電場(chǎng)巡檢等。受無(wú)人機(jī)續(xù)航能力有限、作業(yè)距離短等問(wèn)題影響，當(dāng)前無(wú)人機(jī)巡檢的使用頻率仍較低。由于多數(shù)遠(yuǎn)距離巡檢任務(wù)都具有條件艱苦、單次巡檢工作量大、需周期性巡檢等特點(diǎn)，如果在固定巡檢路線布置中繼無(wú)人機(jī)無(wú)線充電基站，無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中自主降落至中繼充電站補(bǔ)充電能，可有效拓展無(wú)人機(jī)的巡檢范圍、提升無(wú)人機(jī)巡檢的工作效率和使用頻率，這對(duì)降低巡檢成本、提升巡檢質(zhì)量具有重要意義。

圖15 用于固定巡檢線路的無(wú)線充電系統(tǒng)

3.1.2 基于移動(dòng)充電平臺(tái)的無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)

在無(wú)人車(chē)、海洋浮臺(tái)和無(wú)人船等智能無(wú)人機(jī)裝備上搭載無(wú)人機(jī)，可以利用無(wú)人機(jī)的特殊視角在緊急情況下快速升空調(diào)查取證，從而實(shí)現(xiàn)陸地-領(lǐng)空、海洋-領(lǐng)空之間的裝備聯(lián)合?；谝苿?dòng)充電平臺(tái)的無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)如圖16所示，在這種場(chǎng)合下，無(wú)人機(jī)大部分時(shí)間位于機(jī)載的移動(dòng)式平臺(tái)上靜默等待，等待過(guò)程中可利用無(wú)線充電技術(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)及時(shí)補(bǔ)充電能，確保無(wú)人機(jī)下次任務(wù)有序進(jìn)行。

圖16 基于移動(dòng)充電平臺(tái)的無(wú)線充電系統(tǒng)

3.2 待解決的關(guān)鍵問(wèn)題

盡管無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)在未來(lái)無(wú)人值守場(chǎng)景中具有廣闊的應(yīng)用前景，但由于研究還不夠充分，目前仍存在一些關(guān)鍵問(wèn)題尚待解決。

3.2.1 高性能耦合機(jī)構(gòu)研究

無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)異型，負(fù)重能力極為受限，抗電磁干擾能力弱。無(wú)人機(jī)無(wú)線充電耦合機(jī)構(gòu)需要具備對(duì)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)、功率傳遞能力大、易安裝、體積小、質(zhì)量輕、電磁干擾弱的特點(diǎn)。由于無(wú)人機(jī)無(wú)線充電面臨上述特殊性，目前已開(kāi)發(fā)的耦合機(jī)構(gòu)僅能滿足其中部分性能，還需要對(duì)適用于無(wú)人機(jī)特殊應(yīng)用場(chǎng)合的高性能耦合機(jī)構(gòu)加強(qiáng)研究。

3.2.2 隨機(jī)落點(diǎn)位置和隨機(jī)降落方向下可靠高效充電的錯(cuò)位容忍能力提升

受降落精度、環(huán)境因素及降落回彈等多方面因素綜合影響，無(wú)人機(jī)的落點(diǎn)位置和方向呈現(xiàn)隨機(jī)性。如何確保無(wú)人機(jī)在隨機(jī)位置、隨機(jī)方向下可靠高效充電，是必須攻克的關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)前擴(kuò)大發(fā)射線圈直徑的方法存在效率低的問(wèn)題，輔助對(duì)準(zhǔn)存在無(wú)法對(duì)充電平臺(tái)密封封裝以及惡劣工況下的失效概率大的弊端。因此，如何結(jié)合實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，從耦合機(jī)構(gòu)、諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)控制等方面入手，以?xún)?yōu)先提升無(wú)人機(jī)在隨機(jī)落點(diǎn)隨機(jī)方向下的高效充電能力，是無(wú)人機(jī)無(wú)線充電需要解決的一個(gè)重要技術(shù)問(wèn)題。

3.2.3 可互操作性問(wèn)題研究

受所采用的線圈結(jié)構(gòu)、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、功率等級(jí)等因素影響，互操作性已成為無(wú)線充電領(lǐng)域產(chǎn)品實(shí)用化和規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；ゲ僮餍詥?wèn)題在無(wú)人機(jī)無(wú)線充電領(lǐng)域尤為重要，因?yàn)椴煌N類(lèi)的無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)差異明顯、外形尺寸差異大、功率等級(jí)眾多，這對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的兼容性、互聯(lián)互通提出了較高的要求。

3.2.4 基于移動(dòng)平臺(tái)的無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)研究

隨著無(wú)人機(jī)在軍事、海洋觀測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用，充電平臺(tái)動(dòng)態(tài)移動(dòng)已成為無(wú)人機(jī)無(wú)線充電必須面臨的重要問(wèn)題。移動(dòng)的充電平臺(tái)造成更大的相對(duì)錯(cuò)位范圍，降落后的角度也不再能夠保證，而且充電過(guò)程中可能還面臨平臺(tái)振動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)錯(cuò)位和動(dòng)態(tài)氣隙變化。這對(duì)系統(tǒng)的安全性、可靠性和傳能穩(wěn)定性提出了新的要求，需要針對(duì)該應(yīng)用特點(diǎn)有針對(duì)性的開(kāi)展研究。

3.2.5 滿足多無(wú)人機(jī)同時(shí)充電的平臺(tái)技術(shù)研究

集群無(wú)人機(jī)具有聯(lián)合作戰(zhàn)、突防能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，已成為無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的一種重要的應(yīng)用場(chǎng)景。集群無(wú)人機(jī)的充電系統(tǒng)具有充電目標(biāo)數(shù)量眾多、多無(wú)人機(jī)同時(shí)并行充電的特點(diǎn)。對(duì)充電單元的成本約束、充電單元之間的相互干擾抑制，以及充電系統(tǒng)整體功率和效率提升提出更高的要求，但目前還缺乏相關(guān)方面的研究。

4 結(jié)論

無(wú)線充電技術(shù)是提升無(wú)人機(jī)在未來(lái)無(wú)人值守化場(chǎng)景應(yīng)用的有力保障，該技術(shù)的研究對(duì)拓展無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)范圍、提升系統(tǒng)智能化水平具有重要的意義。本文綜述了當(dāng)前無(wú)人機(jī)無(wú)線充電方面所取得的研究成果和發(fā)展概況；重點(diǎn)從磁場(chǎng)耦合式和電場(chǎng)耦合式兩種無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)出發(fā)，介紹了目前無(wú)人機(jī)無(wú)線充電中耦合機(jī)構(gòu)和錯(cuò)位應(yīng)對(duì)措施兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀；并就無(wú)人機(jī)無(wú)線充電未來(lái)發(fā)展及有待研究的問(wèn)題進(jìn)行了討論。

可以看到，無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)正在得到深入研究，而且可以預(yù)計(jì)該技術(shù)將會(huì)獲得更廣泛的研究、應(yīng)用和發(fā)展。

引用本文

武帥, 蔡春偉, 陳軼, 柴文萍, 楊世彥. 多旋翼無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(3): 555-565. Wu Shuai, Cai Chunwei, Chen Yi, Chai Wenping, Yang Shiyan. Research Progress and Development Trend of Multi-Rotor Unmanned Aerial Vehicles Wireless Charging Technology. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(3): 555-565.