无人机无线定向能量传输方法初探

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摘 要：本文通过对现有无线能量传输的方法进行对比，并结合无人机运行特性提出基于激光的无人机定向能量传输的方法，为提升无人机续航作业能力提供可行的建议与参考。
关键词：无人机;无线充电;续航
中图分类号：V279
近年来国家开放了1000米以下的高空，使无人机得到了一定程度的发展。无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。是信息时代高科技含量的产物。在经历过世界大战之后，无人机渐渐进入到各个行业：用无人机进行航拍，或进行快递装运服务等。无人机行业得到了迅猛的发展。
1 无人机运行情况
多年前，没有人预知无人机会普及大众。但到2010年后，民用无人机市场迅猛发展。其中，航拍无人机市场规模日渐增长。2017年，我国航拍无人机市场规模约40多亿元，未来将以86.5%的年复合增长率快速成长;到2020年，市场规模将达到约250亿元人民币。
无论是何种飞行器，续航能力都是其最为重要的性能之一。目前无人机动力分为电力驱动和燃料驱动。市面上的无人机主要采用锂聚合物电池作为主要动力，续航能力一般在20分钟至30分钟之间。因为无人机需要尽可能减轻起飞重量，所以无法携带较重的大容量电池。大多数无人机在维持二十分钟有效飞行之后，就必须充电1小时以上或者更换电池。燃料无人机具有续航时间长，动力性能好等诸多优点，但是燃料无人机在运行过程中会产生大量有害气体，会对环境造成一定程度的污染，不符合现今的绿色环保理念。不仅如此，燃料无人机在工作中相比于纯电动无人机具有危险性和不稳定性。
目前无人机的电力续航时间短是无人机的一个致命的短板，大大限制了行业的快速良性发展，解决无人机电池续航问题迫在眉睫。
2 无人机无线能量传输探究
随着时代以及科学技术的迅速发展，人们开始不断探索与优化能量传输的方式。1980年，物理学家尼古拉.特斯拉做了无线输电的实验。2007年，麻省理工学院的研究团队展示了他们的磁共振无线输电技术。2018年，我国的首个在地球轨道上利用无线输能的方式将太阳能转化为电能并输送至地球的太阳能电站实验在重庆启动。无线充电技术目前已经广泛运用于各个行业。无线充电技术在当今充电技术中存在着巨大的前景与优势。
可以看出，相比其他无线充电系统激光无线充电系统具有传输距离远且效率与功率高的优势。因此选用激光作为无人机定向无线充电系统的无线能量传输方式。
3 基于激光的无线定向能量传输
3.1 原理
激光是由原子中的电子吸收能量之后进而从低能级跃迁到高能级，之后从高能级落回到低能级的时候所释放的能量作为光子的形式放出。它们光学特性高度一致，具有单色性好，亮度高，方向性好的特点。光子的能量为：E=hv（h为普朗克常量，v为频率，激光的频率范围在3.846×10^（14）Hz到7.895×10^（14）Hz之間）。当频率越大时，光子的能量就会越高。由于激光高度集中，作用范围小，所以能量密度大，传播距离远。
3.2 方法
无线能量定向传输系统由光伏电池，跟踪器，激光发生器和电机组成。通过在无人机上放置光伏电池，无人机跟踪系统定位无人机的位置，电机转动激光器到合适的位置的这一系列操作后，将激光定向到无人机的激光接收器上。然后光伏电池将能量转化为电能，从而持续为无人机行进作业供能。
3.3 优点
（1）激光无线充电技术解决了充电过程中繁杂的电线问题，简化了无人机的充电过程，提高了便捷性，减少了充电设备由于频繁插拔充电线而带来的损坏。还省去了繁杂型号的充电插头，提升了用户的良好体验。并且在安全性，灵活性等方面具有优势。除此之外，还具有良好的环保性。
（2）作为无线充电解决方案，激光相较其他无线能量有巨大优势。由于激光的作用范围小，因此具有巨大能量、大的传输功率和较小的功率损失。此外，还具有良好的安全性。研究表明，只要不直视激光，就不会对身体造成伤害。即使是间接观察激光，200W以下的激光的丁达尔效应都不会对眼睛造成伤害。
（3）无人机无线充电解决了无人机运行过程中的充电问题，使无人机具有较长的续航时间。在无人机日常作业中，续航时间的长短决定了无人机的工作效率。无人机工作效率的提升，会推动相关产业的发展与进步。同时，无人机的应用将更加广泛，无人机行业将迅速发展。
3.4 缺点
（1）无线充电设备转换效率低，充电速度慢，无线充电工作距离短。随着距离的不断增加，能量传输效率降低，设备功耗将慢慢变大。
（2）无线充电设备成本较高。若设计生产不符合标准，会有安全隐患。
（3）激光无线充电系统在繁杂的区域充电效果可能会不理想。激光在传输过程中很可能会受到障碍物的阻碍作用，使得传输效率降低。
（4）激光无线能量传输技术还处于萌芽发展阶段，目前还没有大规模应用于各个行业。
4 小结
由此可见，无人机定向无线充电系统的方案可行性高，优点显著。即使激光无线充电现阶段发展不成熟，传输功率偏低，但在未来使用与发展空间巨大。随着将来科学技术的不断进步和发展，激光无线充电系统将会具有更远的传输距离，和更广的传输面积，并会应用于各个行业，成为可靠的无人机无线充电方式。
参考文献：
[1]维库电子市场网：《详解九大无线充电技术》.
[2]李修乾.无人机激光充电技术研究[J].激光杂志，2013，（04）.
[3]姜坤.无人机.化学工业出版社，2017.
[4]金星，常浩，崔晓阳.激光输能无人机概念研究[J].航空学报，2013，（09）.
作者简介：吴题，女，教师，研究方向为民航运输，飞行程序设计;郄宏伟，男，学生，主要学习方向为民航运输类。